Referenz
IIoT für die Wasserwirtschaft

Smartes Monitoring von kommunalen und industriellen Wasseranwendungen

Von Kanada über Mexiko bis hin nach Südamerika und Australien reichen die Digitalisierungsprojekte von WAGO und Endress+Hauser, um entfernte Signale in zentrale IT-Strukturen einzubinden. Eines dieser herausfordernden Projekte fand vor der Haustür im heimischen Odenwald statt. Hier wurden weit verteilte Messstellen über ein LoRaWAN-Netz eingebunden und so etliche Arbeitsstunden eingespart.

Aufgrund des Klimawandels drohen in den nächsten Jahren, immer mehr Regionen unter Wasserknappheiten zu leiden. Um die vorhandenen Ressourcen bestmöglich zu nutzen, suchen Verantwortliche der Wasserwirtschaft weltweit nach Lösungen. Helfen können einige Instrumente aus dem digitalen Werkzeugkoffer, wie das Monitoring der Wasserentnahme oder die frühzeitige Leckageortung in der Wasserverteilung. Immer mehr Staaten verpflichten Wassererzeuger und -abnehmer, im kommunalen und industriellen Umfeld dazu Entnahmen und Verbräuche zu protokollieren und transparent zu machen. Regulierungsmaßnahmen fordern festgelegte Formate und Berichtsformen. Um Herausforderungen im Bereich der Wasserversorgung meistern zu können, muss die Digitalisierung der Wasserwirtschaft schon allein aufgrund des sich bereits länger abzeichnenden Fachkräftemangels dringend vorangetrieben werden.

Wasserqualitätskontrollstellen, Brunnen, hoch gelegene Wasserspeicher oder Pumpstationen liegen bei Versorgern oder industriellen Wasserabnehmern jedoch zum Teil weit auseinander und nicht selten in abgelegenen Regionen. Zwar werden seit einigen Jahren dort, wo eine Mobilfunkabdeckung vorhanden ist, die Sensoren in solchen Anlagen per Mobilfunknetz abgerufen, aber das ist nicht bei allen Standorten möglich und geschieht häufig auch nicht technisch durchgängig.

Im Ergebnis kann das Personal nicht auf die notwendigen Daten zugreifen und muss vor Ort nachschauen. Hochqualifizierte Mitarbeiter sitzen stundenlang im Auto, um einfache Messwerte abzulesen und in behördlich vorgegebene Berichte abzulegen.

Beispiel Wasserversorgung der Stadt Oberzent in Hessen: Pegelstände von Brunnen und Behältern sowie Volumenströme von Pumpen und Rohrleitungen mussten hier bislang einzeln abgelesen werden. „Es ist bei uns seit langem Pflicht, Wasserentnahmen zu protokollieren und diese dem Regierungspräsidium zu übermitteln“, sagt Thomas Pirk. Er ist Wassermeister und mit seinen drei Kollegen für sieben Quellen, zwei Tiefbrunnen und 18 Hochbehälter verantwortlich. Die Herausforderung dabei liegt an der regionalen Besonderheit: Auf einer Fläche zweimal so groß wie Manhattan, jedoch mit nur etwa 10.000 Einwohnern sehr dünn besiedelt, verteilen sich die Messstellen über den weiten Odenwald.

„Es ist schlicht kein Empfang an den meisten unserer Anlagen vorhanden“, sagt Pirk. Daher blieb den vier Wassermeistern bislang keine Alternative, als die Standorte einzeln abzufahren und die Daten der 35 Durchfluss-, 17 Füllstand- und sieben Druckmessgeräte vor Ort einzusammeln und in eine Liste händisch einzutragen – eine sehr zeitaufwändige und wenig effiziente Vorgehensweise, die zudem noch fehleranfällig ist.

Um die Vorschriften zu erfüllen und unseren Wasserverbrauch festzustellen, mussten wir früher praktisch jede Stelle täglich anfahren und die Werte händisch in einer Tabelle erfassen. Wir sind sehr froh, dass das jetzt der Vergangenheit angehört.

Thomas Pirk, Wassermeister Stadt Oberzent

LoRaWAN-Netzwerk ändert die Situation

Mit dem Aufbau und Betrieb eines LoRaWAN-Netzwerks in Oberzent gab der örtliche Energieversorger Entega vor Kurzem den Startschuss in das digitale Zeitalter der Datenerfassung. Die Abkürzung bedeutet „Low Power Wide Area Network“, also ein weit reichendes Netzwerk, das wenig Energie zum Betrieb benötigt. LoRaWAN ist eine wichtige Säule des „Industrial Internet of Things“ (IIoT) und bietet den Teilnehmern eine sichere bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung, eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und mobile Dienstleistungen.

Diese Vorteile machten sich die Spezialisten von Endress+Hauser, einem Anbieter von Mess- und Automatisierungstechnik für Prozess und Labor, zunutze und integrierten die 19 Stationen im Odenwald in ihr IIoT-Ökosystem Netilion. Das IIoT-Ökosystem visualisiert nun die per Funk übermittelten Daten und stellt sie in übersichtlichen Dashboards sowie in behördlich festgelegten Formaten und Berichtsformen dar. Mit einem Blick auf den Monitor oder einen Tablet-Computer sehen die Wassermeister den gesamten Prozess der Wasseraufbereitung und -speicherung, samt Behälterpegeln und Durchflüssen.

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN bedeutet „Low Power Wide Area Network“ und ermöglicht eine kabellose sichere bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung und Mobilität von Dienstleistungen, eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und mobile Dienstleistungen. Damit die Batterien der Endgeräte lange halten, verwaltet der LoRaWAN-Netzwerkserver die verwendete Datenrate für jedes Endgerät individuell mittels eines adaptiven Datenratenalgorithmus (ADR). Die LoRaWAN-Datenraten reichen dabei von 0,3 kbps bis hin zu 50 kbps – für moderne Medien wie Fotos oder Videos zwar recht wenig, für Mess- oder Zustandsdaten in vielen Fällen aber ausreichend. Die Sicherheit der Kommunikation wird durch zwei Ebenen gewährleistet – eine für das Netzwerk und eine für die Anwendung:

auf der Netzwerkebene mit eindeutigem Netzwerkschlüssel (IEEE-EUI64) und
auf der Applikationsebene mit dem Application-Key (IEEE-EUI64), der für die Sicherheit auf der Applikationsebene sorgt.

Komplettlösung durch WAGO-Komponenten

„Für diese Anwendung hat sich unser digitaler Service Netilion Network Insights besonders angeboten, denn hiermit kann die Stadt Oberzent seine dezentralen Wasser-Anwendungen jederzeit und überall managen und protokollieren“, sagt Benedikt Schumann, Business Development Manager bei Endress+Hauser. Zudem sind Protokolle und Nachweise einfach zu erstellen und die Anwender erhalten Alarmierungen für eine effiziente Überwachung. Endress+Hauser bietet neben der Instrumentierung der Anlagen Lösungen für den Transfer sowie die Aufbereitung und die Visualisierung der Daten an. „Wir stellen den Service zur Verfügung, damit unsere Kunden ihre Daten nutzen können und ein Mehrwert durch sie entsteht“, ergänzt Schumann. So wird beispielsweise durch Statusmeldungen der Messgeräte sichtbar, welche Messstellen gewartet werden müssen. Leckagen oder andere Störfälle im Wassernetz fallen schneller auf und können zeitnah behoben werden.

„Unsere Komplettlösung ist erst durch die gute Zusammenarbeit mit WAGO und die Nutzung ihrer Produkte möglich geworden“, sagt Schumann und ergänzt: „Wir haben WAGO als Systemkomponentenlieferant ausgewählt, um ähnliche Monitoring Packages für Wasserapplikationen bei verschiedenen Kunden und Industrien global anbieten zu können. In diesem Geschäft kommt es stark auf Flexibilität und Modularität an.“

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WAGO bietet in den verschiedenen Industrien global die ideale Partnerschaft, um die Anbindung der OT-Ebene zu gewährleisten, also von den Sensoren im Feld bis zum digitalen Service.

Benedikt Schumann, Business Development Manager Endress+Hauser

Nicht nur im Beispiel der Wasserversorgung Oberzent, sondern in weiten Teilen des IIoT müssen viele verschiedene digitale und analoge Werte verarbeitet werden. Die Liste ist lang und reicht von Ethernet-IP, Modbus-TCP, Modbus-RTU bis hin zu HART-Protokollen oder IO-Link. Unterschiedliche Messgeräte und Sensoren, vom Durchflussmessgerät bis hin zum Türkontakt, müssen an das WAGO Gateway angeschlossen, verarbeitet und an das übergeordnete System weitergeleitet werden.

Die WAGO Automatisierungsplattform setzt sowohl hardware- als auch software-seitig auf herstellerunabhängige Standards. Mehr als 500 Module und Schnittstellen stehen für die Kommunikation zur Verfügung. Für eine einfache und schnelle Projektumsetzung vor Ort wurden für diese Anwendung sogenannte Construction Kits sowie auch fertige Proof of Concept- Boxen entwickelt, die individuell entsprechend der Projektanforderung erweitert werden können, erklärt Wolfgang Laufmann.

„Die Zusammenarbeit war immer schon sehr intensiv und ist jetzt an einem Punkt angekommen, an dem wir weitere Edge-basierte Lösungen erarbeiten“, sagt Schumann. Ziel ist es, zusätzliche Rechenalgorithmen einzubauen und so weitere Services in der OT-Umgebung anbieten zu können.

Construction-Kits

Digitale Projekte verlangen am Ende zur Realisierung zahlreiche einzelne Komponenten und einiges an kaufmännischem Aufwand. Artikelnummern, Preise und Lieferzeiten von Controllern, Klemmen und Steckern, Netzgeräten und Kabeln müssen zusammengesucht werden. Um diesen Aufwand für Projekte so gering wie möglich zu halten, bietet WAGO Construction-Kits als Projektierungshilfe an. Über sogenannte Packages können Anwender schnell ihren Kommunikationsknoten zusammenstellen. Nachdem die Module ausgewählt sind, gibt das System eine einzige Order aus, samt Preis und technischen Features. Das führt zu einem sicheren Projektieren. Mit einzelnen Partnern, wie mit Endress+Hauser, besteht zudem ein Global Agreement, in dem beispielsweise Preise für unterschiedliche Länder hinterlegt sind.

Eine erste wichtige Funktion, deren Bedeutung weiter zunehmen dürfte: Mit WAGO kann der Zustand von Messgeräten aus der Ferne verifiziert werden. Einzelne Durchflussmessgeräte erhalten den Auftrag, sich selbst zu prüfen und senden über das Gateway hunderte von Informationen zur Verifikation gebündelt zurück zu Netilion Network Insights, sodass dort ein Zertifikat über die Funktionsfähigkeit erstellt werden kann. Diese Funktionalität wurde erst jüngst etabliert und wird derzeit global in verschiedenen Szenarien ausgerollt. Diese spezifischen Weiterentwicklungen auf den WAGO Edge-Komponenten sind flexibel und modular und bedienen so die unterschiedlichsten Applikationen. „In Deutschland ist WAGO bereits eine bekannte Größe, doch auch in vielen anderen Ländern bieten wir diese systematisierte Zusammenarbeit gemeinsam an und bauen sie gemeinsam weiter aus“, sagt Schumann.

Blick in die Zukunft

Während die Wassermeister in Oberzent froh sind, in absehbarer Zukunft die alten Betriebstagebücher ins Archiv geben zu können, zeichnen sich schon die nächsten Wünsche ab: „Wir könnten uns gut vorstellen, weitere digitale Services von Netilion zu nutzen“, sagt Pirk. Ganz aktuell arbeitet das Team daran, weitere zehn Stationen in Netilion Network Insights zu integrieren. Am Ende stehen alle relevanten Daten am PC und auf dem Tablet zur Verfügung und können zu jeder Zeit eingesehen werden, ohne ins Auto steigen zu müssen. Das entlastet das Vier-Personen-Team und die Konzentration richtet sich nun darauf, die Wasserversorgung des 165 km2-Gemeindegebietes fit für die Herausforderungen der Zukunft zu machen.

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