Kleinsteuerungen für die Wasserversorgung

Automatisierungsaufgaben im Wasserwerk haben eine gewisse Komplexität, so dass diese bisher in der Regel eine SPS erforderten. Moderne Kleinsteuerungen sind jedoch inzwischen so ausgestattet, dass sie die dort gestellten Anforderungen ebenfalls erfüllen können.

Bild 1: Pumpensteuerung in einem Wasserwerk; Quelle: Doug Von Gausig, Critica Eye Photography and Naturesongs.com

Die Automatisierung von Förderpumpen in Wasserwerken (Bild 1) stellt ­hohe Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik. Heute werden in der Regel von den Anlagenherstellern komplexe Automatisierungskonzepte auf Basis von SPS realisiert. Sie erfordern umfassendes ­Expertenwissen und die Beherrschung auch komplexer, SPS-spezifischer Programmiersprachen. Die wirtschaftliche Erstellung ­einer entsprechenden Anlage, der störungsfreie Betrieb, ein langfristiger Service und die Möglichkeiten zum schrittweisen Aus- und Umbau sind die wichtigsten Ziele. Doch ­aktuell ist der Trend zu beobachten, dass ­sowohl Anlagenhersteller als auch die Betreiber zunehmend die Wartung der realisierten Anlagen an Elektrobetriebe vor Ort delegieren. Das verkürzt Reaktionszeiten und schont die Kapazitäten der Anlagenhersteller. Hierbei erweisen sich die hochkom­plexen, SPS-basierten Automatisierungskonzepte jedoch als ein mögliches Hindernis: Denn das zu deren Pflege notwendige Steuerungs-Know-how schränkt die Wahl geeigneter Elektrobetriebe vor Ort stark ein.

Flexibles, dezentrales Automatisierungskonzept

Bild 2: Variables Automatisierungskonzept mit einem Steuerrelais
und einer Visualisierung

Eine Alternative zur Automatisierung einer Pumpensteuerung mit SPS ist der Einsatz von Steuerrelais, wie des »easyE4« von Eaton (Bild 2). Damit ist ein Automatisierungs­konzept möglich, dass die wesentlichen Anforderungen an die Pumpensteuerung erfüllt: Die ständige Verfügbarkeit der Anlage und ihrer Installationen über einen langen Zeitraum. Denn die Anlage muss auch im Falle einer Störung, eines Umbaus oder der ­Modernisierung der Automatisierungs­einrichtung in Betrieb gehalten werden. Das erfordert ein flexibles dezentrales Konzept, dass auch von einem Elektro-Unternehmen vor Ort umgesetzt bzw. gepflegt werden kann.

Modell-Anwendung mit drei Förderpumpen

Um die Realisierbarkeit eines derartigen Steuerungskonzeptes zu verdeutlichen, wird die Automatisierung einer modellhaften ­Anwendung mit Hilfe des Steuerrelais ent­wickelt. Das Modell basiert auf einer Wasserversorgung mit drei Förderpumpen, die aus einem Brunnen mehrere Hochbehälter ­befüllen. Da die Hochbehälter in unterschiedlichen Höhenlagen installiert sind, ­verhindern Schieber an den Hochbehältern, dass sich der höher gelegene Behälter in die tiefergelegenen Behälter entleert.

Bild 2: Visualisierung der Pumpensteuerung in der Übersicht

Zusätzlich muss sichergestellt werden, dass mindestens ein Schieber eines Hoch­behälters vollständig geöffnet ist, bevor eine Pumpe freigegeben werden kann. Zusätzlich soll die Pumpe zum optimalen Zeitpunkt starten, nämlich dann, wenn der hydro­statische Druck durch das Öffnen eines oder mehrerer Schieber in den Rohren ausge­glichen ist. Des Weiteren geht die Modell-Anwendung davon aus, dass eine umfang­reiche Sensorik Volumenströme, Durchflussgeschwindigkeiten und Höhenstände misst (Bild 3).

Zudem soll die Anlage hinsichtlich des Energiemanagements optimiert sein. Dafür sollen die Pumpen im Wesentlichen nur in Zeiten eines niedrigen Tarifes eingeschaltet und gleichzeitig im Förderbetrieb eine Leistungsgrenze beim Verbrauch elektrischer Energie nicht überschritten werden. Zusätzlich müssen die Hochbehälter jederzeit ausreichend gefüllt sein. Auf Basis dieser konkurrierenden Anforderungen wurden für die Modell-Anwendung spezielle Anwender-Funktions-Bausteine (AFB) entwickelt. Da sie in der Praxis das Wissen der Experten des Unternehmens abbilden, sind sie durch Passwort geschützt – so haben Dritte auf die hinterlegten Parameter keinen Zugriff. Da die AFB bei der »easyE4« in der leistungs­fähigen Programmiermethode »Strukturierter Text« entwickelt werden können, lassen sich auch komplexere Funktionen einfach realisieren.

Erfassung der Schieber-Zustände

Eine weitere wichtige Einrichtung an den Hochbehältern sind die Schieber, die den Einlauf des Wassers freigeben und einen ungewollten Rücklauf verhindern. Diese Schieber müssen sicher funktionieren und der Status (»geöffnet« oder »geschlossen«) korrekt erfasst und an die Steuerung der Pumpen übermittelt werden. Das erfolgt über eine Laufzeit­erfassung, bei der die Zeit zum Öffnen oder Schließen zugrunde liegt, und die Überwachung des korrekten Ablaufs der ­Signalisierung.

Zusätzlich wird die Änderung der Zustände erfasst, auch wenn der elektrische Antrieb nicht arbeitet. Wenn der Schieber also manuell verändert wird, erkennt dies der Baustein »Schieber« ebenfalls. Die Signalisierung ist so geschaltet, dass ein möglicher Drahtbruch, Querschluss oder Kurzschluss eines Sensoranschlusses erkannt wird. Die Messung der Stromaufnahme und der Laufzeit des Schieberantriebs gibt zudem Hinweise auf mechanische Probleme der Anlage oder beginnende Fehler in der Justierung der Sensorik.

Pumpenmanagement mit vielen Parametern

Um eine hohe Verfügbarkeit sicherzustellen, verfügen Versorgungseinrichtungen in der ­Regel über mehrere Förderpumpen, die in der Summe die benötigte Förderleistung übersteigen. So kann man ständig eine oder mehrere Pumpen in Reserve halten, um eine Wartung oder einen Austausch einer Pumpe zu ermöglichen. In der Vergangenheit bestand ein Pumpenmanagement darin, lediglich die Laufzeit der einzelnen Pumpe aufzunehmen und jeweils die Pumpe mit der niedrigsten Laufzeit zu aktivieren, wenn ein Hochbehälter gefüllt werden musste. Wenn eine bestimmte, vorgegebene Laufzeit einer Pumpe erreicht war, wurde der Service durchgeführt.

Die Modell-Anwendung schöpft dagegen die Möglichkeiten moderner Automatisierungs-Komponenten aus: Über das Modbus-TCP-Netzwerk können zahlreiche Parameter aus den Frequenzumrichtern »DG1« von ­Eaton und dem Steuerrelais übernommen, ausgewertet und geloggt werden. So lassen sich Unregelmäßigkeiten sehr früh erkennen, etwa Anlaufprobleme, eine elektrische Leistungserhöhung bei gleicher Förderleistung der Pumpen oder asymmetrische ­Kennwerte wie Spannung, Strom oder cos φ. Daraus ergeben sich Hinweise auf einen zukünftigen Wartungs- oder Servicebedarf. Predictive Maintenance – also vorausschauende Wartung – wird so möglich.

Netzwerk mit vielen Möglichkeiten

Bild 4: Netzwerke verbinden und ermöglichen Dezentralität

Die Basis des für die Modell-Anwendung entwickelten neuen Steuerungskonzeptes ist das Steuerrelais »easyE4«. Dank der Kommunikations-Netzwerke Modbus TCP und »easyNet« sowie den Erweiterungsmöglichkeiten der Ein-/Ausgangsebene eignet sich dieses Steuerrelais auch für Projekte, für die ansonsten eine SPS notwendig gewesen wäre (Bild 4).

Der Vorteil liegt darin, dass trotz der ­umfangreichen Möglichkeiten auf der ­Anwendungsseite die Inbetriebnahme auch ohne Software-Spezialisten erfolgen kann. Dank skalierbarer Visualisierungskonzepte ist es möglich, auch die Bedienebene der Anlage an aktuelle Anforderungen anzupassen. Die Möglichkeiten reichen vom kostengünstigen Touch-Display bis zur hoch performanten Multi-Touch-Anzeige- und Bedieneinheit.

Erweiterbare Anzahl an Ein- und Ausgängen

Der Aufbau der Pumpensteuerung kann mit den grafischen Programmiersprachen Kontaktplan und Funktionsplan durchgeführt werden, ebenso die notwendigen Para­metrierungen und Einstellungen der analogen Ein-/Ausgänge. Beim Aufbau größerer Anlagen kann man bis zu elf lokale Erweiterungen anschließen, die jeweils digitale oder analoge Ein-/Ausgänge enthalten können. Gleichzeitig können bis zu acht derartig ausgebaute Steuerungen transparent Daten über »easyNet« austauschen. Speziell dieses Leistungsmerkmal erlaubte es, in dem Steuerungskonzept für die Modell-Anwendung die Sensoren und Aktoren ortsnah anzuschließen, so dass überall ausreichend Ein-/Ausgänge zur Verfügung stehen.

Eigene Funktionsbausteine schnell programmieren

Bild 5: Anwenderbausteine in der modernen Automation

Zur Programmierung im Projekt wurden Kontaktplan, Funktionsplan und Struk­turierter Text parallel angewendet. Die Möglichkeit, eigene Unterprogramme in diesen Sprachen zu erstellen, unterstützt die Modularität des Konzepts. Der Struk­turierte Text verleiht diesen selbstgeschriebenen »Anwender-Funktions-Bausteinen« (Bild 5) ähnliche Möglichkeiten, wie sie ­die »Hersteller-Bausteine« der »easySoft 7« ­haben.

So kann der Anwender aus der »easyE4« selber eine Steuerung für den Bereich Wasser erstellen, mit eigenen, geschützten Funk­tionsbausteinen zum Pumpenmanagement, zur Laufzeitüberwachung und speziellen Modulen zur Linearisierung von Messwerten u.v.m. In der Modell-Anwendung kann das gesamte Konzept durch entsprechende Bausteine realisiert werden, so auch die Pumpensteuerung, das Pumpenmanagement und die Schiebersteuerung mit den entsprechenden Überwachungen.

Daten-Logging liefert Hinweise für anstehende Wartungsarbeiten

Das Aufzeichnen von Mess-, Betriebs- und Laufdaten einer gesteuerten Einrichtung kann bereits Hinweise auf einen zukünftigen Service- oder Wartungsbedarf geben. Eines der kritischen Elemente einer Frisch- oder Abwasseranlage sind die Förderpumpen in Verbindung mit den zugehörigen Schiebern und Ventilen. Die aktuellen Messdaten der Pumpen und die Zeiten zum Öffnen und Schließen der Schieber, sowie deren Veränderungen, können, neben den Betriebsstunden, Hinweise auf anstehende Wartungsarbeiten geben. Auch Eingriffe des Betriebspersonals und Veränderungen von Parametereinstellungen können im Datenlogger aufgezeichnet werden.

Das Datenlogging kann in jeder »easyE4« durchgeführt werden. Dazu steht ein Hersteller-Funktionsbaustein (DL01) zur Verfügung, der lediglich parametriert werden muss. Die geloggten Daten können über die Software »easySoft 7« ausgelesen und in ­Excel ausgewertet oder an ein Leitsystem übergeben werden.

Auch Visualisierung dezentralisiert

Bild 6: Visualisierung in »easySoft 7« (oben) bzw. in einem Internet-Browser (unten)

Die Visualisierung innerhalb einer Wasserversorgungseinrichtung wird nicht nur durch das Leitsystem realisiert, sondern auch innerhalb einer Anlage – »vor Ort«, direkt an den Pumpen, Frequenzumrichtern, Über­wachungsgeräten, Aktoren und Sensoren. Die Möglichkeiten sind unterschiedlich und skalierbar und reichen von der einfachen LED-Anzeige über das integrierte Display der Steuerung bis zum Touch-Panel aus der gleichen Gerätefamilie (Bild 6).

Für größere Anlagen lassen sich auch ­Multitouch-Displays einfach integrieren. So können an einer Pumpe auf Knopfdruck die Daten des zugehörigen Frequenzumformers ebenso dargestellt werden wie der erfasste Volumenstrom der Messgeräte und der ­Status bzw. Füllstand der angeschlossenen Hochbehälter. Je nach Gerät in digitaler Form, farbig und mit grafischen Elementen wie Bargraph, Zeigerinstrument oder Liniengraph.

Ergebnis: Vorteile für alle ­Projekt­beteiligten

Das für die Modell-Anwendung auf Basis der »easyE4« entwickelte Konzept bietet Vorteile für alle an Planung und Betrieb einer Wasserversorgung beteiligten Parteien: So haben Planungsbüros durch die Modularisierung eine gute Grundlage für die Ausschreibungen, die Installationsunternehmen können durch das dezentrale Konzept den Verdrahtungsaufwand reduzieren, zudem werden durch die gleichzeitige modulare Installation und Inbetriebnahme die Realisierungszeiten verkürzt. Durch den einfachen Aufbau und die leichte Programmierung bzw. Parametrisierung der Steuerrelais kann die Wartung und auch eine spätere Erweiterung problemlos durch Elektrobetriebe vor Ort durchgeführt werden. Für den Investor und Betreiber ist langfristig die Flexibilität und Verfügbarkeit der Anlage gesichert.

Autor

Ulrich Kanngießer, freier Fachautor und Seminaranbieter

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net