Alarming- und Monitoring-System auf einer RoRo-Fähre Störungen zuverlässig erkennen

Die RoRo-Fähre (roll on/roll off) \’L\’Estuaire\‘ hat im Herbst 2009 den Fährbetrieb in der im südwestlichen Frankreich gelegenen Gironde-Mündung aufgenommen. Dort verbindet sie die Gemeinden Le Verdon-sur-Mer und Royan. Das auf der Piriou-Werft im bretonischen Concarneau gebaute Schiff ist 78 Meter lang und 18,5 Meter breit. Bei einem maximalen Tiefgang von 2,6 Metern kann es 600 Passagiere sowie 138 PKW transportieren. Angetrieben wird die \’L\‘ Estuaire\‘ von vier Motoren mit einer Leistung von 1080 KW bei 1000 U/min. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 13 Knoten (Bild 1). Schnelle und kostengünstige Netzwerk-Erweiterung Die \’L\’Estuaire\‘ wurde fast ausschließlich in Frankreich gebaut. Da die Breite ihres Rumpfes die Möglichkeiten der Piriou-Werft überstieg, ist der Rumpf im polnischen Danzig hergestellt, nach Concarneau transportiert und dort entsprechend ausgebaut worden. Die hochmoderne RoRo-Fähre verfügt über ein Alarming- und Monitoring-System, dessen Kommunikation auf einem redundanten Ethernet-Ring basiert (Bild 2). Alle Steuerungsdaten werden von I/O-Stationen des Inline-Installationssystems über SFN-Switches aus der Produktlinie Factoryline von Phoenix Contact weitergeleitet. Das Inline-System umfasst neben Steuerungen und Buskopplern zahlreiche Standard- und Funktionsklemmen, die je nach Bedarf flexibel auf der Hutschiene aneinander gereiht werden. Die Querverdrahtung erfolgt automatisch (Bild 3). Mit den industrietauglichen SFN-Switches können Netzwerke schnell und kostengünstig erweitert werden. Aufgrund ihrer schmalen Gehäuseform, der variablen Port-Anzahl, einer vielseitigen Anschlusstechnik sowie der hohen Performance bis 1000 MBit/s auf allen Ports setzen sie sämtliche Automatisierungsaufgaben wirtschaftlich um. Der Anschluss von 24-V-Stromversorgung, Funktionserde und Meldekontakt erfolgt durch einfaches Aufstecken der Combicon-Steckverbinder von Phoenix Contact. In Verbindung mit der Autocrossing-Funktion reduzieren sich Fehler sowie Montage- und Verdrahtungszeiten erheblich. Gut ablesbare Status-LED zeigen die Übertragungsgeschwindigkeit, den Link-Status sowie den Empfang von Telegrammen an. Über den potenzialfreien Meldekontakt wird die redundante Spannungsversorgung überwacht (Bild 4). Das Alarming- und Monitoring-System liefert die Basisinformationen, die dem Schiffsführer im Störungsfall bei der richtigen Entscheidung helfen. Jeder Alarm wird registriert und zur Anzeige gebracht. Höhere Netz-Performance durch reduziertes Datenaufkommen Die Herausforderung bei der Umsetzung des Alarming- und Monitoring-Systems bestand darin, die verschiedenen zu überwachenden Anlagen wie Maschine, Antriebe, Bilge, Energieversorgung und Kommunikation in die Lösung zu integrieren. Es galt also einen zuverlässigen Übertragungsstandard zu finden, den alle Systeme unterstützen. Die Verantwortlichen entschieden sich hier für das in die Schneider-Steuerung integrierte Modbus/TCP-Protokoll. Der offene Ethernet-Standard, der in die für Internet-Standardisierung zuständige Organisation IETF (Internet Engineering Task Force) eingebracht wurde, wird weltweit von vielen Herstellern in ihre Geräte implementiert. Aufgrund der steigenden Verbreitung der Ethernet basierten Kommunikation sowohl im Office- als auch im Industrie-Bereich setzen zahlreiche Branchen auf das Modbus/TCP-Protokoll. Typischer Einsatzbereich sind heterogene Systemlandschaften, wie sie auf Schiffen vorkommen. Das Inline-Installationssystem von Phoenix Contact bietet daher auch einen Bus­koppler mit Modbus/TCP-Schnittstelle, an den die jeweils benötigten I/O-Klemmen angereiht werden. Der Buskoppler kommuniziert über das Ethernet-Protokoll mit den SFN-Switches. Die Infrastruktur-Komponenten filtern den Datenverkehr, sodass lokale Kommunikation lokal bleibt. Dies reduziert das Datenaufkommen in den einzelnen Netzsegmenten und steigert die Performance. Die Kupfer-Segmente lassen sich einfach verbinden, wobei unterschiedliche Datenübertragungsraten automatisch erkannt werden. Bis zu zwei Lichtwellenleiter-Ports sorgen für die galvanische Entkopplung der verschiedenen Netzsegmente. Redundanz-Umschaltung im Millisekunden-Bereich Die \’L\’Estuaire\‘ verfügt zusätzlich über ein redundant aufgebautes Ethernet basiertes Alarming- und Monitoring-System, das die Kommunikation auch bei einer gestörten Verbindung sicherstellt. Die verwendeten Ethernet-Komponenten – Lean Managed Switches von Phoenix Contact – unterstützen das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). RSTP ist ein standardisiertes Redundanzverfahren mit einer geringen Reaktionszeit. Beträgt die Strukturierungszeit im Fall einer Reorganisation des Netzwerks mit dem Spanning Tree Protocol mehrere Sekunden, reduziert sie sich durch den Einsatz von RSTP auf einige hundert Millisekunden. Dieser Zeitraum kann allerdings nicht garantiert werden, was für Service Level Agreements (SLA) wichtig wäre. Die Fehlerreaktionszeit von RSTP mit der Erweiterung Fast Ring Detection liegt bei etwa 500 Millisekunden, die Initialisierung bei rund 400 Millisekunden (Bild 5). Das im IEEE-Standard 802.1w beschriebene RSTP ist abwärtskompatibel zum Spanning Tree Protocol. Die Netzkonfiguration arbeitet auch bei Ausfall der bevorzugten Verbindung weiter. Erst wenn eine neue logische Baumstruktur berechnet ist, wird das Netzwerk auf diese umgestellt. Über die Switches von Phoenix Contact sind die auf der RoRo-Fähre verbauten Steuerungen verschiedener Hersteller kostengünstig und zuverlässig mit den Inline-I/O-Stationen vernetzt. Fazit Der Betreiber der \’L\’Estuaire\‘, der der Kommunalverwaltung der Gironde unterstellte Seefahrtdienst, äußert sich zufrieden mit dem Alarming- und Monitoring-System auf Basis von Phoenix Contact-Produkten (Bild 6). Die Fähre befördert bis zu 800.000 Personen und 24.000 PKW pro Jahr, wobei dank des Überwachungskonzepts bislang keine Störungen aufgetreten sind. Kasten: Lean Managed Switches erhöhen die Verfügbarkeit Die Lean Managed Switches von Phoenix Contact unterstützen den IT-Redundanz-Standard RSTP zur Auflösung vermaschter Netzstrukturen sowie von Ringen. So können redundante Datenpfade herstellerübergreifend sowie bis zu den überlagerten 19\“-Switches der Leitebene aufgebaut werden. Selbst wenn keine redundanten Strukturen zu projektieren sind, lässt sich die Robustheit des Netzes durch die Funktion erhöhen. Unbeabsichtigt gesteckte Schleifen, die zu einem Kommunikationsstillstand führen würden, werden beispielsweise automatisch unterdrückt. Die Funktion Fast Ring Detection verhindert den Kommunikationsabbruch im Redundanzfall, denn die Umschaltung auf das redundante Netzwerk erfolgt schneller als die Watchdog-Zeit. Mit Large Tree können selbst dezentrale Netzstrukturen redundant umgesetzt werden, da bis zu 57 Switches pro Ring erlaubt sind. Verglichen mit den bekannten Feldbussystemen stehen für den Ethernet-Standard viele Netzanalyse-Tools kostengünstig oder als Freeware zur Verfügung. Bei der Verwendung in einer Switched-Infrastruktur müssen die zu analysierenden Daten jedoch auf einen freien Port gespiegelt werden. Die Lean Managed Switches sind deshalb mit der konfigurierbaren Funktion Port Mirroring ausgestattet, sodass die Aufzeichnung von Datenverkehr zu Service-Zwecken über eine Protokollanalyse-Software wie Wireshark einfach umsetzbar ist.