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Fernüberwachung und -bedienung mit hoher Verfügbarkeit

01  Nach der Umsetzung der Infrastruktur sind auf den vier Esxi-Servern 42 virtuelle Maschinen installiert. Die gesamte Struktur des Netzwerks und der virtuellen Maschinen bis zum Endausbau der Leitzentrale Minden mit insgesamt zwölf fernbedienten Schleusen ist bereits berücksichtigt

02  Die HMI/Scada-Software Proficy Ifix sorgt mit seinem verbesserten Failover-Schutz auch in der Leitzentrales des Wasser- und Schiffahrtsamts Minden für noch mehr Zuverlässigkeit und eine übersichtliche Visualisierung

03  Acron Graph stellt die gesammelten und ausgewerteten Daten komfortabel und bedienerfreundlich in Kurvenverläufen dar

An viele technische Vorgänge und Prozesse in der Industrie und Wirtschaft werden hohe Anforderungen in Bezug auf die Sicherheit und Verfügbarkeit gestellt. Das gilt auch für die Schleusen und Wehranlagen an Bundeswasserstraßen, wo eine zuverlässige sowie sichere Fernüberwachung und -bedienung gefordert ist. In der Leitzentrale in Minden kommt dafür ein modernes dezentrales Server-Client-System inklusive Virtualisierung zum Einsatz.

Im Rahmen des Projekts „Automatisierung und Fernbedienung von Schleusen an Binnenwasserstraßen im Bereich der Wasser- und Schifffahrtsämter Minden und Verden“ wurde die Leitzentrale Minden als Erweiterungsbau auf dem Dachgeschoss des Wasser- und Schifffahrtsamts (WSA) Minden errichtet. Mit dem ersten Bauabschnitt im Jahr 2003 wurden auch die technischen Einrichtungen für die Fernbedienung der Schleusen in Betrieb genommen. Derzeit werden von der Leitzentrale in Minden aus acht Schleusen fernbedient. In 2013 soll die neue Schleuse Dörverden und in 2014 die neue Weserschleuse dazu kommen.

Modernisierung mit Virtualisierung
Vor der Umstrukturierung wurde eine Nutzwertanalyse mit verschiedenen Bewertungskriterien erstellt, um zu prüfen, ob ein Rechneraustausch, eine einfache Virtualisierung oder eine High-End-Virtualisierung am sinnvollsten sein würde. Das oberste Ziel war dabei die Hochverfügbarkeit der Anwendungen zu garantieren und mehr Kontrollmöglichkeiten zu erhalten. Zudem sollten Server eingespart, die Ressourcen ausgelastet, die Hardware standardisiert sowie die elektrische Leistung und der Kühlbedarf reduziert werden. Dabei sollte der Betrieb unterschiedlicher Betriebssysteme möglich sein. Letztendlich kam man zu dem Ergebnis, dass die High-End-Virtualisierung den höchsten Gesamtnutzwert aufweist.
Unter Virtualisierung versteht man eine abstrakte Ebene, die physische Hardware vom Betriebssystem entkoppelt und somit eine größere Auslastung der IT–Ressourcen sowie eine höhere Flexibilität ermöglicht. Dabei lassen sich mehrere virtuelle Maschinen (VM), die jeweils eine eigene virtuelle Hardware und verschiedene Betriebssysteme haben, auf einem Rechner oder Server ausführen. Das Betriebssystem erkennt, unabhängig von den tatsächlichen physischen Hardware-Komponenten, einen konsistenten und normalisierten Hardware-Satz. Dafür sorgt der sogenannte Virtual Machine Manager (VMM). Diese Virtualisierungsschicht hat die Aufgabe, mehrere virtuelle Server-Systeme zu erzeugen, um dem Betriebssystem eine komplette, aber virtuelle Hardware vorzugaukeln. Sie kümmert sich zudem um die Zuordnung der Hardware-Ressourcen zu den virtuellen Servern.

Technische Umsetzung
Hardwaretechnisch wurden vier Server Poweredge R710 von Dell zu einem Cluster zusammengefasst. Als Speicher wurde das System Equallogic PS6010XV mit redundanten Iscsi-Switchen, beide ebenfalls von Dell, an die jeweiligen Server angebunden (Bild 1). Die Verbindung zur realen Welt erfolgt über Switche von Alcatel. Als Back-up-System kommt ein Server Poweredge R510 zum Einsatz. Es ist derzeit noch im Technikraum der Leitzentrale in Minden eingebaut, wird aber demnächst, räumlich getrennt, im Technikraum des Bauhofes Minden installiert und mit dem Schleusennetzwerk verbunden. Für den Einsatz der virtuellen Desktops wurden als Grundlage für den View Client von Vmware, Rechner vom Typ Optiplex 790 verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen PC sind die View-Desktops nicht an den physischen Computer gebunden. Stattdessen befinden sie sich als virtuelle Maschinen auf dem Storage und können somit jedem Arbeitsplatz jederzeit zugeordnet werden.

Bestandteil der Virtualisierungssoftware Vssphere 5.0 von Vmware ist unter anderem Vmware DRS (Distributed Resource Scheduler), Vmware HA (High Availability) und Vmotion. Vmware DRS verschiebt die virtuellen Maschinen innerhalb eines Clusters, um unter Betrachtung der CPU- und Speicherauslastung eine ausgeglichene Verteilung der Last auf den Servern zu erhalten. Mit Vmware HA lässt sich der Ausfall eines Servers innerhalb des Clusters sowie die möglichen Auswirkungen überwachen und kompensieren. Bei einem Ausfall eines Servers werden die hier laufenden virtuellen Maschinen auf einem betriebsbereiten Server im Cluster neu gestartet.
Vmotion ermöglicht die Migration virtueller Maschinen während des Betriebs von einem physischen Server auf einen anderen – ohne Ausfallzeiten, bei kontinuierlicher Serviceverfügbarkeit und vollständiger Transaktionsintegrität. Für die virtuellen Desktops kommt die Software Vmware View zum Einsatz.

Visualisierung und Archivierung
Die Technische Ausrüstung im Softwarebereich wurde von Videc geliefert. Für die Visualisierung kommt das Scada-System Ifix von GE IP zum Einsatz. Auf dieser Basis wird die Steuerung und Überwachung der Prozesse vorgenommen (Bild 2). Als Mensch-Maschine-Schnittstelle stellt das Scada-System die notwendigen Elemente zur Bedienung und Beobachtung von Maschinen und Anlagen zur Verfügung. Vor dem Virtualisierungsprojekt kam bei dem WSA Ifix in den Versionen 3.0 bis 4.5 zum Einsatz. Während der Umsetzung wurden alle eingesetzten Versionen auf einen Stand (Version 5.1) gebracht und zum ersten Mal in einer produktiven virtuellen Umgebung implementiert.
Für den Betrieb der Anlage ist es wichtig, Prozessinformationen über einen langen Zeitraum (mehrere Jahre) zu archivieren. Das System Acron von Videc übernimmt diese Aufgaben und unterstützt den Anwender durch Berichte und grafische Analysen im Bereich der langfristigen Betriebsführung. Die Betriebstagebücher sind „dokumentenecht“ und liefern gegenüber Dritten die erforderlichen Betriebsnachweise (Bild 3). Acron übernimmt und komprimiert die vom Prozess bereitgestellten Daten und speichert sie in einer Datenbank ab. Basierend auf diesen Daten erstellt Acron Tabellen, Berichte, Grafiken sowie Statistiken, die man frei generieren und entsprechend der individuellen Bedürfnisse gestalten kann. Darüber hinaus ist es möglich, mit Online-Darstellungen den aktuellen Verlauf eines Prozesses zu überwachen. Bei der Umsetzung des Projekts wurde die Software zum ersten Mal in einer virtuellen Umgebung betrieben.

Fazit und Ausblick
In der Fachstelle Maschinenwesen Mitte wurde die Virtualisierung der Serverlandschaft einschließlich der Desktop PC erstmals in der Anlagensteuerung eingesetzt. Die Firma Eltro war dabei für die gesamte Planung der neuen virtuellen Infrastruktur sowie deren Umsetzung, Implementierung und Konfiguration zusammen mit der eingesetzten Software zuständig. Unterstützt wurden Sie dabei von den Firmen Videc, Dell und X8bit.de
Ein erstes Ergebnis ist, dass sich der Wartungs- und Energieaufwand für die Hardware verringert hat. Es hat sich jedoch gezeigt, dass für die Administration des gesamten Systems tief greifende IT-Spezialkenntnisse erforderlich sind. Das System wurde so konfiguriert, dass es im Fehlerfall automatisiert erste Maßnahmen anwendet, um den Betrieb weiter zu gewährleisten. Zusätzlich wird dazu der Administrator über den Fehlerfall benachrichtigt, damit weitere Schritte eingeleitet werden können. Bei der Virtualisierung sind Störungen nicht sofort und augenscheinlich erkennbar, da auftretende Fehler durch die Hochverfügbarkeit des Gesamtsystems kompensiert werden können. (no)

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Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Christoph Grote ist Projektleiter bei der Eltro GmbH in Brandenburg.

Dipl.-Ing. Helmut ­Niemann ist Planungsingenieur in der Fachstelle Maschinenwesen Mitte beim Wasser- und Schifffahrtsamt in Minden.

Achim Mehrmann ist Vertriebsleiter der Videc GmbH in Bremen.