Wie mechanische Messgeräte von Wika per IIoT Bohrlöcher überwachen

Konnektivität bildet das Gerüst des Internet of Things (IoT). Erst eine standardisierte Kommunikation aller Geräte und Anlagensysteme liefert den Input für den eigentlichen Mehrwert digitalisierter Prozesse: Betreiber können anhand der Daten und mit Hilfe von Analysetools die Verfahren hinsichtlich Qualität, Produktivität und Kosten optimieren. Das funktioniert aber nur, wenn alle Prozessdaten herstellerunabhängig abrufbar sind. Hersteller von Messtechnik müssen daher plattformübergreifend Daten standardisiert zum Austausch bereitstellen. Das betrifft neben den Messwerten alle spezifischen Informationen der angebundenen Geräte, um daraus deren Digitalen Zwilling für weiterreichende Planungen und Analysen zu generieren.

Bidirektionaler Datenaustausch

(l.) Eingesetzte Systeme bei der Bohrlochüberwachung, von den Geräten im Feld (unten) bis zum digitalen Zwilling in der Cloud. (r.) Wika-Dashboard der IoT-Plattform in der kundenspezifischen Aus­führung zum Visualisieren der Daten Wika

Um Kunden künftig eine Systemlösung anbieten zu können, entwickelt Wika neben IIoT-kompatiblen Messgeräten eine zentrale IoT-Plattform mit offenen Standards, um den bidirektionalen Datenaustausch sowohl mit der Sensorebene (Messgeräte) als auch mit Kundensystemen zu gewährleisten. Diese Plattform wird auch ein Erdölunternehmen nutzen, das seine Bohrlochüberwachung an einem Standort in Norddeutschland digitalisieren wird.

Hintergrund des Projekts ist eine Änderung im Bundesberggesetz: Dessen Neufassung schreibt eine permanente Datenerfassung an Förderstellen vor. Diese muss auch auch bei Stromausfall gewährleistet sein, etwa über lokale, mechanische Anzeigen. Bislang ist es üblich, dass Mitarbeiter in Intervallen einzeln liegende Förderstellen zur Kontrolle anfahren, die Werte der Messgeräte sowie den Wasserstand im Bohrloch ablesen und notieren; ein kosten- und zeitaufwändiges Procedere, das außerdem laut neuem aGesetz nicht mehr zulässig ist. In Ölfeldern mit mehreren Bohrlöchern werden Sicherheitsfunktionen zwar über ein Prozessleitsystem gesteuert – jedoch ist das nur 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. Allerdings würde das Verlegen der Kabel über große Distanzen einen erheblichen Eingriff in die Natur bedeuten und darüber hinaus betriebswirtschaftlich keinen Sinn ergeben.

Vor-Ort-Anzeige als Backup

Das von Wika entwickelte und für alle Förderstellen einheitliche Konzept erfüllt alle Auflagen der Gesetzesänderung, ohne dass das Erdölunternehmen seine Betriebserlaubnis ändern muss. Für den Auftraggeber ist es zugleich eine wirtschaftliche Lösung: 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 diesem engeren Finanzrahmen realisieren.

Zur Praxis: An den Förderstellen kommen bisher ausschließlich mechanische Messgeräte zum Einsatz, anhand deren Messwerte die Anlage manuell überwacht wird. Der Betreiber möchte solche Vor-Ort-Anzeigen als zusätzliche hilfsenergiefreie Kontrollmöglichkeit neben dem Online-Monitoring aufrechterhalten – vor allem bei den entscheidenden Messgrößen Druck und Temperatur. Beim Aufbau der digitalisierten Überwachung ersetzen daher Produkte der „Intelli Gauge“- und „Intelli Therm“-Serie die bisherigen Geräte, denn diese verfügen neben dem elektrischen Ausgang (4…20 mA) auch über eine Vor-Ort-Anzeige. Den Füllstand des Tankspeichers am Bohrloch erfasst künftig ein Schwimmerschalter mit 4…20 mA-Signal.

Alle Geräte, also Druck-, Temperatur und Füllstandsensor, werden über ihre elektrischen Ausgänge mit einem lokalen Gateway in der Anlage per Kabel oder Funk vernetzt. Dieses 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 werde, wobei sich das Übertragungsintervall frei wählen lässt. Die Batterie zum Betrieb des Funkmoduls hat daher eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren, was die Installations- und Wartungskosten gering hält.

Funk per LoRaWAN und Mioty

Manometer mit LoRa-Modul, Typ PGW23. Wika

Für die Übertragung der Daten seiner IIoT-Geräte an das Gateway setzt Wika unter anderem auf die Funkstandards LoRaWAN und Mioty. Beide senden auf einem öffentlichen Band (868 MHz), das zugelassene Geräten lizenzfrei nutzen können. Abhängig von der Topographie, lassen sich Distanzen von 30 km und mehr überbrücken. LoRaWAN und Mioty eignen sich daher auch für Einsatzgebiete mit schwachem Mobilfunknetz.

Beim Funkstandard für das beschriebene 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. Der vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltsysteme (IIS) entwickelte Mioty-Standard arbeitet mit dem Telegramm-Splitting-Verfahren, das eine stabile Datenübertragung mit kleiner Fehlerrate ermöglicht. Mioty ist zugleich extrem skalierbar. Auch Netzwerke mit hunderttausenden 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 IoT-Plattform, wo sich aus Messwerten, Geräteinformationen und Analysen per Dashboard 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.

Auf dem Markt ist LoRaWAN bereits etabliert. Wika nutzt den Standard auch, um klassische Anzeigegeräte in digitalisierte Abläufe einzubinden. Als erstes einer neuen Reihe von mechanischen LPWAN-Geräten hat der Hersteller ein Manometer mit integriertem LoRa-Modul, Typ PGW23, im Portfolio. Bei diesem Typ wandelt ein Mikroprozessor den von der Rohrfeder übertragenen Messwert in ein Funksignal um.

Neben LPWAN-Lösungen bezieht Wika auch Mobilfunkstandards in seine Planungen mit ein, die der Hersteller bereits in einer Messlösung zur Überwachung dezentraler Tankanlagen verwendet. Bei hohem Messwertaufkommen in dynamischen Prozessen bedarf es für Sendungen im Sekundentakt jedoch einer entsprechenden Bandbreite und Energieleistung, sprich: Stromanschluss. Außerdem lassen sich Systeme aufbauen, bei denen viele Low Power-Datensendungen auf einen Mobilfunkknoten konzentriert und dann gebündelt übertragen werden.

Datengestützte Anlagensteuerung

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

Die IoT-Plattform ermöglicht zudem eine zustandsbasierte Instandhaltung. Eine Wartung oder ein Gerätetausch erfolgt nicht mehr nach festgelegten Intervallen, sondern ausschließlich aufgrund datengestützter Entscheidungen.

(ml)