ScadaOnWeb Web-basierte Prozesssteuerung und Prozessüberwachung

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1 Rainer Bacher, Thomas Dreyer, Inaki Laregoiti, David Leal, Andrea Schröder, Michael Schwan, Birger Stene, Karl Werlen (ScadaOnWeb GbR mbh 1 ) ScadaOnWeb Web-basierte Prozesssteuerung und Prozessüberwachung Zusammenfassung Heutzutage werden im Bereich der Prozesssteuerung und -überwachung in der Regel herstellerabhängige Systeme mit proprietären Technologien und den damit verbundenen Problemen und Nachteilen eingesetzt. Durch das ScadaOnWeb-Projekt ( soll eine Plattform zum leistungsfähigen, anwenderfreundlichen und standardisierten Informationsaustausch entwickelt werden, die zeit- und kostenintensive Datenkonvertierung vermeidet. Für web-basierte Prozesssteuerungs- und Überwachungsaufgaben wird eine flexible Web-Architektur erstellt, die es ermöglicht, umfangreiche technische Daten mittels eines neuen Web-Multimedia-Datentyps effizient und schnell zu handhaben. Diese Architektur eignet sich für eine breite Palette von Anwendungen und eröffnet neue Möglichkeiten des dezentralen Informationszugangs. Summary Today, in the area of process monitoring and control applications, one-off systems are created using proprietary technologies with their well-known inherent problems and disadvantages. The ScadaOnWeb project ( avoids time and money being wasted on data conversion by enabling an efficient and user friendly exchange of information based upon standards. A generic architecture for web-based process monitoring and control will be developed implying the definition of a new web multi-media type for bulk numeric data allowing to handle huge amounts of data on the web fast and efficiently. This will be suitable for a broad range of applications and will lead to many new possibilities for decentralised access to information. Einleitung ScadaOnWeb ist ein von der Europäischen Gemeinschaft und dem Bundesamt für Bildung und Wissenschaft Bern innerhalb des IST-Programms (Information Society Technologies) gefördertes Projekt mit 7 Partnern und einer Laufzeit von 2 Jahren. Die ScadaOnWeb- Technologie soll als Standard-Plattform für über das Web verteilte Prozesssteuerungs- und - überwachungsaufgaben dienen. Ziel ist es nicht, ein komplettes SCADA-System mit integrierten Sensoren und Messgeräten zu realisieren. Die technologische Herausforderung besteht vielmehr in der Realisierung eines schnellen und effizienten Zugriffs auf umfangreiche Prozessdaten über das Internet, sowie deren Visualisierung, Bearbeitung und Speicherung unter Anwendung von Internet-Technologien. Der Projektumfang gliedert sich in die folgenden Bestandteile: Definition der ScadaOnWeb Technologie: Generierung und Standardisierung eines neuen Web-Multimedia-Datentyps für umfangreiche technische Daten, Realisierung einer Client-Server Architektur auf Basis von JAVA und XML- Technologien unter Berücksichtigung von Sicherheitskonzepten für den Datenzugriff. 1 Gesellschafter der ScadaOnWeb GbR mbh sind: FGH e.v. (Deutschland), Bacher Consulting (Schweiz), Caesar Systems Limited (Großbritannien), Cynus Engineering AG (Schweiz), Fundacion Labein (Spanien), Racos Technische Informationssysteme (Deutschland), SINTEF Energy Research (Norwegen). Die Autoren danken Rainer Bacher, Thomas Dreyer, Inaki Laregoiti, David Leal, Birger Stene und Karl Werlen für die Zusammenarbeit.

2 Implementierung der Technologie in Prototyp-Applikationen Zur Validierung der Technologie dienen folgenden Applikationen: Flutwarnsystem zur Erfassung von Niederschlägen und Wasserständen, Gemeinsame Nutzung von Daten innerhalb einer Bilanzgruppe im Elektrizitätsmarkt, Flexible Zählerstandserfassung von Haushaltskunden und kleinen Industriekunden, Zustandsorientierte Instandhaltung von Komponenten elektrischer Netze und Industrieanlagen, Steuerung von Windkraftgeneratoren und Kleinwasserkraftwerken. Verbreitung und Standardisierung der Ergebnisse Um die Praxisnähe der Software-Programme zu gewährleisten und ein frühzeitiges Feedback zu erhalten, wurde eine User Group gebildet, die sich aus Industrieunternehmen, Energieversorgungsunternehmen und Normungsgremien zusammensetzt. Ergebnisse des ScadaOnWeb-Projektes werden in die Standardisierungsarbeit der folgenden Gremien und Organisationen aus den Bereichen Produktdaten, elektrische Energietechnik und Internet-Technologien eingebracht: ISO, IEC, OMG and W3C. Architektur Der Kern der ScadaOnWeb Architektur (s. Abbildung 1) ist als Schichtmodell konzipiert. Um die Interoperabilität zwischen Client-Applikationen zu erleichtern, basieren die externen Schnittstellen auf der heutzutage weit verbreiteten Extensible Markup Language (XML) [2] und frei verfügbaren Tools. XML-Schema XML-Daten Initialisierung Datenbank Datenbankmanagement XML-Transformation DB-Abfragen & Abfrageergebnisse Laden & Updaten XML-Messages Abbildung 1: ScadaOnWeb Architektur Das Modul Initialisierung dient zur Erstellung der zum Datenbankmanagement nötigen Infrastruktur. Basierend auf einem XML-Schema erzeugt diese Schicht einen Satz von Objekten zur Datenmanipulation und bietet die Möglichkeit, aus der XML-Datei Instanzen dieser Objekte zu generieren. Die nötige Funktionalität zum Speichern und Suchen von Daten in der Datenbank wird durch die Schicht Datenbankmanagement bereitgestellt. XML Transformation bietet die Möglichkeit zur Konvertierung der instanzierten Objekte gemäß des XML-Schemas in XML sowie in umgekehrter Richtung. Die nachfolgende Schicht setzt sich aus verschiedenen Applikationen zusammen, die die Schnittstelle zum Anwender darstellt: Das Modul DB-Abfrage & Abfrageergebnisse nimmt XML-Abfragen entgegen und liefert die gewünschte Information gemäß dem XML-Schema der gespeicherten Daten. Mit dem Modul Laden & Updaten werden neue oder geänderte auf dem XML-Schema basierende Daten in der Datenbank gespeichert. Das Schichtmodell ermöglicht eine modulare Ausweitung der

3 Schnittstellenfunktionalität zu externen Clients. Funktionen wie das Setzen von Filtern und das Versenden von Benachrichtigungen im Ereignisfall kann leicht implementiert werden. Neuer Web-Multi-Media Datentyp Die Prozessüberwachung und -steuerung umfasst große Mengen numerischer Daten, die in geordneter Struktur vorliegen. Um eine effiziente Bearbeitung dieser Daten zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, diese geordnete Struktur zu erhalten. Des weiteren ist es bei großen Datenmengen erforderlich, die eigentlichen Daten im Binärformat zu verwalten, um den Speicherbedarf zu minimieren und eine effiziente Verarbeitung zu gewährleisten. Für den Datenaustausch ist darüber hinaus eine exakte semantische Beschreibung der Daten notwendig, um die Bedeutung der Daten eindeutig zu definieren. In einem dreidimensionalen Datenfeld können z.b. die Daten vieler Sensoren zu vielen unterschiedlichen Zeitpunkten gespeichert sein. In der Binärdatei befindet sich dann der Messwert des Sensors zum Zeitschritt auf der Position (1.000, ). Zusätzlich muss z.b. die Identität von Sensor 1.000, wie auch sein Einbauort im Netz bekannt sein; man muss wissen, dass der Zeitschritt den Zeitpunkt 10:31:15 h am beschreibt und dass der Messwert ein Fluss mit der Einheit m 3 sec -1 ist. Die Verwendung von XML in Verbindung mit XML/RDF stellt zwar die Semantik bereit, doch geht bei einem traditionellen XML-Ansatz die Struktur der Daten verloren und die Information wird in Millionen separater XML-Elemente aufgeteilt. Deshalb wird ein Ansatz gewählt, bei dem eine binäre HDF5-Datei [3] zusammen mit einer XML-Datei als neuer Datentyp definiert wird: die XML-Datei enthält die Semantik und die HDF5-Datei beinhaltet die strukturierten numerischen Daten (s. Abbildung 2). HDF5 ist ein hardwareunabhängiges Binärdatenformat, das vom NCSA (National Centre for Supercomputer Applications) in den USA entwickelt wurde und z.b. von NASA und ESA in verschiedenen Applikationen verwendet wird. Im ScadaOnWeb-Projekt werden die von ESA verwendeten Methoden, strukturierte numerische Datenblöcke semantisch zu beschreiben, weiterentwickelt und im Web mittels XML implementiert. Gigabytes strukturierter Daten Extrahieren und Downloaden von Subsets Variablen Semantik Posititionen Zustände/Zeiten Abbildung 2: Neuer Web-Multi-Media Datentyp Applikationen Die ScadaOnWeb-Architektur wird durch fünf Applikationen aus verschiedenen Anwendungsbereichen verifiziert. Mit der entwickelten Plattform können große Datenmengen über das Internet effizient verwalten werden, und die Ein- und Ausgabe von Daten und Meldungen ist durch die TCP/IP-basierte Kommunikation mit einer Vielzahl von Endgeräten

4 möglich. Da es sich bei den meisten Daten um sensitive Daten handelt, werden Sicherheitsmechanismen implementiert, die nur autorisierten Benutzern den Zugriff auf die Daten gewähren. Im nachfolgenden erfolgt eine Beschreibung der auf der ScadaOnWeb Plattform aufsetzenden Anwendungen: Flutwarnsystem zur Erfassung von Niederschlägen und Wasserständen Da die Anzahl von Naturkatastrophen, die Schäden in dicht bevölkerten Regionen Europas verursachen, zunimmt, steigt die Notwendigkeit, Frühwarnsysteme zu haben. Ein solches wird in einer Prototypversion für unzulässig hohe Wasserstände eines Einzugsgebiets realisiert. Das SCADA System wird zunächst nur 3 bis 5 Stationen mit etwa 40 bis 50 zu erfassenden Messwerten umfassen. Die Daten werden von Wetterstationen, Strömungssensoren, etc. gesammelt und in einer Datenbank abgelegt, auf die von anderen Programmen zugegriffen wird, um zu entscheiden, wann Alarme ausgelöst werden und wer benachrichtigt wird. Die Daten und die dazugehörigen Analysetools werden über das Web zugänglich sein, um verantwortliche Personen jederzeit mit relevanten Informationen versorgen zu können. Ein Flutwarnsystem basierend auf Messungen von Niederschlägen und Wasserströmung bietet folgende Vorteile: umweltrelevante Monitoring-Daten stehen Rettungsdiensten im Katastrophenfall und Experten für langfristige Untersuchungen zur Verfügung, Algorithmen zur Vorhersage von Katastrophen können auf viele verschiedene Datenquellen zugreifen und es steht eine offene Schnittstelle für Berechnungsprogramme zur Verfügung. Bilanzgruppenmanagement Die Aufgabe des Bilanzgruppenmanagements besteht in der Sicherstellung des Gleichgewichts zwischen Verbrauch und Erzeugung elektrischer Energie innerhalb einer Bilanzgruppe. Die Bilanzgruppen-Verantwortlichen ermitteln den voraussichtlichen Bedarf an elektrischer Energie für fest vorgegebene Zeitintervalle während der nächsten 24 Stunden und planen gemeinsam mit Erzeugern und Händlern die dafür erforderliche Menge an Energie. Zusätzlich werden Abweichungen zwischen dem angenommen und dem tatsächlichen, gemessenen Verbrauch berechnet und in geeigneter Form gespeichert, so dass eine korrekte Abrechnung effizient erfolgen kann. In der ScadaOnWeb-Applikation werden komplexe Geschäftsbeziehungen nachgebildet: z.b. verschiedene Kunden (kleine und große Kunden ebenso wie Energieerzeuger, Händler, etc.) mit unterschiedlichen Verträgen. Außerdem werden Maßnahmen bei Lastflussproblemen und für eine effiziente Verarbeitung von Daten (96 Verbrauchswerte pro Tag und Abnehmer) und deren Speicherung getroffen. Zählerstandserfassung von Haushalts- und Industriekunden Ziel dieser Applikation ist der Austausch von Zählerdaten von Industrie- und Haushaltskunden im deregulierten Markt. Dazu wird die nordische Norm für den Austausch von elektrischen Daten, ODEL (Object oriented Data model for ELectricity supply) in XML-Technologie umgesetzt. ODEL enthält nicht nur Objekte, die für den Umfang dieses Prototyps relevant sind, sondern kann auch für eine automatisierte Erfassung von Zählerdaten und von Daten, die Aufschluss über die Versorgungsqualität und Störungen geben, verwendet werden. Der Prototyp wird folgende Informationen und Dienste bereitstellen: Messdaten (stündlicher Verbrauch für vorgegebene Zeitspannen), Daten von Störungen und Unterbrechungen zur Bewertung der Versorgungsqualität (z.b. nicht zeitgerecht gelieferte Energie, Dauer und Anzahl von Unterbrechungen), Spannungshöhe, Unterbrechungsalarm, Tarifübersicht, Dienste wie z.b. der Wechsel zu einem anderen Händler, Demand-side-Management, auf historischen Informationen basierende Kostenermittlung und Vergleich des Energieverbrauchs vergleichbarer Endkunden. Zustandsorientierte Instandhaltung von Komponenten elektrischer Netze und Industrieanlagen

5 Heutzutage wird bei vielen Netzbetreibern eine periodische Instandhaltung durchgeführt, um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Netzes zu sichern. Der Einsatz von Online- Monitoring-Systemen ist bislang selten. Es ist jedoch abzusehen, dass zukünftig die zustandsorientierte Instandhaltung an Bedeutung zunimmt und auch die Anzahl der Monitoring-Systeme ansteigt. Der Prototyp beschränkt sich auf Netzelemente, bei denen eine Überwachung wirtschaftlich vertretbar ist. Im Hoch- und Höchstspannungsnetz werden Transformatoren und Leistungsschalter, im Mittelspannungsnetz Kurzschlussstromanzeiger überwacht, da diese im Kurzschlussfall eine schnelle Fehlerlokalisierung ermöglichen. Der Zugriff auf Echtzeitdaten von den Überwachungseinrichtungen kann über die in der Station über die Stationsleittechnik verfügbaren Daten erfolgen. In diesem Zusammenhang wird geprüft, ob die IEC [4] verwendet und um die notwendigen Daten erweitert werden kann. In der Elektroindustrie zählen sowohl Online-Monitoring als auch die Vorhaltung umfangreicher Dokumentation der Anlagen zum Standard. Eine echte Integration aller verfügbarer Daten fehlt jedoch bislang. Die Fernüberwachung basiert zudem auf proprietären Lösungen, beschränkt sich meist auf die Überwachung der aktuellen Produktionsparameter und stellt keine weitergehenden Informationen zur Verfügung, wie z.b. die technische Beschreibung sowie den Aufbau des Systems und der Ersatzteile, die nötig sein können, um schwerwiegende und teuere Anlagenfehler zu vermeiden. Realisiert werden soll deswegen eine integrierte Plattform, die dem Instandhaltungsingenieur einen standortunabhängigen Zugang zu all diesen Informationen bietet. Im Prototyp wird diese Datenintegration beispielhaft für eine SPS-Anlage realisiert. Steuerung von Windkraftkraftanlagen und Kleinwasserkraftwerken Die Deregulierung des Strommarktes, die Fortschritte auf dem Gebiet der Energieerzeugung und das von den Industrieländern erklärte Ziel der Reduktion der Umweltverschmutzung wird zur Verbreitung von verteilten Erzeugungsanlagen in der Nieder- und Mittelspannung führen. Folgende Szenarien sind vorstellbar: Anschluss einzelner Generatoren direkt ans Niederspannungsnetz Netze mit kleinen Erzeugungseinheiten können unabhängig vom Netz arbeiten, an das sie angeschlossen sind und nutzen sowohl die Marktkonditionen als auch eine erhöhte Betriebssicherheit Netze mit regenerativer Energieerzeugung Entscheidend für die Realisierung von Netzen mit kleinen Erzeugungseinheiten ist deren Wirtschaftlichkeit und damit die Verwendung günstiger Systemkomponenten. Der Software-Prototyp zeigt am Beispiel von Windkraftanlagen, wie die ScadaOnWeb Technologie die Funktionalität von verfügbaren SCADA Systemen mit den im Abschnitt Innovation aufgeführten Vorteilen zu verbinden. Zusammenfassung Die ScadaOnWeb Technologie kann nicht nur als Basis für die zuvor exemplarisch beschriebenen Applikationen sondern für vielfältige SCADA Anwendungen dienen. Sie bietet durch ihren innovativen Ansatz folgende Vorteile: Ablösung von proprietären Systemen und Formaten durch Web-Technologien für Prozessüberwachungs und Prozesssteuerungsaufgaben Neuer Web Multi-Media Typ für die effiziente Handhabung großer Datenmengen Definition eines einheitlichen Formats zur Beschreibung von Objekten und deren Eigenschaften auf der Basis von ISO, IEC und anderen relevanten Industriestandards für technische Daten

6 Genormtes XML Schema für Einheiten und Koordinatensysteme Geschützter und standortunabhängiger Zugang zu SCADA-Funktionalitäten Verwendung günstiger Software zum Datenzugriff und Verringerung der PC- Wartungskosten durch den Einsatz konventioneller Browser auf der Client-Seite. Literatur [1] [2] [3] [4] IEC Communication Networks and Systems in Substations Autoren Dipl.-Ing. (FH) Andrea Schröder (30), VDE, studierte Elektrische Energietechnik an der Fachhochschule in Mannheim. Seit Okober 1995 ist sie bei der FGH angestellt, wo sie zunächst in der Abteilung Softwareentwicklung für die Datenbank des Netzplanungssystems INTEGRAL, INTEGRAL Schulungen und die Weiterentwicklung des DVG-Datenmodells für Netzberechnungen zuständig war. Im August 2001 wechselte Frau Schröder in die Abteilung Systemstudien und bearbeitet dort das Projekt ScadaOnWeb. E- Mail: Dipl.-Ing. Michael Schwan (29), VDE, hat Allgemeine Elektrotechnik an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken studiert und dort zunächst am Lehrstuhl für Energieversorgung als wissenschaftlicher Mitarbeiter gearbeitet. Bei der Forschungsgemeinschaft für elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.v. (FGH) ist er Leiter der Abteilung Systemstudien und beschäftigt sich u.a. mit Fragestellungen aus der Zuverlässigkeitsberechnung, der Datenmodellierung und der Schutztechnik.