datengewinnung und -übertragung in regenbecken und kanalnetz

Datengewinnung und -übertragung in Regenbecken und KanalnetzPlanerforum 2018

Phoenix Contact, Bad Pyrmont

M. Rumpf

C. Spiegel

2018-11-07

Datengewinnung und -übertragung in Regenbecken und KanalnetzAgenda

1. Die KROHNE-Gruppe

2. Zukunftsthema Regenbecken

3. Datenübertragung mit PROFINET

KROHNE GruppeFakten und Zahlen

3 | Phoenix Contact Planerforum 2018

Anbieter von innovativen Produkten, Lösungen und

Services für die Prozessindustrie

1921 in Duisburg gegründet

100% in Familienbesitz

Umsatz 2017: 495,3 Mio. EUR (einschl. Joint Ventures)

>3.763 Mitarbeiter

>350 Mitarbeiter in F&E

14 Produktionsstätten in 11 Ländern

44 Tochtergesellschaften und Joint Ventures

55 Vertretungen

| 2018-11-07

Produkte, Lösungen und ServiceleistungenErwartungen an einen Partner für die Instrumentierung der Prozessindustrie

Umfassende Portfolios UND Beherrschung der

maßgeblichen Technologien in aller Tiefe

Prozessparameter UND Stoffzusammensetzung, inline

UND online

Zuverlässige Leistung unter schwierigen Prozess- und

Umgebungsbedingungen

Systemlösungen

Anbieter von Serviceleistungen über den Messwert

hinaus

4 | Phoenix Contact Planerforum 2018| 2018-11-07



a. Einleitung

b. Verordnungen

c. Automatisierung von Regenbecken

d. Messtechnik in Regenbecken

e. Gemeinschaftsmodell

Zukunftsthema RegenbeckenDer Wassermarkt

| 2018-11-07 | Phoenix Contact Planerforum 20186

Zukunftsthema RegenbeckenBackground

Warum ist Regenwasser ein Zukunftsthema ?

Kläranlagen sind bereits hinsichtlich verbesserter Reinigungsleistung betrachtet worden

Regenwasser ist (einer der) Hauptverursacher für Gewässerverschmutzung

Die ersten Schwallstöße bei immer stärker werdenden Niederschlagsereignissen sind besonders kritisch

− Hydraulische und frachtbasierte Belastung

In Mischkanalisation wird bei Starkregen eine große Menge Abwasser direkt in die Vorflut abgeschlagen!

Reines Regenwasser erfährt durch größere Urbanisierung und Zunahme des Verkehrs immer größere Belastung und

stellt ebenfalls große Belastung dar

− (300-400 mg/l CSB)




a. Einleitung

b. Verordnungen




Messtechnische Lösungen in RegenbeckenBackground

Bisher keine bundesweite Verordnung zur Automatisierung von Regenbecken

NRW und Hessen haben Landesverordnungen zur Automatisierung von Regenbecken eingeführt!

− §3 der SÜVVO Abwasser des Landes NRW schreibt dieses wie folgt vor:

− https://recht.nrw.de/lmi/owa/br_bes_text?anw_nr=2&gld_nr=7&ugl_nr=77&bes_id=24944

&aufgehoben=N&menu=1&sg=0#det293633

− EKVO – Abwassereigenkontrollverordnung für das Land Hessen, Anhang 2 S.13

− http://www.melsungen.de/Wirtschaft/Kanal__+Wasser_+und+Stra%C3%9Fenbau-p-

330/_/ekvo_arbeitsexemplar_mit_4__aenderungsvo_2007_08_22.pdf

Bayern: bisher lediglich Regelung im Bescheid durch Wasserwirtschaftsamt (wasserwirtschaftlich

bedeutende Anlage)


https://recht.nrw.de/lmi/owa/br_bes_text?anw_nr=2&gld_nr=7&ugl_nr=77&bes_id=24944&aufgehoben=N&menu=1&sg=0#det293633

http://www.melsungen.de/Wirtschaft/Kanal__+Wasser_+und+Stra%C3%9Fenbau-p-330/_/ekvo_arbeitsexemplar_mit_4__aenderungsvo_2007_08_22.pdf

Verordnungen§3 - Selbstüberwachungsverordnung Abwasser – SüwVO Abw vom 17. Oktober 2013

Durch geeignete Auswertungen der Füllstände und Benutzungszeiten sind Überlaufmengen, -dauer und -häufigkeit und

bei Bedarf die zur Abwasserbehandlungsanlage weitergeleiteten Abwassermengen zu ermitteln


VerordnungenEKVO – Abwassereigenkontrollverordnung für das Land Hessen, Anhang 2 S.13

Für zentrale Regenentlastungsanlagen sind Messwerte über Füllstand, Anspringhäufigkeit und Entlastungsdauer zu

erfassen


VerordnungenDWA Arbeitsblatt DWA-A 102 in Arbeit

Allgemein anerkannte Regeln der Technik

Gelten als untergesetzliches Regelwerk




a. Einleitung

b. Verordnungen




Automatisierung von RegenbeckenWelche Arten von Regenbecken gibt es?

Regenrückhaltebecken (RRB)

Qzu=Qab

Keine Regenwasserentlastung

In Misch-/Trennsystem

Regenüberlaufbecken (RÜB)

Qzu=Qab+Qü

In Mischsystemen bei großen Kanälen als Fangbecken (oben liegende Entlastung)

oder Durchlaufbecken (unten liegende Entlastung)

Regenklärbecken (RKB)

(es gibt bei Schwallstößen vorher noch Verteilerbauwerk, welches einen ersten direkten Abschlag in Vorflut zulässt)

Qzu=Qab+Qretention

In Trennsystem


Automatisierung von RegenbeckenWann kommt Messtechnik in Regenbecken zum Einsatz?

Wenn die Struktur des Betreibers es als sinnvoll erscheinen lässt

Wenn es die Nachweisführung gegenüber Überwachungsbehörden vereinfacht

Wenn Kanalnetzbewirtschaftung betrieben werden soll

Zur Steuerung des Zulaufes zur KA bei Regenereignissen

Wenn Aussage über die Effizienz einer Regenwasserentlastung erforderlich ist

Momentan werden Regenbecken bemessen und somit auf einen bestimmten Bemessungszufluss/-

abfluss/retention betrieben

− Man hat allerdings keine genauen Messdaten über das reale Verhalten!

− Wie effizient und wie nah an der Auslegung arbeiten Regenwasserentlastungsanlagen? Wie

verhalten sie sich bei größeren NS

Besteht zukünftig demnach ein Interesse an Messtechnik


Automatisierung von RegenbeckenWelche Messtechnik kommt zum Einsatz?

Mengenmessung (MID´s für Teil-/Vollfüllung) mit integrierter Leitfähigkeitsmessung (Qualität)!

− Mit 2 Analogausgängen oder PROFINET-Kommunikation

− In Regenbecken, in Einleitstellen zur Vorflut, im Kanalnetz (bei Kanalnetzbewirtschaftung)

− Im Mischsystem, um Rechenschaft über die abgeschlagene Menge zu geben (gegenüber der oberen/unteren

Wasserbehörde)

− Im Trennsystem, um Aussage über die eingeleitete Regenmenge zu geben

− sobald Regenwasser Abwasser-Abgabepflichtig wird

Füllstandmessung

− Beckenkapazität messen bei Kanalnetzbewirtschaftung

Füllstandschalter

− Grundaussage, ob die Anlage überhaupt angesprungen ist

Schlammspiegelmessung

− In Regenbecken Aussage über Sedimentationsschicht

pH-Wert und Temperatur




a. Einleitung

b. Verordnungen




Mengenmessung – DurchflussmesstechnikOPTIFUX 2300 C/F – vollgefülltes Durchflussmessgerät

Gleichzeitige Messung von:

− Durchfluss und Leitfähigkeit

− Detektierung von Elektrodenbelag/ -korrosion

− Temperaturanzeige

− Detektierung von Gasblasen / Feststoffen

− Genauigkeitsprüfung

− Überprüfung des Strömungsprofils

− Teilfüllungserkennung

ATEX Zone 1 Zulassung für explosionsgeschützte Bereiche

Erdeinbau (IP68)

Keine Kalibrierung vor Ort, standardmäßige

Werkskalibrierung

Bidirektionale Messung

Modulare Messumformer je nach Anforderung

OPTIFLUX 2300

DN 2,5…3000

35 l/h …100.000 m³/h



Mengenmessung – DurchflussmesstechnikOPTIFUX 2300 C/F – vollgefülltes Durchflussmessgerät

19 | Präsentation Teil 2 Wirbelfrequenz-Durchflussmessgeräte |

Mengenmessung – DurchflussmesstechnikTIDALFLUX 2300 F – teilgefülltes Durchflussmessgerät

Messung von Durchflüssen zwischen 10…100% des Füllstands

ATEX Zone 1 Genehmigung für explosionsgeschützte Bereiche

Leitfähigkeit und Füllstand als zusätzlicher Ausgang möglich

Erdeinbau (IP68)

Keine Kalibrierung vor Ort, standardmäßige Werkskalibrierung

Korrosionsfreie Füllstandmessung (H2S)


Draufsicht

Mengenmessung – Durchflussmesstechnik TIDALFLUX 2300 F – teilgefülltes Durchflussmessgerät

Elektroden nicht benetzt

Min. 10% Füllhöhe

Zu starke Verwirbelung

Ungenaue Höhenstandmessung

Revisionsöffnung vorsehen


Diagnosefunktionen bei Durchflussmessgeräten

Diagnosefunktionen sind

Standardmäßig bei allen OPTIFLUX-

geräten integriert und liefern neben

bedeutenden

Überwachungsfunktionen des Gerätes

auch hilfreiche Informationen über den

Prozess wie z.B. die integrierte

Leitfähigkeitsmessung

Installations-/ Wartungskosten einer

herkömmlichen

Leitfähigkeitsmessung entfallen


Grüne Kurve:

Indikationsmessgerät

OPTIFLUX 2300C

Orangefarbende Kurve:

Präzisionsmessgerät

OPTISENS 1050W



a. Einleitung

b. Verordnungen




RegenbeckenGemeinschaftsmodell

Neue Zukunftsapplikation im Bereich

Abwasser

Fokus der letzten 20 Jahre lag im

Bereich Optimierung von

Kläranlagen → verschiebt sich jetzt

in das Kanalnetz

Aufgrund von Klimawandel (mehr

und mehr Starkregenereignisse)

Immer weniger natürliche

Retentionsflächen (mehr und mehr

versiegelt Flächen)



Zwei große Herausforderungen

Unkontrollierte Niederschlagseinleitungen in Flüsse sind verantwortlich für eine stetig steigende Gewässer-

/Umweltverschmutzung

− Mehr und Mehr Länder/Bundesländer erstellen Gesetze zur Automatisierung von Regenbecken – Hauptfokus dabei ist

das Messen (Ableitmenge) und kontrollierter Ablauf/Abschlag

Unkontrollierte Niederschlagsableitung kann ebenfalls Überflutungsprobleme verursachen

− Viele Länder investieren hier große Mengen Geld um ein aktives Hochwassermanagement System zu erstellen


RegenbeckenPrinzip


Regelventil TIDALFLUX

Kläranlage

Vorflut

Regenüberlaufbecken

Stadt mit mehr und mehr

versiegelten Flächen

Rainfall

MAX. FLOW

TIDALFLUX


KROHNE stellt komplettes Portfolio

− TIDALFLUX 2300 F

− OPTIBAR LC 1010

− OPTITEMP TRA S 11 with TT20C

− OPTISWITCH 6600

− SMARTSENS COND 5200

− OPTIWAVE 5200

− OPTIFLUX 2300


RegenbeckenKunden - Referenzprojekt Regenüberlaufbecken Schlangen/NRW

Gemeindewerke Schlangen

− TIDALFLUX DN200

− VAG

− AUMA

− Phoenix Contact


RegenbeckenKunden - Referenzprojekt Regenüberlaufbecken Schlangen/NRW




a. Einführung PROFINET

b. Vorteile im Anlagenbetrieb

c. Zusammenfassung

Einführung PROFINETTechnologie

Empfehlung für den Einstieg in das Thema PROFINET:

Youtube-Video der Indu-Sol GmbH

PROFINET - Der Film | Technologie einfach erklärt

https://youtu.be/k8MFH9QpEBQ

Kurz und sehr anschaulich (7:30 Minuten)

Inhalte

− Vergleich mit Bus-Konzepten (z. B. PROFIBUS)

− Höhere Kommunikationseffizienz

− Zykluszeit Controller (Steuerung) und IO-Devices

(Feldgeräte)

− Netzwerk-Switches, Jitter

− Linientiefe, maximale Leitungslänge

− Flexible Netzwerktopologie, Netzwerkdiagnose

− Einfluss von azyklischem Datenverkehr

− Qualität des Leitungsmaterials


https://youtu.be/k8MFH9QpEBQ

Einführung PROFINETWas ist eigentlich Industrial Ethernet?

Ethernet wurde ursprünglich 1973 von Robert Metcalfe bei Xerox

erfunden und seither ständig als IEEE 802.3 weiterentwickelt

− „Ether“ bezog sich ursprünglich auf die Art den Medienzugriffs

− Gleichberechtigter Medienzugriff mit CSMA/CD

− Kollisionen beim Zugriff auf das Medium, je nach

Netzwerklast

− Folge ist nicht vorhersagbare Verzögerung (Latenz)

− Prinzipiell keine Echtzeitfähigkeit

Industrial Ethernet: Protokolle, die deterministische

Echtzeitkommunikation ermöglichen

Industrietaugliche Steckverbinder (z. B. M12) und

Infrastrukturkomponenten (z. B. Switches mit erweitertem

Temperaturbereich)

Verschiedene, applikations- und herstellerspezifische

Protokolle in der Gruppe der „Industrial Ethernets“


Xero

x

Bewährte Technologie

aus der IT-Welt

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

Phoenix Contact

Einführung PROFINETAnforderungen und Einschränkungen

PROFINET (und andere Industrial-Ethernet-

Protokolle) basieren auf 100BASE-TX („Fast

Ethernet“)

Kein Bus, sondern Punkt-zu-Punkt-Verbindung

(benötigt Switches)

Ein verdrilltes Paar pro Richtung, also 2 Aderpaare

bzw. 4 Adern für Vollduplexübertragung

Nettodatenrate 100 Mbit/s

Leitungsmaterial mindestens Cat. 5 erforderlich

Leitungslänge maximal 100 m

Umsetzung auf optische Faser bei größeren

Distanzen


Wesentliche Vorteile von Industrial Ethernet in der Prozessindustrie:

1. Kosten: Infrastruktur-Komponenten (z. B. Feld-Switches), Standard-

Industrie-Verkabelung und -Steckverbinder von vielen Herstellern

2. Flexibilität: höhere Datenrate, verschiedene Dienste auf demselben

Medium, standardisierte Diagnosen, verschiedene Netzwerktopologien

Zahlreiche „Industrial Ethernets“ in der Fertigungsautomatisierung, aber nur

zwei sind bislang relevant für die Prozessindustrie:

Einführung PROFINETProtokolle für die Prozessindustrie


• SPS-Markt dominiert von Siemens

• Vermarktet als „Nachfolger von Profibus“

• Integration in SPS über GSD

• PN-PA-Link ermöglicht die Verwendung in gefährdeten

Bereichen (Explosionsschutz, Zündschutzart Ex-i)

• KROHNE und Phoenix Contact kooperieren in W&WW

• SPS-Markt dominiert von Rockwell Automation

• Integration in Rockwell-SPS entweder mit Standard-EDS

oder proprietären AOPs (Add-on Profiles)

• Ebenfalls verfügbar von Schneider Electric, Omron und

Bosch Rexroth

PROFINET

Einführung PROFINETLösungsplattform für die Prozessindustrie


Operator EngineeringPlant Asset

Management

Industrial Ethernet

Plant Access

PointController

Zukunft: „Zweileiter“-

PROFINET-Feldgeräte

APL

Classic I/O MCC

Remote

I/O

PROFIBUS PA

PROFIBUS-PA-

Feldgeräte

Proxy

Quelle: PI Conference 2017, Frankfurt

PROFINET-Feldgeräte

Switch

36

Einführung PROFINETProduktverfügbarkeit Durchflussmesstechnik

OPTIFLUX / WATERFLUX / TIDALFLUX IFC 300 (MID)

und OPTIMASS MFC 400 (Coriolis)

Nahtlose Integration in Siemens STEP7 und Phoenix

Contact PC Worx

Integrierter Ethernet-Switch unterstützt Linientopologie

(„Daisy Chain“), Ring-, Stern- und Baumtopologie

Flexible Anschlusstechnik

− M12-Steckverbinder

− Künftig auch herkömmliche Kabeldurchführungen und

Anschlussklemmen (Spezifikationsentwurf liegt vor,

Initiative von KROHNE)

Schlüsselfertige Lösung für die Wasserwirtschaft mit

Funktionsbaustein und SCADA-Integration (nur für

OPTIFLUX / WATERFLUX / TIDALFLUX IFC 300)






c. Zusammenfassung

Vorteile im AnlagenbetriebAnbietervielfalt

Messemodell in Kooperation zwischen

sechs verschiedenen Anbietern

AUMA

Danfoss

KROHNE

Phoenix Contact

VAG

Wilo

→ Vollständige Abdeckung typischer

Anlagen der Wasserwirtschaft mit einem

einzigen Protokoll


Vorteile im AnlagenbetriebVorteil digitaler Technologien: Telefonie (und Datenübertragung)


POTS LTEGEGEN

POTS Plain old telephone service

LTE Long Term Evolution

Vorteile im AnlagenbetriebVorteil digitaler Technologien: Fernsehen


PAL DVBGEGEN

PAL Phase Alternating Line

DVB Digital Video Broadcast

ODVA 2017 Industrial Conference

and 18th Annual Meeting /

Bilfinger Maintenance GmbH

Vorteile im AnlagenbetriebVorteil digitaler Technologien: Prozessautomatisierung


4…20 mA ETHERNETGEGEN

Vorteile im AnlagenbetriebFlexible Netzwerktopologien

PROFINET unterstützt verschiedene Netzwerktopologien,

je nach Anwendung

Stern, Baum

− Ein oder mehrere kaskadierte Ethernet-Switches im

Feld benötigt

− Fällt ein Switch aus, sind die daran angeschlossenen

Feldgeräte nicht mehr erreichbar

− Wird von allen Feldgeräten unterstützt

Linie

− Ähnlich zu den bekannten Linientopologien der

Feldbusse, z. B. PROFIBUS oder Modbus

− Fällt ein Feldgerät aus oder muss ersetzt werden, sind

die nachfolgenden Feldgeräte nicht mehr erreichbar

− Zwei Ethernet-Ports (integrierter Switch) in den

Feldgeräten erforderlich


Vorteile im AnlagenbetriebFlexible Netzwerktopologien

Ring

− Ermöglicht Redundanz

− Fällt ein Feldgerät aus, funktionieren die übrigen

Feldgeräte im Ring weiterhin

− Muss durch Steuerung und Feldgeräte unterstützt

werden

− Feldgeräte benötigten für dieses Feature zwei

Ethernet-Ports (integrierter Switch) und müssen

MRP (Media Redundancy Protocol) unterstützen


Vorteile im AnlagenbetriebMehrwert von Industrial Ethernet gegenüber 4…20 mA

Kosteneinsparung

− Kleine und mittlere Steuerungen heute in Standard-

Ausführung mit Industrial Ethernet

− Keine Kosten für analoge und diskrete IOs

Mehrere Prozessvariablen über eine Leitung

− Leitfähigkeit (OPTIFLUX)

− Konzentration (OPTIMASS)

Einfache, standardisierte Integration, z. B. über

GSD im Fall von PROFINET

Feldgeräte-Konfiguration über Engineering-System

Feldgeräte-Diagnose von der Leitwarte aus

Nutzung von integrierten Asset-Management-

Systemen

Einfacher Gerätetausch im Fehlerfall


Phoenix Contact

Beispiel OPTIFLUX IFC 300: Integrierte Leitfähigkeitsmessung

Aktive Leitfähigkeitsüberwachung in Pumpstationen oder Kläranlagenzuläufen

Kontinuierliche Überwachung der Abwasserbeschaffenheit

Detektion von illegalen Einleitungen verbotener Stoffe

Keine präzise Messung, aber gute Indikation

Grüne Kurve: Integrierte

Leitfähigkeitsmessung im

OPTIFLUX IFC 300

Rote Kurve: Induktive

Leitfähigkeitsmessung mit

Analysemessgerät

Unmittelbare Ansprechzeit

Vorteile im AnlagenbetriebMehrere Prozessvariablen


Beispiel OPTIFLUX IFC 300: Kontinuierliche Selbsttestfunktion

Prozess

− Erkennung von Luftblasen und Feststoffen

− Leitfähigkeit des Mediums

− Temperatur des Mediums

− Teilfüllungserkennung

Sensor

− Erkennung von Elektrodenbelag und -korrosion

− Elektrodenleckage

− Auskleidungsdeformation, Strömungsprofilcheck

Messumformer

− Überprüfung aller elektronischen Komponenten

− Genauigkeitsüberprüfung

Vorteile im AnlagenbetriebDiagnosefunktionen


Vorteile im AnlagenbetriebHohe Robustheit und leistungsfähige Diagnose

Fast Ethernet ist deutlich robuster als z. B. PROFIBUS,

insbesondere bei hohen Datenraten (12 Mbit/s)

− Fehlerhafte Terminierung von Bussystemen kann zu

schwer diagnostizierbaren Fehlern führen

− Abzweigungen von der Hauptleitung sind bei höheren

Datenraten problematisch

− Ethernet benötigt keine Busterminierung, da elektrisch

immer Punkt-zu-Punkt-Verbindung

Verfügbarkeit von Standard-Tools für die

Netzwerkanalyse

− Kostenfreies Standard-Tool aus der IT-Welt: Wireshark

− Protokollinterpreter für PROFINET bereits integriert

− Monitoring über Mirror-Port am Switch oder Ethernet-Tap

− Leistungsfähiger Paket-Logger






c. Zusammenfassung

ZusammenfassungVorteile von PROFINET

1. KOSTENEINSPARUNG

− Controller: PROFINET als Standard in

modernen Steuerungen

− Kabel, Anschlusstechnik: große Anbietervielfalt

2. OPTIMIERUNG DER ANLAGENEFFIZIENZ

− Mehrere Prozessvariablen (z. B. Durchfluss,

Zähler, Leitfähigkeit, Konzentration, …)

− Diagnosefunktionen

3. VEREINFACHTE HANDHABUNG

− Inbetriebnahme

− Gerätetausch

− Schrittweise Umrüstung: 4…20 mA über

Remote-IOs


ZusammenfassungWhitepaper

Technisches Whitepaper

PROFINET-basierte Integration von Feldgeräten

Anwendungen und konkreter Nutzen für die

Wasserwirtschaft

Flexible Leitungs- und Netzwerktopologien

Die wichtigsten Faken übersichtlich

zusammengestellt auf 4 Seiten

Erstellt in Kooperation mit Phoenix Contact


KontaktInformation


Michael Rumpf

Global Industry Division Manager Water & Wastewater

KROHNE Messtechnik GmbH

Ludwig-Krohne-Str. 5

47058 Duisburg

Germany

Dr. Christoph Spiegel

Head of R&D Embedded Software

KROHNE Innovation GmbH

Ludwig-Krohne-Str. 5

47058 Duisburg

Germany

Tel.: +49 203 301 4499

[email protected]

www.krohne.com

Tel.: +49 203 301 4213

[email protected]

www.krohne.com

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

datengewinnung und -übertragung in regenbecken und kanalnetz

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