Dezentrale Messdatenerfassung und Fernwartung –
Am Beispiel eines Pumpwerks

Die dezentrale Erfassung und autarke Überwachung von verteilten Messstellen inklusive Vernetzungsmöglichkeit wird ein immer wichtigerer Bestandteil um den Zustand von Anlagen und Maschinen auch aus der Ferne stets im Blick halten zu können. Auch im Hinblick auf sich immer weiterverbreitende Condition Monitoring Systeme.

 

Am Beispiel eines Stadtentwässerungsbetriebs möchten wir die Aufgabenstellung „Monitoring von verteilten Pumpwerken in der Stadt“ erläutern. Umgesetzt wurde die Aufgabenstellung durch Hard- und Software der Delphin Technology AG mit dem kompakten Loggito Logger – ein präziser Datenlogger mit Kleinsteuerungsfunktionen. Als Software kommt das Delphin Data Center als leistungsstarke DAQ Messdatensoftware in Kombination mit der Scada und Messdatenvisualisierungs-Software ProfiSignal 20 zum Einsatz.

 

Neben dem folgenden Beispiel können die Delphin Systeme auch in jeglichen anderen Anlagen für die dezentrale Steuerung, Regelung und Überwachung eingesetzt werden.

Status Quo – Dezentrale Pumpwerke der Stadtentwässerung

Die Stadtentwässerungsbetriebe betreiben ca. zwei Dutzend Pumpwerke, welche über das gesamte Stadtgebiet verteilt sind. An den jeweiligen Stationen werden die Füllstände der Pumpensümpfe sowie die Betriebszustände der Pumpen überwacht. Jeweils zwei Pumpen werden über eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) im Wechselbetrieb angesteuert, um die Zu- und Abflüsse im Gesamtsystem optimal regulieren zu können.

 

Die Überwachung der Pumpen und Füllstände dient der Betriebssicherheit der Abwasserkanalsysteme der Stadt und muss rund um die Uhr geschehen, um bei Störungen, durch beispielsweise Verstopfungen oder Problemen an den Pumpen, schnellstmöglich reagieren zu können.

Bisherige Überwachung über 3G-Mobilfunk

Bisher wurden die relevanten Daten via 3G-Mobilfunknetz an den Leitstand der Stadtentwässerung übertragen. Es war bisher nicht möglich, die Anlagendaten auf mobilen Endgeräten einzusehen. Servicetechniker mussten bisher direkt in die Pumpstationen fahren und den Anlagenstatus zu überprüfen. Eine Fernwartung via Tablet oder Laptop war nicht möglich.

 

Aufgrund der geplanten Abschaltung des 3G-Mobilfunknetzes muss ein Update auf einen neuen Standard wie LTE (4G) geschehen.

Retrofit: Fernwartung via 4G-Netz

In Zukunft werden alle Anlagen auf den zukunftsfähigen Mobilfunkstandard 4G umgerüstet. Mit der neu hinzukommenden Software wird eine kostengünstige Anlagenüberwachung durch mobilen Zugriff von jedem Ort der Stadt aus möglich. Mithilfe der kompakten Loggito Logger der Delphin Technology AG und dem Funkstandart 4G lässt sich eine dezentrale Anlagenüberwachung und -steuerung zur Fernwartung aufbauen.

 

Bisher wurde in den Pumpwerken der Stadtentwässerungsbetrieben Technik eingesetzt, die auf dem Mobilfunk Standard 3G beruhte und aufwendig zu warten war. Zusätzlich war es bisher nicht möglich, die Anlagendaten auf mobilen Endgeräten einzusehen.

Umsetzung: Autarke Hardware zur dezentralen Überwachung

Um die autarke Messdatenerfassung und das Monitoring zu gewährleisten, wurde zunächst in jedem der zwei Dutzend Pumpwerke ein Loggito Logger inkl. Mobilfunkmodul verbaut. Der eingesetzte Loggito Logger ist ein extrem leistungsstarker Datenlogger mit schnellem Prozessor, Datenspeicher und Funktionen einer Kleinsteuerung. Mittels der verbauten digitalen und analogen Ein- und Ausgänge im Loggito Logger kann die in jedem Pumpwerk vorhandene SPS direkt verbunden werden.

 

 

Mithilfe der hochpräzisen und universell nutzbaren Sensoreingänge konnten die erforderlichen Sensoren für Füllstände, Stromaufnahme sowie für Betriebsdaten und Störmeldungen problemlos angeschlossen werden. In diesem Fall wird der Loggito Logger zusätzlich zu den vorhandenen SPSen in den Pumpwerken eingesetzt. Mittels der in den Delphin Geräten verfügbaren Standards wie Modbus, OPC UA oder ProfiNet wird es möglich einen einfachen und schnellen Datenaustausch mit einer bestehenden SPS zu gewährleisten.

Übertragung der Dezentralen Messdaten an einen zentralen DAQ-Server

Die in den Pumpwerken erfassten Mess- und Steuerdaten werden durch einen zentralen Data Acquisition Server (DAQ) verwaltet. Der Server kann an jedem beliebigen Platz der Welt stehen, wenn eine Internetverbindung vorhanden ist. Auf dem Server werden alle ankommenden und abgehenden Daten durch die Server-Software Delphin Data Center (DDC) verwaltet. Als Hardware kann für den Server ein einfacher PC mit Windows oder Linux dienen oder aber ein Server in einem Rechenzentrum. Diese Vielfältigkeit, mit Hinblick auf die Hardware und auf die Server-Software DDC, macht es möglich, komplexe dezentrale Anlagen sowohl sicher als auch kostengünstig umzusetzen.

 

 

Funktionsweise der DAQ-Software Delphin Data Center:

Analyse & Monitoring

Standort- und plattformunabhängiger
Zugriff auf alle weltweit erfassten
Messdaten zur Darstellung durch
Messtechnik- und SCADA-Software.
Alarmierung per SMS- und E-Mail-
Versand.

Anbindung & Export

Das Delphin Data Center sorgt dafür, dass Daten aus beliebigen Quellen synchronisiert, miteinander verknüpft und gemeinsam analysiert werden können. Sowohl zur Datenerfassungs- als auch zur Visualisierungebene wird eine Vielzahl von Schnittstellen unterstützt.

Datenerfassung

Zentrale Sammlung, Analyse und Speicherung dezentral erfasster Daten aus beliebigen Datenquellen: Automatisierungs- und Messtechnikgeräte, Protokolle und Sensoren.

Steuerung & Regelung

Automatisierung, Regelung und Steuerung von Mess- und Regelabläufen. Direkt per Delphin Data Center oder über die intelligenten MSR-Geräte von Delphin.

VPN-Tunnel als sichere Datenübertragung zum DAQ-Server

In den Pumpwerken wurde neben den Delphin Loggito Loggern für die Datenerfassung und Steuerung zusätzlich ein LTE-Router mit leistungsstarken Antennen für die Internetverbindung verbaut. Die dezentral erfassten Steuer- und Messdaten werden via LTE und einem VPN-Tunnel an den dezentralen DAQ-Server übertragen. Die LTE-Router sind mit einer automatischen Neustart-Funktion versehen, welche bei einem Fehler des Verbindungsaufbaus bzw. der Erreichbarkeit des VPN-Gateways die Verbindung wieder herstellen und die Datenfernübertragung sicherstellen. Der Einsatz von speziellen LTE-Routern dient dazu, die dezentralen Pumpwerke zukunftsfähig halten zu können. Sollte sich in Zukunft der Mobilfunkstandard ändern, so muss nur die Komponente „Router“ ausgetauscht werden. Die Übertragung der Messdaten zur späteren Visualisierung und Steuerung an die Endgeräte der Stadt wird ebenfalls innerhalb eines abgesicherten Netzwerkes über VPN-Tunnel realisiert.

Visualisierung und dezentrale Steuerung

Auf dem zentralen DAQ-Server für die Pumpwerke der Stadtentwässerung ist neben der Messdatenmanagement-Software Delphin Data Center (DDC) auch die Serverversion der Delphin Technology Software ProfiSignal 20 installiert. Die Profisignal 20-Software dient auf den Endgeräten der Bediener als SCADA-Software zur Visualisierung, Steuerung und Regelung von Messdaten und Anlagen.

 

Die Software ProfiSignal 20 ist das Frontend des Monitoring-Systems und bietet ein interaktives Benutzerinterface. Die plattformunabhängige Komplettsoftware für die Visualisierung und Analyse der erfassten Messdaten ist sowohl in der Leitwarte als Desktop-Anwendung installiert als auch über die ProfiSignal 20 App auf den mobilen Endgeräten der Servicetechniker jederzeit abrufbar.

 

Auf übersichtlichen Dashboards werden die Messwerte der Pumpwerke sowie der zeitliche Verlauf in Messkurven dargestellt. Durch diese Trends wird eine historische Betrachtung der Messwerte schnell und einfach ermöglicht. Ein Übersichtsschaubild zeigt den Status anhand von Sammelalarmen für alle zwei Dutzend überwachten Pumpwerke. Zudem wird auf einem separaten Schaubild die Alarmliste in tabellarischer Form angezeigt. So haben sowohl der jeweilige Servicetechniker von unterwegs als auch die Mitarbeiter im Büro jederzeit den Zugriff auf sämtliche Messdaten.

 

Die Mitarbeiter der Stadtentwässerung können via OpenVPN Client auf die im Delphin Data Center verwalteten Daten zugreifen.

 

Der mobile Zugriff durch die Servicetechniker erfolgt per Smartphones und Tablets ebenfalls per OpenVPN-App in Kombination mit der ProfiSignal 20 Client App. Die benötigte ProfiSignal 20 App lässt sich sowohl für iOS- und Android-Endgeräte kostenlos im jeweiligen App Store herunterladen. Ein weiterer Vorteil des Fernzugriffs auf sämtliche Pumpwerke ist, dass nicht nur die Visualisierung der Messwerte, sondern auch die Konfiguration der Loggito Logger-Geräte aus der Ferne erfolgen kann.

 

Benutzer und Zugriffsverwaltung der dezentralen Anlagen und Daten

Der Funktionsumfang der verwendeten Server-Software erlaubt eine Benutzerverwaltung und die Vergabe von Zugriffsrechten für jegliche Daten und Zugriffsebenen. Mithilfe der Benutzerverwaltung lässt sich klar festlegen, welche Benutzergruppen Änderungen am Grundsystem und der Gerätekonfiguration vornehmen können und welche Benutzergruppen nur lesend auf das System zugreifen dürfen. Somit sind beispielweise die Servicetechniker in der Lage, Anpassungen an Grenzwerten oder der Überwachung und Speicherung verschiedener Parameter vorzunehmen, ohne jedes Mal den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Fahrten zum jeweiligen Pumpwerk zu haben. Dies erhöht die Flexibilität und spart gleichzeitig Ressourcen ein. Ebenso ist es aber auch möglich, nur lesende Zugriffe zu erlauben, um die Anlagensicherheit nicht zu gefährden.

Dezentrales Predictive Maintenance und Fernwartung

Wie ist es möglich, ein Predictive Maintenance zu ermöglichen, wenn die einzelnen Anlagen räumlich an ganz unterschiedlichen Stellen stehen? Bei unseren über die Stadt hinweg verteilten Pumpwerken werden die erfassten Prozessdaten von der ergänzten Delphin Hardware gesammelt und durch interne Rechenkanäle vorverarbeitet. Mittels eines sicheren VPNs werden alle Daten an einen zentralen Server oder PC im Leitstand übertragen. Über die installierte DAQ-Software Delphin Data Center (DDC) für das Prozess- und Messdatenmanagement werden alle Daten der Pumpwerke zentral verwaltet und verarbeitet. Hierdurch lassen sich jederzeit nicht nur Aussage über den aktuellen Zustand der Pumpwerke, sondern auch über den voraussichtlichen Zeitpunkt für eine Instandsetzung erkennen. Somit ist das Predictive Maintenance der Pumpwerke möglich. Die verbauten Pumpen können optimal und vorausschauend gewartet werden und Ausfallzeiten lassen sich vorbeugen.

Dezentrale Regelung und Dezentrale Datenspeicherung für mehr Sicherheit

Bei Anlagen, die via Fernwartung gesteuert oder überwacht werden sollen, muss die Anlagensicherheit auf höchstem Niveau sein. Aus diesem Grund darf nur Hardware für die Fernsteuerung bzw. Fernwartung der Anlagen / SPS verbaut werden, die auch bei einem Ausfall des Mobilfunknetzes eine sichere Anlagenregelung gewährleistet. Der Delphin Loggito Logger ist PC-unabhängig und erfüllt diese Anforderungen. Mit dem verbauten Prozessor und internen Datenspeicher kann der Loggito Logger sowohl Mess- als auch Steuerungs- und Regelungsfunktionen eigenständig autark durchführen. Falls es zu einem temporären Ausfall der Mobilfunkverbindung oder einer Störung beim zentralen Server kommen sollte, können sämtliche erfassten Daten im internen Datenspeicher abgelegt werden. Sobald das Mobilfunknetz und der Server wieder verfügbar sind, wird die Datenfernübertragung an den Server vollautomatisch fortgesetzt. Es gehen somit keine Daten verloren und die Messdatenbank auf dem DAQ Server wird lückenlos gefüllt. Alle nötigen und vorkonfigurierten Mess-, Steuer- und Regelbefehle werden beim Ausfall des Mobilfunknetzes oder des zentralen Servers eigenständig durch den Loggito Logger ausgeführt. Dies ist z. B. notwendig, wenn eine Notabschaltung aufgrund von zu hohen Temperaturen in den Anlagen oder wegen einer Grenzwertverletzung durchgeführt werden muss. Wird beispielsweise der Grenzwert für die Lagertemperatur oder die Leistungsaufnahme einer Pumpe überschritten, kann mithilfe der Digital-Ausgänge vom Loggito Logger eine automatische Abschaltung der Anlage erfolgen.

Abruf von historischen Anlagen-Daten

Die Messdaten werden im Delphin Data Center valide und rückführbar in einer Datenbank archiviert und sind mit einem sekundenschnellen Zugriff, egal ob im lokalen Netzwerk, per PC oder mobil per Smartphone oder Tablet, jederzeit abrufbar. Auch auf Mess- und Prozessdaten, die bereits vor Jahren erfasst wurden, kann ohne Probleme und innerhalb von Sekunden zugegriffen werden. Diese Funktion erlaubt es schnell und effizient Rückschlüsse aufgrund von vergangenen Anlagen-Parametern zu gewinnen und Optimierungen für den sicheren Betrieb durchzuführen.

Condition Monitoring von dezentralen Anlagen

Alle Pumpwerke lassen sich zentral miteinander vernetzen, um ein Condition Monitoring zu ermöglichen. Durch die Vernetzung wird ein Vergleich und eine tiefergehende Analyse der einzelnen Pumpwerke ermöglicht. Das Condition Monitoring wird mithilfe der verwendeten Software ProfiSignal 20 und dem Zugriff auf jegliche historische Anlagendaten über das Delphin Data Center umgesetzt. Die Verbindung zu den einzelnen Loggito Loggern sowie der Status jeder Messstelle werden zentral überwacht und es erfolgt eine automatische Alarmierung. Durch diese Informationslage ist es den verantwortlichen Ingenieuren nun möglich, die zuständigen Servicetechniker frühzeitig für eine Anlagenwartung zu beauftragen, bevor ein Ausfall droht.

Dezentrale Automatisierung und Regelung von Pumpwerken

Die Tatsache, dass das Delphin DataCenter (DDC) auf dem zentralen Server die Daten sämtlicher Loggito Logger bündelt, ermöglicht weitere Ausbauoptionen des dezentralen Monitoring-Systems. So ist es denkbar, dass die Pumpwerke untereinander kommunizieren, d. h. dass die Loggito Logger über den Delphin DataService ihre Daten austauschen und teilen. Damit könnte beispielsweise der Füllstand eines dahinterliegenden Schachts abgefragt werden, bevor ein Abpumpbefehl im vorgelagerten Bauwerk erfolgt, um Überlaufe zu verhindern. Zudem könnten mithilfe der vielseitigen Schnittstellen, wie Modbus TCP und OPC UA, auch weitere Peripherie, wie beispielweise Frequenzumrichter oder Leistungsmessgeräte an den Pumpwerken, mit in das Delphin Monitoring eingebunden werden. Letztendlich könnte so auch die Ansteuerung der Pumpen über eine Kleinsteuerung in Form eins Datenloggers der Firma Delphin Technology AG umgesetzt werden und die derzeit eingesetzten Steuerungen ersetzen. Es können also auch in Zukunft noch weitere Ausbaustufen des Systems folgen.

Umsetzung einer Dezentralen Anlage mit Delphin Technology

Aus der Erfahrung mit hunderten von Kunden wissen wir bei Delphin, wie vielfältig und komplex automatisierte oder überwachte Anlagen sein können. Wenn es darum geht, eine effiziente Lösung für komplexe Aufgabenstellungen im Bereich der dezentralen Überwachung zu finden, stehen wir Ihnen jederzeit zur Seite.

 

Egal ob es um eine komplette Neuanlage oder das Retrofit einer bestehenden Anlage geht – wir von Delphin können Ihnen zu jeder Ihrer Aufgabenstellung die passende Lösung anbieten. Unser hauseigenes Entwicklungsteam, bestehend aus erfahrenen Ingenieuren, entwickelt mit Ihnen gemeinsam das richtige Konzept.

 

Sie suchen eine Lösung für Ihr Projekt im Bereich der Automatisierung, Messtechnik oder Dezentrale Datenerfassung? Sprechen Sie uns an. Wir freuen uns, von Ihnen zu hören.

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