Automatisierte Bewässerung für Landwirtschaft
Unsere Kompetenzen in diesem Projekt
OPC UA
OpenPLC
LoRa
Schaltschrankbau
IT-Integration
SCADA
Automatisierte Bewässerung für solidarische Landwirtschaft
Beschreibung des Anwendungsfalls
Die Solawi Ackervielfalt eG auf dem Biohof BRINKMANN in Lage produziert hochwertiges Bio-Gemüse nach dem Prinzip „Gemeinsam Landwirtschaft gestalten – gemeinschaftsgetragen, regional, vielfältig“.
Um den steigenden Anforderungen an Ressourceneffizienz gerecht zu werden, setzt die Genossenschaft auf ein intelligentes Bewässerungsmanagement. Gemeinsam mit SALZ Automation wurde eine Lösung entwickelt, die das wissenschaftlich fundierte Geisenheimer Bewässerungsmodell mit moderner Industrieautomation kombiniert.
Herausforderungen wie variable Witterungsbedingungen in Ostwestfalen-Lippe, unterschiedliche Wasserbedarfe verschiedener Kulturen sowie begrenzte Wasserressourcen erfordern einen hochpräzisen Wassereinsatz. Bislang war hierfür ein erheblicher manueller Steuerungsaufwand notwendig.
Ziel der Zusammenarbeit ist die Implementierung einer vollautomatisierten, datenbasierten Bewässerungssteuerung. Über eine IT/OT-konforme OPC-UA-Anbindung wird das System transparent visualisiert, historisiert und für zukünftige Cloud-Integrationen vorbereitet.
Kundenprofil: Solidarische Landwirtschaft Ackervielfalt eG
Solidarische Landwirtschaft Ackervielfalt eG ist eine gemeinschaftlich getragene solidarische Landwirtschaft auf dem Biohof Brinkmann in Lage-Hagen (Nordrhein-Westfalen), die regionale, saisonale Bio-Gemüseproduktion nach ökologischen Prinzipien organisiert, ökologische Vielfalt und klimafreundliche Anbaumethoden fördert und ihren Mitgliedern die Mitverantwortung für Anbau, Ernte und Versorgung ermöglicht. Der Anbau ist nach DE-ÖKO-022 zertifiziert und gewährleistet saisonale Erzeugnisse aus der Region.
Leistungsanforderungen an das Bewässerungsmanagementsystem
Datengetriebene Bewässerungssteuerung mit hoher Zuverlässigkeit, bewährter Technologie und deterministischer Entscheidungslogik.
Anforderung
Eine Systemarchitektur, die eine echtzeitfähige, skalierbare und ausfallsichere Verarbeitung und Verteilung von Sensor- und Steuerungsdaten gewährleistet - von LoRa-basierten Feldsensoren über Gateway- und OpenPLC-Steuerungsebene mit ICEORYX-Middleware bis hin zur OPC-UA-basierten IT-Integration.
Standardisiertes Kommunikationssetup für die Feldintegration, das Feldgeräte anbindet sowie Aktoren wie Ventile und Pumpen in die Logik integriert.
Anforderung
Anbindung der Feldgeräte über Modbus RTU/TCP und LoRaWAN sowie Ansteuerung der Aktoren über die Steuerung mit vollständiger Integration in die Regelungslogik.
Prozessdaten sind deterministisch in Echtzeit bereitzustellen sowie eine sichere und skalierbare Anbindung übergeordneter Systeme ohne Änderung der Steuerungslogik zu gewährleisten.
Anforderung
Das System muss durch die Kopplung von OpenPLC, ICEORYX und OPC-UA Prozessdaten deterministisch und in Echtzeit bereitstellen, diese in einem standardisierten OPC-UA-Informationsmodell strukturiert abbilden und eine sichere, robuste sowie skalierbare Anbindung übergeordneter Farm-Management-, Visualisierungs- und Cloud-Systeme gewährleisten - ohne Anpassung der Steuerungslogik.
Technische Lösung: OpenPLC, ModBUS, LoRa und ICEORYX/OPC-UA
Systemarchitektur von Feld bis IT
Die Lösung folgt dem Prinzip der IT/OT-Konvergenz und besteht aus mehreren Schichten:
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Feldebene: LoRa-vernetzte Bodenfeuchte- und Temperatursensoren in verschiedenen Tiefen, Wetterstation, Niederschlagsmesser, EC- und pH-Sensoren in der Bewässerungsleitung sowie Durchflussmessung in der Hauptleitung.
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Gateway-Ebene: LoRa-Gateway und ModBUS-Gateway konsolidieren die Sensordaten und stellen sie per ModBUS TCP für die Steuerung bereit.
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Steuerungsebene: OpenPLC Runtime nach IEC 61131-3 führt den Geisenheimer Algorithmus in Strukturierter Text (ST) aus und trifft Bewässerungsentscheidungen auf Basis von Tages- und Gesamtdefiziten.
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Middleware: ICEORYX als Zero-Copy-Publish-Subscribe-Middleware bildet die Schnittstelle zur IT-Welt über OPC-UA.
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IT-Integration: Ein OPC-UA Server bildet Anbauflächen, Kulturen, Sensoren und Aktoren in einem Informationsmodell ab und stellt Daten für Visualisierung, SCADA oder Farm-Management-Systeme bereit.
Kern der Anwendung ist das Geisenheimer Bewässerungssteuerungsmodell.
Kommunikation und Feldintegration
Für die Anbindung der Feldgeräte wird ein standardisiertes Kommunikationssetup genutzt:
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ModBUS RTU/TCP verbindet Wetterstation, Niederschlagsmesser, Durchflussmessung und Gateways.
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LoRaWAN bindet batteriebetriebene Bodenfeuchte-, Temperatur-, EC- und pH-Sensoren mit Reichweiten bis zu 2 km im Freifeld an.
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Ventile, frequenzgeregelte Speisewasserpumpe und Dosierpumpen werden über die Steuerung angesteuert und in die Logik integriert.
OPC-UA/ICEORYX: Echtzeitdaten für Transparenz und Skalierbarkeit
Über die Kopplung von OpenPLC, ICEORYX und OPC-UA werden Prozessdaten in Echtzeit für übergeordnete Systeme bereitgestellt:
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ICEORYX Publisher und Subscriber verteilen Messwerte und Sollgrößen deterministisch über Shared Memory.
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Das OPC-UA Informationsmodell bildet Anbauflächen, Kulturen, Sensoren, Aktoren und Kennzahlen wie Gesamtdefizit oder nächste Bewässerung strukturiert ab.
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Farm-Management-Software, Visualisierungstools oder Cloud-Plattformen können standardisiert angebunden werden, ohne die Steuerungslogik zu verändern.
Mehrwert für die Solawi: Effizienz, Transparenz und Zukunftssicherheit
- Automatische, bedarfsgerechte Bewässerung nach wissenschaftlichem Modell reduziert Wasserverbrauch und schützt die Ressource Boden.
- Der manuelle Steuerungsaufwand sinkt deutlich, da Bewässerungsentscheidungen automatisiert getroffen und dokumentiert werden.
- OPC-UA-Anbindung ermöglicht Echtzeitüberwachung, lückenlose Historie und eine transparente Kommunikation gegenüber Mitgliedern und Zertifizierern.
- Die modulare Architektur mit OpenPLC, LoRa, ModBUS und ICEORYX/OPC-UA ist skalierbar für weitere Kulturen, zusätzliche Flächen und zukünftige Cloud-Services.
Ergebnis
Das Automatisierungssystem bei der Solawi Ackervielfalt eG erreicht die zentrale Zielsetzung einer wissenschaftlich fundierten, vollautomatisierten Bewässerung auf Basis des Geisenheimer Modells und kulturspezifischer Parameter. Es steuert Wassergaben präzise nach Bodenart, Wurzeltiefe, Entwicklungsstadium und Echtzeit-Sensordaten und senkt so Wasserverbrauch und manuellen Arbeitsaufwand deutlich.
Durch die Integration von Sensoren sowie der OPC-UA-Anbindung mit ICEORYX steht ein durchgängiges Wassermanagement zur Verfügung, das sich nahtlos in IT-Systeme einbinden lässt. Bewässerungsereignisse werden vollständig dokumentiert, wodurch Transparenz gegenüber Mitgliedern und Zertifizierern entsteht und die Lösung skalierbar für weitere Flächen, Kulturen und zukünftige Cloud-Services wird.
OPC UA I OpenPLC I LoRa I Schaltschrankbau I IT-Integration I SCADA
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