Leckageüberwachung Internet-basierte Datenübertragung zur Pipeline-Überwachung

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thilo Glas / Dr. Jörg Kempf

Sollen prozesstechnische Parameter in einer räumlich ausgedehnten Anlage überwacht werden, sind in der Regel weitläufige Kabelverbindungen notwendig. Wie das Anwendungsbeispiel einer Pipeline zeigt, lassen sich derartige Daten ebenfalls mit Standardkomponenten über das Internet sicher und schnell übertragen.

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Phoenix Contact und Krohne Messtechnik haben gemeinsam eine Lösung zur Pipeline-Überwachung entwickelt, mit der sich Daten mit Standardkomponenten sicher und schnell über das Internet übertragen lassen.
Phoenix Contact und Krohne Messtechnik haben gemeinsam eine Lösung zur Pipeline-Überwachung entwickelt, mit der sich Daten mit Standardkomponenten sicher und schnell über das Internet übertragen lassen.
(Bild: Phoenix Contact)

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, damit sich der Vorgang effizienter gestaltet.

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.

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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 nachträglich sowie illegal an der Pipeline angebrachtes Ventil dauerhaft Treibstoff abgezweigt, was sowohl den Pipeline-Betreiber als auch die Umwelt nachhaltig schädigt.

Besondere Berücksichtigung von transienten Zuständen

Für den geschilderten Anwendungsbereich haben die Öl und Gas-Experten von Krohne Messtechnik über viele Jahre eine zuverlässige Überwachungslösung entwickelt. Diese ist integraler Bestandteil der Software Pipe-Patrol, die auf einem Server in der Leitwarte des Anwenders läuft. Das Konzept berücksichtigt dabei die besonderen Verhältnisse bei der Weiterleitung von Treibstoffen, z.B. 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 Pipe-Patrol-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 der Duisburger Sensorspezialist daher an Phoenix Contact gewandt, um gemeinsam eine passende Kommunikationslösung für diese Applikation zu erarbeiten.

Präziser 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.

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Zugriffssichere Kommunikation auch im Ex-Bereich

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

In der Prozess- und Verfahrenstechnik wird das Thema Security immer wichtiger. Mit dem Security Router mGuard trägt Phoenix Contact diesem Trend Rechnung. Der Security Router erfüllt sowohl die besonderen Ansprüche der Prozessindustrie an die Hardware als auch die hohen IT-Anforderungen für Security-Produkte. Hardwareseitig sind das unter anderem der erweiterte Temperaturbereich von -40 °C 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 in der Industrie weitverbreitete 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 einfache und schnelle Integration von Anlagen mit gleichen IP-Adressen ohne Adresskonflikte in ein übergeordnetes Fertigungsnetzwerk erlaubt.

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, welche die Steuerung jederzeit aktuell mit einem Zeitstempel liefert.

Flexible Erweiterbarkeit der verwendeten Kleinsteuerung

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 aus dem Inline-Baukasten kombiniert werden kann. Die jeweiligen Kommunikationsmodule dienen der Integration der Steuerung in die verschiedenen Feldbussysteme. Eine Datenübertragung via VPN-Tunnel durch das Internet beeinflusst dabei die Auswahl der SPS nicht, denn sie lässt sich mit jeder Ethernet-fähigen Steuerung realisieren. SPS und die im Feld verbauten Sensoren sind klassisch über ein 4…20mA-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…20mA-Signale an ein sekundäres System des Anwenders weiterleiten lassen. Auf diese Weise können die vorhandenen Sensoren ihre ursprünglich angedachte Überwachungsfunktion wahrnehmen. Unter günstigen Umständen muss der Anwender also keine weiteren Sensoren installieren und spart damit Kosten ein.

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Verdrahtete Montageplatte als einsatzbereite Lösung

In der ersten Projektphase besteht die Applikation des taiwanesischen Anwenders aus vier entlang der Pipeline verbauten Feldeinheiten. Die vierte Einheit liegt bereits auf dem Gelände des Tanklagers, auf dem auch die Leitwarte mit dem Pipe Patrol-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 und ansonsten keine andere Funktion hat. 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, sind die Feldeinheiten als verdrahtete Montageplatten angeliefert worden. 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, die einsatzbereit in einem Gehäuse oder Schaltschrank verschickt wird, 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 im Vertical Market Management von Phoenix Contact speziell für jeden industriellen Bereich entwickelt. Eine Tochtergesellschaft der Phoenix Contact-Gruppe überführt das Konzept dann in komplette Funktionseinheiten wie verdrahtete Montageplatte oder komplett bestückte Schaltschränke.

Sie planen eine Modernisierung Ihrer Anlage(n)? Weitere Informationen zum Thema finden Sie auf process.de/anlagen-modernisierung

* T. Glas, Industry Management Process, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

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