Aufbau eines betrieblichen Energiemanagementsystems

Die Autoren: Frank Knafla Master Specialist Energy Efficiency, Phoenix Contact Electronics Ulrich Hoppe Product Marketing Analog, Phoenix Contact Electronics

Wesentliche Aufgabe eines Energiemanagementsystems ist die Erfassung, Aufzeichnung und Analyse der Energieflüsse, um kontinuierlich Einsparmöglichkeiten aufzudecken und so die Energieeffizienz zu steigern. Die automatisierte Aufnahme der Energieflüsse erfordert die Installation geeigneter elektrischer Energiemessgeräte sowie die Weiterleitung der Messwerte an Datenlogger, die über standardisierte Schnittstellen mit den Energie-Informations-Systemen (EIS) kommunizieren und die Daten an zentraler Stelle zur Auswertung zur Verfügung stellen. Damit Maßnahmen zur energetischen Optimierung der Prozessfunktionen abgeleitet werden können, müssen die Energiedaten detailliert auf der Maschinen- und Anlagenebene ermittelt werden. Dazu sind industrietaugliche Lösungen notwendig.

Je nach Ausführung beinhalten die elektrischen Energiemessgeräte der Produktfamilie EMpro von Phoenix Contact einen konfigurierbaren Impulsausgang oder eine Kommunikationsschnittstelle, die der Ankopplung an überlagerte Energie-Informationssysteme oder Lastmanagementsysteme dient. Sie erfassen und überwachen die elektrischen Kenngrößen der Anwendung, wobei sämtliche Parameter wie Ströme, Spannungen, Leistungen und Leistungsfaktoren gemessen werden. Darüber hinaus analysieren die EMpro-Geräte die Kennwerte zur Beurteilung der Netzqualität wie die Netzfrequenz oder die Oberschwingungen der Spannungen und Ströme. Beschriftete Drucktaster erlauben den schnellen und zielgerichteten Zugriff auf die aufgenommenen Messwerte sowie eine einfache Konfiguration vor Ort. Mit den steckbaren Kommunikationsmodulen können die Messgeräte flexibel in Ethernet-Netzwerke und Feldbussysteme integriert werden, sodass der Anwender sowohl vor Ort als auch zentral auf alle Daten zugreifen kann. Der Funktionsumfang lässt sich jederzeit mit steckbaren Funktionsmodulen nachrüsten. Auf diese Weise werden die EMpro-Geräte den wachsenden Anforderungen an das Erfassungssystem gerecht.

Derzeit sind drei Gerätetypen erhältlich. Das tragschienenmontierbare EEM-MA250 übernimmt die Messaufgaben direkt im Schaltschrank. Es hat einen digitalen Ausgang, der als Alarm zur Schwellwertüberwachung der elektrischen Parameter oder als Impulsausgang bei Wirk- oder Blindenergiemessungen konfiguriert werden kann. Die Impulse lassen sich mit den Digitaleingängen der Inline Controller (ILC) von Phoenix Contact erfassen. Zur Bewertung müssen die kumulierten Impulse im Auswerteprogramm der Steuerungen mit einem Gewichtungsfaktor – beispielsweise 10 kWh/Impuls – multipliziert werden.

Das EEM-MA400, das für den Einbau in Fronttafeln konzipiert ist, kann mit einem RS485-Kommunikationsmodul erweitert werden. Noch größere Ausbaumöglichkeiten eröffnet das EEM-MA600: Für das Messgerät stehen neben RS485-, Profibus- und Ethernet-Kommunikationsmodulen Funktionsmodule für digitale Ein- und Ausgänge sowie Analogausgänge, ein Temperatur- und ein Speichermodul zur Verfügung. Über die serielle RS485-Schnittstelle können auch erweiterte Kennwerte wie der Anteil der Oberwellen der Netzspannung oder die Leistungsfaktoren cosw via Modbus/RTU in die Inline Controller eingelesen werden. Die Klein-steuerung wird somit funktional ausgebaut und zusätzlich als Datenlogger eingesetzt. Eine RS485-Kommunikationsklemme aus dem Automatisierungsbaukasten Inline bindet das Messgerät mittels IEC61131-3-konformen Treiberbausteinen an den Inline Controller an. Die Automatisierungs-Software PC Worx unterstützt die Programmierung der wichtigsten Integrationsfunktionen, sodass die optimale Anpassung der Messgeräte an die Applikation sichergestellt ist. Die Spannung lässt sich ohne Wandler bis 700 V messen.

Durch Verwendung der EMpro-Geräte und RS485-Module können bis zu 31 Messgeräte über eine Strecke von 1200 m kommunizieren. Allerdings erlauben RS485-Systeme lediglich Linienstrukturen. Um ausgedehnte Netzwerke aufzubauen und zu nutzen, werden Repeater der Produktfamilie PSI eingesetzt. Auf diese Weise ist die Umsetzung unterschiedlicher Installationskonzepte wie Stich-, Baum- oder Sternstrukturen möglich. Die Energiekenngrößen der Fertigungsprozesse werden an den Inline Controller übertragen, der sie zur Archivierung direkt in eine SQL-Datenbank schreibt.

Sollen die Energiedaten zentral aufgenommen werden, lassen sich von den EMpro-Messgeräten bis zur Leitzentrale verschiedene Netzwerkstrukturen realisieren. Damit in rauer Industrieumgebung eine leistungsfähige und zuverlässige Kommunikation der Energiedaten gegeben ist, bietet Phoenix Contact weitere Netzwerkkomponenten an:

Wird ein RS485/Ethernet-Gateway angeschlossen, lässt sich das EEM-MA600 als Master-Gerät verwenden und direkt mit dem Ethernet-Netzwerk koppeln, wobei bis zu 246 EMpro-Messgeräte als Slaves über die RS485- Schnittstelle angebunden werden können. Der in das Ethernet- und Ethernet-Gateway-Modul integrierte Webserver erlaubt sowohl die Visualisierung als auch künftig die Konfiguration der Geräte.

Die Inline Controller unterstützen eine direkte Kommunikation mit Datenbank-Management-Systemen (DBMS) wie dem Microsoft SQL Server. Mithilfe der Funktionsbaustein-Bibliothek der Automatisierungs-Software PC Worx können die SQL-Kommandos Insert, Update und Select von der Steuerung an das DBMS abgesetzt sowie Daten übertragen und in eine oder mehrere Tabellen der Datenbank geschrieben werden. Der in die Steuerung eingebaute SNTP-Client (Simple Network Time Protocol) generiert einen Zeitstempel, der jedem Mess- oder Zählwert eindeutig zugeordnet ist und gemeinsam mit ihm im DBMS abgelegt wird. Darüber hinaus gestatten Funktionsbausteine die SNMP-Kommunikation (Simple Network Management Protocol) zu übergeordneten Managementsystemen. Der SNMP Agent läuft auf dem Inline Controller, alle erfassten Daten werden direkt an das Managementsystem weitergeleitet. Die Werte, die vom Managementsystem über die jeweilige Steuerung ausgelesen werden können, die sogenannten Managed Objects, sind in einer Management Information Base niedergelegt. Dabei handelt es sich um Beschreibungsdateien, in denen die einzelnen Energiekennwerte tabellarisch aufgeführt werden.

Online-Info: www.cav.de/0711458