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Grund01 Ein Stand-alone- Energiezähler lässt sich kostengünstig aus den Standardkomponenten Embedded-PC und Energiemessklemme aufbauen

Mit systemintegrierter Energiemessung zum erfolgreichen Energiemanagement

02 Mit der 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3413 kann bereits eine einfache Netzanalyse bis zur 21. Oberschwingung durchgeführt werden

03 Dank Oversampling-Technologie ermöglicht die Netzmonitoringklemme EL3773 eine gegenüber der Kommunikationszykluszeit höher aufgelöste Istwert-Erfassung

Für ein breites Anwendungsspektrum – von Maschinen und Produktionsanlagen über Fertigungshallen und Gebäude bis hin zu Wind- und Wasserkraftanlagen – bietet Beckhoff ein breites Portfolio von der Energiemessung bis zur Netzanalyse. Dazu zählt einerseits ein Stand-alone-Energiezähler als kostengünstige Lösung aus Standard-Industriekomponenten. Anderseits bietet das Klemmensystem alle Möglichkeiten, unterschiedliche Applikationsanforderungen sowohl bei Einzelanwendungen als auch für eine systemintegrierte Energiemessung zu erfüllen.

Die industrielle Produktivität wird schon seit jeher intensiv vorangetrieben und ist dementsprechend weit ausgereizt. Das Thema Energieeffizienz bietet hingegen nach wie vor ein großes Potenzial. Alleine durch eine erhöhte Transparenz des Energieverbrauchs und entsprechend optimierte Fertigungsprozesse sind bereits Kosteneinsparungen möglich. Finanzielle Investitionen sind hierfür nicht erforderlich, geringere mit dem Energieversorger zu vereinbarende Leistungsspitzen reichen bereits aus. Hinzu kommt der wachsende politische Druck auf alle Unternehmen, den Energieverbrauch und CO 2 -Ausstoß zu reduzieren. So wird die Rückzahlung der sogenannten EEG-Umlage zukünftig von der Einführung eines Energiemanagementsystems (ENMS) abhängig gemacht. Grundvoraussetzung dafür ist wiederum eine zuverlässige und detaillierte Energiedatenerfassung, weshalb eine solche Überwachung, Messung und Analyse auch im ENMS-Modell der entsprechenden Norm DIN EN ISO 50001 definiert ist. Und um dies umzusetzen, eignet sich die Beckhoff-Lösung aus dem modularen Klemmensystem, der Automatisierungssoftware Twincat und der offenen Kommunikation, zum Beispiel per Ethercat und OPC UA.

Energiemessung leicht gemacht
Schon als Stand-alone-Energiezähler bietet die Beckhoff-Lösung Vorteile gegenüber konventionellen Geräten: Modular aufgebaut beispielsweise aus dem kompakten Embedded-PC CX8090 mit Ethernet-Anschluss und der Leistungsmessklemme EL3403 ergibt sich eine flexible Lösung. Mit ihr profitiert der Anwender von bewährten und zudem kostengünstigen Standard-Industriekomponenten (Bild 1). Ein größeres Effizienzpotenzial erschließt allerdings der ganzheitliche Ansatz: Das offene und durchgängige Busklemmen- und Softwaresystem ermöglicht hier eine einfache, kostengünstige und vor allem systemintegrierte Energiemessung. So lässt sich für alle Verbraucher und an beliebigen Stellen in der Anlage oder dem Gebäude detailliert erfassen, wo, wie viel und welche Energie verbraucht wird. Dabei steht diese Leistungsmessung direkt dem IO-System zur Verfügung, sodass der Anwender hierfür kein neues Automatisierungssystem benötigt. Vielmehr lassen sich je nach Bedarf die entsprechenden Busklemmen und die passenden Softwaremodule zum Steuerungssystem hinzufügen. Auf diese Weise reduziert sich einerseits der Aufwand für eine umfassende Energieverbrauchserfassung. Andererseits stehen Informationen sowohl zum Gesamtverbrauch als auch für alle Teilprozesse zur Verfügung.

Energiedaten modular erfassen
Die Basis der Lösung bilden die zahlreichen IO-Module zur Energiedatenerfassung. So lassen sich über die Busklemmen KL6781 und KL6401 per M-Bus- bzw. Lon-Interface die in der Praxis etablierten Gas-, Wasser- und Wärmezähler einbinden. Mit den Differenzdruckmessklemmen KM37xx und der dezentral einsetzbaren IP67-Differenzdruckmessbox EP3744 kann zudem die Druckluftversorgung direkt überwacht und beispielsweise auf Leckagen überprüft werden. Elektrische Größen lassen sich komfortabel und systemintegriert über die Leistungsmessklemmen KL/EL3403 erfassen; weitergehende Analysefunktionen bieten die Leistungsmessklemmen EL3413, EL3433 und die Netzmonitoringklemme EL3773. Die unterschiedlichen Busklemmen lassen sich dezentral in den Bereichen einsetzen, in denen sie tatsächlich benötigt werden. So wird der Verdrahtungsaufwand für die Messdatenerfassung auf ein Minimum reduziert. Mit einer einzigen Ethercat-Leitung können die einzelnen Stationen miteinander verbunden werden, um in einer zentralen PC-Steuerung alle Daten zu sammeln und zu analysieren. Damit lässt sich der Energieverbrauch einzelner Komponenten, Bereiche oder der gesamten Anlage aufnehmen. Aber auch die Energieverbräuche der gesamten Halle, der Büros und anderer Gebäude stehen bereit.

Verbrauchsdaten per Software auswerten
Die erfassten Energiedaten stehen im offenen, PC-basierten System per Ethercat – oder bei Bedarf auch über beliebige andere Feldbusse – auf allen Softwareebenen zur Verfügung. Direkt auf der Steuerungsebene dient dazu die Automatisierungssuite Twincat, sowohl zur Nutzung als steuerungstechnische Parameter als auch für Condition Monitoring und Analyse des Energieverbrauchs. Übergeordnet lässt sich dank der Systemoffenheit ein Energiemanagementsystem über alle etablierten Softwarestandards, wie OPC UA, ankoppeln. Mit Twincat PLC lassen sich die Verbrauchsdaten direkt in den Steuerungsalgorithmen nutzen, um die Energiebilanz der Maschine oder Anlage bzw. des Fertigungsablaufs zu verbessern. Für den Bereich Monitoring und Analyse stellt die Automatisierungssuite ebenfalls geeignete Werkzeuge zur Verfügung: Die Twincat-Condition-Monitoring-Bibliothek CMS bietet einen modularen Baukasten von mathematischen Algorithmen für die Analyse von Messwerten, um eine Zustandsüberwachung auch im energetischen Sinne für Maschinen und Anlagen zu realisieren. Aus diesem Baukasten kann sich der Anwender je nach Applikationshintergrund bedienen und so eine auf verschiedene Plattformen skalierbare Lösung entwickeln. Die Funktionen der Bibliothek erstrecken sich über die Hauptfelder Analyse, Statistik und Klassifikation. Ein umfassendes Monitoring der Energiedaten ist zudem mit dem Software-Oszilloskop Twincat Scope möglich, das schnelles Daten-Logging mit einem leistungsfähigen grafischen Anzeigetool vereint. Der Logger kann sowohl lange Aufzeichnungen als auch schnelle Zyklen im μs-Bereich, zum Beispiel von Ethercat-Messklemmen wie der EL3773 mit Oversampling- Funktion, verarbeiten. Die Ergebnisse werden dann dem Viewer-Teil des Scopes zur Verfügung gestellt. In diesem Viewer lassen sich nahezu beliebig viele Kurven zeitlich hochgenau aufgelöst darstellen. Auf diese Weise kann man beispielsweise zuverlässig erkennen, ob sinusförmige Spannungsverläufe vorliegen oder Oberschwingungen vorhanden sind. Dabei sind aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung auch kurzzeitige Spitzen analysierbar, die sich mit konventionellen EMS/Scada-Systemen kaum auswerten lassen.

Durchgängige und universelle Energiemesstechnik
Aufgrund der weltweit steigenden Energiekosten gewinnt die Energiedatenerfassung in allen Industriebereichen an Bedeutung. Sie ist die unverzichtbare Grundlage für Monitoring und Analyse und damit für das Erschließen zahlreicher Einsparpotenziale. Die Ethercat-Leistungsmessklemmen von Beckhoff, mit ihren unterschiedlichen Spannungsbereichen und Ausstattungsmerkmalen, erlauben die Realisierung einer Vielzahl von Applikationen. Sie eignen sich ideal, um mit einer integrierten Messung von Strom und Spannung eine effektive und kostengünstige Erfassung und Analyse von Leistungsdaten und damit eine Optimierung der Anlagenproduktivität zu erreichen. Durch den modularen und dezentralen Aufbau lässt sich die Energie dabei an jeder beliebigen Stelle im System ermitteln. Die Effektivwerterfassung erfolgt entweder direkt in der Ethercat-Klemme oder – im Falle der EL3773 – in der überlagerten Steuerung. Auf diese Weise können im Maschinen- und Anlagenbau, in der Prozessindustrie, im Bereich erneuerbare Energien sowie bei Building- und Home-Automation u. a. Fertigungsprozesse stabilisiert bzw. Produktionsausfälle vermieden, Streukopplungen aufgespürt und „Stromfresser“ identifiziert werden. Ebenso möglich sind korrekte Kostenstellenzuweisungen sowie Einspeisungsüberwachung, Netzsynchronisierung und Überwachung der Stromqualität. Betrachtet man beispielsweise eine komplette Produktionshalle, zeigen sich in besonderem Maße die Vorteile der durchgängigen und integralen Beckhoff-Lösung: Systemintegriert lassen sich zum einen die Energiedaten der Maschinen bzw. Anlagen bis hin zum einzelnen Motor und zum anderen die Verbräuche der Gebäudetechnik, zum Beispiel bei Licht und HLK, erfassen. Erst diese umfassenden Informationen ermöglichen ein wirklich ganzheitliches Energiemanagement.

Der „Energiezähler“ KL/EL3403
Die 3-Phasen-Leistungsmessklemme KL3403 bzw. EL3403 ermöglicht die Messung aller relevanten elektrischen Daten des Versorgungsnetzes mit einer Messspannung bis AC 500 V. Die Netzspannung lässt sich direkt anschließen; die Strommessung erfolgt über einfache Stromwandler. Die Messwerte aller Ströme und Spannungen stehen als Effektivwerte direkt in der Klemme zur Verfügung. Berechnet werden für jede Phase die Wirkleistung, Scheinleistung, Blindleistung und Energie sowie die Frequenz und der Phasenverschiebungswinkel cos phi. Die Ethercat-Klemme KL3403/EL3403 liefert zuverlässige Daten für das Energiemanagement. Damit eignet sie sich beispielsweise zur verteilten Beobachtung und Erfassung des Energieverbrauchs in einer Produktionsanlage. Durch die Erkennung von „Stromfressern“ im Prozessablauf trägt sie zur Reduzierung der Stromkosten bei und ermöglicht zudem die genaue Zuordnung der jeweiligen Stromkosten zur passenden Kostenstelle. Detailliert gemessene Energieverbräuche lassen sich zudem steuerungstechnisch nutzen, um die Stabilität des Fertigungsprozesses zu erhöhen oder Produktionsausfälle zu vermeiden.

Der „High-Feature-Energiezähler“
Die 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3413 mit einer Messspannung von maximal AC 690 V (3-phasig, 5 A) hat galvanisch voneinander getrennte Stromeingänge. Mit der integrierten Berechnung der harmonischen Schwingungen kann bereits eine einfache Netzanalyse bis zur 21. Oberschwingung durchgeführt werden (Bild 2). Als Weiterentwicklung der EL3403 eignet sie sich, durch die größere Messspannung in Höhe der in Windkraftanlagen gängigen 690 V, zum Beispiel für die Einspeisungsüberwachung bei Generatoren. Vorteilhaft ist die Oberschwingungsanalyse mit der EL3413, insbesondere im Hinblick auf die 3. Oberschwingung. Sie bereitet aufgrund des vermehrten Einsatzes nichtlinearer, elektronischer Geräte, wie Entladungslampen, Computer und USV-Anlagen, zunehmend Probleme im Stromnetz und erhöht zum Beispiel beim Betrieb von Elektromotoren die elektrischen Verluste. Die entsprechenden 150-Hz-Ströme der einzelnen Außenleiter summieren sich im Nullleiter und können damit zu einem höheren Strom führen als in den Außenleitern. Dies kann bei einem zu gering bemessenen Nullleiter sogar zu einer erhöhten Brandgefahr führen.

Das „Netz-Oszilloskop“
Die Netzmonitoringklemme EL3773 sammelt mit einer schnellen Sample-Zeit die Istwerte von Strom und Spannung und ist damit prädestiniert für die High-End-Netzanalyse als Zustandserfassung eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes (Bild 3). Auf jeder Phase werden Spannungen bis zu AC 500 V/DC 410 V und Strom bis AC 1 A eff /DC 1,5 A mit einer Auflösung von 16 bit als Augenblickswerte erfasst. Die sechs Kanäle werden simultan nach dem Ethercat- Oversampling-Prinzip mit einer zeitlichen Auflösung bis zu 100 μs abgetastet, also zeitlich höher als die Kommunikationszykluszeit aufgelöst. Die ermittelten Daten werden an die zugehörige Steuerung weitergegeben und lassen sich dort dank der hohen Rechenleistung für True-RMS- oder Leistungsberechnungen, aber auch für komplexe anwenderspezifische Algorithmen nutzen. Dies ermöglicht es dem Anwender, ausführliche Kalkulationen oder Analysen durchzuführen und mithilfe von Twincat Scope den tatsächlichen Verlauf von Strom und Spannung darzustellen. Diese Vorteile kommen zum Beispiel bei der Netzsynchronisation in Wasserkraftwerken zum Tragen.

Nahtlose Messtechnik-Integration
Mit Scientific Automation verbindet Beckhoff die Bereiche der klassischen Steuerungstechnik, wie SPS, Motion Control und Regelungstechnik, nahtlos mit präziser und schneller Messtechnik sowie ingenieurwissenschaftlicher Algorithmik. Dabei lässt sich die Lösung auf einer einheitlichen Plattform umsetzen sowie dank der Modularität des Systems an die jeweilige Applikation anpassen und nachträglich erweitern. Auf diese Weise erhält man eine kompakte und kostengünstige Möglichkeit, um eine hohe Transparenz des Energieverbrauchs zu erreichen – die Voraussetzung für maximale Energieeffizienz und auch die Basis für zukünftige Smart-Grid-Anwendungen. Zu Teilnehmern im Datennetz eines Smart Grid werden die Stationen durch die flexible Erweiterbarkeit der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff. Sie ermöglicht es dem Anwender, die Energie- und Zustandserfassung um Protokolle aus der Fernwirktechnik zu erweitern. Die Anlagen, ob nun Bürogebäude, Fabriken, Unterstationen in einem Verteilnetz, Windparks, BHKW oder Biogasanlagen, können also auch nachträglich „Smart“ werden. So kann ein Bürogebäude negative Regelenergie erzeugen, in dem eine Wärmepumpe vorsorglich den Wärmespeicher belädt. Positive Regelenergie ließe sich über ein Notstromaggregat erzeugen, welches vom Netzbetreiber angefordert wird. Die Bereitstellung solcher Regelenergie wird heute schon von vielen mit Embedded-PC ausgestatteten und in virtuellen Kraftwerken zusammengefassten Liegenschaften mit Beckhoff-Technik realisiert. (mh)

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Autor:
Javier Manchado ist als Produktmanager Feldbussysteme für die Beckhoff Automation GmbH in Verl tätig. info@beckhoff.de