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Nicht ohne mein M-Bus: Smartes Energiemanagement dank Retrofit

Ein intelligentes Energiemanagementsystem braucht vor allem eines: (Verbrauchs-) Daten. Hierfür wiederum sind IoT-fähige Geräte und deren Vernetzung vonnöten. In der Gebäudewirtschaft haben sich für die Übertragung von Zählerdaten vor allem M-Bus-Systeme vielfach bewährt. Denn sie überzeugen nicht nur durch eine leichte Installation, sondern auch durch einen robusten Betrieb. Kein Wunder, dass viele Unternehmen auch beim Aufbau moderner Energiemanagementsysteme an ihnen festhalten wollen und die Transformation ihres M-Bus zum IoT-System wünschen. Der Markt hat längst darauf reagiert und bietet nachrüstbare IoT-Module und Softwaresysteme, mit denen genau das möglich ist.

Transformation leicht gemacht

Zuvor muss jedoch die fehleranfällige Konfiguration der M-Bus-Systeme deutlich vereinfacht und die Erzeugung und Verwaltung der digitalen Zwillinge angeschlossener Geräte – zum Beispiel Energiezähler – ermöglicht werden. Genau an dieser Stelle setzen Hardware- bzw. Softwaresysteme an, etwa der M-Bus-Orchestrator von der Q-loud GmbH. Angeschlossen an einen M-Bus-Master lassen sich Merkmale wie beispielsweise die Datenübertragungsrate einstellen, wodurch die Ansprache aller angeschlossenen Geräte möglich ist. Diese werden in eine Referenztabelle übertragen, die wiederum die Basis bildet für die Zuordnung der Geräte und ihrer digitalen Zwillinge via Klicklisten.

Der Vorteil: Eine Installation in weniger als 30 Minuten ist selbst für umfangreichere M-Bus-Installationen mit über 250 Zählern möglich. Nach einem erfolgreich durchgeführten Test wird das Hardware-Modul via Ethernet, LTE oder W-Lan über eine Internetverbindung mit der zentralen Plattform verbunden, wo dann alle Geräte mit Typbezeichnungen und Zählerständen sichtbar sind. Mit jeder weiteren Messung erfolgt eine Speicherung als Zeitreihe, welche als Basis für die folgenden Analysen dient.

Effizienzgewinne und mehr

Auch im Falle eines noch nicht erfolgten oder möglichen Austauschs von analogen Zählern, bietet sich ein Aufrüsten – bzw. ein Retrofit an. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz von speziellen Kameras, die am mechanischen Hauptzähler installiert werden und die analogen Messwerte automatisch erkennen (OCR – optische Texterkennung), digitalisieren und über eine Kommunikationsschnittstelle drahtlos oder auch per M-Bus an ein Gateway weitergegeben. Dieses wiederum übernimmt das Sammeln sowie die Datenkonsolidierung und schickt sie schließlich in eine gesicherte und zertifizierte Cloud-Umgebung, von wo aus weitere Analysen und Auswertungen möglich sind.

Durch Lösungen wie diese, ist nicht nur eine automatisierte Fernablese, sondern auch die gezielte Identifizierung von Störungen ermöglicht. Zu Buche schlagen vor allem deutliche Effizienzgewinne, da das aufwändige Ablesen vor Ort entfällt. Langfristig lassen sich auf diese Weise alle Verbrauchsarten wie Gas, Wasser, Strom oder Wärme in einem System erfassen, zusammenführen und auswerten.

Retrofit für Altbewährtes

Ein intelligentes Energiemanagement ist in der Wohnungs- und Gebäudewirtschaft zu einem zentralen Wettbewerbsfaktor gereift. Wer hier nicht schnell genug handelt, droht schon bald ins Hintertreffen zu geraten. Mithilfe von Retrofit-Projekten gelingt die Transformation hin zu IoT-Systemen als Voraussetzung schnell und einfach und ohne den Austausch der vorhandenen Infrastruktur. Ob analoge Zähler oder bewährte M-Bus-Systeme – sie alle haben längst nicht ausgedient. Sie bedürfen nur eines technischen Liftings.

*Christian J. Pereira arbeitet als Senior Advisor bei Q-loud GmbH.

Energiemanagement via IoT-Eco-System

Nicht die Digitalisierung industrieller Abläufe – es ist die Vernetzung von Gegenständen und Infrastrukturen, welche den Megatrend der Gegenwart bestimmt und neue Marktpotenziale schafft. In der Energiewirtschaft ermöglicht sie eine nie dagewesene Transparenz – und zwar in Echtzeit. Das hierdurch mögliche, neue Verständnis über alle Betriebs- und Verbrauchsdaten legt den Grundstein für ein effizientes Energiemanagement, das gerade in Industrie und Gewerbe zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dies gilt nicht zuletzt vor dem Hintergrund der in Kraft getretenen Verschärfungen der ISO50001-Norm. Für die Unternehmen geht es hier sowohl um die Optimierung der Energiekosten als auch um die Sicherung einer Befreiung von der EEG-Umlage und den damit einhergehenden Vorteilen.

Von der Energiewirtschaft selbst können die Unternehmen bislang lediglich die Einführung der Smart Meter – der intelligenten Stromzähler – erwarten. Die Umsetzung wird jedoch viel Zeit in Anspruch nehmen und lässt alle anderen Energieformen außer Acht. In der Praxis ist daher von Betrieben vor allem Eigeninitiative gefragt. Hier müssen zunächst Bestandssysteme unterschiedlicher Bauart und Funktion wie Strom, Gas, Wasser und Wärme zu einem vernetzten System zusammengeführt werden – mit Hilfe geeigneter Partner.

Retrofit: Aufrüsten des Bestands

Die Aufgabe der Stunde lautet Lösungen zu finden, deren Einführung ohne großen Aufwand möglich ist und welche eine effiziente, automatisierte Verbrauchsmessung – unabhängig der Verbrauchsart – unterstützen. Fakt ist jedoch: Die aktuell verbaute Basis aus Zählern für unterschiedliche Verbräuche von verschiedenen Herstellern ist üblicherweise relativ alt, der Austausch ist mit hohem Aufwand verbunden und fast jedes Installationsszenario individuell. Oftmals bedarf es beispielsweise der Überbrückung von Strecken zwischen den Zählern per Funk oder Verkabelung, einer Beachtung der besonderen Anforderungen an Batterielaufzeiten sowie von speziellen Rahmenbedingungen in Bezug auf Temperatur, Staub oder Explosionsschutz. Vorhandene Messinfrastrukturen, etwa durch eine Vernetzung der Zähler über M-Bus, sind selten effizient und in der Regel ohne Überwachungs- und Alarmierungsfunktionen. Notwendige Systemänderungen und Erweiterungen bedeuten aber nicht nur Aufwand, sie stellen in aller Regel auch eine typische Fehlerquelle dar.

Ein „Retrofit“ – also das Hochrüsten der vorhandenen Basis – ist daher für viele Szenarien der wesentliche Ansatz für die Vernetzung. Hier können Adapter-Boxen oder Energy Cams zum Einsatz kommen, welche die gesammelten Daten an ein Gateway übertragen. Dieses wiederum sendet die Informationen via Mobilfunk an eine zentrale Datenbank. Durch die vernetzten Adapter und Sensoren lassen sich nun effizient Verbräuche erfassen. Die so geschaffene Datentransparenz dient als ideale Basis für darauf aufbauende Visualisierungen und Analytics – etwa zur Überwachung der Lastkurven von Heizungsanlagen oder zur automatischen Erfassung und Auswertung von Unregelmäßigkeiten via modernen Analyseverfahren wie „Machine Learning“.

Eco-System für das Energiemanagement: Investitionssicherheit

Genau hier greift das Eco-System eines Dienstleisters. Für ein rundes Lösungsangebot sollte dieser auf Partner mit Spezialwissen und Branchenkompetenz setzen und zwar in Bereichen wie die Visualisierung zur Darstellung von Energiedaten oder die Datenanalyse für die Berechnung von Prognose – etwa zur Vermeidung von Lastspitzen. Auch Partner für das kaufmännische Energiemanagement, deren Lösungen Prozesse wie das Energiecontrolling, die Erstellung von Energiebilanzen, das Verwalten von Kosten und Verbräuchen, die detaillierte Kosten- und Verbrauchsplanung, die Weiterverrechnung von Energiekosten, den Energieeinkauf sowie die Rechnungsprüfung unterstützen, sollten Teil des Eco-Systems sein.

Vernetzung total!

Was für Geräte und Sensoren gilt, lässt sich also auch auf Hersteller und Dienstleister übertragen: Erst durch deren Zusammenarbeit entsteht ein effizientes Gesamtsystem. Das gilt erst recht in Hinblick auf den enorm schnellen, technologischen Fortschritt. Durch ein IoT-Eco-System können mit überschaubarem Aufwand deutliche Mehrwerte gehoben und neue Chancen erschlossen werden. Achten Unternehmen auf der Suche nach geeigneten Lösungspartner von Beginn an auf ein entsprechendes, angebundenes Netzwerk, haben Sie beste Chancen ein nachhaltiges, optimiertes Energiemanagement aufzubauen.

*Christian J. Pereira arbeitet als Senior Advisor bei Q-loud GmbH.

Wie Narrowband-IoT die Industrie voranbringt

Low Power Wide Area Network (LPWAN)-Funknetze, die mit wenig Energie betrieben werden können und sich gleichzeitig durch eine hohe Reichweite, eine hohe Durchdringung und vergleichsweise geringe Kosten auszeichnen, gelten als vielversprechende Lösung auch für die Industrie. Sie sind immer dann einsetzbar, wenn geringe Datenmengen mit geringen Anforderungen an Geschwindigkeit und Latenz übertragen werden müssen.

NB-IoT auf dem Vormarsch in Europa

Neben den Verfahren LoRa und Sigfox, die im unlizenzierten Frequenzband operiert werden können, ist für Europa vor allem der Standard Narrowband-IoT (NB-IoT) relevant. Dieser setzt im Rollout auf existierende Mobilfunknetze und auf lizenzierte Funkfrequenzen und nutzt damit im Wesentlichen existierende Infrastrukturen der Mobilfunkanbieter. Erster Anbieter von NB-IoT in Deutschland ist die Deutsche Telekom, die frühzeitig einige Regionen des Netzes auf NB-IoT ausgerüstet hat und für Testzwecke bereits Pakete aus SIM-Karten und Kommunikationsvolumen kommerziell anbietet. Der flächendeckende Ausbau soll bis Ende 2018 abgeschlossen sein, und auch die anderen Mobilfunker starten jetzt mit entsprechenden Angeboten.
Binnen Jahresfrist hat sich somit die Mobilfunklandschaft deutlich verändert – neben den herkömmlichen GSM/UMTS-Angeboten, werden dann die LPWA-Angebote, also LoRa, Sigfox und auch NB-IoT für die Vernetzung von Maschinen verfügbar sein.

Wachsendes Hardware-Angebot

Neben dem Netz ist aber auch die Kommunikationshardware zu betrachten. Diese muss verfügbar und zudem möglichst kostengünstig sein. Während genau jene für NB-IoT noch vor wenigen Monaten Mangelware war, bieten aktuell drei Hersteller Module für NB-IoT an. Alle bauen jeweils auf den Chips von Huawei auf. Folglich können Entwickler Module beziehen und sowohl im Mobilfunknetz der Deutschen Telekom als auch in den Laboren der anderen Mobilfunkanbietern oder von Huawei testen.

Kommunikationshardware muss verfügbar und möglichst kostengünstig sein. Auch für NB-IoT hält der Markt nun erste Angebote bereit. (Q-loud)

 

Fazit und Ausblick

Insbesondere in Sachen Dienste-Qualität, Signalstärke und Skalierbarkeit ist NB-IoT im Vorteil gegenüber anderen LPWAN-Standards. Denn NB-IoT ermöglicht eine deutlich größere Zahl von Verbindungen pro Funkzelle und sendet Daten durchweg bidirektional. Für industrielle M2M-Anwendungen eignet sich der Standard besonders, da hier oft eine dicht gepackte Sensorik ausgerollt wird und aufgrund der oft kritischen Daten eine maximale Anforderung an die Qualität besteht.
Trotz dieser technischen Vorteile erwarten wir aber auch in Zukunft eine Vielfalt bei den eingesetzten LPWA-Technologien. Als Beispiel seien hier die LoRa-Netze aufgeführt, welche durch die geringen Kosten und Hürden für ihren Aufbau insbesondere für Anwendungsfälle wie Smart City an Attraktivität gewinnen werden.

*Christian J. Pereira arbeitet als Senior Advisor bei Q-loud GmbH.

IoT-Gateway-Devices: Orientierung im Gerätedschungel

IoT-Gateways fristen in aktuellen IoT-Diskursen ein Schattendasein – zu Unrecht. Denn sie sorgen als zentraler Bestandteil in vielen IoT-Systemen für die Interoperabilität zwischen alten und neuen Sensoren, Geräten, Netzwerken und Knotenpunkten. Der Bedarf ist hoch und ebenso das ständig wachsende Angebot. Ein Blick auf die Funktionen hilft bei der Definition geeigneter Auswahlkriterien.

Abbildung: Gateway im IoT-System
Abbildung: Gateway im IoT-System                                                                             (Quelle: Q-loud GmbH)

Kernfunktionen im Überblick

Ein Blick auf die drei Kernfunktionen 1) Interoperabilität (Protokolle und Connectivity), 2) Konzentrator und 3) lokale Datenverarbeitung verdeutlicht nicht nur die Bedeutung von Gateways in IoT-Szenarien, sondern ist auch Ausgangspunkt für die Definition geeigneter Auswahlkriterien eines passenden Geräts.

  1. Interoperabilität: Ausgestattet mit einer großen Vielfalt an Schnittstellen, Protokollen und Standards etwa für die lokale Installation (Edge) oder die Datenfernübertragung über Fest- und Mobilfunknetze (Connectivity) vereinfachen IoT-Gateways die Zusammenarbeit von vielen unterschiedlichen alten und neuen Geräte in einem IoT-Szenarium. Sie übertragen die gesammelten Daten in das Internet bzw. an eine zentrale IoT-Plattform oder -Cloud. Auf diese Weise verringern sie die technische Komplexität der Systeme und halten die notwendigen Investitionskosten gering.
  2. Konzentrator: In einem IoT-System sind mehrere Sensoren an ein Gateway angeschlossen, welches diese mit geeigneten Protokollen über Fest- und/oder Mobilfunkstrecken im Feld zu einem Datenstrom zusammenschaltet und transportiert. Diese Konzentration von Daten erzielt sowohl wirtschaftliche Effekte, z. B. durch die Nutzung von nur einer SIM-Karte und eines kostenintensives Hardware-Moduls für die Mobilfunkstrecke als auch Effekte für die IT-Security, da nur das Gateway über den IP-Adressraum erreichbar ist – nicht aber sämtliche Geräte bzw. Sensoren.
  3. Lokale Datenverarbeitung: Auch im Kontext einer lokalen Datenvorverarbeitung spielt ein Gateway eine zentrale Rolle. Hierbei geht es bspw. um das Filtern von Daten, welche nur bei relevanten Änderungen, z. B. beim Erreichen von als kritisch definierten Temperaturen – und nicht kontinuierlich – übertragen werden. Dies führt zu einer signifikanten Reduktion der Datenmenge und der damit einhergehenden Betriebskosten. Sinnvoll ist diese Funktion auch für das Anstoßen einer direkten, lokalen Aktion ohne eine bestehende Verbindung zur zentralen Plattform. Immer häufiger kommen in diesem Kontext vollwertige Analyse-Programme als sogenannte „Stream-Analytics“ in der Edge zum Einsatz, welche die definierten Anforderungen an Rechen- und Speicherleistung auslösen. Auch die Verbindung zu Public-IoT-Cloud-Systemen wird häufig über entsprechende Softwareprogramme ermöglicht, die auf dem Gateway betrieben werden. Darüber hinaus dienen Gateways teilweise auch als „Trustpoint“, d. h. als Kommunikationsanker in der Edge, und tragen damit zu einer möglichst hohen Sicherheit der IoT-Cloud-Kommunikation bei.

Auswahlkriterien: IT-Security – Betriebssysteme

Im Markt gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Geräten, die im Spannungsfeld von Kosten, Leistungsmerkmalen und den entsprechenden Anwendungsbereichen (z. B. Heim-Gateways, Industrie-Gateways, Gateways für Connected Health oder Endkosumentenprodukte) ihre Berechtigung haben.

Wesentlich für die Bewertung von Geräten ist jedoch für alle Bereiche zunächst die IT-Sicherheit. Um auf dem Gateway keine Schlüssel ablegen zu müssen, ist auf eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung zu achten, d. h. eine Verschlüsselung vom Sensor oder der Maschine bis zur IoT-Plattform – ohne eine Entschlüsselung im Gateway. Ist eine Entschlüsselung bspw. für die Alarmierung oder Datenvorverarbeitung aber unumgänglich, müssen besondere Vorrichtungen zum Schutz des Schlüssels getroffen werden, z. B. der Einbau eines „Secure Elements“.

Von besonderer Relevanz für die Auswahl eines Gateways ist zudem die Frage nach den unterstützten Betriebssystemen. Denn hieraus folgt, ob auch der Betrieb von externen Programmen (Container) möglich ist, die Anzahl benötigter Ressourcen (Footprint) und ob Softwarestacks zur Datenvorverarbeitung oder zur Anbindung von 3rd-Party-Clouds lauffähig sind.

Zwar ist der Wunsch auf dem Gateway ein vollwertiges Betriebssystem zu betreiben aus Gründen der Variabilität nachvollziehbar. Allerdings ist dabei zu beachten, dass hieraus ggf. höhere Aufwände zur Sicherstellung der IT-Security oder auch bei Over-the-Air-Updates (OTAU) resultieren, da möglicherweise sehr große Datenmengen bewegt und verwaltet werden müssen.

Neben der Kostenfrage – Rechnet sich der Business-Case noch mit den Gateway-Kosten? – ist nicht zuletzt von zentraler Bedeutung, welche Protokolle das Gateway unterstützt und wie einfach weitere Standard- oder 3rd-party Protokolle implementierbar sind.

Schlussendlich kann auch die Berücksichtigung praktischer Anforderungen für eine Anwendung von Relevanz sein: Wie lässt sich das Gateway montieren? Sind besondere Schutzanforderungen (IP-Schutzklasse, Explosionsschutz) mit dem Gateway einzuhalten? Wie erfolgt die Stromversorgung?

IoT Gateway

Merkmal

Home

Industry

Modular

Custom

Edge

ISM (868 MHz)

ISM (868/902)

ISM (868/902)

M-, ModBus Feldbus 2-Draht für Strom/Spannung

Anforderungen können frei definiert und umgesetzt werden

(auf Basis der Standard-Gateways)

Connectivity

W-LAN

W-LAN, G2/G3/G4

W-LAN G2/G3/G4 Ethernet

Protokolle

Q-loud cSP

Q-loud cSP

Q-loud cSP Snap7 (Siemens)

Betriebssystem

Linux (light)

Linux (light)

Linux (full)

Stromversorgung

5V, Netzteil

24V, Hutschiene

24V, Hutschiene

Externe Software

Nein

Nein

Ja (Container)

3rd party Plattform

 

 

Azure, SAP Leonardo, MQTT

Die Tabelle zeigt die von dem IoT-Spezialisten Q-loud empfohlenen Gateway-Merkmale für die verschiedenen Anwendungsbereiche. | Quelle: Q-Loud GmbH

Kurzum

Im Spannungsfeld von Kosten, Funktionalität und Qualität kann und wird es keine „One-Fits-All-Lösung“ geben. Daher macht es Sinn, die speziellen Anforderungen möglichst genau zu definieren und mit den gebotenen Merkmalen der Geräte abzugleichen. Ganz oben auf der Liste müssen dabei Aspekte wie IT-Sicherheit, Betriebssystem und Protokolle stehen.

*Christian J. Pereira arbeitet als Senior Advisor bei Q-loud GmbH.