4G-Fernüberwachung unbemannter Standorte: Architektur und Checkliste

Pumpstationen, Hochbehälter und Maschinen bei Kunden haben oft Strom, aber keinen kabelgebundenen Netzwerkanschluss. Dann ist eine Mobilfunkverbindung der praktikable Weg, um Daten abzuholen und Alarme abzusetzen. Dieser Beitrag beschreibt die 4G-Fernüberwachung eines unbemannten Standorts Schicht für Schicht: was vor Ort läuft, wie die Verbindung aufgebaut wird, wie Sie mit Stromversorgung, Alarmen und Verbindungsabbrüchen umgehen und welche ICP DAS Geräte passen.

Architektur einer 4G-Fernüberwachung in drei Schichten

• Vor Ort: I/O-Module, Zähler und Sensoren sowie ein Edge-Controller, der die Werte erfasst, lokale Logik ausführt und die Kommunikation übernimmt.
• Verbindung: ein 4G-Modem oder -Router, im Controller integriert oder separat installiert, mit SIM-Karte und Antenne.
• Zentrale: Software, die die Daten speichert und darstellt und Alarme verteilt, etwa ein SCADA-System, ein MQTT-Broker mit Datenbank oder IoTstar.

Steuerungsentscheidungen gehören an den Standort. Das Abschalten einer Pumpe bei Trockenlauf oder das Einschalten eines Lüfters bei Übertemperatur darf nicht vom Mobilfunknetz abhängen. Die Mobilfunkverbindung dient der Meldung, Überwachung und dem Wartungszugang.

Verbindung vom Standort nach außen aufbauen

Bei den meisten Mobilfunktarifen erhält die SIM-Karte eine private IP-Adresse hinter dem NAT des Netzbetreibers. Ein zentraler Server kann dann keine Verbindung zum Standort aufbauen, der Standort muss sich also nach außen verbinden. Drei Muster sind üblich:

• Daten vom Standort senden (Push). Der Controller publiziert an einen MQTT-Broker oder sendet Daten an einen Server. Das funktioniert mit Standard-SIM-Karten. Verwenden Sie MQTT über TLS (Port 8883), sofern das Gerät dies unterstützt.
• VPN-Tunnel. Router oder Controller am Standort bauen einen Tunnel zu einem zentralen VPN-Server auf, über den die zentralen Systeme den Standort erreichen. Das ist erforderlich, wenn das SCADA-System per Modbus TCP pollt oder Techniker für die Wartung auf die Weboberfläche zugreifen müssen.
• Privater APN. Manche Netzbetreiber bieten private Netze mit festen Adressen an. Damit ist die Lösung an einen Betreiber gebunden.

Machen Sie Modbus TCP oder die Weboberfläche eines Geräts nicht per Portweiterleitung im Internet erreichbar. Modbus TCP hat keine Authentifizierung, sodass jeder, der den Port erreicht, Werte lesen und schreiben kann. Berücksichtigen Sie auch das Datenvolumen: Wer jedes Register einmal pro Sekunde pollt, verbraucht weit mehr Daten als bei Übertragung nur bei Wertänderung oder in festen Intervallen.

Stromversorgung, Antenne und Gehäuse

Planen Sie für einen Netzausfall. Werden Controller und Router aus einer DC-Versorgung mit Akkupufferung gespeist, kann der Standort den Ausfall noch melden und weiter protokollieren. Legen Sie das Signal „Netz OK“ auf einen Digitaleingang, damit der Ausfall selbst zum Alarm wird.

Montieren Sie die Antenne außerhalb von Metallschränken und prüfen Sie die Signalqualität am tatsächlichen Einbauort. Schaltschränke in direkter Sonne werden heiß, gleichen Sie daher den Betriebstemperaturbereich jeder Komponente mit den Bedingungen vor Ort ab.

Für solarversorgte Standorte bietet der stromsparende PAC G-4510 einen integrierten Solarladeregler für einen 12-V-Bleiakku, Tiefentladeschutz und ein optionales 4G-Modemmodul; die angegebene Stromaufnahme im Tiefschlaf liegt unter 10 mA bei 12 VDC. Es handelt sich um eine programmierbare MiniOS7-Steuerung, nicht um ein per Browser konfiguriertes Gerät.

Alarme und Pufferung bei Verbindungsausfall

Planen Sie mindestens zwei Alarmwege. E-Mail und MQTT benötigen eine funktionierende Datenverbindung. SMS ist nicht auf eine Datensitzung angewiesen und eignet sich daher gut als zweiter Weg für kritische Alarme.

Das zentrale System sollte außerdem Funkstille erkennen: Hat sich ein Standort innerhalb einer festgelegten Zeit nicht gemeldet, wird ein Kommunikationsalarm ausgelöst.

Protokollieren Sie Messwerte lokal mit Zeitstempel und senden Sie die gespeicherten Daten nach Wiederherstellung der Verbindung nach, damit die zentrale Datenbank lückenlos bleibt. Synchronisieren Sie die Geräteuhren per SNTP, damit die Zeitstempel verschiedener Standorte vergleichbar sind.

ICP DAS Geräte für 4G-Standorte

Geräte mit integriertem 4G für EMEA

WISE-5231M-4GE und WISE-2841M-4GE sind Edge-Controller mit einem 4G-Modem für die EMEA-Frequenzbänder (LTE FDD B1, B3, B5, B7, B8 und B20 sowie 3G WCDMA). Sie führen IF-THEN-ELSE-Regeln aus, protokollieren Daten auf einer integrierten 32-GB-microSD-Karte, publizieren per MQTT mit SSL und versenden Alarme per E-Mail und SMS. Beide lesen I/O-Module über RS-485 und Modbus TCP, akzeptieren 12 bis 48 VDC und arbeiten von -25 bis +75 °C. WISE-2841M-4GE bietet zusätzlich VPN, HTTPS, SFTP/FTPS und SNMP v3.

PMC-5231M-4GE ist ein Datenkonzentrator für Energiezähler mit denselben EMEA-Bändern. Er liest Modbus-Energiezähler von ICP DAS, protokolliert auf microSD und sendet Logdateien automatisch nach, sobald die Netzwerkverbindung wiederhergestellt ist.

GRP-540M-4GE ist ein Gateway von Ethernet, seriell und CAN auf 4G mit Router- und Port-Mapping-Funktionen und den LTE-Bändern B1, B3, B5, B7, B8 und B20.

Ethernet-Geräte hinter einem industriellen 4G-Router

Jedes ICP DAS Gerät mit Ethernet-Anschluss lässt sich auch hinter einem handelsüblichen industriellen 4G-Router betreiben. Kommunikationsserver der UA-Serie wie der UA-5231M erfassen Modbus-Daten, stellen OPC UA und MQTT bereit, enthalten einen OpenVPN-Client und übertragen nach einer Offline-Phase die Daten an die entfernte Datenbank nach. I/O-Module der Serie ET-2200 wie das ET-2217 publizieren direkt an einen MQTT-Broker.

Zentrale Software und Zubehör

IoTstar läuft auf einem Windows-Server oder einer virtuellen Maschine in einer Public Cloud. Die Software bietet Fernwartung und Firmware-Updates für WISE-, PMC- und PMD-Controller, importiert Echtzeit- und historische Daten in MS SQL, MySQL oder Oracle und stellt Dashboards mit einer Alarm-Ereignisliste bereit. Externe Antennen wie die ANT-421-05, eine 4G-LTE-Antenne mit SMA-Anschluss, vervollständigen die Installation.

Mobilfunkvarianten und Frequenzbänder unterscheiden sich je nach Region, und mehrere Mobilfunkmodelle von ICP DAS werden nur in bestimmten Märkten vertrieben. Klären Sie die Verfügbarkeit für Ihr Land mit dem Vertrieb, bevor Sie das Konzept festlegen.

Checkliste vor der Installation

• Signalqualität und Netzabdeckung des Betreibers am Einbauort
• SIM-Typ (öffentliche IP, private IP oder privater APN) und erwartetes Datenvolumen
• Verbindungsmuster: Push an Broker oder Server oder VPN für Polling und Wartung
• Logik, die bei Verbindungsausfall lokal weiterlaufen muss
• Alarmwege und ein Alarm bei Kommunikationsverlust im zentralen System
• Lokale Protokollierung und Nachsenden nach Wiederverbindung
• Stromversorgung, Akkupufferung und ein Eingang für Netzausfall
• Temperaturbereich im Schaltschrank und Antennenposition

Senden Sie uns eine Beschreibung Ihrer Standorte, Signale und Ihres zentralen Systems, und unser technischer Vertrieb schlägt Ihnen einen passenden Aufbau vor.