Von der Steuerung zur Außenstation

Titelgeschichte

Fernwartung - Um räumlich weit verteilte Automatisierungsstationen über ein zentrales Leitsystem überwachen und steuern zu können, wird heutzutage Fernwirktechnik eingesetzt. Für das Automatisierungssystem Simatic S7 bietet Siemens stetig neue Erweiterungsmodule an, die für die Verwendung in der Fernwirktechnik von deutlichem Nutzen sind.

28. März 2014

Das Automatisierungssystem Simatic S7 bietet durch seine Modularität und Flexibilität eine Vielzahl an Möglichkeiten, um die spezifischen Anforderungen an Fernwirkaufgaben zu bewältigen. Durch Verwendung von neuen Erweiterungsmodulen sowie Mobilfunk- und DSL-Routern können ohne weiteren Programmierungsaufwand Fernwirkprotokolle, der geeignete Übertragungsweg (DSL-Internet, Mobilfunk und so weiter) und die Ausfallsicherheit umgesetzt werden.

Aufgrund der rasant voranschreitenden Verstädterung, der steigenden Bevölkerungszahl sowie der weiter wachsenden Dezentralisierung der Energieerzeugung und damit der Notwendigkeit, Energie effizienter und gezielter zu verteilen, stehen Anlagenbauer von Versorgungssystemen für Wasser/Abwasser, Gas und Fern-wärme vor großen Herausforderungen. Diese müssen die Systeme künftig größer und flexibler auslegen und dabei einen hohen Qualitätsstandard einhalten. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Fernwirktechnik zur Anbindung von Außenstationen (Remote Terminal Units, RTUs) an die Leitstelle.

In Abhängigkeit von den Anforderungen der Fernwirkaufgabe, ob einfache Überwachungs- und Steuerungsaufgaben oder umfangreiche Prozessautomatisierungen realisiert werden sollen, kommen unterschiedliche Systeme und Übertragungsmedien zum Einsatz. Auf Basis der Simatic-S7-Steuerungstechnik von Siemens lassen sich RTUs einfach und flexibel in die Leitstelle einbinden sowie umfangreiche Fernwirksysteme mit vernetzten Strukturen aufbauen.

Für Fernwirklösungen mit geringem Automatisierungsgrad und für kostengünstige Störmeldesysteme bietet sich das System Telecontrol Basic auf Grundlage der Simatic S7 an. Dieses System ist an Steuerungen des unteren Leistungsbereichs angepasst und zeichnet sich durch sein optimiertes Übertragungsprotokoll mit geringem Übertragungsvolumen aus. Das Konzept eignet sich ebenso für kleine Applikationen mit wenigen Außenstationen, wie für Großprojekte mit mehreren tausend RTUs. Es besteht aus RTUs mit Simatic-S7-1200/200-Steuerungen sowie einer Leistelle.

Tunnelmechanismen sorgen für Datensicherheit

Die Steuerungen sind mit den Kommunikationsprozessoren CP 1242-7 und CP 1243-1 oder mit einem Modem konfiguriert, so dass sie über das GPRS-Mobilfunknetz und über DSL mit dem Leitstellen-PC kommunizieren können. Über den in der Leitstelle integrierten OPC-Server können HMI-/SCADA-Clients auf Prozessdaten zugreifen und diese beeinflussen. Die notwendige Datensicherheit wird durch entsprechende Tunnelmechanismen gewährleistet. Beide Seiten können über diesen Tunnel Daten in beide Richtungen austauschen.

Sollen umfangreiche Fernwirkaufgaben für die vollautomatische Überwachung und Steuerung in der Prozessautomatisierung und in Verbindung mit einer oder mehreren Leitzentralen realisiert werden, kommen flexiblere Telecontrol-Systeme zum Einsatz. Es werden meist Remote-Stationen mit Steuerungen der mittleren/oberen Leistungsklassen eingesetzt, wobei jetzt auch die Kleinsteuerung S7-1200 immer weiter in diesen Bereich vordringt. Hier stehen vor allem hohe Verfügbarkeit und Datensicherheit sowie die Zuverlässigkeit im Vordergrund. Systeme dieser Klasse sind auch häufig redundant ausgelegt und werden der Kategorie Telecontrol Professional zugeordnet. Als Übertragungsprotokolle kommen üblicherweise Standards wie DNP3, IEC 60870, aber auch bewährte Protokolle wie Sinaut ST7 zum Einsatz.

Grenzen zwischen SPS und RTU schwinden

Die Grenzen zwischen einer klassischen RTU und einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verschwinden zunehmend. Die Vorzüge einer SPS, wie die einfache Konfiguration und WAN-Anbindung, sind seit langem Anforderungen von Anwendern der Automatisierungstechnik und damit im Fokus der SPS-Hersteller. Mit der Simatic S7-1200 hat Siemens eine SPS speziell für einfache Automatisierungsaufgaben eingeführt, und durch einen modularen Ansatz gleichzeitig den Weg für den Einsatz von Fernwirkmedien und einer Vielzahl an Protokollen geebnet.

Die Projektierung und die Programmierung der Simatic S7-1200 erfolgt mit dem Engineering-Tool TIA Portal Step 7. Durch dieses neuartige und intuitive Bedienkonzept lassen sich Steuerungsaufgaben schneller implementieren und der Programmieraufwand kann auf ein Minimum reduziert werden. Auch die für Fernwirklösungen oft notwendige Archivierung von Anwendungsdaten lässt sich einfach implementieren über vorbereitete Mechanismen innerhalb der Steuerung.

Ein wesentlicher Bestandteil bei der Umsetzung einer Fernwirklösung ist die Übertragung der Daten von der RTU zur Zentrale. Aufgrund der hohen Anforderungen an Datenkonsistenz, Zwischenspeicherung im Verbindungsausfall oder zeitfolgerichtige Einordnung der Werte entsteht hoher Aufwand, wenn der Applikationsingenieur dies im Programm umsetzen muss. Die einfachere Lösung dafür ist die Verwendung von Komponenten, die all diese Anforderungen bereits von selbst umsetzen, ohne zusätzlichen Programmieraufwand. Für die Simatic S7-1200 gibt es bereits Kommunikationsmodule, die dies erfüllen.

Wie sich die Steuerung verwandelt

Durch Anstecken des Moduls CP1243-1 an die S7-1200 verwandelt sich die Steuerung in eine RTU. Alle in der Steuerung relevanten Messwerte oder IOs – sogenannte Datenpunkte – können direkt an die Leitstelle übertragen werden. Welche Werte das sind, wird in der Projektierung einmalig festgelegt. Dafür bietet Step7 nun die »Datenpunktkonfiguration«: Die für die Leitstelle relevanten Daten der CPU werden über ein benutzerfreundliches »Item Browsing« in Step7 ausgewählt und dann in einem übersichtlichen Menü mit den Übertragungsparametern verbunden. Eine zyklische oder ereignisgesteuerte Übertragung von Messwerten, Sollwerten oder Alarmen ist so mit nur wenigen Handgriffen, ohne Programmieraufwand, umsetzbar.

Die Verwendung von offenen Kommunikationsstandards ist ein wesentlicher Faktor für eine erfolgreiche Realisierung von Fernwirklösungen. Durch die Einführung von etablierten Standards, beispielsweise DNP3 und IEC 60870, können wesentliche Kosten bei der Softwareumsetzung, dem Test und Konformitätsprüfungen eingespart werden. Durch die Unterstützung der in der Spezifikation definierten Objekt- und Übertragungsmechanismen wird die Kompatibilität zu den Leitstellensystemen gewährleistet.

Die bereits in den Standards definierten Security-Mechanismen zur Authentifizierung der Unterstationen an der Leitstelle sind eine gute Basis, um den Sicherheitsanforderungen der Endanwendungen gerecht zu werden. Werden öffentliche Fernverkehrsnetze wie Internet oder Mobilfunk zur Übertragung von Daten zur Leitstelle verwendet, ist es zwingend notwendig, sich auch gegen Verbindungsausfälle abzusichern. Während eine kurzfristige Verbindungsstörung im privaten Bereich kaum störend ist, kann eine solche im industriellen Umfeld schwerwiegende Folgen haben. Messwerte, die aufgrund eines gestörten Kommunikationsweges nicht in der Leitstelle ausgewertet werden können, führen zu verfälschten Messwertreihen oder im schlimmsten Fall zu einer Störung, die nicht erkannt wird.

Um dies zu vermeiden, sind in den S7-Fernwirkbaugruppen, wie dem Modul CP1243-1, automatische Mechanismen zur Zwischenspeicherung integriert. Im Falle eines Verbin-dungsausfalls werden bis zu 64.000 Werte automatisch zwischengespeichert. Um eine spätere historisch korrekte Einordnung der Werte zu gewährleisten, werden die Werte bei der Zwischenspeicherung mit einem aktuellen Zeitstempel versehen.

Bei wiederkehrender Verbindung werden die gepufferten Werte in der historisch korrekten Reihenfolge und mit Zeitstempel automatisch zur Leitstelle übertragen. Da dies eine Standardfunktion aller S7-basierten Fernwirkkomponenten ist, ist sichergestellt, dass ohne zusätzlichen Programmieraufwand Verbindungsunterbrechungen bis zu etwa 48 Stunden überbrückt werden können, ohne dass wertvolle Daten verloren gehen. Manche Situationen erfordern ein sofortiges Handeln eines Service-Ingenieurs: Wenn eine Pumpe ausfällt oder ein Regenbecken überläuft, muss möglichst schnell gehandelt werden, um in den Normalbetrieb zurückzukehren. Die Benachrichtigung über einen solchen Vorfall sollte also möglichst schnell und direkt an die richtige Person gelangen.

Um dies zu erreichen, können bei der Stationsprojektierung Alarm-E-Mails projektiert werden. Dabei werden für bestimmte Ereignisse ein Text und eine Empfängerliste definiert. Tritt dieses Ereignis ein, zum Beispiel ein Druckabfall in einer Wasserleitung, wird automatisch eine E-Mail an den Service-Ingenieur versandt, der dann vor Ort prüfen kann, ob es zu einem Leck gekommen ist und sich der mögliche Schaden schnell beheben lässt.

Mobilfunknetz hilft weiter

Häufig stehen die Anlagenbetreiber auch vor der Herausforderung, eine Außenstation steuern und überwachen zu müssen, die an einem Ort steht, an dem ein Kabelanschluss nicht möglich ist. Hier kann in den meisten Fällen ein bereits vorhandenes Mobilfunknetzwerk Abhilfe schaffen.

Die industrielle Mobilfunkkommunikation setzt auf den gleichen Datendiensten der Provider auf, die auch Handybenutzern angeboten werden, was ihren Einsatz sehr kostengünstig macht. Aktuell wird Mobilfunk in über 220 Ländern über GSM- und UMTS-Mobilfunknetze unterstützt. Durch die nahezu weltweite Abdeckung und die Verwendung von industrietaug-lichen Mobilfunkgeräten ist es Unternehmen möglich, eine einmal erstellte Lösung, ohne hardwaretechnische Anpassung, rund um den Globus einzusetzen. Da die Abrechnung des paketorientierten Dienstes nach Datenmenge, anstatt nach Verbindungsdauer erfolgt, sind auch die Betriebskosten sehr gut kalkulierbar.

Je nach gewähltem Telecontrol-System hat die RTU eine integrierte Mobilfunkschnittstelle, oder die Station wird um einen Mobilfunkrouter erweitert, wobei in beiden Fällen eine Standard-SIM-Karte, wie im Handy, eingelegt wird. Über die im Mobilfunknetzwerk vorhandenen Datendienste werden dann die Messwerte übertragen oder ein Zugriff zur Fernwartung bereitgestellt.

Mit dem erweiterten Produktspektrum von Scalance M, das Mobilfunkrouter sowie DSL-Router enthält, gibt es für jeden Einsatzfall die richtige Netzkomponente. Dank der integrierten Verschlüsselungs- und Zugriffsschutzmechanismen tragen die Geräte entscheidend zur Sicherheit in der Datenkommunikation bei. Die integrierten Sicherheitskonzepte, Firewall sowie VPN, für die Nutzung von öffentlichen und teilweise offenen Infrastrukturen wie das Internet, schützen die Kommunikationssysteme vor unerlaubten Zugriffen von außen. Um eine hohe Prozessverfügbarkeit zu erreichen, lassen sich die Übertragungsnetze redundant aufbauen. Gemeinsam mit weiteren Security-Integrated-Komponenten, wie Scalance S, kann der Fernzugriff auf IP-basierte Netze mit Firewalls und VPN-Tunnel geschützt und vor Risiken bewahrt werden.

Hannover Messe: Halle 9, Stand D35

Erschienen in Ausgabe: 02/2014