Intelligentere Technologie für nahtlose Kommunikation

Im Land gibt es rund 153.000 öffentliche Trinkwassersysteme und fast 16.000 Kläranlagen. Diese Wassersysteme können komplex sein und über mehrere Pumpen, Tanks, Ventile und kilometerlange Rohrleitungen verfügen. Um den reibungslosen Ablauf dieser umfangreichen und komplizierten Vorgänge zu gewährleisten und das Risiko ungeplanter Ausfallzeiten zu verringern, sind hochentwickelte Technologien erforderlich, die es den Geräten ermöglichen, miteinander zu kommunizieren.

Während Wasserversorgungsunternehmen seit Jahren SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) einsetzen, um die Betriebseffizienz zu verbessern, verfügen die meisten über eine breite Palette installierter SCADA-Geräte/Netzwerke, die hinsichtlich Alter, Funktionsumfang, Konnektivität und Anbieter erheblich variieren können Unterstützung. Darüber hinaus wurden Systeme im Laufe der Jahre oft Stück für Stück von einer Vielzahl von Auftragnehmern, Anbietern und Beratern erstellt, von denen jeder seinen eigenen Programmieransatz hatte. Das Ergebnis: Viele Wasserversorger stehen heute vor komplexen, vielfältigen und gemischten Systemen, die in Bezug auf Betrieb, Wartung und allgemeine Systemstabilität oft schwer zu verwalten sind.1

In einer Zeit knapper kommunaler Haushalte – selbst mit Zuschüssen aus dem American Infrastructure Act – muss die Effizienz des Wasser- und Abwassernetzes aufrechterhalten werden, damit die Kosten unter Kontrolle bleiben. Eine Möglichkeit hierfür ist die Nutzung von Open Platform Communications (OPC). Mit OPC wird der Zugriff auf Maschinen, Geräte und andere Systeme standardisiert und ermöglicht einen ebenso herstellerunabhängigen Datenaustausch. Ziele dieser Lösungen sind die Minimierung von Reibungspunkten und die Steigerung der Effizienz. Durch die Behandlung von Geräten als generische Objekte kann das System neue Komponenten mit minimaler Unterbrechung integrieren. Diese Technologie ist jetzt noch robuster, agnostischer und sicherer geworden.

Agnostische Konnektivität, leistungsstarke Informationsmodellierung und integrierte Sicherheit

Eine Herausforderung bei den vielfältigen Netzwerken von Wasserversorgern ist der sichere, standardisierte Austausch von Daten und Informationen zwischen Geräten, Anlagen und Diensten. Hier kommt Open Platform Communications Unified Architecture (OPC-UA) ins Spiel. OPC-UA ist eine erweiterbare, plattformübergreifende unabhängiger Standard, der den sicheren Informationsaustausch in industriellen Systemen ermöglicht. Es ist mit Windows, macOS, Android und Linux kompatibel und funktioniert auf PCs, cloudbasierten Infrastrukturen, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Mikrocontrollern und Cyber-Physical-Systemen.

Dabei hört es jedoch nicht auf; OPC-UA ist auch darauf ausgelegt, Daten zu strukturieren und an IT-Netzwerke und darüber hinaus an die Cloud weiterzugeben. Es ist das umfassende Informationsmodellierungs-Framework, das von OPC-UA bereitgestellt wird und es ermöglicht, den Kontext für Informationen weiterzugeben und über die einfache Datenübertragung hinauszugehen, einen Kontext, der entscheidend dafür ist, dass die Daten von externen Systemen korrekt interpretiert und verwendet werden. Eine von einem Sensorwert stammende Prozessvariable kann mit technischen Einheiten modelliert werden, um eine korrekte Interpretation zu ermöglichen, Betriebsgrenzen zur Validierung von Änderungen festzulegen und Anzeige- und Wartungsinformationen anzupassen, um eine Annäherung an die Genauigkeit zu ermöglichen.

Die Sicherheit cloudbasierter Plattformen ist im letzten Jahrzehnt zu einem wachsenden Problem geworden. Da OPC-UA eine Kommunikationsschicht für die Maschine-zu-Maschine- und Maschine-zu-Cloud-Kommunikation ist, arbeitet es mit zwei Sicherheitsschichten. Die erste Schicht richtet eine verschlüsselte Kanalverbindung zwischen Client und Server ein. Diese Schicht bietet Vertraulichkeit, Integrität (durch Nachrichtensignierung) und zertifikatbasierte Authentifizierung. Die Anwendungsschicht verwaltet dann die Benutzerauthentifizierung und Benutzerautorisierung.2

Zu den Schlüsselelementen jeder Pumpstation gehören Nassbrunnen, Pumpen, Rohrleitungen mit zugehörigen Ventilen und Sieben, Motoren, Stromversorgungssystem, Gerätesteuerungs- und Alarmsystem, Geruchskontrollsystem und Belüftungssystem. Dabei handelt es sich um eine Menge wichtiger Geräte, um den Betrieb am Laufen zu halten. SCADA-Systeme überwachen Informationen wie Kilowatt (kW)-Verbrauch, Tankfüllstände, Pumpenaktivität, Gallonen pro Minute oder Chlorverbrauch mit vollständigen historischen Trends.

Sowohl Pump- als auch Hebestationen enthalten eine Reihe von Sensor- und Instrumentenfeldgeräten zur Erfassung von Betriebsdaten. Ein einzelner Sensor kann anzeigen, ob ein Motor ein- oder ausgeschaltet ist, ein Ventil geöffnet oder geschlossen ist, ob eine Prozessvariable einen Grenzwert erreicht oder andere einfache diskrete Bedingungen. Instrumente ermöglichen komplexere Messungen analoger Variablen wie Durchfluss, Temperatur, Druck und Füllstand.

Typischerweise sind diese Anlagen in einer Stadt über ein großes geografisches Gebiet verteilt, sodass Remote Terminal Units (RTUs) erforderlich sind, um Daten von einem Standort, beispielsweise einer Aufzugsstation, an das SCADA-System weiterzuleiten. Die RTUs stammen wahrscheinlich von verschiedenen Herstellern und verwenden möglicherweise unterschiedliche Funktechnologien zur Übertragung von Informationen. Mit OPC-UA kann jedes Gerät, das den Standard nutzt, ohne Codierung in die Plattform integriert werden. Nach dem Anschließen des Geräts werden die Funktionen des Systems automatisch konfiguriert und die erfassten Daten strukturiert.

OPC-UA ermöglicht die Verwendung von OPC als Client oder Server; Es stellt Daten für verschiedene Geräte und Anwendungen bereit, um Gerätefunktionen zu steuern. OPC-UA-Serveranwendungen ermöglichen den Datenaustausch für die Maschine-zu-Maschine- und PC-zu-Maschine-Kommunikation. Zu den Einsatzmöglichkeiten von OPC-Servern zählen RTUs in Außendienstanwendungen. Ein weiterer Vorteil von OPC-UA besteht darin, dass Anlagen bei der Reparatur durch bereitgestellte Edge-Gateway-Geräte darauf aufgerüstet werden können, sofern die Budgets der Kommunen dies zulassen.

Ein zentrales Thema von OPC-UA ist die Verbesserung der Konnektivität zwischen Geräten, Netzwerken und physischen Vermögenswerten und der Cloud. Die zunehmende Konnektivität ermöglicht eine größere Prozesstransparenz und das zusätzliche Potenzial für prädiktive Analysen und Sentinel-Alarmbedingungen.

Durch besser vernetzte Wasserversorgungsunternehmen können potenzielle Probleme angegangen werden, bevor sie zu Problemen werden, aber nur, indem diese Konnektivität bis zum letzten Punkt ausgeweitet wird – bis zu den Menschen, die Anlagen betreiben und optimieren. Geräte mit Personen zu verbinden und die richtigen Informationen (mit zunehmender Komplexität der Modellierung) zur richtigen Zeit an die richtigen Personen zu übermitteln, ist die Stärke der Fernalarmbenachrichtigungssoftware.

Intelligente Technologie und OPC-UA verändern den Einsatz von Softwarelösungen für die Fernalarmbenachrichtigung und deren Konnektivität. Da Anlagen und Prozesse zunehmend mit intelligenteren Sensoren ausgestattet sind und zunehmend auf niedrigeren Betriebsebenen modelliert werden, wird die Fähigkeit von Softwarelösungen zur Fernalarmbenachrichtigung, sowohl mit SCADA- als auch Nicht-SCADA-Informationsquellen zu verbinden, immer wichtiger. Erweiterte Benachrichtigungsworkflows erfordern die Synthese von Informationen von mehreren OPC-UA-Servern als Reaktion auf sich abzeichnende Alarmereignisse in SCADA. Es ist schön zu wissen, dass ein Drucksensor einen Tiefalarm registriert; Es ist besser, diese Informationen im Zusammenhang mit dem Status der mit diesem Druck verbundenen Ventile und Pumpen, den Wartungsinformationen für diese Anlage und den nachgelagerten Auswirkungen des niedrigen Drucks zu kennen.

Eine verbesserte Konnektivität und Informationsmodellierung wird Entscheidungsträgern mehr Möglichkeiten bieten, schnellere Reaktionszeiten ermöglichen und die Produktivität steigern. Intelligente, technologiebereite Alarmbenachrichtigungs-Softwarelösungen stellen eine Verbindung sowohl zu den führenden SCADA-Paketen als auch zu OPC-UA-Servern her und ermöglichen so erweiterte Benachrichtigungsworkflows.

Verweise

https://www.grahamnasby.com/files_publications/NasbyG-PhillipsM_2011_SC… (abgerufen am 1. Dezember 2022).

https://www.machinemetrics.com/connectivity/protocols/opc-ua (abgerufen am 12. Dezember 2022).

Cody Bann ist Ingenieurdirektor bei WIN-911 mit Sitz in Austin, Texas, und kann unter [email protected] erreicht werden. Das Unternehmen trägt zum Schutz von über 19.000 Anlagen in 85 Ländern bei, indem es kritische Maschinenalarme über Smartphone- oder Tablet-Apps, Sprache (VoIP und analog), Text, E-Mail und Ansagen im Werk übermittelt und so die Reaktionszeiten des Bedieners, Systemausfallzeiten und Wartungskosten reduziert. Weitere Informationen finden Sie unter win911.com