Wasserversorgung

IoT-Pilotprojekt: Pegelmessung in der Cloud

Martijn Smit, Keller Meettechniek B.V. Martijn Smit, Keller Meettechniek B.V.

22. Februar 2021 - 08:00

Das Schema der Wasserversorgung im Kololo-Wildreservat. -

(Bild: Keller)

Zur Kontrolle der Wasserversorgung eines Wildreservats, setzt Keller Druckmesstechnik auf IoT - wie ein drahtloses LoRa-Netzwerk zur Messung des Wasserspiegels.

Mit der KOLIBRI-Cloud können Pegelstände jederzeit ausgelesen und die Wasser-Versorgung gesteuert werden.

Das Kololo-Wildreservat mit mehreren Unterkünften, einem gehobenen Restaurant und Swimmingpool befindet sich in der Nähe von Vaalwater, Limpopo (Südafrika). Kololo gehört zum Welgevonden-Wildreservat, wobei die Besonderheit darin besteht, dass die Big Five nicht auf dem Gebiet selber gehalten werden. Kurz gesagt ist Kololo ein familienfreundliches Wildreservat mit eigenem Zugang zu den Big Five und bietet so das Beste aus beiden Welten.

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Das Reservat ist ländlich gelegen und verfügt deshalb über eine autarke Wasser- und Stromversorgung. Zwar ist Kololo an das Stromnetz angeschlossen – da Ausfälle jedoch vorkommen können, verfügt das Reservat über einen Diesel-Generator für Reserve-Strom.

Kololo verfügt über ein dreistufiges Wassersystem bestehend aus einem Brunnen, acht Sammeltanks und einem Verteilsystem mit Rohren und Schläuchen, um das Wasser zu den Lodges, zum Restaurant und zum Pool zu leiten. Die Hauptwasserquelle in Kololo ist ein 100m tiefer Brunnen. Das Wasser im Brunnen kann durch ein Bohrloch erreicht werden. Da der Wasserbestand nicht unendlich ist, muss er mittels Pegelmessung im Brunnen eingeschätzt werden.

Installation der Pegelsonde, — Vor der Installation der Pegelsonde und der LoRa-Box im Kololo Wildreservat. -

Aus dem Brunnen wird das Wasser über einen Kilometer in acht 5000-Liter-Tanks gepumpt. Diese Tanks sind nach ihrem Hersteller Jojo benannt und heissen ebenfalls ‚Jojos‘. Sie befinden sich weit oben auf einem Hügel und dienen als Speicher. Das Wasser aus den Jojos wird durch die Schwerkraft über eine Rohrleitung vom Hügel hinab an die Lodges und den Pool verteilt.

Durchgängige Pegelmessung

Um einen Einblick in den aktuellen Pegelstand zu erhalten, der für den Wasserbestand über einen bestimmten Zeitraum repräsentativ ist, muss sowohl der Pegel im Brunnen als auch in den Jojos gemessen werden. Zu diesem Zweck installierte Keller im Februar 2020 ein komplettes System zur Pegelmessung in einem der Jojos. Die Daten werden über ein drahtloses LoRa-Netzwerk ausgelesen. Da alle acht Jojos miteinander verbunden sind, ist der gemessene Pegel auch für die anderen Jojos repräsentativ.

Keller verfügt über ein breites Angebot an analogen und digitalen Pegelsonden. Zusätzlich zur Messung der Standardparameter Temperatur und Pegel können digitale Pegelsonden optional sogar die Leitfähigkeit ermitteln. Da die Daten am Schluss in einer Datenbank auf der KOLIBRI Cloud von Keller gespeichert werden, kann ausserdem die Datenhistorie eingesehen werden, die Rückschlüsse über den Verbrauch, Lecks und ähnlichem zulässt.

Pegelmessung mit der KOLIBRI-Cloud

Das System zur Pegelmessung liefert Ist-Daten über Flüssigkeitspegel. Durch das drahtlose Auslesen und die Speicherung der Daten in einer Datenbank kann eine Datenhistorie aufgebaut werden. Das Ergebnis sind weitreichende statistische Erkenntnisse hinsichtlich Verbrauch und/oder bislang unbekannter Störungen des Systems. Somit kann das System dabei helfen, Kosten einzusparen oder unnötige Reparaturen und Ertragsausfälle zu vermeiden. Dieses System eignet sich für alle Pegelmessungen von Flüssigkeiten in vielen Industriebereichen, Wildreservate, Landwirtschaft, Petrochemie. Jeder Keller-Sensor mit einem digitalen Ausgang (RS485 oder SDI-12) kann für IoT-Anwendungen eingesetzt werden.

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Drahtloses LoRaWAN-basiertes System

Kololo ist zwar nicht das grösste Wildreservat, verfügt jedoch über eine grosse Fläche von 3000 Hektar (so gross wie 4500 Fussballfelder) und ist somit zu gross für verdrahtete Sensoren. Das Projekt verlangt eine drahtlose IoT*-Lösung, allerdings ist die Mobilfunkabdeckung im Reservat aufgrund der ländlichen Lage minimal. 4G und NB-IoT (also bereitgestellte Netzwerke) sind somit nicht verfügbar. Kololo ist jedoch ans Internet angeschlossen. Die Lösung ist ein LoRaWAN-basiertes Mikronetzwerk.

Es gibt verschiedene drahtlose IoT-Systeme wie etwa LoRaWAN und Sigfox. Die bekanntesten LoRaWAN-Systeme sind Loriot und The Things Network (TTN). TTN hat den grossen Vorteil, dass man mit einem ans Internet angeschlossenen TTN-kompatiblen Gateway ganz einfach eine lokale Abdeckung schaffen kann. Ein typisches lokales LoRa-Netzwerk beinhaltet drei Grundelemente:

Einen digitalen Sensor oder ein digitales Messgerät
Einen LoRa-Transmitter zur Übertragung der Messwerte
Einen LoRa-Gateway – einen Empfänger, der über Ethernet oder WLAN mit dem Internet verbunden ist, und der die Messdaten in die KOLIBRI Cloud von Keller weiterleitet.

Manometer, — Das Manometer gibt den Druckwert für die Reservat-Mitarbeiter lesbar auf einer Anzeige aus. -

In Kololo wird ein Sentrius-Gateway von Laird als LoRa-Gateway verwendet. Die LoRa-Fernübertragung wird mit einer ADT1-LoRa-Box von Keller bewerkstelligt. An die ADT1-Box ist eine digitale Pegelsonde aus der Serie 36XW von Keller angeschlossen, die den Druck (= Wasserpegel) und die Temperatur misst.

Die ADT1-Box ruft den Pegel von der Pegelsonde ab und überträgt die Daten zusammen mit dem Luftdruck und der Lufttemperatur an den LoRa-Gateway. Schliesslich leitet der LoRa-Gateway alle Daten über das Internet an die KOLIBRI Cloud von Keller, in der die Daten gespeichert werden. Die Daten können in der KOLIBRI Cloud Web-App eingesehen werden. Die Web-App bietet jedoch noch viel mehr, als nur die Dateneinsicht:

Daten können zum Beispiel exportiert und ausgedruckt, in andere Einheiten umgerechnet oder sogar für Berechnungen von Tankinhalten verwendet werden.

Das Elektrizitätssystem des Kololo-Reservats

Kololo ist an ein Stromnetz angeschlossen, doch Stromausfälle kommen vor. Zur Absicherung für solche Fälle besitzt das Reservat einen dieselbetriebenen Stromgenerator.

Manchmal werden die Vorratsbehälter nicht gründlich gereinigt; dadurch gelangt beim Auffüllen Wasser in den Dieseltank. Zudem kommt es vor, dass Diesel gestohlen wird. Oft kaschieren die Diebe dies, indem sie die Tanks zum Ausgleich mit Wasser auffüllen. Für einen Diesel-Generator wäre das eine Katastrophe, da Wasser im Motor erhebliche Schäden und damit hohe Reparaturkosten verursacht.

Da das LoRa-System höchstens in Abständen von 15 Minuten Messungen durchführen kann, reicht eine Pegelsonde vielleicht nicht immer, um einen veränderten Dieselpegel zu entdecken, falls der Pegel innerhalb von 15 Minuten mit Wasser wieder auf das vorherige Niveau erhöht wird.

Über die Leitfähigkeit kann man jedoch eine Veränderung in der Zusammensetzung des Gemischs ermitteln. Wasser ist schwerer als Diesel und hat eine andere Leitfähigkeit. Eine veränderte Leitfähigkeit weist also darauf hin, dass sich Wasser im Dieseltank befindet.

Die digitale Sonde aus der Serie 36XiW-CTD von Keller misst gleichzeitig den Pegelstand und die Leitfähigkeit. Mit dieser Sonde können wir Veränderungen des Pegels und der Leitfähigkeit ermitteln und feststellen, ob sich Wasser im Dieseltank befindet.