Michael Koch

Kommunikatives Energiemanagement

10. März 2022, 9:19 Uhr | Michael Koch

Aktives Energiemanagement bis über 200 kW: Das Aufsteckmodul PxtMX (Kreis) macht auch große anschlussfertige Schaltschranklösungen (KTS) für Feldbus-Kommunikation zugänglich.

Pxt-Geräte optimieren als aktive Verbindungsglieder zwischen Antriebselektronik und elektrischen Speichereinheiten den Energiehaushalt elektrischer Antriebssysteme. Spezielle Kommunikation ist dafür zwar nicht zwingend erforderlich, ermöglicht aber deutlichen Zusatznutzen.

Die Geräte der Pxt-Familie dienen dem Energiemanagement zum Speichern und Bereitstellen von Energie aus und in Gleichspannungskreisen von Antriebs-applikationen. Dabei wird die Energie eines Gleichstromkreises mit hohem Spannungspegel mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers in Energie mit niedrigerem Spannungspegel gewandelt und gespeichert. Als Speicher dienen dabei kapazitive oder chemische Speicher wie Kondensatoren. Bei Bedarf wird die gespeicherte Energie anschließend wieder auf ein höheres Gleichspannungsniveau gewandelt und steht der Anwendung zur Verfügung.

Die Einsatzmöglichkeiten der Geräte als zentrale Steuereinheit des Energiehaushalts reichen von der Rekuperation von Bremsenergie über USV-Anwendungen und das Stützen der Zwischenkreisspannung bei zyklischen Anwendungen, bis hin zu einer Kombination aus solchen Anwendungen. Auch eine Lastspitzenreduktion kann von den Geräten gemanagt werden, entweder automatisch oder extern von einer SPS gesteuert. Die automatische Lastspitzenreduktion erfordert die Installation einer optionalen Messstelleneinrichtung, eine Kommunikation nach außen ist nicht erforderlich.

Im Bedarfsfall kommunizieren

Für die gesteuerte Lastspitzenreduktion ist eine Kommunikation mit der übergeordneten SPS erforderlich. Die Lastspitzendetektion erfolgt SPS-seitig und geeignete Gegenmaßnahmen werden per SPS-Befehl an die Pxt-Geräte übermittelt. Diese verfügen zwar über eingebaute Kommunikationsschnittstellen, die sind jedoch der Kommunikation mit den am systeminternen K-Bus angeschlossenen Geräten vorbehalten. Das PxtMX-Modul erfüllt die Bedürfnisse in puncto Anbindung an ein geplantes oder vorhandenes Feldbus-System und zur optimalen Nutzung der Pxt-Geräte.

Der PxtMX ist eine modular erweiterbare Adapterplatine, die sich in einem eigenen Gehäuse befindet und einfach auf ein Pxt-Gerätegehäuse aufgesteckt werden kann. Neben seinen hardwaregebundenen Grundfunktionen, zum Beispiel Digital-I/O-Schnittstelle, hat das Modul eine übergeordnete Funktion, deren Ziel und Zweck es ist, die als Gruppe zusammenarbeitenden Geräte des modularen aktiven Energiemanagements zu verbinden, die Kommunikation zu vereinfachen und zielgerichtet an die Applikationsanforderungen anzupassen. Der PxtMX schafft also ein Systemabbild und übernimmt dann automatisch das Handling und die Vorsteuerung der einzelnen angeschlossenen Pxt-Geräte. Dadurch wird das Ansprechen der Geräte im Verbund sehr einfach, da nicht jedes PxtFX- beziehungsweise PxtRX-Gerät einzeln kontaktiert werden muss. Der PxtMX fungiert als Gateway des Systems und verbindet eine SPS über Feldbus mit dem Pxt-system-internen K-Bus.

Ethercat zum Start

Koch geht mit Ethercat ins Rennen, ein gerade in der elektrischen Antriebstechnik verbreiteter Feldbus, der in mehreren IEC-Standards (IEC 61158, IEC 61784, IEC 61800) international genormt, ein Teil von ISO 15745 sowie auch ein SEMI Standard (E54.20) ist. Die Kommunikation beziehungsweise Datenübertragung selbst wird unterschieden in SDO und PDO. Spannend für die Leistungsfähigkeit der Maschine oder Anlage sind die Prozessdatenobjekte (PDO), die sehr schnell und zyklisch abgeholt werden. Zentrale Information ist hier die aktuell zur Verfügung stehende Systemleistung. Dabei handelt es sich nicht um eine statische Größe, sondern sie wird anhand aller relevanten Parameter – u.a. das Grenzlastintegral I²t und die Kühlkörpertemperatur – berechnet. Weitere Beispiele für PDOs sind Leistungsvorgaben und die Spannungen beziehungsweise Spannungsverläufe in Zwischenkreis und Speicher. Servicedatenobjekte (SDO) dagegen werden nur auf Anfrage, also azyklisch, kommuniziert. Beispiele sind Gerätestatus wie Error (alle Geräte gesperrt), Warnings (Hinweise während der Funktion) oder auch die Kühlkörpertemperatur. Dadurch stehen dem Anwender – selbst in einer entfernten Leitwarte – alle relevanten Informationen und aktiven Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung, um eine optimale Auslastung des Gesamtsystems zu nutzen.

Weitere Aufgaben des PxtMX sind der Abruf und die Visualisierung applikationsbedingter systeminterner Daten und Informationen sowie der Datenaustausch mit einer übergeordneten Steuerung. Das Modul kann durch das Pxt-System die Speicherung von Energie beeinflussen und dafür sorgen, dass ausreichend Energie für Stör- und Belastungsfälle zur Verfügung steht. Es ermöglicht die Integration dieser Steuerungsmöglichkeiten in manuelle oder automatisierte Abläufe. Außerdem sind die Weiterverarbeitung und Auswertung über standardisierte Protokolle Teil seines Aufgabenspektrums. Durch die Auswertung der netzseitigen Belastungsanforderungen kann der PxtMX Leistungsspitzen erkennen und Gegenmaßnahmen zum Schutz und zur Entlastung der Infrastruktur gezielt vornehmen.

Leistungsparameter abrufen und analysieren

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Das aktive Energiemanagement gewinnt mit der Feldbus-Option durch die über den PxtMX erweiterte Anpassbarkeit an die Kundenapplikation an Bedeutung, da über das Feldbus-System unmittelbar Zugriff auf die relevanten Informationen gegeben ist. So können applikationsspezifische Daten, wie die maximalen Speicherspannung und die Trennspannung zwischen Speicherung und Rückspeisung an das Antriebssystem, ebenso abgefragt werden wie die dynamischen Daten, also Ströme und Spannungen des aktiven Energiemanagementsystems über die Zeit. Daraufhin können Auswertungen und Vergleiche gefahren werden, aus denen diverse Schlüsse gezogen werden können, die sich nicht nur auf den Energiehaushalt des Antriebssystems beschränken. Auch standortübergreifende Analysen und Vergleiche von Antriebssystemen werden möglich, die dann als weitere Informationsquelle beziehungsweise Entscheidungsgrundlage genutzt werden können. Auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz und Treibhausgasreduktion hilft das PxtMX, in Echtzeit entscheidende Daten zu kommunizieren.