Wenn man den CO2-Ausstoß durch Energieeinsparungen senken will, dann sind intelligente Systeme erforderlich.

Bild: STV Electronic; iStock, Warchi

Ressourcenschonend steuern Digitalisierung von Stromzählern

15.11.2022

Das Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende regelt, wann wer welche Art von digitalen Stromzählern einsetzen muss. Bei der Digitalisierung von Stromzählern geht es aber um deutlich mehr, als nur diese gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen.

Um die Energieeinsparungen zu bewerkstelligen, die für die Senkung des CO2 Ausstoßes erforderlich sind, sind neben mehr energieeffizienten Bauten und leistungsfähigerer Energieerzeugung vor allem intelligente Systeme erforderlich, die den Verbrauch ressourcenschonend steuern. Die Überlegungen, Verbrauche transparenter zu machen, haben zudem dazu geführt, dass mehr Messstellen per Gesetz digitalisiert werden.

Digitalisierung von Messstellen

Schaut man nun genauer, was diese neuen gesetzeskonformen Zähler leisten, dann sind sie durchaus hilfreich, den eigenen Verbrauch besser kennenzulernen. Sie können Verbrauchern, die mehr als 10.000 kWh nicht nur tages-, wochen-, monats- und jahresgenau sondern auf 15 Minuten genau mitteilen, wie viel Strom verbraucht wurde – und das bis zu zwei Jahre im Rückblick. Das ist schon beachtlich.

Nur alle 15 Minuten zu messen reicht jedoch nicht für jeden Anwendungsfall. Zudem wollen Betreiber sicherlich nicht den Aufpreis für solche gesetzeskonformen smarten Meter zahlen, wenn alternativ Verbrauchszähler verfügbar sind, die deutlich weniger kosten und dafür Daten in deutlich kürzeren Messintervallen liefern können.

Insofern kommt hinter der offiziellen Messstelle in der Verteilung, dem sogenannten Submeterbereich, ganz andere Technologie zur Erfassung der Verbrauchswerte zum Einsatz. Das ist auch nichts verwunderlich, denn bereits vor dem Digitalisierungsgesetz hat es den großen Markt für Submeter gegeben, die sich – geeicht oder nicht geeicht – einfach dadurch unterscheiden, dass sie eben nicht als offizielle Messstelle zum Einsatz kommen.

Zähler mit M-Bus Schnittstelle führend

Den größten Marktanteil der Submeter, deren Verbrauchsdaten sich auch schon früher fernauslesen ließen, haben sich dabei Zähler erobert, die eine M-Bus Schnittstelle haben. Sie ermöglichen es seit vielen Jahren, Zählerdaten in kurzen Zeitintervallen über eine einfache Zweidrahtleitung abzufragen. Die Installation solcher „Klingeldrähte“ ist kostengünstig und der Anschluss sogar verpolungssicher, was die Installation sehr einfach macht. Der Strom für die Elektronik im Zähler wird zudem direkt über den Bus mitgeliefert.

Es gibt folglich wenige Gründe, eine solche Technik zu ändern. Dennoch sind Zähler mit einer M-Bus-Anbindung noch lange keine digitalisierten Zähler mit Ethernetanschluss und eigenem Webserver. Auch schreiben sich ihre Daten nicht mal so eben in eine Cloud. Oft versteckt sich der M-Bus noch hinter zahlreicher übergeordneter Technik; residiert in der Automatisierungspyramide also ganz weit unten in der sogenannten Feldebene.

In größeren Heizungsanlagen kommt er beispielsweise auch ausschließlich zum internen Gebrauch zum Einsatz. Daten vom M-Bus Zähler bis zur Cloud zu bringen war deshalb bislang nicht mal „so eben“ umsetzbar.

Blickt man von den Zählern aus auf den M-Bus, ist dieser am anderen Ende der Leitung mit einem M-Bus Master zu verbinden. Dieser wurde klassischer Weise wiederum über serielle Schnittstelle an ein Fernwirkgerät angeschlossen, das eine spezielle Kommunikationsbaugruppe beinhalten musste, um den M-Bus Master anbinden zu können.

Erst dann konnte das Fernwirkgerät über ein Fernwirkprotokoll auf ein Leitsystem aufschalten, um anschließend über eine Datenschnittstelle die Daten für die sonstige Datenverarbeitung bereitzustellen. So findet man es zumindest beim Wikipedia-Schema für die Integration einer Zählerfernauslesung in Fernwirksysteme.

Nahtlose Wege in die Cloud erwünscht

Im Zeitalter der Digitalisierung erscheint ein solcher Weg jedoch extrem komplex und viel zu aufwendig. Es gibt zahlreiche Schnittstellen und Kommunikationskanäle, die es zu überwinden gilt. Doch es geht auch einfacher. Zwar gibt es bis heute noch keine Zähler, die beispielsweise über Zweidraht-Ethernet direkt IP sprechen können, aber bestehende M-Bus Netze können heute vergleichsweise einfach angezapft werden mit Produkten, die Daten aus dem M-Bus abzweigen können. Man nennt diese Produkte Splitter.

Möchten Kunden nun Daten aus dem M-Bus in einer übergeordneten Steuerung, Datenbank oder App nutzen, muss die M-Bus Leitung lediglich aufgetrennt werden und schon kann man den M-Bus Splitter in das Netz einfügen, um Daten parallel über die IP-Schnittstelle abzufragen und zu nutzen. Beispielsweise für Predictive Maintenance Zwecke, zum Verbrauchsmonitoring im Rahmen von Energiemanagementsystemen (DIN EN ISO 50001), zur Verbesserung des Lastmanagements, zur verbrauchsabhängigen Abrechnung oder einfach nur zur Visualisierung.

Ethernet-Schnittstellen für den M-Bus

Die Inbetriebnahme solcher M-Bus Splitters gestaltet sich sehr einfach: Im Auslieferungszustand bezieht der Splitter seine IP-Adresse eigenständig über DHCP und konfiguriert sich selbst. Über seine Website lässt er sich danach ohne Einsatz von Spezialsoftware bedarfsgerecht konfigurieren und optional mit einem Passwort schützen. Die Abfrage der Zähler ist dann in extrem engen Zeitintervallen von beispielsweise einer Sekunde möglich, sodass auch übergeordnete Klima-, Lüftungs- und Gebäudesteuerungen Daten von M-Bus Geräten nutzen können.

Dies können neben Zählerständen von Strom-, Gas-, Wasser und Fernwärmezählern übrigens auch Temperatursensoren, Schalter, Leistungsregler oder Pumpen und Ventile sein, denn auch diese gibt es mit M-Bus Schnittstelle. Sollen Daten digitalisiert werden, muss man folglich nicht mehr die konventionellen, sehr komplexen Wege gehen, denn die Ethernetschnittstelle kann quasi direkt am M-Bus integriert werden.

Will man in neuen Installationen den bislang zum Einsatz kommenden dedizierten M-Bus Master sparen, der an das Fernwirkgerät angebunden wurde, gibt es ebenfalls Alternativen. Hier nennt sich die Lösung dann Pegelwandler. Neue Lösungen dieser Art bieten neben serieller Schnittstelle und Feldbussen wie Modbus oder Bacnet parallel auch Ethernet oder USB Anbindung.

Die lokale M-Bus Master Logik wandert in solchen Lösungen als Software komplett in die lokale Steuerung. Über Ethernet können parallel weitere M-Bus Master angebunden werden. Der Weg von M-Bus zur Ethernetanbindung und damit zur durchgängigen Verwendung von Internettechnologien ist deshalb mit entweder Splittern oder Pegelwandlern vergleichsweise einfach umsetzbar.

Auch für offizielle Fernauslesung geeignet

Praktischer Zusatznutzen für viele Anwender von M-Bus basierten Zählen im Submeterbereich ist übrigens auch die Tatsache, dass man sie auch in Smart-Meter Installationen einsetzen kann, denn M-Bus-Zähler können im Open Metering System (OMS) eingesetzt werden, das über alle Ebenen vom Versorger über DIN EN ISO 50001 konforme Energiemanagementsystemen in der Industrie bis hin zu Submetering und zur privaten Home- und Building Automation eingesetzt werden kann.

Der OMS-Standard zur Fernauslesung von Zählerständen ist europaweit die einzige offene System- und Kommunikationsspezifikation, der alle Informationen der verschiedenen Verbrauchsdaten vereinheitlicht. Ergo können die Pegelwandler und Splitter grundsätzlich auch von Messstellenbetreibern wie zum Beispiel Stadtwerken genutzt werden.

Für technische Gebäudeausrüstung auf Basis der M-Bus Technologie wurden damit alle Voraussetzungen geschaffen, neuste Digitalisierungstrends ohne Umwege aufgreifen zu können, um das Zusammenspiel der technischen Gewerke noch weiter zu optimieren und für alle am Bau Beteiligten neue Mehrwerte zu schaffen. Bestehende Investitionen in den M-Bus sind damit auch morgen noch zukunftssicher.

Basiswissen zum M-Bus

Die Kommunikation im M-Bus läuft, wie bei den meisten Feldbussen, nach dem Master-Slave-Prinzip, wobei die Datenübermittlung vom M-Bus-Master zu den M-Bus-Slaves etwa Stromzählern unidirektional durch Modulation der am Feldbus anliegenden Ruhespannung (36 V) erreicht wird. Die binäre Codierung erfolgt dabei durch temporäre Absenkung der Ruhespannung von 36 auf 24 V.

Zur Datenübertragung in die Gegenrichtung, also beispielsweise zur Übermittlung des aktuellen Zählerstandes an den M-Bus-Master, codiert der Slave durch Modulation seiner M-Bus-Standardlast von 1,5 mA, die dazu temporär auf 12,5 mA erhöht wird. Die im M-Bus realisierbaren Datenraten liegen zwischen 300 und 38.400 Baud (Bit/s), was sowohl zur digitalen Übertragung exakter Messwerte wie zum Beispiel Zählerstände als auch für einfache Steuerungsvorgänge absolut ausreichend ist.

Bildergalerie

  • Der Nutzen der IP-basierten Digitalisierung von Zählern im Überblick

    Der Nutzen der IP-basierten Digitalisierung von Zählern im Überblick

    Bild: STV Electronic

  • Pegelwandler und Splitter können in jeden Schaltschank montiert werden. Je nach Auslegung können sie in Netzen mit bis zu 16, 32, 64 oder 128 M-Bus-Geräten zum Einsatz kommen.

    Pegelwandler und Splitter können in jeden Schaltschank montiert werden. Je nach Auslegung können sie in Netzen mit bis zu 16, 32, 64 oder 128 M-Bus-Geräten zum Einsatz kommen.

    Bild: STV Electronic

  • Der M-Bus im Detail

    Der M-Bus im Detail

    Bild: STV Electronic

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