Wasser 4.0 – Digitalisierung und Automatisierung von Feld bis in die Leitebene

Autor: Stefan Denzer Key Account Manager Danfoss, Wasser/Abwasser Danfoss Drives

Wasser – ein für uns überaus wichtiger Bestandteil allen Lebens. Eine Studie der Vereinten Nationen hat ergeben, dass in 50 Jahren Wasser wichtiger sein wird als Öl. Gleichzeitig sehen sich Betreiber in der Wasserwirtschaft einer Vielzahl bekannter, aber auch neuer Herausforderungen gegenüber. Um in Zukunft eine sichere Wasserversorgung weiter zu gewährleisten, benötigen daher sowohl Abwasserreinigung wie auch Trinkwasseraufbereitung neue Verfahren, um Herausforderungen, wie sie beispielsweise Verunreinigungen des Grundwassers oder Arzneimittelrückstände im Abwasser darstellen, zu meistern. Dabei steigt die Komplexität der Prozesse an und erfordert immer häufiger den Einsatz intelligenter Feldgeräte, was ständig neue Herausforderungen an das Betreiberpersonal mit sich bringt.

Daher gilt es, jetzt die Zukunft für funktionierende, zukunftssichere und standardisierte Schnittstellen an allen Geräten der Prozessautomatisierung sowie bei den Feldgeräten in der Wasserwirtschaft zu entwickeln. In Anlehnung an Industrie 4.0 sieht Wasser 4.0 die Aufgabe darin, durch Standardisierung von Schnittstellen, durchgängigen Automatisierungslösungen sowie anwenderfreundlicher Handhabung eine ressourceneffiziente, flexible und wettbewerbsfähige Wasserwirtschaft zu gestalten. Denn in Zukunft benötigt die globale Wirtschaft neue Lösungen für ein durchgehendes, leistungsfähiges Wassermanagement, sowohl in Metropolen als auch in der Landwirtschaft.

Schon heute kommen aus unterschiedlichen Gründen mehr und mehr anstelle von Pumpen mit starrer Drehzahl drehzahlgeregelte Systeme zum Einsatz. Sie erlauben energieoptimierte Fahrweise, flexible Förderleistung oder die auch die Verringerung von Stillstandzeiten, der Aufbereitung in Stunden geringer Abnahme oder eine Optimierung von Aufbereitungsverfahren.

Dabei müssen die neuen Prozesse die Kreisläufe von Energie, Nährstoffen und Wasser gleichermaßen und ganzheitlich berücksichtigen. All dies ergibt sich nur mit durchgängigen Prozessen, die über definierte Schnittstellen notwendige Daten erfassen, speichern und auswerten sowie aufgabenspezifisch verteilen, um gezielt die richtigen Informationen für den einzelnen Prozess zur Verfügung zu stellen. Einer der wichtigsten Punkte wird hierbei die einfache Handhabung der Technik von Morgen sein.

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Doch wie sieht ein praktikabler Weg zu Wasser 4.0 aus und welchen Nutzen bringt er?n der Vergangenheit waren beispielsweise Pumpen Systeme, die ein Medium von A nach B förderten – kontinuierlich oder zu bestimmten Zeiten, mit konstantem Durchfluss und damit mit konstanten Mengen. Auf der Anlagenebene lässt sich dieses Beispiel auf eine Wasseraufbereitung übertragen: Eine autarke Anlage, wo ein Betreiber die Einstellungen für Wassermenge und Aufbereitungsprozess vorgab, und somit Trinkwasser in das Verteilnetz gelangte. Doch wie ändern sich diese Prozesse bei Wasser 4.0? Das Beispiel einer Förderpumpe oder eines Brunnenfelds kann dies verdeutlichen.

Schon heute wird aus unterschiedlichen Gründen mehr und mehr die Pumpe mit starrer Drehzahl gegen drehzahlgeregelte Pumpen getauscht. Dazu zählen energieoptimierte Fahrweise, flexible Förderleistung oder die auch die Verringerung von Stillstandzeiten, der Aufbereitung in Stunden geringer Abnahme oder eine Optimierung von Aufbereitungsverfahren.

Gerade im Bereich der Antriebstechnik kommen dann häufig Feldbusprotokolle wie Modbus oder Profibus zum Einsatz, um die zusätzlichen Informationen wie Strom, Leistung oder erweiterte Instandhaltungsinformationen zu bekommen, was mit einer diskreten Verdrahtung schwer möglich wäre. Leider erfordern diese Lösungen zusätzliches Fachwissen über das Protokoll und zusätzliche Hardware zur Umsetzung der Informationen aus der Leit- und Automatisierungstechnik in das jeweilige Bussystem (Profibus, Modbus usw.). In der Praxis liegt dann in der Anlage eine Ethernet-basierte Kommunikation zwischen Leitrechner und Automatisierungssystem, sowie eine Feldbuskommunikation zwischen Automatisierung und Feldgerät vor. Wasser 4.0 heißt hier, die längst überfällige Realisierung einer durchgängigen Kommunikation auf Basis eines Systems.

VLT® AQUA Drive und VACON® 100 Flow verfügen über alle notwendigen Schnittstellen zur Einbindung der Geräte der Feldebene in übergeordnete Leitsysteme. Speziell für die AQUA Drive Komponenten existieren beispielsweise für Lösungen der AQUA Automation vollständige Bibliotheken zur schnellen Einbindung und einen umfassenden Datenaustausch.

Dabei ist Ethernet-basierte Kommunikation hier die erste Wahl, da schneller und bereits in Leit-, Automatisierungs- und Managementebene Standard. Eine Ethernet-basierte Kommunikation durchgängig von der Leit- oder Managementebene bis aufs Feldgerät bringt dann Vorteile wie gleiche Infrastruktur, gleiche Übertragungsmedien, sicheren Fernzugriff fürs eigene Rufdienstpersonal, Erreichbarkeit von Feldgeräten aus der Leitebene, sowie die einfache Übergabe der Informationen über den Prozess bis in die Managementebene. Und bietet Investitionssicherheit für heutige und zukünftige Lösungen.

Die dadurch erreichten Effizienzsteigerungen auf Basis von vereinter Datenhaltung für Planung, Instandhaltung und operativer Betriebsführung können in der Praxis dann nicht nur zu einer sicheren Infrastruktur führen, sondern langfristig auch zu einem komplett neuen Denkansatz führen. Hierbei ist häufig eine der Triebfedern, dass beispielsweise aus einem Energieverbraucher wie einer Kläranlage einen Energieerzeuger für eine positive Energiebilanz macht. So geschehen im dänischen Aarhus, wo nur durch den Einsatz energieeffizienter Prozesse und optimaler Planung die Kläranlage inzwischen – netto betrachtet – 90 % mehr Energie liefert, als die Anlage verbraucht.

Sind diese Prozesse und die dafür notwendigen technischen Voraussetzungen in Form abgestimmter Software und definierter Schnittstellen für Steuerung und Datenerfassung geschaffen, hilft und unterstützt das System mit anwenderfreundlichen Oberflächen und Hilfen bei der Visualisierung und besseren Entscheidungsfindung im Tagesgeschäft, also im operativen Betrieb. Die dafür notwendige Visualisierung ist in einem abgestimmten System mit nur einem System im gesamten Netz verfügbar – nicht zuletzt dank modernster Webtechnologie und den steigenden Bandbreiten im Datennetz auch auf Laptops, Smartphones oder Tabletts des Wartungspersonals.

Allerdings sollten Anwender an dieser Stelle eines auf jeden Fall mit einplanen: Ein solches, komplett vernetztes System, das eine für den täglichen Bedarf äußerst wichtige und damit kritische Infrastruktur beeinflusst oder reguliert, erfordert ein hohes Sicherheitskonzept. Dieses muss integraler Bestandteil des gesamten Wasser 4.0-Infrastruktur sein, um die höchste Sicherheit für den Anwender sowie den Verbraucher zu garantieren.

Anwenderfreundliche Steuerungs- und Leittechnik

Ist ein System mit solch komplexen Anforderungen an Vernetzung und Datenerfassung sowie –austausch überhaupt zu beherrschen? Was fordert der Betreiber, um diese Funktionalität des intelligenten Systems zu nutzen? Das wichtigste für den Anwender und Bediener ist eine einfache Handhabung der Anlagen im Alltag. Dazu zählen für ihn eine verständliche Diagnose und Fehlersuche sowie eine einheitliche Programmierung der Anlagen. Gleichzeitig reduziert dies den Engineering-Aufwand, den er bei Planung, Bau oder Optimierung, nicht zuletzt aber auch bei einem Retrofit einer bestehenden Anlage, hat.

Wasser 4.0 sieht seine Aufgabe darin, durch Standardisierung von Schnittstellen, durchgängigen Automatisierungslösungen sowie anwenderfreundlicher Handhabung eine ressourceneffiziente, flexible und wettbewerbsfähige Wasserwirtschaft zu gestalten. Denn in Zukunft benötigt die globale Wirtschaft neue Lösungen für ein durchgehendes, leistungsfähiges Wassermanagement.

Haben der Planer und der Anlagenbetreiber im Vorfeld von Bau- oder Erweiterungsmaßnahmen gemacht, die Systeme optimal aufeinander abgestimmt und mit den notwendigen Schnittstellen zu gegebenenfalls vorhandenen Managementsystemen ausgestattet, resultiert daraus eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen, ein sicherer Betrieb sowie ein höchst energieeffizienter Lauf der komplexen Anlagen. Stehen dann für den Rufdienst noch sichere Fernzugänge über mobile Endgeräte bereit, können selbst im Wartungs- oder Fehlerfall Ausfallzeiten minimiert und ein kosteneffizienter Betrieb der Anlagen möglich werden.

Wasser 4.0 – sichere Anlagenverfügbarkeit

Wasser 4.0 ist die Grundlage für moderne, zeitgemäße und langfristig notwendige Wasserwirtschaftssysteme. Sie garantieren durch aufeinander abgestimmte Systeme und Kommunikationsschnittstellen, basierend auf Standardprotokollen wie OPC, eine durchgängige Kommunikationsstruktur für eine schnelle Datenerfassung aus dem Feld. Dafür kommen moderne Datennetze wie Ethernet oder GSM-Schnittstellen zum Einsatz. Mit einem Höchstmaß an IT-Sicherheit gewährleisten sie eine hohe Anlagenverfügbarkeit. Gleichzeit sorgen abgestimmte, herstellerübergreifende Kommunikationsschnittstellen mit standardisierten Protokollen und einer Infrastruktur verbunden mit einer durchgängigen, anwenderfreundlichen Leit- und Automatisierungslösung für ein hohes Maß an Betriebssicherheit und Kosteneffizienz.

 

Dieser Artikel erscheint in Zusammenarbeit mit der Firma Danfoss Österreich für die Danfoss Themenwoche im September 2017. Text und Fotos wurden von der Firma Messer zur Verfügung gestellt.