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Klären mit moderner Netzwerktechnik

Bild 1. Die städtische Kläranlage von Villach wurde von IAS in nur 18 Monaten im laufenden Betrieb modernisiert

Bild 2. Die Frequenzumrichter bieten eine leistungsfähige Motordrehzahl­steuerung in kompakter, platzsparender Ausführung

Bild 3. Die intelligenten und kompakten Softstarter erhöhen die Lebensdauer der Pumpen

Eine der größten kommunalen Kläranlagen Österreichs, mit einer Schmutzfracht von 200 000 Einwohnerwerten, reinigt die Abwässer des Großraums Villach. Das Wiener Unternehmen IAS hat die Anlage mit Steuerungs-, Netzwerk- und Visualisierungstechnik von Rockwell Automation rundum modernisiert. Das skalierbare System bietet nicht nur einen effizienteren Zugriff auf das Leitsystem sowie eine Fernwartungslösung, es reduziert auch die Betriebskosten.

Es ist viel Unrat und Abfall im Spiel, wenn Albert Steinwender mit seiner IAS GmbH sein Geld verdient. Doch daran ist durchaus nichts Unehrenhaftes. Im Gegenteil, trägt der Unternehmer und Vollbluttechniker doch seit mehr als 30 Jahren dazu bei, dass Umwelt und Gewässer sauber bleiben.
Spezialität des Wiener Unternehmens sind die Planung sowie das Engineering elektrotechnischer Einrichtungen für Kläranlagen, Trinkwasseraufbereitungsanlagen und Deponien. „Unser Angebot reicht von der Auswahl mess- und regeltechnischer Komponenten bis hin zu kompletten Automatisierungssystemen“, sagt A. Steinwender. „Auch die Software wird komplett bei uns im Haus geschrieben. Nur so können wir garantieren, dass die Anlage später genau das tut, was sie soll.“
Mit Rockwell Automation verbindet den Unternehmer seit vielen Jahren eine enge Partnerschaft. Deren Vorzüge kamen auch bei einem großen Projekt zur Geltung, das IAS für die Stadt Villach umgesetzt hat (Bild 1).

Kläranlagenmodernisierung im laufenden Betrieb
Der Auftrag umfasste die komplette automationstechnische Modernisierung der städtischen Kläranlage sowie der An- und Einbindung von 35 umliegenden Pumpstationen. Neben dem Austausch zahlreicher Komponenten und Steuerungen wurde auch ein neues übergreifendes Leitsystem implementiert und ein dreischichtiges Netzwerk aufgebaut.
Eine besondere Herausforderung war es, dass die Erneuerung der Anlage im laufenden Betrieb erfolgen musste. Die einfache und effiziente Programmierbarkeit der Allen-­Bradley-Komponenten erwies sich hierbei als ein beschleunigender Faktor. Dank der Durchgängigkeit der Software konnte das umfangreiche Projekt in nur 18 Monaten abgeschlossen werden. Die Skalierbarkeit der Rockwell-Produkte erlaubt es zudem, künftige Erweiterungen oder Änderungen an der Kläranlage problemlos durchzuführen.

Hochkomplexes Reinigungsverfahren
„Viele Leute meinen, in einer Kläranlage fließt vorne schmutziges Wasser rein und hinten sauberes Wasser raus“, schmunzelt A. Steinwender. Das ist zwar grob vereinfacht richtig, doch wer genauer hinschaut, sieht die anspruchsvollen Technologien, die hinter den Kulissen für einen reibungslosen Ablauf sorgen. „Eine Kläranlage muss auf unterschiedliche Situationen reagieren und trotzdem immer gleichbleibende Wasserqualität liefern können“, erläutert A. Steinwender. So gibt es Tagesspitzen mit großen Abwassermengen, saisonale Schwankungen und typische Belastungshochs an Feiertagen. Auch Regenwasser passiert die Anlage.
Der chemische und der biologische Verschmutzungsgrad des angelieferten Wassers werden permanent durch Onlinemessungen und Probenehmer kontrolliert, wobei die Einstellung der Prozessparameter vollautomatisch erfolgt – 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Ausfälle darf es nicht geben, da die strengen wasserrechtlichen Vorgaben keine Abstriche zulassen. „Nur wenige Industrieprozesse erfordern so viel Onlinekontrolle wie die Abwasserreinigung“, weiß A. Steinwender. Das hochkomplexe Verfahren umfasst mehrere mechanische Vorreinigungen durch Rechen und Absetzbecken. In der nachfolgenden Belebungsstufe werden Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen durch Bakterien und andere Mikroorganismen abgebaut beziehungsweise gebunden. Der dabei entstehende Klärschlamm kann, wie in Villach, zur Erzeugung von Klärgas genutzt werden. Dieses lässt sich anschließend in Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umwandeln.
Aufgrund der Komplexität von Kläranlagen ist eine komplette Modernisierung kaum weniger aufwendig als die Erstinstallation. Gründliche Planung und Termintreue sind deshalb unverzichtbar.

Minimale Belastung für Pumpen
Im Villacher Projekt brachte IAS in einem ersten Schritt die mehr als 30 Pump- und Hebestationen, welche die Abwässer vom Umland zur Kläranlage pumpen, auf einen einheitlichen Automatisierungsstandard. Jede Station wurde mit einem Display Panelview Plus 400 von Allen-Bradley ausgestattet. Das zeigt die Betriebszustände übersichtlich sowohl in vollgrafischen Verfahrensbildern als auch in Klartext an.
Diese Informationen sind parallel in der Leitstelle einsehbar. Die drahtlose Kommunikation dorthin erfolgt über Funk- und GSM-Modems. Bei den Stationen, die über Funk ­angebunden sind, wird der aktuelle Betriebszustand etwa alle 20 s abgefragt. Sta­tionen mit GSM-Anbindung fragt die Leitstelle zweimal täglich ab. Störungen übertragen sie unverzüglich mit den relevanten Daten an die Leitsta­tion. Zusätzlich werden im 15-Minuten-Takt die energietechnischen Betriebsdaten, wie Stromverbrauch, Pumpenlaufzeiten, errechnete gepumpte Abwassermenge, zur späteren Auswertung gesendet.
Alle Pumpen erhielten eine Motor­stromüberwachung, die verhindert, dass die Aggregate in Über- oder Unter­last laufen (Bild 2). Sobald eine Pumpe ihr definiertes Kennfeld verlässt, erhält die Leitstelle einen im Klartext definierten Alarmtext (SMS an den diensthabenden Klärwärter und am Prozessleitsystem). Zudem tauschten die IAS-Techniker die alten Stern-Dreieck-Anläufer der Pumpaggregate gegen SMC-Softstarter von Allen-Bradley aus (Bild 3). Das reduziert die Belastung der Pumpen beim Hochfahren, was deren Lebensdauer erhöht und damit langfristig die Betriebskosten senkt. Als Steuerung kommt in jeder Pumpstation eine Micrologix 1400 zum Einsatz. Auch alle Schützen und Bedienelemente für den manuellen Betrieb wurden durch Allen-Bradley-Komponenten ersetzt. Dieses Design hat den Kunden sichtlich überzeugt: „Jede zusätzliche Pumpstation, die in Zukunft neu dazukommt, muss nach diesem Standard gebaut werden“, sagt A. Steinwender stolz.

Umfassendes Netzwerkkonzept
Als nächstes nahm sich das IAS-Team die Leittechnik vor. Die alten PLC-5-Steuerungen durften zwar im System als IO-Ebene verbleiben, fungieren jetzt aber nur noch als Schnittstellen zu den neuen Controllogix-Geräten, die die eigentlichen Steuer- und Regelabläufe erledigen. „Das Schöne an der Steuerungsfamilie ist, dass man dafür seine eigenen Makros (Funktions­blöcke) schreiben kann“, sagt A. Steinwender. „Wenn neue Komponenten ins System dazu kommen, kann ich diese Makros einfach wie Legobausteine wieder verwenden.“ Dadurch verkürzt sich der Aufwand für das Engineering und für das Testen.
Die Prozessvisualisierung erfolgt über die Visualisierungssoftware Factorytalk View SE von Rockwell Automation. Von den auf der Kläranlage installierten zwölf Bedienstationen sind fünf mit Industrie-PC und Touchpanel ausgerüstet. Die restlichen Anbindungen zum Prozessleitsystem werden über von der hausinternen IT-Abteilung zur Verfügung gestellte Office-PC realisiert. Das erleichtert das Handling in dem immerhin 6 ha großen Areal. Zwei weitere mobile Stationen erlauben es den Angestellten, die im Bereitschaftsdienst sind, die Kläranlage von zu Hause aus zu überwachen und im Falle eines Störfalls einzugreifen.

Das neu geschaffene Netzwerk umfasst drei Ebenen. Auf der Steuerungsebene sind alle Controllogix-Steuerungen über einen Glasfaserring miteinander verbunden. Der Ring ­endet bei zwei baugleichen Servern, was für Redundanz sorgt, falls ein Server ausfallen sollte. Die zweite Ebene besteht aus den einzelnen Bedien- und Beobachtungsstationen. Eine dritte Ebene leitet Betriebsbilanzdaten und diverse Auswertungen an den SQL-Datenserver der Stadt Villach. Von diesem lassen sich die Trend- und die Protokolldaten jederzeit mithilfe einer hierfür entwickelten Software an die PC-Arbeitsplätze der Kläranlage übertragen. Zusätzlich gibt es einige Anlagenteile, zum Beispiel für Qualitätsmessungen oder die unabhängige Stromversorgung, die über eine Profibus DP-Karte mit dem System verbunden sind. Die Haustechnik hängt außerdem über Point-IO via Ethernet am System. „Es gibt fast keine Kommunikationsart, die wir bei dem Projekt nicht umgesetzt haben“, stellt A. Steinwender fest.

Fernwartung als effizienter Service
Eine große Herausforderung bei dem Projekt war der hohe Zeitdruck. Parallel zur Modernisierung der Kläranlage realisierte die Stadt Villach nämlich eine Nahwärmeversorgung, die mit vertraglich vereinbartem Stichtag betriebsbereit sein musste. Ein wesentlicher Teil der dafür benötigten Wärme kommt aus einem Blockheizkraftwerk, das mit Klärgas betrieben wird, welches wiederum in den Faultürmen aus dem anfallenden Klärschlamm der Kläranlage entsteht. Dennoch konnte das neue System 18 Monate nach dem Projektstart erfolgreich in Betrieb genommen ­werden.
Wie bei fast jedem Projekt nutzt IAS auch in Villach die in den Control­logix-Steuerungen standardmäßig integrierte Möglichkeit zur Ferndia­gnose. Über ein virtuelles privates Netz (VPN) haben die Wiener Techniker von jedem Ort der Welt aus Zugriff auf das Leitsystem in Villach. Dieser Zugang ist durch eine Firewall der hauseigenen IT-Abteilung gesichert. In Verbindung mit einer ­Modemkarte ist es sogar möglich auf einzelne Steuerungen zuzugreifen. Bei einer Störung kann das lokale Bedienpersonal somit effizient bei der Fehlersuche unterstützt werden. Im Zuge der Modernisierung in Villach hat IAS erstmals die Schaltschränke für die Pumpstationen selber gebaut. „Früher haben wir das an Drittfirmen vergeben, aber ich war zu oft nicht mit der Qualität der Ausführung zufrieden. Deshalb machen wir das jetzt selber bei uns im Haus“, sagt A. ­Steinwender. Mit der Eigenfertigung ist der Bedarf des Unternehmens an Allen-Bradley-Hardware-Komponenten zusätzlich angestiegen. „Unsere gute Beziehung zu Rockwell Automation hat sich damit weiter vertieft.“

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Autor: Hans-Jürgen Kraatz ist Business Development Manager Wasserindustrie Europa bei Rockwell Automation in Haan.