Wasserversorger und Abwasserverbände wie die Gemeinde Malsch im Landkreis Karlsruhe müssen stets den Überblick über ihre Gesamtanlage haben. Um den Betrieb zu gewährleisten, gilt es Messwerte aufzuzeichnen und Anlagenzustände stets aktuell anzuzeigen. Zudem sind die Betreiber von Abwasseranlagen gefordert, Betriebsdaten als Nachweis über die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen bei der Einleitung von Ab wässern in Gewässer sicher zu dokumentieren.

Im Detail werden hierzu Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresberichte benötigt, aus deren Daten sich auch Wartungspläne für einen möglichst störungsfreien Betrieb erstellen lassen. Falls trotzdem einmal eine Störungsbehebung erforderlich ist, ist es ebenso wichtig, schnell und effizient reagieren zu können. Der Wasser- und Abwasserverband Malsch sah sich mit der Herausforderung konfrontiert, Messdaten und Systeminformationen aus schwer zugänglichen Bereichen abseits jeglichen Kabelanschlusses aufzunehmen und an zentrale Punkte zu übertragen.

Prozesssteuerung, Interaktion und Kommunikation – die multifunktionale SPS bildet das Herzstück der GPRS-Verbindungen.

© Panasonic

Da es fast immer zu kostspielig und zu aufwendig ist, ein Fernmeldekabel zu legen, suchten die Verantwortlichen nach anderen Möglichkeiten. Fündig wurden sie in der Technologie der drahtlosen Kommunikation. In Zusammenarbeit mit den Firmen Schmid Schaltanlagen aus Hüfingen und dem Prozessleitsystemlieferanten IST aus der Schweiz wurden Pumpwerke, Brunnen und Hochbehälter der Trinkwasserversorgung mit neuester Fernwirktechnik ausgerüstet.

Die Vorgabe an die Planer lautete: Etwa 40 geographisch verteilte Stationen kostengünstig zu automatisieren und die gesammelten Daten der einzelnen Anlagen mit möglichst geringem Aufwand in Betrieb zu nehmen, in eine Zentrale zu übertragen und zu visualisieren. Soweit vorhanden, fanden bestehende private Standleitungen für die Datenübertragung Verwendung. Andere Anlagenteile wurden mit Richtfunktechnik (Zeitschlitztechnik) gekoppelt, da diese nicht mit den öffentlichen Funktechniken und Datenkabeln erreichbar waren. Für neue Stationen, defekte Kommunikationsstrecken und nicht mehr nutzbare Mietstandleitungen bestehender Anlagen (nach Abkündigung der analogen Standard-Festverbindungen, kurz aSFV) fiel die Wahl auf die GPRS-Technik.

Eine Steuerung - viele Kommunikationslösungen

In der Zentrale der Gemeinde fungiert eine SPS von Panasonic Electric Works als Fernwirkkopf. Dieser hat die Aufgabe, die Informationen aus den verschiedenen Übertragungswegen zu sammeln und in einem gemeinsamen Datenkanal über das Standardprotokoll IEC 60870-5 an das Prozessleitsystem (PLS) weiterzuleiten. Dort werden die Anlagenzustände in einer Datenbank gespeichert und in Stationsbildern dargestellt.

Damit jede Meldung in der Anlage mit exaktem Zeitstempel des Auftretens des Ereignisses ermittelt und korrekt angezeigt werden kann, ist ein durchdachtes Konzept erforderlich, das die Informationen verlustfrei von der Station bis zum Leitsystem überträgt. Mit dem Standardprotokoll IEC 60870-5 ist das Prozessleitsystem herstellerunabhängig und offen. Trotz der unterschiedlichsten Übertragungswege im Wasser- und Abwassernetz der Gemeinde wird durch das Zusammenspiel des genormten Fernwirkprotokolls mit dem „kommunikationsfreudigen" Fernwirkkopf eine Einheit geschaffen.

Mit den aktuellen Angeboten der M2M-Tarife (Machine-to-Machine) der Mobilfunkbetreiber fallen die Übertragungskosten bei der GPRS-Kommunikation geringer aus als bei einem einfachen Festnetz-Telefonanschluss für Modembetrieb. Zudem bietet dieser Ansatz enorme Vorteile bei der Datendarstellung im Prozessleitsystem.

Denn es wird nicht, anders als bei den typischen Telefonverbindungen, die Verbindungszeit berechnet, sondern das übertragene Datenvolumen. Somit lässt sich eine dauerhafte Online-Verbindung herstellen, bei der die Anlagenzustände ohne Zeitverzögerung immer aktuell im Prozessleitsystem zur Verfügung stehen. Jede GPRS-basierende Fernwirkstation im Verbund besteht aus einer Panasonic-Steuerung vom Typ FP-Sigma mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen sowie einem GPRS-Modul der Firma Dr. Neuhaus Telekommunikation.

Die SPS führt die komplette Automatisierung durch und erfasst Betriebs- und Störmeldungen sowie Zählimpulse für Durchflussmessungen, Betriebsdrücke und Höhenstände. Die in der Steuerung vollständig gepufferten Daten durchlaufen das GSM/GPRS-Netz und das Internet, bevor sie über einen DSL-Zugang die Zentrale der Gemeinde erreichen. Dort werden sie vom so genannten GPRS-LinkManager empfangen und an den Fernwirkkopf geleitet. Die Konfiguration der GPRS-Module erfolgt automatisch durch die Stations-SPS, womit unter anderem ein Plug&Play-Austausch möglich ist.

Prozessleitsystem vom Internet entkoppelt

Mit dem GPRS-LinkManager steht ein wartungsfreies Kommunikationsmodul zur Verfügung, um Daten durch Verschlüsselung und Passwortschutz sicher empfangen und senden zu können. Die Statusinformationen, Meldungen und Messwerte werden im Fernwirkkopf gepuffert, aufbereitet und an das PLS weitergeleitet. 

Durch die Umsetzung der empfangenen Daten in einen seriellen Datenstrom wird ein wichtiges Sicherheitskriterium erfüllt: Das Prozessleitsystem wird durch den GPRS-LinkManager und den Fernwirkkopf galvanisch komplett vom Internet-Zugang entkoppelt. Bei Bedarf kann der GPRS-LinkManager als Webserver den Anlagenzustand im Internet zur Verfügung stellen und E-Mail-Nachrichten versenden. Mittels Browser lassen sich die Anlagendaten auf einem beliebigen Computer anzeigen. Diese Funktionalitäten liefern die Informationen auch an aktuelle Mobilfunkgeräte - ob Handy mit Webbrowser, Blackberry oder iPhone -, die beim Wartungspersonal zum Einsatz kommen.

Dadurch ist für den Betreiber gewährleistet, dass er sich zusätzlich zum normalen Notfallmanagement über PCs und Notebooks unmittelbar über Unregelmäßigkeiten im Trinkwassersystem informieren lassen kann - zum Beispiel per SMS. Wie am Beispiel des Fernwirknetzes der Gemeinde Malsch gezeigt, lassen sich bestehende Übertragungsstrecken und moderne Kommunikationswege einfach und sicher kombinieren. In der Anlage wurde für jeden Streckenabschnitt der optimale Übertragungsweg gewählt.

Die eingesetzte Funktechnik mit dem GPRS-LinkManager ist kostengünstig sowie einfach und unkompliziert einsetzbar. Zusätzliche Dienstleistungen von Dritten sind nicht erforderlich und die benötigte Hardware beschränkt sich auf ein einzelnes Modul, das an den Fernwirkkopf angeschlossen wird.

Autor: Thomas Rottler ist Manager für Software- Entwicklung Steuerungstechnik bei Panasonic Electric Works Deutschland in Holzkirchen.

GSM, GPRS und EDGE - Die Technik im Detail

Das Global System for Mobile Communications - GSM

Die GSM-Funkkanäle (900 MHz und 1800 MHz Frequenzbänder) sind zusätzlich in acht Zeitschlitze unterteilt, von denen jeder eine Netto-Nutzdatenübertragungsrate von 13 Kilobit pro Sekunde (kBit/s) ermöglicht. Bei einer normalen GSM-Datenübertragung belegt der Anwender während der Gesamtdauer seiner Verbindung einen kompletten Zeitschlitz und macht somit Gebrauch von den gesamten 13 kBit/s. Sind alle GSM-Zeitschlitze der installierten nutzbaren Funkkanäle belegt, können keine weiteren Personen auf die Netzwerkverbindungen zugreifen. Der Anwender muss bei einer GSM-Verbindung für die gesamte Verbindungszeit bezahlen, unabhängig davon, ob er große oder kleine Datenmengen überträgt.

Der General Packet Radio Service - GPRS

Der Dienst GPRS setzt auf die GSM-Technologie auf und wurde speziell für die Datenübertragung im GSM-Netz entwickelt. Hierbei werden die Daten in einzelne Pakete aufgeteilt, wobei jedes dieser Pakete zusätzliche Informationen erhält. Diese übermitteln dem Netzwerk, wie die einzelnen Pakete zusammenhängen und wer die Nachricht empfangen soll. Möglich ist dies durch die IP-Technologie (Internet Protocol), die auch im Internet zum Einsatz kommt und eine Datenübertragung ohne direkte leitungsvermittelte Verbindung zum Empfänger erlaubt. Mit Hilfe des GPRS-Systems lassen sich die Pakete parallel durch verschiedene Kanäle des Netzwerks leiten, was die Nutzung freier Kapazitäten ermöglicht. Die Pakete werden dann beim Empfänger in der richtigen Reihenfolge zu einem Ganzen zusammengefügt.

Theoretisch beträgt die Höchstgeschwindigkeit für GPRS bis zu 171,2 kBit/s, sofern alle acht Zeitschlitze vollständig nutzbar sind. Das wäre etwa dreimal so schnell wie die Datenübertragung über das ISDN-Festnetz. Diese theoretische Geschwindigkeit lässt sich in der Praxis jedoch nicht erreichen und ist in der Fernwirktechnik auch nicht nötig. Realistisch sind derzeit Datenraten von etwa 50 kBit/s in allen vier deutschen Netzen. Die Abrechnung erfolgt bei GPRS nach tatsächlich übertragener Datenmenge.

Enhanced Data for GSM Evolution - EDGE

Für diese Technik ist, ähnlich wie für UMTS, eine Datenrate von 384 kBit/s spezifiziert. EDGE wird parallel zu den UMTS-Netzen ausgebaut und bietet hohe Datenraten auch außerhalb von Ballungszentren. Diese Bandbreite wird erreicht, indem das Modulationsverfahren 8-PSK (8-Phase Shift Keying) die Datenübertragungsrate eines GSM-Kanals auf bis zu 48 kBit/s vergrößert, und wie bei GPRS bis zu acht Kanäle gleichzeitig genutzt werden. Für EDGE sind wie bei HSCSD, GPRS und UMTS neue Endgeräte notwendig, und die Netzbetreiber müssen ihre Infrastruktur anpassen, was aber in Deutschland bereits weit fortgeschritten ist.