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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Energiemanagementdaten in einer Automatisierungsanlage. Hierfür wird ein Sensor genutzt, der mittels einer Sensorleitung an die Vorrichtung angeschlossen werden kann. Zu der Erfindung gehört auch eine Automatisierungsanlage mit mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In einer Automatisierungsanlage ist man an einer kostengünstigen Erfassung von Energieverbrauchsmessdaten interessiert, wie sie für ein passives Energiemanagementsystem (passives EMS), wie es in der Norm ISO 50001 spezifiziert ist, oder ein Energiedatenmanagementsystem (EDMS) benötigt werden. Hierzu wird für eine vorgegebene zeitliche Auflösung (von beispielsweise einer Sekunde bis zu einer Viertelstunde, insbesondere von minimal 100 Millisekunden bis maximal einer Stunde) pro Zeitschritt entweder der Gesamtenergieverbrauch oder die über den Zeitschritt gemittelte Leistung zusammen mit einem Zeitstempel des Zeitschritts abgespeichert. Die Datenspeicherung kann zunächst im oder nahe am Sensor vorgenommen werden, der zum Erfassen des Energieverbrauchs und/oder Leistungsverbrauchs genutzt wird. Letztendlich sollte aber die Datenspeicherung in einer zentralen Energieerfassungsstation der Automatisierungsanlage erfolgen. Die dort gespeicherten Zeitreihen, die sich aus dem Zeitstempel und dem Energieverbrauch oder der mittleren Leistung pro Zeitschritt ergeben, können dort einer Auswerte-Software übergeben werden, die beispielsweise wöchentlich oder monatlich Energieverbrauchsberichte erzeugen kann, wie sie beispielsweise gemäß dem ISO-Standard ISO 50001 angefertigt werden können. Es können auch Berichte zum möglichen Energieeinsparpotential der Automatisierungsanlage generiert werden.
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Um einen umfangreichen Überblick über den Energieverbrauch und/oder Leistungsverbrauch einzelner Anlagenkomponenten der Automatisierungsanlage zu erhalten, ist eine entsprechend große Anzahl von Sensoren zum Erfassen entsprechender Sensordaten nötig. Zudem erfordert das Sammeln der Sensorwerte eine entsprechende Verschaltung oder Verkabelung der genutzten Sensoren. Dies führt zu einem unerwünscht großen Bauteil- und Verschaltungsaufwand für die Energieverbrauchserfassung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Automatisierungsanlage Energieverbrauchsmessdaten für ein Energiemanagement zu erfassen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Ermitteln von Energiemanagementdaten in einer Automatisierungsanlage bereitgestellt. Unter Energiemanagementdaten sind Sensorwerte zu verstehen, die zum Ermitteln eines Energieverbrauchs und/oder eines mittleren Leistungsverbrauchs zumindest einer Anlagenkomponente der Automatisierungsanlage geeignet sind. Sie sollen unabhängig von einer aktuellen Anlagenregelung protokolliert oder gespeichert werden. Mit anderen Worten handelt es sich um reine Beobachtungsdaten, die nicht zur Aktorsteuerung genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z.B. als Messgerät oder als Messkoffer ausgestaltet sein. Hierzu weist sie eine erste Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Sensors einer Anlagenkomponente mittels einer Sensorleitung auf. Ein Empfangsmodul ist dazu ausgelegt, Sensorwerte des Sensors an der ersten Anschlusseinrichtung zu empfangen. Eine Uhr ist dazu ausgelegt, zu den empfangenen Sensorwerten einen jeweiligen Zeitstempelwert zu ermitteln. Eine Speichereinrichtung ist dazu ausgelegt, die empfangenen Sensorwerte zusammen mit ihrem jeweiligen Zeitstempelwert zwischenzuspeichern. Ein Schnittstellenmodul ist dazu ausgelegt, die gespeicherten Sensorwerte zusammen mit ihrem jeweiligen gespeicherten Zeitstempelwert an einer Kommunikationsschnittstelle einem vorrichtungsexternen Auslesegerät bereitzustellen. Die an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellten Sensorwerte stellen Energiemanagementdaten oder Energieverbrauchsmessdaten dar.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Vorrichtung temporär und ohne aufwändigen Verdrahtungsaufwand die Sensorwerte gesammelt werden können. Die Vorrichtung muss hierbei nicht permanent mit einer Auswerte- oder Analyseeinrichtung eines EMS gekoppelt sein. Die Sensorwerte können in der Speichereinrichtung so lange zwischengespeichert werden, bis sie bei Bedarf und/oder bei Gelegenheit mittels des Auslesegeräts ausgelesen werden.
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Der Speicher der Speichereinrichtung in der Vorrichtung ist bevorzugt derart groß, dass Sensorwerte für mindestens eine Woche, bevorzugt aber mindestens einen Monat oder ein Jahr, in der Vorrichtung gespeichert werden können. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass an der Kommunikationsschnittstelle die bereitgestellten Sensorwerte entsprechend nur weniger als einmal wöchentlich oder einmal monatlich oder einmal jährlich ausgelesen oder abgefragt werden müssen. Dies kann dann beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten erfolgen.
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Trotz Zwischenspeichern von Sensorwerten oder trotz gesammelter Übertragung mehrerer Sensorwerte an der Kommunikationsschnittstelle können dennoch die Zeitreihen der Sensorwerte rekonstruiert werden. Jeder an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellte Sensorwert wird zusammen mit seinem jeweiligen Zeitstempelwert bereitgestellt. Mit anderen Worten wird jeder Sensorwert zusammen mit der Empfangszeit, die durch den Zeitstempelwert angegeben ist, in dem Speicher abgespeichert und/oder an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt.
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Eine Anschlusseinrichtung kann im Zusammenhang mit der Erfindung eine Buchse oder ein Stecker oder ein Klemmenanschluss für Drähte sein. Eine Anschlusseinrichtung kann auch einen Buscontroller zum Steuern einer Buskommunikation umfassen.
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Bei den an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellten Sensorwerten kann es sich um unverarbeitete Rohwerte des Sensors und/oder um verarbeitete Messwerte handeln, die beispielsweise durch Messwerte-Verarbeitungsschritte, z.B. eine Filterung und/oder eine Mittelwertbildung und/oder eine Fourier-Transformation, durch die Vorrichtung verarbeitet wurden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich jeweils weitere Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung geht davon aus, dass in der Automatisierungsanlage ein Sensor mittels einer Sensorleitung an eine Steuereinrichtung der Anlagenkomponente angeschlossen ist. Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine speicherprogrammierbare Steuerung handeln. Die Weiterbildung sieht nun vor, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in die Sensorleitung zwischengeschaltet wird, also schaltungstechnisch oder signaltechnisch zwischen den Sensor und die Steuereinrichtung. Bei der Vorrichtung ist hierzu eine zweite Anschlusseinrichtung bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, mittels einer Anschlussleitung an die Steuereinrichtung angeschlossen zu werden. Die zweite Anschlusseinrichtung ist mit der ersten Anschlusseinrichtung derart gekoppelt, dass aus Sicht der Steuereinrichtung kein Unterschied besteht, ob Steuereinrichtung direkt oder über die zweite Anschlusseinrichtung mit dem Sensor verbunden ist. Durch die Vorrichtung werden einige oder alle der empfangenen Sensorwerte an zweite Anschlusseinrichtung weitergeleitet oder ausgegeben, also z.B. an einen Regler der Steuereinrichtung. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass in der Automatisierungsanlage ein vorhandener Sensor einer Anlagenkomponente doppelt genutzt werden kann, nämlich zum einen für den Betrieb der Anlagenkomponente, indem die Steuereinrichtung mit den Sensorwerten versorgt wird, und zum anderen zum Erfassen der Energieverbrauchsmessdaten, indem Sensorwerte des Sensors über die Kommunikationsschnittstelle ausgelesen oder überwacht oder abgezweigt werden können. Mit anderen Worten verhält sich die Vorrichtung insbesondere als sogenannter Daten-Splitter oder Daten-Splicer, durch welchen die Sensorwerte an zwei Datenausgängen bereitgestellt werden, nämlich einmal für die Steuereinrichtung und zum anderen zusätzlich an der Kommunikationsschnittstelle. Des Weiteren ergibt sich hierbei vorteilhaft, dass weder der Sensor noch die Steuereinrichtung hierfür in besonderer Weise angepasst sein müssen. Die Vorrichtung verhält sich in Bezug auf die Kommunikation zwischen Sensor und Steuereinrichtung transparent. Dies macht die Vorrichtung besonders kompatibel.
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Eine andere Weiterbildung bietet den Vorteil, dass beim Zwischenschalten oder Verschalten der Vorrichtung keine aufwendigen Anpassungsmaßnahmen vorgenommen werden müssen. Hierzu wird durch die Vorrichtung zum Anschließen des Sensors eine erste Anschlusseinrichtung bereitgestellt, wie sie auch die Steuereinrichtung aufweist. Mit anderen Worten weist die Vorrichtung beispielsweise eine typengleiche Anschlussbuchse oder einen typengleichen Anschlussstecker wie die Steuereinrichtung auf. Der Sensor lässt sich somit an die Vorrichtung in derselben Weise anschließen wie an die Steuereinrichtung. Zusätzlich wird durch die Vorrichtung zum Anschließen der Steuereinrichtung eine zweite Anschlusseinrichtung bereitgestellt, wie sie auch der Sensor aufweist. Also auch aus Sicht der Steuereinrichtung ist ein typengleicher Stecker oder eine typengleiche Buchse wie bei dem Sensor bereitgestellt, sodass aus Sicht der Steuereinrichtung das Anschließen an die Vorrichtung in derselben Weise geschieht wie das Anschließen direkt an dem Sensor.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass alle Sensorwerte durch die Vorrichtung unmittelbar durchgeschleust werden, also von dem Sensor an der ersten Anschlusseinrichtung empfangen und an der zweiten Anschlusseinrichtung an die Steuereinrichtung weitergeleitet oder ausgegeben werden. Mit anderen Worten weist die Vorrichtung einen Passiv-Modus auf, in welchem die Vorrichtung alle empfangenen Sensorwerte an die zweite Anschlusseinrichtung weiterleitet. Die Vorrichtung kann hierdurch besonders einfach ausgestaltet werden.
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Um die besagte Transparenz an der zweiten Anschlusseinrichtung zu realisieren, sieht eine Weiterbildung vor, dass die erste Anschlusseinrichtung und die zweite Anschlusseinrichtung galvanisch und/oder kapazitiv und/oder induktiv miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten sind die erste Anschlusseinrichtung und die zweite Anschlusseinrichtung in dem beschriebenen Sinne elektrisch gekoppelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Signalverzögerung beim Durchleiten oder Weiterleiten der Signalwerte vom Sensor zur Steuereinrichtung besonders klein ist.
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Eine andere Weiterbildung sieht hier vor, dass das Empfangsmodul dazu ausgelegt ist, an die zweite Anschlusseinrichtung weiterzuleitende Sensorwerte durch Kopieren zu erzeugen. Beispielsweise können digitale Werte kopiert werden. Ein analoges Sensorsignal, welches die Sensorwerte repräsentiert, kann beispielsweise mittels eines Verstärkers kopiert werden. Durch das Kopieren ergibt sich der Vorteil, dass das Sensorsignal oder die Sensorwerte aufgefrischt werden, das heißt beispielsweise ein Pegel verstärkt wird oder eine Leistung des Sensorsignals vergrößert wird. Hierdurch kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
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Durch eine Weiterbildung verhält sich die Vorrichtung vollständig transparent, auch bei bidirektionaler Kommunikation zwischen Steuereinrichtung und Sensor. Hierzu ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, Anfragebefehle zum Auslösen einer Sensormessung an der zweiten Anschlusseinrichtung von der Steuereinrichtung empfangen und über die erste Anschlusseinrichtung an den Sensor durchzuleiten.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Aktiv-Modus aufweist, in welchem die Vorrichtung mindestens einen eigenen Anfragebefehl zum Auslösen einer Sensormessung über die erste Anschlusseinrichtung an den Sensor aussendet. Mit anderen Worten nutzt die Vorrichtung den Sensor aktiv, um einen Sensorwert oder mehrere Sensorwerte für Energieverbrauchsmessdaten erzeugen zu lassen. Um den Aktiv-Modus bereitzustellen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass als Sensorleitung ein Mehr-Master-Sensorbussystem bereitgestellt wird. Dann kann die Vorrichtung einen Master-Sendemodus zum Erzeugen der Anfragebefehle aufweisen. Besonders geeignet ist hier das HART-Kommunikationsprotokoll, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist (HART – highway addressable remote transducer). Hier sind sein Master möglich, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen mit einer Steuereinrichtung als zweiter Master den Sensor nutzen kann.
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Die Vorrichtung ist gemäß einer Weiterbildung in vorteilhafter Weise konfigurierbar ausgestaltet. Hierbei ist bei dem Empfangsmodul eine zeitliche Auflösung, mit welcher das Empfangsmodul die Sensorwerte über die erste Anschlusseinrichtung empfängt, parametrierbar. Das Schnittstellenmodul ist dazu ausgelegt, über die Kommunikationsschnittstelle einen Parameterwert zu empfangen und die zeitliche Auflösung auf den Parameterwert einzustellen. Hierdurch kann die Erfassung der Sensorwerte an die Messaufgabe angepasst werden. Über die Kommunikationsschnittstelle kann somit insbesondere von außerhalb der Vorrichtung, beispielsweise über ein Funksignal, beispielsweise eine WLAN-Verbindung (WLAN – Wireless Local Area Network) oder eine Mobilfunkverbindung (beispielsweise über einen SMS – Short Massage Service) ein Anfrageverhalten der Vorrichtung konfiguriert werden. Das Anfrageverhalten betrifft das Erzeugen der eigenen Anfragebefehle für den Sensor, also z.B. das Zeitintervall für die Erzeugung.
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In einer Weiterbildung wird die Uhr der Vorrichtung auf der Grundlage eines Zeitsignals einer vorrichtungsexternen Uhr synchronisiert. Gemäß der Weiterbildung ist das Schnittstellenmodul dazu ausgelegt, über die Kommunikationsschnittstelle ein Zeitsignal zu empfangen und die Uhr auf der Grundlage des Zeitsignals mit einer vorrichtungsexternen Uhr zu synchronisieren. Mit anderen Worten kann ein vorrichtungsexternes Gerät das Zeitsignal aussenden, das es z.B. mit seiner eigenen Uhr erzeugen kann. Dann werden die Zeitstempelwerte in der Vorrichtung synchron zu der Uhr des vorrichtungsexternen Geräts erzeugt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass dem vorrichtungsexternen Gerät die Zeitreihen der Sensorwerte auf einer Zeitbasis bereitgestellt werden, die sich an der Uhr des vorrichtungsexternen Geräts orientiert. Ist beispielsweise im vorrichtungsexternen Gerät bekannt, dass zu einer bestimmten Uhrzeit, beispielsweise 16:00 Uhr, ein bestimmter Schaltvorgang in der Automatisierungsanlage stattgefunden hat, so kann in dem vorrichtungsexternen Gerät auf Grundlage der Sensorwerte mit ihren Zeitstempelwerten wegen der Synchronisation genau nachvollzogen werden, welche Veränderung sich im Energieverbrauch durch den Schaltvorgang ergeben hat. Ohne die Synchronisation wäre nicht klar, ob Sensorwerte mit einem Zeitstempelwert „16:00 Uhr“ tatsächlich zu der entsprechenden Schaltzeit gehören.
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In Bezug auf die Kommunikationsschnittstelle ergeben sich ebenfalls Weiterbildungen mit Vorteilen. Eine Weiterbildung sieht vor, dass an der Kommunikationsschnittstelle die bereitgestellten Sensorwerte drahtlos, d.h. über eine Funkverbindung, an ein portables Auslesegerät ausgesendet werden. Mit anderen Worten umfasst die Kommunikationsschnittstelle eine Funkschnittstelle, an welcher mittels eines vorbestimmten Protokolls die Ausgabe der Sensorwerte ausgelöst werden kann. Das portable Auslesegerät kann insbesondere auch das beschriebene vorrichtungsexterne Gerät sein. Durch die insgesamt gebildete Funkschnittstelle ergibt sich der Vorteil, dass die Sensorwerte an ein an der Vorrichtung vorbeibewegtes Auslesegerät berührungslos übertragen werden können. Hierdurch kann beispielsweise eine Bedienperson bei einem Rundgang durch die Automatisierungsanlage die Sensorwerte „einsammeln“, also in das portable Auslesegerät übertragen lassen.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass das Schnittstellenmodul die Funkschnittstelle mittels eines Routers über eine WLAN-Funkverbindung bereitstellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine ad-hoc-Funkverbindung aufgebaut werden kann, nachdem das portable Auslesegerät in eine Funkreichweite des Routers gebracht worden ist.
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Eine andere Weiterbildung ermöglicht das flexible Erweitern einer Anordnung aus mehreren Vorrichtungen in einer Automatisierungsanlage. Hierzu ist das Schnittstellenmodul dazu ausgelegt, an der Kommunikationsschnittstelle ein eine Verfügbarkeit der Kommunikationsschnittstelle signalisierendes Detektionsfunksignal auszusenden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine neu installierte erfindungsgemäße Vorrichtung selbsttätig und/oder von sich aus Informationen aussendet, die von einem vorrichtungsexternen Gerät empfangen werden können und diesem signalisieren, dass eine Kommunikationsschnittstelle zum Auslesen von Sensorwerten bereitsteht. Dann muss in dem vorrichtungsexternen Gerät, beispielsweise einem portablen Auslesegerät, keine Information über den Einbauort der Vorrichtung vorliegen.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst bei dem Schnittstellenmodul die Kommunikationsschnittstelle eine drahtgebundene Schnittstelle. Die Sensorwerte werden also drahtgebunden ausgesendet. Beispielsweise kann die drahtgebundene Schnittstelle als USB (Universal Serial Bus) oder als Ethernet-Schnittstelle und/oder auf der Grundlage eines TCP-IP-Protokollstacks (TCP – Transport Control Protocol, IP – Internet Protocol) oder eines OPC-UA-Protokolls (OPC-UA – OLE for Process Control Unified Architecture, OLE – Object Linking and Embedding) bereitgestellt werden. Die Übertragung der Sensorwerte ist dann besonders störunanfällig. Zudem kann die Vorrichtung dauerhaft an ein EMS angeschlossen werden.
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Zu der Erfindung gehört schließlich auch eine Automatisierungsanlage. Unter einer Automatisierungsanlage ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine Produktionsanlage oder eine Verfahrensanlage oder eine Steueranlage zu verstehen. Mittels einer Produktionsanlage kann ein Produkt automatisiert hergestellt werden, beispielsweise ein Kraftfahrzeug. Mittels einer Verfahrensanlage kann ein Prozess automatisiert gesteuert werden, beispielsweise das Erzeugen von elektrischer Energie aus Kernkraft. Mittels einer Steueranlage kann eine Gerätesteuerung automatisiert werden, beispielsweise das Steuern von Ampeln in einem Verkehrswegenetz beispielsweise einer Stadt oder eines Stadtteils.
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Die erfindungsgemäße Automatisierungsanlage weist mindestens einen Sensor auf, der über eine Sensorleitung mit einer ersten Anschlusseinrichtung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden ist. Durch den Sensor werden insbesondere Sensorwerte erzeugt, die mit einem Energieverbrauch der Anlagenkomponente korreliert sind. Beispielsweise kann es sich um einen Stromstärkewert oder einen Wert für eine elektrische Leistung oder einen Temperaturwert oder einen Druckluftwert oder einen Füllstandswert für ein Betriebsmittel, beispielsweise einen Treibstoff, oder eine Durchflussmenge z.B. von Dampf handeln. Die Sensorleitung kann Drähten aufweisen, über welche der Sensor an die erste Anschlusseinrichtung angeschlossen ist. Es kann sich bei der Sensorleitung auch um einen Sensorbus handeln, über welchen die erste Anschlusseinrichtung Sensordaten von mehreren Sensoren empfängt.
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Bei der erfindungsgemäßen Automatisierungsanlage ergibt sich der Vorteil, dass mit geringem Bauteilaufwand Energieverbrauchsmessdaten mittels der bereits vorhandenen Sensoren ermittelt werden können. Es handelt sich hierbei um diejenigen Sensoren, die von der Steuereinrichtung der Anlagenkomponente auch für die eigentliche Anlagensteuerung genutzt werden.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Anbindung eines Sensors an eine speicherprogrammierbare Steuerung, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Automatisierungsanlage,
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Anlagenkomponente 1 einer Automatisierungsanlage 2 oder kurz Anlage 2. Die Anlagenkomponente 1 kann beispielsweise eine elektrische Maschine oder ein Roboter oder eine Produktionszelle (beispielsweise eine Walze oder eine Presse) oder ein Automat (beispielsweise ein Flaschenabfüllautomat) oder eine andere Komponente zum Steuern eines Teils eines durch die Automatisierungsanlage 2 durchgeführten Prozesses sein. Die Anlagenkomponente 1 verbraucht insbesondere Energie, beispielsweise elektrische Energie oder chemische Energie oder pneumatische oder hydraulische Energie.
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Die Anlagenkomponente 1 kann eine Steuereinrichtung 3 aufweisen, bei der es sich beispielsweise um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln kann. Durch die Steuereinrichtung 3 kann beispielsweise eine Regelung oder Steuerung der Anlagenkomponente 1 durchgeführt werden. Die Steuereinrichtung 3 kann hierzu beispielsweise an einem Feldbus 4 der Automatisierungsanlage 2 angeschlossen sein. Beispielsweise für eine Regelung kann die Anlagenkomponente 1 einen Sensor 5 aufweisen, welcher Sensorwerte 6 erzeugt. Der Sensor 5 kann über eine Leitung 7 an die Steuereinrichtung 3 angeschlossen sein. Die Leitung 7 kann beispielsweise einen Draht oder mehrere Drähte oder einen Datenbus umfassen. Über die Leitung 7 können die Sensorwerte 6 von dem Sensor 5 in die Steuereinrichtung 3 übertragen werden. Des Weiteren kann über die Leitung 7 die Steuereinrichtung 3 einen Anfragebefehl 8 oder mehrere Anfragebefehle an den Sensor 5 aussenden. In Abhängigkeit von einem Anfragebefehl 8 kann durch den Sensor 5 jeweils zumindest ein Sensorwert 6 erzeugt werden.
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2 zeigt eine Automatisierungsanlage, bei der es sich um die Automatisierungsanlage 2 handeln kann. Entsprechend kann die in 2 gezeigte Automatisierungsanlage 2 eine Anlagenkomponente 1 mit einer Steuereinrichtung 3, einem Sensor 5 und einer Leitung 7 und einen Feldbus 4 aufweisen. Die zu 1 gemachten Ausführungen betreffend die Automatisierungsanlage 2 treffen somit auch auf die in 2 dargestellte Automatisierungsanlage 2 zu.
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Bei der in 2 dargestellten Automatisierungsanlage 2 ist nun in die Leitung 7 eine Vorrichtung 9 zwischengeschaltet. Bei der Vorrichtung 9 kann es sich um ein Gerät mit einem Gehäuse 10 handeln, in dem alle elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der Vorrichtung 9 angeordnet sein können. Aus diesem Grund ist die Vorrichtung 9 im Folgenden auch als Mithör-Box 9 bezeichnet, wobei „mithören“ nur umgangssprachlich für „mitlesen“ oder „kopieren“ steht. Die Mithör-Box 9 kann eine erste Anschlusseinrichtung 11 aufweisen, an welche der Sensor 5 über eine Sensorleitung 12 angeschlossen sein kann. Die Mithör-Box 9 kann des Weiteren eine zweite Anschlusseinrichtung 13 aufweisen, an welche ein Anschlussleitung 14 angeschlossen sein kann, um die Mithör-Box 9 mit der Steuereinrichtung 3 zu verbinden. Die Anschlusseinrichtungen 11, 13 können jeweils beispielsweise eine Buchse oder einen Stecker aufweisen. Zum Einfügen der Mithör-Box 9 in die in 1 dargestellte Automatisierungsanlage 2 war es also lediglich nötig, ein zweites Kabel für die Erweiterung der Leitung 7 bereitzustellen. Dann lässt sich die Mithör-Box 9 zwischen den Sensor 5 und die Steuereinrichtung 3 schalten.
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Die Mithör-Box 9 kann ein Empfangsmodul 15 und ein Schnittstellen-Modul oder Interface-Modul 16 aufweisen. Die Anschlusseinrichtungen 11, 13 können über das Empfangsmodul 15 gekoppelt sein. Über das Empfangsmodul 5 können die Sensorwerte 6 von der ersten Anschlusseinrichtung 11 zur zweiten Anschlusseinrichtung 13 durchgeleitet werden und hierdurch an die Steuereinrichtung 3 weitergeleitet werden. Über das Empfangsmodul 15 können die Anfragebefehle 8 der Steuereinrichtung 3 von der zweiten Anschlusseinrichtung 13 an die erste Anschlusseinrichtung 11 durchgeleitet werden und hierdurch an den Sensor 5 weitergeleitet werden.
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Das Interface-Modul 16 kann mit dem Empfangsmodul 15 gekoppelt sein. Durch das Interface-Modul 16 kann eine Kommunikationsschnittstelle 17 bereitgestellt sein, beispielsweise ein Funk-Schnittstelle. Das Schnittstellen-Modul 16 kann beispielsweise durch einen Router bereitgestellt sein.
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Über die Kommunikationsschnittstelle 17 kann ein portables Auslesegerät 18 die Sensorwerte 6 oder einige der Sensorwerte 6 auslesen. Das Auslesegerät 18 kann beispielsweise ein Smartphone oder ein Laptop oder ein Tablet-PC sein. Durch das portable Auslesegerät 18 kann beispielsweise eine Funkverbindung 19 über die Kommunikationsschnittstelle 17 mit dem Schnittstellenmodul 16 aufgebaut werden.
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Über die Funkverbindung 19 kann von dem portablen Auslesegerät 18 ein Zeitsignal 20 an das Schnittstellen-Modul 16 ausgesendet werden. Mittels des Zeitsignals 20 kann eine Uhr 21 der Mithör-Box 9 mit einer Uhr 22 des portablen Auslesegeräts synchronisiert werden. Mittels der Uhr 21 kann durch die Mithör-Box 9 jedem Sensorwert 6, der an der Kommunikationsschnittstelle 17 bereitgestellt wird, ein Zeitstempel 23 zugeordnet werden.
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Des Weiteren können durch das Auslesegerät 18 Konfigurationsbefehle 24 an das Schnittstellen-Modul 16 ausgesendet werden. Mittels der Konfigurationsbefehle 24 kann ein Aussende-Verhalten oder Anfrageverhalten der Mithör-Box 9 eingestellt werden. Hierdurch kann für einen Aktiv-Modus der Mithör-Box festgelegt werden, zu welchen Zeitpunkten und/oder welche Sensordaten die Mithör-Box unabhängig von der Steuereinrichtung 3 durch eigene Anfragebefehle 25 bei dem Sensor 5 ermittelt oder auslöst.
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Der Sensor 5 erzeugt dann zusätzliche Sensorwerte 26, die ausschließlich über die Kommunikationsschnittstelle 17 an das Auslesegerät 18 ausgesendet werden und nicht an die Steuereinrichtung 3 weitergeleitet werden. Die Kommunikationsschnittstelle 17 kann beispielsweise durch ein Kommunikationsprotokoll definiert sein, durch welches das Aussenden der Sensorwerte 6 durch das Schnittstellen-Modul 16 von dem Auslesegerät 18 ausgelöst werden kann.
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Wie durch das Beispiel gezeigt ist, ist häufig die für die Energieverbrauchserfassung benötigte Sensorik bereits in der Anlage installiert, weil diese Sensorik ohnehin für den Anlagenbetrieb (insbesondere für die Anlagenautomatisierung und die Qualitätssicherung der Produktion) benötigt wird. Für die Erfassung nicht-elektrischer Energieverbräuche gilt zudem, dass die dafür benötigte Sensorik oftmals zu teuer wäre, um sie ausschließlich für das Ermitteln von Energieverbrauchsmessdaten bereitzustellen. Mittels der Mithör-Box 9 kann vorhandene Sensorik somit vorteilsbringend auch für die Energieverbrauchserfassung genutzt werden.
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Die in der Anlage installierte Sensorik ist typischerweise drahtgebunden an eine speicherprogrammierbare Steuerung angeschlossen. Mittels der Mithör-Box 9 ist ein Weg aufgezeigt, wie die Sensorwerte 6 einer solchen Sensorik für passive EMS oder EDMS genutzt werden können, ohne dass die Software der speicherprogrammierbaren Steuerung verändert oder angepasst werden muss.
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Die Mithör-Box 9 kann hierzu insbesondere die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- 1. Die Mithör-Box 9 kann entweder in Sensornähe oder in SPS-Nähe installiert sein. Die ein- und ausgangsseitigen Anschlüsse der Mithör-Box 9 sind identisch oder entsprechen den elektrischen Anschlüssen des Sensors 5 oder der SPS. Sind beispielsweise die Signalleitungen von der SPS am Sensor 5 mit einem vier-poligen M12-Stecker anzuschließen (das heißt der Sensor 5 enthält eine vierpolige M12-Signalbuchse), dann ist die Mithör-Box 9 zum Sensor 5 hin mit einem zwölf-poligen M12-Stecker und zur Steuereinrichtung 3 hin mit einer vierpoligen M12-Buchse ausgestattet.
- 2. Für die SPS ist die Mithör-Box 9 in Bezug auf die Kommunikation mit dem Sensor 5 nicht sichtbar, das heißt die Datenkommunikation zwischen Sensor 5 und SPS erfolgt mit zwischengeschalteter Mithör-Box 9 auf gleiche Art und Weise wie ohne Mithör-Box 9 (siehe 1).
- 3. Die Mithör-Box 9 verfügt über einen internen Speicher 27 und eine Uhr 21.
- 4. Die Mithör-Box speichert intern die vom Sensor 5 gesendeten Messwerte oder Sensorwerte 6 zusammen mit einem Zeitstempel 23 (der durch die Uhr 21 der Mithör-Box 9 zum Zeitpunkt des Messwerteempfangs generiert wird) in dem Speicher 27 ab.
- 5. Die Mithör-Box 9 verfügt über hardware- und softwaretechnische Kommunikationsmittel, sodass sich die Uhr 21 in der Mithör-Box mit der Uhr 22 in einem Auslesegerät 18 synchronisieren kann und alle (insbesondere seit der letzten Datenübertragung an ein Auslesegerät 18) in dem Speicher 27 der Mithör-Box 9 gespeicherten Daten an ein Auslesegerät 18 drahtlos übertragen werden können.
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Die Mithör-Box 9 ist hierbei bevorzugt modular aufgebaut, bestehend aus einem Interface-Modul oder Empfangsmodul 15, einem Modul zur Zeitstempel-Generierung, Messwert-Speicherung und Drahtloskommunikation (zum Beispiel WLAN, GSM – Global System for Mobile Communications). Das zweite Modul ist in 2 als das Schnittstellen-Modul 16 dargestellt. Ein weiteres Modul kann die Stromversorgung für die Mithör-Box 9 darstellen.
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Das Schnittstellen-Modul 16 und die Stromversorgung können universell ausgestaltet sein, das heißt unabhängig von dem Sensortyp des angeschlossenen Sensors 5. Das Schnittstellen-Modul 15 kann insbesondere mittels eines handelsüblichen Routers realisiert werden.
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Das Empfangsmodul 15 der Mithör-Box 9 lässt sich dann als sensor-spezifisch ausgeführtes Modul ausgestalten und aufwandsarm in das Empfangsmodul 15 integrieren. Somit handelt es sich bei diesem Modul und die Anschlusseinrichtungen 11, 13 um diejenigen Teile, die anlagenspezifisch oder anwendungsspezifisch auszugestalten sind.
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Die Mithör-Box 9 kann als passive Mithör-Box ausgebildet sein, die passiv die vom Sensor 5 an die SPS gesendeten Messwerte mithört.
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Abhängig vom Sensorsignal oder vom verwendeten Sensorsignalbus kann es auch möglich sein, dass die Mithör-Box 9 aktiv und parallel zur SPS einen Anfragebefehl 25 an den Sensor sendet und entsprechend diesem Anfragebefehl 25 vom Sensor 5 zusätzliche Sensorwerte 26 empfängt. Insbesondere kann hierzu das HART-Kommunikationsprotokoll verwendet werden, welches ein solches aktives Mithören ermöglicht. Denn gemäß dem HART-Protokoll sind zwei Sende-Master möglich, sodass zum einen die SPS als Master und der Sensor als Slave fungieren kann und zusätzlich als zweiter Master das Empfangsmodul bei einem HART-Feldgerät als „Secondary Master HART Interface“ ausgebildet wird, welches sekundärseitig ein geeignetes Interface (zum Beispiel Standard Ethernet oder MODBUS TCP) zum Mithör-Box-Modul hin zum Schnittstellen-Modul 16 aufweist.
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Beim „aktiven Mithören“ kann die Mithör-Box 9 selbst festlegen, wann sie welche Daten vom Sensor 5 empfangen möchte. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, dass das Verhalten der Mithör-Box 9 von außen parametriert werden kann. Dies erfolgt am einfachsten durch das Auslesegerät 18 mit einem Kommunikationsmechanismus, der das Übertragen der beschriebenen Konfigurations-Befehle 24 ermöglicht. Dies kann beispielsweise durch eine Konfigurationsschnittstelle ermöglicht sein, die als Funkschnittstelle durch das Schnittstellen-Modul 16 bereitgestellt werden kann.
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Durch das Auslesegerät 18 kann eine Bedienoberfläche bereitgestellt sein, die auf einer Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einem Bildschirm, einem Benutzer angezeigt werden kann. Über die Bedienoberfläche kann eine Auswahl und Ausführung der folgenden Funktionen ermöglicht sein:
- – Mithör-Box in Reichweite suchen und auswählen (hierzu kann durch die Mithör-Box 9 ein zusätzliches Detektionssignal ausgesendet werden oder es kann ein WLAN-Signal überprüft werden);
- – Übertragung von Messdaten von der Mithör-Box auf das Auslesegerät;
- – Zeitsynchronisation zwischen dem Auslesegerät und der Mithör-Box, wobei die Zeitsynchronisation auch automatisiert gekoppelt an die Messdatenübertragung erfolgen kann, sodass ein Benutzer sie nicht explizit auslösen muss;
- – Parametrierung der Mithör-Box, was entfallen kann, wenn die Mithör-Box nur passiv mithört.
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Durch die Mithör-Box 9 werden in vorteilhafter Weise Energiedaten aufwandsarm ermittelt. Des Weiteren kann mit einem handelsüblichen Router als Schnittstellen-Modul 16 ein Daten-Splitter oder Daten-Splizer kombiniert werden, um hierdurch Sensorwerte 16 mitlesen zu können.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Messwerteerfassung und -übertragung sind somit die Folgenden:
Es ergibt sich eine Hardware-technisch preiswerte Lösung, da in der Anlage vorhandene Sensorik doppelt genutzt wird, nämlich a) für den Anlagenbetrieb beziehungsweise die normale Anlagenautomation und b) für die Energieverbrauchserfassung.
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Der Hardware-technische Installationsaufwand für die Energiemessdatenerfassung ist gering und erfordert außer den Kenntnissen über die Anlage (welcher Sensor ist wo verbaut) keine Spezialkenntnisse.
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Es ergibt sich kein Inbetriebssetzungsaufwand für die Herstellung der Datenkommunikation zur Energiemessdatenerfassung.
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Es erfordert auch keine Modifikation der bestehenden Automatisierungstechnik (SPS) für die Energiemessdatenerfassung, da sowohl die Hardware als auch die Software der SPS bei Installation einer Mithör-Box unverändert bleiben.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Sensorsignalkabelsplitter für die Erfassung von Energiemessdaten und kostengünstige Energiemessdatenerfassung in Industrieanlagen bereitgestellt werden kann.
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3, 4 und 5 zeigen drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Messgerät oder Messkoffer für eine isolierte Messung von Messwerten bereitgestellt sein können, d.h. ohne dass eine Steuereinrichtung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, an die Vorrichtung angeschlossen sein muss.
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3 zeigt eine Ausführungsform, durch welche eine drei-phasige Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Energiemessung mit einem Dreiphasen-System ohne Neutralleiter ermöglicht ist. In 3 ist die Vorrichtung 28 an eine Energieversorgung 29 angeschlossen. Sensoren 5 können jeweils als Sensorwerte 26 Stromstärkewerte von Stromleitungen 32 des Dreiphasen-Systems bereitstellen. Die Stromleitungen 32 können jeweils eine Phase L1, L2, L3 der Dreiphasen-Stromversorgung bilden. Sensorleitungen 12 können an eine Anschlusseinrichtung 11 der Vorrichtung 28 angeschlossen sein. Ein Empfangsmodul 15 kann die Sensorwerte 26 empfangen.
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Aus einer Versorgungsspannung der Energieversorgung 29 können über Spannungswandler 30 und Sicherungen 31 Versorgungsspannungen für das Empfangsmodul 15 und ein Schnittstellenmodul 16 bereitgestellt werden. Das Empfangsmodul 15 und das Schnittstellenmodul 16 können über eine Busleitung 33 miteinander gekoppelt sein. Die Busleitung 33 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Modbus-Protokolls und/oder eines TCP-Kommunikationsprotokolls die Sensorwerte 26 an das Schnittstellenmodul 16 übertragen.
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Das Schnittstellenmodul 16 kann beispielsweise durch einen Router bereitgestellt sein. Ein Speicher 27 kann an das Schnittstellenmodul 16 angeschlossen sein. Es kann sich beispielsweise um einen USB-Stick oder einen Flash-Speicher handeln. Eine Kommunikationsschnittstelle 17 kann beispielsweise als drahtgebundene Schnittstelle auf der Grundlage eines USB oder als Funkschnittstelle auf der Grundlage beispielsweise von WLAN oder GSM bereitgestellt sein. Über die Kommunikationsschnittstelle 17 kann die Vorrichtung 28 in der beschriebenen Weise mit einem oder mehreren portablen Auslesegeräten 18 kommunizieren.
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In 4 ist veranschaulicht, wie das Empfangsmodul 15 aus mehreren Komponenten gebildet sein kann. Die in 4 veranschaulichte Variante ermöglicht die drei-phasige Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Energiemessung in einem Dreiphasen-System ohne Neutralleiter und zusätzlich weitere Messungen, zum Beispiel von Druck, Durchflussmenge, sowie zusätzliche Sensoren 5 an entsprechenden Eingängen der ersten Anschlusseinrichtung 11. Beispielsweise können über einen zusätzlichen Eingang analoge Sensorwerte an einen Analog-Digital-Wandler A/D des Empfangsmoduls 15 übertragen werden.
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Die Komponenten können über die beschriebene Busleitung 33 gekoppelt sein. Das Empfangsmodul 15 kann mit dem Schnittstellenmodul 16 über eine Kommunikationsleitung 34 gekoppelt sein, die beispielsweise auf dem Standard Industrial-Ethernet beruhen kann.
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In 5 ist eine Variante der Vorrichtung 28 gezeigt, bei welcher die Spannungsversorgung 29 auch einen Neutralleiteranschluss bereitstellen muss.
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Die Vorrichtung 28 weist bei allen drei Ausführungsformen in der beschriebenen Weise die Eigenschaft auf, dass eine Messwert-Zwischenspeicherung/-Pufferung in dem Speicher 27 ermöglicht ist. Des Weiteren findet die beschriebene Messwert-Zeitstempelung und eine Assoziation der Messwerte mit einer parametrierbaren/einstellbaren Messgeräte-ID sowie (optional) einem Messgeräte-Klarnamen statt. Dies kann durch den Router des Schnittstellenmoduls 16 realisiert werden oder durch das Empfangsmodul 15.
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Beispiele für ein Messdaten-Logfile, wie es im Speicher 27 gespeichert werden kann und von der erfindungsgemäßen Vorrichtung 28 an ein Auslesegerät 18 übertragen werden kann, können wie folgt aussehen. In Kopfzeilen oder einem Header der Log-Datei können die parametrierbaren Messstelleninformationen enthalten sein. Der Rest der Datei enthält die zeitgestempelten Messwerte. Beispiel:
Messstelle: Generator 5
Messwert: Leistung
Mess-ID: 123456
Einheit: kW
Abtastzeit: 10s
14:47:19.514000, 10.2434
14:47:29.523000, 10.3446
14:47:39.515000, 11.0243
14:47:49.513000, 13.0743
...
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Bei diesem Beispiel-Messdaten-Logfile können auf einer 16 GB-Speicherkarte im Router der erfindungsgemäßen Vorrichtung 28 mehr als 500 Millionen Sensorwerte abgespeichert werden, was bei einer zeitlichen Auflösung von einem Messpunkt alle 10 s (zeitliche Auflösung) einer maximalen Messdauer von mehr als 24 Jahren entspricht. Bei einem komprimierten Abspeichern der Daten oder Sensorwerte kann für eine feste Speichergröße die zeitliche Auflösung und/oder die Messdauer weiter erhöht werden.
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Die Energiemessdatenerfassung erfolgt somit dergestalt, dass an mindestens einer, bevorzugt aber an allen Messstellen, ein temporäres Leistungs- oder Energie-Messgerät, d.h. jeweils eine Vorrichtung 28, beispielsweise in Form eines Messkoffers, installiert wird. Das Messgerät nimmt die Leistungs- und/oder Energiemessdaten in regelmäßigen Zeitabständen (zum Beispiel sekündlich oder alle 10 s) auf. Das Messgerät speichert die erfassten Messwerte über einen hinreichend langen Zeitraum, bevor bevorzugt für mindestens sieben Tage, besser 31 Tage (1 Monat), ein Jahr oder sogar noch länger. Alle Messwerte werden im Messgerät mit einem Zeitstempel versehen und zusammen mit einem Zeitstempel abgespeichert. Sinnvollerweise ist das Messgerät, bevorzugt über das Auslesegerät 18, derart konfigurierbar, dass die angeschlossenen Sensoren, Abtastzeit, Messwerteauflösung (Genauigkeit/Nachkommastellen), Messgeräte-ID und Messgeräte-Klarnamen und/oder Charakterisierungen der an die Messstelle angeschlossenen Aggregate einstellbar sind. Insbesondere sind auch Messwerte-Vorverarbeitungsschritte (Filterung, Mittelwertbildung, Fourier-Transformation) einstellbar. Ferner ist das Messgerät, bevorzugt über das Auslesegerät 18, derart konfigurierbar, dass die einstellbaren Größen zusammen mit den zeitgestempelten Messwerten in Messwert-Logfiles abgespeichert werden und an das Auslesegerät 18 übertragen werden können.
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Die Messwerterfassung erfolgt beispielsweise durch „händisches“ Einsammeln der Messdaten mittels des portablen Auslesegeräts 18. Die Messdatenerfassung muss nämlich nicht in Echtzeit erfolgen. Von dem Auslesegerät 18 können die Sensorwerte oder Messdaten vom Auslesegerät 18 dann in eine Auswerteeinrichtung übertragen werden oder direkt durch das Auslesegerät selbst derart weiterverarbeitet werden, dass die gewünschten Energiemanagementdaten bereitgestellt werden.
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Im Falle einer nicht-elektrischen Energiemesswerteerfassung (zum Beispiel Druckluft oder Dampf), die auf Durchflussmessungen in Kombination mit Druck- und/oder Temperaturessungen basiert, kann es sinnvoll sein, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer unabhängigen Stromversorgung, insbesondere einer Batterie, ausgestattet ist.
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Durch das Beispiel ist somit gezeigt, wie bei einer Automatisierungsanlage eine kostengünstige Energiemessdatenerfassung in Industrieanlagen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ISO 50001 [0002]
- ISO 50001 [0002]
