Messen· Steuern · Regeln

gwf Praxiswissen

Band II

www.gwf-wasser-abwasser.deOldenbourg Industrieverlag München

Hrsg. Christine Ziegler

Grundlagen-Informationen über Automatisierungs-Technologien, die dabei helfen, Wasser effizienter zu nutzen, Abwasser nachhaltiger zu behandeln und Sicherheits-Risiken besser zu kontrollieren

Edition

www.hydrogroup.de

Lösungen mit System

Begeisterung für TechnikMessen • Steuern • Regeln

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gwf Praxiswissen Christine Ziegler (Hrsg.)Band 2Messen · Steuern · RegelnOldenbourg Industrieverlag

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-db.de abrufbar.

© 2011 Oldenbourg Industrieverlag GmbHRosenheimer Straße 145, D-81671 MünchenTelefon: (089) 45051-0www.oldenbourg-industrieverlag.de

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.

Redaktion: Christiane DeppeLayout: Schmidt Media Design, MünchenHerstellung: Annika Böning Druck/Bindung: B.O.S.S. Druck und Medien GmbH, GochGedruckt auf säure- und chlorfreiem Papier

ISBN Buch 978-3-8356-3260-8ISBN Buch + DVD 978-3-8356-3261-5 ISBN E-Book 978-3-8356-3262-2

Ausführliche Informationen für Planung und Ausführung mit gesetzlichen Rahmenbedingungen, Anwendungsbeispielen aus der Praxis und nützlichen Adressen.

Oldenbourg Industrieverlag München

Messen · Steuern · Regeln

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| Inhalt |

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Einführung10 Dr. HEIDrun TIppE

Wasser fordert die Automatisierungstechnik!

Thesis16 prof. Dr.-Ing. HabIl. pETEr-Wolfgang gräbEr , Dr. JEns alEx

Automatisierung in der Wasserwirtschaft

38 Dr. sIEgfrIED bEHrEnDT, Dr. Markus WInzEnIck

Integrierte Technologie-Roadmap Automation 2020+ Wasser und Abwasser

Fotos: Siemens Pressebild

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Informationen zu produkten und unternehmen finden sie auf beiliegendem Datenträger

Die DVD-Vollversion enthält zudem umfangreiches Bonusmaterial, siehe buchseite 216: das komplette Buch als E-Book weitere Praxisberichte zwei aktuelle Ausgaben der Zeitschrift gwf-Wasser | Abwasser

Bild- und Videomaterial und zahlreiche praktische Links

forschung56 prof. Dr. anDrEa HEIlMann

Regionale Zusammenarbeit im Bereich Nachhaltigkeit

58 prof. Dr. WalTEr TröscH, Dr. DIETEr brynIok

Forschung für das Wasser von morgen

projekt62 THoMas guTzkE

Optimiertes Grundwasser-Monitoring durch IT-gestützte Messnetzoptimierungautomatisiertes system schafft fundierte Datenbasis

72 cHrIsTIan guTknEcHT

Moderne Messtechnik unterstützt die Enthärtung von TrinkwasserTrinkwasserenthärtungsanlage reduziert Härtegrad

78 WalTEr Dürr, günTEr scHIEssl, ManfrED bruggEr

Moderne Prozessleittechnik steuert Wasserwerk Haarneustrukturierung des kompletten Wasserversorgungssystems

86 Jörg sacHEr, MarTIn grügEr

Stadtwerke Mainz – eingriffsfreie Durchflussmessung mit UltraschallDurchflussmessungen zur bilanzierung und zur netzüberwachung in der Trinkwasserversorgung

94 bEnJaMIn fIEnE

Füllstandsüberwachung eines entlegenen HochbehältersDaten- und Energieleitung überflüssig

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| Inhalt |

VI

100 Jörg kölbl, pETEr MarTInEk

Netzüberwachungstechnologien im Wasserverlust- Managementleckortung und schadensbehebung in der Wasserversorgung

108 frIEDrIcH clEMEns

Smart Metering – eine Idee wird WirklichkeitIntelligentes zählen für mehr Energieeffizienz

112 WErnEr arTs, JEns-uWE scHröTEr

Neue Methoden zur Ermittlung unbekannter Schadstoffeinleitungenunbekannte schadstoffe im Wasser oder abwasser nachweisen

118 uWE frIggEr, cHrIsTof burMann

Web-basierte Überwachung von Kanalnetzen gemäß Merkblatt DWA-M 207permanente online-überwachung reduziert betriebskosten

126 loTHar lIEbau

Fernsteuerung von Klappen in Abwasserkanälenneuartige spülklappensteuerung

132 Dr. öznur branDT

Messung und Regelung der biologischen Reinigung in einer Kläranlagebakterien brauchen sauerstoff unter idealen ph-bedingungen

138 sylVIa Von DaHlEn

Abwasser-Reinigungsanlagen effizient gestaltenIntelligente regelung ohne rückführung

VII

144 rEnaTE klEbE-klIngEMann

Grenzübergreifende Kläranlage schont Umweltautomation der prozesse plus Wärmerückgewinnung

150 kaI-uWE bauMgarTEn

Neuartiges Messverfahren für Reinwasserpumpenbusanbindung von frequenzumrich-tern zur steigerung der Energie- und betriebseffizienz

Technik156 Dr. norbErT ascHEnbrEnnEr

Leckagen erkennen, Wasserverluste reduzierenortungs- und Monitoringsystem arbeitet mit ultraschall

158 TobIas kEllEr

Drahtlose Kommunikation mit Datenloggern in aller WeltDezentrale pegelmessungen per gsM-netz

160 Wolfgang HEnnIng

Mobile Durchflussmessung für die WasserversorgungErfassung der Hydrantenleistung

162 cHrIsTof kunDEl

Neue Transmitter für unterschiedliche SensortypenModular aufgebaute Mess- und kontrollgeräte

VIII

| Inhalt |

VIII

164 sybIllE sTrobl

CAN-Bus für zahlreiche Anwendungens7-sps spricht can

166 EVa krIzsanITs

Quantenkaskadenlaser sorgt für reines Wasser in der Öl-IndustrieIniTs award gewinner schließt Deal mit statoil ab

170 cHrIsTopH pannacH

Der Alligator nimmt das Abwasser in die Zangekosten sparen durch genaues Messen und Erfassen von abwassermengen

unternehmen174 zVEI

Deutschlands Mess-, Steuer- und Regeltechnik baut weltweiten Produktionsanteil ausfachbereich Messtechnik und prozessautomatisierung gibt zahlen bekannt

recht176 pHysIkalIscH-TEcHnIscHE bunDEsansTalT

Einheitliche Trinkwasser-Analysen in Europaauszeichnung für konzept zur Vergleichbarkeit von Wasserproben

178 cHrIsTIanE DEppE

Eichwesen: Immer das richtige Maß„… nicht unrecht handeln im gericht, mit der Elle, mit gewicht, mit Maß.“

Ix

Georg Fischer GmbH, 73095 Albershausen, info.de.ps@georgfischer.com, www.georgfischer.de

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ElektromagnetischerDurchfluss-Sensor aus MetallFörderung und Aufbereitung auf Trinkwasserqualität ist anspruchsvoll. Investieren Sie deshalb in zuverlässige Überwachungstechnik für Ihren wirtschaftlichen Erfolg. Mit dem MID 2552 haben Sie einen großen Messbereich, ist unter Druck ein- und ausbaubar und garantiert eine einfache Inbetriebnahme. Fragen Sie uns.

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glossar

185 Messen, Steuern, Regelnfachbegriffe auf den punkt gebracht

service

212 Interessengruppen

214 Marktübersicht

216 Inhalt der DVD

| EInführung |

autorinDr. heidrun tippe

Internationale Industriemanagerin Wasser/AbwasserEndress+Hauser Messtechnik

Wasser fordert die Automatisierungs-technik! Von Dr. Heidrun Tippe

Das Leitbild der „Nachhaltigen Entwicklung“ prägt zunehmend die Politik, Gesellschaft und Wirtschaft. Dies zeigt die öffentliche Diskussion über Megatrends wie Energie, Klimawandel, Demographie oder aber

eben auch Wasser. Und das zu Recht, gehört doch die Wasserversorgung, aber auch die Abwasserreinigung zu den wesentlichen Infrastrukturaufgaben eines jeden Landes. Gesundheit der Bevölkerung, Gewässer- bzw. Umweltschutz und auch industrielle Entwicklung sind damit untrennbar verbunden. Und doch ist der Wunsch, weltweit den Zugang zu sauberem Trinkwasser zu ermöglichen, unerfüllt geblieben. Die Herausforderungen sind heute schon enorm und wer-den zukünftig aufgrund der gegenseitigen Verstärkung der bereits genannten Megatrends nicht geringer werden. Insbesondere in den boomenden Regio-nen Asiens und Lateinamerikas wird sich der Konflikt verschärfen zwischen steigendem Wasserbedarf – aufgrund wachsender Bevölkerungszahlen und industriellem Wachstum – sowie zunehmender Wasserverknappung durch

klimatische Verschiebungen. Der verstärkende Einfluss der Mega-trends Energie- und Rohstoffverknappung, Klimawandel und

demographischer Wandel auf die Wasserproblematik führt insgesamt zu einer Dynamisierung der Prozesse. So wird die

gesicherte Wasserver- und -entsorgung sicherlich zu einer der bedeutsamsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts.

Qualitätsziele der WassernutzungWasserver- und Abwasserentsorgung sind hoheitliche Aufgaben und liegen somit in der Verantwortung eines jewei ligen Landes. Der Gesetzgeber ist auch der wesentliche

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Treiber von Investitionen und Innovation. Mit der heute gültigen EU-Wasser-rahmenrichtlinie wurde erstmals eine ganzheitliche Betrachtung von Fluss-gebieten durchgesetzt und somit das Verständnis der vielseitigen Wechsel-wirkungen jeglicher Wassernutzung auf die Quantität und Qualität der unter-schiedlichen Wasserkörper gestärkt. Umfängliche Monitoringmaßnahmen wurden notwendig, um daraus neue Qualitätsziele für Flussgebiete ableiten zu können. Auf einmal geben nicht ausschließlich starre Einleitergrenzwerte die zu erreichende Anlagenleistung einer Kläranlage vor, sondern auch die Immis-sionskapazität des Gewässers, in das eingeleitet wird.

zunehmende MessbarkeitDies führt mancherorts zu einer Verschärfung der Anforderungen an die Klär-anlagen. Grundsätzlich genießen Emissionsvermeidung bzw. -verminderung heute eine höhere Priorität als die sogenannten end-of-pipe Technologien. Somit wirkt die Gesetzgebung nicht nur auf die Abwassertechnik, sondern auch auf die industrielle Produktion durch Forderung nach neuen emissions-losen bzw. -armen Produktionstechnologien und Wasserrecyclingverfahren. Eine weitere, kontinuierliche Entwicklung der gesetzgeberischen Anforderun-gen ist nicht nur zu erwarten, sondern bereits absehbar. Aktuelles Beispiel hier-für ist die Diskussion um Hormon- und Pestizidwerte im Ablauf der Kläranlagen aufgrund zunehmend messbarer Befunde im Grundwasser. Da die bisherige Anlagentechnik keine gezielte Zurückhaltung dieser Stoffe bewirkt, werden derzeit etliche Pilotanlagen mit einer zusätzlichen Verfahrensstufe gefördert. Während auf EU-Ebene eine Änderung der Wassergesetzgebung noch disku-tiert wird, ist dieses in der Schweiz bereits umgesetzt und die großen Kläranla-gen werden in den nächsten Jahren um eine weitere Prozessstufe erweitert.

Technologie-TrendsAuch interessante Technologie- und Markt-Trends im Bereich Wasser/Abwasser kommen ohne Automatisierungstechnik nicht aus, denn es handelt sich häufig um hochkomplexe Prozesse. Hier sind z. B. Membranfiltrationsprozesse und -anlagen zu nennen, die insbesondere in den boomenden, aber wasserarmen Regionen in Meerwasserentsalzungsanlagen benötigt werden. Aber auch der traditionellen Kläranlage werden zunehmend neue, innovative Aufgaben neben der Reinigung von Abwasser zugetraut: Phosphor und Stickstoff-Re -cycling aus Klärschlamm, die „autarke Kläranlage“ durch gezielte Steigerung der Faulgasproduktion, Nutzung von Abwasserwärme u.v.m. Darüber hinaus lassen „integrierte Ansätze“ alte Systemgrenzen zwischen Kanalisation und Kläranlage verschwinden.

Die Steuerung einer Anlage beginnt heute bereits im Netzsystem. Dies erfor-dert aber Messtechnik und Datenfernwirkungssysteme an Stellen, die weit von der eigentlichen Anlage entfernt stehen, nicht immer eine Stromversorgung vor Ort vorfinden, und die mit sehr rauen Umgebungsbedingungen umgehen

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| EInführung |

können. Neuartige Konzepte gehen von einer zukünftigen Trennung der Abwasserarten in Gelb-, Grau- und Schwarzwasser mit spezifischen Wiederauf-bereitungs- oder Entsorgungszielen aus.

Im Trinkwasserbereich gewinnt das Netzmanagement eine immer wichti-gere Bedeutung. Angesichts der sich verschärfenden Probleme durch die Was-serverknappung wird die Leckageerkennung in Trinkwassersystemen in den nächsten Jahren noch mehr Gewicht bekommen. Die Angreifbarkeit der km-langen Netze führt dazu, dass die Risikoanalyse der gesamten Trinkwasserauf-bereitung bereits heute eine unternehmensstrategische Aufgabenstellung ist.

Die Spanne zwischen der Qualitätsüberwachung im Auslauf des Trinkwas-serwerkes und der Entnahme beim Verbraucher ist beträchtlich und heute in der Regel nicht oder nur partiell online überwacht. Die sich verschärfenden Qualitätsmanagement-Ansprüche in der Trinkwasserversorgung fordern kon-kret die technologische Entwicklung in der Mess- und Automatisierungsbran-che. „Multiparameter-Systeme“, „Miniaturisierung“, „Lab on the Chip“ oder auch „autarke Systeme“ sind einige Schlagworte, die die Richtung der aktuellen Weiterentwicklung der Sensoren hierfür beschreiben.

Die eigentlichen Herausforderungen liegen aber in der engen Vernetzung der Einzelparameter zu einer Matrix und deren Auswertung. Wann genau kann man von einer negativen Veränderung der Trinkwasserqualität sprechen? Welche Verschiebungen in der Matrix zeigen dies an? Diese Vernetzung und Auswertung wird die Nutzung von simulationsbasierten Prozess regelungen (Matrixbetrachtung, Fuzzy und neuronale Netze) erfordern.

Erst Messen, dann steuern und regelnWeil bekanntlich noch niemand etwas gesteuert oder geregelt hat, was er nicht zuvor gemessen hat, ist die „richtige“ Messtechnik geradezu der Schlüssel für die neuen Anforderungen der Anlagenoptimierung, der Anlagenverfügbarkeit und der Gewässerüberwachung. Die oben genannte gemeinsame Betrachtung von Kanal und Kläranlage im Sinne eines Kanalnetzmanagements, die Erfassung „gefähr licher Verbindungen“, wie endokrine Stoffe, Pestizide, Hormone, oder auch Sensorsysteme zur Leckageerkennung in Trinkwasserleitungen sind Bei-spiele, wo die Prozess-Sensoren noch erhebliches Entwicklungspotential haben.

Die steigende Komplexität hat einen höheren technischen Aufwand in den Anlagen zur Folge, der ohne Automatisierungslösungen nicht zu bewältigen ist. Es ist sogar fraglich, wie weit die herkömmlichen, stark auf hydraulische Vor-gaben fokussierten Berechnungsgrundlagen zur Anlagenplanung überhaupt noch ausreichen werden, um solch anspruchsvollen und kosteneffizienten Lösungen zu bieten.

Vielmehr ist es zu erwarten, dass intelligente Automatisierungen essentiell werden, um die zunehmende Komplexität der Wasser- und Abwasseranlagen sowie der Netze zu beherrschen. Neben der grundsätzlichen Anlagengestal-tung zeigen etliche Beispiele darüber hinaus, wie durch MSR-Lösungen auch die operativen Kosten, insbesondere durch eine Steigerung der Energieeffi-zienz, signifikant gesenkt werden konnten.

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Der durch öffentliche Ausschreibungen geprägten Branche bereitet jedoch die Abschätzung der Lebenszykluskosten bei Projekten noch Schwierigkeiten. So nehmen heute noch die Investitionskosten eine überragende Rolle ein, wäh-rend betriebswirtschaftlich bessere, weil energieeffiziente Varianten, schlech-ter abschneiden. In letzter Zeit ist hier aber Bewegung spürbar. So z. B. durch eine Initiative des ZVEI mit dem Vorschlag eines einfachen Berechnungs-modells für Lebenszykluskosten.

zukunft des Industrial EthernetEs setzt sich aber stetig die Erkenntnis durch, dass bereits in der Planungsphase Automatisierungs- und Verfahrenslösung zusammen entwickelt werden müssen, um optimale Lösungen zu erzielen. Beobachtet man die derzeitigen Migrationsprojekte im Wasser-/Abwasserbereich, so wird die zunehmende Bedeutung des Industrial Ethernet als neue digitale Kommunikationsschnitt-

Moderne Messtechnik von Endress+Hauser hilft beim verantwortungsvollen und sparsamen Umgang mit Energie und Ressourcen. Durchflussmesser, die nach dem Coriolis-Prinzip mit hoher Präzision arbeiten, wie hier in Reinach in der Schweiz hergestellt, sind robust, zuverläs-sig und wartungsarm. Foto: Endress+Hauser