POC-200: Entfesseltes IIoT am Beispiel Wasserqualität

In der Fotografie ist die Methode des entfesselten Blitzens bekannt. Hinter dem etwas reißerischen Begriff verbirgt sich einfach die Idee, die beiden aneinander gefesselten Systemkomponenten Kamera und Blitz zu „befreien“ und durch die Loslösung größeren Spielraum für Kreativität und Einsatzmöglichkeiten zu schaffen. Diese einfache, aber höchst effiziente Methode ist auch auf das industrielle Internet of Things (IIoT) anwendbar. Anstatt sich auf ein Paket von aneinander gefesselten Systemkomponenten eines einzelnen Herstellers zu beschränken, bietet eine Systemarchitektur mit projektspezifisch zugeschnittener Auswahl von Komponenten verschiedener Hersteller die optimale Performance, und das oft noch zu günstigeren Konditionen. Die Datenkommunikation wird dabei ebenso wie die Hardware-Interaktion durch maßgeschneiderte Software gesichert.

Wenn es um maßgeschneiderte Software geht, steht oft das Schreckgespenst der maßlos teuren Individuallösung im Raum. Die Sorge: Ein einzelnes Projekt muss die gesamten Kosten der Software-Entwicklung tragen. Im Rahmen des IIoT stellt sich die Situation etwas anders dar. Die Basis-Software ist oft sehr kostengünstig erhältlich oder wird kostenlos zusammen mit der Hardware zur Verfügung gestellt. In der Regel liegen die Schnittstellen offen. Projektbezogen geht es also „nur noch“ darum, die idealen Kommunikationswege zu definieren und das Zusammenspiel programmiertechnisch optimal umzusetzen. Genau auf diesen Prozess ist das seit Jahrzehnten bisher vor allem als Distributor bekannte Unternehmen Acceed spezialisiert. Bei Acceed hat man schon vor langer Zeit erkannt, dass die beste Lösung nicht darin besteht, auf eine einzelne Marke oder nur einen Hersteller zu setzen. Gerade die hoch motivierten und innovativen Entwickler aus Asien konzentrieren sich in der Regel auf einen technischen und thematischen Schwerpunkt, in dem alle Kräfte gebündelt werden. Die Zeiten des Bauchladens, der für jeden etwas bietet, aber leider keine Spitzenleistung, sind vorbei. Die Kenntnis von Spitzentechnologien spezialisierter Entwickler befähigt Acceed dazu, out of the Box - herstellerunabhängig - zu denken und zu planen. Mit der auf das jeweilige Kundenprojekt abgestimmten eigenen Software-Entwicklung bringt Acceed dann die eigentliche Intelligenz in das System.

Ein einfaches Beispiel verdeutlicht das Zusammenwirken von Hardware-Auswahl und Software-Entwicklung. Bei der Reinigung von Flaschen in Getränkeabfüllanlagen wird unter anderem NaOH (Natriumhydroxid) eingesetzt. Durch den Einsatz der Lauge wird der pH-Wert im Abwasser erhöht. Dadurch können die Mikroorganismen der biologischen Reinigungsstufen im Klärwerk die Stickstoffverbindungen nicht mehr effizient abbauen. Um eine Schädigung dieser Mikroorganismen, und darüber hinaus der Wasserflora und Fauna generell, zu verhindern, ist es notwendig, laufend den pH-Wert lokal an verschiedenen Orten zu messen. Bisher werden diese Messungen manuell durch Abwasser-Fachkräfte von Klärwerken oder externen Labors ausgeführt, was einen hohen Aufwand an Personal, Material, Arbeits- und Reisezeit mit sich bringt. Die Zahl der tatsächlichen Messungen ist zudem durch die verfügbaren Personalressourcen begrenzt.

Acceed entwickelte in Kooperation mit einem Anbieter von Mess- und Regeltechnik ein System für die automatisierte Erfassung und zentrale Auswertung von Messdaten der verteilten Messstellen. Die eingesetzte Hardware besteht neben den pH-Sonden aus einem Gateway, einem industriellen Box-Computer POC-210, einem von Acceed programmierten Microcontroller und der von Acceed entwickelten Software für die Auswertung und Visualisierung der Messdaten.

Der von Acceed programmierte Microcontroller liest die Messwerte der pH-Sonden über das Modbus-RTU-Protokoll aus. Die Übertragung erfolgt dann über eine LoRaWAN-Funkstrecke an ein Gateway. So werden die Daten von schwer zugänglichen Messorten im Abwasserkanal möglichst energieeffizient in regelmäßigen Intervallen auch über weite Strecken gesendet. Die LoRaWAN-Technik eignet sich - abhängig von verwendeten Sensoren - auch für den Einsatz in ATEX-Umgebungen, die den Beschränkungen der Zone 1 Gaszone IIb unterliegen. Über Ethernet werden die Daten vom Gateway zum zentralen Box-Computer (POC-210) übertragen. Dort erfolgt die Speicherung (MySQL), Auswertung und Visualisierung (NodeRed). Neben der Dokumentation und Visualisierung ist auch die Ausgabe von Alarmen bei Überschreitung von Grenzwerten möglich. So können die notwendigen Abwasserkontrollen effizienter, revisionssicher und kostengünstiger ausgeführt werden. Problematische pH-Messwerte werden ohne zeitliche Verzögerung erkannt, was ein frühzeitiges und wirksames Eingreifen ermöglicht, bevor es zu größeren Beeinträchtigungen kommt.

Der POC-210 ist ein industrieller lüfterloser Box-Computer und wird von Acceed projektspezifisch bestückt und als Linux-Server konfiguriert. Alternativ wäre auch der Einbau einer LoRaWAN-Karte in den mPCIe-Steckplatz möglich, wenn kein Platz für ein separates Gateway verfügbar ist. Dank des universellen Box-Computers ist das System bei Bedarf durch Integration zusätzlicher Komponenten jederzeit erweiterbar.

Acceed ist mit langjähriger Erfahrung als Distributor in der Lage, die Hardware auf größtmöglichen gegenseitigen Nutzen und optimales Zusammenspiel hinsichtlich der erwarteten Funktionen auszuwählen und projektspezifisch zu konfigurieren. Neben Anwendungsprogrammierung können auch gerätespezifische Snippets für die Integration in kundenseitig bestehende Kommunikationsstrukturen bereitgestellt werden.