Datenfunk - Datenübertragung per Funkmodem im Braunkohletagebau

(openPR) Braunkohleförderung wird in Deutschland im Tagebau betrieben. Geologisch bedingt liegt die Kohle zwar oberflächennah aber dennoch unter mehreren Metern Deckgestein verborgen. Um an die Flöze zu gelangen, ist daher Absenkung des Grundwasserspiegels erforderlich. Mit leistungsfähigen Pumpen ist dies kein Problem. Deren Betriebszustand muss aber zügig und vor allem sehr sicher erkannt und weiter gemeldet werden. Hier bietet sich ein werksinternes Datenfunknetz an, das jede Pumpstation einschließt und flexibel in die sich verändernde Geländestruktur eingepasst werden kann.

Braunkohle ist eine wichtige Energiequelle vor allem für die Stromerzeugung. Strom und damit Braunkohlenachschub muss rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr sichergestellt sein. Dies bedeutet für die ohnehin aufwändige Infrastruktur im Tagebau eine zusätzliche Belastung. Eine Erleichterung bringt dabei die Anbindung unterschiedlicher Überwachungsstationen per Datenfunknetz an die Überwachungszentrale. Aus diesem Grund hat der Tagebaubetreiber RWE in Zusammenarbeit mit Welotec dem Spezialisten für Fernwirktechnik ein eigenes Datenfunknetz zur Überwachung der Grundwasserpumpen im Tagebau Garzweiler aufgebaut.

Vor allem sicher
Wie viele „Häuslebauer“ in Gebieten mit hohem Grundwasserspiegel wissen, drängt dieses Wasser langsam aber sehr sicher in jede Grube unterhalb des Grundwasserspiegels. Heute ausgehoben und trocken ist über Nacht die Grube teilweise voll gelaufen und einen Tag später voll. Auch im Tagebau stellt sich dieses Problem, allerdings in ganz anderen Dimensionen. Das Abpumpen der Wassermengen aus teilweise 150 m Tiefe ist beherrschbar, immer wieder vorkommende technische Störungen wie auch den Betriebszustand der Pumpen (Ein/Aus, Leistung, Pegelstand) muss man jedoch zügig erkennen können. Dank des eher langsamen Wasserzuflusses ist daher für die Überwachung keine Echtzeitübertragung wie in der Automatisierungstechnik nötig, aber die Übertragung muss immer zuverlässig funktionieren.

Kabelgebundene Systeme in „Baugruben“ mit ihrer rauen Topographie und schwerem Gerät im Einsatz sind störanfällig. Zudem kosten kilometerlange Datenkabel „teures“ Geld und erfordern regelmäßige Wartung. Die Alternative ist eine Datenübertragung per Funknetz. Hier gibt es zwei Möglichkeiten, entweder per Modem über ein Mobilfunknetz oder über Datenfunkmodems und ein eigenes Firmennetzwerk. Mobilfunkmodems bieten den Vorteil, dass man schnell mit geringstem Installationsaufwand weltweit auf Daten zugreifen kann. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die unsichere Datenübertragung. Jeder kennt die Probleme z.B. an Sylvester eine Verbindung zu bekommen oder Netzausfall womöglich über Stunden durch Störungen im Betreibernetz oder der Stromversorgung der Verbindungsknoten. Gerade für den Tagebau sind solche Nachteile keinesfalls tragbar. Fällt die Netzverbindung über Stunden oder gar Tage aus, so ist dies für den sicheren Betriebsablauf unannehmbar. Hinzu kommen Funklöcher und Übertragungsprobleme, da im quadratkilometergroßen Tagebau naturgemäß kein Antennenmast gesetzt werden kann. Selbst wenn man einen Mast setzen könnte, hätte der Betreiber daran kein wirtschaftliches Interesse, da er nur das recht kleine Betriebsnetz selbst als „Kunden“ hätte.

Als Lösung für die großflächigen aber doch überschaubaren Areale wie den Tagebau, Steinbrüche oder Stauseen bietet sich ein firmeneigenes Funknetz an. Im vorliegenden Fall empfahl daher Welotec Satelline Datenfunkmodems für diesen Anwendungsfall. Diese Datenfunkmodems können je nach Aufgabe bis zu mehreren zehn Kilometern sicher überbrücken. Dank Einsatz lizenzierter Frequenzen (siehe Kastentext) ist auch eine Störung durch andere Funksender nahezu ausgeschlossen. Zur direkten Übertragung von digitalen und analogen I/O-Signalen oder auch Ethernet TCP/IP gibt es entsprechende Interfacemodule und Signalkonverter. Eine Akkugestützte Stromversorgung stellt den Betrieb rund um die Uhr sicher. Mit etwa 2.000 solcher Datenfunkmodems verteilt über den ganzen Tagebau aufgeteilt in Masterstationen zu je 20 Slaves lassen sich alle Pumpen zuverlässig überwachen. An die Funkmodems angeschlossene Datenübertragungsrechner gewährleisten die zuverlässige Übertragung der Prozessdaten. Gleichzeitig übernehmen sie die Ansteuerung der Frequenzumrichter an den Pumpmotoren. So lässt sich die Pumpleistung von der Zentrale aus stufenlos den Erfordernissen vor Ort anpassen.

In alle Modems wurden im Werk die letzten 4 Zahlen der Serien Nummer als Adresse eingetragen. Der Leitstelle muss nun nur bekannt sein, welche Adresse die Pumpstation hat und kann sie dann über das Mastermodem konkret ansprechen. Im Gegenzug wird diese Adresse auch jeder von der Pumpstation gesendeten Nachricht voran gestellt. So kann jede Meldung in der Leitwarte direkt einer Pumpstation zugeordnet werden.

Zuverlässig und robust
Die eingesetzten Datenfunkmodems arbeiten in den lizenzpflichtigen Frequenzbereichen VHF bei 138MHz bis 174MHz und 218 bis 238 MHz sowie UHF bei 380 bis 470 MHz. Je nach Frequenzbereich und Einsatzbedingungen erreichen sie Sendeleistungen bis zu 10 W. So lassen sich je nach Applikation Entfernungen bis zu 20 km und mehr überbrücken. Für die Datenübertragung garantieren unterschiedliche Schnittstellen wie RS232 oder RS485 eine problemlose Anbindung an die unterschiedlichsten Endgeräte und Anwenderprotokolle wie Profibus DP, Modbus und andere. Haupteinsatzbereiche für SATEL-Datenfunkmodems in Deutschland sind Zeitschlitz-Anwendungen (448 MHz, 6 W), 1:24 Datenfunk (459 MHz, 6 W) und der nichtöffentliche mobile Landfunk NömL (433 MHz, 500 mW). Die entsprechenden Frequenzen werden von der Bundesnetzagentur exklusiv vergeben und sind entsprechend störungssicher. Die anfallenden laufenden Lizenzgebühren in Deutschland sind mit ca. 15 Euro pro Jahr und Gerät sehr niedrig.

Moderne Datenfunkmodems für Betriebsfunknetze sind eine individuell anpassbare, sehr ausfallsichere Datenanbindungen für Überwachungs- oder Steuerungszentralen. Ihre Reichweite von mehreren Kilometern genügt in praktisch allen industriellen Anwendungen in Europa. Da der Anwender selbst der Netzbetreiber ist, kann er alle nötigen Konfigurationen, Wartungsarbeiten etc. selbst bestimmen und auf Zeiten legen, die seinem Betriebsablauf entgegenkommen. Dies spart Zeit und Geld bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit.

Lizenzfreier Datenfunk
Bei lizenzfreiem Datenfunk ist die Sendeleistung je nach Frequenz auf 5 bis 500 mW begrenzt. Dies erlaubt günstigerweise Reichweiten bis ca. 2,5 km, eine fast nur bei innerbetrieblichen Anwendungen ausreichende Entfernung. Dem Anwender entstehen keine laufenden Kosten, allerdings besteht kein Anspruch auf exklusive Nutzung der Frequenz, so dass Störungen durch andere Nutzer auftreten können.

Lizenzierter Datenfunk
Geräte mit größerer Sendeleistung und damit größeren Reichweiten per Funk müssen vor Inbetriebnahme bei der Bundesnetzagentur angemeldet werden. Diese weist dem Betreiber dann eine Frequenz zu. Entfernungen von bis zu 20 km und mehr sind mit lizenziertem Datenfunk überbrückbar. Da die Frequenzen exklusiv vergeben werden, sind Störungen durch andere Betreiber von Funksystemen ausgeschlossen. Die Nutzung dieser Frequenzen ist in Deutschland grundsätzlich gebührenpflichtig (ca. einem Euro pro Station im Monat). Ausnahme: Behörden und gemeinnützige Einrichtungen bzw. Energieversorger werden keine Gebühren berechnet.
Frequenzbereich und die nutzbare Sendeleistung richtet sich z.B. nach der zu überbrückenden Entfernung oder ob es sich um eine mobile oder ortsfeste Anwendung handelt. Um möglichst viele Nutzer im verfügbaren, begrenzten, nicht öffentlichen Frequenzband unterzubringen, werden die Frequenzen auch in Zeitschlitze unterteilt. Die Zeitabschnitte werden dann verschiedenen Nutzern zugewiesen. Alternativ gibt es für die Frequenz einen Duty-Cycle. So darf der Betreiber bei Frequenzen, die der 1/24-Regelung unterliegen, die Frequenz insgesamt nur eine Stunde pro Tag belegen.

http://www.welotec.de/solution/CMS/M2M-Datenkommunikation_und_Antennen.aspx