Simultanübersetzer für die Datenkommunikation

10.05.2021 – Im intelligenten Stromnetz ist eine Datenkommunikation über die Grenzen unterschiedlicher Steuerungssysteme hinaus notwendig. HMS hat dafür ein Gateway entwickelt, das zwischen den Protokollen vermittelt und die Daten­weiterleitung übernimmt.

Das intelligente Stromnetz ist in der Theorie ganz einfach zu beschreiben: Erzeugung und Verbrauch werden anhand von Echtzeitdaten permanent überwacht und mittels geeigneter Automatisierungssysteme im Bedarfsfall aufeinander abgestimmt. Doch in der Praxis zeigt sich, dass sich die vorhandenen Regelungssysteme oft schlicht nicht verstehen: „Das betrifft sowohl die Erzeuger- als auch die Verbraucherseite, zwei Bereiche, die sehr unterschiedliche Kommunikations-Standards verwenden. So werden im Netzbetrieb Protokolle wie IEC 61850 oder IEC 60870 genutzt, während die industrielle Automatisierung auf Protokolle wie Profinet oder Ethernet/IP setzt“, erläutert Thomas Waggershauser vom HMS Technology Center Ravensburg.

Stromnetz 5G Gateway HMS picture alliance Stephan Schulu
Die SG-gateways ermöglichen die direkte Kommunikation zwischen allen Ebenen und Akteuren des Energiesystems. Fotos: picture alliance dpa dpa-Zentralbild | Stephan Schulz; HMS Industrial Networks GmbH

Stromerzeugung und -verteilung

Der Begriff „Industrielle Automatisierung“ betrifft durchaus auch die Stromerzeugung, erläutert der Fachmann für Datenkommunikation, denn die in Kraftwerken eingesetzten Technologien und Konzepte unterscheiden sich nicht von vergleichbaren industriellen Anlagen: Steigt der Strombedarf, werden dort über Aktoren wie Pumpen, Ventile oder ähnliches mehr Dampf oder Wasser freigegeben, Turbinenleitschaufeln geregelt und die ganze Kraftwerksperipherie angepasst. „Das übernehmen Automatisierungssysteme mit in der Industrie üblichen Bussystemen wie EtherNet/IP oder PROFINET“, sagt Thomas Waggershauser. Diese kommen auch oft in den großen Anlagen bei der dezentralen Stromerzeugung zum Einsatz und übernehmen den prozesstechnischen Ablauf, beispielsweise die Panelnachführung bei Photovoltaik, die Ansteuerung von Aktoren für die Rotorblattverstellung (Pitch-Control) oder Sicherheitsfunktionen wie Notaus bei Windkraftanlagen.

In den Energieverteilsystemen sind die Anforderungen dagegen grundlegend anders und die Kommunikation mit der Leitwarte wird über eigene Protokolle und aufgrund der Sicherheitsanforderungen auch über eigene Datenleitungen realisiert. „Schnittstelle zwischen den Welten ist auch heute noch vielerorts eine telefonische Abstimmung, um die beiden Bereiche miteinander zu koordinieren“, so Waggershauser.

Er ist überzeugt, dass eine erfolgreiche Energiewende völlig neue Regelansätze erfordert: „Um Abläufe schnell und sicher synchronisieren zu können, muss daher ein einfaches Verfahren den branchenübergreifenden Datenaustausch sicherstellen und es muss sich ohne Vorkenntnisse der jeweils anderen Datenprotokolle leicht einsetzen lassen.“ Mit dieser Zielsetzung hat HMS die Ixxat SG-gateways entwickelt, die speziell für die direkte Kommunikation über unterschiedliche Netzwerke hinweg ausgelegt sind und sich zudem für die Datenanbindung in die Cloud eignen. Das Gerät funktioniert, vereinfacht gesagt, wie ein Übersetzer.

Protokolle: Verständlich übersetzen

„So wie bei der Sprachübersetzung idiomatische Ausdrücke zu beachten sind, gilt es auch in der Automatisierungswelt spezielle, inhärente Eigenschaften der Protokolle zu berücksichtigen“, erläutert Thomas Waggershauser. Überträgt das eine Protokoll nur reine Sensordaten, so verlangt das andere zwingend nach digitalen Signaturen, Zeitstempeln oder einer Sensorkennung inklusive Einbauposition. „Ein maschineller Simultanübersetzer muss dem Rechnung tragen“, so der HMS-Experte weiter. „Die Gateways ergänzen daher die jeweils fehlenden Angaben oder lassen überflüssige Informationen weg. Nur so können die übersetzten Daten in anderen Netzwerken auch sinnvoll und sicher genutzt werden.“ Damit die Gateways schnell einsatzfähig sind, hat HMS verschiedene Ausführungen im Portfolio, bei denen nicht nur die Software, sondern auch die busspezifischen Anschlüsse an die vorgesehenen Protokolle angepasst sind.

Die Prozess- und Energieebene kann der Anwender über eine intuitive graphische Programmierung miteinander verknüpfen, tiefere Kenntnisse des jeweils anderen Kommunikationsprotokolls sind laut Thomas Waggershauser nicht nötig. Zudem kann festgelegt werden, welche Daten überhaupt die Grenze überschreiten und übersetzt werden, aber auch, in welche Richtung sie übertragen werden dürfen. Schlussendlich können die Daten auch direkt vom Gerät in eine Cloud übertragen werden – wobei hier umfangreiche Datensicherheitsfunktionen wie eine Firewall und verschlüsselter Datenverkehr im Gerät integriert sind, um trotz der Cloudanbindung eine verlässliche Energiekommunikation zu gewährleisten.

„Mit dem Ixxat SG-gateway kann die nötige Abstimmungsarbeit für ein Smart Grid jetzt automatisiert und in viel feinere Bereiche unterteilt werden“, führt Thomas Waggershauser aus. Je nach Anlagenkonzept sei damit ein Datenaustausch bis hinunter zum einzelnen IED, Sensor oder Aktor möglich, wodurch die Reaktionszeiten verkürzt und die Netzqualitiät bei weniger Arbeitsaufwand und Kosten verbessert werden könne.

Potenziale für Netz und Vertrieb

Eine Just-in-time-Abstimmung von Energieerzeugung und -verbrauch eröffnet auch für die Anbindung von Großkunden an die Verteilnetze neue Möglichkeiten. Die Strompreise orientieren sich hier oft an den Leistungsspitzen, die bereitgestellt werden müssen, sowie an den abgerufenen Strommengen. Gleichzeitig wird das Netz durch die schwankenden Lastspitzen sowohl von den regenerativen Energielieferanten (Wind, Sonne etc.) als auch den Verbrauchern belastet.

Thomas Waggershauser sieht speziell auf der Ebene der Umspannwerke, die bei größeren Verbrauchern vorgeschaltet werden, erhebliche Potenziale für Netz und Vertrieb: „Die Umspannwerke sind zeitnah über die zur Verfügung stehenden Energiemengen durch die Leitwarte unterrichtet. Wenn man nun über eine direkte Kopplung dieser Daten mit der Produktion das Stromangebot und die Nachfrage fein aufeinander abstimmt, bringt das gleich mehrfachen Nutzen: Die Stabilität des Stromnetzes steigt und gleichzeitig sinken die Kosten für den Abnehmer.“

Stromerzeugungs- und Netzzustandsprognosen mit der Produktion oder anderen Verbrauchern wie etwa Elektroladesäulen zu verzahnen, könne daher für Stromkunden sehr interessant sein, ist der HMS-Fachmann überzeugt. Denn die in der Industrie schon heute üblichen Verfahren, hohe Lasten auf nachfrageschwache Wochenendzeiten zu legen, ließen sich durch den direkten Datenaustausch deutlich verfeinern. Auch eine Rückspeisung beim Abbremsen rotierender Maschinen lässt sich so auf SPS-Ebene mit den Systemen des Stromlieferanten abstimmen.

Wartung und Sicherheit

Ein weiterer interessanter Anwendungsfall der SG-gateways ist das Asset Management. „Netzbetreiber können entfernte Anlagen aus dem eigenen Bestand oder bei Kunden mit unserer Technologie sehr einfach überwachen. Wartungstechniker müssen nicht mehr zyklisch anreisen, um diese zu überprüfen, sondern nur noch im wirklichen Bedarfsfall“, so Thomas Waggershauser. Die dafür notwendigen Daten übersetzt das Gateway aus den Sensoren und Datenströmen, die auch die Leitwarte nutzt. Hinzu kommen rein anlagenspezifische Daten für die Wartung und Sicherheit der Anlage, wie beispielsweise wartungsrelevante Temperatur-, Zugangs- oder Wetterdaten. (pq)

HMS Industrial Networks GmbH
info@hms-networks.de
www.ixxat.com/de/energy

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