Energiemanagement-Software

Andreas Mühlbauer,

Energie sparen und Prozesse optimieren

Hunderte oder gar Tausende von Sensoren eingebunden in ein Netzwerk mit hoher Reichweite – das sind die wichtigsten Vorteile von LoRaWAN.

Die Energiemanagement-Software econ4 bietet vielfältige Optionen. © Econ Solutions

Ein Long Range Wide Area Network, kurz LoRaWAN, basiert auf der offenen und bidirektionalen Funktechnologie LoRa, die es ermöglicht, kleine Datenmengen stromsparend über große Strecken zu senden. Es ist daher ideal geeignet, um Energieeinsatz, Qualitätssicherung und Prozesse bei großflächigen Industrieanlagen, Infrastrukturbetreibern und kommunalen Versorgungsbetrieben zu optimieren.

LoRaWAN bietet in Kombination mit einer Energiemanagement-Lösung wie von Econ Solutions eine kostengünstige Möglichkeit, Sensordaten automatisiert zu erfassen und auszuwerten, insbesondere wenn es sich um größere Flächen, Gegenden mit ungenügender Internetabdeckung oder um abgelegene Orte handelt. Denn im Gegensatz zu 50 bis 100 m Reichweite beim klassischen WLAN können LoRa-Signale – je nach Topografie, Bebauungsdichte, Bandbreite, Datendurchsatz und Antennenleistung – bis zu 15 km und in Ausnahmefällen sogar bis zu 50 km überbrücken. Die Signale sind auch für sogenannte Deep-Indoor-Standorte, wie beispielsweise Keller, geeignet.

Als offener Standard, der speziell für die Erfassung und den Austausch von Statusinformationen entwickelt wurde, kann LoRa von jedem Unternehmen für ein IoT- oder M2M-Netzwerk genutzt werden. Die Endgeräte, die bei LoRa zum Einsatz kommen, benötigen keine separate Stromversorgung, durch die stromsparende Eigenschaft der Funktechnologie haben Batterien eine Lebensdauer von zehn, in manchen Fällen sogar bis zu 15 Jahren. Aufgrund der geringen Kosten lässt sich auch eine hohe Anzahl an Sensoren einsetzen. Außerdem sind bei LoRa keine Lizenzkosten für Frequenzen zu entrichten.

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Automatisierte Messwerterfassung

Ein klassischer Anwendungsfall ist beispielsweise eine weitverzweigte Industrieanlage, in der mehrere Sensoren verschiedene Messwerte wie Strom-, Gas-, Öl-, Wasserverbrauch der wichtigsten Maschinen automatisiert erfassen. Die Messdaten werden an ein LoRa-Gateway geschickt, das die Daten sammelt und sie an den Netzwerk- und Applikationsserver weitergibt. Hier kann die Energiemanagement-Software econ4 angebunden werden, die die Daten auswertet und in Grafiken anschaulich darstellt. Die Software nutzt dabei Daten verschiedener Sensoren, Zähler und Fühler ebenso wie manuell eingetragene Verbrauchswerte. Daraus generiert sie Analysen und Berichte, die auf einen Blick zeigen, wo und wann wie viel Energie verbraucht wurde.

Energieverbrauch der Grundwasserpumpen und geförderte Wassermenge pro Tag im Vergleich. © Econ Solutions

Neben allen Medien (Strom, Gas, Wasser, Öl usw.) kann econ4 auch Zustandsdaten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck oder Durchfluss auswerten. Die Nutzer können diese Daten und Auswertungen jederzeit auf einem beliebigen Endgerät abrufen. Die Lösung von Econ Solutions ermöglicht zudem die Zusammenführung unterschiedlicher Schnittstellen und Standards wie Modbus TCP, Modbus RTU, S0-Impuls, OPC, BacNET, Datenlogger verschiedener Hersteller oder unterschiedliche Dateiformate.

Die Energiemanagement-Software liefert alle Standardberichte, wie Verlaufsanalysen mit Zeitvergleichen, Berichte zu Schwellwertverletzungen und Kostenberichte sowie zahlreiche Management- und Spezialberichte - von ABC-Analysen über die Analyse von Betriebszuständen, Korrelationsanalysen und Wochenprofilen bis zu Energiefluss-Diagramm (Sankey) und Spektral-Analysen (Heatmaps).

Energie- und Leistungsdaten kombiniert

Aus dem Energiebedarf von Anlagen, Maschinen oder Geräten lassen sich nicht nur für Energieeffizienz und Energiekosten hilfreiche Erkenntnisse gewinnen, sondern auch für Produktionszustände, Wirkleistung, Stillstandzeiten, Wartung oder Instandsetzung. Wie hoch ist der Energieverbrauch während verschiedener Produktionszustände tatsächlich? Wie hoch ist er im Stand-by-Betrieb? Wann gibt es Lastspitzen? Wie lange sind die Rüst- oder Stillstandzeiten für spezifische Aufträge? Gibt es erhöhten Energiebedarf bei gleichbleibendem Output? Werden Schwellenwerte über- oder unterschritten? Dies kann zum Beispiel auf höhere Reibungsverluste oder defekte Teile hinweisen. Eine präventive Wartung kann in einem solchen Fall Schäden an der Maschine oder Qualitätsproblemen vorbeugen.

Es lassen sich aber nicht nur Energiedaten erfassen, sondern auch Stückzahlen, Durchlaufzeiten oder Geschwindigkeiten – also klassische Leistungskennzahlen aus der Produktion. Die erhobenen Energiedaten können mit Daten aus vorhandenen Prozess- und Gebäudeleitsystemen sowie Systemen der Maschinen- und Betriebsdatenerfassung (MDE bzw. BDE) oder ERP mit econ4 kombiniert und ausgewertet werden. Unternehmen haben so beispielsweise Energie- und Prozesskosten pro Stück, pro Maschine oder pro Produktionslos einfach per Mausklick im Überblick. Sie können ihren Kunden Auskunft über den CO2-Ausstoß pro produziertem Bauteil geben oder Maschinen hinsichtlich Energie- und Leistungskennzahlen vergleichen. Damit haben Unternehmen ein mächtiges Steuerungsinstrument für Energiemanagement, Nachhaltigkeit, Qualitätssicherung, Prozessoptimierung, betriebswirtschaftliches Controlling und Investitionsentscheidungen an der Hand.

LoRaWAN in der Praxis

Füllstandsmesser am Hochbehälter der Trinkwasserversorgung von Riegel mit LoRaWAN-Analog-Umsetzer und LoRaWAN-Modul. © Econ Solutions

Wie beispielsweise Kommunen ein LoRaWAN mit der Lösung von Econ Solutions nutzen, zeigt die Gemeinde Riegel am Kaiserstuhl. Sie erfasst damit regelmäßig und automatisiert verschiedene Messwerte am Pumpwerk, am Hochbehälter der Trinkwasserversorgung sowie in der Grundschule.

Wie in vielen Kommunen wurden in Riegel die meisten dieser Daten manuell erfasst. Das ist zeitaufwendig und fehleranfällig, zum Beispiel durch Zahlendreher beim Übertragen der Werte in die Software. Gleiches gilt für den Wasserstand des außerhalb gelegenen Trinkwasser-Hochbehälters. So musste der Wassermeister der Gemeinde in der Vergangenheit zwei- bis dreimal täglich zum Trinkwasser-Hochbehälter fahren, um den Füllstand abzulesen. Jetzt hat er diesen dank LoRaWAN und der Energiemanagement-Software econ4 jederzeit auf seinem Smartphone. Die Software wird Städten und Kommunen von der Energieagentur Regio Freiburg als Cloud-Lösung angeboten.

Das in Riegel genutzte LoRa-Gateway deckt einen Umkreis von rund zwei Kilometer ab und ist für idealen Empfang der Sensordaten am höchsten Punkt der Gemeinde angebracht. Das LoRaWAN-Netzwerk umfasst derzeit zwei Messgeräte am Pumpwerk und eines am Hochbehälter der Trinkwasserversorgung, außerdem vier Sensoren in der Grundschule. Die Grundwasserpumpen am Pumpwerk wurden für die automatisierte Datenerfassung ausgewählt, da sie außerhalb der Gemeinde liegen und das manuelle Ablesen deshalb bislang viel Zeit gekostet hat. Zudem tragen sie mit einer täglichen Laufzeit von rund zehn bis zwölf Stunden erheblich zu den Energiekosten der Gemeinde bei.

Zwei econ sens3 zur Leistungsmessung der beiden Grundwasserpumpen und S0-Impulseingang für die Messung der Wassermenge sowie LoRaWan-Modbus-Umsetzer. © Econ Solutions

Um diesen Anteil konkret zu beziffern, wurden sie im Rahmen des LoRaWAN-Projektes mit zwei Energie- und Leistungsmessgeräten econ sens3 versehen. Sie messen die Leistungsaufnahme und den Wirkverbrauch der Pumpen. Eines der Messgeräte ist mit einem Datenlogger ausgestattet, der vier zusätzliche analoge oder digitale Signale aufnimmt – hier die geförderte Grundwassermenge. Da die Messwerte der econ sens3 hier über Modbus RTU ausgelesen werden, sorgt ein LoRaWAN-Modbus-Konverter dafür, diese in ein von LoRa verarbeitbares Format umzuwandeln. Die Energieaufnahme der Pumpen und ihren Verbrauch im Zeitverlauf erhält der Energiebeauftragte aktuell auf seinen PC und sein Smartphone.

Für die Füllstandsmessung der Trinkwasser-Hochbehälter hatte Riegel bereits ein entsprechendes Messgerät im Einsatz. Auch hier wandelt ein Konverter die in diesem Fall analogen Signale für LoRaWAN um. Der Wassermeister kann den Füllstand der Hochbehälter und die geförderte Menge an Trinkwasser pro Pumpvorgang nun einfach auf seinem Smartphone abrufen. Außerdem kann er Schwellwerte einrichten, sodass er eine Alarmmeldung bekommt, wenn der Füllstand einen kritischen Wert über- oder unterschreitet.

Besseres Klima

Auch in der örtlichen Grundschule kommen LoRa-Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit zum Einsatz, um das Aufheiz- und Abkühlungsverhalten der Gebäude in den zuletzt sehr heißen Sommern zu analysieren und dann geeignete Maßnahmen daraus abzuleiten. Sensoren sind inzwischen so kostengünstig und einfach anzubringen, dass zusätzlich in der Mehrzweckhalle der Gemeinde solche Messungen durchgeführt werden sollen. Für das LoRa-Gateway ist das kein Problem: Das kostengünstige Modell ist für bis zu 500 Sensoren ausgelegt.

Im neuen Betriebshof von Riegel soll außerdem ein Flachbildschirm abwechselnd den Energieverbrauch der Grundwasserpumpen und den Füllstand des Hochbehälters anzeigen. Zudem plant die Gemeinde, auch den Hochwasserschutz mit Hilfe des LoRaWAN zu vereinfachen: Die Pegelstände der Flüsse Elz, Dreisam und Glotter, die bei Riegel in den Leopoldskanal münden, sollen hierfür automatisch gemessen und die Auswertungen ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt werden. 

Daniel Wiedmann, Systemintegration / Automatisierung bei Econ Solutions

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