Wasserwerke Düsseldorf setzen Stratus ftServer ein Hochverfügbarkeit für die Wasserversorgung

Autor / Redakteur: Rainer Doh / Ulrike Ostler

Die Stadtwerke Düsseldorf haben in zwei Leitwarten ihrer drei Wasserwerke die Verfügbarkeit der Datenbanken mit fehlertoleranten Servern von Stratus abgesichert. Die vollständig redundant ausgelegten Server benötigen keine Administration und können damit auch an Standorten ohne IT-Fachpersonal eingesetzt werden.

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Filteranlagen im Wasserwerk Am Staad der Stadtwerke Düsseldorf
Filteranlagen im Wasserwerk Am Staad der Stadtwerke Düsseldorf
(Bild: Stadtwerke Düsseldorf)

Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel und als universelle Ressource für das wirtschaftliche und gesellschaftliche Leben unverzichtbar. Entsprechend groß ist die Sorgfalt, die für seine Gewinnung, Aufbereitung und Verteilung aufgewendet wird.

In Düsseldorf betreibt die Stadtwerke AG drei Wasserwerke, die pro Jahr rund 600.000 Menschen im Stadtgebiet Düsseldorf, Mettmann sowie in Teilen von Neuss und Erkrath mit insgesamt etwa 50 Millionen Kubikmeter Trinkwasser versorgen. Brunnen entlang des Rheinufers fördern Rohwasser, das zu einem kleineren Anteil aus Grundwasser und zu einem größeren Anteil aus Uferfiltrat besteht. Die Aufbereitung zum Trinkwasser erfolgt nach dem hier entwickelten "Düsseldorfer Verfahren".

Um dauerhaft eine hohe Qualität sicherzustellen und die benötigten Mengen entsprechend dem jeweiligen Bedarf zu den Verbrauchern zu bringen, betreiben die Wasserwerke Düsseldorf umfangreiche technische Anlagen. Neben Brunnen und Aufbereitungsanlagen, gehören dazu unter anderem mehrere Hochbehälter mit einem Fassungsvermögen von 125.000 Kubikmeter Trinkwasser, Druckerhöhungs- und -minderungs-anlagen.

Die IT-Ausstattung der Wasserwerke

In den 90er Jahren haben die Wasserwerke Düsseldorf ihre Anlagen mit Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) ausgestattet und so automatisiert. Alle Geräte und Anlagen werden mit einem ausgedehnten Netz von Messeinrichtungen kontrolliert, derzeit etwa 40.000 Datenpunkte. Damit lassen sich dann beispielsweise über Abweichungen des Wasserdrucks vom Sollwert rechtzeitig Leckagen im Verteilungsnetz lokalisieren und entsprechende Gegenmaßnahmen vor-nehmen.

Die Informationen der Mess- und Steuereinrichtungen laufen in den Leitwarten der drei Werke in Düsseldorf Flehe, Am Staad und Holthausen zusammen. In diesen Leitwarten erfolgt die Abstimmung und Koordination der Systeme sowie die zentrale Datensammlung und -archivierung, denn die Daten müssen natürlich auch revisionssicher aufbewahrt werden.

In den Jahren 1997 bis 2006 wurden in den Leitwarten ein IT-gestütztes SCADA-Leitsystem (SCADA = Supervisory Control and Data Acquisition) aufgebaut, das die Informationen aus den Anlagen zusammenführt, in einem grafischen System übersichtlich darstellt und schnelle Eingriffe durch das Bedienungspersonal erlaubt. Da mit diesem System ein automatischer Betrieb möglich ist, beschränken sich dessen Tätigkeiten im Normalfall auf die Überwachung der Prozesse. Realisiert wurde die Leittechnik mit der SCADA-Software von Wonderware, die Rechner laufen unter dem Betriebssystem Windows. Die Prozessdaten werden im Historian von Wonderware erfasst.

Hochverfügbarkeit im Leitstand

Monitor des SCADA-Systems in der Leitwarte Flehe
Monitor des SCADA-Systems in der Leitwarte Flehe
(Bild: Stadtwerke Düsseldorf)
Die ständige Verfügbarkeit des Leitsystems hat natürlich einen sehr hohen Stellenwert. Vor drei Jahren wurde in einer der Leitwarten der Vollschichtbetrieb aufgegeben: Die Warte Am Staad ist seither nur noch in einer Schicht besetzt, die Aufgaben übernimmt in dieser Zeit die Leitwarte in Flehe.

Diese organisatorische Änderung in der Zusammenarbeit der drei Warten gab den Anstoß, das bisherige Konzept der Verfügbarkeit zu überdenken. „Für die Leitwarten wurden zunächst nur normale Server eingesetzt“, erläutert Heiko Jepp, Gruppenleiter im Bereich Wassertechnik bei den Stadtwerken Düsseldorf.

„Bei Störungen können zwar die noch betriebsbereiten Warten den Betrieb fortführen, aber wir wollten vor allem die laufende Sammlung der Daten an jedem Standort besser absichern“, fährt er fort. Insbesondere sollte an der Warte Am Staad auch nachts ein durchgängiger, von den anderen Leitwarten unabhängiger Betrieb, sichergestellt werden.

Die Fehlertoleranz schafft Sicherheit

Vom Software-Anbieter Wonderware wurde das Wasserwerk auf die fehlertoleranten Server von Stratus aufmerksam gemacht. Die fehlertoleranten Server von Stratus verfügen über eine komplett redundante Hardware in einer physischen Maschine.

Die betriebswichtigen Komponenten – CPU, RAM, I/O-Einheit und Festplatten – sind doppelt vorhanden und arbeiten im Betrieb völlig synchron. Sollte an einer Komponente eine Störung auftreten, so führt die jeweilige Partnerkomponente die laufenden Operationen ohne jede Unterbrechung weiter.

Es entstehen in diesem Fall weder Datenverluste, noch ist ein Neustart der Anwendungen erforderlich. Auch der Austausch eines Bauteils kann im laufenden Betrieb erfolgen, anschließend synchronisiert sich das System automatisch. Im Störungsfall ist also keinerlei Eingriff seitens eines Administrators erforderlich.

Cluster: zu kompliziert

Luftaufnahme des Wasserwerks Holthausen der Stadtwerke Düsseldorf
Luftaufnahme des Wasserwerks Holthausen der Stadtwerke Düsseldorf
(Bild: Stadtwerke Düsseldorf)
Demgegenüber erfordern Cluster-Systeme, neben der komplexeren Implementierung, insbesondere einen größeren Aufwand für die Administration. „Wir haben uns Cluster-Systeme auch angeschaut, aber nicht lange“, merkt Jepp dazu an. „Es war schnell klar, dass das für die Wasserwerke Am Staad und Holthausen keine akzeptable Lösung gewesen wäre.“

Für die ftServer sprach außerdem, dass sie keine Anpassungen in der Anwendungssoftware benötigen, da sich die redundanten Komponenten wie ein einziges System verhalten, während Applikationen in Cluster-Umgebungen in der Regel angepasst werden müssen. Die Wasserwerke konnten also die Historian-Software von Wonderware ohne Änderungen weiter verwenden.

„Dass wir bei einem ftServer anders als im Cluster immer auch nur eine Lizenz benötigen, ist ein sehr angenehmer Effekt der Hochverfügbarkeit“, führt Jepp aus. „Die höheren Anschaffungskosten eines fehlertoleranten Systems werden dadurch wieder ausgeglichen, so dass beide Alternativen unter Kostenaspekten gleichauf liegen. Insofern war für uns letztlich die höhere Verfügbarkeit und die einfache Administration ausschlaggebend für die Entscheidung zugunsten der ftServer.“

ftServer kommen ins Haus

Ab Sommer 2011 wurde in zwei Wasserwerken der Düsseldorfer Stadtwerke jeweils ein Stratus ftServer installiert. Auf diesen Systemen werden die Historian-Datenbanken betrieben, die die Daten im Versorgungsgebiet entgegennehmen und speichern.

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Ganz kurz: Die Stadtwerke Düsseldorf

Die Stadtwerke Düsseldorf liefern seit mehr als 145 Jahren Energie und Wasser für Düsseldorf. Die drei Wasserwerke „Flehe“, „Am Staad“ und „Holthausen“ versorgen täglich über 600.000 Menschen in Düsseldorf, Neuss, Erkrath und Mettmann mit frischem Trinkwasser, in einem Jahr über 50 Millionen Kubikmeter. Täglich sind das durchschnittlich 140 Millionen Liter Trinkwasser. Das Netz ist insgesamt 1.800 Kilometer lang.

Die Stadtwerke Düsseldorf beschäftigen 2.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Ein dritter Stratus ftServer ersetzte den zentralen Domänen-Controller. Die SCADA-Anwendungen selber laufen weiter auf nicht redundanten Windows-Clients. „Diese Systeme brauchen nicht hochverfügbar sein und sind daher lediglich durch ein Cold-Standby abgesichert“, merkt Jepp an. „Im Störungsfall kann der Betrieb immer über einen anderen Client ausgeführt werden. Was aber an jedem Standort kontinuierlich funktionieren muss, ist das Sammeln und Speichern der Daten.“

Angesichts von 40.000 Datenpunkten scheinen die Server mit einer Plattenkapazität von jeweils 500 GB auf den ersten Blick gar nicht einmal so groß dimensioniert zu sein. Durch die speicherfreundliche Historian-Struktur sowie das monatliche sichern auf NAS-Servern reicht die Plattenkapazität jedoch völlig aus.

Kommunikation ohne Internet

Ein wichtiges Feature der ftServer möchten die Wasserwerke allerdings nicht nutzen: Normalerweise sind die Stratus-Systeme in ein umfassendes Support- und Service-Konzept eingebunden. Das System meldet dabei eine Störung automatisch an den Hersteller ("Call Home"), worauf sofort ein Austauschteil verschickt wird.

„Ein Wasserwerk ist diesbezüglich ein Hochsicherheitsbereich“, betont Jepp und setzt hinzu: „Unsere technischen Systeme, die an die ftServer angebunden sind, haben keine physikalische Verbindung zum öffentlichen Netz und damit auch nicht zum Internet. Sogar unsere Außenstationen sind durch ein eigenes Netzwerk angebunden.“

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Stratus-Technologie

Stratus baut fehlertolerante Server, die auf Basis von Standard-Technik arbeiten, also mit Intel-Prozessoren und mit gängigem Windows-, Linux- oder VMware- Betriebssystem. Bei einem fehlertoleranten Server sind alle Hardwarekomponenten doppelt vorhanden.

Fällt eine Komponente aus, wird der Betrieb automatisch und vom Benutzer unbemerkt durch die redundante Komponente weitergeführt. Auf diese Weise können fehlertolerante Systeme bei Störungen ohne Datenverlust kontinuierlich weiterlaufen.

Damit unterscheiden sich fehlertolerante Systeme von softwarebasiertem Failover-Clustering, bei dem ein Ausfall der Hard- oder Software dazu führt, dass der Workload auf einen redundanten Server verlagert wird. Fehlererkennung und anschließendes Umschalten zum neuen System können mehr oder weniger lange Ausfallzeiten verursachen. Fehlertolerante Server reduzieren nicht die Folgen von Ausfällen, sondern verhindern Ausfälle komplett.

In dieser 'Hochsicherheitslandschaft' der Wasserwerke haben sich die drei ftServer seit dem Start des Produktivbetriebs im Herbst 2011 bewährt. Dass bei einem fehlertoleranten System keine Ausfälle zu verzeichnen waren, ist eigentlich schon keiner Erwähnung mehr wert, wichtiger ist vielleicht ein anderer Aspekt, auf den Jepp hinweist: "Es ist ein gutes Gefühl zu wissen, dass man sich um die Datenhaltung keine Sorgen mehr machen muss. Wir sind seither bei der Verfügbarkeit wirklich gut aufgestellt."

Der Autor:

Dr. Rainer Doh ist Redakteur in München.

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