Intelligent und genügsam Strommesszange erfasst Störströme in Industrieanlagen

Die vom IMMS in einem Kooperationsprojekt mit dem Industriepartner Indu-Sol entwickelte intelligente Strommesszange »EMCheck ISMZ I« nutzt zahlreiche Energieeinsparmaßnahmen.
Die vom IMMS in einem Kooperationsprojekt mit dem Industriepartner Indu-Sol entwickelte intelligente Strommesszange »EMCheck ISMZ I« nutzt zahlreiche Energieeinsparmaßnahmen.

Um Langzeitmessungen mit einer intelligenten Strommesszange zu ermöglichen, hat das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) von der Batterie bis hin zur Software praktisch alle Bestandteile unter die Lupe nehmen müssen und so die zahlreichen Energieeinsparpotenziale offengelegt.

Teure Fertigungsstillstände komplexer Industrieanlagen sind oft auf Funktionsstörungen in der Steuerungs- und Regelungstechnik zurückzuführen, die durch unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Stromversorgung und Steuerung verursacht werden. Solche Effekte beeinträchtigen die Kommunikation zwischen den Komponenten. Ist das Niveau der Störungen zu hoch, werden diese durch die Fehlertoleranz der Steuerung nicht mehr ausgeglichen und lassen so Komponenten und damit die Produktion ausfallen.

Klassische Fehleranalysemethoden, mit denen Ursachen für solche Störungen gesucht werden können, lassen sich nicht immer einsetzen. Um Signale auf den Kommunikationsleitungen zu beobachten, müsste der laufende Betrieb der Anlage unterbrochen werden. Mehrere relevante Messstellen zeitgleich auszuwerten, ist oft unmöglich, da zum einen die Anlagen meist sehr komplex aufgebaut sind und teilweise vor Ort keine detaillierte Dokumentation verfügbar ist. Zum anderen können die funktionell zusammenwirkenden Bestandteile der Anlage wegen ihrer großen Entfernung zueinander häufig nicht von einem Punkt aus beobachtet werden. Darüber hinaus treten die Funktionsstörungen scheinbar sporadisch und in der Regel in großen Zeitabständen von mehreren Stunden bis einigen Tagen auf. Eine entsprechend lang anhaltende Analyse durch fachkundiges Personal mit Hilfe komplexer Messtechnik vor Ort verursacht hohe Kosten.

IMMS hat daher für die Firma Indu-Sol eine kompakte, intelligente Strommesszange entwickelt, die als energieautarkes mobiles Gerät selbständig das Störniveau auf einer Leitung des Automatisierungsbusses einer Industrieanlage über 14 Tage dauerhaft erfasst, bewertet und für eine spätere detaillierte Auswertung auf SD-Karte aufzeichnet. Als Energiespeicher werden sechs LR6-Mignonzellen mit insgesamt rund 20 Wh Energie verwendet. Die Zange erkennt das Störniveau anhand von Schwellwerten und kann Werte in einem großen Messbereich zwischen 10 mA und 30 A mit bis zu 40 kSa/s erfassen und sie mit einer Auflösung von 16 Bit digitalisieren. Sie zeigt den Effektivwert (RMS) des aktuellen Störniveaus numerisch, grafisch oder spektral an und ist einfach und intuitiv zu bedienen. Nutzen Industrieanlagenbetreiber mehrere Zangen gleichzeitig, können sie den Ort der Störung bestimmen und somit den Analyseaufwand deutlich reduzieren. Die Datenauswertung wird mit einer zugehörigen Software auf dem PC vorgenommen. Dank besonderer Maßnahmen zur Gewährleistung der Elektrosicherheit ist das Gerät auch an Strom führenden Leitungen mit hohen Berührungsspannungen entsprechend der Überspannungskategorie III einsetzbar. Das bedeutet, dass beispielsweise auch Messungen in fest verdrahteten Schaltschränken von Industrieanlagen vorgenommen werden können.

Grundlage für die Entwicklung des IMMS waren detaillierte Informationen zur Analyse von Störproblemen in Industrieanlagen, die die Firma Indu-Sol als Praxispartner und Experte auf diesem Gebiet lieferte. Das Unternehmen hat seine zahlreichen Einsätze in solchen Anlagen untersucht. Es hat festgestellt, dass auf den gestörten Kommunikationsleitungen oft ein hohes Niveau von Ausgleichströmen zu finden ist, die überwiegend entlang der Abschirmung der Kabel fließen. Ursache dieser Ströme sind in der Regel ungünstige Erdungsverhältnisse im Zusammenhang mit Komponenten, die ein- oder abgeschaltet werden oder die funktionsbedingt ein hohes Niveau an transienten oder hochfrequenten Ableitströmen haben, wie Frequenzumrichter. Der Datenstrom wird meist differentiell gegenphasig übertragen und kann daher außerhalb des Leiters nicht detektiert werden. Allein durch die Analyse der Ausgleichströme kann jedoch auf ein mögliches Störrisiko geschlossen werden, das heißt der Datenstrom muss hierfür nicht untersucht werden. Um einen möglichen Störeintrag beurteilen zu können, wurden entsprechende Merkmale identifiziert. Sie umfassen eine zeitweilige oder permanente hohe Stromamplitude, eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes und das Auftreten bestimmter Frequenzanteile im Stromverlauf.

Herausforderung für das Design dieser Strommesszange am IMMS war die geforderte Laufzeit über 14 Tage bei Nutzung herkömmlicher LR6-Batterien, die einen weltweiten Einsatz ermöglichen. Dies setzt einen niedrigen Energieverbrauch der eingesetzten Komponenten und energieeffiziente Algorithmen in der Software voraus. Gleichzeitig stellte der große Messbereich von 10 mA bis 30 A hohe Anforderungen an die Aufnahmespule, die Elektronik und den Analog-Digital-Wandler des Systems, da diese Ströme nur aus dem Streufeld des Leiters gemessen werden. Für die Auswahl der Komponenten hat das IMMS verschiedene Magnetkreise auf ihre Genauigkeit im angestrebten Frequenzspektrum von 40 Hz bis 10 kHz untersucht und auf dieser Basis die erforderlichen analogen Schaltungsteile bestimmt. Das Institut führte eine große Anzahl von Messreihen zum Energieverbrauch unterschiedlicher Mikrocontroller und deren Ausführungszeiten für bestimmte Algorithmen durch. Nach der Auswertung der Messreihen bestimmte das IMMS einen geeigneten Mikrocontroller für diese Aufgabe, der gleichzeitig die erforderliche Peripherie für die notwendigen Messaufgaben und Stromsparmodi besitzt.

Um die notwendige Batteriekapazität optimal zu dimensionieren, bestimmte das Institut die Stromaufnahme des Systems in jedem Arbeitszyklus. Hieraus sowie aufbauend auf den Erfahrungen aus anderen Projekten wurde die erforderliche Kapazität abgeleitet. Die entnehmbare Energie einer Batterie ist jedoch auch von der Spitzenlast abhängig, die bei der Prozessverarbeitung im System auftritt. Daher wurden solche Stromspitzen während des Messvorgangs bestimmt und die Reihenfolge der Prozessverarbeitung auf Software-Ebene optimiert, um die Batterien während des Betriebs nicht zu stark zu belasten. Zum Beispiel verbraucht das Schreiben vieler kleiner Datenmengen auf die SD-Karte sehr viel Energie. Deshalb wurden Zyklen definiert, in denen auf die SD-Karte geschrieben wird. Darüber hinaus wurden die zu schreibenden Datenmengen an die Clustergrößen des Filesystems angepasst und damit der Stromverbrauch gesenkt. Zudem konnte durch das Schreiben mehrerer Cluster mit einer Schreiboperation der Energieverbrauch um rund 50 Prozent gegenüber dem Ausgangswert reduziert werden. Für weitere Einspareffekte wurden zusätzliche Stromsparmaßnahmen umgesetzt, wie die Reduzierung der Taktfrequenz des Mikrocontrollers in bestimmten Betriebsmodi und das Abschalten nicht benötigter Komponenten des Controllers.

Umfangreiche Messreihen zu handelsüblichen Batterien gaben schließlich Auskunft darüber, wie sich Batterien bei gegebenen Entnahmezyklen verhalten. Dadurch konnte die verfügbare Batteriekapazität für konkrete Benutzungsszenarien der Strommesszange genauer bestimmt und die Dimensionierung verbessert werden.

Das IMMS hat das System zunächst experimentell aufgebaut, vermessen und weiter optimiert. Das finale Design der Hardware wurde anhand der ebenfalls am IMMS vorgenommenen Konstruktion des Gehäuses entwickelt. Das System wurde in Betrieb genommen, getestet und in das Gehäuse integriert.


embedded world 2015, Halle 4, Stand 160