Um die Energiewende voranzubringen, bietet es sich an, den Strombedarf mit intelligenten Messgeräten zu ermitteln.
Den Energiebedarf in Gebäuden zu messen ist an sich nichts Neues. Jeder weiß, wo in der Wohnung oder dem Eigenheim der Stromzähler hängt, und daher kennen die meisten den ungefähren Verbrauch pro Jahr. Allerdings werden diese Werte in der Regel über ein komplettes Gebäude erfasst. Dazu kommt, dass der zeitliche Zusammenhang vollkommen fehlt. Es ist also schwierig, genau zu sagen, welche Geräte im und rund um die Immobilie wann den meisten Strom verbrauchen.
Optimal wäre es, wenn die Daten pro Stromkreis vorlägen. Dazu brauchen Sie ein passendes Messgerät, und mit dem ergibt sich bereits ein weiteres Problem: Üblicherweise bieten Verteilerschränke nur begrenzt Platz, um zusätzliche Komponenten zu verbauen. Eine Möglichkeit, dieses Problem in den Griff zu bekommen, bieten die Geräte der Sentron-Reihe von Siemens [1]. Sie bringen den Vorteil mit, dass sie per Modbus-TCP mit IO-Broker sprechen. Wollen Sie sich einen Überblick über die Möglichkeiten der Siemens-Geräte verschaffen, bietet sich dazu unter anderem Youtube [2] als Informationsquelle an.
Schutzschalter
Bei den Geräten handelt es sich um Schutzschalter für Elektroinstallationen, die eine Funktion zum Messen sowie die Möglichkeit zur Kommunikation nach außen mitbringen. Sie selbst belegen nur wenig Platz im Verteilerkasten, dasselbe gilt für die Kommunikationseinheit. Ein Nachrüsten bestehender Installationen stellt also kein Problem dar.
Durch den Einsatz der Hardware lassen sich alle Schaltkreise einzeln überwachen. Neben der Früherkennung von Fehlern erlaubt das auch Funktionen wie Betriebsstundenzähler, Funktionsüberwachung und Lastmanagement. Unter Umständen erkennen Sie auf diese Weise den Grund für eine unerwartete Abschaltung, also etwa einen Kurzschluss, Überlast oder einfach manuelles Abschalten durch eine andere Person.
Für das Projekt dient das Siemens 7KN11100MC00 Powercenter 1000 (POC 1000 [3]) als Schnittstelle zu den Geräten sowie zum Sammeln der Messwerte und Informationen. Es kostet rund 180 Euro und benötigt im Schaltschrank nur den Platz eines Leitungsschutzschalters. Sie können dann bis zu 24 Mess- und Steuerungsgeräte damit koppeln. Es speichert die Messwerte der Komponenten für 30 Tage. Mittels Modbus-TCP holen Sie die Daten via IO-Broker ab und verarbeiten sie weiter. Der Kasten “Modbus” beschreibt, wie das Protokoll arbeitet.
Modbus
Das Modbus-Protokoll ist ein in der Automationstechnik weitverbreitetes Verfahren, mit dem Anlagen, Steuerungen, Sensoren und Aktoren untereinander kommunizieren. Üblicherweise geschieht das über die gute alte RS485-Schnittstelle und traditionelle Kupferadern. Es gibt aber auch Implementierungen, die TCP/IP zum Übertragen der Daten verwenden. Das Protokoll arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Es gibt einen Busmaster, der bis zu 246 Slaves steuert. Die Adressen 1 bis 247 stehen dabei für die Slaves bereit. Die Adresse 0 dient als Broadcast-Adresse, die übrigen bleiben für den Busmaster reserviert. Zum Sichern der einzelnen Datenpakete kommen beim leitungsgebundenen Modbus CRC-Checksummen zum Einsatz. Bei Modbus-TCP hingegen übernimmt die Sicherungsschicht des TCP-Stacks diese Aufgabe. Die Modbus-Geräte verfügen über interne Register, die unterschiedliche Funktionen erfüllen (siehe Tabelle “Übersicht”). Detaillierte Informationen und Beschreibungen der Protokolle finden Sie auf der Modbus-Webseite [12].
|
Modus |
Bits |
Funktionscodes |
Beschreibung |
|---|---|---|---|
|
RW |
1 |
01/05/15 |
Einzelner Ein- und Ausgang (Coil) |
|
RO |
1 |
02 |
Einzelner Eingang (Discrete Input) |
|
RO |
16 |
04 |
(Analoge) Eingänge (Input Register) |
|
RW |
16 |
03/06/16 |
(analoge) Ein- und Ausgänge (Holding Register) |
Testaufbau
Im Beispiel kommt die IO-Broker-Installation aus dem ersten Teil dieser Reihe zum Einsatz [4]. Da die Kommunikation über Modbus-TCP läuft, braucht der Aufbau nicht in der Nähe des Mini-Rechners zu stehen. Wie erwähnt läuft die Kommunikation über das POC 1000, mit dem wir zwei Leitungsschutzschalter [5] sowie einen Hilfs- und Fehlersignalschalter [6] koppeln. Der Hilfskontakt kommt zum Einsatz, um einen FI-Schutzschalter zu überwachen.
An die zwei Leitungsschutzschalter schließen wir je eine Glühlampe mit Schalter an, um Verbraucher zu simulieren, indem wir die Lampen ein- und wieder ausschalten. Beim Autor kamen LED-Lampen zum Einsatz, die einen recht geringen Stromverbrauch haben. Das ist für die Sentron-Geräte jedoch kein Problem, weil sie selbst kleine Ströme exakt messen. Die Werte fallen dadurch allerdings recht niedrig aus.
Die komplette Installation der Geräte kann via Smartphone erfolgen. Hilfe zum Setup finden Sie in zwei Videos. Das erste beschreibt, wie Sie das POC 1000 mit der Sentron-App verbinden [7]. Im zweiten erfahren Sie, wie Sie zusätzliche Geräte mit dem POC 1000 koppeln [8]. Beim Setup hilft es, die QR-Codes jener Geräte abzudecken, die Sie gerade nicht einrichten. Sonst passiert es leicht, dass Sie unabsichtlich den falschen Code einlesen. Die einzelnen Geräte sind meist dicht beieinander auf einer Hutschiene montiert (Abbildung 1).
Abbildung 1: Der simple Versuchsaufbau bietet nur wenige Funktionen, demonstriert aber die Möglichkeiten der Sentron-Geräte.
Kommunikation
Jetzt ist die Zeitpunkt gekommen, um sich ein wenig intensiver mit der Modbus-Schnittstelle des POC 1000 zu beschäftigen. Zunächst brauchen Sie ein Werkzeug, um die Kommunikation über Modbus aufzubauen. Aus der Menge der möglichen Kandidaten hat sich der Autor für das Tool Modpoll [9] entschieden. Das kostenfreie Programm deckt fast alle Aspekte des Protokolls ab und steht für alle gängigen Betriebssysteme bereit. Da es sich bei Modpoll um eine Kommandozeilenanwendung handelt, kommen Sie ohne lästiges Herumgeklicke ans Ziel.
Mit modpoll -h erhalten Sie einen Überblick über die Funktionen des Tools. Modpoll unterstützt nicht alle Datentypen, die die Sentron-Geräte verwenden. Daher lassen sich manche Register nicht auslesen, insbesondere die 64-Bit-Typen. Für einen ersten Test spielt das aber keine Rolle. Es geht vor allem darum, das Modbus-Protokoll und die Hardware kennenzulernen.
Bei Modbus gibt es für jedes Gerät am Bus eine eindeutige Adresse. Die Adresse des POC 1000 lautet 255, weil es die Rolle des Busmasters hat. Die weiteren, mit den zentralen Punkten gekoppelten Geräte haben die Adressen 1 bis 24. Die Adresse 0 dient als Broadcast. Bei Modpoll übergeben Sie mit der Option -a die Adresse ans Gerät.
In jedem Gerät gibt es eine bestimmte Anzahl Register zum Lesen oder Schreiben. Die Anzahl und die Bedeutung der Register unterscheidet sich von Gerät zu Gerät. Das zu verwendende Register übergeben Sie via Modpoll mit der Option -r an die Hardware. Den Datentyp, den Sie für den Inhalt des Registers verwenden wollen, legen Sie mit der Option -t fest. Eine Übersicht der Register für alle Sentron-Geräte findet Sie im Handbuch [10], das außerdem beschreibt, welche Datentypen und Inhalte die einzelnen Register haben.
Jetzt kommen wir zu den zwei wirklich interessanten Optionen -f und -i. Wenn Sie Datenworte (16 und mehr Bit) über ein Medium transferieren, das nur Bytes (8 Bit) übertragen kann, müssen Sie sich entscheiden, ob Sie zuerst das höherwertige Byte (Big-Endian) oder zuerst das niederwertige Byte (Little-Endian) senden oder lesen. In der Voreinstellung arbeitet Modpoll im Little-Endian-Modus. Um auf Big-Endian umzustellen, nutzen Sie für Integer-Werte (Ganzzahlen) die Option -i und für Float-Werte (Gleitkommazahlen) die Option -f. Mit der Option -m geben Sie an, welchen Modus Sie zum Übertragen der Daten verwenden wollen, im vorliegenden Fall ist es TCP.
