Das Gateway

ipConv

DIE MOTIVATION

DIE LÖSUNG

Leitstelle OPC-Client

Leitstelle OPC-Client

ipConv

Unterstation 1 Unterstation 3

OPC-Server Front-End Gateway

Leitstelle

ipConv

Unterstation Unterstation 2

Protokoll B

Protokoll A

Protokoll B Protokoll D

Protokoll C

Die Nachfrage am Markt hat uns veranlasst, ipConv zu entwickeln.

Ziel bei der Entwicklung von ipConv war es, den Kundennutzen in den

Vordergrund zu stellen, wie z. B. sichere Inbetriebnahme, schnelle

Fehlerbeseitigung, einfache Erweiterbarkeit sowie ein optimales

Preis-Leistungs-Verhältnis.

Anpassungen und Ergänzungen können während und nach der

Inbetriebnahmephase sowohl vor Ort als auch von Fern (Modem/

Telefonleitung) auf einfachste Art und Weise vorgenommen werden.

Mit Hilfe intelligenter Softwaretools wird die Inbetriebnahme wesentlich

vereinfacht, beschleunigt und kalkulierbar, d. h. die Inbetriebnahmekosten

werden auf ein Minimum reduziert und die Terminplanung des Kunden

sichergestellt.

Hard– und Software sind so konzipiert, dass bei Bedarf die einzelnen

Module, ähnlich einem Baukasten-System, ergänzt werden können.

ipConv ist ein Kommunikationssystem, das die übermittelten Prozessdaten

der Fernwirkgeräte aufnimmt, bei Bedarf konvertiert und zur Daten-

verarbeitung an das übergeordnete Leitsystem verteilt.

Konvertierung und Verteilung der Daten machen ipConv als Gateway und/

oder Fernwirkkopf / Front-End Rechner zum idealen Bindeglied zwischen

Leitstellen und Fernwirkgeräten.

Darüber hinaus eignet sich ipConv für den Einsatz als Gateway, Router,

Bridge und Datenkonzentrator.

ipConv, bestehend aus Hard– und Softwarekomponenten, bietet somit ein

universelles System zur Lösung von Kommunikationsaufgaben. Damit wird

ein vollkommen neuer Weg zur Reduktion der Kosten im Bereich der

Kommunikation beschritten.

DER EINSATZBEREICH Anwendung findet ipConv überwiegend bei Energieversorgungs-

unternehmen, auf dem industriellen Sektor, wie z. B. in der

chemischen Industrie und Automobilindustrie, im Bahnbereich

und in allen anderen Bereichen, in denen eine Kopplung von

Kommunikationsgeräten stattfindet.

ipConv kann für zahlreiche Netztopologien eingesetzt werden.

DIE SOFTWARE

Interne Softwarestruktur

In vielen Bereichen der Wirtschaft müssen Daten zwischen zueinander

inkompatiblen Kommunikationsendeinrichtungen ausgetauscht werden.

Diese Geräte verfügen zwar über entsprechende Datenkanäle zur

Außenwelt, verwenden aber meistens unterschiedliche Kommunikations-

protokolle.

Die Anzahl der verschiedenen Protokolle auf dem Markt - insbesondere im

Energieversorgungsbereich bzw. im Bereich der Prozesssteuerung und

Prozessüberwachung - ist entwicklungsbedingt sehr groß.

Dementsprechend groß ist der Bedarf an Geräten, die es erlauben,

Kommunikationsprobleme dieser Art zu lösen.

Die Anforderungen können dabei sehr stark variieren. Im einfachsten Fall

sind nur zwei Geräte miteinander zu verbinden, wobei lediglich eine

Konvertierung von einem Protokoll auf das andere zu erfolgen hat.

Schwieriger wird es, wenn die Daten mehrerer, eventuell unterschiedlicher

Unterstationen gesammelt, verarbeitet und an eine oder mehrere

Überwachungs– bzw. Leitstationen weitervermittelt werden müssen.

Die professionelle Konvertierung erfordert eine universelle

Softwarestruktur, mit der alle gängigen Protokolle ohne großen

Aufwand eingebunden werden können.

Eine wichtige Rolle spielt hierbei der Knotenprozess.

Seine Aufgabe ist es, die Informationen von einem Protokoll zu

empfangen, zu verarbeiten und gegebenenfalls an andere

Protokolle zu vermitteln. Alle Informationen vom und zum Knoten

werden in normierter Form bei Wert– oder Statusänderung

transferiert.

Dieser Prozess ermöglicht somit die Kopplung beliebiger

Protokolle auf einfachste Art und Weise.

Konfiguration

Knoten

Monitor

Protokoll A

Protokoll C Protokoll D

Protokoll B

Transparenz

Sowohl während der Inbetriebsetzungsphase als auch im

anschließenden Betrieb ist es von großem Nutzen, anfallende

Störungen schnell diagnostizieren zu können.

Zu diesem Zweck erlaubt jedes Protokoll das Verfolgen des

gesamten Kommunikationsverkehrs mit seiner Gegenstelle auf

unterschiedlichen Abstraktionsebenen, angefangen von den

Rohdaten (Telegramme in Hex-Darstellung) bis hin zur

dekodierten Telegrammdarstellung (Klartextform).

Der Vermittlungsknoten erlaubt ebenfalls das Verfolgen des

Informationsflusses. Hier kann man feststellen, von welchem

Modul die Information kommt, welchen Wert und Status sie hat

und wohin sie weiter vermittelt wird.

Die so gewonnenen Informationen können über einen längeren

Zeitraum archiviert werden, wodurch sich auch selten auftretende

Probleme diagnostizieren lassen.

Das Monitor-Programm ermöglicht die interaktive Verbindung

mit dem Knoten. Aktuelle Informationswerte können somit gezielt

abgefragt werden. Darüber hinaus können Informationen in den

Knoten eingespeist und somit Datensätze simuliert werden.

Alle Informationswerte und –zustände lassen sich jederzeit

überprüfen und bei Bedarf (z. B. während der Testphase) sofort

verändern.

Betriebssystem

ipConv stellt eine universelle Betriebssystem– und Hardwareschnittstelle zur

Verfügung, wodurch die Anwendung von der verwendeten Plattform unabhängig wird.

ipConv wird standardmäßig für die Betriebssysteme LINUX und Windows angeboten.

Hardware

Schnittstellen *) Kurzbeschreibung

Ethernet V.24

1 4 -

SEC2:

PC-basierter embedded Controller, konzipiert für

industrielle Anwendungen. Er verfügt über keine

rotierenden Teile. Ein Lüfter ist aufgrund des

geringen Leistungsbedarfs nicht erforderlich.

1 4 -

Hutschienen Embedded Controller

(HECPM / HECPS):

Kompakter Controller zur Hutschienenmontage

mit Profibus-DP, Master bzw. Slave Schnittstelle.

2 4 -

Midrange Embedded Controller (MEC):

Der MEC ist für die Montage auf einer DIN-

Schiene konzipiert.

Passive Kühlung und eine CompactFlash als

Massenspeichermedium ermöglichen eine

Bauweise ohne bewegliche Teile.

max. 8 max.16 19“ Industrie PC IPC191:

Robuster und flexibler Industrie PC in einer sehr

flachen Bauform. Als Massenspeicher wird eine

CompactFlash verwendet.

- 3 - -

Channel Switch (CS):

Kanalumschalter zur Kopplung zweier

redundanter Geräte an eine Kommunikationslinie.

- 1 - -

Fernwirkumsetzer (FWU):

Fernwirkumsetzer für beliebige Puls-Code und

Puls-Dauer modulierte Protokolle.

*) Andere Ausführungen auf Anfrage

Das Gateway ist mit RS-232 Schnittstellen ausgerüstet, die nur

asynchronen (UART-konformen) Datenverkehr erlauben. Zur

Kopplung andersartiger Protokolle, z. B. „freie“ PCM (Puls-Code-

Modulation) oder PDM (Puls-Dauer-Modulation) Protokolle, wird

der Fernwirkumsetzer eingesetzt.

„Bit-Synchrone“ Protokolle können mit dem Fernwirkumsetzer

übertragen werden.

Das synchrone Übertragungsverfahren, bei dem die Baudrate über

die Einspeisung eines externen Taktsignals vorgegeben wird, wird

dagegen nicht unterstützt.

Fernwirkumsetzer (FWU)

Durch den Einsatz industrieller SolidStateDisks (CompactFlash) als Massen-

speichermedium werden eine hohe Datenintegrität (MTBF ≥ 1.000.000) und

Schockbelastbarkeit gewährleistet.

Der „Intelligenz“ des Controllers ist es zu verdanken, dass die Betriebszeiten der

verwendeten Speicherkarten - selbst für das Windows Betriebssystem - weit über der

üblichen Einsatzdauer der Endgeräte liegt. Der Controller kennt die Anzahl der

Schreib– bzw. Löschvorgänge, die jeder Speicherzelle zu Grunde liegen. Die

Optimierung des Speichervorgangs ist hierdurch sichergestellt.

Selbst bei Stromausfall während des Schreibvorgangs bleiben die Daten erhalten.

Massenspeichermedium

Generalabfrage

Da die Leitstelle keine direkten Informationen über eine

ausgefallene Fernwirklinie erhält, erlaubt ipConv das

automatische Auslösen einer Generalabfrage der

Fernwirkgeräte bei erneutem Verbindungsaufbau.

Zeitsynchronisation

ipConv erlaubt die Synchronisation der Uhrzeit der

angeschlossenen Fernwirkgeräte. Zur Synchronisation

der internen Uhr von ipConv stehen verschiedene

Möglichkeiten zur Verfügung:

1. Zeitsynchronisation über das NTP-Protokoll

2. Manche Kommunikationsprotokolle, wie z. B.

IEC 60870-5-104, erlauben die Übermittlung eines

Zeitstempels.

3. Zeitsynchronisation über einen angeschlossenen

GPS oder DCF77-Empfänger

Nach Synchronisation der ipConv-Uhrzeit wird in der

nächsten Stufe die Uhrzeit der Fernwirkgeräte

synchronisiert.

Passwortschutz

Der Zugang zu allen Administrationskanälen ist

passwortgeschützt und verhindert somit unberechtigten

Zugang.

DER FUNKTIONSUMFANG

Front-End Prozessor / Fernwirkkopf

DIE HARDWARE

Plattformen

Abhängig von den Anforderungen und Wünschen des Kunden steht eine breite

Palette unterschiedlichster Hardware zur Verfügung.

Eine entscheidende Rolle bei der Wahl der Hardware spielen folgende Kriterien:

Anzahl der zu übertragenden Datenpunkte

Art der Kommunikationsschnittstelle

Anzahl der Kommunikationsschnittstellen

Wahl des Betriebssystems

Eine eigene Hardwareentwicklung garantiert die optimale Abstimmung unserer

Produkte für jede Anwendung und gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit, lange

Lebensdauer und Nachlieferbarkeit.

ipConv kann die Aufgabe eines Front-End Prozessors

(Fernwirkkopf) übernehmen. Durch das Baukastenprinzip

können beliebig viele Stationen an das übergeordnete

Leitsystem angebunden werden. ipConv sammelt die

Daten der angeschlossenen Fernwirkgeräte und verteilt

diese entsprechend der Konfigurationsdaten an eine oder

mehrere Leitstellen.

Aus Sicht des Betriebssystems wird die SolidStateDisk genauso

wie eine Festplatte behandelt.

Die SolidStateDisk kann frei gezogen und gesteckt werden ohne

auch nur eine Schraube zu lösen. Dadurch ist ein schneller

Hardwareaustausch ohne ein erneutes Einspielen der Software

und Konfiguration möglich. Das Umstecken der Flash-Karte

genügt.

Die Diagnose zeigt auf einen Blick den Zustand

der Kommunikation auf allen Schnittstellen an.

Im Diagnosemenü werden alle Informationen in

einer klar gegliederten Form angezeigt. Durch

farbliche Hinterlegung des Textes ist der

Zustand jeder Meldung sofort erkennbar.

Neben reinen Meldungen und Messwerten

können auch Steuerbefehle, wie z. B. die

Generalabfrage über graphische Elemente,

ausgelöst werden.

REDUNDANZ

Konfiguration

Mit Hilfe eines integrierten Webservers kann die Konfiguration sehr einfach mittels

Webbrowser, wie z. B. Microsoft Internet Explorer oder Mozilla Firefox über die Ethernet-

Schnittstelle durchgeführt werden. Es ist keine zusätzliche Konfigurationssoftware

erforderlich.

HAUPTMENÜ

Das Hauptmenü

erlaubt den Zugriff

auf alle relevanten

Funktionen von ipConv:

Sicherung und Wiederherstellung der

kompletten Konfiguration

Softwareupgrade

Bearbeitung der Konfigurationsparameter

Import von Konfigurationsinformationen aus

Tabellen

Starten und Stoppen des Systems

Zugriff auf Diagnoseinformationen

Zugriff auf das Prozessabbild und Simulation von Daten

Zugriff auf aktuelle Logdateien

PARAMETRIERUNG

Zur schnellen und effektiven Parametrierung der Anwenderdaten bietet ipConv die Möglichkeit - insbeson-

dere bei großen Datenmengen -, diese aus Tabellen zu importieren.

Die Tabellen werden aus Vorlagen erstellt und können mit Tabellenkalkulationsprogrammen

(z. B. MS-Excel) bearbeitet werden. Durch Verwendung von Algorithmen (Formeln) wird die einzugebende

Datenmenge auf ein Minimum reduziert.

KONFIGURATIONSBEISPIEL

Das Konfigurationsbeispiel zeigt den Linklayer des IEC 60870-5-104 Slave Protokollstacks.

Diagnose

DIAGNOSE

Die Logging-Funktion bietet die Möglichkeit, Infor-

mationen mitzuschreiben und diese für eine gewis-

se Zeit zu archivieren.

Folgende Daten können protokolliert werden:

alle gesendeten und empfangenen Daten

Systemmeldungen, d. h. Verbindungsabbrü-

che, Kommunikationsfehlermeldungen etc.

Konfigurations– und Softwarefehler-

meldungen

Die Logging-Funktion

ist vor allem für die

Inbetriebnahmephase

von großem Nutzen.

LOGGING

Logging

Es werden alle Parameter mit den eingestellten Werten, den dazugehörigen Maßeinheiten und einer Kurzbeschreibung

angezeigt. Zur Parametrierung werden alle notwendigen Parameter eingeblendet.

Eine Plausibilitätsprüfung schützt vor unbeabsichtigten Fehleingaben.

Redundanz

Um auch erhöhten Sicherheitsansprüchen zu genügen, ist ipConv mit Einsatz eines

zweiten Gerätes voll redundanzfähig. Die Redundanzkopplung erfolgt entweder über eine

serielle Verbindung oder über Ethernet. Zum Anschluss von seriellen Kommunikations-

leitungen an beiden Geräten wird unser hauseigener Channel Switch (CS) verwendet.

Leitstelle

Telefonleitung zur Fernwartung

Notebook zur Parametrierung

NTP-Time Server

ipConv #2 ipConv #1

CS CS

RTU RTU

Ethernet

ISDN-Router

Neben der Logging-Funktion können alle

Signale in einfacher, projektbezogener Form

dargestellt und simuliert werden. Dies ist

besonders hilfreich während der Inbetrieb-

nahme.

Daten und Befehle können direkt vom Web-

browser simuliert werden.

Die Simulationsfähigkeit ist besonders

interessant für Vorabtests, bei denen die

Kommunikationsstrecke nicht oder nur zum

Teil aufgebaut ist.

Simulation

SIMULATION

Beispiel 1:

Im Gasbereich der Mainova AG sollen verschiedene Unterstationen direkt

über das Netzwerk gesteuert werden können. Zur Kopplung der

Unterstationen mit den übergeordneten, redundanten Leitstellen werden 20

Gateways, einer in jeder Station, als Knotenrechner eingesetzt.

Die Kommunikation zu den übergeordneten Leitstellen erfolgt über das

Protokoll IEC 60870-5-104.

Lokal und somit auch bei Ausfall der Netzwerkverbindung kann die

Steuerung der Unterstationen zusätzlich über einen angeschlossenen

Stationsleitrechner erfolgen.

Die Kommunikation zwischen dem Gateway und dem Stationsleitrechner

erfolgt plattformunabhängig über OPC DAXML. Auf dem

Stationsleitrechner wird hierzu die Visualisierung sphinx open der Firma

in-integrierte informationssysteme GmbH verwendet.

Betriebssystem, sowohl für den Knotenrechner als auch für den

Stationsleitrechner, ist LINUX.

Die Übermittlung der Daten zwischen Gateway und den Unterstationen

erfolgt mittels SEAB 1F, IEC 60870-5-101 und MODBUS RTU.

Die SEAB 1F Daten der Unterstationen MODICON A120 von AEG werden

mittels Wechselstrom-Telegraphie (WT-Modems, AEG UEM 201)

übertragen.

DIE PROJEKTE

Ethernet TCP/IP

SEAB 1F

ipConv

(Knotenrechner)

OPC DAXML

Stationsleitrechner

(Visualisierung)

WT-Modem (UEM 201)

IEC

60

87

0-5

-101

MO

DB

US

R

TU

Knotenstation

Leitstelle Leitstelle

MODICON A120 Unterstationen

IEC 60870-5-104

Bei diesem Projekt sollen die AC-Netzwerke von Victoria und Tasmanien

verbunden werden. Die Verbindung von Tasmanien zum australischen

Festland erfolgt dabei über ein Unterwasserhochspannungskabel.

Die Protokollkonvertierungssoftware wurde auf die von Siemens

beigestellte Hardware installiert. Die Umsetzung erfolgt von dem Siemens

proprietären SIMATIC TDC Protokoll auf DNP 3.0. Die Kommunikation

zwischen Gateway und dem redundanten Stationsleitsystem wird über ein

gedoppeltes LAN abgewickelt. Zu den Leitstellen erfolgt die Kopplung über

zwei unabhängige RS-232 Linien.

Die Zeitsynchronisation des Gateways erfolgt über das SNTP Protokoll.

Beispiel 2:

Stationsleitsystem

ipConv Gateway

Zu den übergeordneten Leitstellen

Multiplexer RS-232

TDC-Protokoll

DNP 3.0 WinCC

Ethernet TCP/IP

Fernwartung

WinCC

Beispiel 3:

Die nebenstehende Anlage ist im schweizerischen Lötschberg-Basistunnel

in Betrieb. Der Lötschberg-Basistunnel mit einer Länge von 34,6 km ist

weltweit einer der längsten Eisenbahntunnels und verbindet Frutigen

(Kanton Bern) mit Raron (Kanton Wallis). Betreiber der Lötschbergbahn ist

die BLS Lötschbergbahn AG (BLS = Bern-Lötschberg-Simplon).

Zur Überwachung der Anlage setzt die IPCOMM GmbH drei Produkte ein:

das Gateway ipConv, den Router ipRoute-IEC101/104 und den

Schnittstellenwandler ipEther232.

Die Zentralleitgeräte (ZLG) verfügen nur über serielle RS-232

Schnittstellen. Mit Hilfe des Schnittstellenwandlers werden die Daten vom

IEC 60870-5-101 in TCP/IP-Pakete gepackt und an der Ethernet-

Schnittstelle zur Verfügung gestellt. In einem Zwischenschritt werden nun

die Daten mit dem Router von IEC 60870-5-101 in das Protokoll

IEC 60870-5-104 transparent (1 : 1) umgesetzt.

Diese transparente Datenübermittlung ist Voraussetzung für die

Kommunikation mit dem HS-Management.

Die Anbindung der übergeordneten Leitstellen (TLS-Nord, TLS-Süd und

BSV) übernimmt unser Gateway ipConv. TLS-Nord und TLS-Süd werden

über die OPC-Schnittstelle mit Daten versorgt. Die Übermittlung der Daten

an die Leitstelle BSV erfolgt mit IEC 60870-5-104.

Alle Systeme sind redundant ausgelegt.

ZLG ZLG

BSV

TLS-Nord TLS-Süd

HS- Management

HS- Management

OPC OPC

ipConv Süd

Redundanzkopplung

ipConv Nord

IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-101

ipRoute ipRoute

Ethernet TCP/IP

ipEther232

Primärring West

Primärring Ost

Gundstraße 15 D-91056 Erlangen Telefon: +49 9131 92076-0 Fax: +49 9131 92076-10 info@ipcomm.de www.ipcomm.de

Ve

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Protokoll Ausführung Interface / Profiles Protokoll Ausführung Interface / Profiles

Weitere Protokolle auf Anfrage!

DIE PROTOKOLLÜBERSICHT

Auszug der auf ipConv-Basis realisierbaren Protokolle

3964R master / slave PCM async

ACS master / slave PCM async

ACS 3100 master / slave PCM sync

ADLC link layer PCM async

ADLP 80 master / slave PCM sync

ADLP 180 master / slave PCM async

ANSI X3.28 balanced / master / slave PCM async

CDC Type I / II master / slave PCM sync / async

CETT-20 master / slave PCM async

CETT-50 master / slave PCM async

CETT-80 master / slave PCM async

COMLI master / slave PCM async

Conitel-2020 master / slave PCM sync

DF1 master / slave PCM async

DNP 3.0 master / slave PCM async TCP/IP

EFD300/400 master / slave PDM

ESTEL Version 7 master / slave PCM async

F4F master / slave PCM async

Fuji master / slave PCM sync

FW535/537 master / slave PDM

GEADAT 81 master / slave PCM

GEADAT 90 master / slave PCM async

GEATRANS F202 master / slave PCM

Harris 5000/5500/6000

master / slave PCM async

HDLC link layer PCM sync

Hitachi HC 4300 master / slave PCM sync

HNZ 66 S XX master / slave PCM async

IEC 61850 client / server TCP/IP

IEC 60870-5-101 balanced / unbalanced / master / slave

PCM async

IEC 60870-5-102 master / slave PCM

IEC 60870-5-103 unbalanced / master / slave

PCM async

IEC 60870-5-104 master / slave TCP/IP

IEC 60870-6-XXX TASE.2, ICCP

client / server TCP/IP

Indactic 2033 master / slave PCM sync

Indactic 21 master / slave PCM sync

Indactic 23 master / slave PCM async

Indactic 33/41 master / slave PCM sync

ISO 8073 transport layer Ethernet

Micro-F4 master / slave PCM async

MODBUS ASCII master / slave PCM async

MODBUS RTU master / slave PCM async

MODBUS TCP master / slave TCP/IP

NETCON-8830 master / slave PCM async

Nuovo Pignone P6008

master / slave PCM async

OPC DA client / server TCP/IP

OPC DAXML client / server TCP/IP

Procontrol214 master / slave PCM async

Profibus DP link layer Profibus

Profibus FMS MMS Profibus

Quics II master / slave PCM sync

RECON 1.1 master / slave PCM async

RP 570/571 master / slave PCM async

SC1801 master / slave PCM async

SAT 1703 master / slave PCM async

SEAB 1 F master / slave PCM async

SEAB 1N master / slave PCM async

SEAB 1W master / slave PCM async

Simadyn-D master / slave Sinec-H1

Simatic TDC master / slave TCP/IP

Simatic Fetch/Write

master / slave RFC1006

Sinaut ST1 master / slave PCM async

Sinaut 8FW PDM master / slave PDM

Sinaut 8FW DUST master / slave PCM async

Sinec-H1 Industrial Ethernet

transport layer Ethernet

SISA/QD2 master / slave PCM sync

SNMP client / server Ethernet

SPA-Bus master / slave PCM async

TCP/IP transport layer Ethernet

Telegyr 065 master / slave PCM

Telegyr 709/709S master / slave PCM async

Telegyr 809 master / slave PCM async

Telegyr 8979 master / slave PCM async

Tracec 130 master / slave PCM sync

UCA II MMS TCP/IP / PCM async

Wisp + master / slave PCM asynv

XMAT master / slave Sinec-H1

ZM 20 master / slave PDM