3SmartX – Intelligente Netzautomatisierung in der Wasserversorgung

Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist lebensnotwendig. Daher haben Wasserversorgungsunternehmen einen besonderen gesellschaftlichen Auftrag – sie müssen für die Qualität des Trinkwassers und die Versorgungssicherheit sorgen. Es wird aber immer aufwendiger, diesen Auftrag zu erfüllen. Zum einen ergeben sich durch den Klimawandel häufiger extreme Klimaereignisse, zum anderen müssen die Wassernetze als Teil der kritischen Infrastruktur vor möglichen Fremdeinwirkungen geschützt werden. Diese neuen Herausforderungen werden konfrontiert mit einem Aspekt, der auch bei den Wasserversorgern immer stärker in den Vordergrund tritt: Effizienz. Wasserversorgungsunternehmen (WVUs) sind mit der Aufgabe konfrontiert, sowohl die Effektivität als auch die Effizienz permanent zu steigern. Effektivitätssteigerung in Wasserversorgungsnetzen bedeutet gesteigerte Versorgungssicherheit/-qualität bei mindestens gleichbleibenden Kosten. Effizienzsteigerung bedeutet Kostenreduktion bei mindestens gleichbleibender Versorgungssicherheit/-qualität.

Im Verbundprojekt „Intelligente Netzautomatisierung in der Wasserversorgung (3SmartX)“ werden neue Konzepte und technische Lösungen für eine intelligente Automatisierung von Wasserversorgungsnetzen entstehen. Die neu zu entwickelnden Monitoring- und Steuerungstechnologien für die Automatisierung von Netzarmaturen lassen sich sicher in eine vorhandene Leitstelle integrieren und ermöglichen die Realisierung neuartiger Sicherheitskonzepte in der Wasserversorgung sowie allgemein flexiblere und intelligente Netzfahrweisen. 3SmartX ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme „KMU-innovativ“, Anwendungsbereich „Nachhaltiges Wassermanagement“, Technologiefeld „Ressourceneffizienz und Klimaschutz“.

3SmartX

Mobilfunkeinbindung in die Leitwarte von dezentralen Antrieben über 3SmartX

Die Komplexität der zu leistenden Entwicklungsarbeiten zur Erreichung der gesetzten Ziele erfordert ein breites Know-how in verschiedenen Bereichen: Netzsimulation, Kommunikation, Elektronik, Mechanik und Softwareentwicklung.

Im Projekt erarbeitet die 3S Antriebe GmbH eine effiziente Lösung für die Automatisierung erdverlegter Netzarmaturen, welche optimal auf die Erfordernisse einer sicheren Kommunikation per Datenfunk abgestimmt ist. Mit der neuen Lösung lassen sich automatisierte Einzelschieber und Sensoren (bspw. Druckmesser, Temperaturgeber, Durchflussmesser) zu intelligenten Teilnetzen/Subsystemen verbinden, die auf Basis einer neuen Netzwerktopologie sicher in eine Leitstelle integriert werden können, und mit denen sich neue Sicherheitskonzepte und Fahrweisen realisieren lassen.

Die 3S Consult GmbH untersucht exemplarisch sowohl am Beispiel des Wasserversorgungsnetzes des Praxispartners RWW als auch am Beispiel des Wasserversorgungsnetzes des assoziierten Praxispartners Stadtwerke Bochum, welche Netzschieber sich für eine Automatisierung eignen, welche Intelligenz in den Teilnetzen selbst implementiert werden sollte und wie die intelligenten Subsysteme in bestehenden oder neuen Fahrweisen genutzt werden können, um z. B. Betriebskosten zu sparen.

Mit der Teilnahme der RWW Rhein-Westfälische Wasserwerksgesellschaft mbH am Projekt ist eines der größten Wasserversorgungsunternehmen Deutschlands als Praxispartner im Konsortium vertreten. RWW wird die Anforderungen der Wasserwirtschaft an die neuen Konzepte und Lösungen definieren, mögliche Probleme bei deren Umsetzung identifizieren und dafür Lösungsansätze erarbeiten sowie die im Projektverlauf entwickelten Ansätze und Konzepte auf ihre Praxistauglichkeit testen. Neben der Expertise kann RWW reale Betriebsdaten, insbesondere Mengen- und Druckmessungen aus einzelnen Netzbereichen, in das Projekt einbringen.

Auf der IFAT 2016 mit dem neuen Drehantrieb 3S 300 D

Die 3S Antriebe GmbH aus Berlin erweitert mit dem neuen 3S 300 D seine Produktpalette von Drehantrieben für erdverlegte Armaturen, die komplett dezentral eingesetzt werden können.
Die bisherige Drehantriebs-Reihe mit dem 3S 1000 D und 3S 500 D wird pünktlich zur IFAT 2016 um den noch kompakteren 3S 300 D ergänzt, der in zwei Varianten mit 120 Nm und 60 Nm angeboten wird. Der Einsatzbereich liegt bei kleineren Nennweiten und auch geringe Einbautiefen sind möglich. So können Schieber, Klappen und Kugelhähne dank der von 3S entwickelten Technologien kostengünstig auch nachträglich automatisiert werden.
Da die wasserdichten Antriebe auf die verdrehsichere Trageplatte des Systems Berliner Kappe® direkt ins verdichtete Erdreich gesetzt werden, kann man auf ein teures Schachtbauwerk verzichten. Als Abdeckung für diesen patentierten 3S Erdeinbau reicht dann eine handelsübliche Straßenkappe oder ein Schachtdeckel. Über einen Standard-Vierkant auf der Antriebsoberseite kann die Armatur weiterhin auch manuell bedient werden.
Dank der x-active M2M Communication sind die Antriebe bidirektional direkt in das Scada-System eingebunden und jederzeit erreichbar. Die 3S Energy Save Technology ermöglicht einen dezentralen Akkubetrieb über ein Jahr ohne Nachladen und das aufwändige Verlegen von Stromkabeln entfällt. Eine Standart-Anwendung bei vorhandenem Stromnetzanschluss und SPS ist natürlich wie bei der gesamten Produktpalette der 3S Drehantriebe ebenfalls möglich. Alle 3S Antriebe erfassen automatisch die Betriebsdaten von Armatur, Antrieb sowie Akku und verarbeiten externe Sensordaten wie Druck und Durchfluss, die an die Leitwarte weitergegeben werden. Sind kurze Reaktionszeiten wie bei Rohrbruchsicherungen erwünscht, können die Antriebe auch autonom auf Sensordaten reagieren.
3S Antriebe stellt auf der IFAT 2016 in München am Stand 424 in der Halle A4 aus.

Sichere Datenübertragung für dezentrale Stellantriebe auf der SPS IPC Drives

Die 3S Antriebe GmbH war erstmals auf der SPS IPC Drives in Nürnberg vertreten und stellte seine Systemlösung zur sicheren Datenübertragung gemeinsam am Stand vom Partnerunternehmen secunet Security Networks AG vor. Ausgestellt wurde ein 3S 500 D mit einer Ansteuerung über einen Mobilfunkrouter von INSYS icom und einer Sina-Box von secunet. Diese gewährleistet eine sichere Datenübertragung aus der Leitwarte zum dezentralen Stellantrieb und ist für höchste Sicherheitsanforderungen konzipiert. Die verwendete Verschlüsselungstechnologie ist vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik – BSI zugelassen. Die Zulassung ist als VS-NfD eingestuft, die nach der KRITIS-Strategie des Bundesministeriums des Inneren sinnvoll für den Betrieb kritischer Infrastruktur ist. Netzbetreibern werden so intelligente und flexible Systeme bereitgestellt um Gefahren durch unbefugte Zugriffe und Angriffen aus dem Internet effektiv vorzubeugen.

3S 500 D mit einer Sina-Box von secunet

Secunet stellte am Partnerschaftsstand des Expertennetzwerkes „Excellence-in-M2M“ aus, das von INSYS icom als Kompetenznetzwerk initiiert wurde. Das „Excellence in M2M“-Netzwerk bündelt Leistungen von Providern, Spezialisten für Datenkommunikationstechnik und Router-Programmierung, M2M-Portal-Lösungsanbietern sowie Systemintegratoren, um individuell abgestimmte Komplettlösungen aus einer Hand anbieten zu können. Die secunet bringt insbesondere ihre langjährige Erfahrung aus dem Hochsicherheitsumfeld in das Netzwerk  ein.


Der Partnerschaftsstand des Expertennetzwerkes „Excellence-in-M2M“

Auf der SPS IPC Drives zeigten in erstmals 14 Messehallen 1.602 Aussteller aus 42 Ländern ihre Produkte und Lösungen, Innovationen und Trends rund um die elektrische Automatisierung. Die Messe zog rund 60.000 Besucher an und bot damit eine ideale Plattform, um die Systemlösung zur sicheren Einbindung dezentraler Stellantriebe für die Automatisierung erdverlegter Armaturen zu präsentieren. Betreiber kritischer Infrastruktur sind mit dieser Systemlösung auf der sicheren Seite.

Neue Fachartikel über mobile Automatisierung und die 3S Integrationsplattform

Der frischste Fachartikel der 3S Antriebe GmbH über mobile Automatisierung und eine neue Instandhaltungsstrategie für erdverlegte Armaturen erschien in der Zeitschrift Industriearmaturen zur diesjährigen IFAT. Darin wird das neue kleine Armaturinstandhaltungsgerät vorgestellt sowie eine Instandhaltungsstrategie, die nach einem Ampelsystem auf dem MOT, Maximum Operation Torque, beruht.

Lesen sie hier den Fachartikel „Armaturen-Instandhaltungsstrategie für Versorgungsnetze„.

Zeitgleich erschienen in der 3R auf Deutsch und der 3R Special auf Englisch Fachberichte über die 3S Integrationsplattform zur Einbindung dezentraler Feldgeräte. Die Anforderungen an eine solche Plattform und deren Bausteine zur Erfüllung eines umfangreichen Netzmonitorings und einer flächendeckenden Automatisierung, wozu Telemetric Units und natürlich auch dezentrale Armaturenstellantriebe gehören, werden ausführlich dargestellt.

Lesen sie hier den Fachartikel „Integrationsplattform zur Einbindung dezentraler Feldgeräte„.

Nachträgliche Automatisierung von Armaturen im neuen Animationsfilm

Es wurde lange diskutiert, probiert, verbessert und programmiert, aber schließlich stand pünktlich zur diesjährigen IFAT unser neuer Animationsfilm über den 3S Erdeinbau und 3S x-active mit 3S Stellantrieben. Die Visualisierung unserer Kernthemen fand auf der Messe großen Anklang und erleichterte die Kommunikation besonders mit Interessenten, für die die komplett kabellose, dezentrale Automatisierung von erdverlegten Armaturen bisher Neuland war. Vor allem die Möglichkeiten der nachträglichen Automatisierung werden anschaulich dargestellt.

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Klicken Sie auf das Bild um den Film anzuschauen.

Remote Management of Critical Infrastructure IV

Verlässlichkeit

Die 3S x-active Kommunikationsplattform ist für die Steuerung kritischer Infrastruktur der Wasser-, Gas- und Öl-Verteilung entwickelt worden. Folgende Eigenschaften zeichnen das System aus:

  • Transaktionssicheres Datenprotokoll zwischen x-active Server und x-active Client
  • Ausfallsicherheit durch Möglichkeit der Systemredundanz
  • Durch Skalierbarkeit einfache Erweiterung möglich
  • Überwachung des Gesamtsystems möglich (Logfiles, Schwellwert-Überwachung, etc.)
  • Zwischenpuffer für Daten und Meldungen auf Server- und Client-Seite
  • Priorisierung von Alarmmeldungen der Geräten gegenüber normalen Statusmeldungen
  • Sicherheitsfunktionen: Autorisierung und Logging
  • Auto Discovery und Auto Provisioning der Geräte –  zusätzliche Feldgeräte stehen ohne Integrationsaufwand im System zur Verfügung
  • Server Überwachungstools integrierbar

Sicherheit

Neben der Verlässlichkeit ist insbesondere die Datensicherheit ein gewichtiger Faktor beim Betrieb kritischer Infrastruktur. Die 3S x-active Integrationsplattform trägt diesen Anforderungen Rechnung:

  • End-to-Endverschlüsselung mit Feldgeräten
  • mit privatem Zugangspunkt (APN) des Mobilfunk-Betreibers direkte Integration von Feldgeräte in das Kundensystem
  • vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik zertifizierte Hardware-Verschlüsselung möglich

 

3S Antriebe auf der IFAT 2014

Die 3S Antriebe GmbH präsentiert sich mit spannenden Neuheiten auf der diesjährigen IFAT in München. Alle Fachbesucher sind herzlich eingeladen, uns am Stand 426 in der Halle A4 zu besuchen.

Produktneuheiten mobile Antriebe
Auf der IFAT stellen wir erstmals unser Armaturen-Instandhaltungsgerät 3S AIG als kleine Version 3S AIG XS vor. Die herkömmliche Version wurde mit den Berliner Wasserbetrieben zusammen entwickelt und ist daher eher für große Versorger geeignet. Das AIG XS ist weitaus handlicher und deckt die Anforderungen kleinerer Netzbetreiber ab, die häufig an uns heran getragen wurden. Es kann von einer Person bedient werden und hat die gleichen Features wie sein großer Bruder 3S AIG, ist also weit mehr als ein herkömmliches Schieberdrehgerät. Drehmoment und Weg der Armaturen werden erfasst und ermöglichen so eine echte zustandsorientierte Instandhaltung von Armaturen für alle Netzbetreiber, da die Daten manipulationssicher zur externen Verwendung weitergegeben werden können. Ebenso wird eine neu entwickelte Instandhaltungsstrategie für erdverlegte Armaturen vorgestellt. Die Fachzeitschrift Industriearmaturen berichtet im Vorfeld der Messe.

Produktneuheiten stationäre Antriebe
Auch mit unseren stationären Lösungen nähern wir uns den kleinen Versorgern an. Unsere x-active Plattform zur Integration von Armaturen oder Sensoren via Mobilfunk gibt es zur IFAT schon in einer Version von 1-8 Clients und ist dementsprechend kostengünstig. Durch diese Lösung kann die Anzahl der automatisierten Armaturen im Netz sowie die Anzahl der Druck- und Durchflusssensoren sehr einfach erhöht werden. Auch Schachtüberwachungen sind einfach zu realisieren.

Der Funktionsumfang des x-active Servers macht ihn zu einer leistungsfähigen Integrationsplattform

Auch die direkte Erfassung externer Sensordaten durch unsere 3S Sensoranbindung ist zur IFAT marktreif. Dabei werden die Messdaten direkt über den Antrieb verarbeitet, an die Zentrale via Mobilfunk weitergeleitet und benötigen so keinerlei Zusatzmodule. Auch bei dezentraler Akkustromversorgung der Antriebe lässt sich eine hohe Messfrequenz und regelmäßige Übermittlung der Daten realisieren. Sensordaten können auch autonom durch die Antriebssteuerung verarbeitet werden, z. B. für Rohrbruchsicherungen mit kurzer Reaktionszeit. Über die 3S Integrationsplattform zur Einbindung dezentraler Feldgeräte berichtet die Zeitschrift 3R.

Skalierbarkeit und Flexibilität sind wichtige Systemeigenschaften des x-active Servers

Remote Management of Critical Infrastructure III

Effizienzsteigerung: Real-Time Netz Monitoring & Automatisierung

Der x-active Server wurde auf Basis vieler Jahre Erfahrung mit den Herausforderungen eines M2M Systems entwickelt. Die in der Architektur des Systems verankerten Hauptmerkmale bilden die Grundlage für eine auf jeden Kunden zugeschnittene Lösung (Bild 1).

Bild 1: Der Funktionsumfang des x-active Servers

Der x-active Server ist eine leistungsfähige Integrationsplattform. Und als solche ein ideales Instrument, vorhandene Kundensysteme flexibel und effizient zu verbessern. Indem zusätzliche Daten aus dem Feld direkt im Kundensystem zur Verfügung stehen. Um dies zu realisieren verfügt der Server u. a. über folgende Komponenten:

  • Über die Client Connectoren können sämtliche Feldgeräte, die mit 3S TUs inkl. x-active Client ausgestattet sind, aber auch Geräte mit Drittanbieter-Protokollen in das zentrale Kundensystem integriert werden. Die Systemarchitektur ermöglicht die einfache Skalierbarkeit des Systems, so dass bis zu 5000 und mehr unterschiedliche Clients integriert werden können (Bild 2).

Bild 2: Skalierbarkeit und Flexibilität sind wichtige Systemeigenschaften des x-active Servers

  • Die Customer Template-Engine ordnet die empfangenen Daten dem sendenden Client zu und interpretiert sie (Bild 3).

Bild 3: Die Customer Template Engine

  • Die Customer Rule Engine transformiert Regel- und Schablonenbasierend Daten in kundenspezifische Formate. Sind z. B. Daten aus Feldgeräten im ERP System erforderlich (z. B. Verbrauchsdaten), kann der Server diese Daten selektieren, aufbereiten und die Daten so ans ERP System übergeben, dass direkt Rechnungsvorschläge generiert werden (Bild 4).

Bild 4: Customer Rule Engine

  • Die Protokoll-Konverter Unit realisiert die Anbindung verschiedener Kundensysteme mit Hilfe der notwendigen Protokolle. Offene und dokumentierte Schnittstellen garantieren Investitionsschutz für den Kunden.

Der x-active Server verfügt über weitere Eigenschaften, der ihn zu einer flexiblen und leicht zu skalierenden Integrationsplattform macht, mit entscheidenden Vorteilen gegenüber bisherigen Systemen:

  • Bidirektionale Kommunikation mit den Feldgeräten
  • Sowohl auf Kunden-IT Seite als auch auf Geräte Seite einfache Erweiterungsmöglichkeiten mit Hilfe eines Plugin-Systems
  • Einfacher Aufbau von redundanten Systemen
  • kostengünstiges, hocheffizientes Protokoll durch geringe Datenmengen
  • Remote Factory Reset der Feldgeräte. Die Feldgeräte können remote konfiguriert. Diagnostiziert und upgedated werden. Dadurch entfallen aufwendige Inspektionen im Feld.
  • Alarmmeldungen via Leitstand, Email oder sogar emergency-calls bei Grenzwertüberschreitungen, Auswertungen, Soll-Ist-Abweichungen
  • vollständige Anbindung von 3S Antrieben durch Stellbefehle und umfangreiche Statusrückmeldungen

Remote Management of Critical Infrastructure II

1.    Die 3S x-active Integrationsplattform – Netzbetrieb der Zukunft

1.1    Bausteine der 3S Integrationsplattform

Schematische Darstellung: End-to-End-Verschlüsselung bis hin zur BSI zertifizierten Hardwareverschlüsselung

1.2     x-active Server

Das Herzstück der 3S x-active Integrationsplattform ist die x-active M2M Technologie der ettex GmbH aus Berlin, bestehend aus Server- und Client-Software. Der Server ermöglicht die bidirektionale Einbindung von Mobilfunk-Einheiten (RTUs) in Kundensysteme. Die Integration in Kundensysteme kann über die bewährten SOAP oder OPC DA Schnittstellen erfolgen. Erweiterungen des OPC-Standards sowie kundenspezifische Schnittstellen sind auf Wunsch möglich.
Auf Kunden-Hardware installiert und vom Kunden administriert, werden die Informationen der Feldgeräte und die Befehle aus dem System vom Server verwaltet und über das Mobilfunknetz ausgetauscht. Eine extrem leistungsfähige Sicherheitsarchitektur von End-to-End-Verschlüsselung bis hin zur vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik zertifizierten Hardware-Verschlüsselung gewährleistet die Sicherheit. Die x-active Technologie ist ein mächtiges Werkzeug um verlässlich, effizient, sicher und flexibel Remote-Feldgeräte, Drittgeräte oder Drittsysteme in bestehende Kunden-Computersysteme zu integrieren, sie zu erweitern und die Leistungserstellung zu optimieren.

1.3    3S Telemetric Units (TU)

Die 3S Telemetric Unit (3S TU) enthält ein Mobilfunkmodem sowie einen Microcontroller mit der x-active Client Software. Durch den Mikrocontroller kann die 3S TU viel mehr als sicher Daten auszutauschen. So können Sensordaten gespeichert, ausgewertet und transaktionssicher übertragen werden. Grenzwertüberschreitungen und Soll-Ist-Abweichungen werden erfasst und ans zentrale Computersystem übermittelt. Eine spezielles Feature der 3S TU ist die Leitstandintegration von 3S Armaturenstellantrieben. Stellbefehle sowie umfangreiche Statusrückmeldungen können an die Antriebe und zurück übermittelt werden.
Alle Feldgeräte können Dank der 3S Energy Save Technology ohne Stromnetzanschluss mit Akkus betrieben werden – und sind trotzdem jederzeit bidirektional in die Leitstandsoftware eingebunden. Ein innovatives Akkumanagement in Kombination mit extrem sparsamer Hardware sorgt für die drastische Reduzierung des Stand-by Verbrauchs der Endgeräte und ermöglicht sehr lange Standzeiten der Akkus.

1.4    Feldgeräte

Endgeräte im Feld können alle Sensoren, Zähler oder Messungen sein, die digitale Daten erzeugen (z. B. Druck-, Durchfluss- und Verbrauchsmessungen, Temperatur, Füllstände etc.). Zusätzlich können 3S Armaturenstellantriebe Endgeräte sein, die durch den Energy Save Modus mit Akkus betrieben über ein Jahr ohne Nachladen Armaturen automatisieren können. Darüber hinaus können auch Feldgeräte von Drittanbietern oder sogar Drittsysteme integriert werden (z. B. Smart Phones, Tough Books, Leckage-Überwachungssysteme, etc.).

Remote Management of Critical Infrastructure I

Sicher, verlässlich, flexibel und skalierbar: Die 3S x-active Plattform zur Integration dezentraler Feldgeräte in SCADA-, ERP-, und GIS-Systeme

Der Betrieb von Verteilungsnetzen der öffentlichen Versorgung und der Industrie unterliegen derzeit einem tiefgreifenden Wandel. Als Teil der kritischen Infrastruktur stehen zusätzliche Sicherheitsanforderungen zunehmendem Kostendruck gegenüber. Auf Basis geeigneter Informationen von zentraler Stelle die effiziente Steuerung der Leistungserstellung zu gewährleisten, ist die Aufgabe von SCADA Systemen. Zur Optimierung des Systems, stehen Betreiber von Versorgungsnetzen insofern vor drei wesentlichen Aufgaben:

  • Netz-Monitoring, also das Sammeln und Aufbereiten von Betriebsdaten
  • Einbindung in die zentrale Leitstandsoftware
  • Automatisierung auf Basis der Betriebsdaten

Sensoren, Zähler, Pumpen und Armaturenstellantriebe sind seit langem Bestandteile des Anlagenbetriebs. Allerdings erforderten diese bisher aufwendige Infrastruktur für die Stromversorgung und den Datentransfer und kommen endsprechend im Verteilnetz kaum zum Einsatz. Seit einigen Jahren setzen sich verstärkt dezentrale Lösungen durch, bei denen die Daten über Funknetze übermittelt werden. Für die Leitstandintegration bleibt jedoch in den meisten Fällen ein Stromnetzanschluss erforderlich, z. B. für den Betrieb einer Steuerung (SPS).

Die 3S x-active Integrationsplattform ermöglicht die direkte, kabellose bidirektionale Integration von dezentralen Feldgeräten in die existierende Leitstandsoftware des SCADA Systems des Betreibers. Da gleichzeitig mit einer 3S Telemetric Unit (3S TU) ausgestattete Feldgeräte – inklusive der 3S Stellantriebe für erdverlegte Armaturen – vollständig Akku basiert arbeiten, sind zukünftig keinerlei Kabel mehr erforderlich. Gleichzeitig wird eine dem hohen Schutzgut entsprechende Sicherheitsarchitektur gewährleistet.

Neben dem SCADA System kann die 3S x-active Integrationsplattform Daten von Feldgeräten auch anderen Systemen wie dem ERP-, GIS oder Work-Force-Management zur Verfügung stellen. Flächendeckendes Netz-Monitoring und Netz-Automatisierung wird durch die 3S x-active Integrationsplattform möglich. Und ermöglicht insofern den effizienten Netzbetrieb der Zukunft.

Kundennutzen der 3S x-active Integrationsplattform