42 4 · 2018 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Infrastruktur Inmitten großer Waldgebiete auf der Schwäbischen Alb gelegen, ist Albstadt mit 5715 Hektar der drittgrößte kommunale Waldbesitzer Baden-Württembergs. Die Stadt, die sich auf halbem Weg zwischen Stuttgart und dem Bodensee befindet, umfasst neun Stadtteile mit insgesamt rund 45 500 Einwohnern. Hier wurde unter anderem die Neigungswaage erfunden und so ein Zweig der Feinindustrie begründet. Neben Waagen hat sich der Maschinen- und Werkzeugbau in Albstadt angesiedelt. Einen wichtigen Industriebereich stellen dabei Textilmaschinen und die Textilherstellung dar. Bei den Albstadtwerken handelt es sich um ein eigenständiges Dienstleistungs- und Versorgungsunternehmen mit den Betriebszweigen Strom, Erdgas, Wärme, Wasser und Bäder. Mehr als 160 Mitarbeiter sind für die unterbrechungsfreie Belieferung von etwa 70 000 Industrie- und Privatkunden zuständig. Die Versorgung mit jährlich bis zu 2,2 Mrd. Liter Trinkwasser erfolgt über ein mehr als 960 Kilometer langes Rohrleitungsnetz, das von Albstadt bis nach Flensburg reichen würde. Die Hälfte des Trinkwassers stammt aus eigenen Quellen, während die restliche Menge von den Zweckverbänden Bodenseewasserversorgung und Wasserversorgung Zollernalb zugekauft wird. 14 eigene dezentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erzeugen die Nahwärme. Die gewonnene elektrische Energie fließt in das örtliche Verteilnetz, wohingegen die thermische Energie zum Heizen sowie zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden kann. Zuverlässige Wasserversorgung ohne Verluste Albstadtwerke setzen auf eine funkbasierte Fernwirklösung Benjamin Fiene Die Albstadtwerke beliefern ihre Kunden mit Strom, Erdgas, Wasser und Wärme. Damit die für die Energieversorgung notwendigen Rohrleitungsnetze stets einwandfrei funktionieren, müssen sie kontinuierlich überwacht werden. Eine moderne Fernwirklösung auf Basis des lizenzfreien Funksystems Radioline von Phoenix Contact sorgt deshalb für die zuverlässige Anbindung der weit entfernten und verzweigten Messstationen an die Leitzentrale. © Phoenix Contact 43 4 · 2018 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Infrastruktur Das Rohrleitungsnetz muss kontinuierlich überwacht werden Rohrleitungen zählen zu den wesentlichen Bestandteilen der technischen Infrastruktur. Sie werden für den Transport von flüssigen oder gasförmigen Stoffen benötigt. So verschieden wie die Anwendungsgebiete sind hier auch die Anforderungen an die Sicherheitstechnik und Betriebsdatenerfassung. Leckagen können beispielsweise zu Umweltschäden oder wirtschaftlichen Verlusten führen, weshalb entsprechende Überwachungssysteme erforderlich sind. Zugleich basiert der störungsfreie Betrieb einer Rohrleitung auf der genauen Kenntnis der Betriebsparameter. Die Messstellen, welche die Albstadtwerke für die Leckageüberwachung, zur Erfassung der Temperatur- und Wärmeleistung der Blockheizkraftwerke sowie für die Aufnahme der Wasser- und Wärmemengen aufgebaut haben, verteilen sich über das gesamte Stadtgebiet. „Die Möglichkeiten zur Anbindung der Messstellen an die Leitzentrale in unserem Betriebsgebäude waren begrenzt“, erläutert Thomas Haas, zuständig für die Investitions- und Instandhaltungsplanung bei den Albstadtwerken (Bild 1). „Neue Erdkabel konnten aufgrund des verfügbaren Budgets und der örtlichen Gegebenheiten nicht verlegt werden. Eine Mobilfunklösung kam ebenfalls nicht in Frage, da die Netzhoheit bei den Albstadtwerken liegen muss, um im Störungsfall Einfluss nehmen zu können.“ Außerdem hat der Energieversorger die Anforderungen des IT-Sicherheitsgesetzes für kritische Infrastrukturen (KRITIS) zu erfüllen, was die Auswahl nicht einfacher machte. Private Funknetze erweisen sich als ausfallsicherer Vor diesem Hintergrund sollten die einzelnen Außenstationen per Richtfunk-Verbindung an die Leitzentrale angekoppelt werden. Die Wahl der Verantwortlichen fiel auf das Funksystem Radioline von Phoenix Contact. Der Vorteil der lizenzfreien und providerunabhängigen Lösung besteht darin, dass keine laufenden Kosten anfallen. Darüber hinaus sind private Funknetze im Vergleich zu Mobilfunknetzen nicht überlastet und daher ausfallsicher. Mit dem universellen Funksystem Radioline lassen sich ferner sowohl Sensor- und Aktor- Informationen als auch serielle Daten in räumlich ausgedehnten Anlagen austauschen. Nach der ersten Streckenplanung durch die Mitarbeiter des technischen Supports von Phoenix Contact wurde vor Ort die optimale Position der Funkgeräte und Antennen ermittelt. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass die im Stadtgebiet befindlichen Messstellen durch Bäume und Gebäude verdeckt werden. In derartigen Fällen ermöglicht das modulare Radioline-System den Einsatz unterschiedlicher Funkfrequenzen. Die Wireless-Spezialisten schlugen den Mitarbeitern der Albstadtwerke deshalb einen Test mit im 868-MHz-Frequenzband funkenden Geräten vor. Im Vergleich zum 2,4-GHz-Band zeichnet sich das 868-MHz-Frequenzband durch eine bessere Bild 1: Thomas Haas, zuständig für die Investitions- und Instandhaltungsplanung bei den Albstadtwerken, hat das Radioline- System überzeugt. © Phoenix Contact Bild 2a + 2b: Das große Netzwerk umfasst acht Messstationen, die ihre Daten an die Leitzentrale senden; ein weiteres kleineres Netzwerk befindet sich nördlich in Tailfingen. © Phoenix Contact 44 4 · 2018 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Infrastruktur Durchdringung von Hindernissen aus. Dies resultiert aus dem niedrigeren Frequenzbereich und der erlaubten höheren Sendeleistung. Die Rufbereitschaft wird bei einer Störung automatisch benachrichtigt Wegen der örtlichen Gegebenheiten mussten die Messstellen auf zwei Funknetzwerke verteilt werden. Acht Messstellen sind an den in einem Hochbehälter installierten Funkmaster angebunden worden, zwei weitere Messstellen an einen im Betriebsgebäude der Albstadtwerke verbauten Funkmaster (Bild 2). „Die Ausrichtung der Antennen hat sich aufgrund einer in das Funkmodul integrierten Bargrafanzeige einfach gestaltet“, berichtet Thomas Haas. Neben den beiden Funkmastern ist jeweils eine Inline- Steuerung ILC 191 von Phoenix Contact montiert, die direkt mit der Leitzentrale kommuniziert. Die Funk-Slaves übertragen ihre Messwerte über digitale und analoge I/ O-Erweiterungsmodule an den Funkmaster, wo sie in internen Modbus-Tabellen abgelegt werden. Die Tabellen umfassen zudem Diagnoseinformationen über die Funkstrecke, wie die RS- SI-Empfangsfeldstärke (Receiver Signal Strength Indicator). Auf der Grundlage dieses Werts lässt sich die Empfangsqualität jeder einzelnen Funkstation kontinuierlich aufzeichnen und überwachen. Die Funkmaster sind über eingebaute RS-485-Schnittstellen mit der Steuerung ILC 191 verbunden, welche die Modbus-kodierten Daten abspeichert und an das übergeordnete Leitsystem sendet (Bild 3). In der Leitzentrale befindliche Rechner dokumentieren die Zu- und Abflüsse. Darüber hinaus werten sie die Wasser-, Wärme- und Gasversorgung statistisch aus. Tritt eine Störung in den Unterstationen auf, benachrichtigt das System die Rufbereitschaft. Die Kommunikation ist umfassend vor unbefugten Zugriffen geschützt Die auf Basis der robusten Technologie Trusted Wireless 2.0 funkenden Radioline-Module sind für die Weiterleitung von Daten über große Distanzen entwickelt worden. Neben I/ O-Signalen lassen sich auch serielle Daten übermitteln - und das lizenzfrei, also ohne Folgekosten. Wegen der Mesh-Netzwerkfähigkeit des Radioline-Systems können bis zu 99 Teilnehmer über Repeater-/ Slave-Stationen untereinander kommunizieren. Sobald der Datenaustausch zwischen zwei Stationen unterbrochen ist, wird automatisch ein neuer Übertragungsweg zu einer anderen in der Nähe liegenden Station gesucht. Das stellt eine dauerhafte Kommunikation zwischen den dezentralen Stationen und der Leitzentrale sicher. Bei einer proprietären Technologie wie Trusted Wireless 2.0 ist das Protokoll nicht öffentlich zugänglich, sodass ein grundsätzlich besserer Schutz vor Angriffen besteht. Außerdem hat Phoenix Contact Sicherheitsmechanismen in die Technologie implementiert: Die 128-Bit-AES- Verschlüsselung sorgt dafür, dass theoretisch mitgehörte Datenpakete nicht verstanden werden, während die Integritätsprüfung die Echtheit des Senders kontrolliert und Nachrichten verwirft, die verändert wurden. Das sogenannte Frequenzsprungverfahren (FHSS) erhöht die Robustheit der Übertragung. Aufgrund dieser Mechanismen und der Tatsache, dass das Funksystem über keine Ethernet-Schnittstelle verfügt, somit nur Modbus-kodierte Bild 3: In der Leitzentrale laufen sämtliche Daten zusammen und werden ständig überwacht und protokolliert. © Phoenix Contact Bild 4: Im Ortsnetz befinden sich Messstationen zur Erfassung der Wassermengen. © Phoenix Contact 45 4 · 2018 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Infrastruktur Die Umsetzbarkeit einer Funkstrecke kann mit einer speziellen Software bewertet werden. Dazu liefert das Tool anhand der zur Verfügung gestellten Koordinaten der Unterstationen einen Geländeschnitt mit Höhenprofil. Auf diese Weise lassen sich Hindernisse wie Berge, Hügel, Bäume oder Gebäude erkennen. Außerdem erlaubt die Software die exakte Festlegung der Antennenposition respektive -höhe sowie des Standorts der erforderlichen Repeater-Stationen. Mit diesen Informationen kann der Anwender eine Einschätzung über die Realisierbarkeit der Funkverbindung treffen. SOFTWARE ERLAUBT DIE OPTIMALE POSITIONIERUNG VON ANTENNEN Bild 5: Das modulare Funksystem lässt sich einfach erweitern und individuell anpassen. © Phoenix Contact I/ O-Signale weiterleitet, eignet sich Trusted Wireless 2.0 besonders für den Einsatz bei kritischen Infrastruktur-Anwendungen. Daten können über große Distanzen übertragen werden Die im 2,4-GHzsowie 868-MHz- und 900-MHz-Frequenzband arbeitende Funktechnologie zeichnet sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit sowie durch die Überwindung großer Entfernungen aus. Zu diesem Zweck kann die Datenrate der Funkschnittstelle individuell festgelegt und so die Empfängerempfindlichkeit erhöht werden. Bei einer niedrigen Datenrate lässt sich eine wesentlich größere Reichweite überbrücken als bei einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit. Der Anwender passt die Radioline-Geräte folglich optimal an die jeweilige Applikation an. Trusted Wireless 2.0 überzeugt ferner durch gute Diagnosemöglichkeiten sowie durch Koexistenz zu anderen im gleichen Frequenzband sendenden Systemen. „Durch die Verwendung von Radioline lassen sich nun alle Messwerte kontinuierlich aufzeichnen“, erklärt Thomas Haas abschließend. „So werden Störungen frühzeitig erkannt und Benjamin Fiene Mitarbeiter im Produktmarketing Wireless Phoenix Contact Electronics GmbH Kontakt: info@phoenixcontact.de AUTOR wir können sofort Gegenmaßnahmen ergreifen. Wegen der positiven Erfahrungen mit der Funktechnik und dem guten Service planen wir die Integration weiterer Messstellen in die Funknetzwerke.“ (Bild 4) Mehr Informationen: www.phoenixcontact.de/ wasser WISSEN FÜR DIE STADT VON MORGEN Digitalisierung versus Lebensqualität Big Data | Green Digital Charter | Kritische Infrastrukturen | Privatheit | Sharing-Systeme 1 · 2016 Was macht Städte smart? URBANE SYSTEME IM WANDEL. 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