New York U-Bahn Plan, Bild: Shutterstock

Die New York City Transit hat ein Streckennetz von 1320 Kilometern. Bild: Shutterstock

Mit einem Streckennetz von 1320 Kilometern handelt es sich bei der New York City Transit – kurz NYC Transit – um das größte öffentliche Transportunternehmen Nordamerikas sowie eines der größten weltweit. Täglich nutzen rund 5,6 Millionen Menschen die U-Bahn. Im September 2014 registrierte die zuständige Behörde sogar fünf Tage mit jeweils über sechs Millionen Fahrgästen. Das führt zu einem Jahresaufkommen von etwa 1,751 Milliarden Personen. Die Flotte von fast 6400 U-Bahn-Wagen legte 2014 circa 581 Millionen Kilometer zurück – und das rund um die Uhr an sieben Tagen pro Woche, wobei nicht alle Routen durchgängig befahren werden. Das Streckennetz umfasst 469 U-Bahn-Stationen, von denen 109 über Aufzüge und Rampen auch für Fahrgäste mit Behinderungen erreichbar sind. NYC Transit steuert die Stadtteile Brooklyn, Bronx, Manhattan und Queens 7883 Mal pro Wochentag an. Carmen Bianco, Leiterin der MTA New York City Transit, geht davon aus, dass die Fahrgastzahlen weiter steigen werden. Das verbesserte Transportangebot, eine wachsende Bevölkerung sowie die positive Wirtschaftslage haben dazu geführt, dass die U-Bahn insbesondere von unregelmäßigen Nutzern sowie außerhalb der Spitzenzeiten häufiger frequentiert wird. Daraus resultieren neue Herausforderungen hinsichtlich der Wartung und Optimierung des U-Bahn-Systems. Darüber hinaus möchte NYC Transit den Fahrgästen natürlich zusätzliche, für sie vorteilhafte Funktionen bieten.

Die dritte Schiene

Stromverteilungskästen, Bild: Phoenix Contact
Schuhkarton-große Stromverteilungskästen versorgen die Heizelemente mit Strom. Bild: Phoenix Contact

Bahnstrecken wie die der NYC Transit verfügen in der Regel über eine dritte Schiene, die sich außerhalb der Bahngleise befindet. Sie leitet den notwendigen Strom an die Motoren der elektrisch betriebenen Schienenfahrzeuge sowie andere bewegliche Stromverbraucher – beispielsweise Krananlagen – weiter. Da die dritte Schiene nur der Stromzuführung und nicht zum Tragen des Fahrzeuggewichts dient, lässt sie sich besser isolieren. Sie besteht oft aus einer Aluminiumlegierung, weshalb die dritte Schiene einfach zu installierten ist und mit höheren Spannungen – bis 1500 gegenüber 200 Volt bei einer Stromzuführung über die Fahrschienen – verwendet werden kann.

Von der Stromschiene werden die Fahrzeuge über sogenannte Schleifschuhe versorgt, die Strom an Fahrmotoren liefern, welche die Räder der U-Bahn-Wagen antreiben. Die Rückleitung des Stroms erfolgt über die Räder und Schienen. Die dritte Schiene der New Yorker U-Bahn verteilt 625 Volt DC nominal, maximal 925 Volt DC (Nennleistung) sowie bis zu 4000 Ampere. Das Transportsystem erhält gleichgerichteten AC-Strom von einer Umspannstation. Schutzschalterstationen und Hochspannungskabel versorgen die dritte Schiene überall mit Gleichstrom. Innerhalb des Systems zweigen dann Leitungen mit 600 Volt DC ab.

In den Wintermonaten kann es auf der Stromschiene zu Schnee- und Eisansammlungen kommen, die den Zugverkehr stören. Zur Unterbindung dieser Beeinträchtigung setzt NYC Transit an strategischen Punkten außerhalb der Tunnel spezielle Heizelemente ein. Bislang wurden diese im Oktober manuell ein- und erst im Mai des folgenden Jahres wieder ausgeschaltet. Sie waren also ununterbrochen in Betrieb, selbst wenn kein Schnee oder Eis lag. Die manuelle Lösung stellte zudem eine Gefahr für die Sicherheit dar. Denn die Mitarbeiter setzen sich einem Risiko aus, während sie die Heizelemente an der Strecke ein- respektive ausschalten oder andere Wartungsarbeiten ausführen. Zwecks Reduzierung des erheblichen Stromverbrauchs und der damit einhergehenden Kosten suchte die Behörde daher nach einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Lösung zur Fernsteuerung und -überwachung der Heizelemente.

Gefahrenfrei aus der Ferne beobachten

Vor diesem Hintergrund hat die amerikanische Tochtergesellschaft von Phoenix Contact gemeinsam mit Kapsch TrafficCom USA ein Scada-System entwickelt, das auf einer drahtlosen Kommunikation basiert. Kapsch TrafficCom gehört zum Telekommunikations- und Verkehrstelematik-Konzern Kapsch mit Hauptsitz in Wien. Der Geschäftsbereich ist auf Technologien, Lösungen und Dienstleistungen für intelligente Transportsysteme (ITS) spezialisiert. Dazu zählen elektronische Mautsysteme, Verkehrsmanagement-Lösungen mit den Schwerpunkten Verkehrssicherheit und -steuerung, elektronische Zutrittskontrollsysteme, vollautomatische Videodetektion sowie Lösungen zur Parkraum-Bewirtschaftung.

Das Scada-System der NYC Transit, dem die Dynac-Software von Kapsch zugrunde liegt, erlaubt die Verwaltung der neben den Schienen befindlichen Bahninfrastruktur. Die Mitarbeiter können nun aus der Ferne über eine zentrale Bedienoberfläche eine Systemdiagnose durchführen. So ist sichergestellt, dass die Heizelemente stets einwandfrei funktionieren. Zur Überwachung der Feldgeräte sind zu diesem Zweck an ausgewählten Standorten Inline-Steuerungen (ILC) von Phoenix Contact verbaut worden. Die kompakten SPS, die über das Modbus-TCP-Protokoll kommunizieren, bieten vielfältige Funktionen. Je nach Applikationsanforderung lassen sie sich einfach um die jeweils benötigten I/O- und Funktionsmodule erweitern. Einige Steuerungen verfügen über einen Steckplatz für SD-Karten, was das Hochladen und Speichern von Programmänderungen vereinfacht.

Inline-Steuerung, Bild: Phoenix Contact
Die kompakten Inline-Steuerungen sind in verschiedenen Leistungsklassen erhältlich. Bild: Phoenix Contact

670 Kontrollpunkte im Blick

Die Anwendung der NYC Transit beinhaltet verschiedene Bediengeräte. Sie fungieren als primäre Verbindung zwischen dem Dynac-Scada-Master und einem Netz von bislang 670 Kontrollpunkten, die verteilt über das gesamte U-Bahn-System montiert sind. In der näheren Zukunft plant NYC Transit weitere Installationen. Jeder der Kontrollpunkte sammelt, speichert und überwacht die für das System relevanten Daten, die über ein im 900-Megahertz-Bereich arbeitendes Funknetz auf Basis der Technologie Trusted Wireless von Phoenix Contact an das Kontrollzentrum gesendet werden. Die Kontrollpunkte umfassen ein Nema-4x-Gehäuse, in dem sich neben der Inline-Steuerung mit den angereihten I/O-Modulen sowie dem Trusted-Wireless-Ethernet-Funkmodul auch Relais, Netzteile und Umformer von Phoenix Contact befinden. Überspannungsschutz-Geräte sorgen für eine hohe Zuverlässigkeit, indem sie die elektronischen Interfaces vor den in dieser Umgebung häufig auftretenden Stoßspannungen absichern.

Die Kapsch-Mitarbeiter haben das Funknetz gemeinsam mit den Wireless-Experten von Phoenix Contact eingerichtet. Der Aufbau eines Funknetzes wäre unerschwinglich gewesen, wenn die Beförderung der Millionen Fahrgäste pro Tag hätte unterbrochen werden müssen. Trusted-Wireless-Ethernet-Geräte kommen zum Einsatz, weil sich die Technologie für Scada-Applikationen eignet und die besonderen Bedürfnisse ausgedehnter Infrastruktur-Anwendungen aufgreift. Je nach Applikationsanforderung stehen hier unterschiedliche Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Funkausbreitungs-Studien und Standort-Analysen zeigen die verschiedenen Anforderungen an die Funkknoten.

Das System ist als selbstheilendes Mesh- und zum Teil als Punkt-zu-Punkt-Netzwerk ausgelegt. Die in den USA im lizenzfreien 900-Megahertz-Frequenzband arbeitende Technologie zeichnet sich ferner durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Dies ist in einer Stadt wie New York, in der es viele Funknetzwerke gibt, sehr wichtig. Denn Störungen durch andere drahtlose Systeme könnten unter Umständen zu Problemen führen. Außerdem überzeugt Trusted Wireless durch die Überwindung großer Entfernungen bis zu mehreren Kilometern. Zu diesem Zweck kann die Datenrate der Funkschnittstelle individuell festgelegt und so die Empfängerempfindlichkeit erhöht werden. Bei einer niedrigen Datenrate lässt sich eine wesentlich größere Reichweite überbrücken als bei einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit. Für Trusted Wireless sprechen zudem die guten Diagnosemöglichkeiten sowie die Koexistenz zu weiteren im gleichen Frequenzband funkenden Systemen.

Zentrale Bedienoberfläche, Bild: Phoenix Contact
Über eine zentrale Bedienoberfläche können die Mitarbeiter aus der Ferne routinemäßige Systemdiagnosen ausführen. Bild: Phoenix Contact

Von Schneesturm bis Hurrican

In den vergangenen sieben Jahren war die Lösung zwei Hurrikans, Tagen mit Temperaturen weit unter null Grad Celsius sowie verschiedenen Eis- und Schneestürmen ausgesetzt, in denen über 70 Zentimeter Schnee fielen. Trotz dieser widrigen Bedingungen hat das Wireless-System zuverlässig funktioniert. Bislang sind mehr als 670 Kontrollpunkte automatisiert worden. Mit der neuen Lösung lassen sich über 1700 Heizelemente für die dritte Schiene aus dem Kontrollzentrum der NYC Transit sowohl automatisch als auch manuell fernsteuern und -überwachen. Sie verlängert die Nutzungsdauer der Heizelemente bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs. So spart die Behörde fast 12.000 US-Dollar (und bald 15.000 US-Dollar) pro Tag ein, was sich auf mehr als eine Million US-Dollar pro Jahr summiert. Als noch wichtiger erweist sich, dass das System die Sicherheit steigert, da sich das Wartungspersonal weniger häufig an den Strecken befindet. In Zukunft sollen dann alle Heizelemente über das funkbasierte Scada-System ferngesteuert und -überwacht werden.

Trusted-Wireless-Ethernet

Die Trusted-Wireless-Ethernet-Geräte zeichnen sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Bild: Phoenix Contact

Sichere Fernübertragung selbst in hochgestörten Umgebungen, das bietet Trusted Wireless Ethernet von Phoenix Contact. Die Technologie wurde für schwierige Bedingungen entwickelt und bietet zahlreiche Eigenschaften, um Ethernet-Kommunikation zu gewährleisten. Trusted Wireless Ethernet ist zuverlässig und leistungsfähig, so dass auch Scada-Anwendungen per Funk umgesetzt werden können.

Die Vorteile:

  • Übertragung von Ethernet-Daten über Strecken von bis zu 32 Kilometern dank 900 Megahertz-MOTR9-Transceiver
  • Einfache Integration von seriellen Geräten in IP-basierte Netzwerke durch Geräteserver für RS-232/422/485
  • Dezentrale Steuerungen sparen: Analoge oder digitale Erweiterungsmodule können über Modbus-TCP adressiert werden.