Energiemonitoring per Funk oder Kabel bei Nachrüstungen

Wählen Sie den Datenweg für jeden Messpunkt einzeln. Wenn am Hauptanschluss bereits ein Modbus-Zähler an einem funktionierenden RS-485-Bus hängt, lesen Sie ihn dort aus. Hat eine drei Etagen entfernte Unterverteilung weder Zähler noch Kabelweg, erspart ein Funkzähler das Datenkabel, die Kabeltrasse und die Abschottung an jeder Geschossdecke.

Dieser Leitfaden gehört zur Reihe über Zähler und Stromwandler.

Drei Entscheidungen je Messpunkt

Legen Sie für jeden Messpunkt drei Dinge fest:

1. Messung. Welche Größe soll welches Messgerät oder welcher Sensor erfassen?
2. Stromversorgung. Versorgt sich das Gerät aus dem gemessenen Stromkreis, aus einer getrennten Versorgung oder aus einer Batterie?
3. Datenweg. Wie erreichen die Messwerte das Gateway: über Funk, RS-485, Ethernet oder einen Impulseingang?

Die Entscheidungen beeinflussen einander. Häufige Meldungen verbrauchen mehr Batterieenergie. Ein Zigbee-Endgerät leitet keinen Verkehr weiter; ein Gerät arbeitet nur als Router, wenn seine Implementierung diese Rolle unterstützt. Prüfen Sie Geräterolle und Meldegrenzen in der Spezifikation. Der Datenweg verändert die Messung nicht. Ihre Genauigkeit hängt von Zähler und Stromwandlern ab: beispielsweise Klasse 1 nach IEC 62053-21 oder Klasse 0.5S nach IEC 62053-22 für den Zähler sowie IEC 61869-2 für die Stromwandler. Viele Datenblätter nennen die Klasse nur für den Zähler; der Fehler der Stromwandler kommt hinzu.

Installationsaufwand vergleichen

Die Arbeiten an Zähler und Stromwandlern sind in beiden Spalten gleich. Der Unterschied ist das Datenkabel. Zählen Sie je Messpunkt Kabellänge und Trasse, Steigschächte oder Brandabschnittswände mit erforderlicher Abschottung, Switchport und IT-Freigabe bei einem Ethernet-Zähler, Arbeiten außerhalb der Nutzungszeiten im belegten Gebäude und Inbetriebnahmezeit.

Ein RS-485-Bus ist als Linie verdrahtet. Ein Kabel bedient bei 9.600 Baud mit AWG 26 oder dickerem Kabel über bis zu 1.000 m bis zu 32 Unit Loads (Modbus-Leitfaden für serielle Leitungen). Die Kosten der Kabelvariante steigen daher stärker mit dem Abstand zwischen Messpunkten als mit ihrer Anzahl. Auch M-Bus (EN 13757), der Zweidrahtbus vieler Wärme- und Wasserzähler, erlaubt mehrere Zähler an einem Kabel. Ethernet benötigt für jeden Zähler eine eigene Kabelstrecke und einen Switchport. Der Amortisationsrechner für Energiemonitoring stellt Hardware- und Installationskosten der erwarteten Einsparung gegenüber.

Das Netz passend zur Aufgabe wählen

Zigbee arbeitet bei 2,4 GHz. Alle Geräte eines Netzes teilen sich einen Kanal mit 250 kbit/s. Ein Bericht von etwa 60 Byte benötigt ungefähr 2 ms Sendezeit; mit Bestätigung und zufälliger Rückwartezeit kommen je Hop ungefähr 4 ms Kanalzeit hinzu. Bei 200 Zählern, die im Mittel über drei Hops jede Minute melden, belegt das Netz ungefähr 40 ms je Sekunde, also 4 % des Kanals. Bei Meldung alle 5 Sekunden benötigt dasselbe Netz etwa 48 %. In einem CSMA-CA-Netz gehen Frames lange vor vollständiger Kanalauslastung verloren. Lassen Sie die meisten Punkte höchstens einmal je Minute melden; kürzere Intervalle nur dort, wo die Analyse sie braucht. Netzversorgte Geräte leiten normalerweise Verkehr ihrer Nachbarn weiter; Batteriebetriebene Geräte arbeiten normalerweise als Endgeräte ohne Routing-Funktion. Das Mesh wächst daher mit der netzversorgten Installation und kann einen ausgefallenen Router umgehen. Stahl ist das größte Hindernis: Ein geschlossenes Stahlgehäuse mit dem Funkgerät darin kann die Verbindung vollständig blockieren.

LoRaWAN nutzt Sub-GHz-Bänder (in Europa 863 bis 870 MHz) mit Sterntopologie. Jedes Gerät sendet direkt an ein oder mehrere LoRaWAN-Gateways. Die Reichweite ist groß, die verfügbare Sendezeit knapp. Die üblichen EU868-Kanäle liegen in Teilbändern mit einer Begrenzung der Sendezeit auf 1 % nach ETSI EN 300 220-2. Ein Messwert mit 10 Byte Nutzdaten belegt bei SF7 ungefähr 62 ms, bei SF12 ungefähr 1,5 s Sendezeit. Diese Sendezeiten gelten bei 125 kHz Bandbreite, Coderate 4/5, acht Präambelsymbolen, explizitem Header, CRC und 13 Byte LoRaWAN-Overhead. Bei SF12 muss das Gerät danach etwa 147 s warten, bevor es im selben Teilband erneut sendet. Die öffentliche Sandbox von The Things Network begrenzt außerdem die Uplink-Sendezeit je Gerät auf 30 s täglich. Das entspricht bei SF12 ungefähr 20 Messwerten am Tag. Wählen Sie das Intervall anhand der tatsächlichen Funkeinstellungen, regionalen Grenzen und Netzregeln. Bei SF12 überschreitet selbst ein 15-Minuten- oder Stundenintervall das genannte Sandbox-Kontingent; das SF12/1%-Beispiel erlaubt keine Meldung jede Minute. Der Leitfaden zu Zigbee und LoRaWAN vergleicht beide genauer.

Ein abgefragter RS-485-Bus hat eine berechenbare ungünstigste Abfragedauer. Beispiel: 12 Zähler an einem Bus mit 9.600 Baud und gerader Parität, also 11 Bit je Zeichen. Der Master liest von jedem Zähler 20 Register mit einer Anfrage. Die Anfrage umfasst 8 Byte (9,2 ms), die Antwort 45 Byte (51,6 ms). Dazu kommen 20 ms Antwortverzögerung des Zählers und die Frame-Pause von 3,5 Zeichen (4,0 ms). Ein Austausch dauert ungefähr 85 ms, ein gesamter Busumlauf ungefähr 1,0 s. Bei 19.200 Baud sinkt der Umlauf auf etwa 0,63 s. Ein Zähler ohne Antwort kostet bei jedem Versuch den vollen Timeout: Mit 1 s Timeout und zwei Wiederholungen verlängert ein ausgefallener Zähler jeden Umlauf um 3 s. Der Modbus-RTU-Zeitbedarfsrechner berechnet dies für Ihren Bus. Der RS-485-Verdrahtungsleitfaden behandelt Abschluss, Bias und Adressierung.

Was bei Verbindungsverlust geschieht

Legen Sie für jeden Messpunkt fest, was die Daten bei einem Verbindungsverlust zeigen sollen.

Bei spät eintreffenden Daten muss das empfangende System drei Dinge prüfen: Es bewahrt die Messzeit statt der Ankunftszeit auf (Mess- und Ankunftszeit), entfernt Duplikate nach erneutem Versand aus einem Puffer und berechnet bereits veröffentlichte Intervallsummen neu.

Testen Sie jeden Fehlerfall am Pilotstandort: ein Gerät ausgeschaltet, ein Gateway-Neustart und eine Unterbrechung der vorgelagerten Verbindung über mehr als ein Meldeintervall. Dokumentieren Sie, was die Daten zeigen. Der Leitfaden zur Datenspeicherung erklärt den Unterschied zwischen einem lokalen Datensatz und einem zugestellten.

Sicherheit und Beitritt zum Netz

Zigbee 3.0 verschlüsselt den Netzverkehr mit AES-128 unter einem Netzwerkschlüssel. Ein neues Gerät kann nur beitreten, wenn das Netz Beitritte zulässt. Öffnen Sie den Beitritt für wenige Minuten, koppeln Sie ein Gerät, prüfen Sie seine Daten und schließen Sie den Beitritt wieder. LoRaWAN verwendet AES-128-Schlüssel. OTAA leitet Sitzungsschlüssel beim Beitritt ab; ABP stellt sie vorab bereit. Die Schlüsselrollen von Netzwerk- und Anwendungsserver unterscheiden sich. Klären Sie das Aktivierungsverfahren und wer die jeweiligen Schlüssel und Konten verwaltet. Modbus RTU hat weder Authentifizierung noch Verschlüsselung. Ein Gerät, das gültige Anfragen einspeisen kann, kann die vom Server unterstützten Lese- und Schreibzugriffe versuchen. Eingangsregister sind nur lesbar; Halteregister können beschreibbar sein, soweit das Gerät dies zulässt. Schützen Sie den physischen Zugang zu Kabel und Gateway.

Bei einer Funkstrecke im Freien ist Sichtverbindung nur ein Teil der Prüfung. Prüfen Sie die erste Fresnel-Zone um die direkte Verbindungslinie an der Hindernisposition. Geben Sie den Abstand zum Hindernis nach Berücksichtigung von Gelände und Erdkrümmung ein. Bewuchs, Reflexionen und Störungen müssen dennoch vor Ort geprüft werden.

Pilotanlage planen

1. Erfassen Sie jeden Messpunkt mit Messgröße, Stromversorgung, Datenweg und Meldeintervall.
2. Wählen Sie den schwierigsten Ort für den Piloten: Technikraum im Untergeschoss, metallverkleidete Verteilung oder entferntes Gebäude. Ein Pilot in einem offenen Büro zeigt nicht, wie das Mesh durch eine Kellerdecke oder ein geschlossenes Stahlgehäuse funktioniert.
3. Prüfen Sie die Funkverbindung an den tatsächlichen Gerätepositionen mit geschlossenen Verteilungstüren. IEEE 802.15.4 verlangt eine Empfängerempfindlichkeit bei 2,4 GHz von −85 dBm oder besser; viele heutige Chips erreichen ungefähr −100 dBm. Halten Sie mindestens 15 dB Abstand zwischen empfangenem Pegel und Empfindlichkeit des Chips, weil Türen, Menschen und gelagerte Ware sich bewegen. Link-Quality-Werte sind relativ und unterscheiden sich je Funkchip; akzeptieren Sie eine Verbindung nicht nach einer einzigen Messung. Zählen Sie über mindestens 24 Stunden bei endgültigem Meldeintervall empfangene gegen erwartete Meldungen.
4. Nehmen Sie jeden Messpunkt vom Leiter bis zum Bericht in Betrieb und prüfen Sie die obigen Fehlerfälle.
5. Halten Sie fest, was vor dem Rollout zu ändern ist und wer jede Änderung verantwortet. Der Leitfaden zur Auswahl eines Energiemonitoring-Systems macht daraus einen Anbietervergleich.

Die Inbetriebnahme-Checkliste nennt die aufzubewahrenden Nachweise.

Kabel und Funk mit EpiSensor verbinden

Das ZGW-20 Gateway betreibt Edge und führt beide Datenwege in einem System zusammen. Ein Gateway bindet 250 Funkgeräte ein. EpiSensor-Funkgeräte melden über sein Zigbee-Mesh. In Gebäuden können sie bis zu 50 m, im Freien bis zu 300 m voneinander entfernt sein. Jedes netzversorgte Gerät erschließt im Mittel ungefähr 1.000 m² Geschossfläche zusätzlich. Der ZEM Strommonitor ist nach IEC 62053-22 mit Klasse 0.5S für Zähler und Stromsensoren zusammen spezifiziert.

Edge liest kabelgebundene Modbus-Zähler über Modbus TCP oder RS-485 und fragt BACnet/IP-Geräte im Gebäudenetz ab. LoRaWAN-Sensoren erreichen Edge über einen LoRaWAN-Netzwerkserver. Ist ein kabelgebundener Zähler weit vom Gateway entfernt, liest ein ZMB Modbus Interface über einen kurzen lokalen RS-485-Strang bis zu 30 seiner Register ab und sendet sie per Mesh. Ein ZHM M-Bus Interface übernimmt dasselbe für einen kabelgebundenen M-Bus-Wärmezähler.