Strategisch digitalisiert

21.09.2021 – Ein serienreifes Sensor-Board für Stromverteilkästen ist das Ergebnis eines beispielhaften IoT-Projekts bei der Kölner RheinEnergie.

Sensoren, LoRaWAN-Netzwerk und IoT-Plattform – so lautet die vermeintlich einfache Formel für mehr Transparenz, Sicherheit und Effizienz in den unteren Spannungsebenen des Verteilnetzes. Doch bis aus diesem Grundkonzept eine praxistaugliche, breit anwendbare Lösung entsteht, sind viele komplexe Prozessschritte erforderlich. Das zeigt der Blick hinter die Kulissen eines aktuellen Projekts bei der RheinEnergie AG.

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Die RheinEnergie und Cassini Consulting setzten gemeinsam ein IoT-Projekt um. Foto: iStock.com / phongphan5922

Sensorik im Ortsnetz

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Das selbst entwickelte Sensor-Board misst und überträgt relevante Saten aus den Kabelverteilerschränken. Foto: RheinEnergie AG

Der Kölner Regionalversorger hat sich zum Ziel gesetzt, zahlreiche Sensoren in seinem Netz zu verbauen und damit Mehrwerte für die Versorgung der Rheinmetropole zu schaffen. Aktuell – rund drei Jahre nach Beginn eines ersten Pilotprojekts mit der auf Digitalisierung spezialisierten Cassini Consulting AG – startet der Feldtest mit etwa 2.000 selbst entwickelten Sensor-Boards, die in den Stromverteilerkästen montiert werden können. Die Sensoren überwachen 24 Stunden am Tag die Temperatur und Feuchtigkeit des Innenraums, mögliche Erschütterungen sowie die Tür des Stromverteilkastens. Die Daten werden stündlich und ereignisbasiert erhoben, wenn sich beispielsweise die Tür öffnet, verschlüsselt über das LoRaWAN-Netzwerk der NetCologne übertragen und per Schnittstelle an ein IoT-Hub auf der Microsoft Azure Plattform weitergegeben. Dort werden sie grafisch aufbereitet und dem Fachbereich der RheinEnergie als Webanwendung zur Verfügung gestellt.

Beim Überschreiten von Schwellwerten generiert das System zudem Alarmmeldungen und informiert den Fachbereich per E-Mail. Die erhobenen Messdaten sollen dazu beitragen, Störungen aufgrund von umgefahrenen Kabelverteilerschränken oder offenen Türen, oder Brandgefahr bei zu hohen Temperaturen, schneller zu erkennen. Zudem soll noch untersucht werden, ob man von den gemessenen Kabeltemperaturen auf die Auslastung des Stromkabels schließen kann. Dies ist künftig vor allem für die Planung und Genehmigung von Ladestationen oder Wallboxen relevant.

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Jan Geulen, Projektleiter bei der RheinEnergie. Foto: RheinEnergie AG

Von der Vision zum Anwendungsfall

„Bis wir zu diesem Ergebnis gelangt sind, waren wirklich komplexe Herausforderungen zu bewältigen“, erinnert sich RheinEnergie-Projektleiter Jan Geulen. Strukturiert und moderiert wurde das Projekt von der Cassini Consulting AG, die dabei ihre IoT-Thinking-Methode zugrundelegte. Nach einem gemeinsamen Brainstorming aller beteiligten Fachleute stieg man sehr bald in die konkrete Bewertung möglicher Anwendungen ein. „Wichtige Fragen sind hier natürlich neben der Abwägung von Aufwand und Nutzen auch die technischen Möglichkeiten respektive Limi­tierungen“, führt Jan Geulen aus. So eigne sich die LoRaWAN-Funktechnologie bei allen Vorteilen keineswegs für alle Aufgaben.

Schnell wurde klar, dass sich durch eine sensorbasierte Überwachung der Kabelverteilerschränke kurzfristig die größte Effizienzsteigerung erzielen ließe – bei gleichzeitig vertretbarem Aufwand. „Unsere insgesamt rund 18.000 Kabelverteilerschränke sind über das gesamte Stadtgebiet verteilt“, berichtet Geulen. Ein durchgängiges digitales Monitoring würde somit erhebliche Zeit im Entstördienst und der Wiederversorgung sparen, Sicherheitsrisiken durch an- oder umgefahrene Schränke ließen sich minimieren. Zusätzlich soll auch die Netzdokumentation von den Sensordaten profitieren.

Sensorik: Make or buy?

„Nach der genauen Beschreibung des Use Cases – wobei wir die IoT-Thinking-Methode verwendeten – haben wir eine Make or Buy-Entscheidung für die Sensorik treffen müssen und dabei IoT-Anbieter in Europa und im Silicon Valley analysiert“, schildert David Geier von Cassini Consulting den nächsten Schritt.

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Grafik: Cassini Consulting AG

Anders als in vielen vergleichbaren Projekten entschied sich die RheinEnergie sowohl gegen eine schlüsselfertige IoT-Lösung als auch gegen eine eigene Softwareentwicklung. Vielmehr sollten die benötigten Bausteine, also Software und Hardware, von externen Dienstleistern nach den Vorgaben der RheinEnergie entwickelt und gefertigt werden. Auch hier unterstützte die Cassini Consulting AG mit einem IoT-Lastenheft für das Device, das für die Anforderungen der RheinEnergie – beispielsweise eine vorherrschende Temperaturumgebung bis zu 80 Grad – spezifiziert wurde. Bei der Frage nach der geeigneten IoT-Plattform galt es, auch die Mehrwerte für andere Unternehmensprozesse und Projekte zu betrachten. Die Wahl fiel schließlich auf die Microsoft Azure Plattform.

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David Geier, IoT & Business Model Experte bei Cassini Consulting. Foto: Cassini Consulting AG

Komplexe Projektsteuerung

Für die Projektsteuerung wurde ein Ansatz gewählt, bei dem neben dem Auftraggeber auch spätere Benutzer sowie Lieferanten im Lenkungsausschuss vertreten sind. „Dadurch wird ein enger Austausch zwischen allen Beteiligten ermöglicht und die Benutzer und Kollegen, die den späteren Betrieb sicherstellen sollen, werden frühzeitig ins Projekt eingebunden“, führt David Geier aus. Da zu Beginn des Projektes noch nicht alle Fakten bekannt waren, wurde der syste­matische Projektmanagement-Ansatz durch agile Methoden ergänzt, um offener und flexibler mit geänderten Anforderungen im Laufe des Projektes umgehen zu können. Unter anderem zählten dazu regelmäßige Austauschmeetings und Retroperspektiven sowie ein iterativer Ansatz bei der Produktentwicklung in mehreren Phasen.

Herausforderungen in der Umsetzung

Den Kölner Projektpartnern RheinEnergie und NetCologne kam im Verlauf die Aufgabe zu, eine funktionsfähige Systemarchitektur für das Digitalisierungsprojekt zu entwickeln. Konkret ging es dabei um zwei Herausforderungen, wie Jan Geulen berichtet: „Zum einen musste die IoT-Plattform unseres Entwicklungspartners NetCologne vertikal in unsere Cloud-Infrastruktur integriert und zum anderen eine horizontale Integration konzeptioniert werden, damit die erfassten Sensordaten an die entsprechenden Fachanwendungen weitergegeben werden können.“ Hier gab es nicht nur Zuständigkeiten und Prozesse zu klären, sondern auch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten.

So erwies sich bei der Anbindung der IoT-Plattform an den Microsoft Azure IoT-Hub, die 1:1-Abbildung und das Onboarding neuer IoT-Devices 1:1 zunächst als schwierig. „Eine entsprechende Schnittstellemusste erst entwickelt und neue Prozesse definiert werden, damit das Device-Management im Azure IoT-Hub als führen­des System erfolgen konnte“, erläutert Jan Geulen. Weitere wichtige Schritte waren der Aufbau eines automatischen Monitorings für die IoT-Geräte sowie die Umsetzung von Prozessen für die Plausibilitätsprüfung der Sensorwerte. Beides ist unverzichtbar, damit wirklich nur dann Alarme ausgelöst werden, wenn tatsächlich Handlungsbedarf besteht.

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In umfangreichen Praxistests wurde die Lösung optimiert. Foto: RheinEnergie AG

IoT im Probebetrieb

In ersten Feldtests zeigte sich allerdings, dass IoT nicht gleich IT ist. „Etablierte und zum großen Teil automatisierte Prozesse für die Inbetriebnahme neuer Hardware oder das Erkennen und Beheben von Fehlern mussten erst einmal angepasst werden, damit sie auch zu den neuen Herausforderungen einer IoT-Umgebung passen“, schildert der RheinEnergie-Projektleiter. An dieser Stelle machte sich der iterative Ansatz bei der Produktentwicklung mit einem frühen Feldtest bezahlt, bei dem Teilnehmer aus allen beteiligten Teams (Montage-Team, LoRaWAN-Team, Cloud-Team etc.) die Funktionalitäten teilweise vor Ort erproben konnten.

Kontinuierliche Tests der Technologie und der Datenprozesse folgten. „So konnten Fehler in einer frühen Entwicklungsphase erkannt und korrigiert werden, die das Projekt später im tausendfachen Rollout hätten gefährden können“, resümiert David Geier und Jan Geulen ergänzt gleich konkrete Praxisbeispiele: „Einmal wurde ein Kabelverteilerschrank angefahren, aber kein entsprechendes Event vom IoT-Device ausgelöst. Ursache war ein Fehler in der Konfiguration.“

Projektbeteiligte Architektur RheinEnergie
Grafik: RheinEnergie AG

Beim Auswerten der Sendestatistik fiel überdies eine Handvoll IoT-Devices auf, die viele eventbasierte Nachrichten für eine Türöffnung bzw. -schließung gesendet hatten. „Das lag daran, dass die Schwellwerte für den Abstandssensor zu niedrig angesetzt waren“, berichtet Geulen. „Da es beim Einbau der IoT-Devices zu geringfügigen Schwankungen im Abstand kam, führte das bei ein paar Sensoren dazu, dass der erkannte Türzustand mehrfach hin und her gesprungen ist. Beide Fehler blieben im Labortest unentdeckt und machten einen Austausch der IoT-Devices vor Ort notwendig, da ein Remote-Softwareupdate im Projektdesign nicht vorgesehen ist.

Ready for Rollout

Zwischenzeitlich sind nicht nur die Sensor-Boards serienreif fertiggestellt, auch die Datenübertragung und -verarbeitung in den internen Systemen der RheinEnergie läuft reibungsfrei. Dem Einbau der Hardware in zunächst 2.000 und langfristig über 18.000 Kabelverteilerschränke im Kölner Stadtgebiet steht nach Einschätzung des Projektleiters prinzipiell nichts mehr entgegen. Für den weiteren Ausbau der IoT-Lösung sollen nun die Prozesse zum Onboarding der Sensor-Boards automatisiert werden. Zudem plant das Projektteam, die Überwachung zu erweitern und eine automatische Alarmierung aufzubauen, die dann perspektivisch direkt über den Leitstand an den Mess- und Entstördienst übermittelt wird. (pq)

RheinEnergie AG
Jan Geulen
j.geuelen@rheinenergie.com
www.rheinenergie.com

Cassini Consulting AG
David Geier
david.geier@cassini.de
www.cassini.de

 

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