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Mit Standardkomponenten einfach umgesetzt

Internetbasierte Datenübertragung zur Pipeline-Überwachung
Mit Standardkomponenten einfach umgesetzt

Sollen prozesstechnische Parameter in einer räumlich ausgedehnten Anlage überwacht werden, sind in der Regel weitläufige Kabelverbindungen notwendig. Wie das Beispiel einer Pipeline zeigt, lassen sich derartige Daten ebenfalls mit Standardkomponenten über das Internet sicher und schnell übertragen. Krohne Messtechnik und Phoenix Contact haben gemeinsam eine entsprechende Lösung entwickelt.

Zu den wichtigsten physikalischen Parametern bei der Überwachung einer Pipeline gehören der Druck, die Temperatur sowie der Durchfluss des durch die Rohrleitung transportierten Mediums. Diese Daten müssen permanent in Sensorstationen erfasst werden, die entlang der Pipeline installiert sind. Für ein Pilotprojekt in Taiwan haben Krohne Messtechnik und Phoenix Contact eine Lösung erarbeitet, um diesen Vorgang effizienter zu gestalten. Die im Norden von Taiwan befindliche Pipeline befördert gebrauchsfertige Treibstoffe – wie Benzin und Diesel – zwischen zwei Tanklagern. Um in Zeiten des weltweit propagierten Umweltschutzes mögliche Leckagen schnell zu detektieren, hat sich der Anwender zur Errichtung einer Überwachungsanlage entschieden. Ein weiterer Grund liegt in der Unterbindung von unbefugten Zugriffen auf den über die Pipeline transportierten Treibstoff. Insbesondere bei einem so attraktiven Medium kommt es international häufig zu Diebstählen, die gut geplant sind und langfristig durchgeführt werden. Beispielsweise wird über ein illegal an der Pipeline angebrachtes Ventil dauerhaft Treibstoff abgezweigt, was neben dem Pipeline-Betreiber auch die Umwelt nachhaltig schädigt.

Transiente Zustände berücksichtigen

Für den geschilderten Anwendungsbereich haben die Öl- und Gasexperten von Krohne Messtechnik über viele Jahre eine zuverlässige Überwachungslösung entwickelt. Diese ist integraler Bestandteil der Software Pipepatrol, die auf einem Server in der Leitwarte des Anwenders läuft. Das Konzept berücksichtigt dabei die besonderen Verhältnisse bei der Weiterleitung von Treibstoffen, zum Beispiel die Druckwellenausbreitung bei Schaltvorgängen an der Pipeline sowie das spezielle physikalische Verhalten der großen in ihr beförderten Mengen.

In solchen Anwendungsbereichen reicht ein Drucksensor mit fix definiertem Schaltpunkt nicht aus. Wegen der weiten räumlichen Ausdehnung einer Pipeline müssen transiente Zustände in die Überwachung einbezogen werden. Darunter fallen das Befüllen und Anfahren des Förderbetriebs, die ebenso zu kontrollieren sind wie das Entleeren und Anhalten. Hier nutzt Krohne Messtechnik das komplexe physikalische Real Time Transient Model (RTTM). In früheren Projekten konnten die entlang der Pipeline verbauten Sensoren direkt an den Pipepatrol-Server angebunden werden. Im Fall des taiwanesischen Anwenders war eine leitungsbasierte Ankopplung jedoch nicht möglich, weshalb sich die Beteiligten für die Fernübertragung der Daten ausgesprochen haben. Aufgrund der langjährigen Partnerschaft hat sich Krohne daher an Phoenix Contact gewandt, um gemeinsam eine passende Kommunikationslösung für diese Applikation zu erarbeiten.

Zeitstempel im Millisekunden-Bereich

Beim taiwanesischen Projekt standen zwei Anforderungen im Vordergrund. Zum einen sollte der übermittelte Messwert über einen präzisen Zeitstempel im Millisekunden-Bereich verfügen. Darüber hinaus waren zwei Systeme – nämlich die im Feld installierte Steuerung und der Server – zugriffssicher über das Internet miteinander zu verbinden. Die Systemzeit einer Kleinsteuerung umfasst standardmäßig nur Stunde, Minute und Sekunden. Der Millisekunden-Bereich ist also nicht vorgesehen, lässt sich allerdings durch Verwendung von zyklischen Tasks im Rahmen eines Applikationsprogramms erzeugen. Da alle Stationen zeitlich synchronisiert werden müssen, erweist sich die Ankopplung an ein auf einer Atomuhr basierendes System als unumgänglich. Das entsprechende Network Time Protocol (NTP) ist für jeden User im Internet frei erhältlich.

Jedoch haben Laufzeiten durch das Internet für das Abholen dieser Zeit Einfluss auf die Genauigkeit, sodass der Einsatz eines NTP-Serverdienstes in Kombination mit der eigenen Hardware die präzisere Lösung darstellt. Dieser Ansatz kompensiert die Laufzeiten durch das Internet und eliminiert Fehler. Der Security Router mGuard RS 2000 von Phoenix Contact bietet beispielsweise den NTP-Serverdienst. Gleichzeitig stellt das Gerät die Ethernet-Verbindung mit dem Server via Internet über einen gesicherten VPN-Tunnel (Virtual Private Network) her. Der VPN-Tunnel ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen der Steuerung und dem Pipecontrol-Server, als wären beide per Ethernet-Kabel verbunden. Der Tunnel wird dabei zwischen zwei mGuard-Routern aufgebaut, die für eine zugriffssichere Übertragung sorgen. Steuerung und Server tauschen ihre Daten über Modbus TCP aus, weshalb eine Ethernet-Verbindung als Kommunikationsmedium benötigt wird. Die im Feld befindliche SPS agiert hier als Modbus-Server. Der Pipepatrol-Server holt sich somit die Messwerte ab, die die Steuerung jederzeit aktuell mit einem Zeitstempel liefert.

Modular erweiterbare SPS

Bei der genutzten SPS handelt es sich um eine modulare Kleinsteuerung aus der Inline-Produktfamilie von Phoenix Contact, die mit einer Vielzahl von I/O-Modulen kombiniert werden kann. Die jeweiligen Kommunikationsmodule dienen der Integration der Steuerung in die verschiedenen Feldbussysteme. Eine Datenübertragung via VPN-Tunnel durch das Internet beeinflusst die Auswahl der SPS nicht. Sie lässt sich mit jeder Ethernet-fähigen Steuerung realisieren. SPS und die im Feld verbauten Sensoren sind klassisch über ein 4…20 mA-Signal verbunden, das an ein analoges Eingangsmodul der Steuerungsbaugruppe angeschlossen wird.

Die beim taiwanesischen Anwender verwendeten Feldsensoren befinden sich in einer explosionsgefährdeten Zone, was ihre Ankopplung über einen Trennverstärker mit Atex-Zulassung bedingt. Die Trennverstärker verfügen zusätzlich über einen Signalsplitter, sodass sich die 4…20-mA-Signale an ein sekundäres System des Anwenders weiterleiten lassen. So können die vorhandenen Sensoren ihre ursprünglich angedachte Überwachungsfunktion wahrnehmen. Günstigenfalls muss der Anwender also keine weiteren Sensoren installieren.

Flexible Installation vor Ort

In der ersten Projektphase besteht die genannte Applikation aus vier entlang der Pipeline verbauten Feldeinheiten. Die vierte Einheit liegt bereits auf dem Gelände des Tanklagers, auf dem auch die Leitwarte mit dem Pipepatrol-Server angesiedelt ist. In den nächsten Schritten wird die Überwachung auf die restlichen Pipelines ausgeweitet. Die Konfiguration der Feldeinheiten erfolgt über ein Webinterface, weshalb kein Display notwendig ist, das unter Umständen lediglich zur Inbetriebnahme dient. Das Webinterface lässt sich auf jedem Notebook mit einem Standard-Webbrowser öffnen. Der Webserver läuft dabei auf der Steuerung.

Um die Installation vor Ort flexibel und schnell durchführen zu können, wurden die Feldeinheiten als verdrahtete Montageplatten angeliefert. Jede Einheit ist vollständig dokumentiert und kann jederzeit kurzfristig reproduziert werden. So hat der Anwender die Möglichkeit, die Anlage einfach zu erweitern oder die Feldeinheit zur Erfassung zusätzlicher Messgrößen zu nutzen. Bei der Lösung als verdrahtete Montageplatte handelt es sich um einen weiteren Baustein, der dem Anwender eine Technologie durch Modularität verständlich und folglich einfacher anwendbar macht. Außerdem setzt der Ansatz das Ziel des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 um. Entsprechende Lösungen werden von Phoenix Contact speziell für jeden industriellen Bereich entwickelt. Eine Tochtergesellschaft der Gruppe überführt das Konzept dann in komplette Funktionseinheiten wie verdrahtete Montageplatten oder komplett bestückte Schaltschränke.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0618phoenix

Halle 11.1, Stand A27


Mit DPI und NAT:   Security Im Ex-Bereich

In der Prozesstechnik wird das Thema Security immer wichtiger. Der Security Router mGuard trägt diesem Trend Rechnung. Er erfüllt sowohl die Ansprüche der Prozessindustrie an die Hardware als auch die hohen IT-Anforderungen für Security-Produkte. Hardwareseitig sind das u. a. der erweiterte Temperaturbereich von -40 bis 70 °C sowie die IECEx- und Atex-Zulassungen für den Ex-Bereich.

Auf Seiten der Software wurden neben den bestehenden Security-Funktionen zusätzliche Security-Bausteine für das weit verbreitete Protokoll OPC Classic in die Geräte integriert. Dazu zählen die Funktionen DPI (Deep Package Inspection) und NAT (Network Address Translation). DPI ermöglicht eine hochwertige OPC Classic Firewall innerhalb der Produktionsstätte, während NAT die schnelle Integration von Anlagen mit gleichen IP-Adressen ohne Adresskonflikte in ein übergeordnetes Fertigungsnetzwerk erlaubt.

Der Security Router mGuard umfasst eine IECEx- und Atex-Zulassung
Bild: Phoenix Contact

Autor: Thilo Glas,

Industry Management Process,
Phoenix Contact Electronics



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