Drahtlose Kommunikation So lassen sich entfernte Messstellen einfach und wirtschaftlich anbinden

Autor / Redakteur: Jörg Brasas* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

In ausgedehnten Infrastruktur-Anlagen müssen häufig Daten von den entfernt gelegenen Außenstationen an die Leitzentrale übermittelt werden. Das RWE-Großkraftwerk Westfalen setzt zu diesem Zweck das industrietaugliche Funksystem Radioline von Phoenix Contact ein. So lassen sich die zur Dokumentation aufgenommenen Messwerte einfach und wirtschaftlich an das Leitsystem übertragen.

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Der Kühlturm des RWE-Kraftwerks Westfalen in Hamm-Uentrup
Der Kühlturm des RWE-Kraftwerks Westfalen in Hamm-Uentrup
(Bild: Phoenix Contact)

RWE zählt zu den größten Stromerzeugern in Deutschland. Der Konzern nimmt auch bei der Gewinnung von Energierohstoffen eine führende Stellung ein. Eines der zahlreichen von RWE betriebenen Kraftwerke liegt in der Lippe-Aue östlich des Stadtbezirks Hamm-Uentrop. Das Großkraftwerk Westfalen bezieht seinen Hauptbrennstoff Steinkohle über den Datteln-Hamm-Kanal. Die Kohle kommt dabei nicht nur aus dem angrenzenden Ruhrgebiet und der Saar, sondern auch aus Osteuropa und Übersee.

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Seit einigen Jahren nutzt das Kraftwerk darüber hinaus Klärschlamm und Ersatzbrennstoffe, um die Feuerungswärmeleistung zu erzeugen. Außerdem werden Gas und Koks aus der angeschlossenen Pyrolyse-Anlage verwendet, die beispielsweise Altkunststoffe und Sortierreste verschwelt. Das Multifunktions-Kraftwerk schafft somit neben der Stromerzeugung einen umweltfreundlichen Zusatznutzen.

Von den ursprünglich drei Blöcken ist derzeit lediglich Block C mit einer Nettoleistung von 284 MW in Betrieb. Block A und B wurden im Februar 2011 dauerhaft abgeschaltet. Für sie errichtet RWE zwei neue Steinkohleblöcke mit einer Gesamtleistung von rund 1600 MW. Als modernste Anlagen ihrer Art können die Blöcke D und E nach ihrer Fertigstellung etwa 3,2 Mio. Haushalte mit Strom versorgen. Aufgrund ihres Nettowirkungsgrads von 46 Prozent reduzieren sie die CO2-Emissionen gegenüber Altanlagen um 2,5 Mio. Tonnen pro Jahr. Ferner kann das Kraftwerk Westfalen später mit einer CO2-Rauchgaswäsche nachgerüstet werden, mit der sich das Kohlendioxid nach der Verbrennung abtrennen und speichern lässt.

Umfassende Dokumentationspflicht des Wasserzu- und Abflusses

Neben dem Neubau und vielen weiteren Projekten standen die Verantwortlichen vor der Herausforderung, die im Außenbereich des Kraftwerks Westfalen gelegenen Temperatur- und Pegelmessstellen an das zentrale Leitsystem anzubinden. Dies vor dem Hintergrund, weil im Rahmen des Kühlprozesses aus dem angrenzenden Fluss Lippe Wasser entnommen wird, um die Verdunstungsverluste bei der Wärmeableitung über die Kühltürme auszugleichen.

Zudem wird ein Teil des Kühlturmwassers zusammen mit dem gereinigten Abwasser der Rauchgas-Entschwefelungsanlagen (REA) in die Lippe eingeleitet. Daher muss der Kraftwerks-Betreiber den Zu- und Abfluss des Kühlwassers gegenüber den Behörden in Form von Pegel- und Temperaturmessungen dokumentieren. Zu diesem Zweck sind entsprechende Messstellen am Fluss eingerichtet worden, deren Signale zentral in der Leittechnik erfasst und archiviert werden.

Die kommunikative Anbindung der weit von den zentralen Gebäuden entfernt gelegenen Einrichtungen war eine Aufgabe. Darüber hinaus musste die in den meist autark aufgebauten Stationen installierte Mess- und Übertragungstechnik mit Energie beliefert werden.

Autarke Energieversorgung durch eine Photovoltaik-Anlage

Zwei der Temperaturmessstellen befinden sich direkt am Ein- und Auslauf des Kühlwassers in die Lippe. Mitten in der Natur fehlt hier natürlich die notwendige Infrastruktur, will heißen es gibt weder eine Stromversorgung noch eine Kabelanbindung an die Kraftwerksgebäude.

Da das Verlegen von Leitungen aufwändig und teuer ist, haben sich die Verantwortlichen von RWE für eine drahtlose Ankopplung der Stationen über das Radioline-Funksystem von Phoenix Contact entschieden. Der Temperatursensor – der an beiden Messstellen im Fluss angebracht ist – und die Funkkomponenten erhalten die erforderliche Energie durch eine autarke Photovoltaik-Anlage von Phoenix Contact, die genau für die jeweils benötigte Leistung ausgelegt wird. Der vorverdrahtete Schaltkasten der PV-Anlage umfasst dabei einen Solar-Lageregler, Solarbatterien, Sicherungen, Reihenklemmen sowie einen Überspannungsschutz.

Neben den beiden genannten wurde an einer weiteren Stelle eine Pegelmessung an der Lippe installiert. Hier liegt eine Spannungsversorgung vor, weshalb lediglich die funkbasierte Datenverbindung zum Leitsystem umzusetzen war. Alle Messstellen müssen eine bis zu 1000 m lange Distanz bis zu dem Kraftwerksgebäude überbrücken, in dem die Ankopplung an das Leitsystem erfolgt. Zwischen den auf den Messstellen und auf dem Gebäudedach montierten Antennen erstreckt sich eine Wiese mit freier Sicht.

Selbstheilende Lösung für stabile Funkverbindung

Das Radioline-System unterstützt den Aufbau eines vermaschten Netzwerks mit maximal 250 Funkmodulen. In diesem Netzwerk kann jedes Wireless-Gerät als Repeater arbeiten und somit Daten an die übrigen Teilnehmer weiterleiten. Dies ist die Grundlage für eine selbstheilende Lösung. Sollte also ein direkter Kommunikationspfad gestört sein, sucht sich das Funksystem automatisch eine alternative Verbindung über ein anderes im Netzwerk funkendes Radioline-Modul.

Der Einsatz von robusten 6-dBi-Rundstrahlantennen an sämtlichen Wireless-Komponenten sorgt für ein stabiles Funksignal zwischen den Stationen. Dem Kraftwerk steht somit eine zuverlässige industrietaugliche Kommunikationslösung zur Verfügung.

Einfache Installation und Inbetriebnahme des Funksystems

Als langjähriger Lieferant von RWE hat das in Bergheim ansässige Unternehmen PBE Esser die Installation und Inbetriebnahme der vorkonfektionierten Komponenten übernommen. Diese gestaltete sich sowohl für das Radioline-System als auch die Photovoltaik-Anlage einfach.

Die entfernten Messstellen übertragen nun analoge Temperatur- und Pegelsignale sowie digitale Störmeldungen an das Leitsystem. Die Funklösung ermöglicht folglich einen wirtschaftlichen Kabelersatz für die I/O-Signale. Über das so genannte I/O-Mapping werden die Daten ohne Software-Unterstützung nur durch Betätigen eines weißen Rändelrads im Funknetzwerk verteilt. Um das Eingangs- mit dem Ausgangsmodul zu verbinden, stellt der Anwender dazu an beiden Modulen lediglich die gleiche I/O-Map-Adresse – beispielsweise „23“ – ein und zieht damit ein „drahtloses“ Kabel zwischen den Stationen.

Zuverlässige Signalübertragung über große Distanzen

Das Radioline-System besteht aus einem Funkmodul, an das bis zu 32 I/O-Erweiterungsmodule angereiht werden können. Die Ein- und Ausgabemodule, die sich im laufenden Betrieb installieren lassen, verfügen teilweise über eine hochwertige galvanische Kanal-zu-Kanal-Trennung.

Im Kraftwerk Westfalen sind jeweils analoge und digitale Eingangskomponenten im Schaltkasten an der Messstelle nahe der Lippe verbaut. Die entsprechenden Ausgangsmodule befinden sich auf dem Dach eines Kraftwerksgebäudes. Alle aufgenommenen Signale werden automatisch eins zu eins über das Funksystem kommuniziert; ein analoges 8-mA-Eingangssignal wird also auch mit 8 mA am Ausgang ausgegeben. Im Kraftwerk sind die Signale auf die jeweiligen Eingangskarten des Leitsystems verdrahtet. Programmieraufwand entsteht somit nur hier, um die Daten entsprechend darzustellen und zu archivieren.

Für große Entfernungen: Trusted-Wireless-Technologie 2.0

Die Funkmodule der Produktfamilie Radioline basieren auf der von Phoenix Contact entwickelten Version 2.0 der Trusted-Wireless-Technologie. Das lizenzfrei im 2,4-GHz-Frequenzband arbeitende Wireless-Verfahren zeichnet sich neben der hohen Robustheit und Zuverlässigkeit durch die große überbrückbare Reichweite aus, die bei freier Sicht mehrere Kilometer betragen kann. Außerdem entstehen dem Anwender aus der Nutzung der Technik weder zusätzliche noch laufende Kosten.

* Dipl.-Ing. Jörg Brasas, Product Manager Wireless, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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