Kleine Änderungen – große Energieeinsparungen

Manchmal können kleine Änderungen einen großen Unterschied machen. Der Anybus NP40 Netzwerkprozessor ist ein kleiner Chip – nur 17 x 17 Millimeter groß, aber er übernimmt die Kommunikation für viele Automatisierungsgeräte weltweit.

Das Anybus-Entwicklungsteam von HMS Networks in Schweden hat mehrere Maßnahmen umgesetzt, um die Anybus-Kommunikationsprodukte stromsparender zu machen. Und da Anybus-Produkte jedes Jahr millionenfach ausgeliefert werden, ist das Einsparpotenzial erheblich.

HMS Networks hat sich das ehrgeizige Nachhaltigkeitsziel gesetzt, bis 2025 in Bezug auf CO₂-Emissionen netto positiv zu werden. Das bedeutet, dass alle Teams jeden Stein umdrehen müssen, um nach Nachhaltigkeitsvorteilen zu suchen.

Ein Team, das dies im Blick hatte, ist die Entwicklungsabteilung von Anybus in Halmstad, Schweden. Dort werden die bewährten Anybus-Produkte für die industrielle Kommunikation entwickelt, mit denen Automatisierungsgeräte in jedem industriellen Netzwerk kommunizieren können (daher der Name Anybus).

Drei kleine Maßnahmen – große Wirkung

Der Anybus NP40 ist der leistungsstarke Netzwerkprozessor für die Kommunikation in gängigen Anybus-Produkten wie Anybus CompactCom oder Anybus Communicator.

Wie bei den meisten industriellen Anwendungen müssen auch die Anybus-Produkte "always on" sein und deshalb können Energiesparmaßnahmen eine große Wirkung haben – vor allem, wenn sie in Millionen von Anwendungen eingesetzt werden.

Timmy Brolin, Principal Engineer im Anybus-Entwicklungsteam von HMS, beschreibt drei kürzlich umgesetzte Initiativen.

Sie haben den Ruhemodus für die CPU implementiert, wenn keine Arbeit zu erledigen ist. Was sind die Auswirkungen davon?

"Obwohl wir Embedded-CPUs mit geringem Stromverbrauch verwenden, verbrauchen sie immer noch ein wenig Strom. Wir konnten den durchschnittlichen Stromverbrauch um etwa 100 mW (Milliwatt) senken, indem wir einfach dafür gesorgt haben, dass der CPU-Kern in den Ruhemodus versetzt wird, wenn keine Arbeit zu erledigen ist.

Dies ist manchmal so einfach wie das Hinzufügen von nur einer oder wenigen Zeilen in der Codebasis. Und auch wenn 100 mW auf den ersten Blick nicht viel zu sein scheinen, summieren sie sich zu überraschend großen Zahlen, wenn Produkte millionenfach produziert werden."

(Siehe Rechenbeispiel am Ende.)

Sie haben auch eingebaute Regler durch schaltende Abwärtsregler ersetzt, wie funktioniert das?

"Bestimmte Arten von Komponenten, wie z. B. Mikrocontroller, Kommunikationscontroller und Ethernet-PHY-Geräte *, erfordern in der Regel eine Niederspannungsversorgung für den Kern und eine höhere Spannung für die E/As**.
 
Einige dieser Komponenten verfügen über einen eingebauten linearen Leistungsregler für den Kern, so dass sie mit einem einzigen Netzteil mit höherer Spannung, z. B. 3,3 V, betrieben werden können. Diese eingebauten Linearregler sind jedoch nicht besonders effizient und verschwenden daher Strom.

In einem neuen Design haben wir einen eingebauten Regler mit einem Wirkungsgrad von 36 % deaktiviert und einen Abwärtsregler*** von Texas Instruments mit einem Wirkungsgrad von 90 % hinzugefügt. Durch diese Änderung konnte der Gesamtstromverbrauch um ca. 150 mW reduziert werden.
  
Obwohl der zusätzliche Regler die Anschaffungskosten des Produkts leicht erhöht, spart er dem Kunden insgesamt mehr Geld, da er den Energieverbrauch senkt."

Welche Energieeinsparungen sind mit modernen, energieeffizienten Ethernet-PHYs möglich?

"Vor einigen Jahren wurde eine überarbeitete Version des Standards für 10-Mbit-Ethernet mit dem Namen 10BASE-Te eingeführt. Diese Revision behebt ein altes Problem für Ethernet-PHY-Entwickler und ermöglicht es, einen Ethernet-PHY besser für den 100-Mbit- und Gigabit-Betrieb mit niedrigeren Spannungen zu optimieren, ohne die Kompatibilität mit der alten 10-Mbit-Version von Ethernet mit höherer Spannung zu beeinträchtigen.

Durch den Austausch älterer Ethernet-PHYs durch moderne, die gemäß der 10BASE-Te-Revision entwickelt wurden, haben wir den Stromverbrauch pro Ethernet-Port im 100-Mbit-Modus um ca. 190 mW reduziert.

Diese Energieeinsparung hat sich als die bedeutendste erwiesen, wenn man bedenkt, dass die meisten unserer Produkte jeweils über zwei oder mehr Ethernet-Ports verfügen." 

Samuel Alexandersson ist Business Line Director bei HMS Business Unit Anybus:

"Wir sprechen hier zwar von Energieeinsparungen in Milliwatt, aber der große Effekt liegt in der Größenordnung der Anybus-Kommunikationsmodule. Im vergangenen Jahr lieferte HMS 1,2 Millionen Anybus-Produkte aus. Unseren Berechnungen zufolge sind die potenziellen jährlichen Energieeinsparungen dieser Implementierungen höher als der jährliche Verbrauch von HMS als Unternehmen."

Samuel Alexandersson sieht für die Zukunft einen großen Bedarf an Energiesparmaßnahmen.

"Unsere Industriekunden tun heutzutage alles, um Energie zu sparen, und bei steigenden Energiepreisen können solche Kleinigkeiten wirklich einen großen Unterschied machen, wenn es darum geht, den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen von Automatisierungsgeräten zu senken."

* PHY bezieht sich auf die physikalische Schicht im OSI-Modell – in diesem Fall die Komponente, die das elektrische Signal auf dem Ethernet-Kabel steuert.

**E/A – Ein- und Ausgänge

***Ein Abwärtsregler ist ein DC/DC-Stromwandler, der die Spannung von seinem Eingang heruntersenkt (und gleichzeitig den Strom erhöht).