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Energiedaten auswerten und „nebenbei“ Prozesse steuern

01  Energiemanagementlösung mit Modulen für die Energie- und Differenzstrommessung für die S7-CPU

01  Energiemanagementlösung mit Modulen für die Energie- und Differenzstrommessung für die S7-CPU

02  Konfiguration der Insevis-Messklemme in der „ConfigStage“

02  Konfiguration der Insevis-Messklemme in der „ConfigStage“

03  Parametrierung bei bestehender Komplettlösung E-Max

03  Parametrierung bei bestehender Komplettlösung E-Max

04  Messwertanzeige bei bestehender Komplettlösung E-Mess

04  Messwertanzeige bei bestehender Komplettlösung E-Mess

Energiemess- und Steuerungstechnik wachsen zusammen. Daher stehen nun Module für Energie- und Differenzstrommessung für die S7-CPU von Insevis zur Verfügung. Diese erlauben eine individuelle Anpassung der Energiemessung und -auswertung durch jeden S7-Programmierer und „quasi nebenbei“ noch die Lösung originärer Steuerungsfunktionen – alles im bekannten Simatic Manager oder TIA Portal.

Im Zuge der ganzheitlichen Erfassung aller Verbräuche im Rahmen von Energiemanagementsystemen gemäß DIN EN ISO 50 001 sind viele neue Energiemessgeräte auf dem Markt aufgetaucht, zumeist als Single-Box-Produkt für die Energiemessung und Netzanalyse. Die anfallenden Daten werden mit kostengünstigen Modbus-RTU- bzw. Modbus-TCP-Schnittstellen an übergeordnete Systeme weitergegeben. Fast jede Schnittstellenkonfiguration ist herstellerspezifisch und verlangt viel Detailwissen von den Anwendern für das Einsammeln ihrer Energiedaten. Oft genug wird durch die vielen kleinen, messstellenbezogenen Einbaugeräte die Fronttafel der Schaltanlage „zerlöchert wie ein Schweizer Käse“.
Was liegt für einen Steuerungshersteller also näher, als die Integration der Energiemesswelt in die allgemeine S7-Steuerungstechnik als eine von vielen Funktionen? Kein S7-Programmierer muss sich im unbekannten Terrain bewegen. Die Pflege und individuelle Anpassung der Energiemanagementsysteme wird zur übersichtlichen Standardaufgabe für Betriebselektriker.
Von Insevis steht S7-Steuerungstechnik (die CPU sind befehlskompatibel mit der S7-315-2PNDP) mit vielen integrierten Schnittstellen (Ethernet, Modbus, CAN, serieller CP), brillanten Panels und einfach zu integrierender Fremdperipherie zur Verfügung [1]. Die Peripheriebaugruppen zeichnen sich durch hohe Präzision (bis 16 Bit), geringe Langzeitdrift und eine einfache Parametrierung per Software mit einigen besonderen Funktionen (z. B. bitweises Umstellen digitaler Ein-/Ausgänge) aus. Kompakt in Metallgehäuse verpackt, widerstehen die Baugruppen auch rauer Umgebung.

Messklemmen in S7-Umgebung integriert
Nun werden Messklemmen in eine quasi von jedem programmierbare S7-Umgebung von Insevis integriert (Bild 1). In der Drag-and-drop-Konfigurationssoftware „ConfigStage“ werden die E-Mess UI auf den Slot gezogen und parametriert: Stromwandlerübersetzung und -korrekturwerte, Grenzwerte für Überspannung, -strom und Unterspannung sowie Nennfrequenz des Stromnetzes – noch mit einem Klick in den Systemdatenbereich der CPU geladen und fertig (Bild 2). Je nach Steckplatz schreibt die Energiemessklemme Werte in das S7-Prozessabbild. Der Programmierer kann die gewünschten Werte in seinem ­Simatic Manager oder TIA Portal einfach abholen, weiterverarbeiten, in Datenbausteinen ablegen, archivieren und an Leitsysteme übertragen. Hierzu stehen neben den Modbus-Protokollen (TCP und RTU) die Siemens-Protokolle (RFC1006, Put/Get, Send Recieve) sowie TCP und UDP zur Verfügung. Das reduziert den Aufwand für die Erstellung eines auf seine eigene Anforderung gerichtetes Energiemanagement und ist zudem von jedem S7-Programmierer zu bewerkstelligen.
Bestehende Infrastruktur an Energiemessgeräten (zum Beispiel von Siemens, Janitza, PQ-Plus oder Weigel) wird mit der bereits benutzten Drag-and-drop-Konfigurationssoftware via Modbus-RTU oder Modbus-TCP integriert und dann per S7-Programmierung ausgelesen. Dafür steht ein S7-Kommunikationsbaustein von Insevis frei zur Verfügung, der nur noch parametriert und ins S7-Programm eingebunden werden muss. Andersherum lassen sich die Insevis-S7-SPS mit Energiemessbaugruppen per Modbus-TCP genauso leicht in zum Beispiel Smart-Grid-Software (Janitza-Gridvis, PQ-Plus-Envis) einbinden, denn die Daten können in den gleichen Modbus-Registern zur Verfügung gestellt werden, wie von den anderen Messgeräten dieser Hersteller. Diese Kompatibilität erleichtert das Nachrüsten in bestehende Messgeräte- und Softwareumgebungen enorm.
Wenn nun die Energiebilanz der Verbraucher ermittelt wurde, liegt es nicht auf der Hand, die nötigen Handlungen für die Energieeinsparungen gleich mit zu automatisieren? Mit einer einzigen Digitalkarte können bis zu 16 Verbraucher intelligent ab- oder zugeschaltet werden, während deren Echtzeit-Verbrauchswerte auf dem Nachbarslots gerade gemessen werden. Bestehende Lösungen gehen oft nur von der Nennleistung der Verbraucher aus, egal ob diese sich im Volllastbereich oder im Leerlauf befinden. Mit den Messklemmen werden die aktuellen Wirkleistungen ermittelt und so kann die Abschaltung viel exakter vorgenommen werden.

Genaues und flexibles Energiemanagementsystem
Das Ergebnis ist ein genaueres, wirtschaftliches und vor ­allem zu jederzeit anpassbares Energiemanagementsystem. Das erfreut nicht nur den Energiemanagement-Auditor, sondern zeugt von einem nachhaltigen, ingenieurtechnischen Lösungsansatz zur Einsparung von Energiekosten. Wer einmal diese Freiheit erkannt hat, wird als nächstes überlegen, die naheliegenden originären Steuerungsfunk­tionen peu á peu gleich mit zu erledigen: eine Mehrfach-Temperaturmessung und Lüfterregelung innerhalb des Schaltschranks, oder die Ansteuerung von Handbedienelementen – Basics für S7-Programmierer.
Für Mitte 2016 ist mit einer achtkanaligen Baugruppe zur Differenzstrommessung (RCM), eine weitere Baugruppe, für die kontinuierliche Überwachung von Differenzströmen geplant. Mit dieser Baugruppe können Alarmierungen oder Abschaltungen als zeitnahe Reaktion auf Überschreitung kritischer Stromwerte vorgenommen werden – wieder im bekannten S7-Umfeld realisierbar. Funktionsbausteine und Beispielprogramme aus dem Internet reduzieren den verbliebenen S7-Programmieraufwand.
Wer jedoch überhaupt nicht programmieren, sondern nur parametrieren will, findet auch dafür fertig ausgearbeitete Lösungen für reine Energiemesssysteme und E-Max-Systeme zur intelligenten Reduzierung von Leistungsspitzen. Am Panel oder auf einem Remote-PC-Monitor werden die Systemdaten (Verbrauchswertquellen, Messperiodendauer, Leistungsmaximum) und Verbraucherdaten (Nennleistung, Mindestein- und -abschaltzeiten, Prioritäten, Gruppen, usw.) eingegeben und von einem S7-Programm verarbeitet. Auch hier sind Erweiterungen unter S7 möglich, da das S7-Programm offen ist (Bild 3 und 4).

Fazit
Energiemessmodule sind in die bekannte S7-Umgebung von Insevis integriert. Dies erleichtert die Realisierung, Anbindung und Erweiterung von Energiemanagementsystemen durch bestehendes Fachpersonal. Wer S7-Automatisierung beherrscht, muss gegebenenfalls keine umständliche Parametrierung oder spezielle Programmierung von Energiemessgeräten erlernen. Dabei bleiben die vorgestellten Lösungen immer offen für andere Energiemessgeräte und fügen sich selbst in bestehende Infrastrukturen problemlos ein. Der Unterschied und der Vorteil zu bestehenden geräte- und herstellerübergreifenden Patch-Work-Projekten ist, neben der Wirtschaftlichkeit, das Zusammenspiel von Energiedatenerfassung, Auswertung und Schaltvorgängen übersichtlich in einem quasi von jedem beherrschbaren Programm. Die vielen Onboard-Schnittstellen und die immer mögliche Ausführung originärer Steuerungsaufgaben vereinfachen ­individuelle Lösungen und reduzieren Abhängigkeiten. (hz)

Literatur
[1] Peters, J.: In beiden S7-Programmierwelten zu Hause. etz elektrotechnik & automation.136 (2015) H. 10, S. 41 – 43

Jörg Peters ist Geschäftsführer der Insevis ­Gesellschaft für industrielle Systemelektronik und Visualisierung mbH in Erlangen. peters@insevis.de

Jörg Peters ist Geschäftsführer der Insevis ­Gesellschaft für industrielle Systemelektronik und Visualisierung mbH in Erlangen. peters@insevis.de