Mit der Erneuerung der Automatisierungs- und Kommunikationstechnik der Abwasserreinigungsanlage des Wasserverbandes Wulkatal in Wulkaprodersdorf im nördlichen Burgenland entstand durch den Einsatz innovativer Automatisierungssoftware aus Österreich einer der modernsten Kläranlagenbetriebe in der Alpenrepublik.

Der „Wasserverband Wulkatal“ entsorgt den größten Teil des oberen Einzugsgebietes der Wulka. In den 24 beteiligten Gemeinden leben derzeit rund 40.000 Menschen. Zusätzlich übernimmt seit Anfang 2015 die Zentrale Abwasserreinigungsanlage (ZARA) in einem Kooperationsprojekt den Klärschlamm des Abwasserverbandes Eisenstadt-Eisbachtal. Dafür wurden zwei Klärschlammfaultürme errichtet, die auch zur Energienutzung am Kläranlagenstandort eingesetzt werden.

Ende der „Datenschleudern“

Mit der stetigen Erweiterung des Wasserverbandes kam es auch zu einer umfassenden Erneuerung der gesamten Automatisierungs- und Kommunikationstechnik in der Kläranlage. Diese bestand teilweise noch aus der Errichtungszeit beziehungsweise wurde sie immer wieder erweitert und entsprach so nicht mehr modernsten Anforderungen. Außerdem waren die alten Systeme an ihre Kapazitätsgrenzen gestoßen. „Die zwei vorhandenen SCADA-Systeme - eines für die Außenanlagen und eines für die ZARA kommunizierten nicht miteinander, die Kommunikationswege zu den Außenstationen wie Pumpwerke, Messstationen, etc. waren derart unterdimensioniert, dass nur geringe Datenmengen in zu großen Polling-Zyklen übertragen wurden. Im Störungsfall dauerte es bis zu 15 Minuten, bis die Meldung ab der Erfassung in der Zentrale eintraf. Das System für die Außenanlagen war überhaupt nur auf Überwachung ausgelegt - das Betriebspersonal konnte aus der Zentrale heraus nicht in den Prozess eingreifen. Die Außenstationen selbst waren praktisch nur Datenschleudern. Von einem modernen Betrieb konnte keine Rede sein“, begründet Kurt Schneider, Geschäftsführer von KSC GmbH, für die Gesamtumsetzung des Projektes verantwortlich, den Umbau. Bei der Systementscheidung setzte man daher auf Produkte die einen bidirektionalen Informationsfluss zuließen. Die größte Herausforderung jedoch war, dass der gesamte Umbau im laufenden Betrieb vonstatten gehen musste. Auch nur der geringste Ausfall hätte weitreichende Folgen für die Bevölkerung zur Folge haben können. Daher entschloss man sich zu einem parallelen Aufbau der neuen Automatisierungstechnik neben der Bestehenden. 

Auf zu neuen Kommunikationswegen

In der ersten Phase des Umbaus wurden zunächst die Außenstationen adaptiert. Die Steuerungshardware wurde auf Beckhoff SPSen getauscht und die Kommunikation auf ein modernes Ethernet TCP/IP basierendes System aufgesetzt, wobei als Kommunikationsprotokoll OPC-UA verwendet wird. 

Die meisten Außenanlagen kommunizieren nun mit der Zentrale über das breitbandige Hochgeschwindigkeitsfunkübertragungssystem WiMAX, das Übertragungsraten bis zu 6 Mbit erlaubt. Durch die hohe Bandbreite können nun auch bisher nicht vorhandene Informationen, wie Pegelstände etc., problemlos online dargestellt werden. Ein weiterer großer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Außenstationen nun von der Zentrale aus remote programmiert werden können. Im Störfall wird aus der Ferne direkt online auf das SPS-Programm zugegriffen und Abläufe werden analysiert. Ein kosten- und zeitintensives Anfahren von entlegenen Stationen ist somit meist nicht mehr erforderlich.

Die WiMAX-Technologie bietet auch die vorteilhafte Eigenschaft, dass das System in einem interkommunalen Nutzerverband auch von anderen Energieversorgern genutzt werden kann, ohne dass sich die Netze gegenseitig beeinflussen.  So bilden über dieses Netz auch die Energie Burgenland und der Wasserleitungsverband nördliches Burgenland ihre Datennetze über die gleiche Infrastruktur ab. Entlegene Stationen, die topologisch nicht per Funk erreichbar sind, wurden per UMTS oder SHDSL eingebunden. In einem weiteren Schritt wurde das SCADA-System atvise vom Eisenstädter Softwarehaus Certec GmbH als Überwachungs- und Steuerungssystem ausgewählt. Die auf reiner Webtechnologie basierende HMI/SCADA-Software hat den Vorteil, dass auf jedem internettauglichen Endgerät, sei es PC, Notebook, Tablet oder Smartphone der Anlagenzustand im Internetbrowser nach Wahl in Echtzeit dargestellt und die Außenanlagen gesteuert werden können. Praktisch ist jedes Endgerät gleichzeitig auch ein Arbeitsplatz und man benötigt nur mehr ein System für die gesamte Anlage inklusive der Schlammfaulung, die als vorläufig letztes Projekt 2015 hinzukam.

Herausforderung Parallelbetrieb

Nach Fertigstellung der Außenanlagen begann der weitaus schwierigere Umbau in den Schaltschränken der ZARA. Auch hier wurde ein Parallelaufbau durchgeführt, der sich aber auf Grund der Vielzahl an Datenpunkten und der physischen Gegebenheiten in Form von Platzmangel als wesentlich komplexer herausstellte. Ebenso waren in der bisherigen Warte umfangreiche Arbeiten notwendig. Da man mit dem SCADA-System atvise in Kombination mit dem Ethernet-basierenden OPC-UA Kommunikationsprotokoll keine weitere Frontend-Hardware oder sonstige Hardware-Installationen benötigte, beschränkte sich der Aufwand eher in Richtung Abbau und Entsorgung der Warte sowie des riesigen Mosaikbildes und der dafür notwendigen Schaltschränke. Mittlerweile wurde aus dem vollgepackten Wartenraum ein Vortragsraum in dem nur mehr ein Schaltschrank steht.

Ein weit aus größeres Problem kristallisierte sich in der Engineeringphase heraus. Im Laufe der Jahre wurden in den Steuerungen vor Ort viele Änderungen und Ergänzungen durchgeführt jedoch nicht alle dokumentiert. Roland Hirschmann von RHC automation, zuständig für Automatisierungstechnik, SCADA-System und Datenbank: „Viele Prozesse konnten wir erst im Parallelbetrieb zwischen Alt- und Neusystem erkennen bzw. mussten diese „reverse engineered“ werden. Auch die Reihenfolge des Um- bzw. Abbaus der alten SPSen wurde genau koordiniert, da die SPSen im Netzwerkverbund untereinander kommunizierten und Ausfälle unbedingt zu vermeiden waren.“ Insgesamt wurden sechs SPSen in der ZARA durch Beckhoff CX Steuerungen ersetzt, welche nun untereinander über das TwinCAT ADS Protokoll kommunizieren und via OPC-UA an das SCADA-System angebunden sind. Die für den Schlammtransport zuständige SPS am Standort Eisenstadt wurde ebenfalls mittels Kopplung über eine Beckhoff CX Steuerung und Datenanbindung über das WiMAX-Netz in den ZARA SPS/SCADA-Verbund eingebunden.

Durch die hohe Flexibilität von atvise konnten weitere geforderte Funktionen, wie SMS/Email-Fernalarmierung etc., von RHC automation direkt im SCADA-System implementiert werden, ohne auf weitere Software von Drittherstellern zurückgreifen  zu müssen. Ende 2014 konnte letztendlich die Testphase beendet und die Altanlagen fachgerecht entfernt und entsorgt werden.

Langzeitarchivierung, Berichtswesen und Analyse mit ACRON

Mit der Umstellung auf das neue Scada-System ging auch der von der Innsbrucker Firma Industrial Automation GmbH vertriebene ACRON Historian in Betrieb. Dabei handelt es sich um eine leistungsfähige Software zur Erfassung, Archivierung und Auswertung von Betriebsdaten, mit dem automatische Reports/Betriebstagebücher in der Prozesstechnik erstellt werden, die weit über die Reportingfähigkeiten von Leitsystemen hinaus gehen. Besonders in umwelttechnischen Anlagen wie Klärwerken ein wichtiger Aspekt um stets über aktuelle Daten auf Knopfdruck zu verfügen. „In der ZARA werden die vom Prozess bereitgestellte Daten vom Scada-System atvise per OPC UA sowie manuell erfasste Labor-Handwerte von ACRON Historian, dem Langzeitarchiv mit Zeitstempel übernommen, verdichtet und in einer Datenbank gespeichert. Damit können die Betreiber der ZARA langfristige Trends bilden, ihren gesetzlichen Nachweispflichten nachkommen und manipulationssichere Dokumente erstellen“, beschreibt Klaus Lussnig, Geschäftsführer Industrial Automation die Aufgaben von ACRON. Ein wesentlicher Vorteil dieser Software ist der modulare Aufbau und seine Skalierbarkeit. Ebenso ist das Tool durch seine Client/Server-Architektur und Datensicherheit optimal auf die betriebswirtschaftlichen Erfordernisse der Kläranlage dimensioniert und für spätere Erweiterungen jederzeit bereit. Darüber hinaus profitieren die Verantwortlichen in der ZARA von der hohen Performance und den sehr schnellen Antwortzeiten, der zeitorientierten und/oder änderungsorientierten Aufzeichnung, einer Zeitauflösung im Millisekundenbereich, auch bei Rechenoperationen bis zu über 100.000 Datenpunkten, von der Sicherheit bei der Datenerfassung (Three Level Cache), manueller oder automatischen Datensicherungen auf unterschiedliche Datenträger, fein aufgeschlüsselter Benutzerverwaltung und geringem Speicherplatzbedarf.

ACRON ist mit seinem Berichtswesen prädestiniert für Wasserver- und –entsorgungsanlagen da es Normungen, gesetzliche Vorgaben und Bestimmungen wie RB13, ATV M260, 21 CFR 11, TA Abfall, EKVO, etc. erfüllt. Es erstellt aussagekräftige Berichte aus den Prozessdaten über frei wählbare Zeitbereiche. Sinnvolle Verdichtungsalgorithmen erzeugen Daten für Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresberichte für die kontinuierliche Datenaufzeichnung. Es können ebenfalls zeitlich variable Berichte (z.B. für Schichten) generiert werden. Ereignis- oder Chargenberichte werden durch Start- und Endbedingungen bestimmt. Der Berichtsassistent unterstützt das schnelle und komfortable Erstellen auch komplexer Berichte und reduziert die Projektierungszeit um ein Vielfaches. Es sind nahezu alle Protokolle und Berechnungen möglich. Langwierige Schulungen sind dafür nicht notwendig.

JUNE5 liefert Auswertungen an SCADA

Um der Kundenanforderung - alles in einem System zusammenzuführen - zu entsprechen, werden die Daten von ACRON in Form von Auswertungen wie Trends, Diagramme, Analysen über die neue Weboberfläche JUNE5 von Industrial Automation wieder an atvise retourniert. So werden in der Prozessgrafik eines Anlagenteiles die Trends des eingestellten Zeitraums visualisiert. JUNE5 basiert auf dem JUNE5 Webdienst, der auch anderen Systemen Daten über eine gesicherte Web API zur Verfügung stellt. Diese Schnittstelle wird performant mit Daten aus der ACRON API versorgt. So kann avtise sich direkt der Daten aus dem ACRON bedienen und zur Anzeige bringen. Sind große Datenmengen in Excel erwünscht steht ein Add-In zur Verfügung um diese in sehr kurzer Zeit transportieren. Hier kann über die implementierten Abfragemechanismen auf den gesamten Datenhaushalt im ACRON zugegriffen werden.

Oft ist es auch notwendig Werte vor Ort einzugeben und an ACRON zu übertragen. Diese Option wurde ebenfalls in JUNE5 implementiert. Sollte die Verbindung zwischenzeitlich nicht bestehen, wird der aufgenommene Wert auf dem Gerät zwischengespeichert. Sobald die Verbindung wieder hergestellt ist, überträgt sich der Wert automatisch ins ACRON und wird dort mit dem entsprechenden Zeitstempel nachgetragen. Beim konkreten Projekt wurde die Handwerteingabe in tabellarischer Form ebenfalls komplett unter Verwendung der JUNE5 API, von RHC automation in atvise integriert. Der Bediener kann somit direkt aus dem SCADA Handwerte in die ACRON-Datenbank eingeben, welche dort mit dem SCADA-Usernamen protokolliert werden.

Technologisch in der Zukunft angelangt

Mit den technischen Möglichkeiten dieser innovativen Softwareprodukte, steigt naturgemäß die Kreativität der Betreiber zur Kosten- und Ressourcenreduzierung bei künftigen Projekten. So soll demnächst der diensthabende Bereitschaftstechniker mit einem Servicenotebook ausgestattet werden. Damit kann er bereits zu Hause Fehlermeldungen identifizieren und Schalthandlungen setzen um schneller reagieren zu können als auch kostbare Servicezeiten zu reduzieren. Ein weiteres Zukunftsprojekt ist die Nutzung von ACRON als Lastmanagementsystem sowie die Einbindung weiterer Anlagen. Mit ACRON kein Problem, da die Software eine Vielzahl an Schnittstellen bis hin zu SAP standardmäßig bedient. Zusätzlich überlegen sich die Betreiber, das vorhandene Kanalnetz mit Hilfe dieser neuen technischen Möglichkeiten aktiv zu steuern und zu bewirtschaften. ACRON wird sicher die richtigen Daten für dieses Vorhaben liefern.

„Die Entscheidung auf Softwareprodukte wie atvise, ACRON und JUNE5 zurückzugreifen deren Basis reine Webtechnologie ist, war der richtige Schritt zu einem zukunftssicheren und herstellerunabhängigen Automatisierungs- und Dokumentationssystem für die Abwasserreinigungsanlage Wulkatal. Damit sind wir technologisch in der Zukunft eingetroffen“, lautet das Fazit von Kurt Schneider und Roland Hirschmann unisono.

Text: Helmut Zauner

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