Wie funktioniert Digitalisierung in der Wasserversorgung

Die Digitalisierung in der Wasserversorgung ist im ersten Schritt die Aufnahme und Verarbeitung von Daten einzelner gemessener Werte, die für die Überwachung eines Wasserversorgungsnetzes notwendig sind. Daten werden über Sensoren an jeweiligen Bauwerken der Wasserwerke aufgenommen und über Controller oder Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) in eine digitale Form aufbereitet. Übertragen werden diese Daten mittels Kommunikationskomponenten, die mit einem Telekommunikationsmodule ausgestattet sind. Diese Daten werden von einem definierten Endpunkt angenommen und in der Regel in eine Datenbank geschrieben. Der Aufruf der Daten aus der Datenbank wird mit einem Prozessleitsystem (PLS) oder "Supervisory Control and Data Acquisition" (SCADA) System durchgeführt. Die aufbereiteten Daten werden im PLS/SCADA in grafischer, tabellarischer und vielen weiteren Darstellungsmöglichkeiten dem Endnutzer angezeigt. Aus diesen Anzeigen kann der Endnutzer Störungen oder Anomalien erkennen, aber auch den normalen Verlauf seines Wasserversorgungsnetzes überprüfen oder dokumentieren.

 

 

LPWAN-Eigenschaften

Batteriebetrieb

Ein LPWAN-Modul wird durch eine oder mehrere Batterien betrieben. Dabei sollen diese nicht während des Betriebes aufgeladen werden. Die Laufzeit der LPWAN-Technologie eingesetzten Gerätes mit einer AA-Batterie sollte hierbei ca. 10 Jahre betragen. Falls die Lebenszeit der Batterie ihr Ende erreicht, wird diese durch eine neue ersetzt. Um die definierten 10 Jahre zu erreichen, ist ein energieeffizienter Betrieb mit bereits stromsparenden Quellen einzusetzen. Diese sollen dabei nicht nur die Batterielaufzeit verlängern, sondern die Kosten reduzieren, da weniger Batteriewechsel stattfinden. Um die Einsatzzeit der Übertragungsmodule zu verkürzen, sollte die Dauer zum Kommunikationsaufbau sowie die Kommunikationsübertragung kurzgehalten werden. Dies setzt einen definierten Kommunikationskanal voraus, der das Übertragungsmodul nur für die Übertragung selbst aufweckt und nur benötigte Daten überträgt.

Für den Einsatz in einer Wasserversorgung sind alle aufgezeichneten oder erfassten Sensordaten zu übertragen. Für Daten, die an Aktoren gesendet werden sollen, ist von der Benutzung eines LPWAN abzuraten und stattdessen der Einsatz von herkömmlichen Übertragungsarten heranzuziehen, da Aktoren in der Regel von weiteren Spannungsquellen abhängig sind.

 

Reichweite

Die Größe einer abgedeckten Fläche ist hinsichtlich der Kosten ein wichtiges Attribut. Dabei spielen die Anzahl von eingesetzten Modulen, sowie den Kommunikationsteilnehmern, falls nur Sensoren ausgelesen werden, eine wichtige Rolle. Die Reichweite sollte dabei so gewählt werden, dass ein Ausfall eines Moduls unterbunden wird, die Anzahl an Netzwerkteilnehmer händelbar bleibt und die eingesetzte Leistung im Verhältnis zum Energieverbrauch tragbar ist.

Die Latenzen und Übertragungsgeschwindigkeiten der Kommunikationsteilnehmer in einer Wasserversorgung sind vernachlässigbar, da Wasser in seiner Bewegung eher träge ist. Es spielt somit keine Rolle, in welcher Zeit, wie viele Teilnehmer, ihre Daten übertragen. Dies hat den Vorteil, dass eine große Reichweite in dem genannten Einsatzszenario keinen negativen Effekt bewirken würde.

 

Frequenzen

LPWANs werden in verschiedenen Frequenzbereichen betrieben. Freie Frequenzen liegen in Europa bei 433 MHz (unidirektional) und 868 MHz (bidirektional). Es werden jedoch auch Frequenzbereiche verwendet, die außerhalb der genannten Frequenzen liegen, wie z. B. 2,4 GHz oder 5 GHz. Ein geringer Frequenzbereich erhöht eine mögliche Reichweite des abzudeckenden Funknetzes, respektive werden weniger Module zur Abdeckung benötigt.

Des Weiteren sind diese niedrigen Frequenzen stromsparender, womit Kosten eingespart werden können. [4][5]­

 

Signalstärke

Die Signalstärke ist signifikant für die Durchdringung von Störelementen. Störelemente sind Störfaktoren, die zwischen Kommunikationspartner liegen können. Deren materielle Eigenschaften besitzen dabei verschiedene Dämpfungen, die wiederum den Störfaktor bilden:

Tabelle 1: Dämpfung von Funkwellen (angelehnt an [5])

 

Material	Dämpfung	Beispiele Allgemein	Beispiele Wasserversorgung
Holz	gering	Möbel, Decken, Zwischenwände	Pumpstationen (Holzgebäude)
Gips	gering	Zwischenwände ohne Metallgitter	Wasserwerk
Glas	gering	Fensterscheibe	Fenster zu Kammern im Hochbehälter

Wasser	mittel	Mensch, feuchte Materialien, Aquarium	Messschächte, Hochbehälter in Hochbauten
Mauersteine	mittel	Wände, Decken	Keller, Messschächte, Hochbehälter, Tiefbrunnen, etc.
Beton	hoch	massive Wände, stahlarmierte Betonwände	Keller, Messschächte, Hochbehälter, Tiefbrunnen, etc.
Gips	hoch	Zwischenwände mit Metallgitter	Keller, Wasserwerke, Pumpstationen
Metall	sehr hoch	Aufzugsschacht, Brandschutztüren, Stahlbeton- konstruktionen	Hochbehälter in Gebäuden mit Metallkonstruktion/ Metallmantel

 

Die daraus entstehenden negativen Effekte bei der Funkübertragung können sich folgendermaßen bemerkbar machen:

Tabelle 2: Negativeffekte durch Störfaktoren (angelehnt an [5])

 

Negativeffekt	Fehlfunktion
Absorption	Signal wird verschluckt
Reflexion	Signal wird zurückgeworfen
Brechung	Signal wird in eine andere Richtung umgelenkt
Streuung	Signalvervielfältigung

 

 

 

Eigenschaften eines Funknetzwerks

Insbesondere für IoT-Anwendungen empfiehlt es sich diese Funktechnologie einzusetzen. Sie bietet neben ihrer Energieeffizienz eine hohe Gebäudeabdeckung und ist für eine große Anzahl an Teilnehmern konzipiert. Die Übertragungsdaten in einem Wasserversorgungsnetzwerk sind in der Regel sehr gering. Durch die niedrigen Frequenzen von LPWAN-Standards werden die Reichweiten einzelner LPWAN-Module erhöht. Die Erhöhung der Reichweite senkt gleichzeitig die Übertragungsgeschwindigkeit. Niedrige Frequenzen wurden im LPWAN gewählt, da es gegen die Schwachstellen von bereits verbreiteten Systemen, wie WLAN oder Mobilfunk, arbeitet. Dementsprechend sind auch die Frequenzen, die in der LPWAN-Technologie eingesetzt werden, von anderen Technologien, die durch WLAN oder Mobilfunk stark im Consumer-Bereich vertreten sind (z. B. 2,4 GHz), getrennt.   

                                                                    

 

Aufbau eines LPWAN-Netzwerks

Der grundsätzliche Aufbau eines LPWAN-Netzwerks ist durch eine Stern- oder Mesh-Topologie abgebildet. Um die Reichweite zu erhöhen, werden diese beiden Topologien öfter zusammen eingesetzt. Zusätzlich erhöht die daraus resultierende Reichweite die Teilnehmerzahl in den abgedeckten Bereichen. Einzelne Basisstationen (audako Edge Gateways) können dabei mit mehreren Sensorsystemen, die auch als Nodes bezeichnet werden, kommunizieren. Die Nodes sollten dabei eine kleine Baugröße besitzen. Zudem sollten die Kosten für Sensor bzw. Aktor gering gehalten werden. Insbesondere da Basisstationen nur die Daten von Nodes aufnehmen und an einen Endpunkt senden, werden die eingesetzten Übertragungsteilnehmer in das Internet verringert und so gleichzeitig Kosten gespart. Die audako Edge Gateways stellen somit die Verbindung zwischen dem Internet und den Nodes dar. In dem hier behandelten Szenario wäre dies die audako Cloud Plattform. Auf dieser Plattform werden die Daten gespeichert, aufbereitet und dem Nutzer visuell zur Verfügung gestellt. Wird dies zusammengefasst betrachtet, versuchen LPWANs sich durch folgende Attribute vom WLAN und Mobilfunk abzusetzen:

 

 

• Geringer Energieverbrauch

• Große Abdeckung

• Kleine Baugröße der Nodes

• Günstige Sensoren/Aktoren

• Netzwerkabdeckung in schwer erreichbaren Ortslagen

 

 

Um die Eigenschaften eines LPWAN zu erfüllen, stellen sich für das Netzwerk in der obigen Abbildung verschiedene Anforderungen:

 

• Geringe Datenmengen, geringer Overhead

• Geringe Hardware-Anforderung, leichte Implementierung

• Eignung für Mesh-Netze

• Sichere Übertragung von Daten

• Geräte sollten adressierbar bzw. erreichbar sein (z.B. für Updates, Reboot)

 

Um in der Kommunikation mit kleinen Datenpaketen zu arbeiten und somit energiesparend zu agieren, ist der Einsatz von speziellen Protokollen notwendig. In IoT-Netzen haben sich die zwei Protokolle Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) und Constrained Application Protocol (CoAP) dafür etabliert.

 

 

CoAP – Constrained Application Protocol

Als IoT-Protokoll ist das CoAP für Geräte entstanden, die ressourcenbeschränkt sind. Die Verbindung orientiert sich dem eines Hypertext Transfer Protocol (HTTP) und Representational state transfer ful (RESTful)-Grundsatzes. Um den Overhead gering zu halten, läuft es auf dem Request/Response-Prinzip, stellt jedoch auch den Publish/Subscribe-Mechanismus bereit. CoAP verwendet das User Datagram Protocol (UPD) und schützt seine Daten mittels Datagram Transport Layer Security (DTLS). Die Grundidee ist den Overhead klein zu halten, dadurch kleine Pakete zu verschicken und somit ressourcenärmer zu übertragen.

 

MQTT – Message Queuing Telemetry Transport

MQTT wurde für die Maschine-zu-Maschine (M2M)-Kommunikation sowie dem IoT entwickelt. Das MQTT-Protokoll verwendet das Transmission Control Protocol (TCP) und kann über Transport Layer Security (TLS) geschützt werden. MQTT setzt dabei den Publish/Subscribe-Mechanismus ein, wobei ein Broker zur Kommunikationsverwaltung eingesetzt wird. Der Broker nimmt dabei Daten von Geräten/Nodes auf und leitet diese an bestimmte Empfänger weiter. Für die Weitergabe der Daten an das Internet muss nur der Broker (IP-Adresse) bekannt sein. Alle weiteren Nodes werden in einer URL vom Broker organisiert. Die im Broker definierten Nodes werden abgehört und anhand der URL-Liste zugeordnet. Über eine Parametrierung können aber auch Aktionen an die Nodes vom Broker übergeben werden. Die Idee ist eine Entkopplung der Kommunikationsteilnehmer, die unterhalb des Brokers ebenfalls über den Broker miteinander kommunizieren können. Bei Ausfall eines Brokers ist die komplette Kommunikation dahinter ebenfalls ausgefallen. Der größte Vorteil dieses Protokolls, die Entkopplung, scheint gleichzeitig der größte Nachteil zu sein.

 

 

Vergleich LPWAN mit herkömmlichen Übertragungsverfahren

Die Stärken des LPWAN sind für den Einsatzzweck in einem Wasserversorgungsnetzwerk sehr von Vorteil. Ausgenommen der Knotenpunkte in einem Wasserversorgungsnetzwerk, wie einem Hochbehälter oder einem Tiefbrunnen, ist der Einsatz von LPWAN nur zu begrüßen, da die Knotenpunkte in der Regel immer mit einem eigenen Stromanschluss ausgestattet sind. Zusätzlich sind hier des Öfteren Aktoren, die auch aus der Ferne gesteuert werden müssen, weshalb sich die genannten herkömmlichen Übertragungsverfahren für genannte Knotenpunkte besser eignen. Werden jedoch die Messschächte, Zwischenbehälter, Druckregelschächte oder Wasserzähler von Hausanschlüssen betrachtet, die keinen separaten oder eigenen Stromanschluss vor Ort haben, ist der Einsatz von batteriebetriebenen Übertragungsmodulen nur zu empfehlen. Die im Vorfeld geschilderten Eigenschaften deuten auf einen reinen Vorteil durch Einsatz dieser im betrachteten Szenario hin. 

 

 

Folgende Quellen wurden für diesen Beitrag verwendet:

 

[1] DVGW: Digitalisierung in der Wasserversorgung:https://www.dvgw.de/themen/wasser/organisation-und-management/digitalisierung-in-der-wasserversorgung.

[2] ITWissen: Weitverkehrsnetz, 13.09.2020:https://www.itwissen.info/WAN-wide-area-network-Weitverkehrsnetz.html.

[3] TechTarget: LPWAN (Low-Power Wide Area Network), https://www.computerweekly.com/de/definition/LPWAN-Low-Power-Wide-Area-Network.

[4] B.S. Chaudhari und M. Zennaro: LPWAN Technologies for IoT and M2M Applications, Chennai Indien: Academic Press, 2020.

[5] Elektronik Kompendium: Funktechnik (Grundlagen),https://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0810301.htm.

[6] Smartmakers: LoRaWAN-Reichweite, Teil 1: Die wichtigsten Faktoren für eine gute LoRaWAN-Funkreichweite, 10.03.2019:https://smartmakers.io/lorawan-reichweite-teil-1-die-wichtigsten-faktoren-fuer-eine-gute-lorawan-funkreichweite/.

[7] M. Liepert, m3 management consulting: LoRaWAN: Die drahtlose Kommunikation der Internet of Things?, 23.10.2018:https://www.m3maco.com/blog-item/lorawan-die-drahtlose-kommunikation-der-internet-of-things.

[8] R. Decker und A. Saß: Digitalisierung und Energiewirtschaft: Technologischer Wandel und wirtschaftliche Auswirkungen, Wiesbaden Deutschland: Springer Gabler, 2020.

[9] M. Linnemann, A. Sommer und R. Leufkes: Einsatzpotentiale von LoRaWAN in der Energiewirtschaft: Praxisbuch zu Technik, Anwendung und regulatorischen Randbedingungen, Wiesbaden Deutschland: Springer Vieweg, 2019.

[10] M. May: CAFM-Handbuch: Digitalisierung im Facility Management erfolgreich einsetzten, Wiesbaden Deutschland: Springer Vieweg, 2018, 4.Edition.