Nach der Erzeugung muss Strom für die weitere Verwendung zunächst gewandelt und transportiert werden. Übertragungs- und Verteilungs-Umspannstationen – auch Primär- oder Sekundärstationen genannt – wandeln elektrische Spannungen mit Aufspann- und Abspanntransformatoren. Maststationen als Ziel des Übertragungsweges wandeln die Spannung schließlich in haushaltsübliche Größen für den Endabnehmer. In solchen Umspannstationen findet sich üblicherweise eine große Anzahl von RTUs (Remote Terminal Units, Fernbedienungsterminals), die analoge Relais, Messgeräte und Stromwandler steuern. Die Installation von Zähler- und Messsystemen in Umspannstationen wird in der Regel über Scada (Supervisory Control and Data Acquisition, Überwachen und Steuern technischer Prozesse mittels eines Computer-Systems) überwacht und visualisiert. Jedes Scada-RTU muss hierbei physisch mit jedem Relais und Schutzrelais im System verkabelt werden. Dementsprechend komplex und unflexibel gestaltet sich die Verkabelung. Hinzu kommen ein nicht unwesentlicher Platzverbrauch und die entsprechend komplizierte Wartung. Typischerweise sitzen die RTUs in 19“-Racks, von denen aus sie durch zahlreiche Kabel und Drähte an Sensorpunkte angebunden sind. Die kompaktere und in Zeiten von Smart Grids auch intelligentere Alternative ist der Einsatz von IEDs (Intelligent Electronic Devices, intelligente elektronische Geräte). Der Einsatz intelligenter elektronischer Geräte (IED) versieht die Umspannstation mit der Steuerungs- und Automatisierungsfähigkeit und befähigt Anwender, das System im Ethernet-Netzwerk mittels Fernüberwachungsbefehlen zu steuern.
Kein Polling mehr
Die Stromverteilung und -übertragung erfordert im Wesentlichen die Datenübertragung über lange Strecken innerhalb einer Netzwerkumgebung mit niedriger Bandbreite sowie die Eigenüberwachung der Verbindungsstatus zu allen I/O-Punkten wie Zähler, Messgeräte und Wandler im Netzwerk. Bei Verbindungsunterbrechung muss das System von selbst neu starten, um die Kommunikation wiederherzustellen. Ein Embedded Computer und die Active-Ethernet-I/O-Technologie sorgen dafür, dass ein Administrator alle IEDs übers Ethernet-Netzwerk fernüberwachen kann.
Um ein solches IED-System zu bilden, ist zunächst die Anbindung eines Embedded Computers an Active-Ethernet-I/O-Geräte erforderlich. Active-Ethernet-I/O-Betrieb ermöglicht das Steuern und Überwachen digitaler Eingangspunkte ohne fortlaufendes Polling, was die Auslastung der CPU des Embedded Computers verringert. Damit einher geht eine geringere Menge von Protokollkonvertierungen. Der geringere Netzwerkverkehr und die Unmittelbarkeit der proaktiven Datenübertragung ermöglichen schließlich den Erhalt von Echtzeitdaten. Programme müssen außerdem weniger komplex gestaltet sein, um viele I/O-Punkte zu überwachen, und die Architektur behandelt den I/O-Server als unabhängige, modulare Einheit, die sich einfach verändern oder erweitern lässt, so wie es der ursprüngliche Gedanke des Ethernet vorsieht.
Wie funktioniert Active Ethernet I/O?
Ein Netzwerk-Host ruft normalerweise wiederkehrend Daten vom I/O-Server ab (Polling), um Daten entfernt gelegener Geräte über das Ethernet-Netzwerk zu erfassen. Schneller und einfacher geht dies mit dem Active-Ethernet-I/O-Konzept. Es stattet den Ethernet-I/O-Server mit Intelligenz aus, sodass er ohne einen Controller arbeiten kann. Durch eine eingebaute Steuerungslogik kann der I/O-Server einem Netzwerk-Host sofort proaktiv über Statusveränderungen eines Sensors berichten. Der Host muss den Sensorstatus nicht mehr abfragen, auf eine Antwort warten, und dann prüfen, ob eine Veränderung stattgefunden hat. Er wartet einfach auf den fertigen Report vom Active-Ethernet-I/O-Server. Die Kommunikation zwischen dem Host-Computer und einem Ethernet-RTU wird so präziser und effizienter, und die Datenübertragung wird rund zwanzigmal schneller als mit vergleichbaren herkömmlichen Scada-Systemen. Darüber hinaus kann die Logik in einem Active-I/O-Server einfache Befehle an angeschlossene Geräte wie Summer oder LEDs senden und ermöglich so die lokale Alarmkontrolle oder einen zusätzlichen Controller oder PC.
Stabiles Kommunikationssystem
Um die Stromübertragung und -verteilung zu steuern, ist eine solide Kommunikationsstruktur erforderlich. Stromwandler in Kombination mit Zählern stellen fest, wie viel Strom genutzt wurde. Sofern Spannung durch den Wandler fließt, überträgt der Zähler einen Ausgangspuls. Moxas ioLogik E2210 Active-Ethernet-I/O-Server empfängt diesen und zeichnet auf, wie viel Energie verbraucht wurde. Zusätzlich dazu liefert die aktive Reporting-Funktion automatisch Ereignismeldungen und sendet den Zählerwert alle paar Sekunden an eine Leistelle, wo diese Informationen als Referenz für die Stromerzeugung und -verteilung ausgewertet werden.
Die Systemkombination aus Wandler und Zähler sitzt zumeist im Niemandsland, was die Wartung zur kostenintensiven Herausforderung macht. ioLogiks Watchdog Timer zur Überwachung des Verbindungsstatus schafft hier Abhilfe. Sofern die Kommunikation unterbrochen wird sendet der Active-Ethernet-I/O-Server einen Output an ein externes Zeitrelais, das das System für fünf Minuten herunterfährt, bevor es wieder neu gestartet wird. Das schafft ein stabiles Kommunikationssystem. Außerdem lässt sich die Programmieraufwand mit der intuitiven ‚Wenn-Dann-Sonst‘-Click-and-Go-Kontrolllogik auf Minuten verringern und Wartungskosten lassen sich senken.
Embedded Computer statt RTU
Durch den Einsatz eines Embedded Computers lassen sich netzwerkbasierte RTUs komplett ersetzen. Mithilfe der Linux-Plattform eines Embedded Computers lassen sich mehrere verschiedene Kommunikationsprotokolle, die sich in Umspannstationen finden, implementieren. Dazu gehörten unter anderem IEC60870-5-104, 101, DNP3.0, Modbus/RTU und ABB SPAbus. Der Computer übernimmt in dieser Anwendung die Funktion eines Hochgeschwindigkeits-RTU. Im Gegensatz zu RTU erfolgt die Datenübertragung jedoch über Modbus TCP. Das Modbus-TCP-Protokoll ist RTU sehr ähnlich, allerdings werden bei dieser traditionellen Methode TCP/IP-Pakete verwendet, um die Daten zu übermitteln. Modbus-TCP ist mit den meisten Scada-Softwarepaketen kompatibel. Active-Ethernet-I/O unterstützt Modbus TCP. Hinzu kommt, dass sich so auch die Nutzung der Ressourcen von Host-Computern reduzieren lässt.
SPS/IPC/Drives 2011
Halle 9, Stand 221
Rick Peng
(mf)
