Fernwirken über Mobilfunk Komplettlösung für GPRS-basierte Fernwirktechnik auf Basis einer Kleinsteuerung

Die Siemens AG hat dieses Problem erkannt und bietet als erster Hersteller eine Komplettlösung für GPRS-basierte Fernwirktechnik auf Basis der Kleinsteuerung Simatic S7-1200. Mithilfe von optimal aufeinander abgestimmten Systemkomponenten wird die Erstellung einer Funklösung schneller und einfacher – ohne spezielle Provider-Dienste in ­Anspruch nehmen zu müssen (Bild 1). Kleinsteuerung als Fernwirkstation Die Grenzen zwischen einer klassischen Remote Terminal Unit (RTU) und einer Steuerung (PLC) verschwinden zunehmend. Die ursprünglichen Vorzüge einer RTU – wie z.B. einfache Konfiguration und \’Wide Area Network (WAN)\‘-Anbindung – sind seit Langem auch Forderungen von Anwendern der Automatisierungstechnik und damit im Fokus der PLC-Hersteller. Mit der Kleinsteuerung Simatic S7-1200 hat Siemens eine PLC speziell für einfache Anwendungen auf den Markt gebracht und durch einen modularen Ansatz gleichzeitig den Weg für den Einsatz von Fernwirkmedien und angepassten Übertragungsprotokollen geebnet. Die Projektierung und die Programmierung der Kleinsteuerung erfolgt mit dem Engineering-Tool Step7 V11. Durch dessen neuartiges und intuitives Bedienkonzept lassen sich Steuerungsaufgaben schneller als je zuvor implementieren und der Programmieraufwand auf ein Minimum reduzieren. Auch die für Fernwirklösungen oft notwendige Archivierung von Anwendungsdaten kann einfach über vorbereitete Mechanismen in der Steuerung implementiert werden (Bild 2). Um alle wichtigen Daten und Messpunkte an eine weit entfernte Zentralstation zu übertragen, wird der Kommunikationsprozessor CP1242-7 an die Kleinsteuerung gesteckt, der wie ein Handy die notwendige SIM-Karte beherbergt und die Kommunikation abwickelt. Die Kleinsteuerung \’verwandelt\‘ sich damit von einer PLC in eine RTU mit Mobilfunkanbindung. Wissen, worauf man sich einlässt: Vor- und Nachteile des Mobilfunkdienstes GPRS Vor einer Entscheidung, eine Fernwirklösung auf Basis eines Mobilfunkdienstes aufzubauen, sollte sich jeder Anwender mit dem Thema GPRS auseinandersetzen, um die Vor- und Nachteile genau gegeneinander abwägen zu können. Schwachstellen können durch die Wahl der für die jeweilige Anwendung richtigen Produkte und Lösungen von Anfang an vermieden werden, wenn man weiß, welche Eigenschaften beim gewählten GPRS-Dienst die tragende Rolle spielen. GPRS wird aktuell weltweit in 220 Ländern über das GSM-Netz unterstützt. Lokale technische Unterschiede beschränken sich auf die verwendeten unterschiedlichen Frequenzbänder. Damit ein GPRS-Funkgerät in einem bestimmten Land funktioniert, muss es dessen für GSM/GPRS zugewiesenes Frequenzband unterstützen. In den meisten Ländern werden funkende Geräte besonders überwacht und müssen von einer lokal zuständigen Regierungsinstanz genehmigt sein. Funkgeräte, die die verbreitetsten Frequenzbänder 850/900/1.800/1.900MHz für GPRS unterstützen (Quad-Band-fähig) und die entsprechenden länderspezifischen Zulassungen haben, sind somit global einsetzbar. Diese weite Verbreitung des standardisierten Datendienstes GPRS und die Verwendung von Quad-Band-fähigen Funkgeräten, welche die notwendigen Zertifizierungen besitzen, erlauben es, eine einmal erstellte Lösung ohne hardwaretechnische Anpassungen weltweit einzusetzen. Unter bestimmten Rahmenbedingungen lassen sich auch die Kosten für die Datenübertragung beim Provider in einem überschaubar kleinen Rahmen halten. Wichtig ist hier, dass die Gesamtlösung auf dem gleichen Datendienst der Provider aufsetzt, der auch dem normalem Handybenutzer angeboten wird, da die Kosten hier aufgrund der enorm hohen Nutzerzahl wesentlich preiswerter sind. Unabhängig von Netzinfrastruktur Ein weiterer Vorteil der GPRS-basierten Kommunikation ist die Unabhängigkeit von der vorhandenen Netzwerkinfrastruktur. Es müssen keine neuen Leitungen gelegt werden, um zusätzliche Anschlüsse zu schaffen, und das vorhandene Kabelnetzwerk wird nicht mit weiteren Datenmengen für neue Teilnehmer belastet. Der in vielen Fällen mit einer Netzerweiterung einhergehende Prozess einer langwierigen und komplizierten Neu-Administration durch die IT-Abteilung kann also wesentlich vereinfacht werden. Die Kommunikation über Mobilfunknetze weist jedoch speziell im Vergleich zu den meisten kabelgebundenen Netzwerken auch einige Nachteile auf. Eine Verfügbarkeitsgarantie kann und wird ein Mobilfunkprovider nicht aussprechen. Wartungsarbeiten am Netzwerk führen immer wieder zu kurzfristigen Ausfallzeiten, in denen die Verbindung kurzfristig abbricht und (z.B. zyklisch gesendete) Daten nicht ankommen. Was für Handybenutzer keine schwerwiegenden Auswirkungen hat, kann jedoch in der Praxis der Fernwirktechnik zu größeren Problemen führen. Durch den Ausfall entstehende Lücken in Messwertreihen sind meist noch verkraftbar, wenn sie z.B. keine sicherheitstechnische Bedeutung haben. Ein notwendiger Serviceeinsatz vor Ort durch eine ausgefallene RTU ist jedoch mit einem finanziellen Aufwand verbunden, der in der Regel nicht akzeptiert werden wird. Hier muss die Gesamtlösung bereits Abhilfe durch Datenzwischenpufferung schaffen. Anpassungen sind erforderlich Ein weiterer Nachteil sind die wechselnden IP-Adressen von Mobilfunkteilnehmern, auf die nicht direkt zugegriffen werden kann. Was den Handynutzern eine zusätzliche Sicherheit bietet, ist im industriellen Einsatz so nicht verwendbar. Es muss möglich sein, jederzeit auf lokal über GPRS angebundene Maschinen bzw. Anlagen zugreifen zu können, um Steuerungsaufgaben bzw. Diagnosen durchzuführen. Um dies also zu ermöglichen, sind in der Gesamtlösung spezifische Anpassungen notwendig: Durch die Verwendung von speziellen Protokollen müssen die dynamischen IP-Adressen durch fixe Stationsadressen abstrahiert werden und durch die Verwendung von Tunnelmechanismen muss eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht werden. Am einfachsten lässt sich dies über eine speziell für diesen Einsatz vorgesehene \’Server-Software\‘ umsetzen. Die dabei verwendeten Mechanismen sind vergleichbar mit dem aus der IT-Welt bekannten Telefondienst Skype. Auch hier melden sich verschiedene \’Stationen\‘ (Benutzer) an einem Server an, der diese Verbindungen dann herstellt. Damit lassen sich die Merkmale von GPRS und deren Auswirkungen für Fernwirkanwendungen wie folgt tabellarisch darstellen (Bild 3). Optimale Fernwirktechnik auf Basis eines durchgängigen Produktkonzeptes In Fernwirkanlagen kommt oft eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten zum Einsatz: Sensoren erfassen die Daten, RTUs verarbeiten die Daten, Modems versenden die Daten und die Leitstelle, bzw. das Scada-System, visualisiert die Daten. Damit die gesamte Anlage störungsfrei funktionieren kann, ist es wichtig, dass alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind. Eine nicht optimal aufeinander abgestimmte Komponentenlösung kann durch kleine Unregelmäßigkeiten bereits außer Takt geraten und damit betriebsunfähig werden. Zusätzlich kommt bei der Realisierung der Anwendung und bei der Inbetriebnahme noch der Aspekt der aufwendigen Konfiguration aller für den Einsatz notwendigen Komponenten. Hier kann ein enormer Aufwand allein darin bestehen, die unterschiedlichen Parameter und Tools zu verstehen und einzusetzen. Noch schwieriger wird die Wartung, bei der eine Vielzahl von Tools und Softwareprogrammen beherrscht werden muss. Den Überblick zu behalten und eine befriedigende Datenkonsistenz zu erreichen, ist oft \’eine Kunst für sich\‘. Aus diesen Gründen ist es ein großer Vorteil, wenn der Anwender sicher sein kann, dass die ausgewählten Produkte bereits bei deren Entwicklung perfekt aufeinander abgestimmt wurden und in ein Gesamtkonzept integriert sind. Gesamtlösung auf Basis einer Kleinststeuerung Aufgrund der durchgängigen Integration in das bestehende Simatic-Angebot kann die Kompaktsteuerung flexibel an die Anforderungen jeder Anwendung angepasst werden: Von I/O-Modulen über Panels und Kommunikationsbaugruppen für Profibus bis hin zur GPRS-Anbindung stehen alle Möglichkeiten offen, die Hardware exakt anzupassen. Mit der integralen Bedienoberfläche \’TIA-Portal\‘ und dem Engineering-System Step7 V11 ist die Grundlage für ein durchgängiges Engineering über alle Systeme und Produkte der Simatic-Welt geschaffen. Für die Fernwirkanwendung kann die CPU, das Panel und auch das GPRS-Modem in einem System konfiguriert werden. Dadurch ist das sichere Zusammenspiel der Komponenten ebenso sicher gestellt wie eine einheitliche Datenkonsistenz. Die Gesamtlösung für GPRS-basierte Fernwirktechnik auf Basis der Kleinsteuerung beinhaltet zusätzlich die Server-Software \’Telecontrol Server Basic\‘, mit der die vorher beschriebenen Nachteile der Mobilfunkkommunikation umgangen werden, um sie für Fernwirkanlagen preisgünstig einsetzen zu können. Die Server-Software sorgt dafür, dass zwischen der Zentrale bzw. zwischen den Stationen Messwerte bzw. Steuerbefehle in beliebiger Richtung ausgetauscht werden können. Die dynamischen IP-Adressen werden auf fixe Stationsadresse abstrahiert, wodurch alle Teilnehmer immer eindeutig identifizierbar sind. Die für die Zentrale wichtigen Daten werden dabei über eine Standard-OPC-Schnittstelle in ein beliebiges Visualisierungssystem wie z.B. WinCC übertragen (Bild 4). Fernwarten ist ein Muss im Zeitalter der globalen Vernetzung Die Remote Terminal Units einer Fernwirkanlage befinden sich in der Regel auf einem geografisch ausgedehnten Gebiet. Ein Vor-Ort-Einsatz zu Diagnosezwecken oder zur Programmänderung ist deshalb meist mit einer Reise und den dafür anfallenden Kosten verbunden. Dies war bisher besonders ärgerlich, weil die RTU ja eigentlich bereits eine Verbindung zu einer Zentrale hat, die man eigentlich auch für einen Fernzugriff zu Wartungszwecken nutzen können sollte. Von einer modernen Fernwirklösung kann man heute erwarten, dass auch die Fernwartung, also der Zugriff aus der Ferne zu Diagnosezwecken, über die bereits vorhandene Anbindung erfolgen kann. Dies spart Zeit und Kosten. In vielen Fällen ist sogar das Fernwarten alleine der Hauptanwendungsfall. Fast alle Maschinenhersteller und Anlagenbauer sind mittlerweile weltweit aktiv und verkaufen Ihre Produkte und Leistungen an Kunden in der ganzen Welt. Aber unabhängig davon, in welchem Land das Geschäft getätigt wird, ist eines immer gleich: Die Anwender legen Wert darauf, das sie mit dem Kauf eines \’Produktes\‘ auch einen schnellen und kompetenten Service garantiert bekommt, durch den auftretende Probleme in der Maschine oder in der Anlage ohne große Verluste für die laufende Produktion erkannt und behoben werden können. Egal ob die Fernwartung nun als Bestandteil der Fernwirklösung oder als Hauptanwendungfall benötigt wird: Mit der Kleinsteuerung-basierten GPRS-Lösung ist der Fernzugriff auf die CPU immer gewährleistet. Über das Internet kann sich ein Servicemitarbeiter in der Zentrale anmelden und einen Zugriff auf eine bestimmte Station verlangen. Der Telecontrol Server Basic prüft daraufhin den Status der Station und stellt die Verbindung zwischen Station und Servicemitarbeiter her. Entsprechende Sicherheitsmassnahmen sorgen dafür, dass nur berechtigte Personen einen solchen Eingriff vornehmen können (Bild 5). Integrierte Funktionen sparen Zeit und Kosten – bei Installation und Service Beim Fernwirken über GPRS müssen dem Anwender bzw. dem Planer die speziellen Eigenschaften der Mobilfunkkommunikation von Anfang an bekannt sein. Das einfache Zusammenstecken eines beliebigen Modems mit einer Steuerung führt in den meisten Fällen nicht zum Erfolg. Siemens bietet auf Basis der Kleinsteuerung Simatic S7-1200 ein durchgängiges Konzept, in dem die Eigenschaften einer GPRS-basierten Kommunikation berücksichtigt sind. Die dafür zur Verfügung stehenden Produkte des Kommunikationsprozessors CP1242-7 und \’Telecontrol Server Basic\‘ sind speziell für die Anbindung über Mobilfunknetzwerke konzipiert und ermöglichen eine schnelle und einfache Inbetriebnahme auf Basis der durchgängigen Bedienoberfläche \’TIA-Portal\‘. Als integraler Bestandteil der Siemens-Lösung ist der Fernzugriff auch für Servicearbeiten über Internet oder GPRS bereits in den Systemfunktionen enthalten und erspart dem Anwender damit zeit- und kostenaufwendige Vor-Ort-Einsätze.