Inteligentny monitoring komunalnych i przemysłowych instalacji wodnych
Na całym świecie WAGO i Endress+Hauser realizują projekty cyfryzacji, mające na celu integrację zdalnych sygnałów z centralnymi strukturami IT. Jeden z tych ambitnych projektów został wdrożony w niemieckim regionie Odenwald. Dzięki sieci LoRaWAN zintegrowano tutaj liczne rozproszone punkty pomiarowe, co pozwala zaoszczędzić wiele godzin pracy.
Ze względu na zmiany klimatyczne w nadchodzących latach coraz więcej regionów jest zagrożonych niedoborem wody. Aby jak najlepiej wykorzystać dostępne zasoby, podmioty odpowiedzialne za gospodarkę wodną na całym świecie poszukują rozwiązań. Pomóc w tym mogą cyfrowe narzędzia, takie jak monitorowanie poboru wody lub wczesne wykrywanie wycieków w dystrybucji wody. Coraz więcej krajów zobowiązuje producentów i konsumentów do przejrzystego rejestrowania poboru i zużycia wody zarówno w instalacjach komunalnych, jak i przemysłowych. Środki regulacyjne wymagają ustanowienia określonych form sprawozdawczych. Aby sprostać wyzwaniom związanym z zaopatrzeniem w wodę, należy pilnie przyspieszyć cyfryzację gospodarki wodnej, choćby ze względu na pojawiający się już od dłuższego czasu niedobór wykwalifikowanych pracowników.
Często jednak bywa tak, że punkty kontroli jakości wody, studzienki, wysoko położone zbiorniki wodne lub stacje pomp są zlokalizowane w odległych regionach, z dala od dostawców oraz przemysłowych odbiorców wody. Chociaż od kilku lat odczyt czujników w takich instalacjach odbywa się za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej, to jest to możliwe tylko tam, gdzie dostępny jest zasięg. Niestety nie dotyczy to wszystkich lokalizacji i często jest niemożliwe do zrealizowania z przyczyn technicznych.
W rezultacie personel nie ma dostępu do niezbędnych danych i musi je sprawdzać na miejscu. Nierzadko więc wysoko wykwalifikowani pracownicy spędzają godziny w samochodzie tylko po to, aby odczytać proste wartości pomiarowe i zapisać je w wymaganych przez władze raportach.
Przykładem może być tu system zaopatrzenia w wodę dla miasta Oberzent w Hesji, gdzie poziomy wód w studniach i zbiornikach, a także przepływy objętościowe z pomp i rurociągów musiały być odczytywane indywidualnie. „Od dawna mamy obowiązek rejestrować pobór wody i przekazywać dane odpowiednim organom“, mówi Thomas Pirk. Jest specjalistą ds. zaopatrzenia w wodę i wraz z trzema kolegami odpowiada za siedem źródeł, dwie studzienki głębinowe i 18 wysoko położonych zbiorników wody. Wyzwanie wynika ze specyfiki regionu. Na obszarze dwa razy większym od Manhattanu, ale bardzo słabo zaludnionym, bo z zaledwie 10 000 mieszkańców, punkty pomiarowe są rozproszone po rozległym terenie Odenwald.
„W większości lokalizacji naszych instalacji nie ma po prostu zasięgu“, wyjaśnia Pirk. Dlatego czterej specjaliści ds. zaopatrzenia w wodę nie mieli do tej pory innego wyjścia, jak tylko udać się do każdego miejsca z osobna i zebrać dane z 35 przepływomierzy, 17 mierników poziomu i siedmiu manometrów, a potem wprowadzić je ręcznie do formularzy. To bardzo czasochłonne i mało efektywne rozwiązanie, które jest również podatne na błędy.
Tam, gdzie w przeszłości odczytywano stany poziomów i pobór wody lub natężenie przepływu, dziś system IIoT Netilion obsługuje wizualizację danych przesyłanych drogą radiową.
Thomas Pirk, specjalista ds. zaopatrzenia w wodę miasta Oberzent
Wraz z utworzeniem i uruchomieniem sieci LoRaWAN w Oberzent, lokalny dostawca energii Entega zainicjował cyfrową erę gromadzenia danych. LoRaWAN to rozległa sieć, która zużywa niewiele energii do pracy. LoRaWAN jest również ważnym filarem „Industrial Internet of Things (IIoT)“, zapewniającym uczestnikom bezpieczną komunikację dwukierunkową, lokalizację, szyfrowanie typu end-to-end i usługi mobilne.
Specjaliści z Endress+Hauser, dostawcy technologii pomiarowych i automatyzacji dla procesów i laboratoriów, wykorzystali te zalety i zintegrowali 19 stacji w Odenwald z systemem Netilion IIoT. System IIoT wizualizuje dane przekazywane drogą radiową i prezentuje je na przejrzystych pulpitach nawigacyjnych w formie określonej przez władze publiczne. Wystarczy rzut oka na monitor lub tablet, aby zobaczyć cały proces uzdatniania i magazynowania wody, w tym poziomy zbiorników i natężenia przepływu.
Czym jest LoRaWAN?
LoRaWAN oznacza „Low Power Wide Area Network“ i umożliwia bezprzewodową, bezpieczną komunikację dwukierunkową, lokalizację usług, szyfrowanie end-to-end oraz usługi mobilne. Aby wydłużyć żywotność baterii urządzeń końcowych, serwer sieciowy LoRaWAN zarządza prędkością danych dla każdego urządzenia końcowego indywidualnie za pomocą adaptacyjnego algorytmu prędkości danych (ADR). Prędkości transmisji danych LoRaWAN wahają się od 0,3 do 50 kB/s. Dla nowoczesnych mediów, takich jak zdjęcia lub filmy, są one wprawdzie niewielkie, ale w wielu przypadkach wystarczające dla pomiarów lub danych o stanach. Bezpieczeństwo komunikacji zapewniają dwa poziomy – jeden dla sieci i drugi dla aplikacji:
Nasza cyfrowa usługa Netilion Network Insights idealnie nadaje się do tego zastosowania. Dzięki niej miasto Oberzent może zarządzać swoimi zdecentralizowanymi aplikacjami wodnymi oraz rejestrować ich dane w dowolnym miejscu i czasie", mówi Benedikt Schumann, menedżer ds. rozwoju biznesu w Endress+Hauser. Ponadto umożliwia łatwe tworzenie protokołów i dokumentacji, a użytkownicy otrzymują alarmy zapewniające efektywne monitorowanie. Endress+Hauser oferuje nie tylko instrumentalizację instalacji, lecz także rozwiązania do transmisji, przetwarzania i wizualizacji danych. „Świadczymy usługi, aby nasi klienci mogli wykorzystywać swoje dane i generować wartość dodaną“, dodaje Schumann. Na przykład komunikaty o stanie urządzeń pomiarowych wskazują, które punkty pomiarowe wymagają konserwacji. Wycieki lub inne usterki w sieci wodociągowej są wykrywane wcześniej i można im szybciej zaradzić.
„Nasze kompletne rozwiązanie stało się możliwe tylko dzięki dobrej współpracy z WAGO i wykorzystaniu ich produktów“, wyjaśnia Schumann i dodaje: „Wybraliśmy WAGO jako dostawcę komponentów systemowych, aby oferować podobne pakiety monitoringu dla aplikacji wodnych klientom z różnych branż na całym świecie. Elastyczność i modularność są bardzo ważne w tej branży.“
Benedikt Schumann, kierownik ds. rozwoju biznesu Endress+Hauser
Nie tylko w sieci wodociągowej Oberzent, ale także w dużej części IIoT istnieje potrzeba przetwarzania wielu różnych wartości cyfrowych i analogowych. Lista jest długa i obejmuje zarówno protokoły Ethernet-IP, Modbus-TCP, Modbus-RTU, jak i HART oraz IO-Link. Różne urządzenia pomiarowe i czujniki (od przepływomierzy po czujniki drzwiowe) muszą być podłączone do gatewaya WAGO, a ich sygnały przetwarzane i przekazywane do systemu wyższego poziomu.
Platforma automatyki WAGO opiera się na standardach niezależnych od producentów, zarówno pod względem sprzętu, jak i oprogramowania. Dostępnych jest ponad 500 modułów i interfejsów komunikacyjnych. W celu prostej i szybkiej realizacji projektów na miejscu opracowano tzw. zestawy konstrukcyjne, a także kompletne skrzynki proof-of-concept, które można indywidualnie rozbudowywać zgodnie z wymaganiami projektu, wyjaśnia Wolfgang Laufmann.
„Współpraca była zawsze bardzo intensywna i teraz osiągnęliśmy punkt, w którym opracowujemy kolejne rozwiązania oparte na urządzeniach Edge“, mówi Schumann. Celem jest dodanie dodatkowych algorytmów obliczeniowych i tym samym oferowanie dalszych usług w środowisku OT.
Zestawy konstrukcyjne
Ostatecznie realizacja projektów cyfrowych wymaga wielu pojedynczych komponentów i dużego wysiłku komercyjnego. Niezbędne jest zestawienie numerów artykułów, cen i terminów dostaw dla sterowników, złączek i listew zaciskowych, a także zasilaczy i przewodów. Aby ograniczyć ten nakład pracy do minimum, WAGO oferuje zestawy konstrukcyjne jako pomoc w planowaniu projektu. Dzięki pakietom (tzw. packages) użytkownicy mogą szybko stworzyć swój węzeł komunikacyjny. Po wybraniu modułów system generuje jedno zlecenie, wraz z ceną i parametrami technicznymi. Takie rozwiązanie zapewnia bezpieczeństwo w projektowaniu. Istnieje również globalna umowa z poszczególnymi partnerami, takimi jak Endress+Hauser, w której określone są na przykład ceny dla różnych krajów.
Pierwszą ważną funkcją, której znaczenie będzie prawdopodobnie rosło jest to, że WAGO umożliwia zdalną weryfikację stanu urządzeń pomiarowych. Poszczególne przepływomierze otrzymują polecenie autotestowania i przesyłają przez gateway z powrotem do Netilion Network Insights setki informacji w celu weryfikacji, aby można było tam wygenerować certyfikat funkcjonalności. Funkcjonalność ta została wprowadzona dopiero niedawno i jest obecnie wdrażana na całym świecie w różnych scenariuszach. Takie specyficzne modyfikacje komponentów WAGO Edge są elastyczne i modułowe, dzięki czemu obsługują najróżniejsze aplikacje. „W Niemczech WAGO jest już bardzo znaną marką, ale ten usystematyzowany rodzaj współpracy oferujemy również w wielu innych krajach i nadal wspólnie go rozwijamy“, wyjaśnia Schumann.
Podczas gdy zarządcy wody w Oberzent są zadowoleni z możliwości archiwizowania starych dzienników operacyjnych w dającej się przewidzieć przyszłości, na horyzoncie pojawiają się już kolejne życzenia: „Jesteśmy w stanie wyobrazić sobie korzystanie z większej liczby usług cyfrowych Netilion“ – mówi Pirk. Obecnie zespół pracuje nad integracją kolejnych dziesięciu stacji z Netilion Network Insights. Ostatecznie wszystkie istotne dane będą dostępne na komputerze i tablecie i będą mogły być przeglądane w dowolnym momencie bez konieczności wsiadania do samochodu. To znacznie odciąża czteroosobowy zespół, który może teraz skoncentrować się na zapewnieniu dostaw wody dla obszaru miejskiego o powierzchni 165 km2, aby sprostać wyzwaniom przyszłości.
