Energie- und Leistungsmessklemmen

Vom Energie- zum Zustandsmanagement

| Autor / Redakteur: Dr. Fabian Assion* / Ines Stotz

Die drei Klassen der Energie- und Leistungsmessklemmen: Wartung, Leistungsmessung und Leistungsmonitoring.
Die drei Klassen der Energie- und Leistungsmessklemmen: Wartung, Leistungsmessung und Leistungsmonitoring. (Bild: Beckhoff)

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Für Maschinen und Produktionsanlagen über Fertigungshallen und Gebäude bis hin zu Wind- und Wasserkraftanlagen bietet Beckhoff ein ganzheitliches Produktportfolio zur Energiemessung und zur Netzanalyse.

Die neuen Ethercat-Klemmen für das Energie- und Zustandsmanagement ergeben zusammen mit den Netzmonitoring-Oversampling-Klemmen und der dazugehörigen Twincat-Bibliothek Power Monitoring ein umfassendes Produktspektrum, das sich entsprechend an die jeweilige Applikation anpassen lässt.

Neben dem weiterhin bestehenden politischen Druck, die ISO 50.001 umzusetzen, gibt es einige direkte Nutzenversprechen aus der Implementierung eines Energiemanagementsystems (EnMS), wie auch die Internationale Energie Agentur beschreibt:

  • Energieeinsparung = Kosteneinsparung,
  • Versorgungssicherheit = Produktionssicherheit,
  • Industrieproduktivität = erhöhter Umsatz,
  • Ressourcenmanagement = Gewinnsteigerung.

Schon als Stand-alone-Energiezähler bietet die Beckhoff-Lösung Vorteile gegenüber konventionellen Geräten: Modular aufgebaut – beispielsweise aus dem kompakten IoT-Buskoppler EK9160 mit Ethernet-Anschluss und der Leistungsmessklemme EL3423, welche speziell auf die Nutzung im IoT-Umfeld optimiert ist – ergibt sich eine flexible Lösung. Mit ihr profitiert der Anwender von bewährten und zudem kostengünstigen Standard-Industriekomponenten.

Ganzheitliche Energiemessung spart Kosten und Aufwand

Ein deutlich größeres Effizienzpotenzial erschließt der ganzheitliche Ansatz: Das offene und durchgängige Busklemmen- und Softwaresystem von Beckhoff ermöglicht eine einfache, kostengünstige und vor allem systemintegrierte Energiemessung. So lässt sich für alle, auch gleichstromgespeiste Verbraucher und an beliebigen Stellen in der Anlage oder dem Gebäude detailliert erfassen, wo welche Art von Energie in welcher Menge verbraucht wird.

Dabei stehen diese Messdaten dem I/O-System direkt zur Verfügung, sodass der Anwender hierfür kein zusätzliches Automatisierungssystem benötigt. Vielmehr lassen sich – je nach Bedarf – die entsprechenden Busklemmen und/oder Softwaremodule ganz einfach 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.

Ein heterogenes System, beispielsweise durch gewachsene Strukturen, lässt sich mit Hilfe eines übergeordneten Gateway-PCs problemlos wieder zu einem voll funktionsumfänglichen Gesamtsystem zusammenführen und dies sogar über Herstellergrenzen hinaus.

Die Basis der Lösung bilden die zahlreichen I/O-Module zur Energiedatenerfassung. So lassen sich die in der Praxis etablierten Gas-, Wasser- und Wärmezähler ganz einfach über Impulszähler wie der Ethercat-Klemme EL1512 oder den Busklemmen KL6781 und KL6401 per M-Bus- bzw. LON-Interface einbinden.

Mit den Differenzdruckmessklemmen KM37xx und der dezentral einsetzbaren IP-67-Differenzdruckmessbox EP3744 kann zudem die Druckluftversorgung direkt überwacht und beispielsweise auf Energie vergeudende Leckagen überprüft werden.

Über die KL/EL6224 lassen sich auch IO-Link-basierte Sensoren effizient einbinden.

Elektrische Größen lassen sich besonders komfortabel und systemintegriert über das breit gefächerte Leistungsmessklemmen-Portfolio erfassen, welches sich in die drei Anwendungsbereiche Wartung, Leistungsmessung und Leistungsmonitoring unterteilen lässt.

Klemmen für Wartung und Überwachung

Mit dem 3-Phasen-Netzwächter EL3483 für Spannung, Frequenz und Phase lassen sich einerseits alle üblichen Schutz-Relais-Aufgaben, wie Unsymmetrie-, Frequenz-, Phasen- und Spannungsschutz für ungeregelte Motoren realisieren. Zudem erhält man von ihr nicht nur eine Fehlermeldung, wenn es schon zu spät ist. Vielmehr kann man für alle überwachten Werte auch eine Warnschwelle festlegen, um noch vor dem Ausfall aktiv zu werden und den Maschinenstillstand somit zu vermeiden.

Mithilfe des in der Klemme angebotenen Power-Quality-Faktors und durch die verhältnismäßig geringen Kosten lässt sich ein flächendeckendes Monitoring für die Versorgungsspannung aufstellen. Der Power-Quality-Faktor ist hierbei eine Zusammenfassung und Vereinfachung von vielen Einflussfaktoren auf die Spannungsqualität des Versorgungsnetzes, welche mit der Messtechnik erfasst werden. Letztlich bietet er die Möglichkeit, mit einem einzelnen Zahlenwert die Spannungsversorgungssicherheit einer Anlage zu bewerten, ohne dabei tieferes Wissen über Oberwellen, Verzerrungsfaktoren oder ähnliches zu benötigen.

Der zweite Vertreter dieser Gruppe ist die eigentliche Energie- und Leistungsmessklemme, da sie zusätzlich auch Strommesskanäle bereitstellt. Die EL3423 als Economy-Version der 3-Phasen-Energiemessklemme ist eine vollwertige Energie- und Leistungsmessklemme, welche ihre Messwerte anhand des in Deutschland üblichen 15-min-Intervalls berechnet. Die Update-Geschwindigkeit ist jedoch frei einstellbar bis hinunter zu 10-s-Mittelwerten. Daneben erfasst die Klemme auch die Leistungsminima und -maxima. Die zeitliche Einschränkung führt zu einer direkten Kosteneinsparung, da diese Variante preisgünstiger angeboten werden kann.

Werden die Leistungs- und/oder Stromwerte beispielsweise für die Regelung einer Maschine benötigt, sind 10-s-Messintervalle wahrscheinlich zu langsam. In diesem Fall sollte zu der nächsten Klasse gewechselt werden.

Klemmen für die Leistungsmessung mit speziellen Fähigkeiten

Die EL3443 ist die neue Standard-Leistungsmessklemme von Beckhoff und bietet im Vergleich zum Vorgänger viele neue Features und eine deutlich kürzere Reaktionszeit. Die 3-Phasen-Leistungsmessklemme aktualisiert ihre Messwerte mit jeder Vollwelle (20 ms bei 50 Hz). Außerdem liefert sie insgesamt über 400 Messwerte, die detailliert Aufschluss über den aktuellen Zustand der Spannungsversorgung bzw. des Stromverbrauchs geben. Unter anderem ermittelt die Klemme die ersten 41 Oberwellen für Strom und Spannung auf allen drei Phasen.

Zwei speziellere Fähigkeiten dieser Klasse sind die zeitliche Detektion des Nulldurchgangs sowie die interne Effektivwertberechnung des Reststroms. Durch erstere lassen sich neuartige Steuerungskonzepte umsetzen, indem gezielt zum mikrosekundengenau bestimmten Spannungsnulldurchgang Schalthandlungen ausgeführt werden, um Schaltelement und nachgestellte Geräte vor einer Einschaltstromspitze zu schützen.

Die zweite ermöglicht eine Abschätzung des Nullleiterstroms, ohne diesen separat zu erfassen. Mit der EL3453, welche den Nullleiterstrom direkt misst, ist der berechnete Reststrom gleich dem Differenzstrom und bietet somit weitere Überwachungsmöglichkeiten, welche z. B. für IT-Server-Architekturen interessant sein können.

Andere Schwerpunkte setzt die 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3453 bis 690 V AC mit erweiterter Funktion. Diese ist nochmals schneller und aktualisiert sogar mit jeder Halbwelle (also alle 10 ms bei 50 Hz) ihre Prozesswerte. Darüber hinaus verfügt sie über vier unabhängige und isolierte Stromkanäle, welche auch kurzzeitigen Strömen von 60 A standhalten. Zudem berechnet diese Ethercat-Klemme mehr Oberwellen (bis zur 63.) sowie auch Grundwellenleistungen und -energien, wodurch mehr als 600 Messwerte zur Verfügung stehen.

Power-Monitoring für High-end-Applikationen

Die dritte und letzte Klasse umfasst die für Highend-Applikationen vorgesehenen Power-Monitoring-Klemmen der EL37x3-Reihe. Hier ist das Prinzip der PC-basierten Steuerung voll umgesetzt, da die Klemmen den Strom- und Spannungsverlauf zeitlich hoch aufgelöst und unverarbeitet, d. h. ohne Informationsverlust schnell an die Steuerung weiterleiten. Vorteil: in der Steuerung sind alle Rohwerte vorhanden, somit wird die größte Detailtiefe erreicht, die theoretisch möglich ist. Dadurch lassen sich auch Oszilloskop-Anwendungen umsetzen. Außerdem steht in der Steuerung deutlich mehr Rechenleistung zur Verfügung, wodurch sich die gewünschten Analysen in einer nochmals höheren Detailtiefe ausführen lassen.

Für die effiziente Umsetzung dieser Analysen stellt Beckhoff die Twincat Power Monitoring Bibliothek TF3650 bereit. Während die EL3773 mit „nur“ bis zu 10.000 Messwerten/s vergleichsweise langsam ist, überzeugt sie jedoch durch integrierten Filter und Gleichstromfähigkeit. Die EL3783 hingegen bringt eine Abtastrate von 20 kSps und eine Überlastfähigkeit für Strom und Spannung von 130 bis 650 % mit. Damit wird es möglich, auch in Fehlerzuständen noch den Überblick zu behalten und keinerlei Messwerte zu verlieren.

Energiemanagementsystem lokal oder cloudbasiert

Aus all diesen Möglichkeiten lässt sich ein unternehmensweites Energiemanagementsystem bedarfsgerecht zusammenstellen. Ob dieses dann lokal verortet sein soll, wie bisher oft üblich, oder doch eher cloudbasiert aufgesetzt wird, kann der Anwender frei entscheiden. Bei der lokalen Lösung sollte jedoch auch auf die Vorteile einer übersichtlichen Bedienung mit zentralen Zugriffsmöglichkeiten geachtet werden – mit Multitouch-Funktionalität sowie auf einem Bildschirm dargestellt anstatt wie früher über mehrere Einbaugeräte verteilt. Eine zentrale Anzeigelösung bietet nicht nur vor Ort bessere Übersichtlichkeit, sondern dank der HTML5-basierten Twincat 3 HMI lässt sich dieselbe Visualisierung ohne zusätzlichen Aufwand auch auf beliebigen weiteren Anzeigegeräten, wie beispielsweise Smartphones und Tablets, darstellen.

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Drag-and-Drop-Analysen mit Twincat Analytics

Mit Twincat Analytics lassen sich die unternehmensweit gesammelten Daten ganz einfach per Drag-and-Drop-Analysen übergeordnet auswerten und mit weiteren Messdaten verknüpfen. So ist ein spezifischer Energieverbrauch pro Fertigungsteil schnell berechnet. In einer Beckhoff-Gesamtlösung stehen auch solche Daten zur Verfügung, die üblichen Energiemanagementsystemen nicht zugänglich sind, da kein Zugriff auf die Maschinensteuerung besteht.

Es lässt sich beispielweise der Energiebedarf für verschiedene Betriebszustände ermitteln und in einem zweiten Schritt eine Abweichung vom Normalzustand frühzeitig aufdecken. Während zu hohe Energieverbräuche etwa auf Verschleiß von Lagern schließen lassen, könnten zu niedrige Energieverbräuche auf eine unzureichende Produktqualität hinweisen. Durch die automatische SPS-Code-Generierung lassen sich solche einfach erstellbaren Drag-and-Drop-Analysen zudem als automatisierte Daueranalyse integrieren.

In dem automatisch erstellten Projekt ist ein HMI-Dashboard für die unternehmensweite Energiedatenanalyse integrierbar. Die Basis dafür stellt ebenfalls die Twincat 3 HMI. Dies ermöglicht es frühzeitig, auf drohende Fehler in verschiedenen Liegenschaften und Maschinen zu reagieren, bevor es zu Stillständen kommt. Auch bisher ungenutztes Optimierungspotenzial z. B. bei Betriebszustandswechseln ist so einfach aufzudecken. Sogar mysteriös scheinende Maschinenprobleme aufgrund von Schwankungen in der Spannungsversorgung lassen sich anhand des Power-Quality-Faktors ohne großes Vorwissen aufklären, um wirksam für Abhilfe zu sorgen. Mit diesem Handwerkszeug ist sogar die Implementierung eines technisch hochdetaillierten Zustandsmanagements ein Kinderspiel.

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Weitere Informationen

* Dr. Fabian Assion, Produktmanager I/O-Systeme, Beckhoff Automation

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