Die Wehrwärter des 21. Jahrhunderts

Hochverfügbare Datenkommunikation mit Providerredundanz

Von Ernst Lehmhofer*

Um den Hochwasserschutz weiter zu erhöhen, hat sich die BKW Energie AG im Auftrag des Amt für Wasser und Abfall des Kantons Bern (AWA) für den Einsatz von Westermo-Lösungen bei der Überwachung der Wasserstände des Brienzer-, Thuner- und Bielersees sowie der wichtigsten Fliessgewässer im Einzugsgebiet entschieden. Die Netzwerkkomponenten mit ihrem intelligenten Betriebssystem sowie die Ma­nagement-Software WeConfig sorgen für die effiziente Administration der Datenkommunikation.

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Hochwasser – ein sich häufendes Naturereignis, das genährt wird von immer extremeren Wetterlagen. Wo an eindrücklichen Stauwehren mit entsprechender Mechanik früher per Hand versucht wurde, Wassermassen in den Griff zu bekommen, kommt heute innovative Automationstechnologie zum Einsatz, um Menschen zu schützen und materielle Schäden abzuwehren. Zu den Anwendern gehört auch das AWA, das Amt für Wasser und Abfall des Kantons Bern. Neben zahlreichen anderen Aufgaben, reguliert das AWA an 365 Tagen während 24 Stunden die Wasserstände des Brienzer-, Thuner- und Bielersees. „Vor nicht allzu langer Zeit haben Datenlogger nur alle paar Stunden bis Minuten die verschiedenen benötigten Messwerte übermittelt. Heute geschieht das dank modernster Technologie in Echtzeit. Dabei ist wichtig, dass die Datenkommunikationstechnologie, auf die wir setzen, unsere Herausforderungen unterstützt und alle Anforderungen in dieser besonderen, unternehmenskritischen Kommunikationsinfrastruktur zuverlässig erfüllt“, erklärt Dr. Bernhard Wehren, Leiter Seeregulierung beim AWA. „Unsere Tätigkeit soll insbesondere dazu beitragen, die Menschen vor Hochwasser zu schützen und Schäden zu vermeiden, dies idealerweise mit einem ökonomisch vertretbaren Aufwand. Verschiedene wichtige Reguliermanöver sind zudem besonders zeitkritisch - da zählt phasenweise jede Minute“, so Dr. Wehren weiter. Um diese Absicherung jederzeit und bestmöglich zu gewährleisten, entschied sich der Kanton Bern seine Anlagen mit dem technisch Machbaren zu modernisieren. Kein einfaches Unterfangen, betreibt doch das AWA für die Regulierung der Seen vier historische Schleusen, ein grosses Regulierwehr sowie einen Hochwasser-Entlastungsstollen.

Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen im Bereich der Datenverfügbarkeit entschied sich das AWA zudem alle für die Regulierung der Seen benötigten Messstationen mit modernster Technik aufzurüsten. Hohes Augenmerk wurde dabei auf Betriebssicherheit und Redundanzen in der gesamten Applikation gelegt. Dies betraf nicht nur die veraltete Elektrotechnik des Wehres Port Brügg, inklusive der Erneuerung von Energieversorgung, den Umbau aller bestehenden Antriebe, ein Grossteil der Verkabelung sowie die Steuerung und Überwachung der fünf Wehrfelder. Auch die Regulierung und Leittechnik stand auf der Todo-Liste. Dabei mussten nicht nur die Bedürfnisse an die Redundanz, wie der Ausfall eines Gerätes oder der Unterbruch einer Leitung berücksichtigt, sondern auch Kommunikationsstörungen insbesondere Unterbrüche des Internetanschlusses abgefangen werden können.

Wehrwaerter_2Experten von AWA und BKW berechneten Seestandsänderungen, Zu-/Abflussbilanzen, Bodensättigung und Durchflussvorgabe. Aufgrund der daraus resultierenden Anforderungen zum Unterliegerschutz und zur Wasserhaushaltsregulierung wurde der Aufbau der Leittechnik mit den lokalen sowie den fernen Messstellen definiert. Dadurch werden nun an etwa 50 Messorten zirka 80 Einzelmesswerte wie Wasserstände, Durchflüsse oder Niederschläge erfasst, übertragen, kontrolliert, ausgewertet und dargestellt. Aufgrund einer Risikoanalyse wurde unter anderem ein Konzept für einen Notregler definiert, um die Anlage auch bei Teilausfällen sicher beherrschen zu können. Ausserdem wollte man den Aufwand für Administration und Wartung, Konfigurationen und das Einspielen von Updates verringern. Kostbare Zeit, die besser genutzt werden kann.

An diesem Punkt wurde die BKW Energie AG als technischer Dienstleister betraut. Die BKW-Gruppe plant, baut und betreibt Energieproduktions- und Versorgungsinfra­strukturen für Unternehmen, Private und die öffentliche Hand. Die Dienstleistungen reichen dabei von Bautechnologien über Infrastrukturtechnik bis hin zu digitalen Geschäftsmodellen für erneuerbare Energien sowie klassischen Infrastrukturdienstleistungen. In drei mit­einander korrespondierenden Vorprojekten wurden einzelne Bestandteile der mechanischen und elektrischen Anlagen mit Leittechnik versehen, die Regulierung und der Betrieb mit dem Kraftwerk getestet. Diese Vorprojekte wurden im Februar 2014 erfolgreich abgeschlossen und mit der Umsetzung der kompletten Modernisierung begonnen.

Skalierbare Datenkommunikation – einfach und sicher

Im Zuge der Technologie-Aufrüstung und nach eingehender Prüfung verschiedener Anbieter entschied sich BKW Energie bei der Datenkommunikation für die robusten Lösungen der Westermo Data Communications. „Entscheidend für die Auswahl war unter anderem, dass die Westermo-Produkte unseren hohen Industrie-Standards und Anforderungen wie schnelle Kommunikationsleistungen mit vielen Routingports pro Gerät, hohe MTBF-Zeiten, erweiterter Temperaturbereich bei gleichzeitig sehr niedrigem Stromverbrauch entsprachen. Hinzu kamen die einfache Bedienung und Parametrierung der Hardware über das Betriebssystem WeOS sowie die äusserst effiziente und zeitsparende Update-Verteilung mit der Netzwerk-Managementsoftware WeConfig, welche die zentrale Konfiguration und Verwaltung aller Westermo-Geräte ermöglicht“, bekennt Rénald Marmet, projektverantwortlicher Ingenieur der BKW Energie AG.

Eingerichtet wurden drei Kontrollzentren mit 29 angeschlossenen Unterstationen (Messstellen) und jeweils einem SCADA-Server und redundanter Reglersteuerung. Dazu kommt noch die Leitstelle beim AWA. Diese bilden das Herz des Kontrollnetzwerkes. Acht SCADA-Client’s greifen auf diese Server zu.

Dazu gibt es ein SCADA-Server im Kraftwerk für die BKW-Mitarbeiter. Der Kraftwerk-Teil wird von der BKW-Leitstelle in Mühleberg überwacht.

Mithilfe der Netzwerkkomponenten von Westermo lassen sich sämtliche Daten in Echtzeit zwischen allen beteiligten Standorten übertragen. Im Ernstfall können die Verantwortlichen sofort die geeigneten Massnahmen ergreifen und so den bestmöglichen Schutz vor Hochwasser gewährleisten. Auch Wartungsarbei­ten und Software-Updates können einfach und zeitsparend mit nur wenigen Mausklicks bei allen Westermo-Geräten durchgeführt werden. Insgesamt wurden 30 Industrial Routing Switches vom Typ RFIR-227, 27 VDSL-Router der FDV-Serie, 25 4G-Mobilfunkrouter MRD-455, 35 L210-F2G (Managed Ethernet Switch mit Routing-Funktionalität), 36 L110-F2G (industrielle Layer-2-Ethernet-Switches) und über 80 SFP-Glasfaser-Transceiver mit 100Mbit/s und 1Gbit/s über Multimode-und Singlemode-Faser für Entfernungen von bis zu 80 km verbaut.

Redundanz wird grossgeschrieben

Die drei Kontrollzentren verfügen über jeweils zwei Firewall-Router, um eine Verbindung zu den Providern herzustellen und um die IPsec- sowie OpenVPN-Tunneln entgegenzunehmen oder aufzubauen. Dazu kommen zwei redundante Kontroller (Simatic S7-400) in einer entmilitarisierten Zone (DMZ) und einem WinCC-SCADA-Server im lokalen Netzwerk. Die AWA-Station hat das gleiche Design, nur ohne die Steuerungsfunktionalität.

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BKW achtete darauf, nicht nur Netzwerkredundanzen aufzubauen, sondern auch bei den Internetprovidern redundante Wege einzurichten. Dabei nutzen die VDSL-Router den Dienstleister Swisscom und die 4G-Mobilfunkrouter MRD-455 wurden mit Karten von Sunrise ausgestattet. Das Herzstück des Hauptnetzwerks, also die drei Kontrollzentren und die Leitstelle beim AWA, sind durch IPsec-VPN-Tunnel und GRE miteinander verbunden und bilden über OSPF das Automatisierungsbackbone. Dies bedeutet, dass selbst bei gleichzeitigem Ausfall der Internetverbindung zu einem Provider an einem Standort und zum anderen Providern in einer anderen Station oder der Totalausfall eines Anbieters, eine Kommunikation zwischen allen Zentren und den angeschlossenen Aussenstationen sowie dem Fernzugriff von BKW oder AWA-Technik nach wie vor möglich ist.

Die Servicetechniker können sich durch einen OpenVPN-Tunnel mit den Kontrollzentren verbinden und haben von dort aus Zugang zu allen Messstationen im Netzwerk. Ferner gibt es zwei verschiedene Arten von Messstationen: Die Hochverfügbarkeitssta­tion besteht aus zwei völlig getrennten Netzwerken. Jede SPS befindet sich hinter einem Lynx 210, der als Firewall dient und über einen OpenVPN-Tunnel die Verbindung zur Leitstelle aufbaut. Der redundante Internet-Zugang geschieht entweder über den VDSL-Router FDV, der mit Swisscom verbunden ist, oder über den MRD-455 mit Sunrise als Anbieter. Die Standardstation verfügt lediglich über eine SPS mit einem Lynx 210 als Firewall-Router, der parallel über die beiden Internetroutern die VPN-Tunnels aufbaut.

Nicht nur Redundanzen, sondern auch IT-Security gehört zum Anforderungskatalog, um die hohe Verfügbarkeit gewährleisten zu können. Die von BKW und Westermo realisierte Netzwerklösung berücksichtigt die Sicherheitsaspekte nach den aktuellen Empfehlungen der BDEW-Whitepaper und der IEC-62443. Dabei bilden die Aussenstationen nicht nur eine eigene Zone, sondern sind wo notwendig in weitere Bereiche segmentiert. Auch das Netzwerk für die SCADA-Server in den Kontrollzentren ist über zwei VRRP-Routern vom Backbone entkoppelt.

Bestmöglicher Hochwasserschutz

Das Projekt verfügt nun über eine der modernsten Datenkommunikationsapplikationen der Schweiz. Warum dies dem AWA so wichtig ist, fasst Dr. Wehren wie folgt zusammen: „Da die Verfügbarkeit der benötigten Messwerte je nach meteorologischer bzw. hydrologischer Lage von höchster Wichtigkeit sein kann und sich der Zugang zu den Messstationen in den weitläufigen Regionen des Kantons generell sehr zeitaufwändig gestaltet, sind Geräteausfälle oder Unterbruchszeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Insbesondere deshalb, weil der Schutz vor Hochwasser jederzeit gewährleistet sein muss. Es ist daher äusserst wichtig, dass alle Komponenten unserer Anlagen höchsten Standards entsprechen, extreme Zuverlässigkeit bieten und auch für neu auftretende Anforderungen ausbaufähig sind.“

Wehrwaerter_4Auch Dienstleister BKW Energie kann sich nun auf moderne Technologie verlassen und ihrem Auftrag effizient nachgehen. „Alles in allem konnten wir Prozessabläufe vereinfachen, sie über VPN-Verbindungen sicher, redundant und auch transparenter für die Engineering-Abteilung machen. Das trägt entscheidend zur einfachen, sicheren und effizienten Wartung des Systems bei“, unterstreicht BKW-Ingenieur Marmet. „Dank der intensiven Zusammenarbeit mit den Netzwerk-Ingenieuren von Westermo konnte zeitgerecht eine ideale Lösung erarbeitet werden, die alle Anforderungen erfüllt. Westermos verlässliche Kommunikationstechnologien geben der AWA und BKW die Gelegenheit, unsere individuellen Datenkommunikationslösungen für kritische Industrieanwendungen aufzubauen und gleichzeitig über skalierbare, zukunftssichere Applikationen zu verfügen. Dies bietet allen Beteiligten zudem ein hohes Mass an Investitionssicherheit“, so BKW-Leittechnikspezialist Marmet.

* Ernst Lehmhofer ist freier Journalist und schreibt für verschiedene Automations-Fachzeitschriften in Deutschland, Österreich und der Schweiz.

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