Einleitung
In den letzten Jahren haben sich die Anforderungen an den Betrieb der Wasserwerke deutlich erhöht. Der Wasserwerksbetreiber muss heute die Gewinnungsanlagen mit der Situation des jeweiligen Einzugsgebietes genauso im Auge behalten wie die Aufbereitung, Förderung, Speicherung und Verteilung. Der Betrieb muss überwacht und nach Möglichkeit optimiert werden.
Ein Hilfsmittel für den planmäßigen Betrieb und die gute übersichtliche Dokumentation des Betriebsablaufes, sowie die Speicherung der Ergebnisse, ist die Automatisierungstechnik. Ihr Einsatz zur Senkung der Kosten, zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und Verbesserung der Wasserqualität wird zunehmend wichtiger.
Moderne dezentrale Automatisierungseinrichtungen können heute alle Basisaufgaben wie Überwachen, Steuern, Regeln, Anzeigen, Melden und Protokollieren übernehmen und sich schon in kleinen Anlagen einsetzbar. In größeren Anlagen führen sie zur Entlastung übergeordneter Prozessrechner. Diese können sich dann mit der Koordination und Optimierung beschäftigen.
Die Automatisierungstechnik beinhalten mehrere Fachbereiche. Deshalb wird in dieser Diplomarbeit sowohl auf die Mess-, Steuer- und Regeltechnik sowie die Kommunikations- und Fernwirktechnik eingegangen.
Problemstellung
Um den hohen Anforderungen in der Trinkwasserversorgung gerecht zu werden, wird die Automatisierung in Wasserwerken immer weiter zunehmen, entweder zur Optimierung der Förder- und Verteilungsanlagen oder um eine hohe Qualität des Trinkwassers in der Aufbereitung zu erreichen. Ein wichtiger Punkt bei der Automatisierung sind auch die anfallenden Betriebs- und Investitionskosten.
Um diese Zielsetzung zu optimieren, geht die Entwicklung weg vom zentralen Prozessrechner, der alles steuert und speichert, hin zu dezentralen intelligenten Systemlösungen in der offenen Systemarchitektur. Diese hat u.a. den Vorteil, dass durch das Verteilen der Aufgaben die ständige Verfügbarkeit, die in der Wasserversorgung sehr wichtig ist, erhöht wird. Notwendige parallele Redundanzen können auf den Teil beschränkt werden, bei dem die Verfügbarkeit nahezu 100% erreichen muss.
Es wird sich hier im Rahmen der dezentralen intelligenten Systemlösungen zum Erreichen der Zielsetzungen vor allem mit den Armaturen und ihren „intelligenten“ Antrieben auf der Einzelleitebene beschäftigt. Es werden verschiedene Lösungsmöglichkeiten der Industrie aufgezeigt und auf das mögliche Erreichen der Zielsetzungen eingegangen.
Zielsetzung
Zu den eindeutig quantifizierbaren Vorteilen der Automatisierung zählen die Punkte:
- Einsparung an Betriebsstoffen und Energie durch eine optimierte Steuerung und Regelung.
- Reduzierung der Personalkosten.
Bei den Personalkosten besteht allerdings die Gefahr, dass zunächst nur in Kopfzahlen gedacht wird. Dabei wird häufig übersehen, dass zum Betrieb von moderner Prozesstechnik höher qualifiziertes Personal erforderlich ist.
Weniger eindeutig quantifizierbar sind demgegenüber Vorteile wie
- Verbesserung der Wasserqualität,
- Erhöhung der Versorgungssicherheit,
- Verbesserte Betriebsübersicht.
Gerade diese Punkte, die sich nicht in DM ausdrücken lassen, sind oft Streitpunkte zwischen Gegnern und Befürwortern der Automatisierung.
Ergebnisse
Unter Berücksichtigung der Zielsetzung geht die Entwicklung immer mehr zur offenen Systemarchitektur mit dezentralen Intelligenzen. Es wurde aufgezeigt, dass die automatisierte Armatur, ausgerüstet mit einem intelligenten Stellantrieb, eine Lösungsmöglichkeit dargestellt. Es wird mit der weitreichenden Technik im Antrieb möglich, eine Armatur völlig autark dezentral einen Prozess regeln zu lassen; ihre Diagnosefunktion trägt zur besseren Überwachung und damit zur Vermeidung von Störungen bei. Ihr Einsatz in Wasserversorgungsanlagen ist aber noch selten, teilweise sind erste Prototypen in der Testphase.
Durch sinkende Hardwarekosten werden dezentrale Konzepte mit Unterstationen, die in Teilbereichen für mehrere Antriebe und Messgeräte die Steuerung und Datenverarbeitung übernehmen und somit den zentralen Rechner entlasten, immer erschwinglicher.
Herkömmliche Übertragungssysteme werden heute vom Profibus abgelöst, der für die Kommunikation zwischen Prozessleitsystem und den Feldgeräten entwickelt wurde. Alle Informationen sind für jeden Busteilnehmer verfügbar, neue Teilnehmer können einfach angeschlossen werden.
Der Einsatz von neuer Technologie in Wasserversorgungsunternehmen scheitert oft an der wenig experimentierfreudigen Einstellung der Betreiber, die durch die Priorität der Versorgungssicherheit erklärbar ist.
Kognitive Regelungen zählen in anderen Bereichen der Technik schon zum Stand der Technik, in der Wasserversorgung finden sie noch keinen Einsatz. Ihr Vorteil ist, dass sie es möglich machen, ohne Kenntnisse über die exakte physikalisch/mathematische Beschreibung des Modells ein System zu regeln.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz kognitiver Regler durchaus eine Alternative bzw. sogar eine Verbesserung bei der Prozesssteuerung darstellen könnte. Dabei bieten sich vor allem Neuronale-Fuzzy-Regler an, die die Vorteile von Neuronaler- und Fuzzy-Regelung vereinen.