Smart Building Smarte Zähler bekommen einen Anschluss für den M-Bus

Autor / Redakteur: Markus Hühn* / Hendrik Härter

Über den M-Bus lassen sich angeschlossene Geräte zuverlässig auslesen. Ein spezieller Pegelwandler erlaubt es über das MQTT-Protokoll, die Messdaten IP-basiert zu übertragen.

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Über den M-Bus lassen sich Verbrauchsdaten komfortabel auslesen. Ein spezieller Pegelwandler mit MQTT-Protokoll ermöglicht den Anschluss an das Internet.
Über den M-Bus lassen sich Verbrauchsdaten komfortabel auslesen. Ein spezieller Pegelwandler mit MQTT-Protokoll ermöglicht den Anschluss an das Internet.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Mit M-Bus-fähigen Strom-, Gas-, Warm- oder Kaltwasserzähler lassen sich Zähler auslesen. Der Feldbus hat sich all die Jahre bewährt und überträgt die Daten robust. Für Unternehmen ist es interessant, ihre bestehenden, zuverlässig funktionierenden M-Bus-Systeme auch im Rahmen einer IoT- und Digitalisierungsstrategie weiter zu nutzen. Es gibt zwar mit dem „Open Metering System (OMS)“ bereits eine Möglichkeit, die Zähler konform auszulesen. Doch wenn man einen leistungsfähigen direkten IP-Zugang zu den Zählern sucht, dann genügt es nicht, die Zählerdaten durch offizielle Messstellenbetreiber auszulesen.

An einem M-Bus angebundene Zähler liefern die notwendigen Daten, mit denen Energiemanager die Energieeffizienz steigern sowie Leistungsbilanz und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen verbessern. Allerdings war das immer eine Insellösung, die nicht standardisiert war und einer spezifischen Gateway-Anwendung vor Ort bedurfte. Doch Energieeinsatz, -verbrauch und Lastgang sollen möglichst einfach, barrierefrei und von jeder berechtigten Instanz aus IP-basiert erfasst werden können. Das wird heute sehr gern als eine Cloudanwendung umgesetzt.

Gemessene Daten lassen sich mit wenigen wenigen aus verschiedensten Quellen zusammenführen. Daraus lassen sich beispielsweise Kennzahlen ermitteln: aus dem Energieverbrauch (Quelle Zählercloud) und den Stückzahlen der Produktion (Quelle ERP-System). Mit den Kennzahlen lässt sich wiederum die Effizienz von einzelnen Maschinen oder Fertigungsprozessen vergleichen und optimieren. Das ist auch bei Lastspitzen möglich.

Echtzeit-Zugriff mit dem MQTT-Protokoll

IP-basierte Zähler und ihr Einsatz.
IP-basierte Zähler und ihr Einsatz.
(Bild: STV Electronic)

Die MPW-IP Pegelwandler unterstützen 16 bis 128 Standardlasten und bieten neben einer Ethernet-Schnittstelle die Option, die bislang betriebenen RS-232- oder RS-485-Schnittstellen parallel weiter zu betreiben.
Die MPW-IP Pegelwandler unterstützen 16 bis 128 Standardlasten und bieten neben einer Ethernet-Schnittstelle die Option, die bislang betriebenen RS-232- oder RS-485-Schnittstellen parallel weiter zu betreiben.
(Bild: STV Electronic)

Auf die gleichen Daten greifen heute auch Cloud-Dienste zurück, um parameterbasierte Wartungs-Services an Maschinen und Anlagen zu initiieren. Aus den Betriebsstunden einer Anlage lassen sich auch Rückschlüsse auf den Stromverbrauch ziehen. Es sind auch Verbrauchsanzeigesysteme und letztlich Abrechnungssysteme, welche auf die Daten möglichst barrierefrei zugreifen wollen. Alle genannten Services profitieren von einem IP-basierten Echtzeit-Zugriff auf die verteilten M-Bus Zähler. Das MQTT-Protokoll hat sich hier als eine State-of-the-Art-Technologie etabliert. Über den Cloud-Service können Daten in jede Linux-basierte Umgebung gesammelt und mit wenigen Klicks implementiert werden.

Die Abkürzung MQTT steht für Message Queuing Telemetry Transport. Hierbei handelt es sich um ein schlankes Protokoll der TCP/IP-Anwendungsschicht. Es ist auf die Kommunikation von einfachen Geräten und Anwendungen in vernetzten IoT-Applikationen zugeschnitten. Damit lassen sich kleine Datenpakete übertragen. Selbst große Installationen mit tausenden verteilten Geräten sind effizient.

Vorteil von MQTT: Die Geräte und Sensoren, welche die notwendige Informationen liefern sind von den Anwendungen oder verarbeitenden Systemen entkoppelt, welche die gelieferten Informationen abfragen. Dadurch ist die Kommunikation weniger komplex. Die sogenannten Publisher und Subscriber kommunizieren nicht direkt miteinander. Vielmehr läuft die Kommunikation über einen zwischengeschalteten MQTT-Broker, der als zentraler Datenumschlagplatz dient.

Er sammelt alle von den Publishern gelieferten Daten zu einem bestimmen Thema und stellt sie allen Subscribern, die an diesen Themen interessiert sind, in Form eines digitalen Broadcasts zur Verfügung. Alle zwischen Publisher, Broker und Subscriber übertragenen Daten lassen sich per SSL verschlüsseln. Das ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium beim übertragen von Verbrauchswerten. Zusätzliche Funktionen wie Retained Messages, Last-Will-and-Testament, Persistent Sessions und QoS Level ermöglichen resilente und einfach wartbare Applikationen zu entwickeln. Mit diesen Eigenschaften hat sich MQTT de facto als Standard bei der professionellen Anbindung von Geräten an das Internet der Dinge (IoT) etabliert. Mit MQTT lässt sich der M-Bus anschließen und die verbundenen Zähler nutzen.

Pegelwandler verwalten bis zu 128 M-Bus-Standardlasten

Die M-Bus-Pegelwandler der MPW-Serie von STV Electronic haben eine IPv4/IPv6 kompatible Ethernet-Schnittstelle und unterstützen das MQTT-Publishing von M-Bus-Geräte-Variablen.
Die M-Bus-Pegelwandler der MPW-Serie von STV Electronic haben eine IPv4/IPv6 kompatible Ethernet-Schnittstelle und unterstützen das MQTT-Publishing von M-Bus-Geräte-Variablen.
(Bild: STV Electronic)

Einen sehr schlanken Weg, den M-Bus an die MQTT-Kommunikation anzubinden, hat STV Electronic umgesetzt. Dazu hat das Unternehmen seine Pegelwandler, die alle Variablen von M-Bus-Geräten lesen und bislang nur auf serielle Schnittstellen umwandelten konnten, um Modelle mit IPv4 und IPv6 unterstützender Ethernet-Schnittstelle und einen integrierten Websever mit MQTT-Support erweitert.

Der Pegelwandler wird zum MQTT-Client mit Publisher-Funktion. Er lässt sich von MQTT-Brokern lesen und die bereits installierte M-Bus-Infrastruktur bekommt durch die Integration eines Pegelwandlers einen IP-Anschluss. Die Pegelwandler der Serie MPW-IP verwalten bis zu 16, 32, 64 oder 128 M-Bus-Standardlasten mit jeweils 1,5 mA. Damit lassen sich selbst komplexeste M-Bus-Netze mit Spannungen von 37 bis 40 V anbinden. Mit M-Bus-Übertragungsraten von 300 bis 38.400 Baud sind die Pegelwandler auch für schnelle M-Bus-Geräte geeignet.

Die Weboberfläche der neuen MPW-IP-Wandler (MWP16-IP) von STV Electronic bietet neben Diagnose- und Parametrier-Optionen (oben) auch Einstellungen für die Netzwerkeinbindung (unten).
Die Weboberfläche der neuen MPW-IP-Wandler (MWP16-IP) von STV Electronic bietet neben Diagnose- und Parametrier-Optionen (oben) auch Einstellungen für die Netzwerkeinbindung (unten).
(Bild: STV Electronic)

Die IP-basierte Anbindung des M-Busses erleichtert das Energiemanagement, da man den Ressourcen-Verbrauch jederzeit und überall IP-basiert unter Kontrolle hat und Anlagen und Gebäude auch aus der Ferne effizient betreiben kann. Die Installation der MPW-IP-Wandler läuft komfortabel über ein Webmenü. Über die Parametrieroberfläche lassen sich die M-Bus-Baudrate inklusive Diagnosefunktionen zu den anliegenden Pegeln und Standardlasten einstellen. Die mit SSL-verschlüsselte Anbindung des Pegelwandlers erfolgt in der Regel über einen beliebigen MQTT-Broker unter Angabe des Benutzernamens und Passworts des Pegelwandlers. Beide Parameter können über den Webserver des Pegelwandlers individuell festgelegt werden.

M-Bus-Strecke bis 10 km Länge

Der Hutschienen-PC Smart Manager 4.0 basiert auf Raspberry Pi und arbeitet als Edge-Server und MQTT-Broker.
Der Hutschienen-PC Smart Manager 4.0 basiert auf Raspberry Pi und arbeitet als Edge-Server und MQTT-Broker.
(Bild: STV Electronic)

Pegelwandler mit Ethernet-Anschluss sowie der MQTT-Publisher-Funktion ermöglichen es, dass der M-Bus eine zukunftssichere Installation ist. Der M-Bus bietet Funktionen, die es in dieser Form nur beim M-Bus gibt. Eine M-Bus-Strecke kann beispielsweise bei guter Leitungsqualität eine Länge bis zu 10 km annehmen. Die Endgeräte werden über den Bus mit Strom versorgt, sind verpolungssicher und die Kosten sind geräteseitig gering – auch weil keine Lizenzkosten anfallen.

Zudem sind keine speziellen Kabel notwendig; es sind auch ungeschirmte und unverdrillte Leitungen möglich. Wireless-Anwendungen über NB-IoT, Lora oder Sigfox halten auf lange Sicht nicht mit, denn irgendwann ist bei ihnen ein Batteriewechsel erforderlich.

Edge-Server für den Schaltschrank

Für die lokale Installation des MQTT-Brokers an der Edge gibt es den Hutschienen-PC-Smart-Manager 4.0 mit Raspberry-Pi-Prozessor. Er passt dank seines Designs in jeden Schaltschrank. Über den vorinstallierten Node-Red hat man Zugriff auf M-Bus-Zähler, die über einen MPW-IP-Pegelwandler angeschlossen sind.
Zudem lässt sich der Mini-PC mit Open-Source-Anwendungen wie Mosqitto als MQTT-Broker betreiben. Selbst fertig programmierte Zählerdatenclouds lassen sich umsetzen. Installiert wurden bereits eine Verbrauchsanzeige in einer Fabrik oder in ein Energiekostenmanagement-Portal mit Abrechnungssystem für Mietparteien. Dank Codesys-Support und zahlreichen Schnittstellen eignet sich der Hutschienen-PC auch für viele verschiedene Automatisierungsaufgaben inklusive Anbindung von Industrial-Ethernet- und Feldbusarchitekturen bis hin zu einfachen analogen oder digitalen I/Os und Anwendungen aus der Maker-Szene.

Webinar-Tipp: Software-Infrastrukturen in der Produktion modernisieren

* Markus Hühn ist Geschäftsführer STV Electronics in Schloß-Holte.

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