Logging-Forschung: Beim Fenster raus und bei der Türe wieder rein

Die Datenkrake wird täglilch herausgefordert: So viele Möglichkeiten gibt es, neue Tentakel in bisher unerforschte Gebiete auszustrecken!

Das CMI ist seit einiger Zeit selbst eine Datenkrake: In den Einstellungen können Ein- und Ausgänge am CAN-Bus oder für Modbus-TCP konfiguriert werden.

Logisch und physisch getrennt von Wärmepumpe und Hydraulik arbeitet der PV-Wechselrichter der Siedler (Fronius Symo 4.5-3-M). Die PV-Daten werden lokal auf einen USB-Stick geloggt; das minimale Loggingintervall beträgt 5 Minuten. An manchen dunklen Abenden werden die gesammelten Daten dann an die Krake verfüttert. Der Fronius-Datenlogger hat eine WLAN-/Internet-Verbindung und einen lokalen Webserver, aber direkt ‚online runterkopieren‘ von diesem Stick kann man die Daten nicht.

Aber es gibt eine Modbus-TCP-Schnittstelle: Damit können die aktuellen Daten von einem Computer im  lokalen Netzwerk abgefragt werden oder von einem anderen Dings im Internet of Things. Die Siedler wollten nun wissen, ob der Modbus-Client des CMI das USB-Logging ersetzen könnte. Oder könnte gar die künstliche Intelligenz der Regelung auf die aktuelle PV-Leistung reagieren? Der Wechselrichter hat eine Energiemanagement-Funktion, aber 1) er könnte nur sehr schlicht über ein Relay ‚kommunizieren‘ und 2) das natürlich nicht über WLAN.

Nötige Schritte und einige Erkenntnisse:

Modbus wird aktiviert am Datenlogger des Wechselrichters. Wir entscheiden uns für echte Kommazahlen und erlauben keine Änderungen über Modbus:

Modbus-Einstellungen am lokalen Webserver des Fronius-Symo-Wechselrichters. 502 ist der Modbus-Standardport. Die Alternative zu float wären Ganzzahlen mit Skalierungsfaktor SF (Faktor steht dann in anderem Register).

Check der Modbus-TCP-Dokumentation von Fronius: Benötigt werden die Register (‚Speicherplätze‘) der interessanten Werte, z.B. die aktuelle Outputleistung. Das ausführliche PDF ist aktuell hier zu finden. Eventuell Logging-würdige Werte sind in verschiedenen Tabellen (‚Models‘) zu finden – z.B. Daten die dem Wechselrichter ‚als Ganzes‘ zugeordnet werden oder nur einem String von PV-Modulen.

Dokumentation S.30, Common Inverter Model. Zum Loggen der Wechselstrom-Leistung werden folgende Angaben benötigt: Adresse 40092, Registertyp 3 (read and hold), Datentyp float32 (Platz entspricht zwei 16bit-Register, daher ist die Endadresse 40093) und die Einheit Watt.

Wichtig dazu ist dieser Hinweis auf S.15:

D.h. auf einem Modbus-Client muss bei der Abfrage der Leistung 40091 angegeben werden.

Mit diesen Infos und der IP-Adresse des Wechselrichters in lokalen Netz wird ein entsprechender analoger Modbus-Eingang am CMI festgelegt:

Modbus-Analogeingang 1 liest die aktuelle PV-Leistung vom Wechselrichter. Der ‚Eingangswert‘ ergibt sich, wenn die Daten als Integerzahl interpretiert werden. ‚Aktueller Wert‘: Der Integer-Teil der ‚wahren‘ Gleitkommazahl.

Ja, wir haben uns das in einem Netzwerk-Trace angeschaut 😉 nachdem uns das Dropdown-Menü zur Byte-Reihenfolge etwas verwirrt hatte: Modbus-TCP sollte immer Big Endian verwenden laut Protokollspezifikation.

Faktoren und Datentypen: Am CAN-Bus werden nur Integer-Werte verarbeitet – evtl. mit einem Skalierungsfaktor als Zusatzinformation. Bei der Leistung in Watt gibt es da glücklicherweise keinen Handlungsbedarf. Würde man aber z.B. die 15A Strom mit einer Kommazahl loggen wollen, müsste man den Faktor auf 10 setzen um eine Kommastelle aus der Floatzahl ‚mitzunehmen‘. Vorher am Symo Integer + Skalierungsfaktor einzustellen ist nicht sinnvoll, da dieser Faktor in einem anderen Register des Wechselrichters steht … das das CMI natürlich nicht kennt.

Wenn man statt relativ stabilen Werten irgendwelche Zahlen zwischen ca. -32000 und + 32000 sieht 😉 merkt man, dass hier etwas schiefgegangen ist.

Diese Einstellung bedeutet noch nicht, dass das CMI die Modbus-Daten schon ‚hat‘ und mitloggt. Alles, was man bis jetzt davon ‚hat‘, ist die Anzeige des aktuellen Wertes in der CMI-Modbus-Einstellung. Zur Weiterverarbeitung inklusive dem Logging am CMI selbst muss wieder ein passender Ausgang definiert werden. Das CMI kann nur über CAN- oder DL-Bus loggen. Also brauchen wir einen…

… analogen CAN-Bus-Ausgang am CMI:

Das CMI hat die Standard-Knotennummer 56. Jedes andere Gerät am CAN-Bus kann damit diesen Wert auslesen durch Angabe der Knotennummer und der Nummer des Analogausgangs – 1.

Diese Geräte nutzen aktuell den CAN-Bus:

Darstellung der Geräte durch das CMI. Beim Klick auf (unterstützte) Geräte kommt man in das entsprechende Konfigurationsmenü.

Wenn man sich die Logging-Einstellungen am CMI ansieht, könnte man in Versuchung kommen, einfach das CMI selbst – CAN 56 – auszuwählen:

Am CMI konfiguriertes lokales CAN-Logging (Nutzung mit Winsol) – von UVR1611 (1), UVR16x2 (2) und dem Energiezähler CAN-EZ (41).

Erkenntnis: Das CMI kann aber seinen eigenen CAN-Ausgang nicht loggen. Man kann zwar CAN 56 als Logging-Quelle im Dropdown-Menü anklicken, aber das endet dann so:

CAN-Fehler am CMI – ausgelöst durch den Versuch, das CMI als Logging-Quelle einzutragen (so dass es gleichzeitig Logger und Quelle spielt).

Hier ist das ‚Durchschleifen‘ des Wertes durch die ‚loggingfähige‘ UVR nötig – womit endlich der Titel des Postings erklärt wäre!

An der UVR16x2 wird der CAN-Ausgang des CMI jetzt als CAN-Eingang (‚Netzwerkvariable‘) verbunden:

Definition des Netzwerkeingangs auf der UVR16x2. Quelle ist der CAN-Ausgang am CMI (Knoten 56, Ausgang 1).

Die Leistung in Watt wird als Integer übergeben. Hätte man am Modbuseingang einen Faktor 10 verwendet, müsste hier die Einheit auf ‚dimensionslos,1‘ gesetzt werden.

Aktueller Wert am CAN-Netzwerkeingang.

Die UVR16x2 kennt damit die PV-Leistung. Dieser Wert steht für Regelungszwecke zur Verfügung und Irgendwer kann beginnen, das Warmwasser-Zeitprogramm durch eine Digitalisierte Smarte 4.0 Big Data AI Bot Version abzulösen. Skynet entwickelt ein Bewusstsein!

Andererseits kann der Wert durch das CMI von der UVR geloggt werden – als Teil des immer schon genutzten CAN-Loggings:

Anzeige der geloggten Daten mit Winsol (Zugriff auf lokale Logfiles): PV-Leistung, Globalstrahlung auf die senkrechte Fläche des Kollektors, Kollektortemperatur, Außentemperatur.

… bzw. kann das ‚Portal-Logging‘ auf cmi.ta.co.at konfiguriert werden …

Konfiguration des Loggings direkt am Portal cmi.ta.co.at – als mögliche Loggingquellen stehen nur UVR1611 und UVR16x2 zur Verfügung. Die interessanten CAN-Ausgänge müssen in den rechten Bereich gezogen werden – dann kann dieser Parameter in einem Profil ausgewählt werden und das Diagramm des Werteverlaufs wird online angezeigt.

… und online mitverfolgt …

Anzeige Logging-Profil auf cmi.ta.co.at. In diesem Fall werden die Daten beim Logging vom CMI an das Portal gesendet und dort gespeichert.

Würde man alle Outputwerte des Fronius-Datamanagers auf diese Art loggen, hätte man außerdem schnell die Limits betreffend Netzwerkvariablen und Loggingplätzen erreicht. Wenn man unbedingt jede Minute die Spannung zwischen Phase 1 und 2 oder die Blindleistung wissen will, verwendet man besser einen eigenen Logger, z.B. Rasperry Pi. Hier ist ein perfekt dokumentiertes Projekt: Logging der Daten von Fronius Symo mit Python über Modbus TCP, plus Datenbank und Weboberfläche.

Nur Werte, die tatsächlich auch zum  Regeln benötigt werden, sollten beim Fenster rausgeworfen und bei der Türe wieder hereingebeten werden!

Wärmepumpen-Forensik – Teil 2: Mitloggen der Heizenergiewerte

Nachdem sich der neue CAN-Bus-Sniffer warmgeschnüffelt hatte mit nicht sehr spannenden Testwerten, wurde es Zeit für den Einsatz im Feld.

Der Raspberry Pi erhielt zunächst einmal einen würdigen Platz, um sich Überblick über den Heizraum zu verschaffen …

Raspberry Pi hat Alles im Blick

Eine typische provisorische Teststellung. Die einzige Stelle, an der am Beginn der Tests das WLAN-Signal halbwegs OK war. Ein ausgekreuztes Ethernet-Kabel gibt’s außerdem auch noch!

Das CAN-Bus-Kabel wurde entsprechend der Bedienungsanleitung an die Wärmepumpe angeklemmt:

Bedienungsanleitung Stiebel-Eltron WPF 7 basic, Abschnitt Kleinspannung

Abschnitt 12.2.3 – Kleinspannung, Bus-Leitung. Die optionale zusätzliche Stromversorgung („+“) wurde nicht verwendet.

Wie beim Testen mit UVR1611 wurde der ebenfalls kurze CAN-Bus nicht speziell terminiert:

Bedienungsanleitung Stiebel-Eltron WPF 7 basic, CAN-Bus angeschlossen

Stiebel-Eltron WPF 7 basic mit offenem Gehäuse – High (rot), Low (blau) und Ground (gelb) sind angeschlossen.

Damit konnten die elkementaren Tests beginnen …

Der beste Arbeitsplatz

(Für eine mögliche Einreichung bei Wettbewerben wie ‚Great place to work…‘)

… und die CAN-Schnittstelle wurde aktiviert, entsprechend der Anleitung von messpunkt.org mit einer Bitrate von 20kbit/s:

sudo ip link set can0 type can bitrate 20000
sudo ifconfig can0 up

Ohne aktive Kommunikation sind auf dem Bus mit Wireshark dann nur alle paar Minuten zwei Pakete zu sehen – die Wärmepumpe will also gefragt werden.

Besten Dank wieder an juerg5524.ch für die Bereitstellung von CAN-Tools und der Elster-Tabellen, die die diversen interessanten Parameter / ‚Indizes‘ enthalten!

Wir verschaffen uns zuerst einen Überblick darüber, welche CAN-IDs die Wärmepumpe überhaupt verwendet. Eine CAN-ID repräsentiert ein Set von Eigenschaften wie z.B. Ausgänge und kann auch Informationen über die Knoten-ID am CAN-Bus enthalten (Zu CAN-Grundlagen siehe z.B. dieses Dokument.)

Wird der CAN-Bus angefragt mit einer Sender-ID von 680 (siehe ) …

./can_scan can0 680

… erhält man folgende IDs …

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

scan on CAN-id: 680
list of valid can id's:

  000 (8000 = 325-07)
  180 (8000 = 325-07)
  301 (8000 = 325-07)
  480 (8000 = 325-07)
  601 (8000 = 325-07)

Fragt man gezielt nach jeder dieser IDs …

./can_scan can0 680 180

… sieht man die Liste der Elster-Indizes mit selbst erklärenden Namen der einzelnen Parameter. Die Siedler finden die interessanten (Logging-würdigen) Parameter alle ‚unter‘ der CAN-ID 180 – hier ein Auszug aus dem Output:

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

0001:  0000  (FEHLERMELDUNG  0)
0003:  019a  (SPEICHERSOLLTEMP  41.0)
0005:  00f0  (RAUMSOLLTEMP_I  24.0)
0006:  00c8  (RAUMSOLLTEMP_II  20.0)
0007:  00c8  (RAUMSOLLTEMP_III  20.0)
0008:  00a0  (RAUMSOLLTEMP_NACHT  16.0)
0009:  3a0e  (UHRZEIT  14:58)
000a:  1208  (DATUM  18.08.)
000c:  00e9  (AUSSENTEMP  23.3) 
000d:  ffe6  (SAMMLERISTTEMP  -2.6)
000e:  fe70  (SPEICHERISTTEMP  -40.0)
0010:  0050  (GERAETEKONFIGURATION  80)
0013:  01e0  (EINSTELL_SPEICHERSOLLTEMP  48.0)
0016:  0140  (RUECKLAUFISTTEMP  32.0) 
...
01d4:  00e2  (QUELLE_IST  22.6) 
...
092a:  030d  (WAERMEERTRAG_WW_TAG_WH  781)
092b:  0000  (WAERMEERTRAG_WW_TAG_KWH  0)
092c:  0155  (WAERMEERTRAG_WW_SUM_KWH  341)
092d:  001a  (WAERMEERTRAG_WW_SUM_MWH  26)
...
092e:  02db  (WAERMEERTRAG_HEIZ_TAG_WH  731)
092f:  0006  (WAERMEERTRAG_HEIZ_TAG_KWH  6)
0930:  0073  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_KWH  115)
0931:  0027  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_MWH  39)

Um z.B. den Stand der Raumheizungsenergie in MWh abzufragen, sendet man …

./can_scan can0 680 180.0931

… und der Output enthält gleich die Summe der MWh- und kWh- Angaben (Indices 0930, 0931):

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

value: 0027  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_MWH  39.115)

Beim Mitschnüffeln mit Wireshark sieht man die beiden Abfagen (Sender-ID 680) und Rückgabe der beiden Werte:

Mitsniffen am CAN-Bus: Wärmepumpe, Abfrage Heizenergie

Netzwerk-Pakete am CAN-Bus: Abfrage der Elster-Indices 0930 (kWh Heizenergie) und 0931 (MWh Heizenergie) mit can_scan. Die Bedeutung der einzelnen Bits wird im Englischen elkementaren Artikel zu diesem Thema beschrieben.

Um das Monitoring dieser Werte zu automatisieren, wird can_scan alle paar Minuten für die interessanten Parameter ausgeführt und der Zahlenwert aus dem Output in eine CSV-Datei geschrieben. Eine andere Option wäre, nur die Abfrage mit can_scan zu starten und den Output dann mit can_logger einzusammeln.

Die CSV-Datei wird dann per FTP an den Server geschickt, der als Datenkrake sämtliche Logfiles aus unterschiedlichen Quellen (UVR1611 / 16×2, PV-Wechselrichter, Smart Meter) zusammenfasst.

Das komplette Skript – wie auch noch etwas mehr Details zur CAN-Forschung – findet man wie immer auf dem elkementaren Blog.

Natürlich muss der neue Logger auch das Professionalitäts-Level des UVR16x2 einhalten, was die Montage betrifft: Deshalb sind im Routinebetrieb nun beide friedlich auf ihrem Holzbrettchen vereint zu finden (und nach einer Restrukturierung der Netzwerk-Architektur gibt es im Heizraum auch verlässliches LAN und WLAN):

Raspberry Pi mit PiCAN-Board von SK Pang, neben UVR16x2

Raspberry Pi mit PiCAN-Board von SK Pang neben UVR16x2 auf ökologischem Brettchen.

Wie der aufmerksame Leser sieht, wurde auch das CAN-Board getauscht – eine serielle Schnittstelle eröffnet Perspektiven für zukünftige Forschungsprojekte. Danke an SK Pang für ein eigentlich gar nicht mehr verfügbares Board!!

Wärmepumpen-Forensik – Teil 1: Mithorchen am Test-CAN-Bus

In grauer Vorzeit war die Aufnahme von Messdaten eine Herausforderung, die an physische und psychische Grenzen ging:

White-Out

White-Out im Winter 2012/13. Bodentemperaturen mussten trotzdem Irgendwer messen!

Wurzelsepp misst

Warten auf das Temperaturgleichgewicht…

Mittlerweile werden fast alle Messdaten automatisch aufgenommen:

Online-Schema CMI/UVR1611/UVR16x2

Online-Schema CMI/UVR1611/UVR16x2 mit den für die Steuerung nötigen Temperatur- und Durchflusssensoren und einigen weiteren Sensoren für ‚Forschungszwecke‘ (Bodentemperatur, Strahlung)

Aber ein wesentlich Sensor hatte sich der Automatisierungswut der Siedler bis jetzt widersetzt: Die offizielle Arbeitszahl in der Messdaten-Dokumentation wird berechnet aus der Wärmeenergie, die Irgendwer tagaus, tagein am Display der Wärmepumpe abliest.

Die Siedler-Wärmepumpe ist zwar ‚absichtlich dumm gewählt‚ – aber vielleicht gibt es ja doch smarte Ansätze? Im Handbuch der Stiebel-Eltron WPF 7 basic werden sie fündig: Im Abschnitt Kleinspannung, BUS-Leitung werden die Anschlüsse CAN-Bus für Fernbedienung angeführt – vielleicht könnte man ja hier die Ergebnisse der bisherigen CAN-Bus-Forschung nutzen? Und vielleicht sogar den derzeit nicht produktiven Raspberry Pi verwenden?

Wie praktisch immer, wenn man glaubt ein Pionier zu sein, findet man im Internet bereits Anleitungen und Tools. Besten Dank an die Stiebel-Eltron-Raspberry-Pi-CAN-Bus-Hacker von messpunkt.org und juerg5524.ch!

CAN-Erweiterungsboard für Raspberry Pi

Erste Herausforderung: Unser Pi ist das ältere ‚Modell B‘. Im Gegensatz zum Nachfolgermodell B+ hatte dieser Pi nur 26 GPIO-Pins für Steuerungszwecke anstatt 40. Die PIN-Belegung hat sich zwar nicht geändert, aber neuere CAN-Boards für 40 Pins passen nicht auf den alten Pi. Der versierte Bastler wird aber auf ebay fündig und freut sich über dieses kleine Board passend für 26 Pins.

Damit ist die CAN-Schnüffel-Hardware einsatzbereit:

Raspberry Pi mit CAN-Board

Raspberry Pi mit aufgestecktem CAN-Board und verdrahtetem CAN-Kabel (grau). Blaues Kabel: Ethernet, schwarzes Kabel: Stromversorgung.

Um nicht gleich die Energieversorgung der Siedlerhütte lahm zu legen und Software zu testen, schnüffeln wir zuerst in einer…

Testumgebung: UVR1611 mit Logger BL-NET

Der Pi-Schnüffler wird daher an einen Test-Bus angeschlossen der aus den folgenden altbekannten Geräten besteht:

  • UVR1611-Steuerung mit einem angeschlossenen Temperatursensor
  • Datenlogger BL-NET, per ausgekreuztem Ethernet-Kabel mit einem Test-PC verbunden, auf dem Winsol läuft. Daten werden jede Minute geloggt. (Überblick zu Logging mit UVR1611 und BL-NET).

Eigentlich müsste jeder CAN-Bus an beiden Enden terminiert werden. Da dieser Test-CAN-Bus wie auch der Wärmepumpen-CAN-Bus nur sehr kurze Kabel verwenden und sie keine negativen Erfahrungen gemacht hatten mit kurzen falsch terminierten Bussen, verzichten die Siedler auf eine korrekte Terminierung.

Test Can-Bus: UVR1611 und BL-NET

Test Can-Bus: UVR1611 (Mitte) mit einem Pt1000-Temperatursensor (Metallhülse, schwarzes Kabel) und Datenlogger BL-NET (oben, weiß). Das CAN-Kabel (grau) verbindet 1) UVR1611, 2) BL-NET (blauer Stecker) und Raspberry Pi (nicht im Bild). Am LAN-Kabel (gelb) ist ein PC mit Winsol angeschlossen.

Software und Konfiguration

Zuerst wird der Kernel des Raspberry Pi auf eine Version upgedated, die die CAN-Schnittstelle unterstützt. Für Details siehe z.B. diesen Blog-Artikel (Abschnitt Software Installation).

In der Raspberry-Pi-Konfiguration muss der für CAN benötigte SPI-Bus aktiviert werden. Dies wird im Detail beschrieben im Blog des CAN-Board-Herstellers SK Pang.

Bitrate einstellen

Der UVR-CAN-Bus verwendet eine Bitrate von 50kbit/s – im Gegensatz zum Wärmepumpen-Bus, der 20kbit/s benötigt. Mit folgendem Befehl wird die Bitrate eingestellt und die CAN-Schnittstelle ‚aktiviert‘:

sudo ip link set can0 type can bitrate 50000
sudo ifconfig can0 up

Bei falscher Bitrate sieht man beim Mitschnüffeln keine Pakete weil das CAN-Interface ’stummgeschaltet‘ wurde (Fehler BUS OFF [*]).

Wenn man alles richtig macht, sind jetzt alle zwischen BL-NET und UVR1611 ausgetauschten Pakete auch für den Raspberry Pi lesbar. Installiert man Wireshark, kann die CAN-Schnittstelle ausgewählt werden … und die Pakete werden korrekt dem CAN-Protokoll zugeordnet:

CAN-Bus-Netzwerkverkehr mitsniffen mit Wireshark

Nachdem Steuerung und Logger diesen Test überstanden haben, wagen sich die Siedler an die Kommunikation mit der Wärmepumpe heran. Fortsetzung folgt … hier in Teil 2.

[*] Etwas mehr Details im elkementaren Artikel zu diesem Thema.

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Weitere Details zur CAN-Kommunikation der UVR1611