DE102016113028A1

DE102016113028A1 - System zur überwachung des energieverbrauchs in industrieanlagen und energiemess – und übertragungsmodul hierfür

Info

Publication number: DE102016113028A1
Application number: DE102016113028.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ermer
Original assignee: Maxsyma & Co KG GmbH; Maxsyma & CoKg GmbH
Current assignee: Maxsyma & Co KG GmbH; Maxsyma & CoKg GmbH
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-01-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System (101) zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes mit einem oder mehreren Energiemess- und Übertragungsmodulen und mit einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe, die Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter und Schütze umfasst, wobei mindestens ein Energiemess- und Übertragungsmodul an einer Komponente angeordnet ist, und mit mindestens einer Ausleseeinheit (15), die im Stromnetz angeordnet werden kann und einen Demodulator aufweist, mit dem Daten, die über Powerline Communication im Stromnetz übertragen werden, ausgelesen und in einem Computer lesbaren Format bereitgestellt werden können, sowie mit mindestens einem Computer (19) und einer auf dem Computer ausführbaren Software, mit der eine Datenanalyse zum Energieverbrauch im überwachten Stromnetz durchführbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Energiemess- und Übertragungsmodul zur Anordnung in einer Stromleitung und zur Messung der durch die Stromleitung geleiteten elektrischen Energie und Übermittlung von ermittelten Daten an eine Auswerteeinheit (19), wobei das Energiemess- und Übertragungsmodul eine Messeinheit zur Ermittlung der durchgeleiteten elektrischen Energie und eine Übertragungseinheit zur Übertragung von der Messeinheit ermittelten Daten über die am Energiemess- und Übertragungsmodul angeschlossene Stromleitung mittels Powerline Communication aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mess- und Analysesystem zur kontinuierlichen Erfassung und Analyse des Energieverbrauchs einzelner Komponenten von Industrieanlagen sowie ein entsprechendes Verfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Modul zum Einsatz in einem System zur Überwachung des Energieverbrauchs in Industrieanlagen.
STAND DER TECHNIK
Kontinuierlich steigende Rohstoffkosten und erhöhte Umweltauflagen speziell im Hinblick auf CO₂-Emissionen sind nur zwei Gründe, die dafür sprechen, dass auch in der Zukunft Industriebetriebe ihr Augenmerk vermehrt auf den Energieverbrauch einzelner Produktionsschritte wie auch vollständiger Produktionskomplexe richten werden, um diesen möglichst niedrig zu halten. Eine Strategie diesen Anforderungen gerecht zu werden, stellt speziell im Hinblick auf ältere, bereits bestehende Anlagen ein detailliertes Energieverbrauchs-Monitoring dar, das erlaubt, den Energieverbrauch einzelner Anlagenkomponenten zu erfassen, zu analysieren und gegebenenfalls anhand dieser Erkenntnisse zu regulieren. Derartige Vorhaben bedürfen jedoch fundierter, präziser und nachvollziehbarer Analyseverfahren, die eine fehlerfreie Datenaufnahme, präzise Analyse und nachvollziehbare Dokumentation der erzielten Ergebnisse erlauben und darüber hinaus den charakteristischen Anforderungen in punkto Langlebigkeit beziehungsweise Flexibilität, die an Komponenten industrieller Anlagen gestellt werden, erfüllen.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere kommerziell genutzte Systemlösungen zur Energieanalyse von Produktionsanlagen bekannt, die es dem Nutzer ermöglichen, den Energieverbrauch einzelner Komponenten eines industriellen Anlagenkomplexes beziehungsweise des vollständigen Komplexes zu dokumentieren und zu analysieren und gegebenenfalls den Resultaten entsprechend zu regulieren. Die derzeit verfügbaren Energieanalysesysteme lassen sich dabei in zwei Gruppen aufteilen.
Die Systeme der ersten Gruppe zeichnen sich dadurch aus, dass diese ortsfest in dem Anlagenkomplex verbaut und über mehrere Schnittstellen in diesen integriert sind. Die jeweiligen Energieanalysesysteme stellen dem Nutzer eine große Bandbreite verschiedener Analysemethoden bereit, wobei sowohl einzelne Energieverbrauchsmesswerte mit einer Taktrate von bis zu 1000 Messwerten pro Sekunde als auch über einen zuvor bestimmten Zeitraum gemittelte Energieverbrauchsmittelwerte bestimmt werden können, die zur Dokumentation und weiteren Datenverarbeitung in entsprechende externe Datenspeicher und Datenverarbeitungsvorrichtungen übermittelt und über systemeigene oder nutzerdefinierte Analysesoftware zeitsynchron analysiert, interpretiert und zur Dokumentation aufbereitet werden können. Derartige Energieanalysesysteme ermöglichen ein detailliertes und fundiertes Energieverbrauchs-Monitoring einzelner Komponenten oder ganzer industrieller Anlagenkomplexe. Solch detaillierte Analysen stellen jedoch hohe Anforderungen an die verwendete Analysesoftware und bedürfen einer ausgedehnten Programmiertätigkeit, einer präzisen Einstellung aller zu messender Parameter und gegebenenfalls einer Kalibrierung des verbauten Energieanalysesystems auf die zu messenden Parameter des jeweiligen Anlagenkomplexes. Dies hat zur Folge, dass sich die Inbetriebnahme eines solchen Systems für gewöhnlich aufwändig gestaltet, Fachpersonal benötigt wird und es folglich zu Ausfallzeiten im Produktionsablauf führen kann. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Verwendung derartiger Systeme nur für eine längere Laufzeit rentabel ist, bei der über einen ausgedehnten Zeitraum die zu analysierenden Parameter unverändert bleiben, sodass nach anfänglicher Kalibrierung des Energieanalysesystems dieses weitestgehend unverändert in der ursprünglichen Konfiguration betrieben werden kann.
Im Gegensatz dazu zeichnen sich die Energieanalysesysteme der zweiten Gruppe durch eine hohe Flexibilität aus, die es dem Nutzer gestatten, nach einer vergleichsweise kurzen Installationszeit Messdaten bezüglich des Energieverbrauchs einzelner Komponenten eines Anlagenkomplexes aufzunehmen und diese mittels einer externen Recheneinheit auszuwerten. Derartige Systeme haben den Vorteil einer relativ problemlosen Installation ohne aufwändige Kalibrierung der Messparameter beziehungsweise ohne zusätzlichen Programmieraufwand der Analysesoftware und eignen sich daher für kurzfristige flexible Einsätze, in denen über einen kurzen Zeitraum Messdaten aufgenommen werden können. Ein derart hohes Maß an Flexibilität des Einsatzbereichs geht jedoch zu Lasten der zur Verfügung stehenden Analysekomplexität, die nicht darauf ausgelegt ist, über längere Zeitspannen mit einer hohen Taktrate Messdaten aufzunehmen und die entsprechend großen Datenmengen hinsichtlich einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter zu analysieren, wie dies mit den oben beschriebenen ortsfesten Systemen durchführbar ist. Systeme dieser Gruppe sind vielmehr als tragbare Handsysteme ausgestaltet, die es dem Nutzer gestatten, eine kurzfristige Aufnahme von Messdaten und eine vergleichsweise zeitnahe Analyse der aufgenommenen Daten durchzuführen, und sind daher vorzugsweise für einen temporären Einsatz ausgelegt, für eine dauerhafte Analyse jedoch eher ungeeignet.
Kleine und mittelständische Unternehmen zeichnen sich im Vergleich zu großen Unternehmen durch ein vergleichsweise geringes Produktionsvolumen in Kombination mit einer gegebenenfalls hohen Produktflexibilität aus. Entsprechend kurze Produktionszyklen unterschiedlicher Produkte setzen in Bezug auf Flexibilität hohe Anforderungen an Produktionsanalgen sowie alle externen mit den Produktionsanlagen verbundene Systemkomponenten. Die oben beschriebenen Energieanalysesysteme des Standes der Technik sind jedoch für den Betrieb in einer derartig flexiblen Produktionsanlage ungeeignet. Aufgrund des hohen Installations- und Programmieraufwands der fest installierten Systeme ist eine Verwendung solcher Systeme in Anlagen mit vergleichbar kurzen Produktionszyklen nicht rentabel. Auf der anderen Seite sind die flexiblen Energieanalysesysteme aufgrund ihrer unzureichenden Analysepräzision für eine kontinuierliche, über einen vollständigen Produktionszyklus ausgelegte umfassende Analyse einer solchen Produktionsanlage ebenfalls ungeeignet.
Gerade für kleine und mittelständische Unternehmen bedarf es daher einer Systemlösung, die zum einen ein hohes Maß an Flexibilität erlaubt und zum anderen eine hohe Analysepräzision über einen vollständigen Produktionszyklus gewährleistet.
Darüber hinaus gibt es für Haushaltsanwendungen Systeme zur Steuerung und Überwachung einer Vielzahl von Komponenten in intelligenten Wohnhäusern, beispielsweise auf Basis von sogenannten Powerline Communication Systems, bei denen Trägerfrequenzanlagen eingesetzt werden, um Informationen und Befehle bezüglich der einzelnen Komponenten über das Stromnetz zu übertragen. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, den Energieverbrauch in einem Haushalt entsprechend zu überwachen. Derartige Haushaltsanwendungen sind beispielsweise in der US 2012/0 310 800 A1 , GB 2 484 142 A und der WO 2013/119 010 A1 beschrieben. Allerdings sind derartige Systeme für die industrielle Anwendung nicht geeignet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Energieanalysesystem zu schaffen, das in der Lage ist, die im Stand der Technik bestehenden Probleme zu beheben.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Energiemess- und Übertragungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein System zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und mit einem Verfahren zur Überwachung des Energieverbrauchs mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schlägt für ein System und ein Verfahren zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes vor, ein Energiemess- und Übertragungsmodul bereitzustellen, welches direkt an einer oder mehreren Komponenten der Industrieanlage oder der Hausinstallation angebracht wird, die Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter und/oder Schütze umfasst. Durch die Verwendung eines speziellen Energiemess- und Übertragungsmoduls, das mit entsprechenden Komponenten von Industrieanlagen oder eines Stromnetzes in einem Gebäude verbunden werden kann, wird die Voraussetzung geschaffen, durch eine einfache Installation eine sehr effektive und umfassende Überwachung des Energieverbrauchs installieren zu können. Hierzu sieht ein entsprechendes System vor, dass das Energiemess- und Übertragungsmodul in einer Stromleitung zwischengeschaltet wird, die elektrische Energie überträgt, wobei das Energiemess- und Übertragungsmodul mindestens eine Messeinheit zur Ermittlung der durch das Energiemess- und Übertragungsmodul übertragenen elektrischen Energie und eine Übertragungseinheit aufweist, mit der die ermittelten Daten mittels einer Powerline Communication (PLC) über die entsprechende Stromleitung, in der das Enegiemess- und Übertragungsmodul angeordnet ist, übertragen werden. Entsprechend weist das System weiterhin mindestens eine Ausleseeinheit auf, die im entsprechenden Stromnetz angeordnet werden kann und einen Demodulator aufweist, mit dem die Daten, die über die Powerline Communication im Stromnetz übertragen werden, ausgelesen und in einem computerlesbaren Format bereit gestellt werden können. Entsprechend umfasst das System zur Überwachung des Energieverbrauchs weiterhin mindestens einen Computer und eine auf dem Computer ausführbare Software, mit der die von der Ausleseeinheit ausgelesenen Daten über den Energieverbrauch eingelesen und analysiert werden können. Damit ist eine einfache, sehr flexible und effektive Überwachung des Energieverbrauchs in Industrieanlagen und Gebäuden realisierbar.
Die Ausleseeinheit kann in dem Energiemess- und Übertragungsmodul integriert sein, sodass das Energiemess- und Übertragungsmodul ebenfalls einen Demodulator für die über die Stromleitung übertragenen Datensignale aufweisen kann, sodass das Energiemess- und Übertragungsmodul auch als Ausleseeinheit eingesetzt werden kann.
Die Ausleseeinheit und/oder das Energiemess- und Übertragungsmodul können einen Ethernet-Ausgang umfassen, über den demodulierte Daten mit einem entsprechenden Ethernet-Format ausgegeben werden können, sodass sie in einem entsprechenden Computernetzwerk mit Ethernet-Übertragungsprotokoll lesbar sind. Entsprechend können mehrere Ausleseeinheiten, beispielsweise eine Ausleseeinheit für jeweils ein Stromnetz über ein Ethernet-Netzwerk mit einem Computer verbunden werden, sodass mit diesem einzigen Computer die zeitsynchrone Auswertung des Energieverbrauchs in mehreren Stromnetzen möglich ist.
Bei dem System zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes kann bei einem mehrphasigen Wechselstromnetz, wie beispielsweise einem dreiphasigen Wechselstromnetz, jede Phase separat überwacht und die erfassten Daten separat, insbesondere über getrennte Ausleseeinheiten, ausgelesen werden, sodass das System insgesamt einerseits einfach gehalten und andererseits einen hohen Informationsgehalt bieten kann.
Entsprechend ist das Energiemess- und Übertragungsmodul so aufgebaut, dass es mindestens eine Klemme zur Aufnahme einer Stromleitung und mindestens einen Stromanschluss aufweist, zwischen denen eine Stromdurchführung zur Durchleitung des in einer Stromleitung fließenden Stroms vorgesehen ist, in der das Energiemess- und Übertragungsmodul angeordnet wird. Der Stromanschluss ist derart ausgebildet, dass er an einem Sicherungsautomaten, einem Schutzschalter, einem Hauptschalter oder einem Schütz angeordnet werden kann, während die Klemme zur Aufnahme einer Stromleitung so ausgebildet ist, dass ein entsprechendes Kabel, eine Litze oder eine Kabelendhülse angeordnet werden kann. Damit kann ein entsprechendes Energiemess- und Übertragungsmodul in einer Zugangsleitung an jeden Pol eines mehrphasigen Sicherungsautomaten, Schutzschalters, Hauptschalters oder Schützes zwischengeschaltet werden. Entsprechend kann das Energiemess- und Übertragungsmodul selbstverständlich auch mehrere Klemmen zur Aufnahme von mehreren Stromleitungen und mehrere Stromanschlüsse aufweisen, um beispielsweise mit jeweils einem Stromanschluss in einer Aufnahmebuchse eines Sicherungsautomaten, eines Schutzschalters, eines Hauptschalters oder eines Schützes angeordnet zu werden. Insbesondere kann das Energiemess- und Übertragungsmodul je nach der Anzahl der Pole der entsprechend zugeordneten Komponente, d.h. eines Sicherungsautomaten, eines Schutzschalters, eines Hauptschalters oder eines Schützes, eine entsprechende Anzahl an Stromanschlüssen und Klemmen aufweisen.
Das Energiemess- und Übertragungsmodul kann für jede Stromdurchführung bzw. für jede Stromleitung in die das Energiemess- und Übertragungsmodul mit einer Klemme und einem Stromanschluss zwischen geschaltet werden kann, eine eigene Messeinheit und eine eigene Übertragungseinheit aufweisen, sodass beispielsweise ein Energiemess- und Übertragungsmodul mit zwei Klemmen und zwei Stromanschlüssen zwei Messeinheiten und zwei Übertragungseinheiten aufweist und bei drei Klemmen und drei Stromanschlüssen drei Messeinheiten und drei Übertragungseinheiten. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass für mehrere Stromdurchführungen, also mehre Klemmen und Stromanschlüsse eine Messeinheit oder eine Übertragungseinheit bzw. Teile davon gemeinsam verwendet werden, wobei jedoch separate Daten für jede der Stromdurchführungen generiert werden können.
Die Stromanschlüsse können so beabstandet zueinander am Gehäuse angeordnet werden, dass sie in die entsprechenden Aufnahmeöffnungen von Sicherungsautomaten, Schutzschaltern, Hauptschaltern oder Schütze passen.
Die Messeinheit kann ein oder mehrere Stromsensoren umfassen, wobei es sich bei den Stromsensoren um konventionelle Strommessgeräte oder Amperemeter zur Messung der elektrischen Stromstärke handeln kann.
Die Übertragungseinheit kann einen Signalmodulator aufweisen, mit dem die zu übertragenden Daten auf Strom- und/oder Spannungssignale der überwachten Stromleitungen aufmoduliert werden können.
Der Neutral- und/oder Erdungsanschluss, über den und die mindestens eine Stromleitung die Energieversorgung des Energiemess- und Übertragungsmoduls erfolgen kann, kann ferner einen Magneten (8) und ein mit dem Magneten (8) elektrisch verbundenes Anschlusskabel (9) aufweisen, welches vorzugsweise mit einer Klemmschraube an dem Energiemess- und Übertragungsmodul angeordnet ist, wobei der Magnet (8) zum Anschluss des Energiemess- und Übertragungsmoduls an einen Nullleiter und/oder Schutzleiter an diesen anheftbar ist.
Im Betrieb des Energieanalysesystems können nach Anschluss des Energiemess- und Übertragungsmoduls an eine der oben genannten Komponenten einer Industrieanlagensteuerung oder einer Hausinstallation mittels des mindestens einen Stromsensors Stromverbrauchsmessdaten der zu analysierenden Komponente der Produktionsanlage aufgenommen und die aufgenommenen Daten an eine externe Datenverarbeitungseinheit, die ein externer PC oder ein externer Laptop sein können, übertragen werden. Zur Datenübertragung wird die zu messende Stromleitung der Komponente der Produktionsanlage genutzt, indem auf Basis der Powerline-Communication (PLC) Technologie durch die integrierte Signalmodulation der Übertragungseinheit ein auf das Stromnetz moduliertes Signal erzeugt und das modulierte Signal über die Stromleitung versendet wird.
Zur Datenanalyse der aufgenommenen und übertragenen Daten wird das modulierte und über die Stromleitung versendete Signal mittels eines Demodulators der Ausleseeinheit demoduliert und die durch das Signal übertragenen Daten durch den Demodulator über eine Ethernet-Verbindung an die externe Recheneinheit in Form des PC oder Laptops weitergeleitet. Um eine hohe Flexibilität des Energieanalysesystems zu ermöglichen, ist das System ferner derart ausgestaltet, dass die Stromversorgung des Energiemess- und Übertragungsmoduls über die bereits als Mess- und Signalleitung verwendete Stromleitung der Industrieanlage oder eines entsprechenden Hauses bereitgestellt wird. Das Energiemess- und Übertragungsmodul benötigt somit keine externe Stromquelle und keine zusätzliche Verkabelung. Dies trägt maßgeblich zu der kurzen Installationszeit und der hohen Flexibilität des Energieanalysesystems bei.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in
1 eine schematische Draufsicht eines Energiemess- und Übertragungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 einen schematischen Aufbau des Energieanalysesystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Hauptsteuerung einer Produktionsanlage und in
3 eine schematische Ansicht eines Energieanalysesystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Vernetzung mehrerer Produktionsanlagen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiemess- und Übertragungsmoduls 10, welches an einem Sicherungsautomaten, einem Schutzschalter, einem Hauptschalter oder einem Schütz angeordnet werden kann, um die durch eine zugehörige Stromleitung geleitete elektrische Energie zu erfassen.
Das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 der 1 weist ein Gehäuse 1 auf, an dem drei Stromanschlüsse 2 und drei Klemmen 3 angeordnet sind, um das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 gleichzeitig zwischen drei Stromleitungen 6 und eine entsprechende Komponente einer Industrieanlage oder einer Hausinstallation, wie beispielsweise einen Sicherungsautomaten, einen Schutzschalter, einen Hauptschalter oder einen Schütz zwischenschalten zu können. Entsprechend handelt es sich bei dem Energiemess- und Übertragungsmodul 10, das in 1 dargestellt ist, um eine Ausführungsform zur Verwendung mit einem dreipoligen Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter oder Schütz. Alternativ wäre es auch denkbar, das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 lediglich mit einem Stromanschluss 2 und einer Klemme 3 zur Aufnahme einer Stromleitung 6 auszubilden, sodass das Energiemess- und Übertragungsmodul lediglich in einer einzigen Stromleitung 6 zwischengeschaltet werden kann.
Das Strommess- und Übertragungsmodul 10 der 1 umfasst entsprechend drei Stromdurchführungen (nicht gezeigt), die den Strom von der Klemme 3 zum Stromanschluss 2 und umgekehrt durchleiten.
Ferner weist das Strommess- und Übertragungsmodul 10 für den Anschluss an einen Nullleiter N beziehungsweise einen Schutzleiter/Erdpotential einen Neutral- und/oder Erdungsanschluss 7 auf, der eine Klemmschraube 24, einen Magneten 8 und ein Anschlusskabel 9 umfasst, wobei das Anschlusskabel 9 über die Klemmschraube 24 an dem Strommess- und Übertragungsmodul 10 angeordnet ist. Der Magnet 8 und das Anschlusskabel 9 sind elektrisch leitfähig miteinander verbunden und dienen zum Anschluss des Strommess- und Übertragungsmoduls 10 an einen Nullleiter N (siehe 2) oder einen Schutzleiter mittels eines leitfähigen Anheftens des Magneten 8 an den entsprechenden Nullleiter N oder Schutzleiter.
Zusätzlich weist das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 drei Verarbeitungseinheiten 5 mit jeweils einer Messeinheit mit einem Stromsensor und einer Übertragungseinheit zur Übertragung der ermittelten Daten über die Stromleitungen 6 auf. Über die jeweiligen Stromsensoren kann die Stromstärke des durch die jeweilige Stromdurchführung zwischen den Klemmen 3 und dem Stromanschluss 2 durchgeleiteten Stroms erfasst werden, um dadurch die Energie zu bestimmen, die ein Verbraucher an der Stromleitung 6 verbraucht.
Die Übertragungseinheit erzeugt Datensignale 4, die über die Stromleitung 6 übermittelt werden, indem ein Signalmodulator die erfassten Messwerte auf Strom- und/oder Spannungssignale der überwachten Stromleitungen aufmoduliert.
Die 2 zeigt ein entsprechendes System zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz 11, wobei das Energieüberwachungssystem 100 für ein dreiphasiges Stromnetz 11 mit den drei Wechselstromphasen L1, L2, L3 und dem Nullleiter N vorgesehen ist. An dem dreiphasigen Wechselstromnetz 11 ist beispielsweise ein Motor 13 angeordnet, der über einen dreiphasigen Motorschutzschalter 12 mit dem dreiphasigen Wechselstromnetz 11 verbunden ist.
Zwischen dem Motor 13 und dem Motorschutzschalter 12 oder vorzugsweise vor dem Motor 13 und dem Motorschutzschalter 12 ist ein Energiemess- und Übertragungsmodul 10 angeordnet, in dem die Stromleitungen 6 für die verschiedenen Phasen einzeln überwacht werden. Entsprechend werden die modulierten Signale für jede Phase in das dreiphasige Wechselstromnetz 11 eingespeist, wobei über eine im Stromnetz 11 angeordnete Ausleseeinheit 15 die Information über den Energieverbrauch in jeder Phase des Motors 13 ausgelesen werden kann. Dazu umfasst die Ausleseeinheit 15 einen Demodulator, der die modulierten Signale in ein computerlesbares Format umwandelt, beispielsweise in das Ethernet-Format, das von einem Laptop 14 oder einem Rechner 19 gelesen werden kann.
Eine auf dem Laptop 14 oder dem Rechner 19 installierte Software kann dann die entsprechenden Daten über den Energieverbrauch des Motors 13 einlesen und auswerten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 ist die Ausleseeinheit 15 als kombinierter Stecker ausgeführt, der sowohl einen Stromanschluss 16 als auch einen Ethernet-Anschluss 17 aufweist, sodass der kombinierte Stecker (Ausleseeinheit 15) beispielsweise in eine Schaltschranksteckdose 18 gesteckt werden kann, um daran einen Laptop über den Ethernet-Anschluss 17 und den Stromanschluss 16 anzuschließen. Entsprechend kann der Laptop 14 mit der entsprechenden Software die Daten über den Energieverbrauch des Motors 13 einlesen und auswerten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 ist die Schaltschranksteckdose mit der Phase L2 verbunden, sodass die Verbrauchswerte der Phase L2 des Motors 13 ausgelesen werden können. Darüber hinaus sind natürlich zusätzliche Steckdosen bezüglich der Phasen L1 und L3 vorhanden, um auch deren Daten auslesen zu können. Ein Beispiel für die Phase L1 ist mit dem Rechner 19 gezeigt.
Mit einem zentralen Rechner 19 können auch mehrere Anlagen 21, 22, 23 mit separaten Stromnetzen zeitgleich ausgewertet werden, wie in der 3 für eine Ausführungsform eines Systems 101 zur Überwachung des Energieverbrauchs in drei Stromnetzen gezeigt ist. Hierzu werden mindestens drei Ausleseeinheiten 15 in den entsprechenden Stromnetzen der zur überwachenden Anlage 21, 22, 23 vorgesehen, die über ein Netzwerk 20 mit dem Rechner 19 verbunden sind, sodass die auf dem Rechner 19 installierte Software sämtliche Daten einlesen und auswerten kann.
Das erfindungsgemäße Energiemess- und Übertragungsmodul 10 kann somit aufwandsarm als Zwischenadapter direkt auf eine Komponente einer Steuerung eines zu analysierenden Anlagenteils, wie eines Motors 13 installiert werden, indem die Stromanschlüsse 2 in die jeweiligen Anschlüsse der Komponente, wie eines Motorschutzschalters 12, eingeführt werden und die Aderendhülsen der entsprechenden stromführenden Leitungen 6 des zu analysierenden Anlagenteils in den Klemmen 3 des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10 aufgenommen werden. Durch die oben beschriebene Anordnung der Stromsensoren, die jeweils mit einem Stromanschluss 2 und jeweils einer Klemme 3 elektrisch verbunden sind, können an jedem der Stromsensoren Stromverbrauchsmessdaten jeweils bezüglich genau einer der Phasen des an den zu analysierenden Anlagenteil angelegten Mehrphasenwechselstroms aufgenommen werden. Dies hat zur Folge, dass zeitgleich mehrere Stromverbrauchsmessdatensätze, jeweils ein Messdatensatz pro Phase des Mehrphasenwechselstroms, erzeugt werden können, was seinerseits zu einer erhöhten Präzision der Energieverbrauchsanalyse beiträgt.
Nach Aufnahme der Strommessdaten durch einen Stromsensor werden die aufgenommenen Daten mittels der in der Verarbeitungseinheit 5 integrierten Signalmodulation gemäß einem Powerline-Communication (PLC) Protokoll in ein auf das Trägersignal der dem Stromsensor entsprechenden Phase des Mehrphasenwechselstroms aufmoduliertes Datensignal umgewandelt und über die der jeweiligen Phase des Mehrphasenwechselstroms entsprechende stromführende Leitungen des Stromnetzes des zu messenden Anlagenteils zur weiteren Datenverarbeitung versendet. Zur Datenübertragung der aufgenommenen Strommessdaten wird die Powerline Communication (PLC) Technologie verwendet, wobei zu übertragende Datensignale folglich gemäß entsprechender PLC-Modulationsprotokolle erzeugt werden. Die stromführenden Leitungen des Stromnetzes der Produktionsanlage dienen folglich sowohl als Messleitungen zur Durchführung der Stromverbrauchsmessungen, als auch als Signalleitungen für die Übertragung der aufgenommenen Daten, wobei hierbei jede Phase des Mehrphasenwechselstroms als Trägersignal des zu versendenden Signals der bezüglich dieser Phase erstellten Strommessdaten dient.
Neben den oben genannten Funktionen als Mess- und Signalleitungen dienen die stromführenden Leitungen des Stromnetzes der Produktionsanlage jeweils zur Energieversorgung des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10. Das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 ist dabei derart ausgestaltet, dass dessen Stromversorgung ausschließlich über die Stromleitung 6 des Stromnetzes 11 der Produktionsanlage bezogen wird, sodass zum Betrieb des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10 keine weiteren externen Stromquellen und damit verbundene zusätzliche Verkabelungen notwendig sind. Das Energiemess- und Übertragungsmodul 10 ist dabei mit einem möglichst geringen Stromverbrauch konzipiert, um gegebenenfalls eine mit dem Betrieb des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10 verbundene Verfälschung des gemessenen Energieverbrauchs der Anlagenkomponente vermeiden zu können.
Als Stromsensoren können handelsübliche Stromsensoren verwendet werden, die es gestatten, Messwerte in einer Taktrate von bis zu 1000 Messwerten pro Sekunde aufzunehmen.
Zur Signalmodulation können alle üblichen den Powerline Communication Protokollen (PLC) entsprechenden Signalmodulationsvarianten verwendet werden, die eine möglichst störungsfreie Signalübertragung ermöglichen.
Zur Auswertung und Analyse der aufgenommenen Strommessdaten werden diese über das Stromnetz an externe Recheneinheiten übertragen, wobei diese externen Recheneinheiten externe PCs 19 oder externe Laptops 14 sein können. Zur Übertragung der modulierten Signale der aufgenommenen Messdaten an die externen Recheneinheiten 14, 19 werden Ausleseeinheiten 15 verwendet, die an entsprechenden Stellen mit dem Stromnetz 11 und über Ethernet-Schnittstellen 17 mit dem jeweiligen externen Recheneinheiten 14, 19 verbunden sind. Die Demodulatoren der Ausleseeinheiten 15 demodulieren die modulierten Signale mit den zur Signalmodulation verwendeten Modulationsprotokollen entsprechenden Demodulationsprotokollen. Auf diese Weise können die aufgenommenen Strommessdaten in der Datenverarbeitung übliche Datenformate konfiguriert werden. Die durch den Demodulator konfigurierten Datensätze werden darauffolgend über die Ethernet-Schnittstelle 17 an die externe Recheneinheit 14, 19 übertragen, von der diese ausgelesen werden können. Zur weiteren Auswertung und Analyse der aufgenommenen Strommessdaten wird eine Analysesoftware eingesetzt, die auf den externen Recheneinheiten 14, 19 abläuft.
Die Verwendung der Ethernet-Technologie ermöglicht es, dass verschiedene Anlagen 21, 22, 23 die jeweils separate, nicht ineinander integrierte Stromnetze 11 aufweisen, durch einzelne über Ethernet-Schnittstellen 17 verbundene Ausleseeinheiten 15, die mit einer externe Recheneinheit 19 über ein Netzwerk 20 kommunizieren, zeitsynchron analysiert werden können. Wie in 3 gezeigt, ist so eine zentralisierte Analyse möglich, in denen voneinander unabhängige Anlagen simultan bezüglich ihres Energieverbrauchs analysiert, miteinander verglichen und gegebenenfalls aufeinander eingestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung weist somit gegenüber dem Stand der Technik die folgenden Vorteile auf:

1. Die Anordnung und charakteristische Ausgestaltung der Stromanschlüsse 2 wie auch die Verwendung der Klemmen 3 und der vorteilhaften Ausgestaltung des Neutral- und/oder Erdungsanschlusses des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10 ermöglichen eine einfache Montage des Energiemess- und Übertragungsmoduls 10 als Zwischenadapter an allen Steuerungskomponenten, wie beispielsweise Sicherungsautomaten, Motorschutzschalter, Hauptschalter und Leistungsschützen, einer Industrieanlage oder vergleichbaren Komponenten einer Hausinstallation und gestatten eine Anwendung für einphasige wie auch mehrphasige Wechselströme.
2. Die einfach gestaltete und problemlos durchführbare Installation ermöglicht eine sehr kurze Installationszeit, von unter 10 Minuten je Messpunkt, die es ermöglicht, installationsbedingte Produktionsausfälle möglichst gering zu halten.
3. Aufgrund der Verwendung der Stromsensoren, mittels derer jeweils unabhängige Datensätze der jeweils verschiedenen Phasen der Mehrphasenwechselströme aufgenommen werden können, sind Messdaten in einer Taktrate von bis zu 1000 Messwerten pro Sekunde erzielbar. Dies trägt maßgeblich zu einer erhöhten Präzision der durchgeführten Analyse des Energieverbrauchs der jeweiligen Komponente bei.
4. Die einfache Installation und die damit verbundene extrem kurze Installationszeit pro installiertem Messpunkt und die hohe Präzision der Datenaufnahme und Datenanalyse ermöglichen dem erfindungsgemäßen Energieanalysesystem sowohl flexibel, als Messsystem über kurze Zeiträume an verschiedenen Komponenten, als auch als ein ortsfest installiertes System verwendet zu werden, das über einen längeren Zeitraum kontinuierlich verlaufende Analysen eines einzelnen Anlagenteils oder einer vollständigen Produktionsanlage bereitstellt.
5. Durch die Verwendung des Stromversorgungskreislaufs der Produktionsanlage oder der Hausinstallation sowohl als Mess-, Signal- als auch Versorgungskreislauf des Messsystems werden für den Betrieb des Energieanalysesystems keine zusätzlichen externen Leistungsquellen beziehungsweise damit verbundene Verkabelungen zwecks Energieversorgung beziehungsweise Signalübertragung benötigt.
6. Die aufgenommenen Stromverbrauchsmessdaten können auf externen Recheneinheiten gespeichert, analysiert und interpretiert werden. Für die Analyse der Daten kann einfach programmierbare Analysesoftware verwendet werden und eine zeit- und personalintensive Programmiertätigkeit spezieller Bauteile zwecks Datenanalyse entfällt. Durch die Verwendung der Ethernet-Technologie kann eine zentralisierte Datenanalyse durchgeführt werden, bei der separate voneinander getrennte Anlagen zeitsynchron analysiert werden können.

Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Stromanschluss
3: Klemme
4: auf Stromnetz moduliertes Signal
5: Verarbeitungseinheit
6: Stromleitung
7: Neutral- und/oder Erdungsanschluss
8: Magnet
9: Anschlusskabel
10: Energiemess- und Übertragungsmodul
11: Stromnetz
12: Motor
13: Motorschutzschalter
14: Laptop
15: Ausleseeinheit
16: Stromanschluss
17: Ethernet-Anschluss
18: Schaltschranksteckdose
19: Rechner
20: Netzwerk
21: Anlage
22: Anlage
23: Anlage
24: Klemmschraube
100: Energieüberwachungssystem
101: System
N: Nullleiter
L1, L2, L3: Wechselstromphasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0310800 A1 [0008]
GB 2484142 A [0008]
WO 2013/119010 A1 [0008]

Claims

Energiemess- und Übertragungsmodul zur Anordnung in einer Stromleitung (6) und zur Messung der durch die Stromleitung geleiteten elektrischen Energie und Übermittlung von ermittelten Daten an eine Auswerteeinheit (14, 19), wobei das Energiemess- und Übertragungsmodul (10) ein Gehäuse (1) aufweist, an dem mindestens eine Klemme (3) zur Aufnahme einer Stromleitung, ein Neutral- und/oder Erdungsanschluss für den Anschluss an einen Nullleiter und/oder Schutzleiter und mindestens ein Stromanschluss (2) angeordnet sind, wobei eine Stromdurchführung zur Durchleitung des in der Stromleitung fließenden Stroms in dem Energiemess- und Übertragungsmodul von der Klemme (3) zum Stromanschluss (2) und umgekehrt angeordnet ist und der Stromanschluss derart ausgebildet ist, dass er an einem Sicherungsautomaten, einem Schutzschalter, einem Hauptschalter oder einem Schütz, die in der Stromleitung vorgesehen sind, angeordnet werden kann, wobei das Energiemess- und Übertragungsmodul eine Messeinheit zur Ermittlung der zwischen Klemme und Stromanschluss über die Stromdurchführung durchgeleiteten elektrischen Energie und eine Übertragungseinheit zur Übertragung von der Messeinheit ermittelten Daten über die am Energiemess- und Übertragungsmodul angeschlossene Stromleitung (6) mittels Powerline Communication aufweist.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemess- und Übertragungsmodul (10) mehrere Klemmen (3) und mehrere Stromanschlüsse (2) für mehrpolige Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter oder Schütze aufweist, wobei für jede Stromleitung, in die das Energiemess- und Übertragungsmodul mit einer Klemme und einem Stromanschluss zwischengeschaltet ist, das Energiemess- und Übertragungsmodul eine Messeinheit und eine Übertragungseinheit aufweist oder dieser funktional zugeordnet ist.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Stromanschlüsse (2) so beabstandet zueinander am Gehäuse (1) angeordnet sind, dass sie in die Aufnahmeöffnungen von Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter oder Schütze passen.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit ein oder mehrere Stromsensoren aufweist.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit einen Signalmodulator aufweist, mit dem die zu übertragenden Daten auf Strom- und/oder Spannungssignale der überwachten Stromleitung aufmoduliert werden können.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemess- und Übertragungsmodul einen Demodulator aufweist, mit dem Daten, die über Powerline Communication im Stromnetz übertragen werden, ausgelesen und in einem Computer lesbaren Format bereitgestellt werden können.
Energiemess- und Übertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neutral- und/oder Erdungsanschluss einen Magneten (8) und ein mit dem Magneten (8) elektrisch verbundenes Anschlusskabel (9) aufweist, welches vorzugsweise mit einer Klemmschraube an dem Energiemess- und Übertragungsmodul angeordnet ist, wobei der Magnet (8) zum Anschluss des Energiemess- und Übertragungsmoduls an einen Nullleiter und/oder Schutzleiter an diesen anheftbar ist.
System zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz (11) einer Industrieanlage oder eines Gebäudes mit einem oder mehreren Energiemess- und Übertragungsmodulen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe, die Sicherungsautomaten, Schutzschalter, Hauptschalter und Schütze umfasst, wobei mindestens ein Energiemess- und Übertragungsmodul an einer Komponente angeordnet ist, und mit mindestens einer Ausleseeinheit (15), die im Stromnetz angeordnet werden kann und einen Demodulator aufweist, mit dem Daten, die über Powerline Communication im Stromnetz übertragen werden, ausgelesen und in einem Computer lesbaren Format bereitgestellt werden können, sowie mit mindestens einem Computer (14, 19) und einer auf dem Computer ausführbaren Software, mit der eine Datenanalyse zum Energieverbrauch im überwachten Stromnetz durchführbar ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (15) einen Ethernet-Ausgang (17) umfasst, über den demodulierte Daten in einem entsprechenden Format ausgegeben werden können.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stromnetze (11) mit jeweils einer Ausleseeinheit (15), die über ein Netzwerk (20) mit einem Computer verbunden sind, mit einem einzigen Computer auswertbar sind.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mehrphasigen Wechselstromnetz jede Phase separat überwacht und die erfassten Daten separat, insbesondere über separate Ausleseeinheiten ausgelesen werden.
Verfahren zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes, bei welchem mindestens ein Energiemess- und Übertragungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder ein System zur Überwachung des Energieverbrauchs in mindestens einem Stromnetz einer Industrieanlage oder eines Gebäudes nach einem der Ansprüche 8 bis 11 verwendet werden.