Intelligentes Energiemonitoring mit IoT-Lösung

Datenauswertung in Cloud zeigt Energiesparpotenziale auf

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Beckhoff, Grundfos und Microsoft haben in einem gemeinsamen Projekt ein Studierendenwohnheim mit intelligenten Steuerungssystemen und einer Cloud-Anbindung ausgestattet. Die erfassten Energiedaten werden direkt in die virtuelle Wolke übermittelt und dort analysiert. So können Einsparpotenziale in Bezug auf den Energieverbrauch erkannt und Kosten gespart werden.

Autor: Sven Goldstein, Product Manager Twincat, Connectivity & IoT, Beckhoff Automation, Verl

Gerade im Studierendenwohnheim wird auf Kosten geachtet. In Århus, der zweitgrößten Stadt Dänemarks, haben das Automatisierungsunternehmen Beckhoff und der IT-Hersteller Microsoft gemeinsam mit dem dänischen Pumpenhersteller Grundfos ein Wohnheim mit smarten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) ausgestattet, um den genauen Energieverbrauch zu erfassen. Mit dem Energiemonitoring-System konnte eine breite Datenbasis geschaffen werden, mit der Einsparpotenziale kontinuierlich erkannt werden können.
2012 wurde bereits eine eigene Server-Infrastruktur mit einem Datenbanksystem innerhalb des Gebäudes installiert. Da die Datenmengen wuchsen und auch historische Energiedaten bereitgestellt werden sollten, wurde diese Lösung zu zeit- und kostenaufwendig. Die Betreiber des Wohnheims entschlossen sich, die Server-Infrastrukturen in ein Cloudsystem auszulagern. Um die lokale Gebäudeautomationsplattform auch weiterhin nutzen zu können, bot sich eine Nachrüstung der Cloud-Anbindung auf Basis der hochskalierbaren Steuerungstechnik von Beckhoff an. Die einfach konfigurierbaren Twincat-Internet-of-Things- (IoT) Produkte ermöglichen eine schnelle Projektimplementierung ohne Programmierung. So können die erfassten Energiedaten direkt aus den Steuerungen und I/O-Subsystemen in die Azure-Cloud von Microsoft geladen werden.
Direktes Gateway zur Cloud
Dort werden die Energiedaten abgespeichert und analysiert. Auf die zwölf Stockwerke des Gebäudes sind 156 Wohneinheiten und 3000 Sensoren verteilt, die alle drei Sekunden die Energiedaten erfassen und an das überlagerte System übermitteln. Die Sensoren sind hierbei an Buskoppler der Reihe BC 9191 und Embedded-PCs CX 9020 von Beckhoff angebunden. Ein zentraler Industrie-PC sammelt die Sensordaten mithilfe des Twincat-IoT-Data-Agent über den Kommunikationsstandard OPC UA ein und fungiert als Gateway zur Cloud, beziehungsweise zum Azure-IoT-Hub. Der Data Agent entkoppelt dabei die unterlagerten SPS-Systeme und die Cloud voneinander. Mithilfe der Publisher/Subscriber-Kommunikationsmechanismen und der Kommunikation über den Azure-IoT-Hub als zentralen Nachrichten-Broker müssen alle an der Kommunikation beteiligten Geräte oder Dienste untereinander keine gegenseitige Adressbekanntgabe durchführen, sondern sie kommunizieren entkoppelt voneinander über den zentralen Broker, der die korrekte Adressierung der Nachrichten übernimmt.
Die Datenkommunikation ist hierbei aus Sicht einer vor dem Gateway-PC platzierten Firewall eine rein ausgehende, verschlüsselte Kommunikationsverbindung – sowohl für versendete als auch empfangene Nachrichten. Dadurch kann die Firewall nach Herstellerangaben für jegliche eingehende Datenkommunikation abgeriegelt und vor unerwünschtem Datenzugriff von außen geschützt werden. Die Sensordaten lassen sich zudem über eine grafische Konfigurationssoftware einfach für den Versand an den Azure-IoT-Hub konfigurieren. Über verschiedene Konfigurationsparameter lässt sich ebenfalls definieren, wann die Datenübertragung initiiert werden soll: zyklisch, bei bestimmten Wertänderungen oder bei bestimmten Aktionen. Kommt es zu einem Netzausfall, stellen interne BufferingMechanismen eine nachträgliche Übermittlung von Sensordaten sicher. Der Data Agent speichert dann einen Zeitstempel ab. Sobald die Verbindung wieder zur Verfügung steht, ruft der Data Agent die fehlenden Daten aus seinem internen Datenspeicher ab, um sie an den Hub zu senden.
Eine weitergehende Auswertung der Energiemessdaten ist mit der Microsoft IoT-Suite möglich, die die Geräte verwaltet, Rohdaten sammelt und diese über die Dienste SQL Azure Data Warehouse und Power BI aufbereitet. Die Dienste Azure Stream Analytics und Azure Machine Learning erkennen mittels spezieller Algorithmen, ob die von den Sensoren erfassten Werte über einen vorgegebenen Zeitraum außerhalb des normalen Wertebereichs liegen oder eventuell auch nicht erfasst werden konnten. Im Falle solcher Störereignisse werden Alarmmeldungen per E-Mail ausgegeben.
Morten Lykkegaard, Lead Enterprise Architect bei Grundfos zeigt sich mit dem Projektverlauf zufrieden: „Die Verwendung von Produkten, die mit Standards wie OPC UA, Beckhoff ADS und AMQP kompatibel sind, hatte große Vorteile für Grundfos. Dadurch konnten alle Geräte und Dienste in diesem Projekt einfach, schnell und zuverlässig bereitgestellt werden.“
Individuelle Zugriffsrechte
Der Zugriff auf die Daten des Energiemonitoring-Systems im sogenannten „Living Lab“ kann für unterschiedliche Benutzergruppen definiert und freigegeben werden. Verfügbar sind die Daten für die Gebäudebewohner und das Gebäudemanagement. So können die Studierenden über eine spezielle Programmierschnittstelle auf die erfassten Energiedaten in der Cloud zugreifen, um etwa eigene Apps oder Auswertungsalgorithmen im Rahmen ihrer studentischen Projektarbeiten zu entwickeln. Die Programmierschnittstelle, die auch eine Funktion zur Abfrage von historischen Energiedaten beinhaltet, basiert auf den Diensten des Azure Service Fabric. Datensicherheit und Datenschutz werden durch die Azure Dienste „Active Directory“ und „Application Insights“ gewährleistet, die als Grundlage zur Authentifizierung der einzelnen Anwendergruppen herangezogen werden.
Des Weiteren arbeiten der Unternehmensbereich Research and Technology des Pumpenherstellers und die Universität Århus gemeinsam an Studien, die den Zusammenhang zwischen Benutzerverhalten und Energieverbrauch unter aktiver Mitwirkung der Bewohner analysieren. So sollen neue Erkenntnisse über die Anwendungsmöglichkeiten der Bestandsprodukte des Unternehmens erforscht werden, als auch Möglichkeiten eruiert werden, wie neue Produktangebote und Geschäftsmodelle implementiert werden können._nu

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Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Verl
Tel. +49 5246 963-0


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