Wasser & Energie

Die WAG (Wassergewinnungs- und -aufbereitungsgesellschaft Nordeifel mbH) beauftragte die gefeba mit der Migration Ihres PCS 7 Prozessleitsystems. Im laufenden Betrieb wurde das Prozessleitsystem von der PCS 7 Version V8.1 auf die Version V9.0 migriert. Um den Umbauzeitraum möglichst gering zu halten, wurden die PCS 7 Programme vorab am Firmensitz in Gladbeck migriert.

Mengengerüst:

• 5 Engineering-Systeme
• 6 PCS 7 OS-Server (3 redundante Paare) mit insgesamt ca. 13.000 Prozessobjekten
• 6 OS Single-Stations
• 20 PCS 7 OS-Clients
• 1 PCS 7 Web-Server
• 46 SPSen
• ACRON Archivsystem

Der Umbau wurde aufgrund der betrieblichen Gegebenheiten und der räumlichen Trennung der Leitstände in zwei Teilen durchgeführt. Im ersten Schritt wurde der temporäre Leitstand inklusive aller Außenanlagen migriert. Im zweiten Schritt wurde der zentrale Leitstand mit insgesamt 26 SPSen der hochmodernen Ultrafiltrationsmembrananlage migriert. Dabei waren die ASen der bestimmende Faktor, deren Firmware-Updates und Ladevorgänge an die betrieblichen Gegebenheiten ausgerichtet wurden. Während der kompletten Umbauphase wurde ein Mischbetrieb der OSen mit alter und neuer PCS 7 Version realisiert.

Die WAG (Wassergewinnungs- und -aufbereitungsgesellschaft Nordeifel mbH) beauftragte die gefeba mit der Modernisierung des Pumpwerk Rurberg.

Die gefeba plante, fertigte und montierte die neue Niederspannungsverteilung und überführte das alte S5-Programm der Pumpensteuerung (Steuerung und Betrieb von 3 Druckpumpen mit je 1MW) in ein PCS 7 Programm. Dabei kam erstmals die APL-Bibliothek der Firma Siemens bei der WAG zum Einsatz.

Die Inbetriebnahme erfolgte wie im Bereich „Wasser“ oftmals üblich in einem engen Zeitfenster. Hier war zu beachten, dass die Versorgung der Kalltalsperre mit Wasser aus dem Obersee der Rurtalsperre nicht dringend erforderlich war.

Zum Abschluss des Projekts wurden die Mitarbeiter der WAG im Umgang mit PCS 7 und den APL-Bausteinen geschult.

Die WAG betreibt in Roetgen ein modernes Ultrafiltrationswasserwerk zur Bereitstellung von sauberem Trinkwasser in der Region. Das Filterwerk wird dabei u.a. von Wasser aus der Dreilägerbachtalsperre versorgt. Um den nicht für die Filtration benötigten Druck abzubauen ist im Rohrnetz eine Turbine integriert, die den Restdruck in elektrische Energie umwandelt.

In der Vergangenheit kam es bei Umschaltvorgängen immer wieder zu plötzlichen Druckschwankungen, die die empfindliche Ultrafiltration mit deren Membranfiltertechnik zur Abschaltung brachte.

Gefeba konnte durch die langjährige Erfahrung in der Optimierung und Regelung von Wasserturbinen, das Aggregat dahingehend an die Gegebenheiten anpassen, dass nun ein reibungsloser Betrieb gewährleistet ist. So wurden die Ausfallzeiten der Anlage auf ein Minimum reduziert und es konnte eine deutliche Erhöhung der Energieausbeute der Turbine erzielt werden.

Im Zuge der langjährigen Zusammenarbeit, wurde die gefeba beauftragt das PCS 7 Prozessleitsystem der Wassergewinnung Essen GmbH auf die Version V9.0 zu migrieren. Die Migration musste im laufenden Anlagenbetrieb durchgeführt werden, da die Wassergewinnung Essen GmbH ca. 1 Millionen Menschen in der Metropole Ruhr mit Trinkwasser versorgt.

Mengengerüst:

• 3 ESXi VMware 6.7
• 4 Engineering-Systeme
• 2 Programmiergeräte
• Dedizierter Storage Server
• 4 PCS 7 OS-Server (2 redundante Paare) mit insgesamt ca. 10.000 Prozessobjekten
• 15 PCS 7 OS-Clients
• 25 Thinclients
• 2 redundante Domänencontroller
• 87 SPSen

Die Wassergewinnung Essen GmbH erkannte schon vor geraumer Zeit die Vorteile der Virtualisierungstechnologie mittels VMware ESXi. Somit wurde im Zuge dieser Migration durch gefeba die zweite Generation von Host-Hardware installiert. Die Möglichkeiten der Virtualisierung waren auch hier ein Schlüssel zur reibungslosen Hochrüstung.

Da es sich um eine Anlage der kritischen Infrastruktur handelt, wurde frühzeitig auf eine optimale Sicherheit des OT-Systems geachtet und Sicherheitsmechanismen installiert und weiterentwickelt. So stellt ein redundantes Domänencontroller-Paar (Active Directory) die erhöhten Anforderungen an die Benutzerverwaltung sicher und sorgt über eine Richtlinienverwaltung dafür, dass die Belange von KRITIS in der Anlage erfüllt werden.

Ein automatisiertes Backup-Konzept rundet die Verfügbarkeit der Anlage ab.

Die Zusammenarbeit zwischen Emschergenossenschaft/Lippeverband (EGLV) und gefeba zum Projekt vPLS startete im Jahr 2016. Grundlage dieser Zusammenarbeit war die bei EGLV getroffene Entscheidung im Rahmen eines Proof of Concept (PoC), die Realisierung eines virtuellen Prozessleitsystems auf Basis der Software Simatic PCS 7 umzusetzen.

Die gefeba unterstützte während der vorkonzeptionellen Phase mit der praxisorientierten Informationsgewinnung und Beratung zum Thema „zentrales, virtuelles Prozessleitsystem“ die Umsetzung der bei EGLV sogenannten Wasserwirtschaft 4.0.

In einem ersten Schritt wurde in einer Performance-Studie der Datenbedarf einer S7-Außenstation über verschiedene Kommunikationswege (u.a. LTE) und die Auswirkungen der dabei auftretenden Latenzen auf das angeschlossene Prozessleitsystem gemessen und ausgewertet.

Diese Auswertung untermauerte die bei der EGLV getroffene Entscheidung gegen die „klassische S7 – Anbindung mit fernwirktechnischen Komponenten“ und für ein zentrales, virtuelles  „Prozessleitsystem PCS 7“ mit hohen Standardvorgaben an Hard- und Software, Bibliotheken und Anwenderschnittstellen. In einem Piloten mit einer Pumpstation wurden in Zusammenarbeit mit der Firma Siemens, die in einem PoC mit dem Stammhaus die nötige Unterstützung sicherte, und der gefeba mit langjähriger Erfahrung im PCS 7 Umfeld und Virtualisierung von Prozessleitsystemen, die erste Anlage geplant und realisiert.

Mit den gewonnen Erfahrungen wurden danach in einem ersten Bauabschnitt von gefeba fünf Staffelanlagen umgebaut.

Nach Abschluss und Auswertung des ersten Bauabschnittes lagen der EGLV genügend Informationen für die weitere Planung und Überführung der Betriebsanlagen und Prozessleittechnik in die zentrale virtuelle Umgebung innerhalb des EGLV-Rechenzentrums vor. Gefeba unterstützte in dieser Phase die EGLV und deren Mitarbeiter bei der Planung und Implementierung von Hard- und Softwareinstallationen, der Dokumentation von Standards und Vorgaben, sowie wichtige Identifikationen und Hinweise der zu berücksichtigenden Besonderheiten bei der Virtualisierung von Prozessleitsystemen.

Mit gemeinsam abgestimmten und speziell zugeschnittenen Schulungen, aufbereitet und gehalten durch die gefeba, konnten die zuständigen Mitarbeiter der EGLV auf die geänderten Anforderungen vorbereitet werden.

Ziel ist es, alle Betriebsanlagen von EGLV mit den zugehörigen Prozessleitsystemen in die zentrale virtuelle Umgebung zu implementieren. Dazu zählt auch die Betriebsüberwachungszentrale in Bottrop, in der die Betriebsanlagen aus allen Einzugsgebieten überwacht und im Störungsfall die Rufbereitschaften aktiviert werden.

Nach intensiver Vorbereitung wagte die Wassergewinnung Essen GmbH mit der gefeba im Jahr 2016 den sukzessiven Umbau des PCS 7 Leitsystems von konventioneller Rechnertechnik auf eine Vollvirtualisierung mit VMware ESXi.

Die Migration musste im laufenden Anlagenbetrieb durchgeführt werden, da die Wassergewinnung Essen GmbH ca. 1 Millionen Menschen in der Metropole Ruhr mit Trinkwasser versorgt.

Mengengerüst:

• 3 Virtualisierungsserver
• 12 Thinclients zur Visualisierung und Anlagenbedienung
• 6 getrennte Bussysteme
• ESXi VMware 5.0 bis V5.5
• PCS 7 Leitsystem mit 18 Rechnern

Projektlaufzeit: 2016 - 2017

Die ersten Virtualisierungskonzepte wurden mit den in der Projektlaufzeit gewonnenen Erfahrungen und Daten immer weiter optimiert.

So konnten die Server in einem weiteren Projektabschnitt zur Vermeidung eines „single point of failure“ an zwei Standorten räumlich getrennt betrieben werden. Dies wurde erst durch eine hochbandbreitige LWL Strecke ermöglicht.

Wegen der durchgängig guten Erfahrungen mit der neuen Technologie wurden im letzten Schritt die noch physikalisch vorgehaltenen Engineeringsysteme vollvirtualisiert.

Die Redundanzkonzepte bei Ausfall eines der ESXi-Server wurden fortlaufend weiterentwickelt und durch geeignete Softwarelösungen automatisiert.

Der Wartungsaufwand im Vergleich zu den vorherigen IPC wurde deutlich minimiert, durch die Konsolidierung der Rechner kommt es zu einer deutlichen thermischen Verminderung in den Rechnerräumen, was sich auch im Energieverbrauch positiv auswirkt.

Durch Weitsicht der Projektbeteiligten konnten hier - grade im Bereich der Netzwerke - schon wegweisende technische Entscheidungen getroffen und Implementiert werden.

An vielen Stellen war das Systems schon „Ready for KRITIS“.

Im Zuge der langjährigen Zusammenarbeit, wurde die gefeba beauftragt das PCS 7 Prozessleitsystem der Wassergewinnung Essen GmbH auf die Version V8.1 zu migrieren. Die Migration musste im laufenden Anlagenbetrieb durchgeführt werden, da die Wassergewinnung Essen GmbH ca. 1 Millionen Menschen in der Metropole Ruhr mit Trinkwasser versorgt.

Mengengerüst:

• 2 Engineering-Systeme
• 2 mobile ES-Systeme
• 4 PCS 7 OS-Server (2 redundante Paare) mit insgesamt ca. 8.500 Prozessobjekten
• 12 PCS 7 OS-Clients
• 83 SPSen

Bei dieser Migration wurden die Weichen für den Einsatz der PCS 7 Advanced Process Library gestellt.

Nach erfolgreicher Migration wurde sukzessive damit begonnen, das neue Bausteinkonzept auf AS- und OS-Seite umzusetzen.
Besonderes Augenmerk wurde dabei auf das Leitstandpersonal gerichtet, welches behutsam mit dem neuen „look and feel“ der Bedienoberfläche vertraut gemacht wurde.