Ethernet-Verbindungstechnologien für modernes Energiemanagement

Ethernet ist eine Technologie, die Software (Protokolle) und Hardware (Kabel, Stecker) für kabelgebundene Datennetze beschreibt und vorwiegend in lokalen Netzwerken, aber auch zur Verbindung großer Netzwerke zum Einsatz kommt. Ethernet ist ein paketvermittelndes Netzwerk. Das bedeutet, dass die Daten in kleine Pakete, die sogenannten Frames, aufgeteilt werden. Aus Sicht des OSI-Schichtenmodells beschreibt Ethernet die Schichten 1 und 2, es definiert also die Adressierung und die Zugriffskontrolle auf das Übertragungsmedium. Verbindungs- oder Kopplungselemente in diesen Schichten sind z.B. Switches und Hubs. Als Übertragungsmedium wurden ursprünglich Koaxiallabel verwendet. Hierbei wurde das Netzwerk als Bus aufgebaut. Aufgrund von Nachteilen dieser Bus-Topologie wird heutzutage auf Twisted-Pair-Kabel zurückgegriffen – achtadrige Kabel, deren Adern jeweils paarweise verdrillt sind. Diese haben zwischen zwei Endpunkten eine Reichweite von bis zu 100 Metern, über Switches und Hubs werden aber deutlich größere Distanzen und eine Leitungsführung als Stern-Topologie ermöglicht. Da Unternehmen üblicherweise bereits über ein Ethernet-LAN für die Vernetzung der Mitarbeiter-PCs verfügen, ist es ohne großen Aufwand und zusätzliche Kosten möglich, in das vorhandene Netzwerk auch Geräte und Systemlösungen mit einzubeziehen, die für die Erfassung und Messung von elektrischer Energie benötigt werden – jedoch sind auf der Feld- und Geräteebene vielerorts noch serielle Kommunikationsschnittstellen wie RS232 oder RS485 im Einsatz. Migration von seriellen Netzwerken auf Ethernet Bei der Migration von seriellen Netzwerken auf das Ethernet ist ein weiterer Punkt von essenzieller Bedeutung: das Kommunikationsprotokoll. Auf der Basis des Übertragungsmediums Ethernet haben sich vielfältige Protokolle durchgesetzt, die auf TCP/IP basieren und unterschiedliche Anwendungsgebiete mehr oder weniger durchdringen. Hierzu gehören z.B. – http (Hypertext Transfer Protocol) zur Übertragung der Daten über das Internet/Intranet und zur Visualisierung in einem Webbrowser, – ftp (File Transfer Protocol) zur Übertragung von Dateien zwischen ftp-Client und ftp-Server, – SNMP (Simple Network Management Protocol) im Bereich Netzwerkmanagement zur Statusüberwachung von Geräten innerhalb der IT-Infrastruktur, – POP3 (Post Office Protocol Version 3) für den Versand der Daten per E-Mail und – SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) für den Versand der Daten per E-Mail, – NTP (Network Time Protocol) für die Zeitsynchronisation Daneben sind weitere Protokolle im Einstaz, beispielsweise Modbus-TCP und IEC60870-5, um die Daten über ein höheres Protokoll dem Leitsystem zur Verfügung zu stellen. Serielle Schnittstellen verwenden oftmals Protokolle wie Modbus RTU. Netzwerke, die auf unterschiedlichen Protokollen basieren, können z.B. über Protokoll-Gateways untereinander kommunizieren, um einen nahtlosen Übergang zwischen den Welten zu ermöglichen. Notwendigkeit betrieblicher Energiemanagementsysteme Im Zuge des Energiemanagements werden Ziele hinsichtlich Energieverbrauch, CO2-Emissionen und Energiekosten definiert. Mit der Norm EN16001, die seit August 2009 in Kraft ist, wurden entsprechende Rahmenbedingungen vom Gesetzgeber für ein betriebliches Energiemanagementsystem geschaffen, mit dem Ziel, Energieverbrauch und Kosten zu reduzieren. Diese Norm stellt viele Unternehmen vor die Herausforderung, die verschiedenen Netzwerk-Welten zu verbinden, um die Verbrauchswerte aus der Feldebene an das Energiemanagementsystem (EMS) zu übermitteln. Applikationslösung zur Energiedatenerfassung Das Beispiel der Multifunktionszähler für die Energiedatenerfassung (Eco-Power Meter) sowie des FP Web-Server2 (FPWEB2) mit der Erweiterungsbaugruppe FP Web Expansion (FPWEBEXP) verdeutlicht, wie Energiedaten erfasst, gespeichert und visualisiert werden können. Diese Energie- und Betriebsdaten, die auf einem RS485-Netzwerk vorhanden sind, sollen einem übergeordneten System (ERP, Scada, PLS, usw.) auf der Basis Ethernet bereitgestellt werden. Mithilfe der Eco-Power Meter Multifunktionsenergiezähler lassen sich ohne großen Verdrahtungsaufwand Leistungs- und Energieaufnahme einer Maschine erfassen. Über die integrierte RS485-Schnittstelle werden die Messwerte (Energie, Leistung, Ströme, Spannungen, usw.) an das System (FPWEB2 plus FPWEBEXP) übertragen, das in diesem Fall als Gateway zu sehen ist. Hierbei agiert der FPWEB2 als Modbus RTU Master und pollt die auf dem Energiezähler gespeicherten Werte mittels Modbus RTU (oder alternativ über das proprietäre Panasonic-Protokoll MEWTOCOL). RS485-seitig ist eine Vernetzung von bis zu 99 Energiezählern möglich, deren Messwerte auf einem einzigen FPWEB2/FPWEBEXP System zusammengeführt werden können. Hier werden diese Messwerte mit einem Zeitstempel versehen, der über das Internet oder über die eigene Infrastruktur durch NTP immer aktuell gehalten wird. Die geloggten Daten werden als CSV-Dateien auf einer SDHC-Karte gespeichert, um sie später zentral bereitzustellen zu können. Der Aufzeichnungszyklus ist ab einer Sekunde frei wählbar. Gespeicherte Daten übertragen und auswerten Die gespeicherten Daten können nun auf verschiedene Art und Weise dem übergeordneten System zur Verfügung gestellt werden. Als ftp-Client legt der FP Web-Server die Daten auf einem entfernten ftp-Server ab. Es bietet sich auch die Möglichkeit, die CSV-Dateien als E-Mail-Anhang zu versenden (SMTP/POP). Anhand von Webseiten (http) lassen sich sowohl die aktuellen Messwerte als auch die gespeicherten Daten mittels Standard-Webbrowsern (z.B. Firefox, Safari, Chrome oder Internet Explorer) oder auf modernen Smartphones grafisch darstellen. Über den Browser kann man die Energiezähler parametrieren sowie die Datenlogger-Funktionen konfigurieren. Panasonic stellt hierfür eine Standard-Web-Oberfläche zur Verfügung. Der FPWEB2 beherrscht außerdem die Protokolle Modbus-TCP und IEC60870-5 (Kommunikationsstandard für die Fernwirktechnik) und arbeitet bei Bedarf als Modbus-TCP Server (Modbus-TCP/Modbus RTU Gateway). Kosteneffizienz, Zeit- und Energieersparnis Das FPWEB2-Modul mit der FPWEBEXP-Erweitungsbaugruppe können Anwender auf die großen Themen der Zukunft eingehen: Kosteneffizienz, Zeit- und Energieersparnis. Das Modul ermöglicht es dem Anwender, die Anforderungen der EN16001 ohne aufwendige Anpassung bei den Kommunikationsnetzwerken umzusetzen, unabhängig ob eines oder gleichzeitig mehrere der oben genannten Protokolle verwendet wird.