Automatisierungspraxis mit LoRaWAN, Cloud und App

Insbesondere wenn es sich um weit verteilte Straßenbeleuchtungsnetze handelt, kommen Automatisierungstechnik und IoT (Internet of Things) zum Einsatz, um die Wartung und Reparatur der Systeme wirtschaftlicher zu gestalten. Phoenix Contact bietet Lösungen für die intelligente Infrastruktur einer Stadt an. Neben elektromechanischen Komponenten und Werkzeugen umfasst das Portfolio ebenfalls Automatisierungsgeräte und Software. Eingebettet in ein solches Gesamtsystem vereinfachen sich die Inbetriebnahme, Dokumentation sowie Funktionstests einzelner Straßenleuchten deutlich (Bild 1).

Unterschiedliche Systeme, fehlende Verortung und schwierige Funktionstests

Wenn von Straßenbeleuchtungssystemen gesprochen wird, finden sich eine Vielzahl verschiedener Lösungen am Markt. Selbst innerhalb einer Stadt gibt es unterschiedliche Ansätze zum Schalten und Dimmen der Straßenbeleuchtung. So variieren etwa Leuchtmittel, elektronische Vorschaltgeräte (EVG), Mastertypen oder die Art und Weise, wie der Schaltvorgang initiiert wird. Das hat teilweise historische Gründe, andererseits ist eine Herstellerunabhängigkeit gewünscht. Vor diesem Hintergrund benötigt der Betreiber eine unterstützende Dokumentation. Einen Bestandteil der Dokumentation stellt die Verortung der Geräte dar, für die verschiedene Methoden zur Verfügung stehen. Technisch ausgelegte Ansätze – z.B. zusätzlich im Leuchtenkopf installierte GPS-Sensorik – zeigen sich in der Regel als unwirtschaftlich. Die Position der Masten muss nur ein Mal erhoben werden, denn sie sind statisch. Liegen GIS-Daten (Geoinformationssystem) vor, lassen sich semiautomatische Konzepte verwenden, bei denen ein auf den Leuchten und der Stückliste befindlicher Strichcode einander durch Einscannen zugeordnet wird. Dieses Vorgehen erweist sich bei zum Teil unzureichender Beleuchtung allerdings als schwierig. Daher bleibt oft lediglich das händische Einzeichnen auf einer Karte, Dokumentieren in einer Excel-Datei oder Weglassen der Verortung als gängige Praxis. Eine zweite Herausforderung liegt in der Durchführung von Funktionstests. In herkömmlichen Straßenbeleuchtungssystemen gibt es pro Straßenzug jeweils einen Schaltkasten, der alle in der Straße montierten Leuchten über ein Schütz ein- und ausschaltet. Meist löst eine Schaltuhr oder ein Rundsteuersignal den Schaltvorgang aus. Während der Inbetriebnahme und Wartung lässt sich die Funktion der Straßenbeleuchtung also nur überprüfen, indem der gesamte Straßenzug am Schaltkasten ein- oder ausgeschaltet wird. Die Tests werden typischerweise am Tag vorgenommen, wenn keine Spannung an den Masten anliegt. Etwas weiter entwickelte Systeme nutzen Steuerungen, die beispielsweise über das DALI-Protokoll auch einzelne Leuchten ansteuern und dimmen können. Zur Funktionskontrolle verbindet sich der Servicetechniker per Notebook mit der Steuerung, um Dimmwerte manuell einzustellen. Leider kann er die Straßenbeleuchtung auf diese Weise lediglich mit eingeschränkter Sichtweite überprüfen.

Einfache Übertragung auf zukünftige Technologien

Der Ansatz von Phoenix Contact basiert hingegen auf einem zentralen Anlaufpunkt: der Streetlighting-Applikation, die für die Automatisierung der Straßenbeleuchtung zuständig ist. Eine Cloud dient als Basisinfrastruktur, auf der die Streetlighting-Applikation ebenso wie ein LoRaWAN-Server (Long Range Wide Area Network) aufgesetzt werden. Durch die Trennung von Anwendungslogik und technologiespezifischer Implementierung des LoRaWAN-Protokolls lässt sich das System in Zukunft ebenfalls auf andere Funktechnologien oder Standards übertragen, ohne dabei selbst wesentliche Änderungen an der Streetlighting-Applikation ausführen zu müssen. Somit ist die Lösung bereits heute für zukünftige Technologien gerüstet und einfach erweiterbar. Nicht umsonst schätzt der kommunale Bereich LoRaWAN schon jetzt als richtungsweisend ein. In einigen Städten hat sich das Protokoll längst als zentrale Funk- und IoT-Technologie etabliert (Bild 2). Von der Streetlighting-Applikation werden die Funktionsaufrufe über den LoRaWAN-Server und LoRaWAN-Gateways an die LoRaWAN Luminaire Control Unit (LCU) weitergeleitet. Die LCUs sind an den standardisierten Zhaga-Sockel der Straßenleuchte angeschlossen und steuern die Helligkeit der Leuchte. Dieses Konzept ermöglicht eine permanente Stromversorgung am Mast, weil sich der Schaltpunkt in die Leuchte verlagert. So können die LCUs auch regelmäßige Statusinformationen der Leuchte an die Streetlighting-Applikation zurückmelden. Optional lassen sich die Daten an ein Straßenbeleuchtungs-Managementsystem übertragen. Zur Inbetriebnahme und Wartung stellt Phoenix Contact eine entsprechende App für das Smartphone zur Verfügung. Sie verbindet sich mit der Streetlighting-Applikation, um die Leuchten zu verorten und zu testen.

Intuitive Bedienung der App

Jede LoRaWAN Luminaire Control Unit umfasst eine eindeutige Geräteidentifikationsnummer, die in Form eines QR-Codes auf ihr abgedruckt ist. Bei der Inbetriebnahme wird nur der QR-Code über die App gescannt und die LCU identifiziert. Zur Unterstützung lässt sich wahlweise die Taschenlampenfunktion aktivieren. Im nächsten Schritt wird der Nutzer gefragt, ob er das Gerät verorten möchte. Dazu greift die App auf die Standortdaten des Smartphones zu, wie das viele andere moderne Apps ebenfalls tun. Sind für die LCU bereits Koordinaten hinterlegt, können diese mit der Streetlighting-Applikation synchronisiert werden. Fehlt eine Internetverbindung, nimmt der Nutzer die Synchronisation einfach zu einem späteren Zeitpunkt vor. Außerdem bietet die App die Option, die Funktion der Leuchte über die LCU zu kontrollieren. Die erkannten LCUs werden in einer Listenansicht gespeichert, sodass Änderungen und erneute Funktionstests auch am Fuß der Straßenleuchte durchgeführt werden können (Bild 3).

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