07.10.2020

Systemintegrierte Messtechnik vereinfacht Energiemanagement

Energietransparenz

Mit einer durchgängigen Leistungsmesskette vom Sensor bis in die Cloud vereinfacht Beckhoff das Energiemanagement. Die Lösung beginnt mit den SCT-Stromwandlern direkt bei der Aufnahme des physikalischen Messwerts und endet über den IoT-Koppler EK9160 und mit Twincat bei der cloudbasierten Datenanalyse. Dazwischen deckt ein breites Spektrum an Energiemessklemmen alle Anforderungen ab.

Autor: Fabian Assion


Die durchgängige Leistungsmesskette innerhalb von PC-based Control lässt sich auf allen Automatisierungsebenen sowohl soft- als auch hardwareseitig an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Durch eine kontinuierliche und systemintegrierte Leistungsmessung lassen sich im Produktionsumfeld umfangreiche Inline-Analysen durchführen, um Abweichungen direkt zu erfassen und damit ein schnelles Eingreifen zu ermöglichen bzw. Stillstandzeiten zu minimieren. So kann beispielsweise der kontinuierlich steigende Stromverbrauch einer Maschine auf Lagerverschleiß hinweisen. Ein abnehmender Stromverbrauch kann frühzeitig auf Qualitätsprobleme hinweisen. Bisher war ein solches kontinuierliches Monitoring allerdings meist mit erheblichem Aufwand verbunden, denn häufig mussten externe Sensoren nachträglich kostenintensiv und teilweise mithilfe von Sonderbauteilen integriert werden. Mit den Leistungsmessklemmen von Beckhoff lässt sich dies hingegen mit Standardkomponenten und entsprechend geringem Aufwand realisieren, auch im Rahmen von Retrofits existierender Maschinen und Anlagen. Mit einer Leistungsmessung an einem vorhandenen Motorkabel lassen sich z.B. asymmetrische Ströme direkt innerhalb von Millisekunden und nicht erst indirekt über die steigende Motortemperatur detektieren. Mechanische Schwachstellen können bei Vibrationen in Form von zunehmenden Oberwellenanteilen identifiziert werden. Um die Beurteilung aktueller Messwerte für den Anwender so weit wie möglich zu vereinfachen, hat Beckhoff den sogenannten Power Quality Factor (PQF) entwickelt. Dieser Richtwert erlaubt es, die Spannungsqualität im Umfeld einer Maschine oder Anlage anhand eines einzigen Zahlenwerts zu beurteilen, ohne Frequenz, Spannung, harmonische Oberwellen und Symmetrie separat analysieren zu müssen. Tritt beispielsweise ein Fehler an einer Maschine auf und fällt der PQF in derselben Zeit auf null, wurde der Fehler vermutlich nicht von der Maschine selbst, sondern durch eine Veränderung der Spannungsversorgung verursacht. Mit solchen Informationen lassen sich Fehlerursachen und -auswirkungen schneller beheben. Zudem kann ein fallender PQF als Frühwarnsystem dienen und die Klärung etwaiger Haftungsfragen vereinfachen.

Verteilte Leistungsmessung

Eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, um auch in komplexeren Systemen exakte Leistungsmessdaten zu erhalten, bietet das neue Konzept der verteilten Leistungsmessung. Zentrales Element ist die 6-Kanal-Strom-Eingangsklemme EL3446 für bis zu 1A AC/DC-Messstrom. Mit ihr lassen sich auch bei räumlich getrennter Spannungs- und Strommessung genaue Leistungswerte ermitteln. Entscheidend ist dabei, dass sich mit der EL3446 als reine Strommessklemme alle relevanten elektrischen Daten des Versorgungsnetzes (inklusive echter Leistungsmesswerte) ermitteln lassen. Die für die Berechnung der Leistungsdaten erforderlichen Spannungswerte werden ihr über Ethercat von einer nur einmal pro Netzwerk zu installierenden 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3443 übermittelt, und zwar über die Distributed Clocks von Ethercat zeitlich exakt synchronisiert. In den EL3446 werden dann Wirkleistung und Energieverbrauch für jede der jeweils bis zu sechs anschließbaren Phasen berechnet. Die Effektivwerte von Spannung und Strom sowie Wirk-, Schein-, Blindleistung bzw. Frequenz, Phasenverschiebungswinkel und Oberschwingung stehen somit zur Verfügung und ermöglichen eine umfangreiche Netzanalyse bis hin zum Energiemanagement. Dieses Konzept der verteilten Leistungsmessung - mit nur einer EL3443 und beliebig vielen EL3446 - minimiert den Hardware- und Installationsaufwand. So entfällt der Verkabelungsaufwand für die Spannungsverteilung. Zudem wird der Kanalpreis für die Leistungsmessung um nahezu 50% reduziert, ohne die Abtastgeschwindigkeit mit steigender Messstellenanzahl verringern zu müssen. Hinzu kommt, dass lediglich die Energiemessklemme EL3443 spannungsseitig über Sicherungen abgesichert werden muss. Bei allen Folgemessungen entfallen also die bei einer konventionellen Leistungserfassung erforderlichen Sicherungen.

Stromwandler und Energiemessklemmen

Als Ausgangspunkt der lückenlosen Leistungsmesskette innerhalb von PC-based Control dienen die Stromwandler der SCT-Serie. Das Portfolio deckt alle relevanten Applikationen ab, von 1 bis 5.000A Strom und von Durchsteck- über Klappwandler bis hin zu 3-phasigen Wandlern. Damit lässt sich eine zuverlässige Leistungssensorik als fester Bestandteil der PC-basierten Steuerung direkt im Feld implementieren, wobei Anwender zwischen zwei, jeweils über verschiedene Bauformen und Leistungsklassen hochskalierbare Konzepte wählen können. Verfügbar ist ein breites Spektrum von kostengünstigen 3-phasigen Wandlersätzen für die Gebäudetechnik über Standard-Industriewandler für den Maschinenbau bis hin zu Lösungen für Prüf- und Teststände mit besonders hohen Genauigkeitsanforderungen. Die Wahl der passenden Produktkategorie hängt dabei von der Art der Nutzung ab: Durchsteckwandler eignen sich für eine kosteneffiziente und messgenaue Datenerfassung insbesondere in Neuanlagen. Klappwandler sind aufgrund der einfachen Installation als unkomplizierte Nachrüstlösung prädestiniert. Die Ethercat-Energiemessklemmen sind ebenfalls fein skalierbar und von der Wartung über die Regelung bis zum Power Monitoring umfassend einsetzbar. Sie unterscheiden sich durch unterschiedliche Leistungsgrade bezüglich der Messgenauigkeit sowie - in einer Bandbreite von Sekunden und Millisekunden bis hin zu Mikrosekunden für eine Oszilloskop-Funktion - auch hinsichtlich der Geschwindigkeit der Datenerfassung.

  • • Für einfache Messaufgaben wie z.B. die Überwachung von Spannung, Frequenz und Phasen bietet Beckhoff die Ethercat-Klemmen EL3483 als Netzwächter und die EL3423 für Leistungsmessungen an.
  • • Messungen im unteren ms-Bereich, z.B. für Regelungen in einer Maschine, übernehmen die Klemmen der EL34xx-Serie.
  • • Power Monitoring mit µs-genauer Momentanwert-Erfassung von Strom und Spannung z.B. in Testracks lassen sich mit den Hochleistungsklemmen der EL37xx-Serie realisieren. Sie ermöglichen durch den Zugriff auf Momentanwerte von Strom und Spannung in der PLC eine besonders tiefgehende Systemintegration.
  • • Im Vergleich zur EL37xx-Serie bietet die EL34xx-Serie einen deutlich reduzierten Programmieraufwand durch vorskalierte Werte in SI-Einheiten, eine statistische Auswertung direkt aus der Klemme heraus und eine Warnfunktion bei Über-/Unterschreitung vordefinierter Grenzwerte.

Weitere Vorteile bieten die Ethercat-Energiemessklemmen aufgrund zahlreicher Spezialfunktionen. Beispiele sind die Min-/Max-/Average-Auswertung, die Energiesummierung über voreingestellte Zeitintervalle oder nutzergesteuerte Eingangssignale sowie die Oberwellenanalyse für Strom und Spannung (sogar bis zur 63. Harmonischen). Immer größere Bedeutung gewinnt die Fehler- oder Differenzstrommessung, die in der Leistungsmessklemme EL3453 durch den 4-Strom-Messkanal direkt integriert ist. Hiermit lassen sich beispielsweise Isolationsfehler auffinden, bevor die Anlage unvorbereitet stromlos geschaltet wird.

Cloudkommunikation und cloudbasierte Datenanalyse

Die Energiemessdaten lassen sich wahlweise über den lokalen Steuerungs-IPC oder den IoT-Koppler EK9160 in die Cloud übertragen. Auf dem lokalen Steuerungsrechner sind mit der Automatisierungssoftware Twincat alle Maschinenfunktionalitäten auf einer Plattform integriert: vom Engineering über PLC, Motion Control, Safety, Visualisierung und Messtechnik bis hin zur IoT-Kommunikation. Ergänzend stehen mit Twincat Power Monitoring spezielle Funktionen für die Netzanalyse zur Verfügung. Über den IoT-Koppler können die Leistungsdaten dann über Kommunikationsprotokolle wie OPC UA Pub/Sub oder MQTT in die gewünschte Cloudumgebung transferiert werden. Dort sind unterschiedlichste Funktionen nutzbar: komplett cloudbasiertes Engineering ebenso wie die zentrale Datenanalyse oder die einfache Anbindung von Cloud Storage Services verschiedener Public-Cloudplattformen. Die Besonderheit des IoT-Buskopplers EK9160 liegt in der direkten IoT-Anbindung der Ethercat-I/Os, ohne dass ein separates Steuerungsprogramm erforderlich ist. Dabei transferiert der EK9160 die E-Bus-Signaldarstellung eigenständig auf verschiedene IoT-Kommunikationsprotokolle und ermöglicht so eine standardisierte Integration von I/O-Daten in cloudbasierte Kommunikations- und Datendienste. Hierfür sind weder eine Steuerung noch eine Programmierung notwendig, d.h. die Parametrierung der I/O-Daten erfolgt über einen beliebigen Browser im Rahmen eines Konfigurationsdialogs mit dem integrierten Webserver. Die jeweiligen Cloud-Services und Security-Funktionen, wie z.B. Authentifizierung und Verschlüsselung, lassen sich ebenfalls per Browser konfigurieren. Nach der Parametrierung übernimmt der Koppler eigenständig den Versand der digitalen oder analogen I/O-Werte inklusive Zeitstempel an den gewählten Clouddienst. Bei einer etwaigen Unterbrechung der Internetverbindung steht zur Absicherung ein lokales Daten-Buffering zur Verfügung. Durch eine schnelle cloudbasierte Leistungsdatenanalyse können Anwender das eigene Energiemanagement komfortabel optimieren. Als ideale Lösung hierfür ermöglicht Twincat Analytics je nach Bedarf eine punktuelle oder kontinuierliche Datenanalyse. Während das Twincat-Analytics-Servicetool beispielsweise die Inbetriebnahme für den Techniker optimiert und vereinfacht, bietet die Analytics Workbench deutlich erweiterte Funktionalitäten und unterstützt die automatische Programmcode-Generierung. Über den 24/7-Einsatz in der Runtime ergibt die Analytics Workbench eine durchgängige, lückenlose Datenanalyse. Maschinenbauer können ihren Kunden auf diese Weise nicht nur individuelle Analytics-Lösungen zur Verfügung stellen, sondern auch selbst zum Anbieter neuer Predictive-Maintenance-Konzepte werden.

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