Werkzeugmaschine: Energiezähler mit Modbus TCP-Schnittstelle
Use Case
Elektrische Energieüberwachung einer Werkzeugmaschine
Die Erfassung, Visualisierung und Analyse von elektrischer Energie durch Energiezähler mit Modbus TCP-Schnittstelle und moneo RTM. Durch die Komplexität einer Werkzeugmaschine bietet es sich aus energetischer Sicht an, diese in besonderem Maße zu überwachen. Aus physikalischer Sicht sind hier verschiedene Verbraucher verbaut, die sich unterschiedlich auf die Entstehung von induktiven oder kapazitiven Blindströmen auswirken. Diese können den Energiekostenanteil stark beeinflussen.
Die Ausgangslage
Der Bedarf an elektrischer Energie lässt sich ohne gezielte Erfassung nur als Gesamtwert ermitteln. Eine Zuordnung des elektrischen Energiebedarfs zu den einzelnen Applikationen und Werkstücken ist nicht möglich. Unbekannte Energiekomponenten sind die Höhe der Wirk- und Scheinleistungen und der Energiebedarf je Werkstück.
Ziel des Projekts
Transparenz für Energiebedarf zur Optimierung des Energieverbrauchs
Der Energiebedarf der Werkzeugmaschine soll erfasst, gespeichert und für spätere Analysen zur Verfügung stehen. Dies geschieht über die Erfassung von Blind-, Schein- und Wirkleistung und die Ermittlung des Leistungsfaktors.
Durchführung
Die Energieversorgung des Maschinenparks ist mit unter der Decke umlaufenden Stromschienen sichergestellt. Der Anschluss der Werkzeugmaschine geschieht über einen Abgangskasten, welcher diese auch gegen Überstrom absichert.
Um alle Daten zum Energiebedarf der Werkzeugmaschine zu erfassen, wurde ein dreiphasiger Energiezähler mit Modbus TCP-Schnittstelle in diesem Abgangskasten verbaut und angeschlossen.
Über den LR Agent können die benötigten Modbusregister zuverlässig ausgelesen werden. In moneo RTM findet das Monitoring und die Analyse der Werte sowie die direkte Berechnung der anfallenden Verbrauchskosten statt.
Erfolg
Elektrische Energieverbräuche und Maschinenzustand im Blick
Transparenz beim Energiebedarf mit moneo RTM
- Erfassung des Verbrauchs von elektrischer Energie des prozessbezogenen Arbeitsbereichs.
- Zentralisierte Informationen zum Verbrauch elektrischer Energie.
- Berechnungen zur Kostenermittlung der verbrauchten elektrischen Energie im skalierten Bereich.
- Anzeige der insgesamt aufgenommenen Gesamtleistung
- Anzeige der aktuell aufgenommenen Gesamtleistung
- Anzeige der aktuellen Spannung, Strom und Leistung für alle drei Phasen
- Anzeige der aktuell entstehenden Blindströme und Blindleistungen
- Anzeige der insgesamt entstandenen Blindströme und Blindleistungen
- Berechnung der gesamt angefallenen Kosten über „Kalkulierte Werte“
- Berechnung der aktuell anfallenden Kosten über „Kalkulierte Werte“
- Ableitung von den Verbrauchswerten: Gesamtverbrauch, Spitzenverbräuche, Grundlastverbrauch / Standby, Verbrauch während produktionsfreier Zeit, erzeugte Blindströme und Blindleistungen
Systemaufbau
- Energiezähler Siemens 7KT1260
- LR Agent
Dashboard
Im Dashboard erhält der Benutzer eine Übersicht der relevanten Prozesswerte für diese Anlage.
- Phase 1 (L1): Aktuelle Messwerte von Strom, Spannung und Leistung
- Phase 2 (L2): Aktuelle Messwerte von Strom, Spannung und Leistung
- Phase 3 (L3): Aktuelle Messwerte von Strom, Spannung und Leistung
- Aktuelle Kosten pro Stunde + aktueller Leistungsbedarf
- Gesamte Kosten + Leistungsbedarf insgesamt
- Phase 1 (L1): Aktueller Leistungsfaktor, Scheinleistung und Blindleistung
- Phase 2 (L2): Aktueller Leistungsfaktor, Scheinleistung und Blindleistung
- Phase 3 (L3): Aktueller Leistungsfaktor, Scheinleistung und Blindleistung
- Gesamter Leistungsfaktor
- Gesamte Scheinleistung (+/-)
- Gesamte Blindleistung (+/-)
Analyse
Bei der Auswertung der erzeugten Blindleistungen in der moneo Analyse ist zu erkennen, dass die Werkzeugmaschine in einem sehr ungünstigen Bereich läuft. Der Leistungsfaktor bewegt sich während des Betriebes überwiegend im negativen Bereich.
Eine Untersuchung und Beseitigung der Ursache ist dringend geboten. In diesem speziell beschriebenen Fall, werden jedoch keine Maßnahmen umgesetzt, da der Standort der Werkzeugmaschine zeitlich begrenzt ist und sich aus betriebswirtschaftlicher Sicht eine Kompensation der Blindleistungen über diese Zeit nicht rechnet.
Die Daten werden aufgezeichnet und zur Auslegung der Blindstromkompensationsanlage für den neuen und langfristigen Standort herangezogen.
- Leistungsfaktor
- Aktuell aufgenommene Wirkleistung
- Blindleistung L1
- Blindleistung L2
- Blindleistung L3
- Aktuell aufgenommene Wirkleistung
Calculated Values: kalkulierte Werte
Dataflow zur Umrechnung Watt in kW
Die Messgrößen, welche vom Energiezähler in den Modbus-Registern bereitgestellt werden, werden Eins zu Eins über den LR Agent ausgelesen und in moneo eingebucht. Nicht immer haben diese dann die gewünschte Einheit. Leistungswerte werden für gewöhnlich in Kilowatt verwendet. Die genormte SI-Einheit, welche auch so in den Registern steht, ist jedoch Watt. Mithilfe eines Dataflows wird die Eingangsgröße (W) in die gewünschte Einheit (kW) umgerechnet.
- Aktuell aufgenommene Leistung in Watt
- Konstante: Divisor für Umrechnung in Kilowatt
- Division
- Aktuell aufgenommene Leistung in Kilowatt
Eine weitere Unterstützung bei der Auswertung und Analyse der Verbrauchswerte ist die Berechnung der Kosten der aufgenommenen Leistung. Diese werden vom Versorger in der Regel in Kilowattstunden abgerechnet, wofür die im vorangegangenen Dataflow in Kilowattstunden umgerechnete Leistungsaufnahme als grundlegende Größe herangezogen wird. Es werden insgesamt zwei Dataflows erstellt:
1. Berechnung der Kosten bei der aktuellen Leistungsaufnahme
- Aktuell aufgenommene Leistung in Kilowatt
- Konstante: Kosten pro Kilowattstunde
- Multiplikation
- Runden auf 2 Nachkommastellen
- Aktuell anfallende Kosten pro Stunde
2. Berechnung der Kosten der absolut aufgenommenen Leistung
- Aktuell anfallende Kosten pro Stunde
- Konstante: Kosten pro Kilowattstunde
- Multiplikation
- Runden auf 2 Nachkommastellen
- Insgesamt angefallene Kosten
