IoT für kritische Infrastrukturen

In einem Pilotprojekt hat der Schweizer Energieerzeuger und -versorger Axpo die Überwachung von Masttrennschaltern im Stromnetz automatisiert – per Funk mit dem LPWAN-Funkstandard Mioty. Auch unter ungünstigen Bedingungen und bei Messfahrten mit 120 km/h hat sich Mioty als äußerst robust erwiesen.

In der Schweiz muss man die Axpo nicht eigens vorstellen: Das Unternehmen erzeugt und transportiert elektrischen Strom für drei Millionen Schweizer und Schweizerinnen – das ist mehr als ein Drittel der Bevölkerung – und ist landesweit der größte Anbieter von Energie aus regenerativen Quellen (überwiegend Wasserkraft). Energieversorger unterhalten in der Regel auch ein großflächiges und ausfallsicheres Kommunikationsnetzwerk, um den Zustand aller Komponenten in ihrem Energienetz zu überwachen. Für diese Aufgabe hat die Axpo-Gruppe vor drei Jahren den Spezialisten für krisensichere Kommunikation WZ-Systems übernommen, der heute die Kommunikations-Infrastruktur der Gruppe betreibt.

Pilotprojekt: Fernüberwachung von Masttrennschaltern

Die Experten von Axpo WZ-Systems waren auch die Ansprechpartner für eine Machbarkeitsstudie (Proof of Concept, PoC), das vom Netzbetreiber des Konzerns an sie herangetragen wurde. „Axpo Grid hatte unter den Mitarbeitern einen Innovationswettbewerb ausgeschrieben. Einer der Gewinner hatte die Idee, die Masttrennschalter im Netz online zu signalisieren“, erklärt Reto Friedl, Produkt Manager beim Netzbetreiber Axpo Grid. Dabei stellt sich folgende Ausgangslage: Der Masttrennschalter ist ein mechanischer Schalter, der sich direkt am Mast befindet (Bild 1).

Wenn die Instandhaltung eine Wartung in einem Netzsegment plant, ruft der entsprechende Freileitungsmonteur vor Ort die Leitstelle an und kündigt das Abschalten des betreffenden Abschnittes an. Nach dem händischen Abschalten telefoniert er nochmals mit der Leitstelle und meldete Vollzug. Der Disponent in der Leitstelle änderte dann manuell das Übersichtsschema am System auf dem Bildschirm.

Bild 1. Die Masttrennschalter befinden sich am im freien Feld direkt am Strommasten. Bei einer Wartung in einem Netzsegment schaltet der Freileitungsmonteur den mechanischen Schalter manuell.

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Schaltzustand per Funk abfragen

Um diesen Vorgang zu vereinfachen und zu automatisieren, sollen Sensoren die Stellung der Masttrennschalter erfassen und auf Abfrage per Funk übermitteln. „Die Schalter befinden sich teilweise in sehr unwegsamem Gelände ohne Energieversorgung“, nennt Reto Friedl die zu bedenkenden Hürden. Signalübertragung und Energieversorgung für die Überwachung müssen also relativ autark und wartungsarm sein und auch unter widrigen Bedingungen einwandfrei funktionieren. „Dabei sind auch Witterungseinflüsse, z.B. Sonneneinstrahlung im Sommer und Minustemperaturen im Winter eine Herausforderung für die Sensoren.“ Die Sensorik als solches sei nicht allzu komplex, da sie ausschließlich den Zustand (Ein/Aus) der Schalter übertragen. Perspektivisch wird die Sensorik aber komplexer. Es sollen weitere lokale Sensor- und Umweltdaten erfasst werden, um das Lagebild zu verfeinern oder drohende Ausfälle frühzeitig zu erkennen.

Unter diesen Vorgaben musste somit ein passender Funkstandard ausgewählt werden, auf dessen Basis die entsprechende Abfrage möglichst vieler Masttrennschalter über weite Distanzen zuverlässig erfolgen kann. Auf der Suche nach einer geeigneten Technologie kam Axpo WZ-Systems für die Funktechnik mit der Swissphone Wireless AG und für die Sensoren mit der Comtac AG ins Gespräch. Letztere brachten aufgrund der sicherheitskritischen Anwendung als Funkprotokoll mioty ins Spiel.

Mioty gewährt hohe Übertragungssicherheit

Mioty ist eine vergleichsweise junge, vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen (IIS) entwickelte LPWAN (Low Power Wide Area Network)-Technologie. Sie basiert auf der ETSI Spezifikation TS 103357. Konzipiert wurde Mioty für IoT-Geräte, vor allem in Industrieanwendungen und Smart-City-Konzepten, die sehr hohen Anforderungen an Robustheit und Quality of Service genügen müssen. Als Hauptaufgabe soll mit dem Funkprotokoll eine störfeste Funkverbindung über weite Distanzen aufgebaut werden. Für die großflächige Vernetzung von Masttrennschaltern eignet sich Mioty in der Theorie hervorragend. Dass sich das Funkprotokoll auch in der Praxis bewährt, hat das Pilotprojekt gezeigt.

Die Störfestigkeit von Mioty hängt mit dem integrierten Verfahren zum Telegramm-Splitting zusammen. „Mit Mioty kann man viele Telegramme in einem Netz gleichzeitig versenden, ohne dass sie sich gegenseitig stören. Denn jedes Telegramm wird in viele Teilpakete aufgeteilt, von denen, z. B. aufgrund von Interferenzen, bis zu 50 % verloren gehen dürfen, ohne dass eigentliche Nutzinformationen verloren gehen“, erklärt Uwe Scholz aus dem Business Development der Comtac AG. Das Unternehmen stellt Funksensoren mit Mioty und anderen Funkstandards her. Das Prinzip ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2a. Traditionelle LPWAN-Funkprotokolle übertragen die Daten in einer Nutzlast. Tritt während der Übertragung eine Störung auf, gehen die gesamten Nutzdaten verloren.

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Bild 2b. Mioty splittet die Nutzdaten redundant in Subpakete auf (Telegram-Splitting), sodass bei Verlust einiger Subpakete eine Rekonstruktion möglich ist.

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„Das ist gerade in Applikationen mit großen Reichweiten, aber auch bei vielen Sensoren auf begrenztem Raum, ein echter Vorteil.“ Zudem ist die Funktechnik extrem stromsparend und somit für die hier benötigten batteriebetriebenen Geräte bestens geeignet.

 

Machbarkeit schnell gezeigt

Die prinzipielle Machbarkeit des Projekts war schnell gezeigt. Dafür wurden in der Region eines Axpo-Standortes über eine lokale Basisstation von Swissphone zwei Masttrennschalter und Sensorik über Mioty angebunden. Die Messwerte werden in einem Dashboard in einem Onlineportal gesammelt und für jeden Sensor visualisiert angezeigt (Bild 3).

Bild 3. Ein Dashboard zeigt den Status der statischen Sensoren in Bezug auf zu messende Daten und Verbindungsstatus, sowie in der letzten Zeile die Empfangsstärke pro Sensor und die Verlustrate der übermittelten Nachrichten während der letzten 24 Stunden. Grün = RSSI ≥ –120 dBm, orange = –120 dBm > RSSI ≥ –130 dBm, rot < –130 dBm.

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Mit diesen ersten Anwendungen sind die Verantwortlichen von Axpo Grid zufrieden. „Die Signalübertragung ist zuverlässig. Die zentralen und ganz aktuellen Parameter wie Batteriezustand und Signalpegel werden – natürlich ebenfalls über Mioty – ermittelt und angezeigt“, erklärt Reto Friedl und zieht als Fazit: „Mioty hat unsere Erwartungen erfüllt.“

 

Leicht erweiterbare Infrastruktur

Zu den Vorteilen eines Funksystems gehört: Wenn die Infrastruktur steht, können zusätzliche Sensoren ganz einfach eingebunden werden. Uwe Scholz: „Wir haben auch vier Temperatursensoren zur Netzüberwachung in das System integriert sowie die Überwachung der Torsteuerung an einem Axpo-Standort im Funkgebiet. So kann die Leitstelle sehen, ob das Tor geöffnet oder geschlossen ist.“ Darüber hinaus hat Axpo WZ-Systems auch Mioty-Handsender mit GPS in Fahrzeugen in der Erprobung, die sich über diese Plattform einfach „tracken“ lassen. Mit ihnen lässt sich die Funkabdeckung an potenziellen neuen Sensorstandorten prüfen. „Die Ergebnisse sind immer wieder überraschend, denn die Reichweiten sind auch in abgeschatteten Gebieten höher und als man erwarten würde“, sagt Uwe Scholz.

Mioty oder LoRa?

Zurück zur Frage, warum ein vergleichsweise noch wenig bekanntes Funksystem ausgewählt wurde. Laut Reto Friedl habe man vor allem ein robustes System gesucht, das auch bei schwierigen Geländebedingungen zuverlässig kommuniziere. „Das müssen wir aufgrund unseres geschäftskritischen Use Cases sicherstellen. Hier hat uns Mioty zunächst in der Theorie und dann auch in der Praxis überzeugt.“ Die nötige Reichweite wäre laut Uwe Scholz zwar auch mit dem etablierteren LoRa möglich gewesen, nicht aber die für Betreiber von kritischer Infrastruktur nötige Robustheit, um mit Funksensoren in einem unlizenzierten Frequenzbad zukunftsfähig zu sein.

„In Zukunft wird es im gleichen öffentlichen Funkfrequenzband immer mehr Sensoren geben, die gleichzeitig funken. Das kann, bei größerer Knotendichte, zu Kollisionen führen und Informationen gehen verloren, wenn Telegramme während der Übermittlung gestört werden.“ Mioty adressiert dieses Problem durch eine Redundanz im Telegramm-Splitting. Beim Aufteilen der Telegramme in Subpakete werden die Informationen mehrfach verschickt und können im Empfänger rekonstruiert werden, wenn einzelne Subpakete verloren gehen. „Insbesondere in Grenzbedingungen, wenn es um große Reichweiten geht oder viele Sensoren an einer Stelle aktiviert werden, macht sich dieser Vorteil von Mioty bemerkbar“, sagt Uwe Scholz. „Wir sehen hier für uns viel Potenzial.“

Testfahrten zeigen hohe Funkreichweite

In der Machbarkeitsstudie hat sich gezeigt, dass sich über Mioty ein großes Versorgungsgebiet mit einigen wenigen, leistungsstarken Basisstationen abdecken lässt. Als Versuchsgebiet wurde eine ländliche, leicht hügelige Ebene gewählt, die von zwei Seiten durch Erhebungen mit Tal-Einschnitten abgeschlossen ist. „Eine Basisstation in der Ebene kann eine Fläche von rund 300 km2 abdecken“, schildert Swissphones CTO, Harald Pfurtscheller, aus den ausgewerteten Testfahrten. „Die Funkstrecken für die statischen Sensoren an den Funkmasten oder in Schaltanlagen sind 3,5 km bis mehr als 12 km lang und in der Regel ohne direkte Sichtverbindung. Dies gelingt meist sogar mit viel Reserven von 15 dB zur typischen Systemempfindlichkeit von –138 dBm.

Mit den mobilen Mioty-Sendern konnte in Einzelfällen auch über 20 km ohne Sichtverbindung eine ausreichende Funkverbindung mit Reserven gemessen werden. Unter Sichtbedingungen wurden Funkdistanzen von 30 – 35 km gezeigt, ohne spezielle Richtantennen. Die Stabilität solcher langen, indirekten Links wird jetzt über den Jahresverlauf weiter untersucht.“

Bild 4. Visualisierung der Funkversorgungsgrade. Eine geographische Abdeckung mit redundanter Funkversorgung ermöglicht die Vermeidung von Funklöchern auch bei sehr anspruchsvollen topographischen Verhältnissen.

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Erkannte Funklöcher durch topografische Einschränkungen ließen sich laut Harald Pfurtscheller gut mit einer zweiten oder dritten benachbarten Basisstation in dutzenden Kilometern Entfernung ausgleichen. In überlappenden Zonen erhöht sich dadurch die Übertragungssicherheit. Diese Art von redundanter Netzwerkplanung strebt Swissphone für kritische Anwendungen an (Bild 4).

Leistungsfähigkeit von Mioty weiter ausbauen

Zurzeit lassen sich die meisten typischen LPWAN Szenarien mit Mioty adressieren. Dabei wird in der Regel nur ein Uplink benötigt (Sensor/Funkknoten kann Basisstation erreichen). Mioty-Anwendungen mit Downlink (Basisstation kann Sensor/Funkknoten erreichen) sind gegenwärtig noch limitiert und bedürfen einer entsprechend vorausgegangene Meldung seitens des Funkknotens (Class A). Eine breit abgestützte Industrie-Allianz arbeitet an der Weiterentwicklung der ETSI Spezifikation für echte, bidirektionale Anwendungen mit definierten Latenzen (Class B), nebst weiteren Mechanismen für eine effiziente und energiearme Kommunikation in hochskalierbaren und anspruchsvollen Funkanwendungen.

Stabile Datenverbindung bei 120 km/h

Bild 5. Graphische Zusammenfassung der Ergebnisse einer Messfahrt mit rund 120 km/h: Auch in Zonen mit schlechter simulierter Funkabdeckung (rot) wurden gute Funkverbindungen gemessen (grün und gelb markierte Fahrtabschnitte im roten Kartenbereich). Messwerte siehe Bild 6.

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Durch das Telegram-Splitting-Verfahren lassen sich mit Mioty Daten sehr robust mit hoher Reichweite und bei hohen Geschwindigkeiten übertragen.

„Die Robustheit des Protokolls hat sich auch bei Messfahrten auf der Autobahn mit über 120 km/h relativer Geschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Basisstation nachweislich bestätigt“, sagt Swissphones CTO Harald Pfurtscheller. Eine wesentliche Erkenntnis für zukünftige mobile Mioty-Anwendungen.

Auch in Zonen, in denen Simulationen eine schlechte Funkabdeckung nahelegen, wurde bei einer Messfahrt mit Sendern in bewegten Fahrzeugen eine gute Funkverbindungen gemessen. Sie sind in den grün und gelb markierten Fahrtabschnitten in den roten Zonen in Bild 5 markiert.Auch in Extrembereichen mit hohen Abständen des Fahrzeugs zur Basisstation und niedrigen RSSI-Werten können mit Mioty bei hohen relativen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs zur Basisstation noch Signale empfangen werden (Bild 6).

Bild 7. Geländequerschnitt S1 (oben) und S2 (unten) aus Bild 5 mit berechneter erster Fresnelzone (orange).

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Zwei Geländequerschnitte mit Basisstation und Messpunkt illustrieren die herausfordernden Messbedingungen (S1 und S2 in Bild 5 und 7).

Dass die Funktionstüchtigkeit auch für mobile oder portable Szenarien gezeigt wurde, ist u.a. für zukünftige Anwendungsfelder im Alarmierungs- und Überwachungssegment relevant.

Eurostars: Volle Bidirektionalität und reduzierte Latenzzeit

Unter dieser Zielsetzung wurde von der Swissphone Gruppe dem Fraunhofer IIS in diesem Jahr ein gemeinsames Eurostars Förderprojekt eingereicht und bewilligt. Die Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie durch Innosuisse soll es dem Fraunhofer IIS ermöglichen, die Uplink-Latenz auf weniger als 2 Sekunden und die Downlink-Latenz auf weniger als 15 Sekunden zu reduzieren. Letzteres eröffnet neue Anwendungsfälle, z.B. die Steuerung von Aktoren, Schaltern und Maschinen über Broadcast (Steuerung aller Aktoren über Downlink) oder über Multicast (Steuerung einer Gruppe von Aktoren über Downlink).

Das Projekt deckt den Anwendungsfall des Schutzes von Alleinarbeitern auf Industriegeländen und in ATEX-Umgebungen ab. Als Teil des Projekts wird Swissphone Wireless das Alarmierungs- und Personennotrufterminal „s.QUAD Mioty“ in einer ATEX-Version entwickeln und neue Übertragungsmodi in den s.QUAD-Terminal und in eine Mioty-Basisstation integrieren. Bestandsinfrastruktur kann über ein Software-Update mit den neuen Funktionen nachgerüstet werden. Außerdem wird Swissphone Telecommunications im Rahmen des Projekts eine Mioty-I/O-Bridge entwickeln, die auf der gleichen Infrastruktur basiert und weitere (kritische) IIoT-Anwendungsfälle ermöglichen soll.

 

Mioty-Evaluation-Kit

Bild 8. Das Mioty-Evaluation-Kit von Swissphone.

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Entwickler und Systemintegratoren können von Swissphone eine bidirektionale Mioty-Basisstation für industrielle Anwendungen (Bild 8) beziehen. Für die Integration in bestehende Sensorsysteme wurde ein bidirektionales Funkmodem als Modul für Endgeräte konzipiert.

Die Funktionstüchtigkeit mit verschiedenen Sensoren kann über ein Evaluationsboard geprüft werden, auf dem das Funkmodul bereits integriert ist. Das Board stellt die meisten gängigen Sensorik-Schnittstellen bereit, über die sich die Sensoren schnell physisch einbinden lassen. Das Board ist mit der Arduino-Plattform kompatibel und kann über diese beiden Wege bestellt werden:
www.swissphone.com/mioty-iot-applications und mioty@swissphone.com

 

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