Viele Ingenieure sind in Bezug auf ihre Arbeit recht verschwiegen, vermutlich weil sie nicht möchten, dass andere wissen, wie viel Spaß sie dabei haben. Unsere Arbeit hat jedoch auch eine sehr ernste Seite: die Verbesserung der Umwelt und der Lebensqualität der Menschen. Wir reduzieren den Energieverbrauch, minimieren Produktionsabfälle und verlängern die Lebensdauer von Anlagen durch präzisere Wartungsstrategien. Daher ist es unerlässlich, dass wir Zugang zu Geräten haben, die sowohl große als auch kleine Signale messen können, damit wir fundierte Entscheidungen bei der Entwicklung und Optimierung von Systemen, der Durchführung von End-of-Line-Produktionstests und der Installation von Anlagen treffen können.

Genauigkeit der Energieverbrauchsmessung:
Benutzeroberflächen von Industrieanlagen sind üblicherweise nicht für ihre Ästhetik oder Detailgenauigkeit bekannt. Dies ändert sich jedoch mit den Zwei- und Dreiphasen-Energieanalysatoren von Carlo Gavazzi¹) verfügen zwar über das typische hintergrundbeleuchtete LCD-Display dieser Geräte, doch wurde besonderer Wert auf Benutzerfreundlichkeit gelegt – von der Installation bis zum täglichen Betrieb. So sind beispielsweise die Dezimalstellen auf der Energieanzeige kleiner als die übrigen Ziffern. Dies erleichtert auch älteren Nutzern das Ablesen der Zahlen. Zusätzlich gibt es eine Präsentationsfunktion, mit der die gewünschten Messwerte automatisch nacheinander angezeigt werden. Die Geräte verfügen außerdem über ein benutzerfreundliches Menüsystem, das über drei Tasten bedient wird.
Es wird eine hohe Genauigkeit erreicht: eine Frequenzauflösung von 0,001 Hz und eine Energieauflösung von 0,001 kWh. Die Modelle EM540 und EM530 bieten zudem eine Reaktionszeit von 100 ms für Spannung, Strom, Leistung und weitere einphasige und Systemvariablen. Dies ist besonders vorteilhaft für Photovoltaikanlagen, die ein Netto-Null-Eigenverbrauchsmanagement erfordern (d. h. sicherstellen, dass überschüssige erzeugte Energie nicht ins Netz eingespeist wird), im Vergleich zu anderen Modellen, die für diese Aufgabe zu langsam sind.

Abbildung 1: In Anwendungen zur Energieüberwachung bieten die Carlo Gavazzi Modelle EM530 und EM540 Fernzugriff auf Daten, eine benutzerfreundliche Oberfläche, Zwei- oder Dreiphasenmessung und MID-Zertifizierung.

Energieanalysatoren liefern präzise Betriebsprotokolle, die für die vorausschauende Wartung hilfreich sind. Durch die Definition eines Schwellenwerts oberhalb des Standby-Verbrauchs der angeschlossenen Geräte messen die Geräte die Betriebsstunden. Die Standby-Zeit lässt sich auch durch Subtraktion der Betriebsstunden von der Gesamtbetriebszeit ermitteln. Die Daten stehen den Überwachungssystemen über Modbus RTU zur Verfügung. In Kombination mit einer universellen Webplattform (UWP) können Support-Teams diese automatische Datenübertragung nutzen, um Verdrahtungsfehler zu erkennen und per Fernzugriff Lösungen vorzuschlagen.
Der EM530 kann in Niederspannungsverteilern zusammen mit Stromwandlern mit einem Sekundärstrom von 5 A eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Betrieb in Systemen mit einem Nennstrom von 10 kA. Der EM540 misst Ströme bis zu 65 A. Beide Geräte sind in einem 3DIN-Schienen-Gehäuse untergebracht und optional auch als MID mit Verriegelungspunkt erhältlich, wodurch sie sich für den Einsatz in der Haushaltsstromversorgung eignen.

Effizienz von Motorsteuerungen:
Regulierungsbehörden überwachen die Energieeffizienz von Elektromotoren seit Jahrzehnten. Zu Beginn dieses Jahrhunderts entfielen^IEA) 69 % des gesamten industriellen Energieverbrauchs auf Motoren. Aktuell sind die Energieeffizienzklassen für rotierende elektrische Maschinen in der Norm IEC 60024 definiert. Diese Definition reicht von Stufe 1 (IE1) bis 4, wobei IE1-Motoren vielerorts^,darunter auch in der Europäischen Union, mittlerweile verboten sind.
Die Effizienz eines Industriemotors lässt sich beispielsweise mit dem kompakten, einphasigen AC/DC-Leistungsmesser B&K Precision 5335C (Abbildung 2) ermitteln^.Er misst Leistungen bis zu 600 Vrms und 20 Arms und bietet eine Bandbreite von bis zu 100 kHz. Das integrierte Oszilloskop zeigt Spannungs- und Stromverläufe an, sodass keine zusätzlichen Messgeräte benötigt werden.

Bild 2: Mit dem Leistungsmessgerät B&K Precision 5335C können wir genaue Wirkungsgradmessungen an Motoren, Gleichstromgeräten und End-of-Line-Produktionsprüfungen durchführen.

Externe Messumformer (max. 10 A/2 V) können bei Strommessungen über 20 A angeschlossen werden. Für die PWM-Drehzahlregelung von Motoren sind Messungen im Bereich von 0,5 Hz bis 100 kHz möglich (Abbildung 3). Anschlüsse, Testanschlüsse und der externe Trigger befinden sich übersichtlich auf der Rückseite des Geräts.
Das Gerät verfügt über ein 4,3-Zoll-TFT-Display und neun haptische Tasten. Bis zu zwölf Messparameter, darunter Einschaltstrom und Überspannung, können gleichzeitig angezeigt werden. Dank Oberwellenmessungen bis zur 50. Ordnung ist eine EMV-Vorprüfung gemäß IEC 62000-3-2/4-7 möglich. Für die Konfiguration automatisierter Tests bietet das Gerät Schnittstellen über USB (USBTMC-kompatibel), RS232 und LAN. Bei der Analyse netzgekoppelter Systeme ermöglicht die Integrationsfunktion umfassende Strom- und Wirkleistungsmessungen (Wh) mit automatischer Bereichsumschaltung.

Abbildung 3: Mit dem Leistungsmesser 5335C lässt sich der Wirkungsgrad eines PWM-drehzahlgeregelten Motors bei Eingangsspannungen bis zu 600 V bestimmen; externe Stromwandler können verwendet werden.

Elektronische Datenerfassung:
Neue und effiziente Elektronikdesigns basieren auf einem tiefen Verständnis der von Sensoren erfassten Daten. Im Bereich des maschinellen Lernens (ML) fehlen jedoch stets Daten. ML-Algorithmen ermöglichen es Entwicklern eingebetteter Software, äußerst komplexe Herausforderungen mithilfe regelbasierter Programmierung zu bewältigen. Die Erkennung langfristiger Probleme, wie beispielsweise Leistungsverschlechterungen bei Motoren oder Netzteilen, erfordert das Verständnis von lokaler und Umgebungstemperatur, Stromaufnahme, Laständerungen sowie Ein- und Ausgangsspannungen unter dynamischen Betriebsbedingungen.

„Einrichten und vergessen“-Geräte wie die Digilent MCC USB-230 DAQ-Geräte [footnoteRef:6] sind ideal, um die benötigten Daten kostengünstig zu erfassen. Sie sind mit zwei Abtastraten erhältlich: 50 kS/s (USB-231) und 100 kS/s (USB-234). Der Anschluss an einen Computer erfolgt einfach über einen Micro-USB-Typ-B-Anschluss (Abbildung 4). Es stehen vier 16-Bit-Differenzumsätze oder acht unsymmetrische ±10-V-Eingänge (±30-V-Überspannungsschutz) mit einer Bandbreite von 300 kHz für analoge Messungen zur Verfügung. Der analoge Ausgang arbeitet ebenfalls mit bis zu ±10 V und einer maximalen Aktualisierungsrate von 5 kS/s pro Kanal. Acht Ein-/Ausgänge arbeiten mit bis zu 5 V und ±4 mA. Ein 32-Bit-Zähler für Pegelübergänge von niedrig nach hoch rundet den Funktionsumfang ab.

Abbildung 4: Professionelle Datenerfassung mit dem Digilent MCC USB-230 DAQ, einem USB-basierten Gerät; Anschlussleisten erleichtern den Anschluss von Signalen an die DAQ-Einheit.

Wie üblich werden USB-230-Datenerfassungssysteme mit einer passenden Softwareausstattung geliefert^DAQamiist ein visuelles Tool zur Datenerfassung und Signalgenerierung. Es verfügt über eine einfache Drag-and-Drop-Oberfläche, die Daten übersichtlich darstellt und die Verwendung mehrerer an denselben Computer angeschlossener USB-230-Geräte ermöglicht.^Für Entwickler, die eigene Datenerfassungssoftware entwickeln möchten, steht die MCC Universal Library zur Verfügung, die Programmierunterstützung für Python unter Windows bietet. Linux-Entwickler profitieren ebenfalls von der uldaq-Unterstützung^.Die Datenerfassungssysteme sind zudem mit LabVIEW und MATLAB kompatibel.

Serielle Schnittstellenanalyse:
Eine der größten Herausforderungen beim Wechsel des Mikrocontroller-Herstellers ist das Verständnis der Funktionsweise der Peripheriegeräte. Register, Funktionalität und Datenblattbeschreibungen unterscheiden sich stets. Daher kann die Verwendung serieller Schnittstellen recht komplex sein, und Entwickler sind sich oft unsicher, ob sie beispielsweise die Baudrate korrekt konfiguriert haben. Die Anschaffung eines Logikanalysators ist daher eine hervorragende Idee, falls Sie noch keinen besitzen.
Heutzutage gibt es dafür keine Ausrede mehr. Geräte wie der SparkFun USB⁹ bieten eine Abtastrate von 24 MHz mit acht Kanälen zu einem erschwinglichen Preis (Abbildung 5). Das Gerät nutzt das Open-Source-Softwareprojekt sigrok¹⁰ , und es sind Decoder für verschiedenste Anwendungsfälle verfügbar. Neben den klassischen Protokollen (seriell, SPI und I2C) lassen sich auch Protokolle für EEPROM, 7-Segment-Anzeigen, DALI, LIN, CAN und verschiedene Debugging-Schnittstellen von ARM-Prozessoren dekodieren (Abbildung 6).

Bild 5: Als Werkzeug zum schnellen Debuggen von seriellen Schnittstellen jeglicher Art ist der SparkFun 8-Kanal 24 MHz USB-Logikanalysator kaum zu übertreffen.

Die Hardware verarbeitet Signale bis zu 5,25 V und wird über einen USB-Anschluss mit Strom versorgt. Farbcodierte Jumper (Buchse-Buchse) vereinfachen die Verbindung zum Zielsystem, sodass einige Boards, wie z. B. Arduino, einen zusätzlichen Stecker benötigen. Dank eines hervorragenden SparkFun-Tutorials,^das sowohl die grafische Benutzeroberfläche (GUI) als auch die Kommandozeilenschnittstelle (CLI) von sigrok erklärt, ist der Einstieg kinderleicht.

Alle gemessenen Signale, ob groß oder klein.
Ingenieure haben sich schon immer auf hochwertige Daten verlassen, um fundierte Designentscheidungen zu treffen, sei es bei der Entwicklung oder Implementierung eines Systems. Energieeffizienz ist heute eines der drängendsten Themen, daher werden Entwicklungsteams zunehmend an Leistungsanalysatoren mit vielfältigen Optionen interessiert sein. Zudem werden Anwendungen immer häufiger nur durch den Einsatz von Machine-Learning-Verfahren verbessert. Für effektives Lernen, selbst für ein einfaches neuronales Netzwerk, werden enorme Datenmengen benötigt – und hier kommt die Datenerfassung (DAQ) ins Spiel. Mikrocontroller und serielle Schnittstellen sind zwar hervorragend, doch bleiben oft einige Dinge unklar. Dank kostengünstiger Hardware und der Bemühungen der Open-Source-Community gibt es keine Ausrede mehr, keinen Logikanalysator zu verwenden, um die Vorgänge hinter den Leitungen zu verstehen.

NOTEN

^[1] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/carlo-gavazzi-em5x0-energy-analyzers/n-5gf3Z2opfnb

^[2] https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf

^[3] https://biconconsultants.com/difference-between-ie2-and-ie3-motors/

^[4] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/bk-precision-5335c/n-5gf3Z22te6a

^[5] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/digilent-mcc-usb-230-daq-devices/n-5gf3Z31isz5

^[6] https://www.mccdaq.com/software-downloads.aspx

^[7] https://pypi.org/project/mcculw/

^[8] https://github.com/mccdaq/uldaq

^[9] https://eu.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-usb-logic-analyzer/

^[10] https://sigrok.org/wiki/Main_Page

^[11] https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-usb-logic-analyzer-with-sigrok-pulseview

AUTOR:  Stuart Cording (für Mouser Electronics)