Industrie 4.0 in einer Linux-Umgebung Steuern und Alarmieren per App

Kommunen, Zweckverbände und Abwasser produzierende Industrie­betriebe bewirtschaften weit verzweigte Abwasseranlagen, behandeln Prozesswasser und betreiben Wärmezentralen. Die Kunden von ­Stebatec nutzen dafür modulare Router, eigens dafür entwickelte Apps und cloudbasierte Prozessleitsysteme.

Bei der Bewirtschaftung von Abwasseranlagen ergeben sich für die Verantwortlichen viele Herausforderungen, von denen besonders eine zum Problem werden kann: Werden die Einzugsgebiete ungleich beregnet, füllen sich die Entlastungsbauwerke wie zum Beispiel Rückhalte­becken ungleichmäßig. Ihre Speichervolumen sind dann unter Umständen bereits verbraucht, obwohl die Kläranlage die Wassermenge noch verarbeiten könnte.

Das führt bei Mischsystemen, in denen Schmutz-, Fremd- und Regenwasser in einem gemeinsamen Kanal geführt werden, zu unerwünschten Überläufen in Flüsse und Seen, denn vor allem bei Starkregen leiten Regenüberläufe und Regenbecken unbehandeltes Abwasser in die Gewässer, um die Abwasser-Reinigungsanlagen hy­draulisch zu entlasten. Dabei gelangen zum Teil hohe Konzentrationen problematischer Stoffe wie Pestizide oder Fäkalbakterien direkt in die Fließgewässer. Erst dann stellen viele Verantwortliche fest, dass eine einmal eingestellte Pumpe für eine fixe Weiterleitmenge nicht optimal ist.

Zusammen mit ihren Partnern löst Stebatec das Problem durch den Einsatz moderner Anlagentechnik zur optimalen Abflussregelung und zur präzisen Durchflussmessung – wie beispielsweise mit MID-Sensoren. In erster Linie setzt das Schweizer Unternehmen auf die selbstentwickelte, softwarebasierte integrale Kanalnetzsteuerung INKA, die Weiterleitmengen im Kanalnetz automatisch einstellt. Das bringt folgende Vorteile:

  • Das Speichervolumen im Kanalnetz wird als Ressource optimal genutzt.
  • Die Schadstoff- und Frachtmessung wird vereinfacht.
  • Der Schmutzaustrag über Mischabwasser-Überläufe wird reduziert bzw. verhindert.
  • Die Visualisierung der Defizite und des Optimierungspotentials erfolgt automatisch.

Die integrale Kanalnetzsteuerung setzt auf die sichere und hochverfügbare VPN-Vernetzung aller Stationen mit den voll-modularen DSL- und LTE-Routern der MRX-Baureihe von Insys icom. Mit den LTE-Routern der MRX-Serie profitieren Kunden von der LTE-Netzabdeckung und das nicht nur in der Schweiz. Damit haben Kanalnetzbetreiber ein Werkzeug für den effizienten Betrieb eines leistungsfähigen Kanalnetzes, inklusive Wirkungsgradüberwachung und Defizitanalyse.

Optional können damit auch kundenspezifisch relevante hydraulische Informationen erhoben werden. Welche Vorteile die DSL- und LTE-Router mit Funktionen eines Datenloggers und eines kleinen Industrie-PCs im Einzelnen bieten, wird anhand der Alarmierungs-App STEBalarm beschrieben.

Router mit vielen Möglichkeiten

Stebatec geht den Weg der Digitalisierung aller Geschäftsprozesse: Dazu wurden die voll-modularen MRX-Router inklusive Linux-Container-Technik für Edge Computing ausgewählt und schon vor dem Produkt-Launch einem ausgiebigen Betatest unterzogen. Gesucht wurde ein leistungsstarker Router für Edge Computing mit seriellen Schnittstellen sowie Eingängen und Ausgängen zur Anbindung älterer Steuerungen.

Nachdem die Entscheidung für die Router gefallen war, eigneten sich die Programmierer die notwendigen Kenntnisse in einer Vor-Ort-Schulung von Insys icom innerhalb kürzester Zeit an und realisierten für sich und ihre Kunden alle Punkte, die auf den Wunschlisten standen. Hilfreich war auch der »direkte Draht« zu den Router-Entwicklern, um spezielle Fragen sofort zu klären.

Vor allem für die Auslegung der Kopfstationen bringen die MRX-Router (Bild 1) zahlreiche Fähigkeiten mit sich. Durch die Erweiterbarkeit der Geräte können nicht nur redundante Verbindungen wie DSL+LTE oder LTE+LTE (Redundanz über zwei Provider) realisiert werden, sondern auch spezielle Kundenanforderungen wie zwei separate VPN-Tunnel für zwei zu trennende Rollen wie »Betreiber« und »Service«.

Ergänzend zur Firewall für den regulären IP-Verkehr gibt es erstens die Firewall für die verschlüsselte Verbindung im Tunnel und zweitens die Firewall für den IP-Verkehr der Apps in den Linux-Containern der icom SmartBox.

Alle vor Ort notwendigen Programme zum Edge Computing – wie zum Beispiel STEBalarm für die Störungsmeldung, die Alarmierung und die Aussteuerung der Servicetechniker– entwickelt Stebatec selbst. STEBalarm und andere Apps laufen gleichzeitig in der icom SmartBox, einer im Router integrierten Umgebung auf Basis von Linux-Containern (LXC). Das spart einen IPC, zusätzliche Software-Installationen, Updates und Lizenzen (Bild 2). Dadurch ist ein intelligentes, individuelles Alarmierungssystem entstanden.

Die bisherige Version des Überwachungs- und Alarmierungssystems lief auf Basis von HSPA-Routern der MoRoS-Baureihe von INSYS icom. Damit konnten bereits vielfältige Features realisiert werden, zum Beispiel:

  • Parametrisierbarkeit und integrierte Bereitschaftsdienstplanung
  • Datenaustausch mit den Prozessleitsystemen
  • Zählerdatenerfassung via Modbus oder M-Bus
  • Konfiguration über JSON-Import/-Export
  • Anschluss an jede Kundenanlage

Die Last der langen Investitions­zyklen

Bei neuen Abwasserbauwerken werden Steuerungen und Anlagen bereits fortlaufend überwacht, um bei Störungen sofort den Bereitschaftsdienst zu alarmieren. Allerdings hat dieser Markt vergleichsweise lange Investitionszyklen von 20 und mehr Jahren. Ein Dilemma, denn genau deshalb sind viele altgediente Anlagen bei Weitem nicht auf dem aktuellen Stand. Oft ergab sich durch Nachrüstungen ein unüberblickbarer »Wildwuchs« an Geräten wie Datenlogger, Switches und Router.

In die Planungszeit für STEBalarm fiel die Ankündigung der beiden größten Schweizer Mobilfunkanbieter zur Abschaltung des GSM-Netzes (2G): Sunrise hat diesen Schritt bereits Ende 2017 vollzogen, Swisscom plant die Abschaltung ab Ende 2020. Den Entwicklern und Programmierern kam die Flexibilität und Modularität der MRX-Router entgegen, die die Nutzung von 3G und 4G ermöglichen.

Der Routerwechsel und der damit verbundene Tausch der programmierbaren Linux-Umgebung klappte somit problemlos. Das »neue« Alarmierungssystem sollte einerseits mit den geänderten Rahmenbedingungen der Mobilfunklandschaft zurechtkommen und andererseits eine langfristige Sicherheit für die Investition der Kommunen, Zweckverbände und Industriebetriebe bieten. Weitere wichtige Punkte waren:

  • Nutzung aller Mobilfunknetze bis 4G/LTE
  • dezentrale Intelligenz in einem Gerät für Edge Computing vor Ort
  • Datenverarbeitung /-speicherung
  • redundante Vorhaltung der Bereitschaftsdienstpläne
  • bestmögliche Vernetzung mit Prozessleitsystemen
  • jederzeit flexibel erweiter- oder ergänzbar
  • Zertifizierbarkeit nach DIN/ISO 27001