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Wasserdichte Lösungen für die Fernüberwachung

Bild 1. Für weitläufige Anlagen, wie bei der Wasseraufbereitung, bietet sich eine drahtlose Netzwerkkommunikation an

Bild 2. Bei dem Chain-Bridge-Modus muss man keine Rücksicht auf Hindernisse im Funkraum nehmen

Bild 3. Eine komplett redundante Auslegung der Geräte und der Verkabelung erhöht die Zuverlässigkeit der Übertragung

Bild 4. Die Access Points und Switche sorgen für eine zuverlässige Kommunikation in Wasseraufbereitungsanlagen

Sauberes Wasser und somit auch Wasseraufbereitungsanlagen sind unbestritten von zentraler Bedeutung in unserem täglichen Leben. Durch erhöhte Anforderungen an die Aufbereitung und den steigenden Durchsatz aufgrund zunehmender Einwohnerzahlen oder vermehrtem Industrieeinsatz müssen Betreiber ihre Wasseraufbereitungsanlagen aufrüsten. Größere Anlagenkapazität und moderne Prozesse sind gefragt. Effizient handhaben und überwachen lassen sich solche Anlagen nur noch mithilfe von moderner Kommunikations- und Automatisierungstechnik.

Grundsätzlich wird im Rahmen der Wasseraufbereitung je nach Anlagentyp Ab-, Grund- und Oberflächenwasser verarbeitet, von verschiedenen Verunreinigungen gesäubert und anschließend erneut dem Trink- bzw. Nutzwasserkreislauf zugeführt. Dabei erstrecken sich die Anlagen über weite Areale, auf denen sich diverse Tanks, Prozessanlagen für die Aufbereitung und die Sedimentabsetzung, Wartungs- und andere Gebäude befinden. Zusätzlich sind häufig Pumpanlagen außerhalb des eigentlichen Wasseraufbereitungsgeländes installiert (Bild 1). Die Möglichkeiten von drahtloser Kommunikation, helfen bei solchen weitläufigen Anlagen mit unterschiedlichen Gewerken dabei, eine Netzwerkkommunikation kostengünstig, einfach und zukunftsorientiert zu gestalten bzw. aufzurüsten.
Grundzüge der Wasseraufbereitung
Bei der Wasseraufbereitung kommen im Wesentlichen vier Verfahrenstypen zum Einsatz:
• das physikalische Verfahren mit den Behandlungen Belüftung, Sedimentation, thermische Behandlung oder Siebe und Filter,
• das chemische Verfahren, zu dem der Ionenaustausch gehört, um beispielsweise die Wasserhärte zu regulieren,
• das Membranverfahren, bei dem die Osmose zu den bekanntesten Prozessen gehört und
• das biologische Verfahren, mit Faulprozessen oder der biochemischen Oxidation.
Im Zuge der Aufbereitung durchläuft das Wasser mehrere dieser Verfahren. Je nach Ursprung und gewünschtem Ergebnis werden die Prozesse unterschiedlich kombiniert. So lässt sich aus Oberflächen-, Grund- oder Abwasser Trink- oder auch Brauchwasser unterschiedlicher Qualität herstellen. Die Anforderungen an die jeweilige Wasserqualität definieren Gesetzgeber, Normen und angeschlossene Verteilernetzwerke.
All diesen Prozessen ist gemein, dass sowohl die Anlagen, als auch die darin ablaufenden sensiblen Prozesse zu kontrollieren und zu regulieren sind. Des Weiteren ist es bedeutend, die Prozesse mit ihren Parametern und Ergebnissen regelmäßig zu protokollieren. In der Vergangenheit erfolgt die herkömmliche Prozesskontrolle und -regulierung über regelmäßige manuelle Probenentnahmen. Dabei war der Kontrollzyklus aufgrund des damit verbundenen Aufwands limitiert. Außerdem erlaubte diese Form der Kontrolle oft nur eine indirekte Messung der Parameter. Die Folge waren ungenaue Dosierungen der chemischen und biologischen Zugaben, ein erhöhter Materialaufwand und Energieverbrauch, längere Prozesszeiten, verspätete Reaktionen im Falle von kritischen Prozessabweichungen und eine aufwendige Dokumentation.
Funkbasierte Datenübertragung
Um die Anlagen und Prozesse kontinuierlich von einem zentralen Leitstand aus kontrollieren, regulieren und protokollieren zu können bedienen sich moderne Anlagen komplexer Netzwerke. Die angeschlossenen Komponenten wie SPS, Messgeräte, Computer oder Server werden dabei seriell oder über Ethernet vernetzt. So sind beispielsweise diverse Lagertanks gleichzeitig vollautomatisch regulierbar. Zudem lassen sich Daten von Proben einfacher verarbeiten und speichern. Außerdem können Arbeitsabläufe und Wartungsaktivitäten auf Basis von Echtzeit Daten-basierten Diagnosen geplant und durchgeführt werden.
Eine WLAN-basierte Kommunikation ermöglicht es die Anlagen und ihre verbundenen Geräte ortsunabhängig zu verbinden. Dabei können viele Punkte gleichzeitig über ein großes Areal angesprochen werden, ohne den üblichen hohen Verkabelungsaufwand zu betreiben. Sogenannte Wireless Distribution Systeme (WDS) überbrücken auch längere Distanzen. Der von Moxa entwickelte Chain Bridge Modus sorgt darüber hinaus für eine gleichbleibend hohe Bandbreite, ohne dass man auf Hindernisse im Funkraum Rücksicht nehmen muss (Bild 2).
Die zum Einsatz kommenden WLAN Access Points bzw. Clients müssen natürlich den Anforderungen der Umgebung gerecht werden. So ist für die Wasseraufbereitung ein wetterfestes, wasserdichtes Gehäuse unerlässlich. Ferner sollte das Gerät bei tiefen sowie bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren. Mit seinem wetterfesten IP68-Gehäuse erfüllt der AWK-6222 diese Anforderungen. Er kann selbst in flutwassergefährdeten Gebieten installiert werden und hat einen Arbeitstemperaturbereich von −40 °C bis 75 °C. Damit macht er aufwendige und teure Zusatzschränke für die Installation überflüssig. Vorteilhaft ist des Weiteren die Ausstattung mit Power-over-Ethernet, wodurch bei entsprechender Netzwerkstruktur auf zusätzliche Stromverkabelung verzichtet werden kann.
Zuverlässige Kommunikation
Kritische Prozesse, wie thermische Kontrollen oder Prozesse bei denen beispielsweise gefährliche Gase oder Grenzwerte gesteuert werden, erfordern eine zuverlässige Datenkommunikation. Für solche Fälle bieten sich Lösungen mit doppelten RF-Karten an, die auf zwei verschiedenen Frequenzen (2,4 GHz und 5 GHz) senden, um einer Störung durch Interferenzen zu entgehen. Idealerweise sollte die Kommunikation ständig parallel laufen, um Paketverluste durch operativen Wechsel der Funkfrequenz im Störfall zu verhindern. Eine zusätzliche redundante LAN-Verkabelung garantiert maximale Redundanz des Systems (Bild 3).
Um eine maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sollten die Funksysteme mit entsprechenden Warnsystemen ausgerüstet sein. So können beispielsweise spezielle Relais-Ausgänge das System und den betreiber mittels E-Mail, SMS und/oder Warnsignale über definierte Fehlverhalten informieren. Den notwendigen Schutz gegen einen unerwünschten drahtlosen Netzzugang liefern Sicherheitsstandards wie WEP/WPA/WPA2 und effiziente Filter. Zudem lässt sich die Authentifizierung mittels IEEE 802.11x-basierten Radius Servern kontrollieren. Den unerlaubten Zugang erschweren außerdem versteckte Service Set Identifier (SSID), durch den frei wählbaren Namen eines WLAN-Netzes, und die Erstellung eines Virtual Local Area Network (VLAN), ein virtuelles Netzwerk zur Konfiguration und Sicherung von Netzwerken.
Resümee
Eine WLAN-basierte Kommunikation in Wasseraufbereitungsanlagen erlaubt eine einfache, variable und zukunftsorientierte Netzwerkgestaltung, bei der Prozessingenieure und Techniker jederzeit in der Lage sind die relevanten Geräte und Prozesse zu überwachen, zu kontrollieren und zu regulieren. Sie können sich dabei auf die Vorteile eines schnellen, stabilen und hoch automatisierten Netzwerks verlassen, welches sicher und resistent gegenüber Fehlern ist. Mit seinen wetterfesten industriellen Access Points und Ethernet Switche bietet Moxa Lösungen an, mit denen sich im Freien befindliche Lagertanks, Füllstände und Fließgeschwindigkeiten in Echtzeit kontrollieren und mittels entsprechenden Ventilen regulieren lassen (Bild 4).
Daneben bietet das Unternehmen auch passende Lösungen für die Innenraumvernetzung an. So verknüpft beispielsweise ein AWK-5222 Ethernet-basierte Komponenten, während serielle Schnittstellen mit einem NPort angesprochen werden.

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Autor: Dipl.-Ing. Lars Jaeger ist Business Development Manager Industrial Wireless bei der Moxa Europe GmbH in Unterschleißheim.