Anwendungsbeispiel Ethernet Networks und Video over ... - KEYMILE

Anwendungsbeispiel
Ethernet Networks und Video over IP im industriellen Umfeld
Anwendungsbeispiel
Ethernet Networks und Video over IP im
industriellen Umfeld
Video-Überwachung und -steuerung sind ein Beispiel dafür, wie man die längst noch nicht ausgelasteten
Fernwirknetze der Öffentlichen Hand sinnvoll nutzen kann. Dabei werden auch noch jede Menge
Kosten eingespart, wenn die Übertragungstechnik nur die passenden Funktionen zur Verfügung
stellt. Dank der modular einsetzbaren Schnittstellen kann KEYMILEs
LineRunner SCADA NG die unterschiedlichsten Medien für die Datenübertragung nutzen. Und dies
funktioniert über einen großen Temperaturbereich.
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Anwendungsbeispiel
Ethernet Networks und Video over IP im industriellen Umfeld
� Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung...................................................................................................................................... 3
2 Vereinfachung der Installation und Datenhaltung........................................................................ 3
3 Die Übertragungstechnik.............................................................................................................. 4
4 Die Applikation............................................................................................................................. 5
5 Fazit............................................................................................................................................... 7
6 Die Beispiel-Installation ................................................................................................................ 8
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Anwendungsbeispiel
Ethernet Networks und Video over IP im industriellen Umfeld
1 Einleitung
Video-Überwachung spielt sowohl im öffentlichen
Leben wie auch innerhalb von vielen
Unternehmen eine immer wichtigere Rolle.
Immerhin gestattet sie es, neben reinen Kontrollfunktionen
(z.B. bei Diebstählen aus Unternehmen
oder beim Aufspüren von polizeilich
gesuchten Personen) auch das Steuern
und Überwachen von Funktionen – beispielsweise
das Schließen von Fenstern bei Dunkelheit
oder das Umschalten von Lichtsignal-
Anlagen nach Verkehrsaufkommen. Im Unternehmensumfeld
spielt auch die Zutrittskontrolle
via Video eine wichtige Rolle.
Die Video-Technik kann seit ihrer Digitalisierung
eine Menge nützlicher Funktionen wahrnehmen.
Dazu gehören vorrangig Warn- und
Steuerfunktionen. Eine nicht auf Radar-Basis
arbeitende Einparkhilfe für Großfahrzeuge
käme heute ohne Videotechnik kaum aus, die
wenigsten Warnsysteme können sich auf eine
Situation hin abstimmen, wenn keine optischen
Signale vorliegen.
Allerdings sind Digital-Video und die Möglichkeiten
zur Datenübertragung erst in den
letzten Jahren den Kinderschuhen entwachsen,
und somit erst seit kurzem für professionelle
Zwecke nutzbar. Viele professionelle
Anwendungen nutzen deshalb heute immer
noch bewährte Analog-Technik, deren Grenzen
sich aber zeigen, wenn es beispielsweise
um die Verkabelung von einer ganzen Reihe
an Kameras geht – die üblicherweise verwendete
75-Ohm-Koax-Verkabelung sprengt da
leicht jeden Kabelkanal. Digital-Video erspart
zudem die Speicherung der Videodaten auf
Videorecordern oder deren digitalen Pendants.
Die stellt in den meisten Überwachungssystemen
einen „Single Point of Failure“
dar. Die analoge Aufzeichnungstechnik ist
insbesondere dann teuer, wenn möglichst
lange Zeiträume auf Band oder einem ähnlichen
Medium in vernünftiger Qualität gespeichert
werden sollen.
2 Vereinfachung der Installation
und Datenhaltung
Digital-Video hingegen ist ein „ganz normales“
Datenformat das sich prinzipiell mit jedem
Netzwerk-Protokoll übertragen lässt –
natürlich auch über jedes beliebige Backbone-Netz.
Weniger wählerisch, flexibler und
auch weniger anspruchsvoll bei der genutzten
Transport-Technik – so kann man die Technik
beschreiben. Insbesondere wenn es um die
Kaskadierung von Kameras geht, lassen sich
mit den heutigen Bandbreiten problemlos
mehrere digitale Video-Streams parallel auf
den gleichen Arbeitsplatz übertragen und
dort darstellen, speichern oder archivieren.
Gerade bei der Überwachung öffentlicher
Plätze ergeben sich allerdings neue Probleme,
die sich mit herkömmlicher Technik kaum
oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand
lösen lassen. Dazu zählt vor allem die Stromversorgung
der Komponenten. Man stelle
sich die Problematik vor: An einer Kreuzung
ohne jegliches öffentliche Gebäude sollen
Kameras installiert werden. Dann müsste die
Verwaltung nicht nur die Flächen an den Gebäuden
für die Kamera-Montage mieten,
sondern auch noch für einen Wand-
Durchbruch für die Stromversorgung bezahlen,
einen Zwischenzähler anbringen lassen
(für die getrennte Stromabrechnung), und
hätte so einen erheblichen Aufwand, der sich
im Vergleich zum Nutzen noch negativer darstellt.
In Sachen Energiezufuhr stellt sich Power over
Ethernet (PoE) als probates Mittel dar, das
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aber nur begrenzt Leistung bereitstellt (5 W,
nach dem augenblicklich verwendeten PoE-
Standard, an einer Leistungserhöhung wird
derzeit gearbeitet). Dies reicht, um beispielsweise
die Kameras der Marktführer Mobotix
und Axis, mit Strom zu versorgen, allerdings
ohne die ebenfalls möglichen Schwenk- und
Neigungsfunktionen per Fernsteuerung –
dafür benötigen die Stellmotoren in der Regel
um die 20 W.
Dies bedeutet – vor allem an öffentlichen
Plätzen, Tunnelanlagen oder ähnlichem, dass
die Aufwendungen für Wandmiete und die
Installation der Stromversorgung ungleich
höher ausfallen und problematischer sind, als
wenn man sich einen Teil der Arbeiten sparen
kann.
3 Die Übertragungstechnik
Die wenigsten Kabel der kommunalen Fernwirknetze
sind Ethernet-tauglich. Das verlegte
Kupferkabel mit seiner Doppelader-Struktur
entspricht nicht den Normen, die sich für LAN
durchgesetzt haben. Hier kann die Übertragung
von Ethernet-Daten mittels SHDSL-
Technik helfen. 2 Mbit/s kann man bis zu
9 km weit über diese Kabel (meist „Fernmeldekabel“)
transportieren, wenn der Aderndurchmesser
0,8 mm und größer ist, 4 km
werden erreicht, wenn der Durchmesser gerade
mal 0,4 mm beträgt. LineRunner SCADA
NG erfüllt diese Anforderungen, und das in
besonders flexibler Weise. Denn technisch ist
das Gerät im Grund eigentlich ein ganz
„normaler“ Switch, seine Besonderheit liegt
in der Auswahl der möglichen Schnittstellen
für die Übertragung der Daten. Zwei Unterschiedliche
Leitungsschnittstellen (für Kupfer,
Glasfaser, PDH/SDH) und Anwenderschnittstellen
(2 x Ethernet, RS-232) stehen zur Verfügung.
Die Datenübertragung über eine seriellen
Schnittstelle parallel zum Ethernet ist beispielsweise
nötig, um in komplexen Installationen
die Steuersignale zum Schwenken und
Neigen der Kamera übermitteln zu können,
da viele handelsübliche Geräte diese Signal
benötigen, um die Stellmotoren ansprechen
zu können. Die Geräte können in einem
Temperaturbereich von -25° C bis +70° C
betrieben werden. Dies ist für fast alle Bereiche
der Überwachung ausreichend.
LineRunner SCADA NG überträgt Ethernet
sowohl über Kupferdoppeladern („Klingeldraht“),
vorhandene SDH/PDH-Netze oder
auch über Glasfaser. Die Geräte kann man
unterschiedlich vernetzen und so die Spinnweben-Struktur
vieler öffentlicher Fernwirknetze
für die Ausfallsicherheit des Datentransports
nutzen. Man kann entweder Transportringe
bilden, die es gestatten das Signal
sowohl in die eine wie die andere Richtung zu
übertragen, fällt eine Strecke innerhalb dieses
Rings aus, so bleiben die nicht betroffenen
Knoten weiterhin – über die andere Seite des
Rings – erreichbar, oder eben vermaschte
Netze aufbauen, wo viele Ersatzwege, dafür
sorgen, dass Leitungsschäden sich auf möglichst
wenige Knoten auswirken.
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Ethernet Networks und Video over IP im industriellen Umfeld
Das LineRunner SCADA NG ist vollständig
modular aufgebaut, so dass man sich jede nur
vorstellbare Schnittstellen-Kombination zusammenstellen
kann. Für den Betreiber ist
dabei besonders interessant, dass er auch
verschiedene Netzwerktopologien in einem
Gerät zusammenfassen kann. So bietet es
sich beispielsweise an, mit einem Switch zwei
Kameras über das Fernwirknetz anzusteuern,
und mit dem Ausgangsport via Glasfaser, die
eingesammelten Daten in die weit entfernte
Zentrale weiterzureichen.
Die oben gezeigte Ringstruktur hat den Vorteil,
dass die Signal-Laufzeiten der Daten sich
verkürzen: in einer Ringstruktur sendet die
Ethernet-Karte in beide Richtungen, und der
Empfänger wertet nur das Signal aus, das ihn
zuerst erreicht – wenn also eine Leitung innerhalb
des Rings gestört ist, so erreicht das
Signal den Empfänger dennoch ohne (auffallende)
Latenzzeit, wenn eine Ringstruktur des
Netzwerks eingerichtet wurde. Dies gilt übrigens
auch, wenn man das SCADA-Netzwerk
vermascht anlegt. Bis zu 63 LineRunner können
in so einem SCADA-Netzwerk linear in
Kettenstruktur oder über eine Ringstruktur
verbunden werden.
4 Die Applikation
Netzwerk-Kameras enthalten einen leistungsfähigen
Prozessor und können damit konfiguriert
und überwacht werden. Sie werden über
mitgelieferte PC-Software kontrolliert und
konfiguriert. Um ein Übertragungsnetz mit
LineRunner SCADA NG zu überwachen, sollte
man das hauseigene Netzwerkmanagementsystem
ASMOS dazu kaufen. Nur damit ist
sichergestellt, dass evtl. auftretende Fehler
sofort gemeldet werden – auch schon während
der Inbetriebnahme des Übertragungsnetzes.
Auch Einrichtungsänderungen kann
man in diesem System schnell vornehmen –
Ports an und abschalten, oder bei Störungen
den Störenfried aus dem Netzwerk nehmen.
Im ersten Augenblick mag die Übertragungs-
Bandbreite von 2 Mbit/s angesichts von Gigabit
Ethernet und 10 Gigabit Ethernet in
Unternehmens-Backbones geradezu lächerlich
klein erscheinen – die Anwendungsszenarien,
für die das SCADA NG entwickelt wurde,
sind in aller Regel mit dieser Bandbreite bestens
bedient. Aktuelle Überwachungskameras
übertragen ihre stark komprimierten Daten
immer noch über Dial-Up-Lines und Modems
mit 64 kbit/s oder gar noch weniger. Hier
kann nun der Betreiber die Kompression der
Bilder verringern und so deren Qualität
verbessern.
Obendrein kann man mit dem LineRunner
SCADA NG bares Geld sparen. Die direkten
Leitungen ins Rechenzentrum oder zum Steuer-PC
benötigen in der Zentrale eine ziemlich
aufwändige Infrastruktur (Einwahlpunkte für
die herkömmlichen Modems, eine ordentliche
LAN-Anbindung, um die einlaufenden Daten
auch flott dorthin zu schaffen, wo sie hingehören,
auch wenn gerade viele Kameras senden
und derlei mehr).
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Und überdies müssen die Kameras ans Telefonnetz
angeschlossen werden, ein Modem
ansteuern – eine externe Stromversorgung ist
da unumgänglich.
Demgegenüber wird der Aufwand beim Installieren
mit LineRunner SCADA NG sehr viel
geringer ausfallen. SHDSL-Modems können
nämlich über ihre Kupferanschlussleitung mit
Energie versorgt werden. Eine zusätzliche
Doppelader versorgt eine Netzwerk-Kamera
mit. Keinen Illusionen sollte man sich aber
hingeben wenn es um die interne LAN-
Anbindung der Kameras über ein LineRunner
SCADA-Netzwerk geht: Die erhöhte Bandbreite
sorgt dafür, dass noch mehr Daten
zeitgleich ankommen können, so dass hier
mindestens ein 100-MBit/s-Link zwingend
erforderlich ist, um die Bilddaten schnell auf
den Server zu transferieren.
Für Anwendungen im Umfeld von Video-
Überwachung oder Video-Zutrittskontrolle
(siehe Grafik unten) ist eine manuelle Änderung
des Bildausschnitts bzw. der Hauptmotiv-Belichtung
nötig, um beispielsweise
Störungen durch Gegenlicht auszuschalten.
Dazu muss die Kamera aus der Ferne
umkonfiguriert werden können, es nutzt also
in der Mehrzahl der Video-Anwendungen
nichts, wenn man allein die Daten der Kamera
übertragen kann, die Kommunikation zur
Kamera hin muss auch gewährleistet sein.
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Hier bieten sich zwei Möglichkeiten –
Mobotix hat beispielsweise in die meisten
Kameras einen Webserver integriert, mit dem
sich über TCP/IP jeder Parameter der Kamera
einstellen lässt. Klar, gegen schwarzes Lackspray
schützt dies nicht, aber man kann unter
normalen Betriebsumständen für klare Aufzeichnungen
sorgen. Aber auch Kompression,
Bildqualität und beispielsweise den Messpunkt
oder -ausschnitt für den Weißabgleich
kann man hier exakt festlegen.
Dazu muss das Transportnetz genug Bandbreite
zur Verfügung stellen, dass man auch
unter hoher Last die jeweilige Kamera erreichen
kann. Wenn man wegen der Ausfallsicherheit
eine Ringstruktur benutzt, empfiehlt
deshalb KEYMILE die Nutzung von Layer-3-
Switches, die nicht nur für bestimmte Anwendungen
Bandbreite – in diesem Fall für die
Kommunikation mit den Kameras – reservieren
können, sondern zugleich verhindern,
dass die MAC-Adressen der beteiligten
Switchports an sich selbst durchgereicht werden,
was zu einem Abschalten des jeweiligen
Ports führen würde.
5 Fazit
Statt mit einer aufwändigen Installation mit
analogen Video-Kameras realisiert man heute
Überwachungsfunktionen besser mit IP basierter
Technik. Dank zahlreicher Möglichkeiten,
die Übertragung und Speicherung von
Daten redundant zu gestalten, bietet diese
Technik bei deutlich verringerten Installationskosten
eine bei weitem bessere Verfügbarkeit
als herkömmliche Überwachungssysteme.
Das LineRunner SCADA NG von KEY-
MILE löst darüber hinaus auch noch das Problem
der Stromversorgung und eröffnet öffentlichen
Netzbetreibern die Nutzung der vorhandenen
Zweidraht-Leitungen für die Übertragung
von Ethernet.
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6 Die Beispiel-Installation
Als Beispiel für eine Video-Installation mit
dem KEYMILE LineRunner SCADA NG dient
hier eine Überwachung einer Tunnelstrecke
mit mehreren Kilometern Länge. Wie wichtig
eine solche Überwachung ist, zeigte 2001 der
schwere Unfall im St.-Gotthard-Tunnel, bei
dem 11 Menschen ums Leben kamen und die
Feuerwehr wegen fehlender Überwachungs-
kameras keinerlei Leitstellen-Unterstützung
vor Ort bekam und entsprechend langsam
zum Brandherd vorrücken konnte.
Wenn so ein Tunnel einige Kilometer lang ist,
braucht es aber eine ganze Reihe von Kameras,
wenn man sicherstellen will, dass eine
lückenlose Überwachung des Verkehrsgeschehens
möglich ist. Außerdem muss die
Kameratechnik die widrigen Sichtverhältnisse
berücksichtigen, denn ist eine Kamera nur mit
einem Infrarot-Sensor ausgerüstet, dann wird
sie von jedem Auspuff geblendet, besitzt sie
lediglich einen Restlichtverstärker, wie man
ihn aus Nachtsichtgeräten kennt, dann wird
sie von jedem Scheinwerfer geblendet, und
ein normales Objektiv „sieht“ in der Dunkelheit
beispielsweise einen Fußgänger gar
nicht.
Deshalb genügt für heutige IP-Kameras bei
einem Einsatz in Tunneln reines Power-over-
Ethernet mit max. 5 W. Die Datenzuleitungen
sowohl für PoE wie auch für Ethernet können
in diesem Szenario in Zweidrahttechnik ausgeführt
werden, eventuell lassen sich deshalb
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hierfür auch die Steuerleitungen für die Ventilation
nutzen, sodass kaum Kabelverlegearbeiten
anfallen. Die ohnehin technisch und
wirtschaftlich überlegene IP-Videoüberwach-
ungstechnik wird mit dem LineRunner SCADA
NG zu einer leicht installier- und wartbaren
Angelegenheit
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