Kabel-M-Bus für Wärmezähler in Betrieb nehmen

Kabelgebundener M-Bus ist eine verbreitete Schnittstelle europäischer Wärme-, Wasser- und Gaszähler. EN 13757-2 beschreibt die physikalische und Sicherungsschicht; EN 13757-3 beschreibt die Anwendungsschicht mit den Messwerten. Der kostspieligste Inbetriebnahmefehler ist selten ein vollständig ausgefallener Bus. Häufiger wirkt ein Wert plausibel, stammt aber aus dem falschen Datensatz: etwa die zum letzten Stichtag gespeicherte Energie, die als aktueller Wert zugeordnet wurde.

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Funktionsweise eines kabelgebundenen M-Bus-Segments

Der Master sendet Daten, indem er die Busspannung umschaltet. Ein Mark (logische 1) liegt am Master zwischen 24 und 42 V, häufig bei 36 V. Ein Space (logische 0) liegt ungefähr 12 V darunter; bei einem 36-V-Master sinkt die Spannung also auf 24 V. Ein Zähler antwortet durch Änderung seiner Stromaufnahme. Im Ruhezustand zieht er höchstens 1,5 mA je Unit Load. Für einen Space erhöht er den Strom um 11 bis 20 mA. Einen Stromsprung über 50 mA wertet der Master als Kollision, wie sie bei zwei gleichzeitig antwortenden Zählern entsteht (OMS TR09, Abschnitte 2.6 und 2.7).

Der Bus bleibt in beiden Zuständen versorgt. Ein Zähler kann daraus die Energie für seine Kommunikation beziehen. Die Zähler werden parallel angeschlossen; die beiden Leiter sind nicht polarisiert. Stern- und Baumstrukturen sind zulässig, geschlossene Ringe und Abschlusswiderstände nicht.

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Die EpiSensor ZHM-M-Bus-Schnittstelle ist ein Master für einen einzelnen Zähler. Sie hat ein 2 m langes Anschlusskabel, unterstützt bis zu 1.000 m Leitung zum Zähler und fragt mit 300 bis 9600 Baud ab. Die Messwerte gehen über das Zigbee-Mesh zum Gateway. Bei nur einem Zähler gibt es kein Buslastbudget und keinen Adresskonflikt. Datensatzzuordnung, Displayabgleich und Fehlertests bleiben aber erforderlich. Bei einem gemeinsam genutzten Segment mit mehreren Zählern und einem Master sind alle folgenden Schritte nötig.

Segment inventarisieren

Erfassen Sie für jeden Zähler:

• Hersteller, Modell und Firmware, soweit angezeigt;
• die über den Bus ausgelesene Identifikationsnummer;
• die Unit Loads laut Datenblatt oder Typenschild (OMS verlangt die Angabe an beiden Stellen);
• Primäradresse und Baudrate;
• die benötigten Messwerte.

Die Sekundäradresse umfasst 8 Byte: eine achtstellige BCD-Identifikationsnummer, einen zwei Byte langen Herstellercode, ein Versionsbyte und ein Mediumbyte. Die Identifikationsnummer entspricht oft, aber nicht immer, der aufgedruckten Seriennummer. TR09 beschreibt zudem Zähler, deren Telegrammkopf eine andere ID enthält als die Adresse, unter der sie antworten. Erfassen Sie die ID, die der Master tatsächlich ausgelesen hat.

Führen Sie geplante Zähler in einer eigenen Spalte. Im Lastbudget müssen sie berücksichtigt werden, bei Adressprüfung und Anzahl entdeckter Geräte noch nicht.

Adressen prüfen

Primäradressen 1 bis 250 sind für Zähler vorgesehen. Viele Zähler werden mit Adresse 0 ausgeliefert; an einem neuen Bus können deshalb mehrere Geräte auf 0 antworten. Die Adressen 251 und 252 sind reserviert. Adresse 253 zeigt an, dass ein Zähler über seine Sekundäradresse ausgewählt wurde. Auf Adresse 254 antworten alle Zähler. An einem Bus mit mehreren Zählern entsteht dadurch eine Kollision; verwenden Sie sie nur bei einem einzelnen Zähler. Auf Adresse 255 antwortet kein Zähler. Zwei Geräte mit derselben Primäradresse antworten gleichzeitig: Der Master sieht eine Kollision oder einen Prüfsummenfehler statt einer gültigen Antwort.

Der Adressplaner findet doppelte und besondere Adressen in einer Liste. Hier ist Adresse 5 zweimal vergeben:

Mit Sekundäradressierung lassen sich doppelte Primäradressen umgehen. Der Master wählt einen Zähler anhand der vollständigen Sekundäradresse aus und liest ihn anschließend auf Adresse 253. Eine Wildcard-Suche grenzt unbekannte Zähler-IDs Ziffer für Ziffer ein. Laut TR09 dauert dies bei einem kleinen Bus weniger als 10 Minuten, bei einem großen Bus unter Umständen Stunden. OMS verlangt Unterstützung für Sekundäradressierung; ältere Zähler unterstützen sie möglicherweise nicht. Prüfen Sie das für jedes Modell, bevor Sie sich darauf verlassen.

Elektrische Reserven berechnen

Eine Unit Load (UL) entspricht 1,5 mA. EN 13757-2 erlaubt bis zu 4 UL je Zähler; Geräte mit 2 UL sind häufig. Addieren Sie die Unit Loads aller installierten und geplanten Zähler und vergleichen Sie die Summe mit der Nennkapazität des Masters.

Für die Leitung gelten zwei getrennte Grenzen. Der ohmsche Grenzwert ergibt sich aus dem Schleifenwiderstand zwischen Master und entferntestem Zähler. Der Ruhestrom des gesamten Busses verursacht über diesen Widerstand einen Spannungsabfall; TR09 erwartet an jedem Zähler mindestens 24 V DC. Die kapazitive Grenze richtet sich nach der Gesamtlänge sämtlicher Leitungen einschließlich Abzweigungen. Die OMS-Planungsgrenzen für die Gesamtkapazität betragen 1.000 nF bei 300 Baud, 400 nF bei 2400 Baud und 100 nF bei 9600 Baud. Jeder Zähler kann bis zu 0,5 nF beitragen. Ein Stern hält den ohmschen Weg kurz, verlängert aber die kapazitiv wirksame Gesamtleitung. Bei einer einzelnen Linie ist es umgekehrt.

TR09 empfiehlt J-Y(St)Y 2×2×0,8 mm: Leiterquerschnitt 0,5 mm², Widerstand 37 Ω/km je Leiter und Kapazität 100 nF/km. Die Schleife umfasst zwei Leiter. Bei 800 m bis zum entferntesten Zähler ergibt sich 0,8 × 2 × 37 = 59 Ω. LiYCY 2×1,5 mm² hat 13 Ω/km und 120 nF/km.

Beispiel: Ein Master im Technikraum ist für 60 UL ausgelegt und liefert 36 V bei Mark. Er versorgt 40 Zähler mit je 1 UL; weitere 10 UL sind für geplante Zähler reserviert. Der entfernteste Zähler liegt 800 m entfernt, die Leitungslänge mit Abzweigungen beträgt insgesamt 1,2 km. Der Ruhestrom beträgt 50 × 1,5 = 75 mA. Am entferntesten Zähler bleiben 36 − 0,075 × 59 = 31,6 V, also 7,6 V über dem 24-V-Ziel. Die Kapazität beträgt 1,2 × 100 + 40 × 0,5 = 140 nF. Das überschreitet die Grenze bei 9600 Baud, liegt bei 2400 Baud aber 260 nF darunter:

Tabelle 2 in TR09 passt dazu: Mit 50 Zählern an einer 0,5-mm²-Leitung sind bei 9600 Baud 1.000 m und bei 2400 Baud 2.000 m erreichbar. Die meisten Segmente laufen mit 2400 Baud. EN 13757-2 schreibt 300 Baud für Zähler vor; OMS verlangt sowohl 300 als auch 2400 Baud.

Geräteerkennung und Identität nachweisen

Stellen Sie den Master auf die Baudrate des Standorts ein. Schließen Sie zunächst einen bekannten Zähler an und ergänzen Sie dann Gruppen von fünf bis zehn. Führen Sie nach jeder Gruppe einen Scan aus und vergleichen Sie die Anzahl mit der Inventarliste.

Ein Lesevorgang beginnt mit SND_NKE, wodurch die Sicherungsschicht des Zählers zurückgesetzt wird. REQ_UD2 fordert Daten an; der Zähler antwortet mit einem langen RSP_UD-Frame. Kommt innerhalb von 330 Bitzeiten plus 50 ms keine Antwort, wiederholt der Master die Anfrage bis zu zweimal. Bei 2400 Baud wartet ein Versuch ungefähr 190 ms. Ein nicht antwortender Zähler verlängert damit jeden Abfragezyklus um etwa 0,6 s.

Typische Fehlerbilder:

• Die Zahl erkannter Geräte steigt nach dem Anschluss einer Gruppe nicht. Prüfen Sie doppelte Primäradressen und Zähler, die noch auf Adresse 0 stehen.
• Eine Adresse liefert Prüfsummen- oder Frame-Fehler. Wahrscheinlich teilen sich zwei Zähler diese Adresse.
• Ein Zähler antwortet bei 300, aber nicht bei 2400 Baud. Er erkennt die Baudrate nicht automatisch. Stellen Sie ihn über den Master oder das Zählermenü auf die Busbaudrate ein.
• Ein Zähler antwortet zunächst und wird dann stumm. Viele batteriebetriebene Wärmezähler begrenzen zur Schonung der Batterie die Anzahl der M-Bus-Auslesungen und pausieren danach (TR09, Abschnitt 2.12).
• Eine ganze Gruppe fehlt. Suchen Sie den Verdrahtungsfehler mit den Spannungs-, Strom- und Widerstandsprüfungen aus TR09, Abschnitt 4.

Fragen Sie nur so häufig ab, wie es die Messwerte erfordern. TR09 nennt tägliche Auslesungen für abrechnungsrelevante Wärme- und Wasserzähler und eine Auslesung pro Minute für Wärmezähler in Regelungsanwendungen. Pro Zähler dauert eine Abfrage bei 2400 Baud etwa 2 s, bei 300 Baud etwa 8 s. 40 Zähler bei 2400 Baud benötigen daher mindestens 80 s je Zyklus.

Dokumentieren Sie jeden Zählertausch. Ein Ersatzgerät hat eine andere ID und möglicherweise eine andere Datensatzstruktur; es braucht eine eigene Zuordnung.

Telegrammdatensätze zuordnen

Jeder Wert in einem RSP_UD-Telegramm ist ein Datensatz. Er beginnt mit dem Dateninformationsfeld DIF, möglichen Erweiterungen DIFE und dem Wertinformationsfeld VIF, gefolgt von den Daten. DIF beschreibt Datentyp und Länge, Funktion (Momentanwert, Maximum, Minimum oder Wert im Fehlerzustand) und das niedrigste Bit der Speichernummer. DIFE enthält die restlichen Bits der Speichernummer sowie Tarif und Untereinheit. VIF beschreibt Messgröße, Einheit und Dezimalmultiplikator.

Zwei Datensätze eines Wärmezählers zeigen, warum das wichtig ist:

Die Datensätze haben denselben VIF und unterscheiden sich nur durch ein Bit im DIF. Ein Messpunkt, der lediglich als „Energie in kWh“ ohne Speichernummer zugeordnet ist, könnte einen der beiden Werte übernehmen. Beide wirken plausibel. Auch der Multiplikator birgt Fehler: VIF 06 bedeutet kWh, VIF 07 bedeutet 10 kWh und VIF 0E bedeutet MJ. Wer VIF ignoriert, kann um den Faktor 10 oder 3,6 danebenliegen. Bei einem kombinierten Wärme- und Kältezähler liegt Kälteenergie gewöhnlich als zweiter Energiedatensatz mit gleichem VIF vor; Tarif oder Untereinheit im DIFE unterscheiden ihn. Die M-Bus-Telegrammbeschreibung des Herstellers legt die genaue Zuordnung fest.

Erfassen Sie für jeden Wert Einheit und Multiplikator, Speichernummer, Tarif, Untereinheit und Funktion. Das Abnahmeprotokoll enthält dafür je eine Spalte.

Mit der Zähleranzeige abgleichen

Bei einem Wärmezähler ist dessen Rechenwerk die Referenz. Es verwendet ein aufeinander abgestimmtes Temperatursensorpaar, einen Durchflusssensor und die konfigurierten Eigenschaften des Mediums. Lesen Sie Energie, Volumen und Temperaturen am Display ab und vergleichen Sie die Werte aus derselben Abfrage.

Berücksichtigen Sie die Auflösung des Displays. Zeigt es 48,325 MWh und sendet das Telegramm 48 325 kWh, stimmen die Werte überein. Ein Display mit ganzen MWh kann um bis zu 1 MWh vom Telegramm abweichen und dennoch korrekt sein. Andere Abweichungen deuten auf eine falsche Zuordnung oder einen Multiplikatorfehler. Prüfen Sie auch den Registerüberlauf: Ein achtstelliges BCD-Register springt von 99 999 999 auf 0. Der Datenweg muss einen Überlauf erfassen, keinen Reset.

Eine Überschlagsrechnung aus Durchfluss und Temperaturdifferenz deckt Einheiten-, Vorzeichen- und Größenordnungsfehler im Leistungsdatensatz auf. Wärmeleistung ist Massenstrom × spezifische Wärmekapazität × Temperaturdifferenz. Bei 10 m³/h, 70 °C Vorlauf und 50 °C Rücklauf beträgt der Massenstrom 10 × 977,8 ÷ 3600 = 2,716 kg/s. Die Leistung ist 2,716 × 4,19 × 20 = 227,6 kW:

Bei gleichmäßigem Durchfluss sollte der Leistungswert des Zählers bis auf wenige Prozent übereinstimmen, da der Zähler Dichte und Wärmekapazität bei den gemessenen Temperaturen selbst berücksichtigt. Eine Abweichung um Faktor 10 oder 1.000 weist auf den VIF-Multiplikator hin; Faktor 3,6 auf eine Verwechslung von kWh und MJ. Negative Leistung oder eine Rücklauftemperatur oberhalb der Vorlauftemperatur deutet häufig auf vertauschte Temperatursensoren oder eine Zuordnung von Kälte- statt Wärmeenergie hin. Dies prüft den Datenweg. Für die Abrechnung bleibt das zugelassene Energieregister des Zählers maßgeblich.

Fehler- und Aktualitätsprüfungen

Stimmen Sie die Prüfungen vorab mit dem Standort ab, da sie Messwerte unterbrechen. Führen Sie dann Folgendes durch:

1. Trennen Sie einen Zähler vom Bus. Nur dessen Werte werden veraltet; der Master fragt die übrigen weiterhin im normalen Intervall ab.
2. Unterbrechen Sie die Versorgung des Masters für einen bekannten Zeitraum und stellen Sie sie wieder her. Kumulierte Zählerstände setzen an ihren letzten Werten fort; kein Messwert wird doppelt erfasst.
3. Unterbrechen Sie bei einem ZHM für einen bekannten Zeitraum die Verbindung zum Gateway. Der ZHM protokolliert bis zu 70.000 Messwerte im Flash. Prüfen Sie nach Wiederherstellung der Verbindung, ob die Werte des Intervalls mit ihren ursprünglichen Zeitstempeln eintreffen.
4. Vergleichen Sie Datum und Uhrzeit des Zählers (VIF 6D) mit dem erfassten Zeitstempel und dokumentieren Sie die Abweichung. Ein gespeicherter Stichtagswert verwendet die Uhr des Zählers, nicht die des Gateway.
5. Prüfen Sie, dass veraltete Werte nicht als aktuell erscheinen und jede Warnung erst nach Rückkehr gültiger Daten verschwindet.

Abnahmeprotokoll

Führen Sie je Segment ein Protokoll. Die Vorlage zum Herunterladen enthält diese Felder; die Beispiele stammen aus dem Segment mit 40 Zählern:

Wiederholen Sie die Prüfungen nach einem Zählertausch, einer Änderung am Bus oder einer Änderung von Firmware oder Dekodierung des Masters. Lesen Sie anschließend die Anwendungsanleitung für kabelgebundenen M-Bus oder stellen Sie aus der Zählerliste ein System zusammen.