Versorgungssicherheit in jedem Winkel

Edge-USV-System schützt und überwacht Equipment außerhalb des Rechenzentrums

| Autor / Redakteur: Michaela Pfeifer / Ulrike Ostler

Das „Wöhrle Edge Power Management-System“ (WEP) soll IT- und OT-Equipment zuverlässig mit Strom versorgen und vor Schäden schützen.
Das „Wöhrle Edge Power Management-System“ (WEP) soll IT- und OT-Equipment zuverlässig mit Strom versorgen und vor Schäden schützen. (Bild: Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH)

Ob IoT oder Industrie 4.0 – immer mehr Quellen erzeugen immer wichtigere Datensätze, 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 sichert Wöhrle Stromversorgungssysteme Mikro-Rechenzentren und andere dezentrale IT- und OT-Anwendungen schnell und umfassend ab.

Zwischen 2017 und 2025 soll sich die Zahl der weltweit generierten Daten verzehnfachen, schon vor einem Jahr ermittelte der amerikanische Anbieter von Digital-Management-Software für die Medienindustrie Merlin One 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 müssen nicht alle Informationen von einer zentralen Instanz verarbeitet werden.

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.

Der kleine Bruder der Cloud

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 wird 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 Servicequalität steigt.

Außerdem vermeidet der Verzicht oder zumindest die geringere Bedeutung einer Zentraleinheit einen Engpass und damit auch eine potenzielle Fehlerquelle. Ein Serverausfall 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. Das kann ein Schaltschrank sein, ein spezieller Raum innerhalb des Standorts oder ein eigenes Mikrorechenzentrum. Allen gemein sind Mindestanforderungen für die Sicherheit des darin untergebrachten Equipments und damit auch für die Stromversorgung und deren Verfügbarkeit. Diese Anforderungen können durch einzelne Elemente wie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, Filterelemente und Stromverteilungsschienen abgedeckt werden.

Sie können aber auch, wenn Zuverlässigkeit, Sicherheit und schnelle Verfügbarkeit gefragt sind, durch eine Kombilösung wie das „Wöhrle Edge Power Management-System“ (WEP) bereitgestellt werden. Diese „Edge-USV“ enthält alle notwendigen Komponenten, um IT-Equipment an abgelegenen Standorten sicher und normenkonform mit Strom zu versorgen und zu überwachen.

Das „Wöhrle Edge Power Management- System“ (WEP) soll Rechenleistung selbst an den entlegensten Orten sichern.
Das „Wöhrle Edge Power Management- System“ (WEP) soll Rechenleistung selbst an den entlegensten Orten sichern. (Bild: Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH)

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. Das 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 betrieben wird.

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 schon im Grundzustand eine USV, Stromverteilung und Überwachungsfunktionen, die an die Kundenbedürfnisse angepasst werden können.

Das beginnt schon bei unterschiedlichen Leistungsklassen der eingesetzten USVs, die von einphasig mit 1 Kilovoltampere (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 werden.

Im Gegensatz zur früher üblichen monolithischen Technologie, haben modular aufgebaute USVs zahlreiche Vorteile. Sie bestehen aus einzelnen und weitgehend autarken Leistungsmodulen mit 10 bis 50 Kilowatt (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 Chassis-Version bis zu zwei Module mit 10 kW, 20 kW und 25 kW aufnehmen.

Modularität hilft auch bei der Wartung. Denn während Wartungsarbeiten früher nur während geplanter Stillstandszeiten möglich waren, vereinfachen modulare USVs den Vorgang.

Die Leistungsmodule sind Hot-Swap-fähig und können im laufenden Betrieb ausgetauscht werden. Das schnelle Austauschen von Modulen senkt auch die Mean Time to Repair (MTTR). Tritt eine Störung auf, kann der Servicetechniker das defekte Modul in wenigen Minuten gegen ein mitgebrachtes, neues tauschen und die volle Redundanz wiederherstellen.

Umfassendes Monitoring der Komponenten

Fernwartung und Remote-Control gehört heute bei entfernt aufgestellten Anlagen zur Standardausstattung. Das WEP wird mit den wichtigsten Überwachungsfunktionen ausgeliefert, zahlreiche weitere Monitoring-Funktionen sind optional verfügbar. So ist ein vollständiges Energiedaten-Management mit Messung nach EN 50600 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 Web-Server in der Monitoring-Unit dient als sichere Anlauf- und Konfigurationsstelle für den Anwender, auch Alarm- und Temperatur-Management gehören zur Standardausstattung. Erfasst werden können Türkontakte sowie Temperatur und Feuchtigkeit. Weitere Sensoren wie Gassensoren, Strömungswächter oder Leckage sind je nach Kundenanforderung möglich.

Zusätzlich sind digitale Ein- und Ausgänge in das Monitoring-Modul integriert, mit denen potentialfrei Alarme und andere Signale bidirektional verarbeitet werden. Das WEP bietet Energiemessungen pro Verteiler oder granular, heruntergebrochen auf jeden einzelnen Abgang. Das ermöglicht sehr detaillierte Einblicke in die Verbraucher und hilft, Anomalitäten im Vorfeld aufzuspüren.

Das „WEP“ enthält laut Anbieter alle Komponenten, die eine Stromversorgung absichern, Leistung kontrolliert an Verbraucher verteilen und die USV per Fernwartung überwachen können.
Das „WEP“ enthält laut Anbieter alle Komponenten, die eine Stromversorgung absichern, Leistung kontrolliert an Verbraucher verteilen und die USV per Fernwartung überwachen können. (Bild: Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH)

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.

Gut geschützt gegen Störungen und Spannungsprobleme

Ebenfalls unerlässlich sind Filter gegen Überspannung, Spannungsspitzen und Frequenzschwankungen, damit das Equipment bei unterschiedlichsten Anwendungen, auch unter widrigen Umständen, geschützt ist. Ein solcher Überspannungsschutz (Surge Protection Device - SPD) wird beispielsweise von der VDS Richtlinie 2031 für Anlagen mit IT-Equipment gefordert. Gerade dieses Wissen um die konkreten Anforderungen und Bedürfnisse der Planer und Installateure empfiehlt sich eine umfassende Lösung wie die Edge-USV WEP für kritische Anwendungen, bei denen es auf Sicherheit und schnellen Verfügbarkeit ankommt.

Durch ein komplettes Funktionsangebot aus einer Hand reduziert sich der Abstimmungs- und Design-Umfang für Projektierer und Systemarchitekten. Die Lösung ist stark individualisierbar: Das WEP kann beispielsweise mit einer einzelnen Stromzuführung als auch mit zwei separaten Zuleitungen für USV-gesicherte wie ungesicherte Verbraucher eingesetzt werden. Es gibt 1- als auch 3-phasige 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. So können Kunden unter verschiedenen Formen der Energiespeicher für die Edge-USV wählen. Neben industrietauglichen Blei-Akkus 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 Grad und +65 Grad aufweisen.

Solche Cyclon-Zellen sind deutlich teurer als Blei-Akkus, bieten aber gerade in Umgebungen Vorteile, in denen Stillstandszeiten für Wartungen auf ein absolutes Minimum reduziert werden müssen. Sie sind auch durch den niedrigen Innenwiderstand in der Lage, schnell sehr hohe Ströme abzugeben, perfekte Voraussetzungen, wenn eine USV kurzzeitig Lastspitzen abfangen muss.

Ebenfalls möglich ist es, das Wöhrle Edge Power Management-System mit Lithium-Ionen-Batterien zu bestücken. Sie erlauben zuverlässigen Betrieb bis zu einer Temperatur von 40 Grad Celsius, ohne Einschränkungen bei der Lebensdauer. Industrietaugliche Computer halten meist auch Temperaturen von 30 Grad und mehr aus, so dass die Anforderungen an Kühlung und Klimatisierung gesenkt werden können. Dazu verfügen Li-Ion-Batterien über eine höhere Energiedichte als Blei-Akkus, sie können im gleichen Formfaktor mehr Energie speichern.

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