07.04.2016

Neues Managed Ethernet-Extender-System

Einfache Handhabung sowie umfassende Diagnose

Die Stadtwerke Bad Pyrmont verwenden seit 2013/2014 Unmanaged Ethernet-Extender von Phoenix Contact, um große Datenmengen zwischen den weit entfernten Außenstationen und der Leitzentrale auszutauschen. Ab der Hannover Messe 2016 kann der Versorger auch auf Managed-Geräte zurückgreifen, die eine noch bessere Überwachung und Transparenz des Übertragungsnetzes erlauben.

Autor: Rüdiger Peter, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH.


Mit dem neuen Managed-Ethernet-Extender-System lassen sich bis zu 20 Kilometer entfernte Anwendungen einfach vernetzen.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Sollen große Entfernungen via Ethernet überbrückt werden, denken viele Anwender sofort an den Einsatz von Mobilfunk oder Glasfaser-Leitungen. Allerdings wird die nachträgliche IP-Vernetzung so schnell zu einer wirtschaftlichen Herausforderung. Während bei der Datenübertragung per Mobilfunk regelmäßige monatliche Kosten anfallen, erweist sich die Neuinstallation von Glasfaser-Leitungen unter Umständen als lediglich von Fachpersonal durchführbar, zeitaufwendig und teuer. Neben diesen Alternativen bietet sich daher die Nutzung vorhandener unternehmenseigener Kupferleitungen in Kombination mit sogenannten Ethernet-Extendern an. Die Lösung zeichnet sich durch ihre einfache Handhabung sowie eine wirtschaftliche Umsetzung aus.

Aufbau vielfältiger Topologien

Derzeit stehen verschiedene Extender-Systeme auf Basis unterschiedlicher Technologien zur Verfügung. Bei einer dieser Technologien handelt es sich um VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line). Sie wird nicht nur bei unternehmenseigenen Leitungen, sondern ebenfalls zur Internet-Anbindung an das öffentliche Telefonnetz verwendet. Insbesondere in derartigen Applikationen spielt VDSL die Vorteile einer hohen Übertragungsrate von 100MBit/s aus. Die Gegenstelle darf jedoch nicht mehr als 3.000m entfernt sein. Häufig eingesetzt werden darüber hinaus auf SHDSL (Symmetrical High Speed Digital Subscriber Line) basierende Lösungen, deren Nutzung allerdings im öffentlichen Netz verboten ist. SHDSL überzeugt durch eine hohe Reichweite bis 20km Entfernung sowie den Aufbau fast jeder Topologie - also z.B. Punkt-zu-Punkt, Linie, Stern oder Ring. In diesem Umfeld umfasst das Portfolio von Phoenix Contact bereits seit einigen Jahren ein Gerät, das sich wegen seiner einfachen Inbetriebnahme per Plug&Play bewährt hat. Gerade in Applikationen, in denen nicht auf Fachpersonal zurückgegriffen werden kann, stellt dies einen wichtigen Vorteil dar. So hat beispielsweise ein in Süddeutschland ansässiger Landwirt seine neu errichtete Biogasanlage selbstständig vernetzt. Dies betrifft sowohl die Verlegung der Leitungen als auch die Inbetriebnahme der Ethernet-Extender.

Übertragung großer Datenmengen

Steht in derartigen, auf dem eigenen Gelände befindlichen Anwendungen die einfache Handhabung im Vordergrund, hat die industrieübliche Robustheit und Störfestigkeit in anderen Applikationen einen deutlich höheren Stellenwert. Als Beispiel seien Bahnanwendungen genannt, wo die Heizung der Schienenweichen über die Ethernet-Extender-Kommunikation angesteuert wird. Würde die Heizung ausfallen, hätte dies bei niedrigen Temperaturen weitreichende Folgen. Der wirtschaftliche Aspekt ist einer der wesentlichen Gründe, weshalb einige Städte und Kommunen ebenfalls über eine Ethernet-Vernetzung nachdenken und nach einer kostengünstigen und dennoch sicheren Lösung suchen. Kommunale Versorgungsunternehmen sind spätestens seit der Liberalisierung im Energiebereich dem Wettbewerbsdruck ausgesetzt. Die Marktkommunikation erzeugt stetig größere Datenmengen. Gesetzliche Anforderungen wie das Energiewirtschaftsgesetz machen zusätzliche Investitionen erforderlich. Dies war Motivation für ein Versorgungsunternehmen aus dem Weserbergland, als Vorreiter zu fungieren. Schon vor drei Jahren eruierten die Stadtwerke Bad Pyrmont den Markt deshalb nach einer Lösung mit Synergieeffekt. Es gilt zum einen die Daten des Energiemanagements und zum anderen die Prozessdaten im Bereich der Netzleittechnik mit einem gemeinsamen Kommunikationssystem zu handhaben. Ein wichtiger Entscheidungsfaktor war zudem die einfache Bedienbarkeit der Lösung.

Anbindung entfernter Unterstationen

Eine Betrachtung des Bad Pyrmonter Energienetzes zeigt, dass Wasserversorgung (Brunnen, Pumpen, Hochbehälter), Gasverteilung, Wärmegewinnung (Heizkraftwerke) und Stromerzeugung (Blockheizkraftwerke, Photovoltaik-Anlagen) nicht immer in unmittelbarer Nähe zur zentralen Leittechnik angesiedelt sind, sondern zum Teil mehrere Kilometer entfernt liegen. In den 1980er-Jahren erfolgte die Steuerung und Überwachung noch über eine zentrale Leittechnik. Jakob und sein Team erkannten früh, dass eine gestörte Verbindung zwischen Leittechnik und Unterstationen zum Ausfall der kompletten Unterstation führt und dieses Risiko mit einem wachsenden Netzwerk kontinuierlich steigt. Daher entschieden sich die Verantwortlichen in Bad Pyrmont bereits 2003 für die Nutzung dezentraler Steuerungen in den Unterstationen. Um Ausfallzeiten und Personaleinsatz auch in Zukunft gering zu halten, wurde ein dezentrales Konzept erarbeitet und sukzessive installiert. Der neue Ansatz sieht weiterhin eine dezentrale Steuerung und Regelung vor, lediglich die Überwachung der einzelnen Unterstationen findet zentral aus der Leitwarte statt. Zu diesem Zweck wurde bislang ein serielles Protokoll auf Basis der IEC60870-5-101 verwendet. In den letzten Jahren ist allerdings ein Trend in Richtung IP-/Ethernet-Kommunikation feststellbar. Dies resultiert aus der sich ständig erhöhenden Datenmenge und der damit einhergehenden geringeren Übertragungsrate beim seriellen Datenaustausch.

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Einsatz moderner Technik

Die Überwachung aus der zentralen Leittechnik geschieht heute größtenteils auf der Grundlage von TPC/IP über das IEC-Protokoll 60870-5-104. Das gesamte Kommunikationsnetz umfasst aktuell rund 115km. Die neue IP-Übertragung und das wachsende Energienetz stellten die Stadtwerke aber vor weitere Herausforderungen. So ist die Ethernet-Kommunikation jetzt deutlich schneller, erfordert jedoch speziell geschirmte Ethernet-Leitungen, die eine maximale Reichweite von 100m haben. "Glasfaser-Leitungen wären aufgrund der hohen Datenrate sicher eine gut Lösung gewesen", erklärt Thorsten Hamann, Techniker im Bereich Netzleittechnik und Energiedaten-Management der Stadtwerke Bad Pyrmont. "Allerdings konnten wir die Kosten insbesondere hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung nicht abschätzen. Die Glasfaser-Leitungen hätten wir neu verlegen müssen, was einen hohen Kostenaufwand in puncto Material und Personal bedeutet." Eine stetig steigende Zahl privater Energieerzeuger speist überschüssigen Strom in das öffentliche Energienetz der Kurstadt ein. Um die Netzstabilität sicherzustellen, müssen die Stadtwerke diese Daten erfassen und bei Bedarf entsprechend reagieren (§13, EnWG). Vor diesem Hintergrund haben die Stadtwerke Bad Pyrmont bei Neu- oder Ersatzinstallationen moderne Technik eingesetzt. So nutzen sie in diesem Bereich seit 2013/2014 Unmanaged Ethernet-Extender von Phoenix Contact. Etwa 30km sind bereits mit der SHDSL-Technik realisiert worden. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass von der maximal möglichen Datenrate der SHDSL-Leitung von 15MBit/s weniger als ein Drittel für die Datenerfassung benötigt wird.

Kombination von Unmanaged- und Managed-Geräten

Die Verantwortlichen der Stadtwerke hat zudem die einfache Handhabung der Unmanaged Ethernet-Extender überzeugt: "Wegen der Plug&Play-Funktion und der Möglichkeit, das System im laufenden Betrieb zu erweitern, haben wir die Ethernet-Extender selbst verbauen können", so Hamann. Zur Kommunikation werden zum Teil bestehende Telefonleitungen verwendet. Bis auf die Gasverteilung setzen die Stadtwerke die SHDSL-Technologie mittlerweile in allen Bereichen ein. Das Netz wird in Verbindung mit dem Ausbau des IEC-Protokolls 60870-5-104 sukzessive ergänzt. Eines der nächsten großen Projekte der Stadtwerke ist die Überwachung des 10kV-Mittelspannungsnetzes. Hier warten Jakob und sein Team auf die Managed Ethernet-Extender, die Phoenix Contact zur Hannover Messe 2016 vorstellt. Die Geräte erlauben eine noch bessere Überwachung und Transparenz des Übertragungsnetzes. Sie lassen sich ebenfalls per Plug&Play in das Netzwerk einbinden und bieten eine Diagnose sämtlicher Strecken und angeschlossenen Ethernet-Extender über die IP-Adresse. Neben der Vor-Ort-Diagnose auf dem integrierten Display eröffnen sich dem Anwender damit neue Möglichkeiten. Unmanaged und Managed Ethernet-Extender können in einem Netzwerk kombiniert betrieben werden, um Status-, Warn- und Fehlermeldungen automatisch per SNMP (Simple Network Management Protocol) an die Leitzentrale zu senden. Dieses Zusammenspiel neuer und vorhandener Geräte macht die Nutzung des Systems nicht nur einfach, sondern auch wirtschaftlich.

Rückwirkungsfreie Erweiterung im laufenden Betrieb

Durch die Kombination von Unmanaged und Managed Ethernet-Extendern in einem Netzwerk gestaltet sich die IP-Vernetzung nicht nur einfach und robust, sondern auch wirtschaftlich. Die bewährten Unmanaged Ethernet-Extender erlauben die IP-Kommunikation in ausgedehnten Ethernet-Systemen. Eine automatische Erkennung von Topologie und Datenrate spart dabei Kosten und Zeit während der Inbetriebnahme. Zur Vernetzung kann der Anwender die vorhandenen Zweidraht-Kupferleitungen nutzen. Das System lässt sich im laufenden Betrieb rückwirkungsfrei erweitern. Neben der Punkt-zu-Punkt- und Linien-Topologie ist eine redundante Ringfunktion möglich. In großen Applikationen, die eine hohe Ausfallsicherheit erfordern, wird so ein störungsfreier Betrieb der IP-Übertragung sichergestellt. Der Einsatz der Managed Ethernet-Extender lässt nun ebenfalls die zentrale Diagnose der Unmanaged-Geräte via IP zu. Das System reagiert also nicht nur auf veränderte Rahmenbedingungen, sondern warnt ebenso bei unerwarteten Ereignissen, beispielsweise einer Streckenschwächung. Status-, Warn- und Fehlermeldungen werden automatisch via SNMP (Simple Network Management Protocol) an die Leitzentrale übermittelt.

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