Die Digitalisierung ist das dominante Thema der 2020er Jahre. Bestimmungen zu Digitalisierung für Betriebsführung und Netzbewirtschaftung finden sich in diversen DWA-Normen, insbesondere der DWA-A 102, und der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) wieder. Dadurch wird 4.0-Netzbewirtschaftung zum Stand der Technik und ist für die Organisationen der Wasserwirtschaft verpflichtend.
Vorteilhaft ist die signifikante Zeit- und Kosteneinsparung, da kostenintensive Umbauten, sowie Fachpersonal eingespart werden können. Geeignete Verfahren aus intelligenter Verfahrenstechnik und innovativer Steuerung sollen dazu führen, dass möglichst das gesamte Rückstauvolumen genutzt wird. Dies resultiert in einer erhöhten Risikoschutz bezüglich Hochwasser- und Starkregenereignissen.
NiRA.WEB®
Das Verfahren zur Auswertung der lokalen Radardaten liefert eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Niederschlagsverteilung für das gesamte Gebiet. Die in einer räumlichen Auflösung von 1 km² und einer zeitlichen Auflösung von bis zu fünf Minuten vorliegenden Daten werden über lokal erfasste Niederschlagsmengen aus einem Netz physischer Niederschlagsmessstationen angeeicht, das heißt auf Plausibilität geprüft und bei Bedarf korrigiert. Auf dieser Basis kann dann eine Prognose der Wetterdaten mit einer Vorhersagereichweite von bis zu 72 Stunden vorgenommen werden, die ebenfalls über das Portal abrufbar ist.
Diese Methode wird zum Beispiel seit Längerem bei den Wirtschafsbetrieben Oberhausen (WBO) eingesetzt. Dort sind 20 NiRA.web®-Stationen (Messpunkt mit 1 km² Einzugsbereich) im Einsatz, die das Stadtgebiet flächenmäßig abdecken. Die Daten werden genutzt, um Regenereignisse zu klassifizieren. Dies geschieht anhand der in der Wasserwirtschaft vielfach verwendeten KOSTRA-Tabellen. Die Abkürzung KOSTRA steht für „Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und -auswertungen“. Des Weiteren nutzt man diese Daten auch zur Planung und Dimensionierung von Sonderbauwerken wie zum Beispiel Becken oder Pumpwerken.
Autonome Steuerung
Als Neuheit bietet NiRA.web® die Integration von Niederschlagsdaten als IoT-Variable in die Steuerungssysteme wasserwirtschaftlicher Anlagen. Damit besteht die Möglichkeit, insbesondere verfahrenstechnische Prozesse wie auf Kläranlagen in Abhängigkeit des zu erwartenden Niederschlags vorausschauend zu steuern, um beispielsweise die Belüftungszeiten in der Biologie passgenau und energiesparend auf die erwartete Zulaufsituation anzupassen. Zudem erhöht diese Informationskenntnis die Betriebssicherheit.
Bequem und multifunktional – Das Portal NiRA.web®
Der NiRA.web®-Anwender kann eine festzulegende Anzahl an Stationsstandorten mittels frei wählbarer Geokoordinate festlegen. Die Niederschlagswerte (historische, aktuelle und Prognosedaten) nebst Ganglinien sind für angemeldete Nutzer über das Internetportal www.nira-web.de jederzeit abrufbar. Außerdem können die Niederschlagsdaten durch einen automatisierten Abruf in weitere Systeme integriert werden. So ist zum Beispiel die Anbindung an die Datenauswertung bestehender Prozessleitsysteme eine erprobte Methode, die Niederschlagsdokumentation automatisch im Betriebstagebuch einer wasserwirtschaftlichen Anlage, z.B. Kläranlage, vorzunehmen. Hierzu können die Daten in das Leitsystem integriert und im Zusammenhang mit anderen Messdaten ausgewertet werden. Ein weiteres wasserwirtschaftliches Einsatzszenario ist die Nutzung der Daten in Niederschlags- und Hochwasserabflussmodellen. Bisher wurden nur Niederschlagsdaten aus langjährigen gemittelten Datenreihen wie z. B. bei KOSTRA, verwendet, bei denen sich die lokalen Besonderheiten nur unzureichend widerspiegeln, die insbesondere bei Starkregen sehr ausgeprägt sein können. Die Daten aus dem NiRA.web®-Portal können aufgrund ihrer hohen Auflösung diese Lücke schließen und lokale Besonderheiten berücksichtigen.
Rechts- und Betriebssicherheit
Um die immer häufiger auftretenden Starkregenereignisse klassifizieren zu können (zur Klärung von Haftungs- und Versicherungsfragen im Schadensfall), wünschen immer mehr Verantwortliche in Kommunen die Erstellung des sogenannten Starkregenindex. Dieser wird von HST in Kooperation mit hydro & meteo angefertigt. Der Index hilft den Verantwortlichen dabei, Niederschläge nach ihrer Intensität (Zeit, Raum, Menge) einordnen zu können. Bei der Erstellung des Starkregenindex SRI12 (DWA-M 119) werden den Wiederkehrhäufigkeiten gemäß KOSTRA und den gemessenen Niederschlagsmengen Indexwerte von 1 bis 12 zugeordnet. Wiederkehrzeiten zwischen 1 und 100 Jahren werden den Indexwerten von 1 bis 7 zugeordnet. Starkregenereignisse mit einer Intensität >100 Jahren bilden die Klassen 8-12.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Anlagen und Netzen ist die Kenntnis erwarteter Niederschlagsereignisse von Bedeutung. Dazu bietet NiRA.web® individuell einstellbare Grenzwerte. Auf Basis individueller Erfahrung kann der Anwender die für ihn relevanten Niederschlagsmengen als Grenzwert definieren. Sobald dieser Wert in den Prognosedaten erreicht wird, erzeugt das System einen Alarm. Dadurch weiß der Anwender, wann der für ihn relevante Niederschlag zu einer bedrohlichen Gefahr werden kann und er entsprechend frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten muss.
Erweiterungen: KOSTRA auf Knopfdruck; Warnungen vor Starkregen deutlich verbessert
Einer der ersten kommunalen Anwender ist die große Kreisstadt Öhringen in Baden-Württemberg. Bei einem Starkregenereignis müssen die Verantwortlichen nicht mehr mittels KOSTRA-Tabellen manuell ermitteln, um was für ein Starkregenereignis es sich handelt. NiRA.web® ermittelt automatisch den erforderlichen Index und stellt diesen direkt als Markierung innerhalb der üblichen Ganglinien dar. Zudem erfolgt eine tabellarische Darstellung der Klassifizierungszuordnungen.
Zusammen mit hydro & meteo erfolgt die Integration von NiRA.web® in ein neuartiges Starkregenwarn- und -vorhersagesystem. Auf Basis meteorologischer Berechnungen werden speziell für wasserwirtschaftliche Anwendungen die Daten von NiRA.web® in Bezug auf Starkregenereignisse ausgewertet. Als Ergebnis werden die verschiedenen Warnstufen in einer visuellen Darstellung als sog. Ensemblevorhersage in NiRA.web® abgebildet und können als Alarmmeldungen abgesetzt werden.
LEITTECHNIK-SCADA
Prozessdaten – Mehrwert durch Vernetzung jedre Anlage und Maschine ist wie ein komplexer Organismus. In ihm laufen Prozesse und Vorgänge ab, die nur verstanden werden können, wenn die erforderlichen Diagnose-Daten zur Verfügung stehen. Im ersten Schritt müssen also alle wichtigen Informationen möglichst qualitativ hochwertig aufgezeichnet werden, so dass sie auch nutzbar und zielführend sind. Schließlich soll die Analyse dieser Daten am Ende eine Gesamtschau auf die Prozesslandkarte der Anlage erlauben und zur Optimierung der Prozesse beitragen. Neben einer optimalen Datenaufzeichnung nach dem Delta-Event-Verfahren werden zur Optimierung der Prozesse geeignete Analyse-Werkzeuge benötigt. Diese Werkzeuge von HST sind optimal auf die Prozesse der Wasser- und Energiewirtschaft ausgelegt. So werden über IoT-Prozessvariablen zusätzliche Informationen, wie zum Beispiel Niederschlagsdaten oder aktuelle Pegelstände direkt aus der Cloud integriert. Zahlreiche positiven Rückmeldungen aus den Bereichen Bauingenieurswesen und Verfahrenstechnik belegen, dass die HST-Lösungen genau deshalb vielerorts gern eingesetzt werden. SCADA-Systeme – von Branchenexperten entwickelt Durch eine konsequente Branchenausrichtung und eine stetige, innovative Weiterentwicklung sind SCADA-Systeme von HST einzigartig. Der intensive Dialog des Entwicklungsteams mit Bauingenieuren, Verfahrenstechnikern und Betreibern setzt unseren SCADA-Systemen den Stempel der Praxisnähe auf. So ist das erstmals mit HydroDat V5.3 eingeführte Archivierungsverfahren Delta-Event zu einem prägenden Branchenstandard geworden. Usability – der Bediener ist König Eine der größten Herausforderungen in der Informationstechnologie besteht darin, komplexe Funktionen und Zusammenhänge einfach und intuitiv bedienbar zu machen. Diese Herausforderung nehmen unsere Softwaredesigner mit viel Engagement an. Softwareprodukte von HST werden mit modernen Entwicklungswerkzeugen und nach aktuellen UI-Guidelines entwickelt.
SCADA.web
SCADA.web ist das Portal zur Fernüberwachung für Betreiber von dezentralen Anlagen und Netzen in der Wasser- und Energiewirtschaft. Dabei zeichnet sich SCADA.web durch seine einfache intuitive Bedienung und durch einen kompletten Funktionsumfang aus. Hierzu zählen das Visualisieren und Bedienen von Prozessen über anschauliche Prozessbilder, das Analysieren der Prozessdaten über Ganglinien und Berichte und das vollständige Alarm-Management mit der Fernalarmierung des Bereitschaftsdienstes. SCADA.web wurde aus guten Gründen vielfach ausgezeichnet.
SCADA.web – Das ’Rundum-Sorglos-Paket‘
Durch die Möglichkeit, dass SCADA.web in einem deutschen Rechenzentrum betrieben werden kann, werden Investitionskosten und Betriebskosten deutlich reduziert. Die Beschaffung einer Server-Hardware und die Beschaffung von Softwarelizenzen für Betriebssysteme und SCADA-Software selbst ist nicht erforderlich. Darüber hinaus übernimmt das Rechenzentrum die Sicherstellung der Verfügbarkeit und der IT-Sicherheit und sorgt für die erforderlichen Datensicherungen. Die Investitionen beschränken sich auf eine Nutzungsgebühr, vergleichbar mit der Gebühr bei Abschluss eines Mobilfunkvertrages. Selbst die automatische Bereitstellung aller Software-Updates ist in der Nutzungsgebühr bereits enthalten. Alternativ kann SCADA.web auch anstelle der Nutzung über ein Rechenzentrum, direkt in Ihrem Haus auf einem Serversystem installiert werden. In diesem Fall wird die SCADA.web, Software einmalig erworben und die Systemadministration liegt in Ihren eigenen Händen.
SCADA.web – Flexibel und offen
HST ist der Auffassung, dass „Closed-Shop-Lösungen“ zu starken Einschränkungen bei der Nutzung führen und letztlich auch nicht wirtschaftlich sind. SCADA.web unterstützt die aktuellen Industriestandards wie zum Beispiel OPC UA und ermöglicht damit die Anbindung von Fernwirksystemen unterschiedlicher Hersteller. Auch die Bereitstellung von Daten aus SCADA.web erfolgt über Standardschnittstellen.
SCADA.web – Grafische Auswertung von Prozessen
PRODUKTBESCHREIBUNG
SCADA.web ist mehr als eine Visualisierung im Web. SCADA.web hält eine grafische Auswertung zur Analyse ihrer Prozessdaten bereit. Alle Prozessdaten werden nach dem Delta-Event-Verfahren archiviert und können sowohl grafisch als auch in Form von tabellarischen Berichten über beliebige Zeitbereiche aufgezeichnet werden. Die zeitgenaue Darstellung von Prozesswerten mit den zeitlich zugeordneten Kamerabildern bietet eine besondere Form der Analyse. Mit Hilfe des Abfahrlineals können Prozesswerte und das zu diesem Zeitpunkt archivierte Kamerabild gleichzeitig angezeigt werden. Zusätzlich steht eine Foto-Galerie zur visuellen Analyse der Anlage zur Verfügung. Ein besonderes Feature ist der automatische Versand von Berichten. Sie erhalten fix und fertig generierte Berichte im PDF-Format per E-Mail. SCADA.web – übersichtlich und komfortabel.
IHRE VORTEILE
- Grafische Ganglinienanalyse
- Zeitliche Darstellung von Ganglinien und Kamerabildern
- Foto-Gallerie für visuelle Analysen
- Integriertes Berichtswesen
- Ereignisberichte für Regenbecken
- Automatischer Berichtsversand per E-Mail
- Ablage von Auswertungskatalogen
ANWENDUNGEN
- Optimierung von Prozessen
- Diagnose von Störungen
- Nachweis der Eigenkontrolle
SCADA.web - Alarm-Management
PRODUKTBESCHREIBUNG
Über das integrierte Alarm-Management werden Alarm-Meldungen direkt an den Bereitschaftsdienst übermittelt. Dadurch wird der Bereitschaftsdienst schnell und ausführlich über kritische Störungen informiert und kann direkt reagieren. Die Alarmierung erfolgt über E-Mail, SMS, Sprachnachricht oder über den Messanger-Dienst Telegram. Zusätzlich werden alle anstehenden Störungen und Alarme in der SCADA-App direkt angezeigt.
IHRE VORTEILE
- Vollständige Integration in das SCADA-System
- Frei konfigurierbarer Bereitschaftsplan
- Alarmierung über E-Mail, SMS, Sprachnachricht und Messenger
- Apps für iPhone und Android
ANWENDUNGEN
- Übermittlung kritischer Störungen
- Unterstützung des Bereitschaftsdienste
NETZBEWIRTSCHAFTUNG MIT INTELLISYSTEMEN
Der Bedarf an Ressourcen wie Gas, Strom, Wasser und Mobilität ist mehr oder weniger schwankend. Er steht im Zusammenhang mit den Erfordernissen, Gewohnheiten und Ereignissen. Die meisten Bereiche der Infrastruktur werden entsprechend unterschiedlich beansprucht. Schwankungen intelligent im Griff haben, ist die Devise!
Veranschaulichen lassen sich die Beanspruchungen mit den Schwankungen in der Wasserwirtschaft durch die unterschiedlichen Tagesverbräuche von Wasser mit den häuslichen Bedarfsspitzen in den frühen Morgenstunden, Mittags- und Abendzeiten. Hinzu kommen die ebenso schwankenden Bedarfe aus Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft.
Bereits bei der Planung von Rohrleitungen und Anlagentechnik gilt es, auf die eher kurzfristigen Spitzenverbräche entsprechend zu dimensionieren. Dies bedeutet jedoch während der bedarfsarmen Zeiten eine zwangsläufige Überdimensionierung.
Wie ist dem Schwankungs- bzw. dem Dimensionierungsdilemma zu begegnen?
Eine Lösung wären skalierbare Rohr- und Anlagentechnik. Das bedeutet im Idealfall dehnbare Rohrleitungen – hier befinden sich jedoch technische und wirtschaftliche Grenzen.
Die Lösung für Schwankungen heißt daher in fast allen Bereichen der Infrastruktur, Speicher und Regeleinrichtungen vorzusehen. Beim Strom sind es die Batterien oder die Pumpspeicherwerke, beim Gas die Kavernen, in der Wasserversorgung die Hochbehälter und die Wassertürme, beim Abwasser die Regenbecken, beim Gewässer die Hochwasserpolder. Um die Speicherkapazitäten eines Netzes maximal zu nutzen, Energiekosten auf ein Minimum zu reduzieren und dabei die Betriebssicherheit zu optimieren, ist Netzbewirtschaftung der Schlüssel zum Erfolg.
Nutzen/ Funktionsweise Die Infrastruktur ist eine Schwankungswirtschaft!
Mit möglichst langfristig gesammelten Daten über die auftretenden Lastsituationen lassen sich Speicher entsprechend dimensionieren und durch Regelvorrichtungen bewirtschaften. Die Bewirtschaftung und zielführende Nutzung der Speicher erfolgt in der Regel durch lokale Mess-, Automatisierungs- und Regeleinrichtungen. Befinden sich die Anlagen und deren Nutzung im Verbund, so müssen sie durch Informations- und Kommunikationstechnologien vernetzt werden.
Die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden war bereits in frühester Zeit dezentral organisiert und vernetzt, da Standorte von Brunnen und Quellen im Versorgungsgebiet verteilt sind. Eine mögliche Erweiterung durch ein intelligenteres Steuerungsverfahren wäre die gleichmäßige Auslastung von Brunnenanlagen durch Berücksichtigung der Grundwasserpegel der einzelnen Brunnen und somit eine gleichmäßige Grundwasserbelastung.
Was in der Wasserversorgung gängige Praxis ist, also eine durch Kommunikationstechnik vernetzte Automatisierung der Prozesse, ist in den Kanalisationsnetzen heute eher die Ausnahme.
Die in den Mischwassersystemen baulich errichteten Speicher in Form von Regenbecken und Staukanälen dienen zum einen als hydraulischer Speicher, um Rohrleitungen kleiner zu dimensionieren, und zum anderen als Rückhaltevorrichtung für den Gewässerschutz. Sind die Speichervolumina bei Starkregen erschöpft, laufen diese über und leiten das überschüssige Abwasser in die Gewässer ein. Die ungereinigte Ableitung in natürliche Gewässer ist schädlich, insbesondere durch die zunehmende Belastung des Niederschlagswassers durch Schadstoffe wie Mikroplastik.
Die Abflussregelungen an den Regenbecken, welche für den Einstau und die Entleerung der Speicher sorgen, werden statisch mit einem festen, wasserrechtlich genehmigten Sollwert betrieben, obwohl es aufgrund des Niederschlaggeschehens zu einer vom Bemessungsfall abweichenden Beanspruchung der Speichervolumina in den Netzen und Regenbecken kommen kann. Sowohl bei normalen und ungleichmäßig verteilten Niederschlägen als auch bei Starkregenereignissen kann es zu dieser abweichenden Beanspruchung kommen.
Aus Sicht der Gewässer ist das nicht die optimale Lösung, denn so kann es zu Überlaufereignissen von Abwasser in die Gewässer kommen, obwohl möglicherweise noch Speicherraum oder Abflusskapazitäten im System vorhanden sind. Wie ist in Erfahrung zu bringen, ob und wieviel Speicher- und Abflusspotential in meinem Entwässerungs- und Speichersystem vorhanden und aktivierbar ist?
Zunächst einmal gilt es, das Abflussgeschehen in Kombination mit den Niederschlägen über längere Zeiträume aufzuzeichnen. Liegen diese Daten vor, erfolgt unter Einbeziehung von Bestandsdaten – wie baulichen, geometrischen Größen, Netzplänen und den an den Regeleinrichtungen eingestellten Parametern und Stellgrößen.- eine erste Auswertung und Analyse der Daten, um das ungenutzte Speicherpotential zu ermitteln. Diese Analyse dient insbesondere als Entscheidungsgrundlage für die Planung eines Netzbewirtschaftungssystems.
Angenommen, es ist ausreichend Potenzial vorhanden – wie sieht nun ein solches System aus und wie arbeitet und wirkt es?
Als Erstes erhalten die bereits im Einsatz befindlichen Automations-, Überwachungs- oder Fernwirksysteme einige IntelliNet-Zusatzkomponenten in Form von Hard- und Software. Diese Komponenten sorgen dafür, dass alle Prozessdaten als Gesamtprozessabbild auf einem übergeordneten Bewirtschaftungssystem online zur Verfügung stehen.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem verfügt über eine Software, die es ermöglicht, über ständige Prognosen und Ist-Abgleiche das Abfluss- und Einstaugeschehen vorherzusagen. Entsprechend der Vorhersage und der im System abgebildeten Netz- und Speicherstruktur kann das System ermitteln, wie bei prognostizierten Niederschlägen die Abflussregelungen zielgerichtet eingestellt sein sollten, um das im Netz vorhandene Volumen sowie die Abflusskapazitäten auszunutzen, Abschläge zu vermeiden oder die Zulaufmenge zur Kläranlage zu regulieren.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem sollte stets mit einem SCADA-System – betrieben werden. Mit Hilfe des SCADA-Systems kann der aktuelle Prozess eingesehen und ausgewertet werden, es unterstützt bei auftretenden Störungen und dokumentiert das Betriebsverhalten in Form von Ganglinien und Berichten. Ein Nachweis der Funktionsweise der Bewirtschaftung ist somit jederzeit möglich.
Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiel 1 – Strahljet/ Beckenreinigung
Konventionelle Strahljets arbeiten Füllstands- und tendenzabhängig. Mit IntelliGrid Automation speichern sie Füllstandsganglinien und kennen daher die Trockenwetterzeiten. In Verbindung mit den Niederschlagsprognosen aus dem NiRA.web Portal können anstehende Einstauereignisse somit bewertet werden, um die Betriebsweise der Jets auf das zu Erwartende einzustellen. Dies führt zu wesentlich geringeren Betriebszeiten und somit Einsparungen an Energie und insgesamt an Betriebskosten.
Anwendungsbeispiel 2 – Gewässerschutz
Es ist sinnvoll, die Einleitung von Abwässern in Gewässer bei Starkregen zu reduzieren. Dazu wurden die Kanalisationssysteme mit Rückhalteräumen in Form von Regenbecken ausgestattet. Doch auch deren Speicherkapazitäten sind bei Starkregenereignissen begrenzt. Bei Auslastung der Stauräume wird dann mit Regenwasser vermischtes Abwasser über Überlaufbauwerke in die Gewässer eingeleitet.
Um die vorhandenen Stauräume besser auszunutzen, bedarf es Informationen zum Niederschlagsabflussgeschehen. Diese liefern SCADA –Systeme durch aufgezeichneten Füllstands- und Durchflussdaten. Für ein ganzheitliches Bewirtschaften sind zusätzlich Niederschlagsdaten erforderlich, welche durch das Niederschlagsportal NiRA.web zur Verfügung gestellt werden. Die historischen, aktuellen und prognostischen Füllstands-, Abfluss-und Niederschlagsdaten werden dann im Bewirtschaftungs-System IntelliNet verarbeitet. Das ermöglicht eine situativ einstellbare Abfluss-, Steuer- und Regeleinrichtung. Ziel ist, vorhandene Stauräume bei unterschiedlichen Ereignissen optimal auszunutzen und Einleitungen in Gewässer damit zu reduzieren. Auch der Betrieb von Kläranlagen kann auf zu erwartende Zusatzmengen eingestellt werden.
Anwendungsbeispiel 3 – Rechen
Die beste Rückhaltewirkung von Schwimmstoffen bei Rechenanlagen wird durch einen Rechengut-Filter erzielt. Diese Filter baut sich bei Entlastung und Stillstand der Reinigungsharke unter Berücksichtigung des Oberwasserstands durch die Schwimmstoffe vor bzw. in der Rechenanlage auf. Sollten bestimmte Wasserstände erreicht bzw. überschritten werden, tritt die Reinigungsharke in Funktion und reinigt die Rechenanlage soweit hydraulisch erforderlich.
Zum Ende eines Entlastungsereignisses findet i.d.R. eine Endreinigung der Rechenanlage statt. Diese Reinigung entfällt, der Rechenfilterkuchen wird erhalten, wenn vom NiRA.web die Information über ein weiteres zu erwartendes Niederschlagsereignis mit einer weiteren Entlastung kommt. Ergebnis: Umweltschutz, geringere Laufbelastung und Energieersparnis.
