Wärmeversorger: Datenerfassung und Behördenmeldung für mehrstufige Wärmeübergabestationen
Im Heizungsbetrieb benötigt die zentrale Leitwarte einen Überblick über Druck, Temperatur, Durchfluss und Ventilzustände von Wärmeübergabestationen unterschiedlicher Stufen. Gleichzeitig müssen Betriebsdaten vorschriftsgemäß an die Datenplattform der zuständigen Behörde übermittelt werden. Sind die Daten auf Schaltschränke, Messgeräte und verschiedene Systeme verteilt, muss das Betriebspersonal sowohl den Anlagenzustand prüfen als auch die Meldungen zusammenstellen. Dabei werden dieselben Daten häufig mehrfach aufbereitet.
Als Beispiel dient ein Wärmeversorger mit mehrstufiger Wärmeübertragung: Jede Wärmeübergabestation überträgt Wärme aus dem übergeordneten Netz in das Netz der jeweiligen Stufe, das anschließend den entsprechenden Wärmetransport übernimmt. Der Beitrag folgt den nachstehenden Stationsbeziehungen. Das Anwendungsszenario ist beispielhaft und kein Nachweis eines umgesetzten Kundenprojekts.
| Stufe der Wärmeübergabestation | Übergeordnete Netzseite | Netzseite der jeweiligen Stufe | Wärmeübertragung |
|---|---|---|---|
| Station der Stufe 1 | Netz 1 | Netz 2 | Wärmeübertragung von Netz 1 auf Netz 2 |
| Station der Stufe 2 | Netz 2 | Netz 3 | Wärmeübertragung von Netz 2 auf Netz 3 |
| Station der Stufe 3 | Netz 3 | Netz 4 | Wärmeübertragung von Netz 3 auf Netz 4 |
Dies sind die jeweiligen Wärmeübertragungsbeziehungen verschiedener Stationsstufen. Netz 1, 2 und 3 befinden sich nicht gemeinsam in einer einzigen Station. Jede Station erfasst die Daten ihrer übergeordneten Netzseite und ihrer Netzseite der jeweiligen Stufe getrennt. Die beiden Wärmetauscherseiten übertragen Wärme, ohne ihr Wasser direkt zu vermischen. Stationsstufe, Standort und Netzzuordnung müssen gemeinsam angegeben werden.
Betriebsdaten beider Seiten jeder Wärmeübergabestation erfassen
Für die Anbindung werden die Daten nach Stationsstufe, Standort, übergeordneter Netzseite / Netzseite der jeweiligen Stufe, Gerät und Messstelle geordnet, statt sämtliche Druck- und Temperaturvariablen zusammenzufassen. Beispielsweise sind „Station A der Stufe 2 — übergeordnete Netzseite (Netz 2) — Wassereintrittsdruck“ und „Station A der Stufe 2 — Netzseite der jeweiligen Stufe (Netz 3) — Wasseraustrittsdruck“ verschiedene Messstellen. Bezeichnungen wie „Druck in Netz 2“ oder „Druck in Netz 3“ ersetzen weder Standort noch Messort.
| Datenkategorie | Auf beiden Seiten jeder Station getrennt angelegte Messstellen | Bei der Nutzung zu unterscheiden |
|---|---|---|
| Druck | Wassereintrittsdruck und Wasseraustrittsdruck | Messort, Einheit sowie Relativ- oder Absolutdruck |
| Temperatur | Wassereintrittstemperatur und Wasseraustrittstemperatur | Sensorposition und örtliche Definition von Eintritt und Austritt |
| Durchfluss | Durchfluss an vereinbarten Stellen der übergeordneten Netzseite und der Netzseite der jeweiligen Stufe | Momentanen Durchfluss und kumulierte Menge als getrennte Datenpunkte anlegen; sie sind nicht austauschbar |
| Ventile | Bereitgestellte Variablen wie Offen-/Geschlossen-Zustand, Stellungsrückmeldung und Störungsstatus | Tatsächliche Rückmeldungen von Sollwerten trennen und entsprechend den Gerätefähigkeiten erfassen |
| Weitere Betriebsgrößen | Nach örtlichem Bedarf ergänzte Daten wie Zustand und Frequenz von Umwälzpumpen oder Gerätestörungen | Maßgeblich sind die vom Gerät tatsächlich bereitgestellten Daten |
Das industrielle intelligente Gateway von Woody liest diese Daten über die vom Gerät bereitgestellten Kommunikationsschnittstellen. Führt beispielsweise eine örtliche PLC bereits Druck-, Temperatur- und Durchflusssignale zusammen, kann das Gateway deren Variablen über ein passendes PLC-Protokoll lesen. Verfügen Messgeräte über Modbus RTU oder Modbus TCP, wird die Erfassung anhand ihrer Registertabellen eingerichtet.
Sensoren, die nur Analogsignale ausgeben und keine Kommunikationsschnittstelle besitzen, müssen zunächst an eine geeignete PLC oder ein passendes Erfassungsmodul angeschlossen werden. Die seriellen Schnittstellen und Ethernet-Ports des Gateways sind keine Analogeingänge. Für unterschiedliche Standorte oder Gerätenetze, die nicht direkt miteinander kommunizieren können, sind Erfassungs-Gateways entsprechend den tatsächlichen Netzwerkgrenzen vorzusehen. Es darf nicht angenommen werden, dass ein einzelnes Gateway sämtliche Anlagen abdeckt.
Nach der Erfassung werden Feldnamen, Einheiten, Messbereichsskalierungen und Zeitstempel nach den Projektvorgaben vereinheitlicht. Kommunikationsstatus, Datengültigkeit und Zeitpunkt der letzten Aktualisierung bleiben erhalten. Geräteausfälle und veraltete Daten müssen in der Anzeige- und Meldelogik ausdrücklich behandelt werden. Alte Werte dürfen nicht als aktuelle Messwerte erscheinen; fehlende Messungen dürfen auch nicht durch Nullwerte als reguläre Erfassung ausgegeben werden.
Die Leitwarte zeigt den Betrieb, die Behördenplattform empfängt Meldungen
Entscheidend ist nicht allein, Daten online verfügbar zu machen. Vielmehr müssen die erfassten Daten zwei klar getrennten Verwendungszwecken zugeführt werden.
Zentrale Anzeige nach Stationsstufe, Standort und beidseitiger Netzzuordnung
Ist bereits eine SCADA-Software oder ein Heizungsüberwachungssystem vorhanden, können die vom Gateway erfassten Daten über beidseitig unterstützte Protokolle oder Schnittstellen in dieses System eingebunden werden. Das bestehende System übernimmt Anlagenbilder, Trends und betriebliche Darstellungen. Nur wegen zusätzlicher Datenerfassung muss somit keine weitere Bedienoberfläche entstehen.
Fehlt eine geeignete Oberfläche, lassen sich mit dem lokalen App-Framework des Gateways projektspezifische Betriebsübersichten und Trendseiten entwickeln. Diese können im Browser eines Leitwartenterminals mit autorisiertem Netzwerkzugang aufgerufen werden. Die konkreten Seiten, historischen Aufzeichnungen und Hinweise auf Abweichungen müssen konfiguriert oder entwickelt werden. Der Anschluss von Geräten stellt nicht automatisch ein vollständiges System zur Heizungsdisposition bereit. Auch der Umfang der historischen Datenhaltung muss anhand der verfügbaren Speicherressourcen geplant werden.
Am Beispiel einer lokalen App-Visualisierung für ein einzelnes Aggregat einer Station der Stufe 1 lassen sich Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie Drücke und Durchfluss der übergeordneten Netzseite (Netz 1) und der Netzseite der jeweiligen Stufe (Netz 2), Regelventilstellung, Umwälzpumpenzustände und Messstellen der Nachspeisung nahe den jeweiligen Geräten darstellen. Das Betriebspersonal kann die Daten so entlang der Rohrleitungen prüfen. „Primärseite“ und „Sekundärseite“ bezeichnen in der Oberfläche die beiden Seiten dieses konkreten Wärmetauscheraggregats, keine unternehmensweit festen Synonyme für Netznummern: Bei einer Station der Stufe 2 entsprechen sie Netz 2 und Netz 3, bei einer Station der Stufe 3 Netz 3 und Netz 4. Berechnete Größen wie Temperatur- und Druckdifferenzen sind von erfassten Messwerten zu unterscheiden; Datengültigkeit und letzte Aktualisierung sollten ebenfalls angezeigt werden.
SVG-Original öffnen und Messstellen sowie Rohrleitungen vergrößert ansehen
Alle dargestellten Werte, Zustände und Zeiten sind Demodaten. Die Ansicht ist ein schreibgeschützter Entwurf, der individuell entwickelt und mit tatsächlichen Messstellen verknüpft werden muss, keine an eine Anlage angebundene Bedienoberfläche. Dargestellt ist nur ein Kreislaufpaar von Netz 1 und Netz 2 an einer Station der Stufe 1. Der Kreislauf von Netz 2 und Netz 3 einer Station der Stufe 2 sowie der Kreislauf von Netz 3 und Netz 4 einer Station der Stufe 3 sind nicht enthalten. Für Stationen anderer Stufen sind eigene Standort- und Aggregatseiten anzulegen; die Netzbeschriftungen dieser Abbildung dürfen nicht unverändert übernommen werden. Die Voraussetzungen und Berechtigungen für Schreibzugriffe auf Ventile werden weiter unten erläutert.
Bemerkt das Betriebspersonal beispielsweise eine Änderung der Wasseraustrittstemperatur auf der Netzseite der jeweiligen Stufe (Netz 3) einer Station der Stufe 2, kann es auf der Stationsseite zunächst Temperatur, Druck, Durchfluss und Ventilrückmeldungen der übergeordneten Netzseite (Netz 2) vergleichen. Anschließend werden Umwälzpumpen sowie Vorlauf- und Rücklaufzustände der Netzseite der jeweiligen Stufe geprüft. Nach Prüfung der Aktualisierungszeiten und des Kommunikationsstatus kann entschieden werden, ob eine Kontrolle vor Ort veranlasst werden soll. Die Oberfläche führt Informationen zusammen; aus einer einzelnen Wertänderung sollte nicht automatisch auf eine bestimmte Störungsursache geschlossen werden.
Empfang nach den Anbindungsvorgaben der Behörde
Die Datenbereitstellung des Gateways kann Plattformen unter anderem über MQTT und HTTP/HTTPS anbinden. Feldumwandlungen und Übertragungslogik lassen sich auch in Lua implementieren. Welches Protokoll und welches Nachrichtenformat eine staatliche Plattform verlangt, richtet sich jedoch nach den tatsächlich von der zuständigen Behörde bereitgestellten Anbindungsvorgaben. Die Unterstützung von MQTT und HTTP bedeutet nicht, dass jede Behördenplattform ohne Anpassung angebunden werden kann.
Bei der Anbindung werden die Kennungen für Unternehmen, Stationsstufe, Standort, zugehöriges Netz, Wärmetauscherseite und Messstelle den geforderten Plattformfeldern zugeordnet. Anschließend werden Nachrichten mit den vorgeschriebenen Einheiten, Zeitformaten, Meldeintervallen und Authentifizierungsverfahren aufgebaut. Auch bei Messstellen in Netz 2 ist zu unterscheiden, ob sie auf der Netzseite der jeweiligen Stufe einer Station der Stufe 1 oder auf der übergeordneten Netzseite einer Station der Stufe 2 liegen. Sie dürfen weder stationsübergreifend zusammengefasst werden noch einander ersetzen. Von der Behörde verlangte aktuelle Werte, periodische Auswertungen und kumulierte Mengen sind getrennt zu verarbeiten. Eine Momentanmessung ist kein statistisches Ergebnis.
Das Aktualisierungsintervall der Leitwartenanzeige und das behördliche Meldeintervall dürfen voneinander abweichen und werden entsprechend ihrem jeweiligen Zweck eingestellt. Nach der Übertragung sind Antworten oder Empfangsbestätigungen gemäß den Schnittstellenregeln der Plattform auszuwerten. So kann das Wartungspersonal zwischen „Daten erfasst“, „Anfrage gesendet“ und „Daten von der Plattform angenommen“ unterscheiden, statt lediglich die Netzwerkverbindung des Gateways zu prüfen.
Für eine unterbrochene Uplink-Verbindung kann auf Grundlage der Offline-Pufferung und der wiederaufnehmbaren Übertragung des Gateways eine Nachmeldelogik vorgesehen werden. Pufferkapazität, Aufbewahrungsdauer, Übertragungstakt nach Wiederherstellung der Verbindung sowie die Zulässigkeit historischer Nachmeldungen und die Behandlung von Duplikaten auf der Plattform müssen vorab geklärt werden. Nachgemeldete Datensätze behalten ihren ursprünglichen Erfassungszeitpunkt und dürfen nicht als aktuelle Daten umdatiert werden. Weder unbegrenzte Pufferung noch vollständige Verlustfreiheit werden zugesichert.
Die zuvor gezeigte Architekturabbildung zur Datenerfassung und Meldung zeigt beispielhaft ein WD2EC mit 4G-Anbindung. Für den Internetzugang stehen auf Lösungsebene WiFi, 4G oder eine kabelgebundene Verbindung zur Auswahl. Der Kunde wählt nach den Bedingungen vor Ort und mit einem dazu passenden Modell. Verlangt die Behördenplattform ein privates Netz oder einen dedizierten Zugangskanal, muss dieser Anforderung entsprochen werden; eine gewöhnliche Internetverbindung ist kein Ersatz.
Ventilrückmeldungen erfassen und Steuerungsrechte begrenzen
Das Erfassen eines Ventilzustands und das Verändern einer Ventilstellung sind unterschiedliche Aufgaben. Wird nur eine Überwachung benötigt, werden lediglich die bereitgestellten Zustände und Stellungsrückmeldungen gelesen. Eine bestehende Kommunikationsverbindung ist kein Grund, Schreibzugriffe freizugeben.
Für die vom Unternehmen gewünschte Ventilsteuerung können die Ventile aus der Leitwarte über eine entsprechend angepasste Steuerungsoberfläche und den Schreibkanal des Gateways verstellt werden. Voraussetzung sind die Unterstützung durch das Gerät, ein autorisierter Zugriff, eine Bestätigung vor Ort und wirksame Sicherheitsverriegelungen. Zunächst sind Zielstandort, Ventil und zulässiger Sollwert zu prüfen. Nach dem Senden des Befehls wird die tatsächliche Stellung oder der Zustand zurückgelesen. Ein gesendeter Befehl bedeutet nicht, dass das Ventil seine Zielstellung erreicht hat. Die örtliche PLC oder Steuerung bleibt für die lokale Regelung und die Schutzfunktionen verantwortlich. Das Gateway ersetzt keine Sicherheitsverriegelungen. Auch das Verhalten der Ventile bei einem Kommunikationsausfall muss im örtlichen Steuerungskonzept festgelegt sein.
Die Meldeschnittstelle der staatlichen Plattform dient in dieser Lösung ausschließlich dem Empfang von Überwachungsdaten und erhält dadurch keine Rechte zur Ventilsteuerung. Für die Ventilsteuerung aus der Leitwarte und die behördliche Datenmeldung werden Berechtigungen und Abläufe getrennt eingerichtet. Vor der Umsetzung sind beschreibbare Variablen, Steuerungsverfahren und Verriegelungsbedingungen zu bestätigen. Aus einem Meldeweg darf nicht automatisch ein Steuerungsweg werden.
Vor der Anbindung zwei Listen aufeinander abstimmen
Die erste Liste beschreibt die Messstellen vor Ort: die Zuordnung Netz 1 / Netz 2 an Stationen der Stufe 1, Netz 2 / Netz 3 an Stationen der Stufe 2 und Netz 3 / Netz 4 an Stationen der Stufe 3. Für jede Station sind die Eintritts- und Austrittsmessorte beider Seiten sowie PLC- oder Messgerätemodelle, Protokolle, Variablenadressen, Lese- und Schreibrechte, Dateneinheiten und Gültigkeitsregeln zu bestätigen.
Die zweite Liste beschreibt die Plattformanbindung: Schnittstellen und Darstellungsanforderungen des Leitwartensystems sowie Kennungsregeln, Nachrichtenstruktur, Meldeintervall, Authentifizierung, Netzwerkkanal, Empfangsbestätigungen und Nachmeldeanforderungen der Behördenplattform. Extern übermittelt werden ausschließlich freigegebene Datenfelder. Zugangsdaten und Zugriffsrechte sind nach den Projektanforderungen zu verwalten.
Sind beide Listen aufeinander abgestimmt, übernimmt das Gateway die Erfassung und Aufbereitung der Felddaten sowie deren vereinbarte Übertragung. Das Leitwartensystem oder eine individuell entwickelte lokale App übernimmt die Anzeige. Die Behördenplattform ist für den Empfang der Überwachungsdaten und ihre eigene fachliche Verarbeitung zuständig. So kann der Wärmeversorger dieselben Messstellen als Quelle für die Betriebsübersicht und die behördliche Meldung nutzen. Wiederholtes Abschreiben und Aufbereiten wird reduziert, während Datenherkunft, Verarbeitungsregeln und Steuerungsgrenzen klar bleiben.