Viktor Deyemanns — Business Development EngineerModbus ist ein etabliertes Kommunikationsprotokoll und ist zu einem Industriestandard für die Anbindung von industriellen, elektronischen Geräten geworden. Aber wie werden solche Geräte nun Teil des Internet of Things und welche Anwendungsfälle können daraus entwickelt werden? Mit dieser Blogartikel-Serie möchten wir Antworten, Ideen, Empfehlungen und hilfreiche Tipps geben. Und wir wollen damit aufzeigen, wie leicht es sein kann, mithilfe von Modbus Cloud Connect die Lücke zwischen Geräten und einer IT/Cloud Infrastruktur zu überbrücken.
Der Messstellenbetreiber nimmt i. d. R. eine jährliche Ablesung zur Abrechnung der Energiekosten vor. Für eine bewusste Nutzung von elektrischer Energie ist eine deutlich engmaschigere Ablesung des Zählers notwendig. Allerdings sind die Nutzer der elektrischen Anlage nicht immer die Eigentümer. So sind manche Zähler nicht für jeden zugänglich. Auch ist die physische Ablesung des Zählers inkl. Anfahrt sehr aufwändig und im Sinne einer Einsparung auch nicht zielführend. Die Lösung wäre eine Fernablesung des Zählers, die eine regelmäßige Übertragung ermöglicht.
In diesem Beitrag wird eine Messeinrichtung realisiert, die den Zählerstand für eine Fernablesung bereitstellt. So eine Lösung kann in vielen Szenarien eingesetzt werden. In größeren Gebäuden können durch zusätzliche Zähler granulare Informationen über den Energieverbrauch innerhalb der Abnahmestelle erzeugt werden. Die Zähler können dafür in den jeweiligen Unterverteilungen untergebracht werden, wenn diese noch nicht vorhanden sind. Dies wird auch als Submetering bezeichnet.
Unternehmen mit mehreren Standorten können sich einen zentralen Überblick über die einzelnen Orte verschaffen.
Auch Messstellenbetreiber können von einer Fernablesung enorm profitieren, sofern die Lösung mit ihren technischen Anschlussbedingungen (TAB) vereinbar ist und diese die Vorgaben des Messstellenbetriebsgesetzes (MsbG) erfüllt. Die Anfahrt zum Zähler würde zum Ableseintervall entfallen. Auch können bei unerwarteten Tarifänderungen, Eigentümerwechsel oder Wechsel des Energieversorgers termingerechte Ablesungen vorgenommen werden.
Unsere Lösung besteht aus Komponenten, die auf einer Hutschiene montiert werden können. Für die Messung wählen wir dazu einen entsprechenden Energiezähler, der über eine RS-485 Schnittstelle mit Modbus RTU Protokoll verfügt. Die Wahl fällt hier auf ein Modell von ABB. Die Übertragung des Zählerstands übernimmt dann das Modbus Cloud Connect.
Energiezähler ABB B21
Der Energiezähler von ABB ist ein MID-Zertifizierter Zähler (Measuring Instruments Directive). Das bedeutet, dass er für Abrechnungszwecke eingesetzt werden darf. Die von dem Zähler erfassten Mengen sind über die jeweiligen OBIS-Codes identifizierbar. Bei der Auswahl des Zählers ist darauf zu achten, dass neben der MID-Zertifizierung auch die benötigten Werte verfügbar und per Modbus übertragbar sind. Besonders wichtig ist, dass der Zähler aus der Ferne eindeutig identifizierbar ist. So können die übertragenen Verbrauchswerte der richtigen Abnahmestelle zugewiesen werden. Der ABB B21 Zähler erlaubt es, seine Zählernummer per Modbus zu übertragen. Damit wäre auch diese Voraussetzung erfüllt.
Bei diesem Aufbau benötigen wir lediglich eine Phase, daher fällt die Wahl auf die einphasige Variante der ABB Zähler. Ein gleichwertiger Zähler aus dem ABB Regal mit drei Phasen wäre ein Modell aus der B23 Serie. Die Umsetzung einer Fernablesung über Modbus Cloud Connect erfolgt mit dem dreiphasigen Zähler auf gleichem Wege.
Aufbau
In unserem Versuchsaufbau möchten wir den Energieverbrauch über die in den Verteiler eingespeiste Phase messen. Dies erfolgt in dem hier vorliegenden Aufbau über Schuko Stecker. Das ermöglicht einen ortsunabhängigen und sicheren Betrieb über die Steckdose. Der Energiezähler übernimmt die Messung für den angeschlossenen Verbraucher.
Das Modbus Cloud Connect liest die Verbrauchswerte per Modbus RTU aus dem Zähler aus. Er wird mit einer Gleichspannung von 5-24V betrieben, daher ist ein Netzteil für die Versorgung des Moduls erforderlich. Die Versorgung des Modbus Cloud Connect und des dafür gewählten Netzteils erfolgt über die eingespeiste Phase. Dem Netzteil ist hier ein LS-Schalter vorgeschaltet. Zusammengefasst lautet die Wahl der Hauptkomponenten wie folgt (von links nach rechts):
- ABB B21 Zähler
- LS Schalter (für das Netzteil)
- 24V Netzteil von Mean Well (zur Versorgung des Modbus Cloud Connect Moduls)
- Modbus Cloud Connect Modul
Innerer Aufbau
In einem Zählerschrank oder in einer Unterverteilung wäre die Trennvorrichtung oder ein Leitungsschutz (LS-Schalter) vorgeschaltet und hinter dem Zähler entsprechende Leitungsschutzschalter für die Installation vorgesehen. Bei diesem Aufbau betrachten wir den Kleinverteiler weitestgehend als Zählerfeld und gehen mit unserer Einspeisung direkt in den Zähler und damit weiter an die Verbraucherseite. Eine entsprechende Schutzeinrichtung für die elektrische Versorgung ist daher ganz bewusst nicht Bestandteil des Hauptstrompfads innerhalb des Aufbaus. In Erwägung einer höher ausgelegten Einspeisung ist die Verdrahtung innerhalb des Verteilers zum Zähler mit 10 mm² ausgeführt, um einer vorgelagerten Schutzeinrichtung gerecht werden zu können.
Für die elektrische Verdrahtung innerhalb des Verteilers sind entsprechende Reihenklemmen auf einer zweiten Hutschiene angebracht.
Neben der elektrischen Verdrahtung haben wir zuletzt noch die RS-485 Anbindung zwischen dem Zähler und dem Modbus Cloud Connect. Zur Entstörung der Übertragung ist neben A und B noch die Masseleitung zwischen beiden Komponenten vorhanden.
Inbetriebnahme
Nach dem Einschalten des Verteilers ist der Energiezähler sofort betriebsbereit. Für die Fernauslesung muss noch die Kommunikation zwischen dem Zähler und dem Modbus Cloud Connect hergestellt werden. Dafür werden zunächst die benötigten Register mit entsprechenden Übertragungsintervallen im Modbus Cloud Connect angelegt, also es wird eingestellt, welche Werte aus dem Zähler ausgelesen werden. In unserem Fall benötigen wir die folgenden Werte:
- Zählernummer (zur eindeutigen Identifikation, die vom Zähler selbst geliefert wird)
- Zählerstand (Wirkenergie Bezug, OBIS Code 1.8.0)
Die Einrichtung der Register erfolgt im Self-Service-Portal von Modbus Cloud Connect. Der Zugang erfolgt ortsunabhängig über den Browser. Der User hat dort über das Portal zentralen Zugang zu den Einstellungen aller Modbus Cloud Connect Module, die ihm zugehörig sind. Einstellungen können auch vorgenommen werden, wenn die Module gerade nicht eingeschaltet bzw. noch nicht eingebaut sind.
Im nächsten Schritt werden noch die Modbus-Spezifischen Einstellungen vorgenommen. Dies erfolgt ebenfalls im Self-Service-Portal von Modbus Cloud Connect.
Die oben genannten Einstellungen im Self-Service-Portal können als “Voreinstellungen” angesehen werden. Somit können bei mehreren identischen Aufbauten z.b. mehreren elektrischen Abnahmestellen mit dem gleichen ABB Energiezähler, die initial vorgenommenen Einstellungen allen Modbus Modulen zugewiesen werden.
Fernauslesung Ende-zu-Ende ganz einfach eingerichtet
Mit der bereits vorgenommenen Konfiguration kommuniziert das Modbus Cloud Connect mit dem Energiezähler und überträgt die Zählerinformation über NB-IoT an das Self-Service-Portal. Dieses reicht die Daten direkt an einen konfigurierten Endpunkt über MQTT oder HTTP weiter. Der Endpunkt, also die Zieladresse für die Daten wird im Self-Service-Portal im Bereich “Cloud-Adapter“ eingerichtet.
Nach der Einrichtung fehlt nur noch der Test. Dafür setzen wir einmal Wasser auf und beobachten die Messung.
Mit einem weiteren Register kann der aktuelle Energieverbrauch als “Momentaufnahme” ausgelesen werden. Die Darstellung in einer Visualisierungsplattform als Endpunkt kann dann so aussehen.
Die Übertragungsstrecke vom Zähler zu einem definierten Endpunkt wäre hiermit hergestellt. Die Zähler können nun aus der Ferne angesprochen werden, womit eine zentrale Übersicht aller Verbrauchswerte hergestellt werden kann.
Modbus Cloud Connect ist leicht einzusetzen, flexibel in der Anbindung und vielseitig einsetzbar. Ihr Gerät, direkt in die Cloud.