Digitale Fabrik: Mechanische Messgeräte in das IIoT einbinden

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An der digitalisierten Fabrik führt kein Weg vorbei. Eine der größten Herausforderungen liegt in der Transformation bestehender Anlagen und Prozesse für das Industrial Internet of Things. Wie sich mechanische Messgeräte in die digitale Welt integrieren lassen, zeigt das Beispiel eines Erdölproduzenten.

Die Entscheidung des Unternehmens, sich von seinem analogen Kontrollsystem zu verabschieden, war eine Reaktion auf eine Änderung des Bergbaugesetzes. In der Neufassung des Paragrafenwerks wird eine permanente Datenerfassung an den Förderstellen vorgeschrieben. Aus diesem Grund entschloss sich das Unternehmen zu einer IIoT-basierten Bohrlochüberwachung - die digitale Fabrik als Vision für die Zukunft.

Digitale Fabrik mit Prozessleitsystem

Bislang ist es üblich, dass Mitarbeiter in Intervallen einzeln liegende Förderstellen anfahren und die Werte der Messgeräte sowie den Wasserstand im Bohrloch ablesen und notieren; ein kosten- und zeitaufwändiges Procedere. In Ölfeldern mit mehreren Bohrlöchern werden Sicherheitsfunktionen über ein Prozessleitsystem gesteuert, eine lokale Lösung ohne Anbindung nach außen. Auch hier ist eine regelmäßige Vor-Ort-Kontrolle durch Personal notwendig.

Theoretisch wäre es durchaus möglich, die Daten aller Förderstellen über Kabel an eine zentrale Leitstelle zu übermitteln. Das Verlegen der Kabel über große Distanzen würde allerdings einen erheblichen Eingriff in die Natur bedeuten und darüber hinaus betriebswirtschaftlich keinen Sinn ergeben. Bleibt als einzige sinnvolle Lösung ein digitalisiertes Überwachungssystem.

Das Erdölunternehmen beauftragte daher den Messtechnik-Hersteller WIKA mit der Entwicklung eines für alle Förderstellen einheitlichen Konzepts. Das daraus resultierende Leistungspaket umfasst IIoT-kompatible Messgeräte, die Einrichtung von Konnektivität und der Bereitstellung einer Plattform für den bidirektionalen Datenaustausch, zur Sammlung und Auswertung aller Messwerte und weiterer Geräte- und Anlageninformationen. Das Konzept hatte zudem alle Auflagen zu erfüllen, ohne dass die Betriebserlaubnis geändert werden muss.

Die IIoT-Lösung ist für den Auftraggeber wirtschaftlich vorteilhaft: Etliche Ölfelder haben nur noch eine begrenzte Laufzeit, das Budget für Investitionen muss im entsprechenden Verhältnis stehen. Das digitalisierte System der Bohrlochüberwachung lässt sich auch in dem engeren Finanzrahmen realisieren.

Vernetzung der Messgeräte für die digitale Überwachung

An den Förderstellen werden bisher ausschließlich mechanische Messgeräte eingesetzt, anhand deren Messwerte die Anlage gefahren wird. Der Betreiber möchte eine solche Vor-Ort-Anzeige als zusätzliche hilfsenergiefreie Kontrollmöglichkeit neben dem Online-Monitoring aufrechterhalten, vor allem bei den entscheidenden Messgrößen Druck und Temperatur. Beim Aufbau der digitalisierten Überwachung werden daher die bisherigen Geräte durch mechatronische Typen, die sowohl über einen elektrischem Ausgang (4…20 mA) als auch eine Vor-Ort-Anzeige verfügen. Der Füllstand des Tankspeichers am Bohrloch hingegen wird künftig über einen Schwimmerschalter mit 4…20 mA-Signal erfasst.

Alle Geräte werden über ihre elektrischen Ausgänge mit einem lokalen Gateway in der Anlage vernetzt. Das Gateway überträgt die Daten der Messstellen an die zentrale Systemplattform. Dies geschieht über einen LPWAN-Funkstandard (Low Power Wide Area Network). Im Fall von Messgeräten für Druck, Temperatur oder Füllstand müssen pro Tag nur vergleichsweise wenige Daten gesendet werden. Die Batterie zum Betrieb des Funkmoduls kann daher bis zu zehn Jahre halten, was die Installations- und Wartungskosten gering hält.

Beim Funkstandard für das Bohrloch-Projekt fiel die Wahl auf MIOTY, der als nächste Generation der LPWAN-Technologie gilt und bei dem das Erdölunternehmen einen der ersten Feldeinsätze bestreitet. MIOTY sendet wie LoRaWAN auf einem öffentlichen Band (868 MHz), das von zugelassenen Geräten lizenzfrei genutzt werden kann. Abhängig von der Topographie, lassen sich damit Distanzen von 30 km und mehr überbrücken. Der vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltsysteme entwickelte Standard arbeitet mit dem Telegramm-Splitting-Verfahren, das eine stabile Datenübertragung mit kleiner Fehlerrate ermöglicht. MIOTY ist zugleich extrem skalierbar. Netzwerke mit einer sehr großen Zahl von Endgeräten und nur einem Empfänger können ohne Qualitätsverlust betrieben werden.

Die Betreiberfirma der Ölförderanlagen hatte sich in erster Linie wegen der ausgeprägten Netzwerksstabilität für den neuen Low Power-Standard entschieden. Dieser sorgt für einen stetigen Datenfluss auf die Plattform, wo sich aus Messwerten, Geräteinformationen und Analysen ein komplexes Bild über den Ist-Zustand der Anlagen zusammenfügt und sich Trends ableiten lassen. Sämtliche Zustandsmeldungen können darüber hinaus über SMS oder E-Mail im Bereitschaftsfall auf ein Smartphone übertragen werden, um unmittelbar auf eine mögliche Störung reagieren zu können.

Die digitale Fabrik ermöglicht Kosteneisparungen

Über den Nachweis der Anlagensicherheit gegenüber Behörden und Kunden hinaus kann der Betreiber die Vorteile der IIoT-Lösung umfassend ausschöpfen. Auf Basis der Daten werden alle Abläufe bedarfsgerecht gesteuert, Vor-Ort-Kontrollen und andere Einsätze so auf ein notwendiges Mindestmaß beschränkt. Die Ölförderung richtet sich künftig an den aktuellen Bohrloch-Parametern aus, um Verluste durch einen ineffizienten Betrieb zu verhindern. In einer zweiten Stufe soll eine automatische Bohrloch-Abschaltung in das System integriert werden.

Die Plattform ermöglicht zudem eine zustandsbasierte Instandhaltung. Eine Wartung oder ein Gerätetausch erfolgt nicht mehr nach festgelegten Intervallen, sondern ausschließlich aufgrund datengestützter Entscheidungen. Dieses Vorgehen ist kostensparend und schließt Fehler weitestgehend aus.

Eine digitale Infrastruktur mit offenen Standards muss nicht auf den firmeneigenen Nutzen beschränkt sein. Das Erdölunternehmen kann seine Plattform wegen der sehr hohen Skalierbarkeit von MIOTY auch für externe Anwendungen zur Verfügung stellen, zum Beispiel im Bereich der Land- und Forstwirtschaft oder bei kommunalen Einrichtungen. Diese Geschäftsfelderweiterung kann sogar zu einer Änderung des Kerngeschäfts führen – wenn aus dem Betreiber des Ölfelds nach Ende von dessen Laufzeit ein Anbieter von IIoT-Infrastruktur und entsprechenden Services wird.

Die Digitalisierung industrieller Prozesse ist unausweichlich. Keinesfalls müssen deswegen bisherige Investitionen komplett abgeschrieben werden. Das geschilderte Beispiel der Bohrlochüberwachung macht deutlich, dass bei der Umstellung von analog auf smart vorhandene Strukturen eingebunden werden können und die digitale Fabrik zum Greifen nah ist. Selbst Anzeigegeräte lassen sich in ein Digitalisierungskonzept integrieren, sei es durch eine Kombination von mechatronischen Geräten mit einem Funk-Gateway, in einer Ausführung mit integriertem Funkübertragungsmodul oder über eine Bilderkennungssoftware.

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Über den Autor: Roland Hart ist Head of Corporate Infrastucture IT bei Wika.