Lesezeit ca. 8 Min.
arrow_back

Smarter gemessen


Logo von Raspberry Pi Geek
Raspberry Pi Geek - epaper ⋅ Ausgabe 4/2022 vom 03.02.2022

IO-Broker (6)

Artikelbild für den Artikel "Smarter gemessen" aus der Ausgabe 4/2022 von Raspberry Pi Geek. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Raspberry Pi Geek, Ausgabe 4/2022

Den Energiebedarf in Gebäuden zu messen ist an sich nichts Neues. Jeder weiß, wo in der Wohnung oder dem Eigenheim der Stromzähler hängt, und daher kennen die meisten den ungefähren Verbrauch pro Jahr. Allerdings werden diese Werte in der Regel über ein komplettes Gebäude erfasst. Dazu kommt, dass der zeitliche Zusammenhang vollkommen fehlt. Es ist also schwierig, genau zu sagen, welche Geräte im und rund um die Immobilie wann den meisten Strom verbrauchen.

Optimal wäre es, wenn die Daten pro Stromkreis vorlägen. Dazu brauchen Sie ein passendes Messgerät, und mit dem ergibt sich bereits ein weiteres Problem: Üblicherweise bieten Verteilerschränke nur begrenzt Platz, um zusätzliche Komponenten zu verbauen. Eine Möglichkeit, dieses Problem in den Griff zu bekommen, bieten die Geräte der Sentron-Reihe von Siemens . Sie bringen den Vorteil mit, dass sie per Modbus-TCP mit IO-Broker ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 9,99€
NEWS Jetzt gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Raspberry Pi Geek. Alle Rechte vorbehalten.
Lesen Sie jetzt diesen Artikel und viele weitere spannende Reportagen, Interviews, Hintergrundberichte, Kommentare und mehr aus über 1050 Magazinen und Zeitungen. Mit der Zeitschriften-Flatrate NEWS von United Kiosk können Sie nicht nur in den aktuellen Ausgaben, sondern auch in Sonderheften und im umfassenden Archiv der Titel stöbern und nach Ihren Themen und Interessensgebieten suchen. Neben der großen Auswahl und dem einfachen Zugriff auf das aktuelle Wissen der Welt profitieren Sie unter anderem von diesen fünf Vorteilen:

  • Schwerpunkt auf deutschsprachige Magazine
  • Papier sparen & Umwelt schonen
  • Nur bei uns: Leselisten (wie Playlists)
  • Zertifizierte Sicherheit
  • Freundlicher Service
Erfahren Sie hier mehr über United Kiosk NEWS.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 4/2022 von Mehr Auswahl in Sicht. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Mehr Auswahl in Sicht
Titelbild der Ausgabe 4/2022 von Security-Berater. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Security-Berater
Titelbild der Ausgabe 4/2022 von Platzwart Mit. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Platzwart Mit
Titelbild der Ausgabe 4/2022 von Bootstick. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Bootstick
Mehr Lesetipps
Blättern im Magazin
Dialogbereit
Vorheriger Artikel
Dialogbereit
README
Nächster Artikel
README
Mehr Lesetipps

... sprechen. Wollen Sie sich einen Überblick über die Möglichkeiten der Siemens-Geräte verschaffen, bietet sich dazu unter anderem Youtube als Informationsquelle an.

Schutzschalter

Bei den Geräten handelt es sich um Schutzschalter für Elektroinstallationen, die eine Funktion zum Messen sowie die Möglichkeit zur Kommunikation nach außen mitbringen. Sie selbst belegen nur wenig Platz im Verteilerkasten, dasselbe gilt für die Kommunikationseinheit. Ein Nachrüsten bestehender Installationen stellt also kein Problem dar.

README

Moderne Messgeräte helfen dabei, den Verbrauch in Stromkreisen zu ermitteln. Mit dem IO-Broker auf einem Raspberry Pi und einem robusten Protokoll führen Sie die Werte an einer zentralen Stelle zusammen.

Modbus

Das Modbus-Protokoll ist ein in der Automationstechnik weitverbreitetes Verfahren, mit dem Anlagen, Steuerungen, Sensoren und Aktoren untereinander kommunizieren. Üblicherweise geschieht das über die gute alte RS485-Schnittstelle und traditionelle Kupferadern. Es gibt aber auch Implementierungen, die TCP/​IP zum Übertragen der Daten verwenden. Das Protokoll arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Es gibt einen Busmaster, der bis zu 246 Slaves steuert. Die Adressen 1 bis 247 stehen dabei für die Slaves bereit. Die Adresse 0 dient als Broadcast-Adresse, die übrigen bleiben für den Busmaster reserviert. Zum Sichern der einzelnen Datenpakete kommen beim leitungsgebundenen Modbus CRC-Checksummen zum Einsatz. Bei Modbus-TCP hingegen übernimmt die Sicherungsschicht des TCP-Stacks diese Aufgabe. Die Modbus-Geräte verfügen über interne Register, die unterschiedliche Funktionen erfüllen (siehe Tabelle Übersicht). Detaillierte Informationen und Beschreibungen der Protokolle finden Sie auf der Modbus-Webseite .

Weitere Infos und interessante Links

www.raspi-geek.de/qr/47152

Durch den Einsatz der Hardware lassen sich alle Schaltkreise in einem Gebäude oder einer Wohnung einzeln überwachen. Neben der Früherkennung von Fehlern erlaubt das auch Funktionen wie Betriebsstundenzähler, Funktionsüberwachung und Lastmanagement. Unter Umständen erkennen Sie auf diese Weise auch den Grund für eine unerwartete Abschaltung, also etwa einen Kurzschluss, Überlast oder einfach manuelles Abschalten durch eine andere Person.

Für das Projekt dient das Siemens 7KN11100MC00 Powercenter 1000 (POC 1000 ) als Schnittstelle zu den Geräten sowie zum Sammeln der Messwerte und Informationen. Es kostet rund 180 Euro und benötigt im Schaltschrank nur den Platz eines Leitungsschutzschalters. Sie können dann bis zu 24 Messund Steuerungsgeräte damit koppeln. Es speichert die Messwerte der Komponenten für 30 Tage. Mittels Modbus-TCP holen Sie die Daten bei Bedarf via IO-Broker ab und verarbeiten sie weiter. Der Kasten Modbus beschreibt, wie das Protokoll für Hausautomation arbeitet.

Testaufbau

Im Beispiel kommt die IO-Broker-Installation aus dem ersten Teil dieser Reihe zum Einsatz . Da die Kommunikation über Modbus-TCP läuft, braucht der Aufbau nicht in der Nähe des Mini-Rechners zu stehen. Wie erwähnt läuft die Kommunikation über das POC 1000, mit dem wir zwei Leitungsschutzschalter sowie einen Hilfs-und Fehlersignalschalter koppeln. Der Hilfskontakt kommt zum Einsatz, um einen FI-Schutzschalter zu überwachen.

An die zwei Leitungsschutzschalter schließen wir je eine Glühlampe mit Schalter an, um Verbraucher zu simulieren, indem wir die Lampen ein- und wieder ausschalten. Beim Autor kamen LED-Lampen zum Einsatz, die einen recht geringen Stromverbrauch haben. Das ist für die Sentron-Geräte jedoch kein Problem, weil sie selbst kleine Ströme exakt messen. Die Werte fallen dadurch allerdings recht niedrig aus.

Die komplette Installation der Geräte kann via Smartphone erfolgen. Hilfe zum Setup finden Sie in zwei Videos. Das erste beschreibt, wie Sie das POC 1000 mit der Sentron-App verbinden . Im zweiten erfahren Sie, wie Sie zusätzliche Geräte mit dem POC 1000 koppeln . Beim Setup hilft es, die QR-Codes jener Geräte abzudecken, die Sie gerade nicht einrichten. Sonst passiert es unter Umständen, dass Sie unabsichtlich den falschen Code einlesen. Die einzelnen Module sind meist dicht beieinander auf einer Hutschiene montiert 1 .

Kommunikation

Jetzt ist die Zeitpunkt gekommen, um sich ein wenig intensiver mit der Modbus-Schnittstelle des POC 1000 zu beschäftigen. Zunächst brauchen Sie ein Werkzeug, um die Kommunikation über Modbus aufzubauen. Aus der Menge der möglichen Kandidaten hat sich der Autor für das Tool Modpoll entschieden. Das kostenfreie Programm deckt fast alle Aspekte des Protokolls ab und steht für alle gängigen Betriebssysteme bereit. Da es sich bei Modpoll um eine Kommandozeilenanwendung handelt, kommen Sie ohne lästiges Herumgeklicke ans Ziel.

Mit modpoll ‐h erhalten Sie einen Überblick über die Funktionen des Werkzeugs. Modpoll unterstützt nicht alle Datentypen, die die Sentron-Geräte verwenden. Daher lassen sich manche Register nicht auslesen, insbesondere die 64-Bit-Typen. Für einen ersten Test spielt das aber keine Rolle. Es geht vor allem darum, das Modbus-Protokoll und die Hardware kennenzulernen.

Bei Modbus gibt es für jedes Gerät am Bus eine eindeutige Adresse. Die Adresse des POC 1000 lautet 255, weil es die Rolle des Busmasters hat. Die weiteren, mit dem zentralen Punkt gekoppelten Geräte haben die Adressen 1 bis 24. Die Adresse 0 dient als Broadcast. Bei Modpoll übergeben Sie mit der Option ‐a die Adresse ans Gerät.

In jedem Gerät gibt es eine bestimmte Anzahl Register zum Lesen oder Schreiben. Die Anzahl und die Bedeutung der Register unterscheidet sich von Gerät zu Gerät. Das zu verwendende Register übergeben Sie via Modpoll mit der Option ‐r an die Hardware. Den Datentyp, den Sie für den Inhalt des Registers verwenden wollen, legen Sie mit der Option -t fest. Eine Übersicht der Register für alle Sentron-Geräte findet Sie im Handbuch , das außerdem beschreibt, welche Datentypen und Inhalte die einzelnen Register haben.

Jetzt kommen wir zu den zwei wirklich interessanten Optionen ‐f und ‐i. Wenn Sie Datenworte (16 und mehr Bit) über ein Medium transferieren, das nur Bytes (8 Bit) übertragen kann, müssen Sie sich entscheiden, ob Sie zuerst das höherwertige Byte (Big-Endian) oder zuerst das niederwertige Byte (Little-Endian) senden oder lesen. In der Voreinstellung arbeitet Modpoll im Little-Endian-Modus. Um auf Big-Endian umzustellen, nutzen Sie für Integer-Werte (Ganzzahlen) die Option ‐i und für Float-Werte (Gleitkommazahlen) die Option ‐f. Mit der Option ‐m geben Sie an, welchen Modus Sie zum Übertragen der Daten verwenden wollen, im vorliegenden Fall ist es TCP.

Standardmäßig liest die Software immer nur ein Register aus. Mit der Option ‐c teilen Sie dem Programm mit, wie vie-le Folgeregister Sie zusätzlich auslesen wollen. Normalerweise liest das Tool die Werte im Sekundentakt aus. Benötigen Sie dagegen nur einen Wert, verwenden Sie ‐1 als Option.

Blindleistung: Blindleistung entsteht, wenn Verbraucher die Phasenlage zwischen Strom und Spannung verschieben. Das ist bei Spulen und Kondensatoren der Fall. Da dies im Stromnetz zu Problemen führt, versucht man die Blindleistung nach Möglichkeit immer auf null zu kompensieren.

Damit sind die Grundlagen klar und es geht daran, erste Werte aus dem POC 1000 und den gekoppelten Geräten auszulesen. In Listing 1 sehen Sie einige Kommandos, die bestimmte Werte liefern. Beachten Sie, dass wir zur besseren Übersicht die Antworten von Modpoll gekürzt haben und die konkreten Messwerte vom Aufbau abhängen. Verwenden Sie in Ihrem Setup die IP-Adresse, die der DHCP-Server dem POC 1000 zugewiesen hat.

Mit dem Kommando in Zeile 11 lesen Sie beispielsweise den Status des Hilfsschalters aus. Die Tabelle Statuswerte fasst die möglichen Zustände zusammen. Das letzte Kommando in Zeile 14 verdient besondere Aufmerksamkeit: Es liest mehrere Werte aus dem Leitungsschutzschalter aus. Damit sehen Sie nicht nur Strom, Spannung und Wirkleistung, sondern außerdem die Blindleistung. Die Tabelle Register zeigt, welches Register welchem Messwert entspricht.

Wir haben hier beispielhaft einige einfache Zugriffe auf die Geräte gezeigt. Wenn Sie sich intensiver mit der Materie beschäftigen wollen, finden Sie im 114 Seiten starken Sentron-Systemhandbuch weitere interessante Funktionen.

Kontakt

Es gibt für die Sentron-Geräte keinen dedizierten IO-Broker-Adapter. Das ist aber kein Problem, weil Sie die Werte mit Modbus-TCP auslesen. Sie installieren also im IO-Broker den für das Protokoll passenden Adapter und konfigurieren ihn entsprechend. Klicken Sie dazu auf Adapter und suchen Sie nach der Zeichenkette „modbus“. Als Ergebnis der Suche sehen Sie zwei Adapter 2 . Installieren Sie den ersten der beiden. Nur die IT-Götter wissen, warum hier ein zweiter Eintrag im Ergebnis auftaucht.

Nach der Installation des Adapters öffnet sich automatisch der Dialog mit den Einstellungen der Instanz. In Reiter ALLGEMEIN tragen Sie die IP-Adresse des POC 1000 ein und ändern den Typ auf Master. Zusätzlich aktivieren Sie Mehrere Geräte-IDs und setzen die Geräte-ID auf 254, um Kollisionen mit den Adressen der Slaves zu vermeiden. Alle übrigen Einstellungen belassen Sie bei den Vorgaben 3 .

Wechseln Sie zum Reiter EINGANGSRE- GISTER. Hier fügen Sie die Register hinzu, die Sie via IO-Broker aus dem POC 1000 auslesen wollen. Jede Zeile, die Sie hier hinzufügen, erzeugt im Objektbaum von IO-Broker einen Eintrag. Das Hinzufügen von Zeilen starten Sie mit dem kleinen Pluszeichen links über der Tabelle.

Jetzt wird es etwas verwirrend: Die Register heißen in diesem Interface Adressen und haben zu allem Überfluss auch noch einen Offset von 30 000. Sie müssen also zu jeder Adresse aus dem Systemhandbuch für die Sentron-Geräte diesen Wert addieren. Die Slave-ID entspricht der Slave-Adresse. Im Handbuch hat dieser Wert allerdings die Bezeichnung Unit-ID, was zusätzlich Verwirrung stiftet. Die restlichen Spalten der Tabelle fallen selbsterklärend aus.

Es lohnt sich aber, noch einen Blick auf die Spalte Typ zu werfen, in der Sie den Datentyp des eingelesenen Werts festlegen. Es stehen erheblich mehr Typen zur Auswahl als bei Modpoll. Mit dem Adapter können Sie alle Werte (auch die 64-Bit-Datentypen) aus dem POC 1000 auslesen. Fügen Sie nun die Zeilen in die Tabelle ein, die Sie aus dem Sentron auslesen möchten. Abbildung 4 zeigt als Beispiel eine ausgefüllte Tabelle für die Eingangsregister.

Sobald Sie auf SPEICHERN UND SCHLIESSEN klicken, sollte die Instanz automatisch neu starten. Das führt dazu, dass die Software die Objekte im Baum anlegt 5 5 . Es kommt vor, das Objekte im Baum vorhanden sind, die Sie in den Instanzeinstellungen gelöscht haben. In diesem Fall stoppen Sie die Instanz, löschen den Ast modbus aus dem Objektbaum und starten die Instanz neu. Damit legt der Broker alle Objekte frisch an.

Sobald die Objekte im Baum vorhanden sind, lassen sie sich wie gewohnt mit verschiedenen Tools weiterverarbeiten. Um das Projekt abzurunden, wäre es etwa möglich, mit der im Teil 4 dieser Reihe vorgestellten Visualisierung ein Frontend zu bauen, um die Messwerte übersichtlich anzuzeigen. Sie können aber auch ein Skript verwenden, um auf eine bestimmte Situation zu reagieren. IO-Broker bietet hier eine große Anzahl von Möglichkeiten.

Fazit

Mit den Geräten der Sentron-Familie schaffen Sie Transparenz beim Stromverbrauch in Gebäuden oder Anlagen. Das hilft bei der Optimierung und Wartung. Angesichts der vielen Funktionen und damit verbundenen Möglichkeiten erscheint der Preis für die Siemens-Komponenten gerechtfertigt.

Mit IO-Broker lesen Sie die Geräte über die Modbus-Schnittstelle aus. Dabei müssen Sie gar nicht für jedes Gerät einen speziellen Adapter bereitstellen: Es genügen wenige Adapter, die generische Protokolle unterstützen, um eine große Anzahl verschiedenster Geräte diverser Hersteller anzusprechen. Das Modbus-Protokoll hat mittlerweile zwar schon etliche Jahre auf dem Buckel, ist aber keineswegs veraltet, sondern vielmehr über die Zeit gut ausgereift.

(jlu)