Die standardisierte LoRaWAN-Technologie erlaubt dem Wilsen.sonic.level, seine Sensordaten völlig autark mehrere Jahre lang über viele Kilometer hinweg zu übertragen.

Bild: Pepperl+Fuchs; iStock, Ajwad Creative

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Datensichere Internetverbindung Autonomer IoT-Sensor vernetzt isolierte und mobile Assets

11.11.2020

Selbst in hochgradig automatisierten Anlagen fehlt den mobilen Assets meist die Anbindung an die stationäre Regelungstechnik. So bleibt etwa die Handhabung der allgegenwärtigen IBC-Behälter dem manuellen Eingriff überlassen. Das gleiche gilt auch für räumlich isolierte Assets wie Schüttgutsilos oder Wertstoffcontainer. Ein autonomer IoT-Sensor ermöglicht nun die datensichere Vernetzung mit dem Internet.

Die vernetzte Welt von IoT und Industrie 4.0 erfordert die möglichst umfassende Anbindung von Komponenten und Prozessen sowie einen durchgängigen Datenfluss. Die allgemeine Vernetzung stößt bei mobilen und geografisch isolierten Assets jedoch auf beträchtliche Hürden. Funktechnologien ermöglichen zwar grundsätzlich auch eine drahtlose Kommunikation, doch der Teufel steckt wie immer im Detail – unter anderem in der Reichweite des Funkmoduls oder der Leistungsfähigkeit der Batterien.

Stromsparen für Lebensdauer

Für regelmäßige Statusmeldungen genügen die relativ niedrigen Datenraten von Low-Power-Funktechnologien. Wilsen.sonic.level – der Name steht für „WIreless SENsor“ – nutzt das Long-Range Wide-Area Network (LoRaWAN), ein lizenz- und kostenfreies ISM-Band im Sub-Gigahetz-Bereich. Gebäudewände und Kellerdecken sind für seine Funkwellen kein Hindernis. In bebauten Gebieten erstreckt sich ihre verlässliche Reichweite auf etwa 2 km, auf freiem Feld werden über 15 km abgedeckt.

Trotz dieser Leistungsstärke benötigen die Sensoren für die Funksignale nur sehr wenig Strom. In der Regel gibt es längere Pausen zwischen den einzelnen Meldungen, eine Batterie kann über viele Jahren halten.

Im LoRaWAN-Protokoll ist eine zweistufige Ende-zu-Ende-Verschlüsselung integriert, sodass auch ohne weitere Schutzmaßnahmen bereits eine hohe Datensicherheit gewährleistet ist. LoRaWAN wird nicht zuletzt deshalb zunehmend für offene kommunale Netze und für geschlossene Campusnetze auf Betriebsgeländen eingesetzt. Mit solarbetriebenen Gateways lässt sich die Anbindung auch an völlig isolierten Standorten leicht einrichten.

Bis zu 2.500 Sensoren anbinden

Das Kernstück des Wilsen.sonic.level ist ein leistungsfähiges und robustes Ultraschall-Füllstandmessgerät aus der umfangreichen Produktpalette von Pepperl+Fuchs. Eine Reihe weiterer Komponenten und Funktionen verleiht dem Gerät Autonomie und Intelligenz.

Mit dem integrierten GPS-Empfänger lässt sich seine genaue Position bestimmen, womit bei mobilen Assets Geotracking möglich wird. Ein ebenfalls integrierter Temperaturfühler liefert einen für viele Anwendungen entscheidenden Qualitätswert. Außerdem meldet der Sensor auch seinen Batteriezustand und erlaubt die rechtzeitige Planung des Austauschs. Das ist bei den üblichen Standzeiten von mehreren Jahren nicht unerheblich.

Die LoRaWAN-Technologie ist auch in anderer Hinsicht sehr sparsam: Mit einem einzigen Gateway können hunderte, unter idealen Umständen sogar bis zu 2.500 Sensoren angebunden werden. Für die Funkabdeckung selbst großer Areale werden also nur wenige Komponenten benötigt.

Bei einer Erweiterung kommt man ohne teuren Funkplan aus, der Anschluss zusätzlicher Einheiten funktioniert nach dem Plug-&-Play-Prinzip. Zudem ist das Roaming zwischen verschiedenen Netzen möglich, und ein bewegliches Asset wird am Zielort automatisch im neuen Netz angemeldet.

IBCs in die Prozessautomatisierung einbinden

Die Kernfunktion des Wilsen.sonic.level wird bereits aus seinem Namen deutlich: Der Sensor überwacht den Füllstand in Silos, Containern oder Umlaufbehältern. Ob sich Flüssigkeiten oder Feststoffe in ihnen befinden, spielt dabei keine Rolle. Die Schallkeule misst nicht punktuell, sondern erfasst eine größere Fläche und liefert auch bei sehr unregelmäßigen Oberflächen zuverlässige Messwerte. Seine Schallwellen können praktisch alle Materialien erkennen und lassen sich von äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Staub oder Nebel nicht beeinträchtigen.

Der Ultraschallwandler steht mit Messreichweiten von wahlweise 2,5 oder 4 m zur Verfügung. Immanente Störgrößen wie Einbauten in den Behältern lassen sich elektronisch ausblenden, die einfache Parametrierung des Geräts sorgt für eine präzise auf die Anwendung abgestimmte Funktion.

Eine typische Anwendung für den Wilsen.sonic.level ist die Überwachung von isoliert platzierten Silos in der Lebens- und Futtermittelindustrie sowie in der Agrarwirtschaft. Entnahme oder Wiederbefüllung können aufgrund des tatsächlichen Bedarfs erfolgen, ohne persönliche Inaugenscheinnahme oder regelmäßige Kontrollfahrten.

Die Füllstandsdaten fließen in eine optimierten Routenplanung und eine automatisierte Nachschublogistik ein. Das funktioniert auch bei den allgegenwärtigen Intermediate Bulk Containern (IBC), die als Transport- und Vorratsbehälter für viele unterschiedliche Flüssigkeiten dienen. Sie sind unter anderem in den Bereichen Lebensmittel, Chemie und Pharma fester Bestandteil der Lieferketten und Produktionsprozesse, aber so gut wie nie in die Prozessautomatisierung eingebunden.

Umwelt und Smart City

Überlauf- oder Flutungsbecken in der Wasser- und Abwasserwirtschaft können mit dem Wilsen.sonic.level bei minimalem Installationsaufwand kontinuierlich überwacht werden. Dasselbe gilt für die Pegelstände von Flüssen und Seen für den Hochwasserschutz. Die alltäglichen Pegelschwankungen akkumulieren automatisch zu einer Datenhistorie, die eine detaillierte Analyse und vorausschauende Planung ermöglicht. Alarmroutinen werden anhand definierter Grenzwerte ausgelöst.

Im Umfeld einer Smart City ist der Sensor für das Entsorgungsmanagement bei Abfall- und Wertstoffcontainern prädestiniert. Die äußerst robuste Ultraschalltechnologie garantiert auch unter schwierigen Bedingungen – Verschmutzung, unregelmäßige Befüllung, extreme Temperaturen oder Feuchtigkeit – die zuverlässige Erfassung der Zielgröße.

Der Sensor kann auch in Behältern verwendet werden, die sich ganz oder teilweise unter der Erde befinden, weil die LoRaWAN-Funkwellen Erdschichten, Pflaster und Wände durchdringen. Auch hier lässt sich die Planung der punktgenauen Entleerung sowie der optimalen Routen automatisieren. Die Fahrzeuge steuern die Container aufgrund des tatsächlichen Bedarfs an, statt regelmäßig vorgegebene Strecken abzufahren. Das spart nicht nur Geld, sondern auch Emissionen ein. Außerdem wird das Überquellen von Containern vermieden.

Da der Sensor autonom ist und auch ein einzelnes Gerät wertvolle Informationen liefern kann, ist die Hürde für den Einstieg denkbar niedrig. Bei minimalem Aufwand können Anwender in einem Testlauf erste praktische IoT-Erfahrung im eigenen Prozessumfeld sammeln. Anhand konkreter Benchmarks lässt sich der Nutzen der Anbindung in der Regel schon nach kurzer Zeit messen. Die ersten Erfahrungen können dann genutzt werden, um weitergehende IoT-Strategien gezielt auszuarbeiten.

Bildergalerie

  • Der IoT-Ultraschallsensor erfasst den Füllstand und die Geoposition der Behälter, in die er eingebaut ist, und funkt diese Daten sicher ins Internet.

    Bild: Pepperl+Fuchs

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