Belden: Flexible Kommunikation – Wireless-Lösungen für anspruchsvollste Umgebungen

Offshore-Windparks sind nichts Neues: Die erste Anlage wurde 1991 vor der Küste Dänemarks gebaut. Aber Größe und Zahl der Turbinen wachsen ständig – und die Entfernung zur Küste ebenfalls. Das führt zu immer neuen Problemen bei der mobilen Kommunikation des Personals, das für Betrieb und Wartung der Windparks verantwortlich ist.

Riesige Fortschritte werden durch die ständig zunehmende Produktivität und Zuverlässigkeit dieser Offshore-Turbinen erzielt. Eine übliche Möglichkeit, wie Original Equipment Manufacturer (OEMs) ebenso zuverlässig eine Verfügbarkeit von über 95 Prozent garantieren können, ist der Einsatz modernster Überwachungssysteme wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) und Prozessleitsystemen (DCS). Damit kann so gut wie jedes Bauteil einer Windkraftanlage in Echtzeit überwacht und vorher gesagt werden, wann und wie es ausfallen könnte. Diese Kommunikationssysteme müssen zuverlässig und robust sein – deshalb liefert die Belden-Marke Hirschmann schon seit Jahren Komponenten für das managed und unmanaged Netzwerk. Die Netzwerk-Switches für den industriellen Einsatz sind für die Extrembedingungen an solchen Turbinen ausgelegt. Sie bieten eine Vielzahl von Verbindungsmöglichkeiten und sind damit für praktisch jede Netzwerktopologie geeignet.

Anlagen mit 5 MW und darüber hinaus sind nichts Ungewöhnliches mehr. Vor diesem Hintergrund ist es entscheidend, dass die Anlagen im 24/7-Betrieb Energie produzieren. Damit wird auch die Rolle der Betriebs- und Wartungsteams (O&M) dieser riesigen Off-shore-Windparks immer wichtiger. Denn sobald die Installations- und Inbetriebnahmephase abgeschlossen ist, werden Betrieb und Wartung zur einzigen kontrollierbaren Kostengröße. Sie machen 15 bis 25 Prozent ^{1, 2} der Betriebskosten eines Windparks aus – was auch erklärt, warum hier der entscheidende Ansatzpunkt für Kostensenkungen liegt. Produktivitätseinbußen darf es dabei nicht geben.

Die meisten Windkraftanlagen sind mit einem Ethernet-Netzwerk verbunden, das ein zentrales Management der Windparks ermöglicht. Allerdings haben die O&M-Servicetechniker aufgrund von Sicherheits- und anderen Prozessen in der Regel keinen Zugriff darauf. Häufig ist mit steigender Entfernung zur Küste gar kein oder nur ein schwaches 3G/4G-GSM-Signal vorhanden. Auch die Sendereichweite für Handfunkgeräte (Walkie-Talkies) ist oft problematisch, da nur Sprache übertragen werden kann. Andere Lösungen wie Tetra, WiMax und Satellitentelefone sind teuer. Welche Alternativen gibt es also?

Belden Solutions hat viele Beteiligte befragt, die für Lieferung, Betrieb und Wartung von Windkraftanlagen und Windparks zuständig sind. Anhand dieser Informationen hat Belden eine Reihe von Wireless-Lösungen auf Basis von Ethernet-Standardtechnologie entwickelt. Diese Lösungen können nahtlos in bestehende Netzwerke eingebunden werden und nutzen die gleichen Belden-Kom-ponenten für industrielle Anwendungen, die bereits erfolgreich in den SCADA- und DCS-Umgebungen vorhandener Windpark-Netzwerke eingesetzt werden. Sie ermöglichen nicht nur eine effiziente Datenkommunikation, sondern auch eine höchst zuverlässige Sprach- und Videoübertragung auf standardbasierten drahtlosen Endgeräten.

Belden hat die drei wichtigsten Kommunikationsszenarien für O&M-Personal in Windparks ermittelt:

• Kommunikation während der Installation und Inbetriebnahme von Windkraftanlagen, wenn wenig oder keine Infrastruktur vorhanden ist (mobile WLAN-Standardlösung)

• Kommunikation auf der komplett montierten und installierten Anlage

• Kommunikation zwischen mehreren Windkraftanlagen, wenn Mitarbeiter bei der Wiederherstellung des Normalbetriebs nach Ausfällen drahtlos miteinander kommunizieren müssen oder eine größere Reichweite erforderlich ist, beispielsweise auf Schiffen und anderen Fahrzeugen innerhalb des Windparks

Kosteneinsparungen im Wartungsprozess durch WLAN-Lösungen:

• Zeitersparnis bei Wartungsarbeiten, insbesondere bei der reaktiven Wartung, durch bessere Kommunikationsmöglichkeiten der Mitarbeiter mit den Kollegen am technischen Helpdesk oder Projektleitern an praktisch jedem Standort der Welt in der Umgebung von Windkraftanlagen

• Bestellungen von Teilen und vorbereitende Arbeiten können gebündelt werden, da Echtzeit-Kommunikation eine bessere Planung ermöglicht

• Software für das Workflow-Management (z.B. auf ERP/SAP-Basis) zur Erhöhung der Arbeitseffizienz

• Online-Zugriff auf Services, Mitarbeiter und Daten zur sofortigen Lösung von Problemen mittels Sprach-, Video- und Datenübertragung

• Höhere Transparenz für Projekte, Mitarbeiter und Aufgaben

• Bessere Ressourcenplanung, da Probleme/Fragen schneller erkannt und besser gelöst werden können

Kostensenkungen beim vorhandenen Kommunikationssystem

Windparkbetreiber verzeichnen derzeit erhebliche Kommunikationskosten, insbesondere bei Offshore-Anlagen. Ein Wi-Fi Zugang ohne Kapazitätsbegrenzung kann hohe Einsparungen gegenüber der aktuellen Situation erzielen:

• Senkung der monatlichen Gesamtkosten für Satellitentelefone, Funkgeräte und Tetra-Mobilfunkgeräte. Sobald Wi-Fi in der Umgebung von Windkraftanlagen oder zwischen Windkraftanlagen und Schiffen eingesetzt wird, lassen sich die bisherigen Kosten deutlich reduzieren

• Erheblich niedrigere Kosten für Sprach- und Datenübertragung

• Keine nutzungsabhängige Abrechnung mehr (pro Min. oder MB)

• Geringerer Bedarf an zusätzlichen Kommunikationsinfrastrukturen (z.B. WiMax oder Tetra in der Betriebs- und Wartungsphase)

Vorteile im Bereich Arbeitssicherheit

Die Möglichkeit zur Sprach-, Daten- und Videoübertragung innerhalb der Anlage kann zu erheblichen Verbesserungen bei Gesundheit und Sicherheit führen:

• Schnellere Reaktion bei Verletzten vor Ort: Kontakt zum Arzt oder zur medizinischen Einrichtung per Video-/Sprach-übertragung

• Niedrigeres Unfallrisiko, da per Video die externe Genehmigung zur Fortsetzung der Arbeiten eingeholt werden kann

• Zusätzliche Möglichkeit zur Ortung (location tracking) von Mitarbeitern und Ressourcen, sobald die Wireless-Infrastruktur installiert ist

• Potenziell niedrigere Versicherungskosten als direktes Ergebnis einer verbesserten Sicherheit

Kritische Punkte bei der WLAN-Integration in künftige und vorhandene Netzwerke innerhalb von Windparks

Wie bereits erwähnt kann es sehr schwierig sein, die Verbindung zu vorhandenen Netzwerken herzustellen. Entscheidend ist, dass Standards implementiert sind, damit die Überwachung der Datenübertragung nicht beeinträchtigt wird. Das gilt insbesondere für neue Anwender, die durch die WLAN-Bereitstellung hinzukommen.

Die jüngst vorgestellte OpenBAT-Familie von Hirschmann sorgt dafür, dass es keine Kompromisse bei der Sicherheit des vorhandenen Netzwerks gibt: Sie unterstützt mit ihren WLAN-Access-Points und -Clients alle Verschlüsselungs- und Authentifizierungsverfahren nach IEEE 802.11i und 802.1x/EAP sowie WEP, WPA, WPA2, TKIP, AES und LEPS. Zusätzlich sind WLAN-Port- und Protokollfilter, ein Radius-Server und eine Firewall mit Intrusion Detection vorhanden. Über Background Scanning und WLANmonitor steht zusätzlich Rogue AP Detection zur Verfügung.

Wegen der hohen Sicherheitsstandards für die Authentifizierung ist kein Zugriff auf SCADA-Systeme möglich, obwohl das WLAN dasselbe physikalische Netzwerk verwendet. Das sorgt für eine echte Trennung der jeweiligen Daten, denn der Internet-Zugriff ist nur wie von den Sicherheits- und Konfigurationsrichtlinien definiert möglich. Diese Standardfunktion wird durch ein virtuelles Netz (VLAN) über einen Gateway- oder ähnlichen Server realisiert. Bei einem Zugriff entscheidet das Client-Gerät, ob über den eigenen VPN-Client eine Verbindung zu einem anderen Netzwerk hergestellt wird. Dadurch wird der Betreiber des SCADA-Netzwerks von sämtlichen Entscheidungen über Zugriffe entlastet.

Die OpenBAT-Familie besteht aus den Serien BAT-R (IP30) und BAT-F (IP67). Sie unterstützt den Übertragungsstandard IEEE 802.11n, der sowohl 5-GHz- als auch 2,4-GHz-Band Datenraten von bis zu 450 MBit/s ermöglicht. Beide Serien basieren auf einer komplett neuen Hardware. Außerdem haben sie ein leistungsstarkes HiLCOS-Betriebssystem mit umfangreichen Management-, Sicherheits- und Quality of Service-Funktionen sowie Layer-3-IP-Routing. Die Anzahl der Funkmodule und Ethernet-LAN-Ports sowie die Spannungsversorgung ist individuell wählbar. Dadurch lassen sich mit ihnen innerhalb der Windkraftanlagen und in deren Umgebung schnelle und stabile Infrastruktur- und Meshed-Netz-werke und auch Wireless Distribution-Systeme (WDS) oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisieren. Beispiele hierfür sind die Verbindungen zwischen Umspannwerken und Transition Pieces, deren HVDC-Terminierung durchgeführt wird, bevor die einzelnen Anlagen aufgebaut werden.

Der zentrale Baustein dieser neuen Hardware ist ein patentiertes, speziell für Applikationen im industriellen Umfeld konzipiertes Funkmodul mit integriertem Schutz vor elektrischen Entladungen (ESD) und Bandpass-Filtern. Bandpass-Filter eliminieren alle Interferenzen, die durch vorhandene andere Funksignale verursacht werden. Die daraus resultierende Clear Space^® Wireless Technologie sorgt über größere Entfernungen für eine höhere Übertragungsstabilität ohne Unterbrechungen. MiMo-Technologie (Multiple Input Multiple Output) garantiert selbst bei Störeinflüssen wie Reflexionen eine stabile Funkverbindung.

Die CPU-Plattform ermöglicht eine LAN-Verbindung via Gigabit Ethernet. Zudem haben die Access-Points und -Clients potenzialfreie Kontakte sowie eine V.24- und eine USB-Schnittstelle. Über diese Schnittstellen lassen sich analoge oder DSL-Modems für WAN-Routing bzw. Fernwartung anschließen. Der Temperaturbereich beträgt bei allen Ausführungen -40° C bis +70° C. Sie erfüllen außerdem extreme Anforderungen an Schock- und Vibrationsfestigkeit und sind damit für die meisten Umgebungen geeignet

– insbesondere aber für Offshore-Windkraftanlagen.

Die Access-Points und -Clients können auf Wunsch mit einem oder zwei Funkmodulen ausgestattet werden. Damit ist es möglich, auf demselben Gerät eine lokale 2,4-GHz-Verbindung und eine 5-GHz-Backhaul-Verbindung für größere Distanzen zu unterhalten, beispielsweise für eine lokale Verbindung in einer Anlage und die Verbindung zu anderen Anlagen bzw. zu Umspannwerken. Auch bei den LAN-Anschlüssen lassen sich Ausführungen mit einem oder zwei Ports konfigurieren. Außerdem können diese Ports für Twisted Pair-Kabel oder SFP-Transceiver ausgelegt werden. Für die Spannungsversorgung stehen wahlweise redundante Netzteile für 24/48 VDC, 60/120/250 VDC oder 110/230 VAC sowie Power over Ethernet (802.3af ) zur Verfügung.

Mit dem Betriebssystem HiLCOS können alle Ausführungen der OpenBAT-Familie entweder über Web Interface, Telnet, TFTP, FTP oder SNMP V2 gemanagt werden. Die Quality of Service-Funkti-onen gemäß IEEE 802.11e ermöglichen unter anderem eine Priorisierung für Voice- oder Video-Streams. Über einen integrierten IP-Router können bis zu acht Sub-Netze gebildet werden.

Die Geräte der BAT-R-Serie haben ein stabiles Metallgehäuse und sind für die Montage auf DIN-Schienen konzipiert. Die Ausführungen der BAT-F-Serie wurden für die Anwendung im Freien entwickelt. Durch die Auslegung nach Nema 4X/IP67 und die vibrationsfesten M12-Steckverbinder sind sie hervorragend für eine Montage im Außenbereich der Anlage geeignet. Auch sie haben ein stabiles und zusätzlich salznebelresistentes Metallgehäuse.

Das Lösungsangebot von Belden umfasst alle erforderlichen Komponenten, die vorkonfiguriert und in Schaltschränken eingebaut werden können, und zwar komplett mit Verkabelung, Steckverbindungen und den passenden Netzteilen. So ist eine individuelle Anpassung an alle Anforderungen möglich. Durch die Einbindung der WLAN-Technologie sind künftigen Einsatzmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt, denn die verfügbaren Kommunikationsoptionen nutzen ausnahmslos die standardbasierte Ethernet-Technologie.

Quellennachweis

1. http://www.wind-energy-the-facts.org/en/part-3-economics-of-wind-power/ chapter-1-cost-of-onland-wind-power/operation-and-maintenance-costs-of- wind-generated-power.html

2. E-ON zu Klima und erneuerbare Energien (ECR), März 2011; „An overview of our business activities“ (Überblick über Geschäftsaktivitäten), Fundstelle: http:// www.eon.com/de/downloads/ECR_Company_Profile_March_2011.pdf