Fernwartung von Windkraftanlagen

Sichere Internetverbindungen über das Mobilfunknetz

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Bei der Erzeugung elektrischer Energie gewinnen Windkraftanlagen immer mehr an Bedeutung. Wind ist jedoch nicht nur eine Energiequelle, sondern auch eine Naturgewalt. Neben extremem Wind sind die Windkraftanlagen auch starken Schock- und Vibrationsbelastungen ausgesetzt. Zudem werden sie in abgelegenen Gebieten oder im Meer errichtet und sind entsprechend schwer zugänglich. Für die Vermeidung ungeplanter Stillstände ist deshalb eine permanente Zustandsüberwachung mit Fernwartungszugang erforderlich. Für eine flexible und zuverlässige Anbindung an die Leitstelle hat der Fernwartungsspezialist MB Connect Line verschiedene Lösungen entwickelt.

Durch die verstärkte Nutzung regenerativer Energien soll die Energieversorgung zukünftig ressourcenschonender und umweltfreundlicher werden. Dabei wird der Windenergie das größte Potential zugeschrieben, doch sie stellt höchste Anforderungen an Technik und Material. Zudem muss ein enormer Aufwand betrieben werden, um aus böigem Wind mit wechselnder Intensität und Richtung elektrische Energie zu erzeugen, die hinsichtlich Spannung, Frequenz und Phasenwinkel passende Werte für die Einspeisung ins Stromnetz liefert.

Kontinuierliche Überwachung

Um trotz der widrigen Rahmenbedingungen und enormen Materialbelastung einen störungsfreien Betrieb sicherzustellen, ist eine kontinuierliche Zustandsüberwachung unabdingbar. Dazu besitzen die Windkraftanlagen eine umfangreiche Sensorik zur permanenten Überwachung ihrer mechanischen Komponenten. Das rechtzeitige Erkennen von Veränderungen (z.B. mittels Schwingungsdiagnose) ermöglicht die Planung und Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen, bevor es zu teuren Folgeschäden und ungeplanten Stillständen kommt. Durch die direkte Anbindung an die Leitstelle per Fernwartung werden alle Werte, Betriebszustände und eventuelle Störungen in der Leitstelle erfasst.

mbconnect24 wind-schema


Fernzugriff über das Mobilfunknetz

Mit den mbNET-Geräten bietet MB Connect Line universelle Industrie-Router für die Fernwartung an. Die Router sind über sichere Internetverbindungen erreichbar und ermöglichen einen geschützten und transparenten Zugriff auf die Steuerungskomponenten der Windkraftanlage. Ein Servicetechniker kann sich den Anlagenzustand im Detail anschauen, Parameter ändern oder Softwareupdates einspielen, ohne dass er zur Anlage fahren muss. Ein Telefon- oder DSL-Anschluss am Windrad wird eher die Ausnahme sein. Die mbNET-Router unterstützen verschiedene Mobilfunkstandards, so dass je nach Infrastruktur vor Ort die passende mbNET-Variante eingebaut werden kann. Neben Ethernet (WAN) können sich die Router über das integrierte Modem (UMTS, GPRS, EDGE, GSM, Analog oder ISDN) mit dem Internet verbinden.

mb mbnet 4-port-switch-verkleinert

Die Industrie-Router mbNET UMTS unterstützen mit HSDPA und HSUPA die derzeit schnellsten verfügbaren Übertragungsverfahren im Mobilfunk-Bereich. Sie bieten mit Download-Raten bis zu 7,2 MBit/s und Upload-Raten bis zu 2 MBit/s eine DSL-ähnliche Bandbreite. Falls UMTS an einem bestimmten Ort noch nicht bereitgestellt wird, können die Router auch die GSM-basierenden GPRS- oder EDGE-Dienste nutzen. Diese sind nahezu flächendeckend verfügbar. GPRS und EDGE sind wie UMTS IP-basierte Übertragungsdienste, die sich einfach und nahtlos in eine bestehende Netzinfrastruktur integrieren lassen.

Vielfältige Schnittstellen

Für die Komponenten in der Windkraftanlage bieten die Industrie-Router vielfältige Anschlussmöglichkeiten. Der integrierte 4-Port-Switch ermöglicht den direkten Anschluss von bis zu vier Ethernet-Geräten. Daneben haben die Router bis zu zwei serielle Schnittstellen, die per Software als RS-232 oder RS-485 konfiguriert werden können. Für serielle Geräte wie Steuerungen und Antriebe sind über 90 verschiedene Treiber verfügbar. Für den direkten Zugriff auf die S7-300- und S7-400-Steuerungen von Siemens haben die MPI-/Profibus-Varianten einen vollwertigen PC-Adapter integriert, der Übertragungsraten bis 12 MBit/s unterstützt. Über den LAN-Anschluss ist auch die Nutzung von IP-Kameras möglich, so dass in der Leitstelle auch auf Live-Bilder zurückgegriffen werden kann.
Bei der praktischen Umsetzung können sich technische und organisatorische Fragen hinsichtlich des Verbindungsmanagements, der Datensicherheit und des Zugriffsschutzes stellen. Die Lösung ist ein zentrales Fernwartungsportal wie mbCONNECT24 von MB Connect Line. Es dient als intelligente Vermittlungsstelle zwischen der Leitstelle des Anlagenbetreibers, dem Servicepersonal und den Windkraftanlagen

Der Verbindungsaufbau kann automatisch erfolgen, sobald der Router mit Spannung versorgt wird oder bei Bedarf. Dazu kann der Verbindungsaufbau von der Anlagensteuerung über ein Signal an einen digitalen Eingang des Routers ausgelöst werden. Die Vergabe von einer dynamischen oder privaten IP-Adresse durch den Provider ist kein Problem, da die Verbindung immer vom Router zum Portal hin aufgebaut wird. Die Leitstelle, und bei Bedarf auch externes Servicepersonal, verbindet sich ebenfalls über einen gesicherten VPN-Zugang mit dem Portal. Der Anlagenbetreiber kann in Form einer geschlossenen Benutzergruppe für jeden Service-Spezialisten individuelle Rechte festlegen. Für eine Fernwartungssitzung melden sich die Benutzer mit Zertifikat, Benutzername und Passwort am Portal an und können dann per Mausklick die für sie freigegebenen Anlagen erreichen. Die Zugänge zum Portal können komfortabel verwaltet werden. Kurzfristige Anpassungen wegen Änderungen im Plan der Servicebereitschaft sind schnell möglich. Gibt es beispielsweise mit einem bestimmten Stellmotor ein Problem, so kann die Leitstelle innerhalb von Minuten einen temporären Zugang für einen Service-Techniker des Motorherstellers einrichten.

Verbindungsmanagement

Die in die Windkraftanlagen integrierten Industrie-Router mbNET registrieren sich am Portal und bauen eine gesicherte VPN-Verbindung auf. Der Verbindungsaufbau kann automatisch erfolgen, sobald der Router mit Spannung versorgt wird oder bei Bedarf. Dazu kann der Verbindungsaufbau von der Anlagensteuerung über ein Signal an einen digitalen Eingang des Routers ausgelöst werden. Die Vergabe einer dynamischen oder privaten IP-Adresse durch den Provider ist kein Problem, da die Verbindung immer vom Router zum Portal hin aufgebaut wird.
Die Leitstelle, und bei Bedarf auch externes Servicepersonal, verbindet sich ebenfalls über einen gesicherten VPN-Zugang mit dem Portal. Der Anlagenbetreiber kann in Form einer geschlossenen Benutzergruppe für jeden Service-Spezialisten individuelle Rechte festlegen. Für eine Fernwartungs-Sitzung melden sich die Benutzer mit Zertifikat, Benutzername und Passwort am Portal an und können dann per Mausklick die für sie freigegebenen Anlagen erreichen. Die Zugänge zum Portal können komfortabel verwaltet werden. Kurzfristige Anpassungen wegen Änderungen im Plan der Service-Bereitschaft sind schnell und einfach möglich. Gibt es beispielsweise mit einem bestimmten Stellmotor ein Problem, so kann die Leitstelle innerhalb von Minuten einen temporären Zugang für einen Service-Techniker des Motorherstellers einrichten und dessen Spezialkenntnisse nutzen.
Die Übertragung der Daten selbst erfolgt über sichere VPN-Verbindungen, basierend auf dem Sicherheitsprotokoll OpenVPN. Das Portal wird in einem Hochleistungs-Rechenzentrum mit einer redundanten Anbindung und 24/7/365-Überwachung gehostet, so dass eine Netzwerkverfügbarkeit von weit über 99 % garantiert ist. mbCONNECT24 ist fein skalierbar und für die Fernwartung eines kleinen Windparks im Nachbarort genauso geeignet wie für die Anbindung einer Vielzahl von Windkraftanlagen, die weltweit betreut werden. Die Service-Spezialisten benötigen neben ihren Zugangsdaten nur eine Verbindung zum Internet, entweder über das Firmennetzwerk, über den DSL-Anschluss zuhause oder von unterwegs über ein UMTS-Modem.

Anlagenüberwachung mit dem Smartphone

Mit mbWEB2go können Windkraftanlagen unabhängig von stationären PCs überwacht werden. Als einfacher und mobiler Webzugang ermöglicht mbWEB2go dem Anwender, sich per Smartphone oder Tablet-PC auch von unterwegs die wichtigsten Betriebsdaten anzeigen zu lassen. Diese liegen als Webvisualisierung auf dem integrierten Webserver der mbNET-Router oder auf anderen Ethernet-Geräten der Anlage. Die Anmeldung am Fernwartungsportal mbCONNECT24 erfolgt per Benutzerkennung und Passwort über das sichere HTTPS-Protokoll. Der Zugang auf die Webvisualisierung funktioniert mit jedem Browser, ohne dass eine zusätzliche Software oder eine extra App installiert werden muss. Zum Verbindungsaufbau ist weder ein VPN-Client noch ein spezielles Zertifikat erforderlich.

Hosting oder eigener Server

Neben der Hosting-Lösung ist das Fernwartungsportal mbCONNECT24 zusammen mit passender Serverhardware auch als vorinstalliertes Komplettsystem verfügbar. Das ist für Anlagenhersteller und Service-Dienstleister interessant, die innerhalb ihres Firmennetzes ihr eigenes Serviceportal realisieren wollen. Alle VPN-Verbindungen enden im Einflussbereich des Betreibers. Die vorkonfigurierten mymbCONNECT24-Server übernehmen als Rückgrat der Servicezentrale das gesamte Verbindungsmanagement. Sie werden in zwei Leistungsstufen angeboten: Die Variante „midi“ unterstützt als Box-Lösung bis zu 250 Benutzer und 50 gleichzeitig aktive Verbindungen. In der Variante „maxi“ im 19“-Rack sind bis zu 1000 Benutzer bei 150 gleichzeitig aktiven Verbindungen möglich.

mymbCONNECT24 midi

Datensicherheit und Zugriffsschutz

Die Architektur von mbCONNECT24 als Portallösung erfüllt die hohen Sicherheitsanforderungen, die für den Zugriff auf Firmennetzwerke bestehen. Bei mbCONNECT24 werden die Verbindungen sowohl von der Service-Seite als auch von den Windkraftanlagen immer zum Portal-Server hin aufgebaut. Verbindungsanfragen vom Portal zur Anlage oder zum Servicerechner kommen systembedingt nicht vor, so dass eingehende Verbindungen auf beiden Seiten komplett gesperrt werden können. Da auch sonst keine spezielle Netzwerkkonfiguration oder Portfreischaltung notwendig ist, haben Portallösungen eine hohe Akzeptanz bei den Netzwerk-Verantwortlichen.