Ob Internet der Dinge oder Industrie 4.0: Immer mehr Quellen erzeugen immer wichtigere Datensätze, und zwar oft an abgelegenen Standorten. Die Abhängigkeit teurer und sicherheitsrelevanter Prozesse von diesen Daten steigt, was die Anforderungen für deren Schutz erhöht. Mit einer speziellen Lösung für Edge-Installationen will Wöhrle Stromversorgungssysteme Mikro-Rechenzentren und andere dezentrale IT- und OT-Anwendungen umfassend absichern.

Zwischen 2017 und 2025 soll sich die Zahl der weltweit generierten Daten verzehnfachen. Schon vor einem Jahr ermittelte MerlinOne, amerikanischer Anbieter von Digital-Management-Software für die Medienindustrie, die unvorstellbare Menge von 2,5 Trillionen täglich erzeugten Bytes. Einen ständig wachsenden Anteil daran haben Maschinen. Das Internet der Dinge (IoT), Industrie 4.0, Steuergeräte in Autos und Haushaltgeräten – die Liste der selbstständig Daten produzierenden Geräte wird immer länger. Dabei handelt es sich oft um sehr kritische Informationen, die für die Steuerung von Produktionsprozessen oder aus Sicherheitsgründen notwendig sind.

Dennoch ist es nicht nötig, alle Informationen von einer zentralen Instanz zu verarbeiten. Der Wert von Daten kann lokal auf die umgebenden Systeme beschränkt sein. Häufig ist zentrales Verarbeiten auch nicht möglich, weil die Latenzzeiten zu hoch wären. In all diesen Fällen, wenn Datenverarbeitung nicht im Zentrum des Netzwerks, zum Beispiel in der Cloud oder im firmeneigenen Rechenzentrum, sondern eher an dessen Rändern passiert, spricht man von Edge oder Fog Computing.

Unabhängig von tatsächlichen Einsatzfällen kann man sich Fog- oder Edge Computing wie eine zusätzliche virtualisierte Schicht zwischen Datenerzeuger und Cloud vorstellen. Es ist eine lokale Entscheidungs- und Verarbeitungsebene, die nachgeordnete Instanzen entlastet. Diese Schicht bereitet Daten nach vorgegebenen Regeln auf und verbessert dadurch die Antwortzeiten, reduziert den Bandbreitenbedarf für die Cloud-Verbindung und verringert die benötigte Speicherkapazität im Rechenzentrum. Damit sind Anwendungen möglich, die sich nur mit der Cloud aufgrund zu geringer Bandbreite oder zu hoher Latenz nicht umsetzen lassen oder die Daten erzeugen, die nur vor Ort, im lokalen Kontext, eine Bedeutung haben und nicht zentral bearbeitet werden müssen.

Je mehr IoT-Geräte in Zukunft die Fabrikhallen, Straßen und Gebäude besiedeln, desto wichtiger werden Edge und Fog Computing für das effiziente und kostengünstige Internet der Dinge werden. Die Wege, die Daten zurücklegen, werden kürzer, die Übertragungskosten sinken, die Wartezeiten schrumpfen, und die Service-Qualität steigt. Außerdem vermeidet der Verzicht oder zumindest die geringere Bedeutung einer Zentraleinheit einen Engpass und damit auch eine potenzielle Fehlerquelle. Ein Server-Ausfall kann nicht mehr ein ganzes System lahmlegen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist der Sicherheitsaspekt. Sensible Daten bleiben am Ort ihrer Erfassung und sind damit für Hacker schwerer aufzuspüren.

Anforderungen an den Edge-Betrieb

IT-Equipment muss auch fernab vom Rechenzentrum an einem sicheren Ort aufgestellt und betrieben werden. Dies kann ein Schaltschrank sein, ein spezieller Raum innerhalb des Standorts oder ein eigenes Micro-Rechenzentrum. Allen gemein sind Mindestanforderungen für die Sicherheit des darin untergebrachten Equipments und damit auch für die Stromversorgung und deren Verfügbarkeit. Diese Anforderungen lassen sich durch einzelne Elemente wie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, Filterelemente und Stromverteilungsschienen abdecken. Betreiber können diese jedoch auch, wenn Zuverlässigkeit, Sicherheit und schnelle Verfügbarkeit gefragt sind, durch eine Kombilösung wie dem Wöhrle-Edge-Power-Management-System (WEP) bereitstellen. Diese „Edge-USV“ enthält alle notwendigen Komponenten, um IT-Equipment an abgelegenen Standorten sicher und normenkonform mit Strom zu versorgen und zu überwachen.

Edge-Anwendungen unterscheiden sich in einigen Aspekten recht deutlich von den Bedingungen in einem gewöhnlichen Rechenzentrum. Zum einen müssen sie oft über lange Zeiträume autark arbeiten. Es gibt kein Personal vor Ort und nur selten Wartungsbesuche. Dies macht eine umfangreiche und, wenn möglich, automatisierte Benachrichtigung und Remote-Control-Fähigkeiten notwendig. Zum anderen arbeiten häufig große elektrische Verbraucher in direkter Nachbarschaft, und die Niederspannungsstationen sind weit entfernt. Als Folge ist die Qualität des Netzstroms nicht so hoch wie in einem urbanen Umfeld, was sehr gute Filter- und Überbrückungseigenschaften erfordert. Zu guter Letzt bestehen Anforderungen an die physische und die elektrische Sicherheit, gerade wenn das Equipment an einem abgelegenen Standort arbeitet.

Eine Lösung für alle Anforderungen

Mit der Edge-USV WEP erhalten Anwender, Elektroplaner und Systemarchitekten eine Lösung für alle Anforderungen im Edge-Umfeld ohne großen Planungsaufwand. Das Edge-Power-Management-System enthält bereits im Grundzustand eine USV, Stromverteilung und Überwachungsfunktionen, die an die Kundenbedürfnisse angepasst werden können. Dies beginnt bereits bei unterschiedlichen Leistungsklassen der eingesetzten USVs, die von einphasig mit 1 kVA Leistung bis zu 50 kVA dreiphasig reichen. Alle USVs sind für den Einbau in Rack vorgesehen und können n+1 redundant und mit unterschiedlichen Batterietechnologien ausgestattet sein.

Das WEP kann beispielsweise mit einer einzelnen Stromzuführung wie auch mit zwei separaten Zuleitungen für USV-gesicherte wie ungesicherte Verbraucher arbeiten.
Bild: Wöhrle Stromversorgungssysteme

Im Gegensatz zur früher üblichen monolithischen Technik haben modular aufgebaute USVs zahlreiche Vorteile. Sie bestehen aus einzelnen und weitgehend autarken Leistungsmodulen mit 10 bis 50 kW Belastbarkeit. Die zu schützende Last wird von allen, parallel arbeitenden Leistungsmodulen versorgt und gegen Beeinträchtigungen wie Spannungsspitzen, Unter- und Überspannung sowie Stromausfälle geschützt.

Der offensichtlichste Vorteil einer solchen modularen Edge-USV-Anlage ist die Skalierbarkeit, sowohl was die mögliche Last als auch was die Redundanz angeht. Das WEP kann in der Chassisversion bis zu zwei Module mit 10kW, 20 kW und 25 kW aufnehmen. Modularität hilft auch bei der Wartung. Denn während Wartungsarbeiten früher nur während geplanter Stillstandzeiten möglich waren, vereinfachen modulare USVs den Vorgang. Die Leistungsmodule sind im laufenden Betrieb austauschbar. Das schnelle Austauschen von Modulen senkt auch die Mean Time to Repair (MTTR). Tritt eine Störung auf, kann der Service-Techniker das defekte Modul in wenigen Minuten gegen ein mitgebrachtes, neues tauschen und die volle Redundanz wiederherstellen.

Fernwartung und Remote-Control gehört heute bei entfernt aufgestellten Anlagen zur Standardausstattung. Der Hersteller liefert das WEP mit den wichtigsten Überwachungsfunktionen aus. Zahlreiche weitere Monitoring-Funktionen sind optional verfügbar. Ein vollständiges Energiedaten-Management mit Messung nach EN 50600 ist ebenso enthalten wie die Möglichkeit, alle wichtigen Feldbusse über Konverter an die eingebaute Netzwerkschnittstelle weiterzugeben. Der Betreiber muss nur eine sichere Internetverbindung bereitstellen. Das WEP steht dann über HTTP(S) zum Zugriff bereit. Über die Netzverbindung erhalten Anwender jederzeit einen exakten Einblick in den Status aller direkt oder über Feldbus angebundenen Komponenten.

Abhängig vom Protokoll lassen sich darüber sowohl lesende als auch schreibende Zugriffe remote auf die Feldbusse durchführen. Ein eingebauter Webserver in der Monitoring-Unit dient als sichere Anlauf- und Konfigurationsstelle für den Anwender, auch Alarm- und Temperaturmanagement gehören zur Standardausstattung. Erfassbar sind Türkontakte sowie Temperatur und Feuchtigkeit. Weitere Sensoren wie Gassensoren, Strömungswächter oder Leckage sind abhängig von Anwenderanforderung möglich.

Zusätzlich sind digitale Ein- und Ausgänge in das Monitoring-Modul integriert, die potenzialfrei Alarme und andere Signale bidirektional verarbeiten. Das WEP bietet Energiemessungen pro Verteiler oder granular, heruntergebrochen auf jeden einzelnen Abgang. Dies ermöglicht sehr detaillierte Einblicke in die Verbraucher und hilft, Anomalitäten im Vorfeld aufzuspüren. Dabei unterstützt eine Differenzstromüberwachung des Typs B (Residual Current Monitor – RCM), die schon kleinste parasitäre Ströme weit unterhalb der Ansprechschwelle eines Fehlerstromschutzschalters erkennt und über ein Interface an das Monitoring-Systeme meldet. Dadurch ist es möglich, frühzeitig alterungsbedingte Schäden oder Veränderungen an der Installation und den angeschlossenen Betriebsmitteln aufzuspüren und einen Beitrag zur Einhaltung der berufsgenossenschaftlichen Vorschriften (DGUV V3/BGV A3) zu leisten. RCM- Systeme sind nach aktueller Technik für den vorbeugenden Brandschutz unerlässlich und erlauben eine schnelle Fehlerlokalisierung ohne Anlagenstillstand.

Ebenfalls unerlässlich sind Filter gegen Überspannung, Spannungsspitzen und Frequenzschwankungen, damit das Equipment bei unterschiedlichen Anwendungen, auch unter widrigen Umständen, geschützt ist. Einen solchen Überspannungsschutz (Surge Protection Device – SPD) fordert beispielsweise die VDS-Richtlinie 2031 für Anlagen mit IT-Equipment.

Durch das komplette Funktionsangebot aus einer Hand reduziert sich der Abstimmungs- und Design-Umfang für Projektierer und Systemarchitekten. Die Lösung ist zudem individualisierbar. Das WEP kann beispielsweise mit einer einzelnen Stromzuführung wie auch mit zwei separaten Zuleitungen für USV-gesicherte wie ungesicherte Verbraucher arbeiten. Es gibt ein- und dreiphasige Varianten sowie eine große Auswahl an möglichen physischen Sicherheitsmerkmalen, angefangen von der abschließbaren Tür über Sabotagedetektion bis hin zum Sicherheitssafe mit 90 Minuten Resistenz gegen Feuer.

Individuell auch beim Stromspeicher

Die Möglichkeit individuelle Anforderungen abzudecken erstreckt sich beim WEP auch auf weitere Systemkomponenten. Betreiber können unter verschiedenen Formen der Energiespeicher für die Edge-USV wählen. Neben industrietauglichen Bleiakkus mit einer typischen Standzeit von sieben bis acht Jahren sind auch Batterien mit erweitertem Temperaturbereich (beispielsweise Cyclon-Zellen) erhältlich, die eine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren und eine hohe Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen zwischen -30 °C und +65 °C aufweisen.
Solche Cyclon-Zellen sind deutlich teurer als Bleiakkus, bieten jedoch gerade in Umgebungen Vorteile, in denen Stillstandzeiten für Wartungen auf ein absolutes Minimum reduziert werden müssen. Sie sind auch durch den niedrigen Innenwiderstand in der Lage, schnell sehr hohe Ströme abzugeben. Dies ist eine perfekte Voraussetzung, wenn eine USV kurzzeitig Lastspitzen abfangen muss.

Ebenfalls möglich ist es, das Power-Management-System mit Lithium-Ionen-Batterien zu bestücken. Sie erlauben zuverlässigen Betrieb bis zu einer Temperatur von 40 °C ohne Einschränkungen bei der Lebensdauer. Industrietaugliche Computer halten meist auch Temperaturen von 30 °C und mehr aus, sodass die Anforderungen an Kühlung und Klimatisierung sinken können. Dazu verfügen Li-Ion-Batterien über eine höhere Energiedichte als Bleiakkus. Sie können im gleichen Formfaktor mehr Energie speichern.

Fazit

Rechenleistung ist mittlerweile an den entlegensten Orten der Erde gefragt. Und selbst, wenn der Standort für Steuerungs- und Monitoring-Systeme nur ein paar Kilometer außerhalb der Innenstädte liegt, muss das Equipment zuverlässig mit Strom versorgt und vor Schäden geschützt sein. Das WEP stellt dafür die passenden Rahmenbedingungen bereit. Die Lösung enthält alle Komponenten um die Stromversorgung abzusichern, die Leistung kontrolliert an die Verbraucher zu verteilen und die USV sowie andere Verbraucher zuverlässig per Fernwartung zu überwachen. Das WEP reduziert den Planungs- und Abstimmungsaufwand, da alle wichtigen Elemente schon in der Grundausstattung vorhanden sind. Dennoch lässt sich diese Edge-USV vielfältig an die Anwenderanforderungen anpassen, beispielsweise über die gewünschte Leistung und die genutzten Energiespeicher.

Domingos Dias ist Projektleiter bei Wöhrle Stromversorgungssysteme, www.woehrle-svs.de.