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07-08 | 2017

Special

Special Wasserkreisläufe & Pumpen Betriebssichere Bewirtschaftung von Brunnenanlagen Die Grundwasserförderung ist für die Versorgung mit Trinkwasser unverzichtbar. Gemäß Statistischem Bundesamt stellt das zum größten Teil aus vertikalen Brunnen gewonnene Grundwasser 60,9 Prozent des öffentlich geförderten Wassers in Deutschland dar. Um die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit der Förderanlagen sicherzustellen, bedarf es einer modernen Automatisierung. Damit sind sowohl das Retrofit von Bestandsanlagen als auch der Brunnenneubau mit technischen Herausforderungen verbunden. Diese will die Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont, mit ihrer Steuer- und Kommunikationstechnik lösen. Der Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) konstatiert im Arbeitsblatt W 125, das sich explizit mit der Brunnenbewirtschaftung beschäftigt, dass der Betriebssicherheit von Brunnenanlagen oftmals ein zu geringes Gewicht zugemessen wird. Ein solcher Zustand ist für Anlagen, die bei der Trinkwasserversorgung eine große Rolle spielen, nicht zeitgemäß. Der Überwachung des Brunnenbetriebs, die mehrere Funktionen erfüllt, kommt daher eine wichtige Bedeutung bei der betriebssicheren Grundwassergewinnung zu. Zum einen lassen sich so mögliche Betriebsstörungen frühzeitig erkennen und vermeiden; zum anderen können Betriebsdaten erfasst und dokumentiert werden. Die Grundlage einer nachhaltigen und anwenderfreundlichen Überwachung bildet eine moderne Automatisierungslösung. Sie erlaubt nicht nur die permanente Kontrolle des Anlagenzustands durch die Mitarbeiter des Betreibers, sondern auch einen Eingriff in den Prozess, ohne vor Ort sein zu müssen. Ganzheitliche Lösungsansätze bei der Brunnensteuerung für maximalen Kundennutzen. Für eine betriebssichere Brunnenbewirtschaftung erweist sich darüber hinaus die Verwendung geeigneter Komponenten als wichtig. Dabei wird die Entscheidung für qualitativ hochwertige Produkte, die den applikationsspezifischen Rahmenbedingungen entsprechen, als selbstverständlich angesehen und hier nicht weiter berücksichtigt. Es sollten jedoch Komponenten ausgewählt werden, die eine präventive Instandhaltung unterstützen. In diesem Zusammenhang kann es sich zum Beispiel um Überspannungsschutzgeräte handeln, die kontinuierlich Informationen über ihren Zustand an die Automatisierung weiterleiten. Reduzierung von Energiekosten und Wartungsaufwand Um die Brunnen wirtschaftlich betreiben zu können, müssen die größten Kostenfaktoren – Energiekosten sowie der finanzielle Aufwand für Wartungsund Instandhaltungsmaßnahmen – so weit wie möglich reduziert werden. Das gelingt nur, wenn sich der Anwender auf eine Verlängerung der Nutzungsdauer sowie einen energieeffizienten Pumpenbetrieb konzentriert. Die Automatisierung ist deshalb ebenfalls der passende Ansatzpunkt. Bei einer automatisierten Fördermengen-Regelung mehrerer Pumpen lässt sich beispielsweise die Leistung der einzelnen Rohwasserpumpen effizient an die aktuellen Erfordernisse anpassen. Das ermöglicht einen Pumpenbetrieb im optimalen Betriebspunkt und führt zu einer Energieeinsparung. Andererseits verlängert sich die Brunnenstandzeit, da durch die ausgeglichene Belastung der einzelnen Förderanlagen die Häufigkeit von Regenerationsmaßnahmen verringert wird. Eine vorausschauende Instandhaltung auf der Grundlage intelligenter Komponenten senkt die Kosten für die Wartung. Dies, weil der Anlagenzustand permanent überwacht wird und die Mitarbeiter so potenzielle Ausfälle frühzeitig erkennen. Das macht die Service-Einsätze plan- und somit kostengünstiger realisierbar. Außerdem müssen Komponenten, die häufig noch funktionsfähig sind, nicht aufgrund festgelegter Intervalle präventiv ausgetauscht werden. 20 UmweltMagazin Juli - August 2017

Wasserkreisläufe & Pumpen Special Nutzung geeigneter Komponenten Die Modernisierung oder der Neubau eines Grundwasserbrunnens erfordert in der Regel die Betrachtung verschiedener vielschichtiger Fachgebiete. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den notwendigen baulichen Maßnahmen, die das DVGW-Arbeitsblatt W 123 umfassend behandelt. Nachfolgend soll daher lediglich auf die Anforderungen an eine Automatisierungslösung mit den zugehörigen Elementen – zum Beispiel Überspannungsschutz oder Fernwirktechnik – eingegangen werden. Flexible Steuerungstechnik Bei einer modernen Lösung zur Automatisierung dezentraler Brunnenanlagen bietet sich wegen der umfangreichen Anforderungen die Verwendung einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) an. Mit dieser lassen sich Applikationen nicht nur flexibel programmieren, sondern Betriebsdaten auch vollständig erfassen und speichern. Die Steuerung sollte zudem modular erweiterbar sein, so dass sie flexibel an geänderte Rahmenbedingungen angepasst werden kann. Zahlreiche standardisierte Schnittstellen – wie digital zu analog sowie unterschiedliche Busprotokolle – sorgen für ein hohes Maß an Investitionssicherheit. In diesem Zusammenhang sollte die SPS ebenfalls Fernwirk- Protokolle unterstützen, um Daten sicher an die Leitzentrale zu übertragen. Und schließlich sind eine robuste Bauform für die raue Industrieumgebung sowie eine hohe Systemverfügbarkeit gefordert. Busbasierte Feldgeräte Der Betrieb eines Grundwasserbrunnens bedingt mehrere Feldgeräte. Neben den Messkomponenten spielt die Auswahl einer applikationsspezifischen Tauchpumpe inklusive des Steuerungsgeräts eine zentrale Rolle. Zur Ansteuerung der Rohwasserpumpe wird die Nutzung eines Frequenzumrichters empfohlen, der für die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit der Anlage sorgt. Die Verbindung zwischen ihm und der SPS kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Durch den Einsatz eines Busprotokolls – wie beispielsweise Profinet – ergeben sich umfassende Diagnosemöglichkeiten. Darüber hinaus lassen sich die Feldgeräte einfacher in die Automatisierungslösung integrieren. Typischerweise werden die Permanente Übersicht über den Anlagenzustand durch moderne Fernwirkkonzepte. Prozessparameter Leitungsdruck, Volumendurchfluss und Grundwasserspiegel gemessen und dokumentiert. Die Messgeräte leiten die Werte meist als 0- oder 4-bis-20-mA-Signal an die Steuerung weiter, wobei die Bustechnologie auch hier stetig an Bedeutung gewinnt. Zur Trennung eines Förderbrunnens vom Leitungsnetz kommen Absperrklappen zur Anwendung, die alternativ zur Handbedienung ebenfalls von der SPS angesteuert werden können. Zu diesem Zweck sind die Klappensteuerungen per Busprotokoll oder Digital- beziehungsweise Analogsignal angebunden. Standardisierte Fernwirktechnik Der Datenaustausch zwischen der Außenstation und der Leitzentrale lässt sich auf unterschiedliche Arten realisieren, zum Beispiel per Mobilfunk. Die Auswahl der Übertragungsart hängt dabei von der jeweiligen Applikation ab und kann daher nicht allgemein betrachtet werden. Unabhängig von der Kommunikationsart bietet sich die Nutzung von Fernwirk-Protokollen ohne Vorbehalt an. Für gewöhnlich werden in Europa die Standards nach IEC 60870–5–101 für die serielle Datenübertragung und IEC 60870–5–104 für TCP/ IP-Verbindungen verwendet. Der Vorteil, der für den Einsatz von Fernwirk- Protokollen spricht, liegt in der lokalen Speicherung der Betriebsdaten im Fall eines Verbindungsabbruchs, der beispielsweise bei einer Mobilfunk-Kommunikation häufiger vorkommt. Die Daten werden anschließend mit Zeitstempel an die Leitzentrale übermittelt. Diese Funktion ist zur nachvollziehbaren Dokumentation wichtig. Robuste Spannungsversorgung, Überspannungsschutz und MSR-Technik Für einen sicheren Betrieb in der Automatisierungstechnik müssen bestimmte Rahmenbedingungen erfüllt werden. Dazu gehört eine robuste Spannungsversorgung, die von großer Bedeutung ist. Die Zuverlässigkeit der Anwendung erhöht sich weiter, wenn das Netzteil durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ergänzt wird. Als zusätzliches Sicherheitselement ist der Überspannungsschutz der Automatisierungstechnik in das Gesamtkonzept der Anlage einzubinden. Wegen ihrer oftmals exponierten Lage sind die Förderbrunnen einem erhöhten Blitzschlag-Risiko ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund erweist sich die Berücksichtigung des Schutzes als unerlässlich. Um die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik vor EMV-Beeinflussung zu schützen, empfiehlt sich die Nutzung von Trennverstärkern für analoge Messsignale. Fazit Die Automatisierung von Brunnen zur Grundwassergewinnung erfordert eine vielschichtige Betrachtung verschiedener Themengebiete. Zur Reduzierung der Komplexität dieser Aufgabenstellung sollten Anbieter von Automatisierungstechnik im Sinne ihrer Kunden einen ganzheitlichen Lösungsansatz wählen. Bei Phoenix Contact ist dieses Konzept im Rahmen einer Bachelor-Arbeit verfolgt worden. Die Spezialisten eines Industrie- Teams, das sich auf die Wasserbranche fokussiert, überführen die Ergebnisse dann in eine praxisgerechte Automatisierungslösung. Hauke Abbas, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont, habbas@phoenixcontact.com UmweltMagazin Juli - August 2017 21

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