Fernauslesung von Wärmezählern

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung

2 Vor- und Nachteile einer Fernübertragung
2.1 Technologischer Aspekt
2.2 Personalpolitischer Aspekt
2.3 Kundenzentrierter Aspekt
2.4 Gegenüberstellung
2.5 Ausgangssituation

3 Funk
3.1 Allgemeines
3.2 Funktionsweise
3.2.1 Modulation
3.2.1.1 Amplitudenumtastung (ASK)
3.2.1.2 Frequenzumtastung (FSK)
3.2.1.3 Phasenumtastung (PSK)
3.2.2 Frequenzband
3.3 Montage
3.4 Einsatzbereich
3.5 Übertragungssicherheit

4 M-Bus
4.1 Allgemeines
4.2 Funktionsweise
4.2.1 Bitübertragungsebene (Physical Layer)
4.2.2 Sicherungsebene (Data Link Layer)
4.2.3 Vermittlungsebene (Network Layer)
4.2.4 Anwendungsebene (Application Layer)
4.3 Montage
4.4 Einsatzbereich
4.5 Übertragungssicherheit

5 GSM (Global System for Mobile Communications)
5.1 Allgemeines
5.2 Funktionsweise
5.3 Montage
5.4 Einsatzbereich
5.5 Übertragungssicherheit

6 Modem
6.1 Allgemeines
6.2 Funktionsweise
6.3 Montage
6.4 Einsatzbereich
6.5 Übertragungssicherheit

7 LonWorks
7.1 Allgemeines
7.2 Funktionsweise
7.3 Montage
7.4 Einsatzbereich
7.5 Übertragungssicherheit

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildung 1: Grundsätzliche Funktionsübersicht Modulation

Abbildung 2: Einteilung Modulationsverfahren

Abbildung 3: Zeitfunktion der binären Amplitudenumtastung

Abbildung 4: Zeitfunktion der binären Frquenzumtastung

Abbildung 5: Zeitfunktion der binären Phasenumtastung

Abbildung 6: Gebührenfreie Frequenzbänder (ISM)

Abbildung 7: OSI Modell (Schicht 4 bis 6 ist bei M-Bus nicht belegt)

Abbildung 8: Übertragungsimpulse bei M-Bus

Abbildung 9: Übertragung eines Bytes

Abbildung 10: Teil der GSM - Rahmenstruktur

Abbildung 11: Übersicht Modulationsarten

Abbildung 12: Konstellationsdiagramm (a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64

TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 1: Vor- und Nachteile einer Datenfernübertragung

Tabelle 2: Telegrammformate des M-Bus Protokolls

Tabelle 3: Codierung des C-Feldes

Tabelle 4: Bedeutung des C - Feldes (F=FCB; V=FCV; A=ACD; D=DFC)

Tabelle 5: CI-Codes

Tabelle 6: Datenaufbau bei fester Datenstruktur

Tabelle 7: Fester Datenblock

Tabelle 8: Struktur eines Datenblocks

Tabelle 9: Typische Standards für Modems

Tabelle 10: Übersicht Topologien bei LON

Tabelle 11: Auszug aus der SNVT Master List

Tabelle 12: Gegenüberstellung Fernauslesesysteme

1 Einleitung

Die Steirische Gas & Wärme GmbH ist ein Tochterunternehmen des Energie Steiermark-Konzerns, der derzeit in den folgenden Kerngeschäftsfeldern tätig ist: Verkauf von Strom und Gas an Industriekunden, gewerbliche Abnehmer und Endverbraucher, Verteilung von Strom und Gas, Lieferung von Dampf und Wärme sowie Strom- und Gashandel; Planung, Errichtung, Betrieb und Instandhaltung von technischen Anlagen im Bereich der Strom- und Wärmeerzeugung sowie thermische Abfallbehandlungsanlagen; Abfallwirtschaft, Abfallbehandlung und -verwertung, insbesondere im Bereich der thermischen Abfallentsorgung. Der Gesamtkonzern stellt das viertgrößte Energieversorgungsunternehmen Österreichs dar und erzielte 2007 einen Umsatzerlös von 1.174,1 Mio. EUR.¹

Der jährliche Fernwärmeverkauf im Inland kann mit ca. 1.400 GWh beziffert werden. Im letzten Jahr lag dieser Wert witterungsbedingt bei 1.272 GWh. Diese Wärmemenge wird mittels Wärmemengenzähler erfasst. Die Nenngrößen dieser Zähler reichen von DN15 bis zu DN600. Diese sind in Abhängigkeit der Größe und somit auch des Durchflusses mit verschiedenen Messverfahren ausgestattet.

Um eine Gesamtwärmemenge von 1.400 GWh an die jeweiligen Abnehmer bzw. Kunden verrechnen zu können, benötigt es sehr vieler Zählerdaten. Diese wurden bisher konventionell und sehr zeitintensiv eruiert, d.h. mittels Ableseliste wurden die meisten der ca. 12.000 in der Steiermark befindlichen Zähler von einem Mitarbeiter/In abgelesen.

Im Zusammenhang mit der technologischen Entwicklung von Fernübertragungssystemen begann die Steirische Gas & Wärme GmbH mit der Einführung solcher. Zu Beginn war es nur wirtschaftlich, Großabnehmer wie Firmen, Einkaufszentren, Schulen, Thermalbäder usw. mit diversen Fernübertragungssystemen auszustatten, die auf Grund höherer Anschlussleistungen monatlich abgelesen und folglich abgerechnet wurden. Im Laufe der Zeit wurden die einzelnen Module, die mit geringem Aufwand in die Zähler verbaut werden können, ungleich günstiger. Dies führte zu einer flächendeckenden Einführung von Fernübertragungssystemen bei Wärmemengenzählern.

Bis dato haben sich in der Steirischen Gas & Wärme GmbH vier Systeme etabliert. Diese werden auf Grund verschiedenster Kriterien ausgewählt.

- Funk
- M-Bus (M eter B us)
- GSM (G lobal S ystem for M obile Communications)
- Modem

Mit allen oben genannten Systemen können Wärmezähler von der Ferne ausgelesen werden. Dies wird im Fachjargon mit Automatic Meter Reading, kurz AMR, bezeichnet.

Es sollen in dieser wissenschaftlichen Arbeit die Eigenschaften wie Funktionsweise, Montage, Einsatzbereich und Übertragungssicherheit der verschiedenen Fernauslesesysteme erfasst bzw. gegenübergestellt werden. Diese Erkenntnisse sollen in die Planung neuer Fernauslesesysteme bei Fernwärmezählern einfließen.

Weiters soll diese Arbeit eine kompakte Übersicht der in der Steirischen Gas & Wärme verwendeten Fernübertragungssysteme darstellen und als Schulungsskript für Mitarbeiter/Innen dienen, um etwaige Montagefehler zu verhindern und zusätzlich eine Störungsbehebung rascher durchzuführen.

2 Vor- und Nachteile einer Fernübertragung

Wie jede Modernisierung bringt auch eine Fernauslesung von Wärmezählern Einsparpotentiale mit sich. Aufgrund von internen Investitionsberechnungen sollte sich eine Umstellung auf Fernauslesung der Zählerdaten innerhalb von fünf Jahren amortisiert haben. Hierbei wurde berücksichtigt, dass nicht nur der Personalaufwand für die Ablesung sinkt, sondern in weiterer Folge auch der Aufwand für die Dateneingabe in die Verrechnungssoftware. Zusätzlich werden Ablesefehler vermieden sowie eine rasche und exakte Verrechnung gewährleistet. Dennoch sollte man bedenken, dass die Umstellung eines bestehenden Fernwärmenetzes einen schleichenden Übergang darstellt. Der überwiegende Teil der Zähler wird anhand der 5-jährigen Eichperiode erneuert und auf Fernauslesung umgestellt, wobei neuere elektronische Zähler, die nicht mit einem Fernübertragungssystem kompatibel sind, dennoch wieder eingebaut werden. Des Weiteren verlangt der anfängliche Administrationsaufwand, z.B. Routenplanung bei Funkablesung etc., eine Umstellung, die Schritt für Schritt erfolgt.

2.1 Technologischer Aspekt

Im Zuge der Umstellung auf Fernauslesung kann bei entsprechender Steuerung ein einheitlicher Zählerbestand bewerkstelligt werden. Es können somit, falls vorhanden, alte verlustreiche mechanische Zähler durch neue elektronische Zähler mit modernster Technologie ersetzt werden. Dies sind meist Ultraschallwärmezähler oder Magnetisch-Induktive-Wärmezähler mit einem sehr geringen Messfehler. Durch eine Vereinheitlichung des Zählertyps wie auch des Herstellers wird weiters auch die Durchlaufzeit bei einer fälligen Eichung verkürzt. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung einer Eichstelle im Allgemeinen. Bei Spezialisierung auf einen Anbieter können die Zähler sehr kostengünstig eingekauft werden. Jedoch verliert man bei einer solchen Spezialisierung sehr viel an Unabhängigkeit bezüglich Anbieterauswahl, da die meisten Module nicht mit anderen Herstellern kompatibel sind.

Zwischenablesungen können jederzeit durchgeführt werden und der Kunde muss nicht mehr anwesend sein, weil von der Ferne ausgelesen wird. Eine ferngestützte Auslesung erfolgt mit einer nahezu 100%igen Fehlerlosigkeit und kann unverzüglich auf Korrektheit überprüft werden. Ein sogenannter „Ziffernsturz“ ist ausgeschlossen und bringt Ablesesicherheit. Durch Fernauslesung ist eine Ablesung genauer, weil diese zeitpunktbezogen erfolgt, was wiederum zu einer verbesserten Abrechnungsgenauigkeit führt.

Hinsichtlich CO2 Ausstoß kann durch Fernauslesung ein kleiner Teil zur Reduktion beigetragen werden. Bei kontinuierlicher Datenübertragung, z.B. mittels Modem, kann bei Analyse und richtiger Auswertung dies zu einer Optimierung der Anlage führen. Zusätzlich können Lastspitzen schneller eruiert werden, die in weiterer Folge Verbesserungen der Netzbelastung mit sich bringen.

Kein Pro ohne Contra: all diesen Vorteilen steht ein sehr großer Nachteil gegenüber. Durch Fernübertragungssysteme werden die Zähler in wenigen Sekunden ausgelesen und die monatliche oder jährliche Anlagenkontrolle im Zuge der Zählerablesung wird nicht oder nur teilweise durchgeführt. Somit werden Leckagen, Wartung der Schieber, Reinigung usw. und daraus resultierend Gefahrenquellen nicht bzw. sehr spät erkannt.

2.2 Personalpolitischer Aspekt

Ein großer Vorteil hinsichtlich personalpolitischer Betrachtung ist die gemeinsame Ablesung von einer zentralen Stelle aus. Eine Zeitersparnis von bis zu 70-80% bei Funkauslesung ist möglich. Bei vollautomatisierter Auslesung entfällt der komplette Zeitaufwand für die Ablesung.

Dafür wird ein höher qualifiziertes Personal für Administration und Installation benötigt. Gleichermaßen ist die Wartung und Störungsbehebung betroffen.

2.3 Kundenzentrierter Aspekt

Die größten Vorteile für den Kunden ergeben sich aus der stichtagsgenauen Abrechnung und dass der Kunde bei der Ablesung nicht anwesend sein muss. Da von der Ferne ausgelesen wird, wird kein Eintritt ins Haus bzw. zur Anlage benötigt. Somit ist der Privatbereich des Kunden geschützt.

2.4 Gegenüberstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Vor- und Nachteile einer Datenfernübertragung²

2.5 Ausgangssituation

Bis dato sind 4.000 von insgesamt 12.000 in Betrieb befindlichen Wärmezähler mit einem Fernübertragungssystem ausgestattet. Laut der Ablesung im Jahr 2008 liegt die durchschnittliche Ausfallsquote bei knapp 0,5%, die meist auf Produktionsfehler oder Montagefehler zurückzuführen ist. D.h. von den 4.000 Zählern funktionieren 20 nicht ordnungsgemäß und müssen meist ausgetauscht werden.

3 Funk

3.1 Allgemeines

Funkwellen (Radiowellen) sind einfach zu erzeugen. Sie können große Entfernungen zurücklegen und können in Gebäude eindringen, d.h. Wände, Decken oder Böden stellen kein Hindernis dar. Aus diesem Grund wird diese Technik häufig für eine Datenübertragung von einem Gebäude ins Freie angewandt.

Funkwellen sind elektromagnetische Wellen. Die Existenz von Radiowellen wurde 1888 experimentell nachgewiesen. Die ersten Funkversuche gingen ein paar Jahre später vonstatten, die eine Entfernung von 5 km überwanden. Im Laufe der Zeit fanden Datenverbindungen ohne etwaige Verbindungsleitung immer mehr Anwendung, sei es in Industrie, Medizin oder im Alltag eines jeden Menschen. In diesem Zusammenhang wurden Systeme entwickelt, mit denen Verbrauchsdaten der Kunden von Energieversorgungsunternehmen mittels Funkwellen übertragen werden können, um zusätzliche Kosten einzusparen und eine Auslesung zeiteffizienter zu gestalten.

3.2 Funktionsweise

Durch die Bewegung von Elektronen werden elektromagnetische Wellen erzeugt, die sich im Raum ausbreiten können. Wird nun eine Antenne der richtigen Größe an diesem Stromkreis angeschlossen, werden elektromagnetische Wellen ausgestrahlt, die von einem entsprechenden Empfänger in einer angemessenen Entfernung empfangen werden können. Dieses Funktionsprinzip findet in allen drahtlosen Kommunikationsarten Anwendung. In Vakuum breiten sich Wellen mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit aus, die mit Lichtgeschwindigkeit c bezeichnet wird. Im Vergleich können sich diese Wellen in einer Kupferleitung oder einer Glasfaserleitung nur etwa mit 2/3 der Geschwindigkeit in Vakuum ausbreiten.³ Auch in der Umgebungsluft müssen diese Wellen einen sehr geringen Widerstand, z.B. Schmutzpartikel, Nebel oder Regen, überwinden.

Funkwellen niederer Frequenz sind rundstrahlend (omnidirektional), deshalb müssen Sender und Empfänger nicht sorgfältig zueinander ausgerichtet werden.

3.2.1 Modulation

Um Daten mittels Funkwellen übertragen zu können, müssen diese moduliert werden. Die Nutzinformationen werden in einen Frequenzbereich verschoben, den eine Antenne abstrahlen kann. Das heißt, bei einer Modulation wird das eigentliche Funksignal (Trägerfrequenz) durch das Informationssignal (z.B. Zählerdaten) verändert. Es existieren verschiedene Parameter, die in einem Trägerfrequenzsignal verändert werden können, daraus leiten sich diverse Modulationsverfahren ab.⁴ Das Trägersignal ist jedoch hinsichtlich der zu übertragenden Daten nicht von Bedeutung.

Voraussetzung ist, dass das Trägersignal eine höhere Frequenz als die höchste auftretende Frequenz im Informationssignal aufweist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten⁵

Abbildung 2: Einteilung Modulationsverfahren⁶

Weiters werden auch lineare und nichtlineare Modulationsverfahren unterschieden. Bei Linearität ergibt die mathematische Funktion, die den Modulationsvorgang beschreibt, einen linearen Verlauf. Dies trifft bei der Amplitudenmodulation zu, weil diese im Zeitbereich eine Multiplikation darstellt. Der Vorteil hierbei ist die höhere Bandbreitenausnutzung. Nachteilig sind die hohen Anforderungen bezüglich der Linearität der Übertragungsstrecke (insbesondere Verstärker).

Im Gegensatz ist die mathematische Funktion bei einer nichtlinearen Modulation von einer Abbildung von Momentanwerten abhängig, was mit einem höheren Aufwand verbunden ist. Als Beispiel können die Frequenzmodulation und die Phasenmodulation genannt werden.⁷

3.2.1.1 Amplitudenumtastung (ASK)

Die Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying – ASK) ist eine Form der Amplitudenmodulation. Es wird die Amplitude eines Sinusträgers mit Hilfe eines digitalen Basisbandsignals moduliert. Die einfachste Umsetzung dieser Modulation (zweiwertigen Amplitudenumtastung) ist das On-Off-Keying (OOK). Hierbei nimmt die Amplitude des modulieren Signals nur zwei Werte an („1“ und „0“). Die Demodulation erfolgt meist mittels Hüllkurvendemodulation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Zeitfunktion der binären Amplitudenumtastung⁸

Die Modulation erfolgt einfach durch Multiplikation der Trägerschwingung mit dem Datensignal. Für die Demodulation kann die kohärente oder die inkohärente Demodulation angewendet werden. Für die inkohärente wird ein Hüllkurvendetektor benötigt. Das modulierte Signal und ein eventuell vorhandenes Störsignal haben keinen linearen Zusammenhang, was das Problem mit sich bringt, dass keine direkte Berechnung der Bitfehlerhäufigkeit möglich ist. Deshalb wird zu jedem Abtastzeitpunkt das Empfangssignal auf Korrektheit geprüft, was nur mit einem sehr aufwändigen Vorgang realisiert werden kann.

Durch den Einsatz eines vom Aufbau her einfacheren Hüllkurvendemodulators ist bei höheren Signal-Rausch-Abständen eine um weniger als 1dB höhere Signalenergie je Bit abzüglich Rauschleistungsdichte notwendig.⁹

Hierzu wird kein lokales Trägersignal benötigt, denn das Frequenzband wird mittels Bandpass herausgefiltert. Das gefilterte Signal wird mit einer Diode gleichgerichtet und gleich wie bei der Synchrondemodulation anhand von Tiefpass- bzw. Hochpassschaltung auf das ursprüngliche Signal rückmoduliert.

Die Amplitudenumtastung ist störanfällig, weil die Information in der Amplitude steckt. Störfaktoren treten allgemein in der Amplitude auf, wodurch die Information einfach verfälscht werden kann.¹⁰

3.2.1.2 Frequenzumtastung (FSK)

Die Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying – FSK) ist ein nichtlineares Verfahren mit konstanter Hüllkurve. Es handelt sich hierbei um eine Art der Frequenzmodulation. Sie wird meist in Systemen mit Leistungsverstärkern angewandt, die ohne Rücksicht auf Amplitudenverzerrungen voll ausgesteuert werden sollen. Gegenüber der Amplitudenumtastung kann mit dieser Modulationsart eine höhere Datenrate und eine größere Reichweite erreicht werden. Jedoch resultieren daraus eine geringere Bandbreite und ein höherer Energiebedarf.

Grundsätzlich erfolgt die Umsetzung dadurch, dass die Frequenz des Trägers entsprechend dem Datensignal zwischen verschiedenen diskreten Frequenzen verändert wird. Meist finden nur Systeme mit zwei Frequenzen (2-FSK) Anwendung, jedoch können höherstufige Formen vorkommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zeitfunktion der binären Frquenzumtastung¹¹

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Erzeugung eines FSK-Signals. Am einfachsten sind zwei oder mehr voneinander unabhängige Oszillatoren, die gleich dem Datensignal (am Ausgang des Modulators) getaktet sind. Diese Ausführung wird als NCFSK bezeichnet.

Die häufigere Realisierung eines FSK-Signals erfolgt als CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying). Hierbei wird ein abstimmbarer Oszillator in Reihe geschaltet und seine Frequenz mit dem Datensignal moduliert.

Die Demodulation kann wiederum mit Hilfe der kohärenten und inkohärenten Datenmodulation erfolgen. Die inkohärente ist vergleichsweise einfach zu bewerkstelligen, jedoch ist sie der kohärenten bezüglich des Empfängers unterlegen.

Eine weitere Möglichkeit der Demodulation beruht auf Basis von Näherungsalgorithmen (Maximum Likelihood Estimation – MLE).

Weiters ist darauf acht zu geben, dass bei der Demodulation Einschwingvorgänge auftreten, welche die Bitrate begrenzen.¹²

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¹ Vgl.: Energie Steiermark AG. http://www.e-steiermark.com/konzern/index.htm [Stand 15.12.2008].

² Eigene Darstellung

³ Vgl.: Tanenbaum, Andrew S. (2003): Computernetzwerke. 4., überarb. Aufl. München: Pearson. S. 121.

⁴ Vgl.: Zielosko, Gunther. Funk-Datenübertragung mit BASIC Tiger. http://www.wilke.de/guntherspage/view.php?we_objectID=374 [Stand 20.12.2008].

⁵ Eigene Darstellung

⁶ Eigene Darstellung

⁷ Vgl.: Mäusl, Rudolf; Göbel, Jürgen (2002): Analoge und digitale Modulationsverfahren. Basisband und Trägermodulation. Heidelberg: Hüthig. S. 7f.

⁸ Mäusl, Göbel (2002): Analoge und digitale Modulationsverfahren. S. 127.

⁹ Vgl.: Mäusl, Göbel (2002): Analoge und digitale Modulationsverfahren. S. 150ff.

¹⁰ Vgl.: Rech, Jörg (2008): Wireless LANs. 802.11-WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail. 3., akt. und erw. Aufl. Hannover: Heise. S. 26.

¹¹ Mäusl, Göbel (2002): Analoge und digitale Modulationsverfahren. S. 130.

¹² Vgl.: Mäusl, Göbel (2002): Analoge und digitale Modulationsverfahren. S. 192ff.