Seit 2010 müssen Energieversorger bei Neubauten und renovierten Gebäuden so genannte „Intelligente Zähler“ einbauen. Damit weist der Gesetzgeber den Weg zu mehr Verbrauchsbewusstsein im Heimbereich. Durch häufiges Ablesen – etwa im 15-Minuten-Takt – kann jeder Anschlussnehmer sein persönliches Profil erstellen, überwachen und eventuell anonymisiert mit anderen Personen und anderen Zeiträumen vergleichen.

Die damit durch den Endverbraucher realisierbaren Einsparpotenziale sind jedoch gering. Der eigentliche Vorteil liegt vielmehr beim Energieversorger. Er kennt durch Smart Metering die individuelle Netzlast besser und kann gezielt mit Tarifmodellen auf das Nutzungsprofil der Verbraucher einwirken. So lässt sich die Spitzenlast im Netz reduzieren. So genannte Regel-Energien – sprich teure Spitzenlastpuffer – müssen nur noch in geringerem Umfang genutzt werden. Eine veränderte Verbrauchsstruktur hat letztlich auch Einfluss auf die Netz- und Kraftwerksplanung.

Hinzu kommt das Thema „Regenerative Energien“, sprich die dezentrale Einspeisung von Energie. Auch diese Mengen lassen sich durch Smart Metering erfassen. Der Energieversorger kann somit sein Netz besser überwachen, da zunehmend nicht nur der Verbrauch sondern auch die Erzeugung für ihn unbekannt sind. Der Versorger muss auf die dezentral eingespeiste Energie reagieren und benötigt dazu die Daten der Wind- und Photovoltaikanlagen. Smart Metering liefert diese und ist somit der Einstieg in das Smart Grid, das intelligente, selbstregulierende Stromnetz. Das heißt: Durch Kommunikation und Automation sollen zukünftig die Regelung von Verbrauch, Erzeugung und Speicherung völlig autonom erfolgen.

Lastprofile bis dato Fehlanzeige

Direkter (oben) und indirekter Anschluss von M-Bus-Zählern an eine SPS.

© Solvimus

Im Bereich der Industrieautomatisierung hingegen steckt das Thema Verbrauchsdatenerfassung – zumindest was die elektrische Energie betrifft – noch in den Kinderschuhen. Stand der Technik ist hier, dass Medienflüsse wie Wasser- oder Luftzufuhr sich in Anlagen in der Regel direkt einem Prozess zuordnen lassen und oftmals direkt der Ablaufsteuerung dienen, zum Beispiel bei Spülprozessen. Zur Erfassung der Volumina kommen dann spezialisierte Messsysteme zum Einsatz. Meist sind in diesen Fällen noch Zusatzgeräte notwendig, um die Ausgangssignale der Sensoren zu wandeln und diese aufzuzeichnen.

Die zugeführten elektrischen Energie- und Wärmemengen spielen dagegen nur abrechnungstechnisch eine Rolle. Für die Prozesssteuerung werden sie bislang nur selten ausgewertet. Hier wird oft indirekt mittels Temperatursensoren oder Ähnlichem deren Wirkung auf den Prozess überwacht. Zwar findet sich im Bereich elektrischer Energien gelegentlich eine Momentan-Leistungsüberwachung für eine gesamte Anlage, diese soll jedoch nur gewährleisten, dass ab einer gewissen Schwelle bestimmte, unkritische Verbraucher einfach abgeschaltet werden. Damit wollen sich Anlagenbetreiber vor einer hohen Spitzenlast schützen, welche starken Einfluss auf die Energiekosten hat.

Die Abschaltung ist jedoch für gewöhnlich ohne weitere Intelligenz ausgestattet, arbeitet global und es erfolgt keine Datenaufnahme über die Zeit. Dadurch lässt sich für eine Anlage oder für einen Prozess auch kein zuordenbares Lastprofil erstellen. Doch nur mit Kenntnis des Profils einer Anlage beziehungsweise von Anlagenteilen ist es möglich, die Prozessplanung so vorzunehmen, dass Spitzenlasten von vornherein vermieden werden.

M-Bus-Zähler sind prädestiniert

Durch zeitliche Verschiebung unabhängiger Prozesse können Leistungsaufnahmen des einen Prozesses in Ruhephasen des anderen verlagert werden. Wärmespeicher können z. B. allmählich erhitzt werden; die Leistungsaufnahme ist so breiter verteilt.

© Solvimus

Doch wie lässt sich nun Smart Metering in der Industrie konkret umsetzen? In Prozess- und Anlagensteuerungen werden Eingangsgrößen über Sensoren erfasst und in den Ablauf integriert. Dazu sind die Sensoren in der Regel über E/A-Module an die SPS angeschlossen. Auch Verbrauchszähler liefern Prozessdaten und können als Sensoren dienen. Moderne Zähler verfügen meist über eine digitale Schnittstelle zur Übermittlung von Werten. Die einfachste Variante ist die Impulsschnittstelle, welche durch Anzahl und Wertigkeit der Impulse auf Verbräuche schließen lässt. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um eine Relativmessung und es kann nur ein Wert übermittelt werden.

Eine serielle Datenschnittstelle ist universeller und ermöglicht einen ganzheitlichen Ansatz. Auf diese Weise können vielfältige Datensätze übermittelt und sogar zur Abrechnung genutzt werden. Hier hat sich vor allem der M-Bus (Meter-Bus) durchgesetzt, welcher in der EN 13757 spezifiziert ist. Durch die standardisierte Schnittstelle ist eine einfache Integration beinahe beliebiger Zähler möglich. Außerdem werden die Zähler direkt durch den M-Bus versorgt und benötigen so keine externe Energiequelle. Deswegen eignen sich besonders M-Bus-Zähler für den Einsatz als Prozesssensorik. Zur Kommunikation mit den M-Bus-Zählern gibt es bei SPS-Herstellern verschiedene Ansätze. Der erste Ansatz ist die Nutzung eines Schnittstellenwandlers (Gateway) für die Umsetzung von Standard-RS232 auf M-Bus. Die RS232-Schnittstelle ist bei vielen Produkten verfügbar und das M-Bus-Protokoll kann gemäß der Norm in Software umgesetzt werden. Solche Gateways benötigen wenig Intelligenz und sind reine Pegelwandler. Hinzu kommt, dass sie ein zusätzliches, externes Gerät darstellen.

Eine zweite Variante ist die Integration einer M-Bus-Schnittstelle direkt in die SPS. Dies bieten bisher jedoch nur sehr wenige Hersteller an. Da hier kein externes Gerät nötig ist, ist diese Lösung kompakter und frei von zusätzlichem Integrationsaufwand. Bei beiden Varianten stehen der SPS über eine M-Bus-Schnittstelle die Daten der Zähler zur Verfügung. Welche Möglichkeiten ergeben sich dadurch? Die einfachste Möglichkeit ist die Aufzeichnung der Verbrauchsdaten und somit die Erstellung eines Verbrauchs­profils des Prozesses. Vielen Anlagenbetreibern ist schlicht nicht bekannt, welchen Verbrauch eine Anlage insgesamt aufweist. Mit einem Profil erhält man Transparenz in dieser Hinsicht und kann an dieser Stelle mit der Optimierung von Abläufen ansetzen. Da M-Bus-Energiezähler aber neben dem reinen Verbrauch beispielsweise auch Momentanleistung, Spannung, Strom und sogar die Phasendrehung ausgeben, eröffnen sich weitere Ansätze – angefangen von der Schaltanlagenüberwachung bis hin zu Auslegung und Steuerung von Kompensationsgliedern und Frequenzumrichtern.

Ein anderes Beispiel sind Wärmemengenzähler. Diese messen neben der zugeführten Wärmemenge gleichzeitig die Durchflussmenge sowie Vor- und Rücklauftemperaturen. Auch mittels solcher Daten kann die Anlage gezielt überwacht werden.

Zählertechnologie rechnet sich

In vielen Anlagen sind bereits globale Zähler eingebaut. Schließlich ist eine Abrechnung der Verbräuche nötig und spätestens hier sind Zähler zu finden. Durch das automatisierte Auslesen dieser Zähler kann man sich bereits einen Überblick über die Gesamtanlage verschaffen. Für eine Steuerung der Prozesse eignen sich solche Daten zwar eher weniger, aber sie sind immerhin ein erster Ansatz zur Energie-Optimierung. Speziell im Bereich elektrischer Ener­gie werden die Kosten stark durch an­fallende Spitzenlasten bestimmt. Verbrauchsprofile, welche durch automa-
tisierte Auslesung generiert worden sind, bieten die Grundlage für die Erkennung von Spitzenlasten in der Anlage. Wenn man das Profil mit Prozessabläufen vergleicht und sich Korrelationen ergeben, kann der Anlagenbauer genau an diesen Stellen mit der Optimierung beginnen.

Dabei ist nicht das reine Abschneiden durch Abschaltung von Verbrauchern gemeint, wie es heute erfolgt, sondern die Planung von Prozessabläufen anhand von Verbrauchsprofilen. Besonders im Bereich der elektrischen Energie mit einem Spitzenlasttarif lassen sich durch gezielte Verschiebung des Verbrauchs einzelner Maschinen und eine zeitliche Entzerrung die Spitzenlasten deutlich reduzieren und somit Kosten senken. Hier spielen auch Speichersysteme eine Rolle. Will man neben der gesamten Anlage einzelne Teile genauer überwachen oder in der Anlage andere beziehungsweise zusätzliche Sensorik einbauen, bietet sich der punktuelle Einsatz von intelligenten Verbrauchszählern an, mit denen sich mehrere Messaufgaben gleichzeitig erledigen lassen. Im Gegensatz zu normaler Sensorik für Durchflüsse und Verbräuche sind Verbrauchszähler ein echtes Massenprodukt. Dadurch sind die Stückpreise entsprechend niedrig. Zusätzlich reduziert die digitale Übertragung der Messdaten die Störempfindlichkeit. Bei integrierter M-Bus-Schnittstelle in der Steuerung entfallen nicht zuletzt die Zusatzgeräte, was die Kosten weiter reduziert.

Mit dem Einsatz intelligenter Zähler lassen sich nicht nur – wie bereits angesprochen – die Spitzenlasten reduzieren. Ein großer Kostenfaktor ist daneben die Blindleistung und deren Kompensation. Einige Zähler bieten die Möglichkeit, Blind- und Wirkleistung auszulesen, um so entsprechend Kompensationsmechanismen auszulösen. Durch gezielte Erfassung ist eine optimale Auslegung der Kompensation möglich. Ein weiteres Thema sind Wartungszyklen. Mit zunehmendem Verschleiß steigt in der Regel die Leistungsaufnahme einer Maschine. Durch gezielte Schwellwerte können Erinnerungen und Alarme an das Servicepersonal gesendet werden, welches dann die Wartung zum richtigen Zeitpunkt durchführen kann. Die Phasendrehung gibt ebenfalls Aufschluss über den Maschinenzustand. Darüber hinaus können Wärmemengenzähler zu der Notwendigkeit der Wartung Aussagen machen. Bei Wärmetauschern lässt sich der Wirkungsgrad über Daten wie Vorlauf- und Rücklauftemperatur sowie Durchflussmenge bestimmen und eine zeitliche Veränderung verfolgen. Sinkt der Wirkungsgrad, kann zum Beispiel eine Reinigung Verbesserungen bringen.

Ein weiterer Ansatz ist die Leckage-Erkennung. Speziell bei flüssigen Medien können im Verteilnetz an mehreren Stellen Wasserzähler verbaut werden, um durch Differenz- beziehungsweise Summenbildung der Verbräuche Leckagen zu erkennen und zu lokalisieren. Stimmen in einem Zweig die Werte nicht überein, liegt eine Leckage vor und wird sofort erkannt. Somit kann diese schnell behoben und weiterer Schaden verhindert werden. Neben solchen speziellen Anwendungen ist der Einsatz von Zählern als direkte Eingangsgröße für die Ablaufsteuerung sinnvoll. Ein erreichtes Durchflussvolumen kann beispielsweise bei Spül- oder Füllprozessen das Beenden der Medienzufuhr einleiten und hierbei die Füllstandsensorik ersetzen. Auf den Punkt gebracht: Verbrauchsdaten stellen für die Optimierung industrieller Prozesse eine wichtige Basis dar. Per Anschluss von Zählern über den M-Bus als Sensorik direkt an die SPS können Zählerdaten zukünftig sofort der Ablaufsteuerung dienen und sind durchaus eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Sensoren.

Autor: Remo Reichel ist Geschäftsführer bei der Firma Solvimus, Ilmenau.