Slimme monitoring van gemeentelijke en industriële watertoepassingen
WAGO en Endress+Hauser's digitaliserings projecten zijn uitgebreid van Canada tot Mexico tot Zuid Amerika en Australië om signalen op afstand te integreren in centrale IT-structuren. Één van deze uitdagende projecten zijn opgetreden in Duitsland, in het Odenwald bos. Wijd verspreide meetpunten werden geïntegreerd via een LoRaWAN netwerk, waardoor enkele uren werk werd bespaard.
Als gevolg van de klimaatverandering dreigen in de komende jaren steeds meer regio's met waterschaarste geconfronteerd te worden. Om de beschikbare hulpbronnen optimaal te benutten, zoeken de verantwoordelijken voor het waterbeheer wereldwijd naar oplossingen. Enkele instrumenten uit de "digitale gereedschapskoffer", zoals de monitoring van de wateropname of de vroegtijdige detectie van lekkages in de waterverdeling, kunnen hierbij helpen. Steeds meer landen verplichten waterproducenten en -verbruikers in de gemeentelijke en industriële sector ertoe om de opname- en verbruikswaarden te rapporteren en transparant te maken. De van toepassing zijnde regelgeving vraagt om vaste formaten en rapportagevormen. Om de uitdagingen op het gebied van de watervoorziening het hoofd te kunnen bieden, moet de digitalisering van het waterbeheer alleen al vanwege het reeds bestaande tekort aan geschoolde arbeidskrachten worden versneld.
Controlepunten voor de waterkwaliteit, putten, hooggelegen waterreservoirs of pompstations liggen bij nutsbedrijven of industriële afnemers soms ver uit elkaar en vaak ook in afgelegen gebieden. Sinds enkele jaren worden de sensoren in dergelijke systemen opgeroepen via het mobiele netwerk (waar dekking voor mobiele telefoons beschikbaar is), maar dat is niet op alle locaties mogelijk en is ook in technisch opzicht niet altijd systematisch mogelijk.
Het personeel heeft hierdoor geen toegang tot de benodigde gegevens en moet deze vaak ter plaatse controleren. Hooggekwalificeerde medewerkers zitten uren in de auto om eenvoudige meetwaarden af te lezen en te rapporteren in door de overheid voorgeschreven rapporten.
Een goed voorbeeld: de watervoorziening in de Duitse stad Oberzent. Waterstanden van putten en reservoirs evenals debietwaarden van pompen en leidingen moesten tot dusverre afzonderlijk afgelezen worden. "Het is bij ons al sinds geruime tijd verplicht om de wateropname te protocolleren en aan de lokale autoriteiten over te dragen", aldus Thomas Pirk. Thomas Pirk is watermeester en samen met zijn drie collega's verantwoordelijk voor zeven bronnen, twee diepe putten en 18 verhoogde waterreservoirs. De uitdaging hierbij zijn de regionale bijzonderheden: op een gebied dat twee keer zo groot is als Manhattan, maar met slechts 10.000 inwoners zeer dunbevolkt is, zijn de meetpunten verdeeld over het uitgestrekte Odenwald.
"Bij de meeste installaties is er simpelweg geen ontvangst", aldus Pirk. Daarom konden de vier watermeesters tot dusverre niks anders doen dan de gegevens van de 35 debiet-, 17 waterstand- en 7 drukmeters ter plaatse te verzamelen en handmatig in een lijst in te voeren – een tijdrovende en weinig efficiënte werkwijze die bovendien gevoelig is voor storingen.
Waar in het verleden waterstanden, wateropnames of debieten ter plaatse werden afgelezen, neemt het IIoT-ecosysteem Netilion de visualisatie van de draadloos overgedragen gegevens voor diens rekening.
Thomas Pirk, watermeester van de Duitse stad Oberzent
Met de opbouw en de exploitatie van een LoRaWAN-netwerk in Oberzent gaf het lokale energiebedrijf Entega onlangs het startschot voor het digitale tijdperk op het gebied van de gegevensregistratie. De afkorting staat voor "Low Power Wide Area Network", een uitgebreid netwerk dat weinig energie nodig heeft om goed te kunnen functioneren. LoRaWAN is een belangrijke steunpilaar voor het "Industrial Internet of Things" (IIoT) en biedt deelnemers een veilige bidirectionele communicatie, lokalisatie, een end-to-end-codering en mobiele diensten.
De specialisten van Endress+Hauser, actief in de meet- en automatiseringstechniek voor processen en laboratoria, maakten gebruik van deze voordelen en integreerden de 19 stations in het Odenwald in hun IIoT-ecosysteem Netilion. Het IIoT-ecosysteem visualiseert de draadloos overgedragen gegevens en presenteert deze in overzichtelijke dashboards en in door de overheid voorgeschreven formaten en rapportagevormen. Met één blik op een monitor of tablet zien de watermeesters het volledige proces van de waterbehandeling en -opslag, inclusief reservoirstanden en debieten.
Wat is LoRaWAN?
LoRaWAN staat voor "Low Power Wide Area Network" en maakt een draadloze, veilige en bidirectionele communicatie, lokalisatie en mobiliteit van diensten, end-to-end-codering en mobiele diensten mogelijk. Opdat de accu's van de eindapparaten langer meegaan, beheert de LoRaWAN-netwerkserver de gebruikte gegevenssnelheid voor ieder eindapparaat individueel met behulp van een adaptief algoritme voor gegevenssnelheden (ADR). De LoRaWAN-gegevenssnelheden variëren van 0,3 kbps tot 50 kbps – voor moderne media zoals foto's of video's vrij weinig, voor meet- of statusgegevens in veel gevallen echter ruim voldoende. De veiligheid van de communicatie wordt door twee niveaus gewaarborgd – één niveau voor het netwerk en één niveau voor de toepassing:
"Voor deze toepassing bleek onze digitale service Netilion Network Insights bijzonder geschikt, aangezien de stad Oberzent decentrale watertoepassingen hiermee altijd en overal kan beheren en rapporteren", aldus Benedikt Schumann, Business Development Manager bij Endress+Hauser. Bovendien kunnen rapporten en certificaten eenvoudig worden opgesteld en ontvangen de gebruikers alarmmeldingen voor een efficiënte bewaking. Endress+Hauser biedt naast de instrumentatie van de installaties ook oplossingen voor de overdracht alsmede voor de verwerking en de visualisatie van de gegevens. "Wij stellen de service ter beschikking, zodat onze klanten hun gegevens kunnen benutten en een toegevoegde waarde ontstaat", vult Schumann aan. Door statusmeldingen van de meetapparaten wordt bijvoorbeeld duidelijk welke meetpunten onderhouden moeten worden. Lekkages of andere storingen in het waternet vallen sneller op en kunnen snel worden verholpen.
"Onze complete oplossing kon pas gerealiseerd worden door de goede samenwerking met WAGO en het gebruik van de producten van WAGO", aldus Schumann. Hij vult aan: "We hebben voor WAGO als leverancier van systeemcomponenten gekozen om vergelijkbare monitoring packages voor waterapplicaties bij verschillende klanten en industrieën wereldwijd aan te kunnen bieden. In deze business zijn flexibiliteit en modulariteit van cruciaal belang."
Benedikt Schumann, Business Development Manager Endress+Hauser
Niet alleen in het voorbeeld van de watervoorziening in Oberzent, ook in grote delen van het IoT moeten diverse digitale en analoge waarden worden verwerkt. De lijst is lang en reikt van Ethernet-IP, Modbus-TCP, Modbus-RTU tot HART-protocollen of IO-Link. Verschillende meetapparaten en sensoren, van debietmeter tot deurcontact, moeten op de WAGO-gateway aangesloten, verwerkt en aan het bovengeschikte systeem overgedragen worden.
Het automatiseringsplatform van WAGO vertrouwt zowel met betrekking tot hardware als software op fabrikantonafhankelijke standaards. Meer dan 500 modules en interfaces zijn beschikbaar voor de communicatie. Voor een eenvoudige en snelle realisatie van projecten ter plaatse zijn voor deze toepassing zogenoemde "Construction Kits" evenals kant-en-klare "Proof of Concept Boxes" ontwikkeld, die individueel en overeenkomstig de projecteisen uitgebreid kunnen worden, licht Wolfgang Laufmann toe.
"De samenwerking was altijd al zeer intensief en heeft nu een punt bereikt waarop we nog meer Edge-gebaseerde oplossingen uitwerken", aldus Schumann. Het doel: extra rekenalgoritmes integreren om meer services in de OT-omgeving aan te kunnen bieden.
Construction Kits
Voor de realisatie van digitale projecten zijn een groot aantal losse componenten en een aanzienlijke commerciële inspanning nodig. Artikelnummers, prijzen en levertijden van controllers, klemmen en stekers, netvoedingen en kabels moeten bij elkaar gezocht worden. Om de voor projecten benodigde tijd en moeite tot een minimum te beperken, biedt WAGO "Construction Kits" als projecteringshulp aan. Via zogenoemde "packages" kunnen gebruikers hun communicatieknooppunt snel samenstellen. Nadat de modules zijn geselecteerd, geeft het systeem één order uit, inclusief prijs en technische features. Dit zorgt voor een veilige projectering. Met enkele partners, zoals Endress+Hauser, is er bovendien een zogenoemd "Global Agreement", waarin bijvoorbeeld prijzen voor verschillende landen opgeslagen zijn.
Een eerste belangrijke functie, waarvan het belang waarschijnlijk nog zal toenemen: met WAGO kan de toestand van de meetapparaten op afstand worden gecontroleerd. Verschillende debietmeters krijgen de opdracht om zichzelf te controleren en sturen via de gateway honderden verificatiegegevens gebundeld terug naar Netilion Network Insights, waar een certificaat inzake de werking aangemaakt kan worden. Deze functionaliteit werd onlangs geïntroduceerd en wordt momenteel wereldwijd in verschillende scenario's uitgerold. Deze specifieke doorontwikkelingen op de Edge-componenten van WAGO zijn flexibel en modulair en zijn hierdoor geschikt voor de meest uiteenlopende applicaties. "In Duitsland is WAGO al een bekende naam, maar ook in tal van andere landen bieden we deze systematische samenwerking gemeenschappelijk aan en breiden we deze samen verder uit", aldus Schumann.
Terwijl de watermeesters in Oberzent blij zijn dat ze in de nabije toekomst de oude bedrijfsdagboeken in het archief kunnen opslaan, tekenen zich de volgende wensen af: "We kunnen ons goed voorstellen om meer digitale services van Netilion te gebruiken", aldus Pirk. Het team werkt momenteel aan de integratie van tien extra stations in Netilion Network Insights. Uiteindelijk zijn alle relevante gegevens op de PC en op de tablet beschikbaar en kunnen op elk gewenst moment worden bekeken, zonder in de auto te hoeven stappen. Dit ontlast de vier medewerkers van het team. De focus ligt nu op het klaarstomen van de watervoorziening van het 165 km2 grote gemeentelijke gebied voor de uitdagingen van de toekomst.
