Industriewasser 4 - dechema.de · 2 inhalt Vorwort 3 1 Einleitung 4 2 Industriewasser 4.0 5 3...

POSITIONSPAPIER

Industriewasser 4.0

Potenziale und Herausforderungen der Digitalisierung für die industrielle Wasserwirtschaft

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inhalt

Vorwort 3

1 Einleitung 4

2 Industriewasser 4.0 5

3 Potenziale und Herausforderungen 6

4 Digitalisierung der industriellen Wasserwirtschaft 7

4.1 Einleitung 7

4.2 Potenziale 7

4.3 Barrieren 10

4.4 Handlungsbedarf 12

5 Digitale Vernetzung mit der industriellen Produktion 16

5.1 Einleitung 16

5.2 Potenziale 17

5.3 Barrieren 18


6 Digitale Vernetzung mit kommunaler (Ab-)Wasserwirtschaft und Wasserressourcenmanagement 22

6.1 Einleitung 22

6.2 Potenziale 23

6.3 AnforderungenanvernetzteSystemeausSichtderWasserwirtschaft 24


7 Perspektiven der Digitalisierung 28

7.1 Einleitung 28

7.2 PerspektiveninderindustriellenWasserwirtschaft 28

7.3 PerspektiveninderInteraktionmitderProduktion 28

7.4 PerspektiveninderInteraktionmitkommunaler(Ab-)WasserwirtschaftundWasserressourcenmanagement 29

8 Zusammenfassung 30

8.1 Potenziale 31

8.2 Barrieren 32


8.4 Perspektiven 34

Impressum 35

3

vorwort

Vorwort

DieDECHEMAmit ihrerengenVerknüpfungzurProzess-industriebeschäftigtsichseitvielenJahrenmitdemThemaDigitalisierung. Die Fachgruppe „ProduktionsintegrierteWasser- und Abwassertechnik“ als gemeinsames Gremi-umvonDECHEMAundVDI-GVCimRahmender Initiative„ProcessNet“ hat in ihrem Positionspapier zu „Trendsund Perspektiven in der industriellen Wassertechnik“1bereits im Jahr 2014 die Notwendigkeit und die Heraus-forderungen einer engeren Vernetzung von industriellerWasserwirtschaft,ProduktionundweiterenAkteurenwiederkommunalen(Ab-)WasserwirtschaftunddemWasser-ressourcenmanagement aufgezeigt. In 2016 wurde dasDECHEMA-Whitepaper “Digitalisierung in der Chemiein-dustrie“2vorgestellt.

In Fachgesprächen mit Experten von Prozessindustrie,Wassertechnik, Digitalisierung, Modellierung, Automa-tisierungundIT-SystemenundderFachgruppe„Produk-tionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik“ hat dieDECHEMAdasThemaDigitalisierunginder industriellenWasserwirtschaft unter dem Begriff Industriewasser 4.0aufgegriffen und gemeinsam mit ihnen das vorliegendePositionspapiererarbeitet.

DieNutzungder indiesemPapierskizziertenPotenzialederDigitalisierungwirddieArbeitsorganisationund-ge-staltungunausweichlichtiefgreifendverändern.DaheristesfürdieumfassendeAkzeptanzderDigitalisierunginderArbeitswelt besonders wichtig, dass diese ÄnderungendurchintensiveDiskussionenmitdenbeteiligtenGesell-schaftsgruppen erörtert und allseits tragbare Lösungenvereinbart werden. Hierbei ist die Partizipation aller Be-teiligtenandemNutzenunddenVorteilenderDigitalisie-rungVoraussetzung.

Ebensowiedie indemvorliegendenPapierdiskutiertenFolgendertechnischenUmsetzungsindauchdiedamitver-bundenen rechtlichen Fragestellungen zu durchdenken,zuklärenundzuregeln.

DerEinflussaufdieArbeitsweltundrechtlicheFragestel-lungenwirdimvorliegendenPositionspapiernurgestreift.BeidesindjedochengmitdertechnischenUmsetzungderDigitalisierungverwobenundwerdenbereitsalsErfolgs-faktoreninderEntwicklungvonIndustrie 4.0adressiert.3

Sie müssen übergreifend mit dem Voranschreiten allerDigitalisierungsansätze und gemeinsam mit technologi-schen Fragestellungen entwickelt werden. Der ständigeAustauschmitallenAkteurenistdabeiunverzichtbar.NursokanndererfolgreicheUmbauderProzessindustriezuIn-dustrie 4.0gelingenundimEinklangmiteinernachhalti-gengesellschaftlichenEntwicklungstehen.

1 ProcessNetFachgruppeProduktionsintegrierteWasser-undAbwassertechnik:Positionspapier„TrendsundPerspektiveninderindustriellenWassertechnik“.http://dechema.de/studien.html

2 DECHEMAe.V.:DECHEMA-Whitepaper„DigitalisierunginderChemieindustrie“.http://dechema.de/studien.html

3 acateche.V.:UmsetzungsempfehlungenfürdasZukunftsprojektIndustrie 4.0,AbschlussberichtdesArbeitskreisesIndustrie 4.0.http://www.bmbf.de/pubRD/Umsetzungsempfehlungen_Industrie4_0.pdf

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1 einleitung

Wasser ist ein entscheidender Produktionsfaktor für dieIndustrie4.WährenddieDigitalisierung inder industriel-len Produktion und der Prozessindustrie (z.B. Chemie,Stahl,Glas/Keramik)sowohlnationalalsauch internati-onal(z.B.IndustrialInternetConsortium5,MadeinChina20256)schnellfortschreitet,hatderDigitalisierungsgradinderWasserwirtschaftnochkeinvergleichbaresNiveauerreicht.

Im Zuge der Entwicklung von Industrie 4.07 hat die Ger-manWaterPartnershipdenBegriffWasser 4.08definiert.DieserstehtfüreineVerknüpfungvonSensorik,Compu-ter-Modellen und Echtzeitsteuerung unter starker Betei-ligung von intelligenten Netzwerken und dem Internet.Dabeiist Wasser 4.0andievierteStufederindustriellenProduktionangelehnt.

Für eine ganzheitliche und wettbewerbsfähige Entwick-lungvon Industrie 4.0istWasseralswichtigstesLösungs-,Kühl-undReinigungsmittel indenmeistenProduktions-bereichen eine unverzichtbare und nicht zu ersetzendeRessource.DieseherausragendeBedeutungvonWassergiltsowohlnationalalsauchinternational.VordemHin-tergrund von Wasserverknappung und Nutzungskonkur-renzkommtanvielenweltweitenProduktionsstandortenderWasserverfügbarkeiteinerseitsunddenAbwasserein-leitbedingungenanderseitseinesteigendeBedeutungzu;siesindbereitsvielerortsmaßgeblicheStandortfaktoren.ZudembeeinflussensiezumTeilwesentlichdenökonomi-schenErfolgeinerProduktionsanlage.

Weitere Bedeutung kommt dem effizienten Umgang mitknappenWasserressourcenzu,da inUnternehmensstra-tegien und der Produktvermarktung nachhaltiges Wirt-schaftenund„GreenLabeling“entscheidendeundzuneh-mendwichtigereWettbewerbsfaktorengewordensind.

Vorallem im industriellenBereich istdieWassertechnikdurchdieengeVerbindungmitderProduktiongefordert.DiesteigendeFlexibilisierungundVernetzunginderPro-duktion,z.B.durchdieEntwicklunghinzukleinerenLos-größenundzurErzeugungpersonalisierterProdukte,er-fordertimZugevon Industrie 4.0auchdieFlexibilisierungundVernetzungderindustriellenWasserwirtschaft.

Somit ist die Entwicklung einer vernetzten industriellenWasserwirtschaftimSinnevonIndustriewasser 4.0 zwin-genderforderlich.

DieZieledesPositionspapierssind:

» mitderEntwicklungvonIndustriewasser 4.0einen Beitrag zur nachhaltigen Produk-tion und Ressourcenschonung in derWasserwirtschaft zu leisten und damitdieUmsetzungderSustainableDevelop-mentGoals9,besondersderZiele„Clean Water and Sanitation“(Nr.6),„Industry, Innovation and Infrastructure“(Nr.9)und„Responsible Consumption and Produc-tion“(Nr.12)zuunterstützen,

» die Identifikation von Potenzialen, Barrieren sowieForschungs- und Entwicklungsbedarf für UmsetzungvonIndustriewasser 4.0,

» dieCharakterisierungkünftigerInteraktionsszenarienundSchnittstellenzwischenindustriellerWasserwirt-schaft, industrieller Produktion sowie kommunaler(Ab-)WasserwirtschaftundWasserressourcenmanage-mentbeieinerfortschreitendenDigitalisierung,

» dieSensibilisierungundVernetzungderAkteureausden verschiedenen Sektoren und Kompetenzfeldernzuunterstützen.

1 Einleitung

4 ProcessNetFachgruppeProduktionsintegrierteWasser-undAbwassertechnik:Positionspapier„TrendsundPerspektiveninderindustriellenWassertechnik“.http://dechema.de/studien.html

5 http://www.iiconsortium.org/

6 http://english.gov.cn/2016special/madeinchina2025/

7 acateche.V.:DeutschlandsZukunftalsProduktionsstandortsichern–UmsetzungsempfehlungenfürdasZukunftsprojektIndustrie 4.0–AbschlussberichtdesArbeitskreisesIndustrie 4.0https://www.bmbf.de/files/Umsetzungsempfehlungen_Industrie4_0.pdf

8 GWPArbeitskreisWasser 4.0:„Wasser 4.0“,http://www.germanwaterpartnership.de/fileadmin/pdfs/gwp_materialien/gwp_wasser_40.pdf

9 https://sustainabledevelopment.un.org/sdgs

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2 industriewasser 4.0

Industriewasser 4.0 umfasst die Schnittstelle zwischender Digitalisierung in der industriellen Produktion unterdem Begriff Industrie 4.0 sowie der Digitalisierung derWasserwirtschaft,wiesievonGermanWaterPartnership(GWP)unterdemBegriffWasser 4.0verstandenwird.

Die Technologiefelder, welche unter Industrie 4.0 sub-sumiert werden, umfassen vor allem Cloud-Computing,Cyber-Physische Produktionsysteme (CPPS) und intelli-genteFabriken(SmartFactory). Wasser 4.0greiftdiever-gleichbarenBegriffefürdieWasserwirtschaftauf,mitdemZieleinerintelligentenVernetzungvonWassernutzernundKomponentenineinerzukunftsfähigenWasserinfrastrukturmitderUmweltunddemWasserressourcenmanagement.

Aus Sicht einer integrierten industriellen Wasserwirt-schaft10 umfasst der Ansatz von Industriewasser 4.0 diedreiinAbbildung2.1gezeigtenHandlungsfeldermitden

entsprechenden Schnittstellen. Industriewasser 4.0 ver-knüpftdamitdieAnsätzevonIndustrie 4.0undWasser 4.0:

1. Digitalisierung in der industriellen Wasserwirtschaft(s.Kap.4)

2. Digitale Vernetzung der industriellen Wasserwirt-schaftmitderindustriellenProduktion(s.Kap.5)

3. Digitale Verknüpfung der industriellen Wasserwirt-schaft mit der kommunalen (Ab-)WasserwirtschaftunddemWasserressourcenmanagement(s.Kap.6)

BeiallendreiSektorenstehendieAbhängigkeitenunddiegegenseitige Beeinflussung untereinander auf demWegzu einer nachhaltigen, effizienten industriellen Wasser-wirtschaft bei gleichzeitiger Sicherung aller Bedarfe imVordergrund.

2 Industriewasser4.0

10ProcessNetFachgruppeProduktionsintegrierteWasser-undAbwassertechnik:Positionspapier„TrendsundPerspektiveninderindustriellenWassertechnik“.http://dechema.de/studien.html

Abb.2.1:Handlungsfelder(grün)undSchnittstellen(dunkelblau)vonIndustriewasser 4.0

Kommunale(Ab-)Wasserwirtschaft

–Wasser 4.0&

Wasserressourcen-management

Informations-integration

IndustrielleProduktion

–Industrie 4.0

ProzesswasserKühlwasser Rohwasser

AbwasserKühlwasser

HorizontaleIntegration:DigitalisierunganderSchnittstellezur

industriellenProduktion

HorizontaleIntegration:DigitalisierunganderSchnittstellezukommunaler

(Ab-)WasserwirtschaftundWasserressourcenmanagement

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Klar-/Kühl-/Abwasser

IndustrielleWasserwirtschaft

Informations-integration

Kontroll-&Regelsystem



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3 potenziale und herausforderungen

MitBlickaufdie fortschreitendeDigitalisierung inder in-dustriellen Produktion ergibt sich einerseits eineVielzahlan Potenzialen für Industriewasser 4.0. Andererseits er-gebensichvieleHerausforderungenaufdemWegzurNut-

zungderPotenziale.WieinderfolgendenTabellezusam-mengefasst,giltesalleAspektezuberücksichtigen -vondentechnisch-wirtschaftlichenbiszudensozialen, recht-lichenundbeschäftigungspolitischenHerausforderungen.

3D-Visualisierungen ermöglichen es, die Logistik effizi-enter zu gestalten und kollisionsfreie auf ein Minimumreduzierte Umbauten vorzunehmen. Schulung und Wei-terbildung des Betreiberpersonals wird durch virtuelleBetriebsständesicherer,schnellerundverständlicher.

UnterAusschöpfungallerPotenziale fürdieAnlagenpla-nung in Kombination mit einem bedarfsgerecht und dy-namisch an die Erfordernisse der ProduktionsprozesseangepasstenBetriebkannderRessourcenverbrauchsehrstark reduziert und dieWasserversorgungs- und Entsor-gungssicherheitdeutlicherhöhtwerden.Diesgiltsowohlfür die industrielle Wasserwirtschaft selbst als auch fürdie Verknüpfung mit der industriellen Produktion, derkommunalen (Ab-)Wasserwirtschaft und dem Wasser-ressourcenmanagement.Sokanndieindustriellemitderkommunalen und landwirtschaftlichen Wassernutzungsowie der Bewirtschaftung der natürlichen Wasserres-sourcenabgestimmtwerden.

Die Digitalisierung in der industriellen WasserwirtschaftunterstütztaucheinezunehmendeEntkopplungvonPro-

duktionundFrischwasserbedarf.Weltweitkanndadurchan Industriestandorten mit Wasserstress das Risiko fürEinschränkungenodergarUnterbrechungenderProduk-tionaufGrundmangelnderWasserverfügbarkeitverringertwerden. Gleichzeitig entstehen Potenziale für Produk-tionssteigerungen,ohnedabeiaufzusätzlicheFrischwas-serressourcenangewiesenzusein.

Die konsequente Nutzung der Optimierungs- und Kos-tensenkungspotenziale,welchedieDigitalisierunginderindustriellen Wasserwirtschaft bietet, führt zu kleinerenund flexibleren Anlagen bei verkürzter Bauzeit, die sichdurcherhöhteBetriebssicherheit,verlässlichereBetriebs-führungundlängereLebensdauerauszeichnen.

Industriewasser 4.0 ist daher nicht nur für die Wasser-technologiebranche und den innerdeutschen Markt vongroßer Relevanz. Der Industriewasser 4.0 Ansatz stärktauchdenExportvonTechnologien,Ausrüstungen,Ingeni-eur-undanderenDienstleistungenundfördertgleichzeitigdieWettbewerbsfähigkeitderproduzierendenIndustrieininternationalenMärkten.

3 PotenzialeundHerausforderungen

Potenziale Herausforderungen

» ÖkonomischundökologischoptimierteindustrielleWasserwirtschaft

» ErhöhungderWasserversorgungs-undEntsorgungssi-cherheit

» BedarfsgerechtedynamischeFahrweisevon(Ab-)WasserbehandlungsanlageninAbhängigkeitvonProduktionsprozessen

» ErhöhungderAusfallsicherheitvonBetriebsmittelnundProduktionsanlagen

» OptimiertePlanungsinstrumenteunddurchgängigeAnlagenbegleitungüberdenLebenszyklus

» Know-howManagement,optimierteArbeitsbedingungensowieAus-undWeiterbildung

» WirksamerSchutzaquatischerÖkosysteme

» BeitragzuRessourceneffizienz,KreislaufwirtschaftundGreenEconomy

» ErweiterteVerarbeitungundNutzungvonMessdaten

» ModellierungundSimulationalsPrognose-undSteuerungsinstrumente

» DigitalisierungbestehenderWasserbehandlungs-anlagen

» InteroperableSchnittstellenundInformationsmodellemitderDigitalisierunginderindustriellenProduktion

» SchnittstellenmitderDigitalisierunginderkommunalen(Ab-)WasserwirtschaftunddemWasserressourcenmanagement

» SicherheitCyber-PhysischerProduktionssysteme(CPPS)

» RechtlicheundHaftungsfragenvorallemanSchnittstellenbeizunehmenderVernetzung

» Arbeits-undOrganisationsstrukturen,Kommunikation,AusbildungsprofileundPersonalentwicklung

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4 digitalisierung der industriellen wasserwirtschaft

4.1 Einleitung

Die industrielle Wasserwirtschaft umfasst sowohl die in-dustrielle Wassertechnik als auch das industrielle Was-sermanagement. Die Schnittstellen bilden den Eingangunterschiedlichster Rohwässer zurVersorgung sämtlicherindustriellerBedarfeeinschließlichKühlungunddieAbga-bederverwendetenWässerindieVorfluter,ankommunaleKläranlagenodernachgeschalteteWassernutzer.

DieIntegrationallerHierarchieebenenbeiderindustriellenWassertechnik, von Anlage und Sensor im Feld über dieSteuerungs-undBedienungsebene,dieManagement-undControlling-EbenebishinzurModellierungundSimulationimNetzoderderClouddurchautonome,sogenannteCyber-PhysischeSysteme(CPS)wirdalsvertikaleIntegrationdesindustriellen Wassermanagements verstanden. Die Her-ausforderungderZukunftistes,dieseDigitalisierunginder

industriellen Wasserwirtschaft so zu verankern, dass dieWasser-undAbwasserbehandlungsanlagenzuadaptiven,mitihrerUmgebunginteragierendenSystemenwerden.SiemüssenüberintelligenteadaptiveMechanismenverfügen,umihrLeistungsniveauzuerhöhenoderflexibelundauto-nomaufvorhergeseheneundunvorhergeseheneEreignisseundBedingungenzureagieren,ohne ihreLeistungsfähig-keit zu verringern. Hierbei kommt Wassermanagement-systemenzuGute,dassweicheEchtzeitforderungeninderRegel ausreichend und die erforderlichen Antwortzeitenvergleichsweiselangsind.

Die Merkmale solcher CPS in der industriellen Wasser-techniksind,dassWasserver-undEntsorgungskonzeptesowohldieMöglichkeiten intelligenterSteuerungssyste-me in der Anlage ausnutzen als auch eine Internet- undCloud-basierte Vernetzung bis zum Endnutzer zeigen.Die Digitalisierung ermöglicht eine Kopplung von realenund virtuellen Wassersystemen und bietet die Nutzungvon Assistenzsystemen zur Prozesssimulation und zurEntscheidungsunterstützung, wodurch sich intelligenteRegelungs- und Vorhersagemodelle zur Reduktion vonRisikenundKostenetablierenlassen.

Darüber hinaus können entsprechend digitalisierte In-dustriewasserprozessegleichwertigmitanderenProduk-tionsprozessenund-faktorenineine Industrie 4.0Land-schaftintegriertwerden.

4.2 Potenziale

DiePotenzialederDigitalisierungauchinnerhalbdesMa-nagements einer (Ab-)Wasseranlage sind enorm. HäufigergibtsichdasPotenzialausderUmsetzungvielerEinzel-maßnahmen,dieinderVergangenheitbereitsalsisolierteOptimierungen betrachtet wurden. Weit darüber hinausgeht dann die Nutzung der zusätzlichen Freiheitsgrade,welchedieDatenverfügbarkeitunddievernetzte,simula-tionsgestützteOptimierung fürdieAnlagenbetreiberbe-deutenundzurKostenreduzierunggenutztwerdenkann.

Optimierte Anlagenauslegung führt zu minimierten Investitionskosten

Die Digitalisierung birgt hohe Kosteneinsparpotenzialeauch bei Investitionen. Neue Anlagen sowie Anlagener-

4 DigitalisierungderindustriellenWasserwirtschaft

Abb.4.1: DigitalisierunginderindustriellenWasserwirtschaft(APK=AutomatisierteProzesskontrolle;VPS=verteilteProzess-leitsysteme;PLS=Produktionsleitsystem;URP=Unternehmens-ressourcenplanung)

APK PLS VPS

Kontroll- & Regelsystem

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InformationsintegrationCloud

URP

Anforderungen&Charakteristik

Engineering&Errichtung

Prozessentwicklung

Demontage

Wasserbehandlungs-anlagen

Instandhaltung

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weiterungen können bedarfsgerecht mittels Dataminingvon historischen digitalen Anlagen- und Prozessdaten di-mensioniert werden. Hierdurch werden Überdimensionie-rungen im Allgemeinen, aber auch solche, welche durchLeerlaufzeitenbedingtwerden(z.B.VerlagerungvonSpül-vorgängeninSchwachlastzeiten),vermieden.Anlagenwer-denschlankerausgelegtunddamitdieKostengesenkt.

Auch Anlagenprüfungen, Sicherheitsbetrachtungen undggf.Zertifizierungenwerdendurchvollständigeundkon-sistente Auslegungs- und Anlagendaten im Sinne einesdigitalenZwillingserleichtertundkostengünstiger.

Virtuelle Inbetriebsetzung führt zu Kosteneinsparungen

Inbetriebnahmen können schon beim Anlagenbauermittels virtueller Bedienstände vorweggenommen, Pro-duktionsprogramme getestet, Passgenauigkeit von An-lagenkomponenten überprüft und das Betreiberperso-nal virtuell geschult werden (s. Abb. 4.2). So kann eineschnellereÜbergabederAnlagenandenBetreibererfol-gen.DarüberhinauskanndasBeherrschenvonStörungenoder kritischen Betriebszuständen mittels virtueller Be-dienständetrainiertwerden.ImBereichdesAnlagenbausfürdieProzessindustrieistdiesinzwischenverbreitet,inderWasserwirtschaftabernochweitgehendNeuland.

Digitale Anlagenmodelle ermöglichen effiziente Änderungen

BeiModernisierungenvonAnlagenhelfendigitaleModel-le(auchdigitaleZwillingegenannt),denMaterialfluss,dieMedienwegeunddieLaufstreckendesBetreiberpersonalszuminimieren,dieLogistikzuoptimierenundvorallemden

AbbauvonAltanlagenkomponentenunddieNeuinstallati-on neuer Komponenten oder Anlagenstufen in die Altan-lage„asbuilt“passgenauundkollisionsfreizugestalten.Dort, wo derartige Modelle nicht vorliegen, können 3D-ScansdieAltanlagemitallenwährendderAnlagenlaufzeitbereitsvorgenommenenÄnderungen,AnbautenundRück-bautenabbilden11(s.Abb.4.3).Siekönnensodigitalisiertundin3D-Konstruktionsprogrammeüberführtwerden.DieModelleselbstkönnenexportiertundalssemantischanno-tierteModelleauchinandereBereicheübernommenwer-den.KostenintensiveundzeitraubendeKollisionenwerdenwirksamvermiedenunddieRisikenfürPersonaleinerseits,ZeitundKostenandererseitsgesenkt.

Abb.4.3:VirtuellerAbbaueinerAltanlageundAufbaueinerNeuan-lageaufBasiseinesdigitalenZwillings:VerkürzungundKostenre-duktiondurchOptimierungdesInstallationsablaufes,VerständnisdesAblaufsallerParteien;Risikominimierung

Online-Sensorik schafft die Basis für eine hoch auf-gelöste Verfügbarkeit aller relevanten Prozessdaten

ImBereichderSensorikwirddieVerfügbarkeitvonOnline-messungenneuerParameterEinflusshabenaufdie


Abb.4.2:VirtuelleInbetrieb-nahmevorAnlageninstallation:erheblicheVerkürzungderBetreiberschulungundProzess-optimierung

11 ProcessNetTemporärerArbeitskreisVirtualReality&Laserscanning:„LaserscanningundVirtuelleRealität-EinImpulsfürdieZukunftvon3D“.http://dechema.de/studien.html

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» Prozesssteuerung: z.B. Gensonden im Bereich derbiologischenAbwasserreinigung,

» Anlagenverfügbarkeit: z.B. Sensorik zu Korrosion/Scaling oder (online)-Erfassung und DigitalisierungwartungsrelevanterDatenundBetriebszustände,

» Qualitätsüberwachung und -sicherung: z.B. Spuren-stoffe,Mikroorganismen.

DieKonnektivitätundKommunikationsfähigkeitsindda-beiessenziell.

Intelligente Steuerungen sind selbstlernend und bewältigen auch unvorhergesehene Zustände

Die Datenverfügbarkeit wird die Weiterentwicklung derAutomatisierung bis hin zu einer vollständig integriertenAutomatisierung (TIA) beeinflussen. Selbstlernende As-sistenzsysteme, prädiktive Betriebsstrategien sowie Sze-nario- (empirisch-stochastisch) und Indikations-basierte(Rückkopplung aus der Produktion) Elemente werden zu-nehmend klassische Regelungs- und Steuerungsalgorith-men ergänzen. Durch die damit mögliche kontinuierlicheImplementierung optimierter Steuerungen zusammen miteinerdichterenÜberwachungderAnlagenleistunglässtsichdieRegelungdesGesamtprozessesweitgehendautomati-sieren.DieunmittelbareInteraktionlässtsichaufdieNot-wendigkeitderKontrolledesGesamtprozessesreduzieren.

SelbstlernendeSystemeführenzueinerwesentlichsichere-renRegelungdesAnlagenbetriebesunddamitzueinerbes-serenEinhaltungvonGrenzwerten.KomplexeSachverhaltewerden zu Kennwerten als entscheidungsrelevante Infor-mationenverdichtet.Meldewege inderOrganisationoderzumKunden(Produktion)überz.B.Qualitätsabweichungenwerdendigitalisiertundgegebenenfallsautomatisiert.

Intelligente Wasser-/Abwassersysteme arbeiten adaptiv.SieinteragierenaufBasisdesintegriertenundkompatib-lenModellwissensodernicht-physikalischerAlgorithmenkünstlicher Intelligenz mit ihrer Umgebung und passensichihrselbstständigan.Siesindrobustundbewältigenauch unerwartete, vom Entwickler nicht berücksichtigteSituationen in einem sich ändernden Umfeld, ohne ihrLeistungsniveau zu reduzieren. Ihre Steuerung arbeitetvorausschauend,dabeiantizipierensieaufderBasisvonErfahrungswissen die Wirkungen unterschiedlicher Ein-flüsse.Darüberhinaussindsiebenutzerfreundlich.

Durch die Kopplung verschiedener Modellvariationen wiebeispielsweisevonneuronalenNetzenmitphysikalischenModellenkanndieSicherheitunddieVorhersagegeschwin-digkeitnochmalsdeutlicherhöhtwerden.NeuronaleNet-ze ermöglichen durch Verknüpfung der Informationenverschiedener Zustandsvariablen die Projektion auf diewichtigsten Einflussfaktoren und eine Beurteilung ihrerSensitivität fürdenProzess.PhysikalischeModelleerlau-ben auf dieser Basis eine Abstraktion in die Zukunft. DieAnwendung der neuronalen Modellebene bildet in dieserKopplungdienotwendigeAdaptivitätvonprädiktivenphy-sikalischenModellenab.BeispielsweisekannderNutzendurchEntlastungdesGesamtstromesdurchseparateVor-behandlung oder zeitenweise Pufferung von TeilströmenoderderenVerschneidungvorausberechnetwerden.

Einbeziehen von Experten und simulationsgestützter Optimierung erhöhen die Anlagenperformance und unterstützen die Anlagenbetreiber

ImBereichderProzessoptimierungundAnlagenüberwa-chungwerdensichInternet-undCloud-basierteElemen-te durchsetzen, über die externesWissen (auch Modell-gestütztoder inKopplungmitderProduktion) integriertwird. Dies kann sowohl proprietär durch spezialisierteDienstleiter(z.B.Stoffdaten,Pumpenkennlinien)alsauchdurch allgemein verfügbare Daten, z.B. European OpenData Portal12, erfolgen. Das Gebiet der Instandhaltungscheint dabei Vorreiter zu sein, wie die Datennutzungfür fallorientierte (case oriented) oder vorausschauendeInstandhaltung(predictivemaintenance)zeigt(z.B.Fern-wartung und Anlagenüberwachung mit Zustandsdaten-erfassungvonPumpendurchderenHersteller).DagegenbeginntsichdieProzessseiteerstzuentwickeln.

DieNotwendigkeitderEinflussnahmedesAnlagenbetrei-bersvorOrtwirddadurchsinken.DieBetriebsleitungwirdspürbar entlastet und der Personalbedarf vor Ort wirddurchWegfall von Routinearbeiten reduziert. Arbeitszei-tenundEinsatzortekönnenflexiblergestaltetwerden,dieEinarbeitungvonneuemPersonalkannOff-sitewirksamunterstütztwerden.

Simulationsgestützte Optimierung der Einzelkomponen-ten ermöglicht höhere Verfügbarkeit und LebensdauersowieverbesserteLeistungundAuslastungvonAnlagen.

Durch Bestimmung des Leistungspotenzials der Einzel-komponentenunddieNutzbarmachungvoninstallierten


12www.europeandataportal.eu

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Überkapazitäten kann die Anlagenleistung ohne Kapi-taleinsatzmaximiertwerden.Einzelkomponentenkönnensimulationsgestützt in Bezug auf Geometrie, FunktionundEinbindungindieAnlageimInteresseeinerlängerenLebensdauer oder höheren Kapazität optimiert werden.(s.Abb.4.4)

Die Beeinträchtigung der Anlagenleistung in Folge vonBelastungs-undVolumenstromänderungenbeispielswei-se durch Produktionsänderungen, -verlagerungen oder-ausweitungenimLaufedesBetriebeskannsomitdurchAustauschvonKernkomponenten,diemittelsBerechnungfür den geänderten Anwendungsfall optimiert wurden,verringert werden. So könnten beispielsweise Schieber,Überlaufkanten oder auch Zyklone und Rohrleitungs-querschnitteanentscheidendenStellendemgeändertenBedarfoptimalangepasstundsodieAdaptionsfähigkeiteineraufeinenbestimmtenAnwendungsfallzugeschnit-teneAnlageerhöhtwerden.

Prädiktive Zustandsüberwachung ermöglicht höhere Verfügbarkeit und Lebensdauer

Es kann von einer höheren Anlagenverfügbarkeit aus-gegangen werden, da prädiktive ZustandsüberwachungallereinzelnenAnlagenaggregatewiePumpen,Rührern,Ventilen,aberauchvonSensorenundRohrleitungeneinekontinuierliche und bedarfsoptimierte Wartung und Re-paraturerlauben(s.Abb.4.5).Notreparaturenundunge-planteStillständewerdensoweitgehendvermieden.

Internet der Dinge erlaubt die Selbstkontrolle und eigen-ständige Reparaturorganisation von Einzel komponenten

Im Zuge der Etablierung des Industriellen Internet derDinge (Industrial Internet ofThings IIoT) werden Senso-ren,KomponentenundGeräteentwickelt,diezunehmendmiteinander kommunizieren und Prozesse auch ohne

dieMitwirkungvonMenschenalsKoordinatorenvon In-formationen organisieren. Diese Entwicklung wird we-sentliche Veränderungen bei Organisationabläufen mitsichbringen.VielekomplexeundübergreifendeAbläufewerdennichtnurautomatisierbar,sonderndurchinterak-tiveKommunikationundintelligenteSteuerungenselbstorganisierbar. Sensoren und Aktoren werden entwickelt,die eigenständig Zustände erfassen, Aktionen ausfüh-ren und Handlungsroutinen einleiten. Beispiele bei derWasseraufbereitung sind leere Betriebsmittelbehälter,dieihreWiederbefüllungorganisieren,einschließlichderBestellung von Chemikalien sowie der AutomatisierungdesLogistikprozessesbishinzurendgültigenBefüllung.PumpenoderandereAggregatekönnenihrenVerschleißüberwachen oder Defekte an sich selbst erkennen, diepassenden Ersatzteile bestellen und gleichzeitig einenWartungsterminzurReparaturorganisieren.

4.3 Barrieren

AufdemWegzurvollständigenDigitalisierungderindus-triellenWasserwirtschaftsindverschiedeneBarrierenzuüberwinden.DabeisinddiesichereDatengewinnungundDatenhaltung (inklusive Zugriffe), Datenschutz, Skalier-barkeitundHarmonierungvonDatenstandardsdiekurz-fristigwichtigstenBereiche.

Daten- und IT-Sicherheit

BesondershemmendwirktdievielfachungeklärteDaten-sicherheitbeiderraschenZunahmedesDatenaustauschsimZugederweiterenEntwicklungdesIndustriellenInter-net der Dinge. Zudem ist vielfach unklar, ob existieren-de Schutzmaßnahmen der Schadsoftware der nächstenGeneration, die selbst intelligent und autonom agierenkönnenwird,standhaltenkönnen.AnsätzefürdenSchutzvon Anlagen, wie das Defense-in-Depth Konzept für denSchutz von Industrieanlagen gegenüber unbefugten Zu-

Abb.4.4:Komponentenertüchtigung:SimulationsgestützteVerlagerungderKavitationvonderVentilkörperwandindenWasserkörperverhindertMaterialschädenimBetrieb.Rechtsoben:Problem:KavitationsschädenanVentilwand;links:Strömungssimulati-onamVentilaustrittzurOptimierungderBetriebsweise;rechtsunten:AusschnittderSimulation

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griffen sind noch nicht in allen Bereichen ausreichendbekannt. In Bezug auf die abhörsichere und manipulati-onsfreieDatenübermittlungund-nutzungsinddaherauchbiszurbetrieblichenEbenedietechnischenImplementie-rungsmöglichkeiten der Bausteine (Verschlüsselungsal-gorithmen,Block-chain-Elemente)ebensoweiterzuent-wickelnwierisiko-basierteBewertungssysteme.DarüberhinausstellensichFragen inBezugaufdieDatenhoheit(wem gehören welche Daten), den Datenschutz (welcheDatendürfenwoverarbeitetwerden)undinBezugaufdieVerantwortlichkeitfürdieDatensicherheitund-integrität.

Daten sind nicht harmonisiert und stehen zum Teil nicht digital zur Verfügung

InsehrvielentraditionellenBetriebensinddieInfrastruk-turen alt und an längst überholte Anlagensteuerungenangepasst. Daher ist eine Harmonisierung und Digitali-sierungderDatennichtohneerheblicheAnstrengungenzu bewerkstelligen. Die Systemintegration ist oftmalsaufgrund von Inkompatibilitäten der Systeme oder derSchnittstellen nicht möglich. Zudem stehen die DatenvielerSensorenoderauchvonLaboranalysenfüreinedi-gitaleVerarbeitungundeinenOnline-ZugriffnichtzurVer-fügung. Weiterhin behindern die Inkonsistenzen bei derDatenerhebungeineDigitalisierung.

Personal und Verantwortlichkeitsstruktur sind nicht an ein digitales Umfeld angepasst

DasindenBetriebenvorhandeneundandiebestehendenInfrastrukturenangepassteundhieraufgeschultePerso-nalverfügtnichtodernurvereinzeltüberdasWissenund

die Fähigkeit, mit einem digitalen Umfeld umzugehen.Auch entstehen neue Anforderungen an die FlexibilitätunddieLernbereitschaftdesPersonals.OhneihreUmset-zungkönnendiePotenzialederDigitalisierungnichtvoll-ständigausgeschöpftwerden.

Auch die Abgabe von Entscheidungskompetenz an Sys-teme künstlicher Intelligenz stößt derzeit oft auf erheb-lichenWiderstand.DiesgiltbesondersfürdieRichtigkeitder Einflussnahme solcher Systeme auf den Anlagenbe-trieb.DieVerantwortlichkeitisthierbeisowohlinnerhalbeinesBetriebeszuklärenalsauchbeiderEinbeziehungvon Betriebsfremden wie beispielsweise mit einer Bera-tungbeauftragterExperten.

Betriebliche Organisationsformen sind nicht für die Digitalisierung geeignet

Neue Organisationsformen müssen entwickelt werden,umdievorgenanntenElementederVernetzungumzuset-zen.Eswirdnichtmöglichsein,alleserforderlicheKnow-howindenpersonellschrumpfendenBetriebsstrukturenvorzuhalten.DahersindKompetenznetzwerkezuentwer-fen, die den Zugriff auf das notwendige Expertenwissenzeitnah und kooperativ erlauben. Dazu gehört auch derBereitschaftsdienstvonFachkräften(internundextern).

ParalleldazumusseinerealitätsnaheBetriebssimulationin virtuellen Bedienumgebungen erfolgen, um das Sys-temverständnis indererforderlichenTiefeundBreitezuerhalten (intern oder extern) und ein Störungsmanage-menttrainierenzukönnen.


Abb.4.5:PotenzialefürprädiktiveÜberwachung:BeispielausderProzess-industriefürFlaschenhals-analyseeinesBetriebsanhandderVielfältigkeitvonBetriebsstörungen

Furnaceguides

SMWRbending

pinchroll3 BURcooling SMWRchange Centrallubrication

Coupling

IRlocking/shifting

Furnacedrum

SMstripguides

WRfailure

WRlocking+shifting

SMwipers

WRcooling

Steckeldrive

Rollertablebelowfurnace

Morgoil

SteckelMill(SM)

Hydraulic

Mechanical downtimes

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Simulations- und Modellierungswerkzeuge sind weder durchgängig verfügbar noch integriert

Simulationswerkzeuge zur optimierten Auslegung undzum Betrieb derWasser- und Abwasserbehandlung sindzwarvorhanden,müssenabertechnischweiterentwickeltwerden. Wichtig sind dabei die Entwicklung von nicht-empirischen Algorithmen in Verbindung mit neuronalenStrukturensowiedieDurchgängigkeitundKompatibilitätmitdenumgebendenSektoren(Produktion,weitereWas-sernutzer und Umwelt). Auch die verlustfreie und einfa-cheKommunikationmitSoftwarezurökonomischenundökologischenBewertungmussermöglichtwerden.DamitwirdderEchtzeit-undauchderprädiktiveBetriebimin-dustriellenWassermanagementmöglich.

ZurGewährleistungderinEchtzeiterforderlichenSystemant-worten istdieKopplungvonneuronalenNetzenmitphysi-kalischen Modellen möglich, da die Rechenzeit hierdurcherheblich verkürzt werden kann. Allerdings werden solchegekoppeltenSystemederzeitnochnichtimAbwasser-/Was-serbereich eingesetzt, hier fehlt das Anwendungswissen.NichtzuletztmussdieEchtzeitfähigkeitphysikalischerMo-dellefürdieAbwasserreinigungnocherarbeitetwerden.

DerEinsatzvonSimulationswerkzeugenzurOptimierungvonWasserbehandlungsanlagenistbeiWeitemnochnichtausgeschöpft.DiesgiltvorallemfürdynamischeVerläufeder Zulaufcharakteristik, als auch für die Komponenten-optimierung. Die hieraus resultierenden Potenziale sindnochnichtannäherndcharakterisiert.Umsiezuerschlie-ßen,mussdieAnlagenauslegungneudurchdachtwerden.Dies lohnt sich insbesondere bei Anlagen, die von meh-reren und variablen Abwasser-/Wasserströmen gespeistwerden.

Auf rechtlicher Ebene ergeben sich viele neue Fragestellungen

MitdenNeuerungendurchdieDigitalisierungwerdenauchzahlreicherechtlicheFragestellungenaufgeworfen.Hierzuzählenu.a.:

» VerantwortlichkeitbeiexternemDatenzugriff– Besitzansprüche an volldigitalisierten Prozess- und

Betriebsdaten,anlagenübergreifendenDatenverglei-chensowieDatenauswertungen

– Verantwortung für die Folgen von EntscheidungenundSteuerungseingriffenindenBereichenUmwelt-schutz, Produktions- und Anlagensicherheit sowieProduktqualität

» Arbeitnehmerschutzgesetz

» Urheberrechte

Investitionen sind nicht kurzfristig, sondern mittel- bis langfristig wirtschaftlich

EswerdenerheblicheKostenfürdenErsatzvonnichtdi-gitalisierbaren Sensoren, für die Digitalisierung analogerhobenerDatenundfürdieErneuerungbzw.Neuinves-tition ineinemoderneOnlinesteuerungvonAnlagenbeider Systemanpassung entstehen. Der unmittelbare Nut-zenunddiedamitverbundeneKosteneinsparungwerdennicht immer mit genügender Sicherheit für eine Investi-tionsentscheidung quantifizierbar sein. Hinzu kommenKostenfüreinedeutlichverbesserteDatensicherheit,Da-tenverarbeitungund-bevorratung.AuchdieerforderlichekontinuierlicheSchulungdesBetreiberpersonalswirdor-ganisatorischundkostenseitigwirksamwerden.

4.4 Handlungsbedarf

Betriebliche Abläufe sind zu einem durchgängigen und fachdisziplinübergreifenden System zu entwickeln

DerSchwerpunktzukünftigerForschungstätigkeitenverla-gertsichhinzurUntersuchungundEntwicklungvollstän-digbeschreibbarer,abernochbeherrschbarer,kontextab-hängiger(selbsttätig)regelbarerWasserbehandlungs-undWassermanagementsysteme.

Insbesondere ist die integrative Entwicklung von Pro-zessen und Behandlungssystemen von Bedeutung. Da-bei müssen von Beginn an alle Aspekte in einem engenWechselspielausgebildetundüberdenMarktzyklusdesWassers kontinuierlich fortentwickelt werden. Hierzuzählt auch die Erprobung undValidierung von Entwurfs-entscheidungen im Hinblick darauf, welche Funktionenspäter mechanisch oder elektrisch, durch Firmware oderSoftwareoderauchdurchDienstleistungenumgesetztwer-den sollen. Die Verfügbarkeit aller relevanten Daten undProzesse über System- (Teilsystem, Maschine/Prozess,Produktionsanlage,Fabrik)undFirmengrenzenhinweg,so-wiederenBereitstellunginskalierbarenSystemenistdabeiein zentraler Bestandteil. Ebenso ist die ModularisierungundWiederverwendungderAnlagenundSystemefürdieBeherrschungderzunehmendenKomplexitätundSkalier-barkeitvoranzutreiben.DerRückflussvonErfahrungenausdemEinsatzderAnlagenundSystemeindieEntwicklungbzw.dasEngineeringunddenBetriebistgenausovonBe-deutungwiediedigitaleEinbindungvonOffline-Analytik.

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LetztlichmussdieRealisierungeinesganzheitlichen,fach-disziplinübergreifendenSystemsdieetabliertenEntwick-lungsmethoden und die entsprechenden Toolumgebun-genderbetroffenenDomänen(beispielsweiseMechanik,Elektrotechnik,Softwaretechnik,KommunikationstechniksowieAnlagen-undProzesstechnik)integrieren.

Die vertikale Integration vereint bei Industriewasser 4.0die verschiedenen Systeme für die Unterstützung bzw.Durchführung der unterschiedlichen Wertschöpfungs-prozessesowohlinnerhalbeinesUnternehmensalsauchüberUnternehmensgrenzenhinweg(z.B.beiVerbünden)zueinerdurchgängigenLösung.

Dynamisierung der Fahrweise zur Erhöhung der Effizienz von (Ab-)Wasserbehandlungsanlagen

WasserbehandlungsanlagenarbeitenfürdieheutigenAn-forderungenbereitssehreffizient.DieAnpassunganhö-hereundschnellereVariabilitätvoralleminderAbwasser-zusammensetzung erfordert neue Optimierungsansätze,umeinehoheEffizienzder(Ab-)Wasserbehandlungsanla-genzugewährleisten.DieWerkzeugederDigitalisierungschaffen die Voraussetzungen für einen effizienten undsicherenBetrieb(s.Abb.4.6).

Abb.4.6:EinedynamsicheFahrweisevon(Ab-)Wasserbehandlungs-anlagenerfordertaucheineintelligenteMotorsteuerung

Sensorentwicklungen ermöglichen eine bessere Erfassung komplexer Zustände und Prozesse

Durch die Weiterentwicklung spezifischer Sensoren füronline Kontrolle, Regelung und Überwachung könnenpräzisere Informationen zum Zustand vonWässern oderdemgesamtenProzesserfasstwerden.EinegroßeBedeu-tung wird der Entwicklung von Sensoren in Analogie zumenschlichen Sinnen zukommen. Optische, akustischeundgeschmacklicheMessprinzipiensowieGeruchssenso-renwerdendieMöglichkeitenerhöhenwassertechnischeSysteme in Echtzeit zu charakterisieren. Hinzu kommen

biobasierteSensorenzurAnalysevonToxizität,Wirkstof-fen und hygienischen Parametern. Mit online MessungvonmikrobiologischenParameternz.B.zurErfassungvonPopulationszusammensetzungundderbiologischenAkti-vitätvonMikroorganismenkönnenbiologischeProzesseoptimiertundeffizientergesteuertwerden.

Modellierung und Maschinelles Lernen sollen das indus-trielle Wassermanagement vereinfachen und optimieren

DiezentraleMotivationhinterderAnalysevonSensorda-ten ist die kontinuierliche Erfassung von Informationenübereinen(technischen)ProzessentwederalsBasis fürdessenSteuerungundRegelungoderfüreineDiagnose,Alarmierungetc.Sokönnenbeispielsweisebeieinemre-aktivenEingriffProzessparameterangepasstwerdenoderbei Diagnosen Maschinendefekte signalisiert werden.WesentlicheVoraussetzungdafürsindModelle,dieeineInterpretationundReaktionsowieeineEinbindungindieGesamtsystemeermöglichen.

Die Verknüpfung der diversen Sensoren und deren Aus-wertung,teilweiseunterkritischenEchtzeitbedingungen,isteinezentraleHerausforderung.

HierbeibestehtinsbesondereHandlungsbedarfbeiderDa-tenakquisition von einer großen Anzahl an Sensoren undihrerVerarbeitungvorOrt(Edge-Computing).MitBlickaufdie Modellierung liegen die Herausforderungen auf derÜberführungvonZusammenhängenzwischengemessenenWertenundauftretendenEffekten ineinpassendes,mög-lichstauchneuronalesModellunddessenprädiktiveAussa-gefähigkeit(z.B.mitBlickaufvorausschauendeWartung).

UnterSensordatensindhierbeinichtnurklassischeSen-sordaten zu verstehen sondern auch Daten, welche nurdurch komplexe und schnelle Auswertungsverfahren zuverarbeitbaren Informationen führen. Maschinelles Ler-nenundKünstlicheIntelligenzzurErkennungundZuord-nungvonBildernoderGeräuschenisthiernureinBeispielvonvielen.BeiderSensorentwicklungselbstergebensichdamit Möglichkeiten, umfangreiche Rohdaten an Steue-rungseinheitenweiterzugeben,ohneInformationsverlustedurch die Ermittlung von einzelnen Messparametern alsZwischengröße zu erhalten. Auswertungsverfahren mitHilfevonMaschinellemLernensindaufdieseZwischenaus-wertung nicht angewiesen und können Zusammenhängeaus den Rohdaten ermitteln, welche durch eine Reduzie-rung auf Zwischengrößen verborgen bleiben. Vorausset-zung hierfür sind Lösungskonzepte und Steuerungsalgo-rithmen,dieausderAnalysevonRohdatenzuverwertbaren

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ErgebnissenhinsichtlichderProzesssteuerungundVisuali-sierungderAnlagenzuständeführen.

Insgesamt ergeben sich neue Anforderungen an Sensor-entwicklungen,DatenauswertungundSteuerung,wodurcheine engere interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischenSensorentwicklern,Verfahrens-undAutomatisierungstech-nikern sowie Kommunikations- und Softwarespezialistenerforderlichwird.DieQualitätderErkenntnisseausdenDa-tenistabhängigvondenverfügbarenLernzeitenunddemUmfanganDatenausdenverfügbarenAnlagen.

Data Mining für bessere und vorhersehbare Instandhaltung

Optimierungsbedarfbestehtu.a.inderStandardisierungderSchnittstellenundFähigkeitenvonEinheiten(Modu-len)zumAufbaueinerflexiblenundwandelbarenWasser-behandlung(s.Abb.4.7).

EsisteinGerüstfürdieUmsetzungvonzustandsabhängigenÜberwachungenundSteuerungenvonIndustriewasser 4.0-Szenarienzuentwickeln.DerInformationsaustauschüberdieHauptkomponentenderSensordatenverarbeitungmussstandardisiertwerden.EssolleineSoftwarearchitekturent-stehen,diedenZugriffaufSensordatenermöglicht,ohneKenntnisse über die physische Sensorebene zu besitzen(Sensorabstraktion). Insbesondere ist die Einbindung ka-belloserSensorenzuberücksichtigen.DieInbetriebnahmeund Konfiguration muss grafisch und interaktiv mittelsPlug-and-Work-Ansatz realisiert werden. Die Auswertungmehrerer Sensordatenströme im Sinne von Datenfusionmussermöglichtwerden,ohneindividuelleEntwicklungs-erfordernisse für jeden Anwendungsfall. Um einen mög-lichst hohen Grad an Autonomie des Sensor-netzes zu erreichen, müssen die Sensoren mitsemantischenBeschreibungenausgestattetwer-den.DiessindnotwendigeVoraussetzungenhinzustandardisiertenPlattformen.

Zeitskalen sind anzupassen

Die Zeitskalen bzw. DatenerhebungsintervallederSensorensindsorgfältigaufdieVariationsge-schwindigkeit der entsprechenden Messparame-teranzupassen,umeinerseitseinezuhoheRedun-danz zu vermeiden, andererseitsVeränderungeninEchtzeitbeobachtenzukönnen.Lösungsansät-zeaufderSeiteder InformationsgewinnungausDaten unterschiedlicher Zeitskalen ergeben sichdurchdieAnwendungzeitlichgestaffelterstatisti-scherAlgorithmenundneuronalerNetze.

Entwicklung eines Komponentenkatalogs und Standardisierung der Kommunikationstechnologien

Aus Forschungssicht ergibt sich die Notwendigkeit, eineexemplarischeSmartFactorymiteinemSmart IndustrialWaterManagementzuinstallieren(TestBed).Damitkön-nen mittel- bis langfristig modularisierte CPPS und einentsprechenderKomponentenkatalogentwickeltwerden.UmdieAnwendbarkeitinunterschiedlichenUnternehmenundBranchenmitheterogenenIT-Systemen,technischenRessourcenundKompetenzenzugewährleisten,müssensowohldieBasistechnologienderInformations-undKom-munikations-TechnologienfürdieAutomatisierungstech-nik ertüchtigt, als auch anwendungsbezogene Referenz-architekturen,alsErfolgsfaktorgestaltetwerden.

Benötigt wird ein wissenschaftliches Fundament für eineintegrative, Semantik erfassende ModellierungstheoriefürdieProduktionstechnikimMaschinen-undAnlagenbausowie den Anlagenbetrieb. Für den Einsatz von Simulati-onswerkzeugenzurAnpassungvonAnlagenangeänderteZulaufbedingungenisteineFlexibilisierungderAuslegungvonAnlagenerforderlich.DamiterfolgteineDurchdringungder Möglichkeiten, die hiermit eröffnet werden. Darüberhinaus können die Grenzen der Anpassungsfähigkeit ge-prüftwerden.

Schnellere und effizientere Prozessabläufe erfordern das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) in der industriellen Wasserwirtschaft

DieNutzungderMöglichkeitendesIndustriellenInternetder Dinge (IIoT) erfordert die Kommunikation zwischen

Abb.4.7:OptimierungderLeistungvonAssets,Energie-undRessourcenverbrauch,InstandhaltungundServices

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Komponenten, Sensoren und Steuereinheiten auch überkabellose Verbindungen und das Internet eine Entwick-lung auf vielen Ebenen. Kommunikationsfähige Kompo-nenten und Standards zum Informationsaustausch sindgenausozuentwickelnwiekabelloseNetzwerkemitge-ringemEnergieverbrauchfürweiteEntfernungen,umeineUnabhängigkeitvoneinerzentralenStromversorgungzuerreichen. Ein großes Innovationspotenzial besteht imEntwickelnvonKonzeptenundProzessen,diefürdasIn-dustrielleInternetderDingegeeignetsind,umsoAbläufezuoptimierenundkosteneffizientzuorganisieren.

AuchwenndiegenerelleEntwicklungdesIIoTimBereichder gesamten Produktionsindustrie viele Entwicklungs-trends prägen wird und diese teilweise im Bereich derWassertechnik übernommen werden können, müssenweiterewasserspezifischeLösungen,KonzepteundTech-nologienindividuellentwickeltundetabliertwerden.

Menschenzentrierte Schnittstellenlösungen erfordern neben Sicherheit, Flexibilität und Schulung neue rechtliche Rahmenbedingungen

InformationssicherheitstelltdieVerfügbarkeit, IntegritätundVertraulichkeitderInformationeninIndustriewasser 4.0 -Anlagen und -Systemen sicher. Bei Informationssicher-heit geht es darum, Gefahren abzuwehren, die auf dieAnlage bzw. deren Funktionen einwirken. InsbesonderesindexpliziteundnichtintendierteAngriffeeingeschlos-sen.SicherzustellenistdieInformationssicherheitfüralleFunktionalitäten,sowohlfürBetriebsfunktionenalsauchfürÜberwachungsfunktionenundSchutzfunktionen.

HandlungsbedarfbestehtdabeivorallembeiVerfügbar-keitundIntegrität,Betriebssicherheit,Know-how-SchutzundDatenschutz(s.Kap.4.3).

Eine erfolgreiche Implementierung von Industriewas-ser 4.0 erfordert eine humanzentrierte Auslegung derMensch-Maschine-Schnittstelle. Im Rahmen von Indus-triewasser 4.0 wird sich die Mensch-Technik-Interaktionentsprechendverändern:DieMaschinenpassensichdenMenschenan–undnichtumgekehrt. Intelligente indus-trielle Assistenzsysteme mit multimodalen, bedienungs-freundlichenBenutzerschnittstellenkönnendieBeschäf-tigten bei ihrer Arbeit unterstützen und bringen digitaleLerntechnologiendirektandenArbeitsplatz.

Industriewasser 4.0 muss von den Mitarbeitern anWas-ser- und Abwasserbehandlungsanlagen akzeptiert wer-den. Die Voraussetzung dafür sind Arbeitsbedingungen,

dieeineFlexibilitätimSinnederMitarbeiterermöglichenundihreKreativitätundLernfähigkeitunterstützen.Soge-nannte multimodale Assistenzsysteme werden dafür dietechnologischeVoraussetzungschaffen.ImFokusdiesesThemenfeldssindauchdieQualifikationsentwicklungunddieArbeitsorganisationsowiedieGestaltungderArbeits-mittelimRahmenvonIndustriewasser 4.0-Systemen.

Die Fragestellungen müssen interdisziplinär bearbeitetwerden, indem die Expertise einesTeams aus Ingenieu-ren,Informatikern,Psychologen,Ergonomen,Sozial-undArbeitswissenschaftlernsowieMedizinernundDesignerneinbezogenwird.

Zur Regelung und Neugestaltung des sich dramatischverändertenArbeitsumfeldessindallegesellschaftlichenKräfte wie u.a. Arbeitgeber,Verbände und Gewerkschaf-ten, aber auch den politischen Instanzen auf nationalerundinternationalerEbeneaufgerufen.Diesemüssensozi-alverträglicheundwettbewerbserhaltendeAntwortenaufdiemitdenNeuerungeneinhergehendenFragestellungenergründenundverwirklichen:

» WemgehörendieDaten?

» WiekönnendieDatenwirksamvorSpionage,SabotageundTerrorismusgeschütztwerden?

» WerhaftetbeiDatenmissbrauch?

» WiewirdrechtlichdieFlexibilisierungvonArbeitszeitundEinsatzortgeregelt?

» WiewerdenNeuregelungenglobalwirksam,auchumWettbewerbsverzerrungenzuvermeiden?

Abb.4.8:Mobile,mitarbeiterfreundlicheAuswertung,BewertungundBedienung

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5.1 Einleitung

Die industrielleWasserwirtschaft istmit ihrerWasserbe-reitstellungengmitdenAnforderungenausProduktions-prozessenverknüpft.DieDigitalisierungderindustriellenProduktion und die damit einhergehende, zunehmendeFlexibilisierungerforderndaherauchinderindustriellenWasserwirtschaft eine erhöhte Anpassungsfähigkeit anbeiden Schnittstellen: derWasserbereitstellung und derAbwasserbehandlung.DieseAnpassungsfähigkeitandieProduktionbeinhaltetsowohleinezeitlicheKomponente(imSinnevonReaktionszeitenaufsichänderndeRandbe-dingungen)alsaucheineVerfahrens-undQualitätskom-ponente(imSinneeinerAdaptionvonReinigungsverfah-renaufwechselndeAnforderungen).

DahierzweiBereicheinnerhalbeinesStandortesoderUn-ternehmensdieWasser-undInformationsströmemitein-anderverknüpfenundoptimieren,handeltessichhierbeiumeinehorizontaleIntegration.

Der digitalen Vernetzung auf dieser Ebene können zweiweitereAspektezugeordnetwerden,welchehiernichtimDetailausgeführtsind:

» die Vernetzung mit weiteren, unternehmensfremdenindustriellenWassernutzernimSinneeinerindustriel-lenSymbiose

» dieEinbindunginSmartGridKonzepte.

Durch abgestimmte Planung, einheitlichemesstechnische Ausrüstung, Interoperabili-tät der Lösungen für Hard- und Software undabgestimmtenBetriebdervernetztenAnlagenlassen sich zukünftig erhebliche wirtschaftli-chePotenzialeerschließen.ErsteErfahrungenzeigen beispielsweise, dass bei einer Abwas-serbehandlungsanlage durch eine plattform-basiertePlanungEinsparungenvon20%beimEngineering erzielt werden konnten13. Diebedarfsgerechte Bereitstellung und Aufrei-nigung der Ressource Wasser auf Ebene derProduktion kann damit als eine zusätzlicheAufgabe innerhalb eines bestehenden oderzu etablierenden Fertigungsmanagementsys-tems(ManufacturingExecutionSystem,MES)verstandenwerden.ÄhnlichderMES-Aufgabe„Energiemanagement“ istesZielderhorizon-talen Integration des Wassermanagements,den Wasserbedarf (und den damit verbunde-nenStoff-undEnergiebedarf )entlangderAr-beitsschritteineinemProduktionsprozess„zuplanen,zuerfassen,zuüberwachen,zuanaly-sieren, zu steuern und letztlich zu senken“14.

5 digitale vernetzung mit der industriellen produktion

5 DigitaleVernetzungmitderindustriellenProduktion

Abb.5.1:DigitaleVernetzungderindustriellenWasserwirtschaftmitderindustriellenProduktion(APK=AutomatisierteProzesskontrolle;VPS=verteilteProzessleitsysteme;PLS=Produktionsleitsystem;URP=Unternehmensressourcenplanung)

13GWPArbeitskreisWasser 4.0:„Wasser 4.0“,www.germanwaterpartnership.de/fileadmin/pdfs/gwp_materialien/gwp_wasser_40.pdf

14VDI-Richtlinie:VDI5600Blatt6Fertigungsmanagement-systeme(ManufacturingExecutionSystems–MES)–EnergiemanagementmitMES(2017)



Prozessentwicklung

Demontage


Instandhaltung

Indu

stri

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IndustrielleProduktion–Industrie 4.0

ProzesswasserKühlwasser

HorizontaleIntegration:DigitalisierunganderSchnittstellezurindustriellenProduktion

AbwasserKühlwasser

PLS VPS


PLS VPS



URP

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Durch dieses Vorgehen wird erhöhte Transparenz überWasserbedarfund-einsatzinProduktionsabschnittenbisauf Maschinenebene ermöglicht. Damit steigt ebenfallsdie Fähigkeit zurVorhersage des produktionsabhängigenWasserbedarfs und der daraus resultierenden Abwasser-belastung. Neben der reinen Erfassung von Volumen-strömen, die über Zähler und Durchflussmesser bereitsheute standardisiert möglich ist, spielt auch die Online-Messung von Stoffparametern eine entscheidende Rolleim industriellen Wassermanagement, um eine optimaleProduktqualitätundProduktionseffizienzzuerreichen.

5.2 Potenziale

Verkürzung von Reaktionszeit und Erhöhung von Flexibilität der Prozesswasserbehandlung

MitHilfederhorizontalenVernetzungwirdaufBasisaktu-eller und zukünftiger Produktionsdaten eineVorhersageder anfallenden Prozesswassermengen und -qualitätenund somit des Betriebs der Prozesswasserbehandlungmöglichsein.EngpässesowiekritischeZuständederPro-zesswasserbehandlung können bereits im Vorfeld aktivvermieden bzw. es können rechtzeitig betriebliche Maß-nahmen ergriffen werden. Dies ist insbesondere bei derabsehbaren Flexibilisierung der Produktion durch dasAgierenimRahmenvonIndustrie 4.0unddensichdarausergebendenAnforderungen imUmgangmitvariierendenRahmenbedingungen für die Prozesswasserbehandlungnotwendig. Wesentliches Potenzial für verkürzte Reak-tionszeiten und eine Flexibilisierung ist bei Prozesswas-serbehandlungsanlagen zu sehen, die mit batchweisebetriebenen Produktionsprozessen wie z.B. der bio-technologischen und chemischen Herstellung von Wirk-stoffen, der Lebensmitteltechnologie oder den überwie-genden Prozessen der Stahlherstellung gekoppelt sind.Bei vereinheitlichten Datenformaten ist die verbesserteAbschätzung der Zusammenführung verschiedener Pro-zesswasserströmeausunterschiedlichenProduktionsein-heiten(u.a.fürbessereSymbioseninChemie-undIndus-trieparks)möglich.

Neben dem flexiblen Betrieb der Prozesswasserbehand-lung ist Potenzial für die Beschaffung und Bevorratungvon Behandlungschemikalien zu sehen, die noch inten-siver prognoseorientiert durchgeführt werden kann. DieIntegrationderProzesswasserbehandlunginbestehendedigitaleSystemeaufunterschiedlichenEbenen(z.B.SAP,MS-Windows) unterstützt mit der PrognoseorientierungeineflexibleundvorausschauendeInstandhaltung.DurchautomatisierteMeldekettenindenProzessen,inKoordi-

nation mit den Daten zur prädikativen Zustandsüberwa-chungvonSensorenundAggregaten(s.Kap.4),könnenz.B. optimale Zeitfenster fürWartungs- und Instandhal-tungsmaßnahmendefiniertwerden.

Steigerung der Transparenz des Anlagenbetriebs

MitderVerknüpfungvonProduktionundProzesswasser-behandlungaufdenunterschiedlichenSignalebenenso-wie mit der modellbasierten Prognosefähigkeit erhaltendieMitarbeitereinzusätzliches„Sicherheitsgefühl“beimBetrieb der Prozesswasserbehandlung aufgrund abseh-barer Anlagenzustände. Es besteht die Möglichkeit derganzheitlichenAbbildung/VisualisierungderhorizontalenIntegrationinLeitsystemezurerleichtertenundsicherenBedienung(softwaretechnischeEinbindungderProzess-wasserbehandlung in eine Standortdarstellung). In demVermeidendesmanuellenAustauschsvonInformationendurchdieDigitalisierungdesAnlagenbetriebs,insbeson-dereüberdieProzessstufenhinaus,liegtdasPotenzialei-nestransparenterenBetriebssowohlderProzesswasser-behandlungalsauchderProduktion.Zusätzlichbietetderintegrierte Betrieb der Prozesswasserbehandlung durchdieDigitalisierungeineerfahrungsbasierteUnterstützungdesBedienpersonals.

Rückkopplung einer integrierten Prozesswasser-behandlung zur Produktion

GrundsätzlichistausSichtdesProduktionsbetriebseineRückkopplungderProzesswasserbehandlunginRichtungProduktionsprozess unerwünscht, aber insbesonderebeiexistierendenStandortennichtzuvermeiden. ImZu-sammenhangmitauftretendenkritischenZuständenderProzesswasserbehandlung kann jedoch auf Basis einerhorizontalenIntegrationein„minimaleroderangepassterBetrieb“derProduktionermitteltbzw.dieDauerkritischerZeiträumebestimmtwerden.WeiterhinbestehtdasPoten-zialderPrognosefürdieEinhaltungvonGrenzwertenun-terEinbeziehungderProduktionsplanungbzw.definierterProduktionsbedingungen. Für weitgehend flexibilisierteHerstellungsprozesse,auchunterWasserstress-Situatio-nen,istdieIntegrationderindustriellenWasserwirtschafteinenotwendigeVoraussetzungzurUmsetzungvonJust-in-time-Produktionbzw.bedarfssynchronerProduktion.

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Sicheres Design und optimierte Kapazitätsplanung der Prozesswasserbehandlung bei Neubau oder Erweiterung

Durch die horizontale Integration des Wassermanage-ments mit der Produktion wird unter Anwendung vonSimulationswerkzeugen die bedarfsgerechte Auslegungsowohl imFalldesNeubausalsauchbeiProduktionser-weiterungen ermöglicht (s. Kap. 4.2). Simulationen desBetriebs der Prozesswasserbehandlung und integrier-te virtuelle Inbetriebsetzungen im Fall von Neubau oderErweiterungkönnenvorabaufBasisvonSOLL-DatenderHerstellungsprozesseerfolgen.AnlagenbauunternehmenundDienstleisterkönnensobereitsinderPlanungsphaseextremeProduktionsszenarienberücksichtigen.EsergibtsichweiterhindasPotenzialzurBestimmungvonReser-ven in der Prozesswasserbehandlung im Zuge geplanterErweiterungenderProduktionskapazität. IndieAuswahlund Beurteilung potenzieller (Ab-)Wasserbehandlungs-verfahren kann somit neben der FunktionsorientierungauchdieEignungfüreinelastabhängige,dynamischeBe-triebsweisebessereingebundenwerden.IsteineAnpas-sungderProzesswasserbehandlungandieflexibilisierteProduktion nicht möglich, kann mit Hilfe der horizonta-lenIntegrationeineAbschätzungdernotwendigenInfra-struktur zur Entkopplung erfolgen. Bei batch-geführten

Produktionsprozessen wird beispielsweise bereits mitPuffertanks, deren Volumen auf ein Minimum reduziertist, ein möglichst konstanter und sicherer Betrieb derProzesswasserbehandlungermöglicht.WeiterhinsinddieimRahmenderhorizontalenIntegrationentwickeltenSi-mulationswerkzeuge für künftige Aufgaben der Prozess-wasserbehandlung wie die „Minimalaufbereitung“ vonProzesswasserzurMehrfachnutzunginunterschiedlichenProduktionsprozesseneinsetzbar.

5.3 Barrieren

Eindeutige Definition des Integrations-/Optimierungsziels

Für die Integration der industriellenWasserwirtschaft inDigitalisierungskonzepte der Produktion ist primär einklares Optimierungsziel zu definieren. Zunächst müssenEngpässe und Optimierungspotenziale in bestehendenAnlagenaufgezeigtwerden,woraufdannkonkreteHand-lungsoptionenaufbauen.DieserDefinitionsschrittstelltinvielenIndustriebetriebeneinehohe„Eintrittshürde“dar,weildieHeterogenitätderbeteiligtenMitarbeiterundOr-ganisationseinheitenmitteilsdivergierendenoderwider-streitenden Teilzielen ein universelles und kongruentesVerständnisderOptimierungsgrößenerschwert.

Abb.5.2:ModellbasiertePrognosefähigkeitbietetzusätzliches„Sicherheitsgefühl“

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Schaffung zunehmender Abhängigkeiten im Unternehmen

Um die Umsetzung eines integrierten Wassermanage-mentszuermöglichen,bedarfesderengenVerknüpfungderSystemeallerBereiche,inklusivederVer-undEntsor-gungsinfrastruktur. Damit steigen die gegenseitigen Ab-hängigkeiten unterschiedlicher OrganisationseinheitenimUnternehmen,dieesplanerischundoperativzubewäl-tigengilt.FürzukunftsfähigeEntwicklungensindsowohlvonSeitenderSoftwarealsauchderHardwareintelligen-te Schnittstellen einzuplanen und Standardisierungenvorzunehmen. Bei der Umsetzung von Digitalisierungs-konzeptenmüssenRedundanzeninderdigitalenProduk-tions- und Wasserinfrastruktur verfügbar sein, da sonstProduktionsausfälleimStörungsfall(vorallembeiJust-in-Time-Situationen)eineKonsequenzseinkönnen.IT-seitigeVerknüpfungenkönnendarüberhinauszueinererhöhtenAnfälligkeitderNetzedurchSystemausfälleodermangeln-de Datensicherheit führen, denen aktiv begegnet werdenmuss(s.Kap.4.3).WährenddiesesProbleminnerhalbei-nesUnternehmens(Intranet-Zugriff )nochbeherrschbarer-scheint,stelltdiesüberdieUnternehmensgrenzenhinweghoheAnforderungenandieCyber-Sicherheit.

Verkürzung von Reaktionszeiten und Reduktion von Sicherheiten

Bisher profitieren Produktionsprozesse häufig davon,dass Altanlagen so dimensioniert sind, dass keine Eng-pässe bestehen oder durch die Größe der wassertech-nischen Anlagen viele kleine Produktionswechsel keineAuswirkung in der Lastanforderung haben. Durch dieAnforderungenaneineerhöhtegesamtheitlicheProduk-tionseffizienz wird das Vorhalten solcher Sicherheitenbetriebswirtschaftlich zunehmend hinterfragt. Eine Re-duktionderSicherheitenundRedundanzenaufAnlagen-niveauerfordertsomitzwangsläufigeineSteigerungderGenauigkeit von Mess-, Steuer- und Regelsystemen, dieEntwicklung neuer Sensoren zur Bereitstellung bishernichterfassbarerDatenundeineerhöhteFlexibilitätundHandlungsfähigkeit des Bedienpersonals. Durch externeFaktoren der Flexibilisierung, wie z.B. das bereits obenerwähnte, zunehmend variable Energiemanagement ei-nesBetriebes,werdendieAnforderungenweitererhöht.Daraus resultiert im Negativfall eine unzureichende Be-herrschbarkeitdesintegriertenSystems,diedieOptimie-rungsanstrengungeninsGegenteilverkehrt.

Komplexität und Kosten der integrierten Lösungen

EinheitenübergreifendeintegrierteStrukturenimWasser-managementbedeutenfüreinenIndustriebetriebeineer-hebliche organisatorisch-personelle wie auch finanzielleBelastung,dadieDigitalisierungtrotzmöglichstweitge-henderStandardisierungderPlattformsysteme(Soft-undHardware) grundsätzlich individuelle Lösungen mit ho-hem Planungsaufwand erfordert. Durch horizontale Ein-beziehungunterschiedlicherUnternehmenseinheitenunddie Vermeidung von Insellösungen werden umfassendvernetzteStrukturengeschaffen,dieaufgrundihrerGrößeundderdamiteinhergehendenSchnittstellenproblematikhoch komplex sind. Diese Komplexität führt bei Einrich-tung der Systeme zu erhöhtem Fehlerpotenzial, langenAnlaufzeitenunderheblichenInvestitions-undPersonal-kosten,dieberücksichtigtwerdenmüssen.InsbesonderebeiPlanungundBauderVer-undEntsorgungsinfrastruk-turwirkensichKostendruckundlangeAbschreibungszeit-räume negativ auf die Umsetzung integrierter Lösungenaus(s.Kap.4.3).

Steigende Anforderungen an Bedienpersonal und Organisationsstruktur

AusdenindenvorangegangenenAbschnittengeschilder-ten Barrieren ergeben sich unmittelbar steigende Anfor-derungen an Bedienpersonal und Entscheidungsträger.Enge Taktung der relevanten Anlagendaten, Reduktionvon Sicherheiten und zunehmende Komplexität könnenzu Stresssituationen führen, die im ungünstigsten Fallin Mitarbeiterüberforderung und Fehlentscheidungenmünden, wenn keine menschenzentrierten Schnittstellengeschaffen werden (s. Kap. 4.4). ArbeitspsychologischeMaßnahmen und Weiterbildung müssen daher die Im-plementierung der horizontal integrierten Systeme be-gleiten, um die Maßnahmen nicht an Widerständen derBelegschaft scheitern zu lassen. Nicht vernachlässigtwerden darf, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit derdigitalen Systeme eine kontinuierliche Bereitschaft zumlebenslangen Lernen aller Akteure voraussetzt. Gleich-zeitigmussdiebetriebsinterneOrganisationsstrukturderhorizontalenIntegrationRechnungtragen.DerBedarfansystematischer Kommunikation und Meldeketten steigtmitderAnzahlderbeteiligtenOrganisationseinheitenundAkteure(s.Kap.4.3).

20

5.4 Handlungsbedarf

Nachvollziehbarkeit der Umsetzung horizontaler Integration

Um mögliche Widerstände von Unternehmenseinheitenbereits in Planungsprozessen so gering wie möglich zuhalten, muss die Entscheidung für die integrierten Di-gitalstrukturen anhand universeller, nachvollziehbarerKriterien erfolgen. Kriteriensets z.B. bei multikriteriel-ler Bewertung und die Vorgehensweise zur Ermittlungsolcher Kriteriensets sind möglichst standardisiert undtransparentzuhalten.AucharbeitsorganisatorischeFak-toren müssen in Zusammenarbeit mit Sozioökonomenund Soziologen berücksichtigt werden. Das Verständnissolcher Faktoren jenseits ingenieur- und elektrotechni-scherKennzahlenmussweiterausgebautwerden,umdieVeränderungen der Arbeits- und EntscheidungsabläufefürdieBetroffenenadäquaterfassenzukönnen.

Übergreifende, verbesserte Sensorik und Modelle

AufdieNotwendigkeitzurEntwicklungverbesserterSen-sorik und der zur Datenanalyse verwendeten Auswer-tungsalgorithmenwurdebereitsausführlichinKapitel4.4eingegangen.ImAufgabenfeldderhorizontalenIntegrati-onvonIndustriewasser 4.0mussdieseEntwicklungmaß-geblichauchindenProduktionseinheitenvorangetriebenwerden. ImSinneeinesvorbeugenden,prozessintegrier-tenUmweltschutzessindQualitätsparameterdererzeug-tenProdukteundZustandsvariablenderHerstellungspro-zessemöglichstonlinezuerfassen,umbeispielsweisedieAuswirkungen auf die nachgelagerte Prozesswasserbe-handlung vorausschauend beurteilen zu können. NebendenonlineMessungensindneuronaleModellezuentwi-

ckeln,dieprädiktivdieNetz-undUnit-Operation-kontrolleund-regelungübernehmen.Gegebenenfallskönnendannbereits vor Überführung von Substanzen und Schmutz-stoffen in den Wasserpfad Gegenmaßnahmen ergriffenwerden oder kann die Adaption der Prozesswasserreini-gungvorausschauendundunmittelbarerfolgen.Sokannz.B.beiBeschichtungsprozessendieMengeundKonzen-trationdereingesetztenChemikalienmitderSchichtdickeund-güteaufdemWerkstückabgeglichenwerden,umdieVerlagerung überschüssiger Substanzen in den Wasser-pfad zu beurteilen. Aufgrund der Produktionstaktungensind dazu berührungslose, spektroskopische oder opti-scheMessverfahrenweiterzuentwickeln.

Bedienbarkeit und Integration von Digitalisierungs-lösungen

DieBedienbarkeitdereingesetztenIT-Systemedurchaufden Nutzer abgestimmte, intuitive Mensch-Maschine-Schnittstellen muss verbessert werden. Bisher umge-setzte Konzepte beruhen in der Regel auf Bildschirmar-beitsplätzenzurProzesssteuerungundDatenverarbeitung.Mobile Endgeräte ermöglichen in der Produktion dieVor-Ort-Erfassung von Betriebszuständen und Anlagenkonfi-gurationen sowie die Alarmierung von Betriebspersonal.VirtuelleRealitätDarstellungeninLeitständenundSprach-steuerungvonAggregatenimBetriebkönnendieBedien-barkeitverbessern,umArbeitenwieInstandhaltungsmaß-nahmenschnellstmöglichdurchführenzukönnen.

ZurReduzierungdesIntegrationsaufwandssindwirklichePlug-and-Work-Lösungen von digitaler Soft- und Hard-ware weiterzuentwickeln. Automatische Übernahme vonKonfigurationen und Parameter-Einstellungen von Sen-soren und Bauteilen wie z.B. Frequenzumformern bei


Cooling Tower

Raw Water Treatment

Production Process Reactor

Steam Generator

Product Separator

Decanter

Dryer

Membrane Filtration

Bufer Tank

Physicochemical Treatment

Units Heat Exchanger

Ion Exchanger

Scenario Definitions: •  Raw Materials •  Water •  Heat/Steam

Product Phase

Product Phase

Storage

Storage

Storage

Storage

Storage

Cooling Water Loss

Evaporated Water

Water/Steam

Product Phase

Production Scenarios

Abb.5.3:IntegriertesWasser-undEnergiemodellfüreinenProduktionsprozessinderchemischenIndustrie

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fälligem Austausch kann den Arbeitsaufwand in der An-lagenwartungverringern.BeierstmaligemEinrichtenderdigitalen Systeme muss die Zeitspanne von erster Inbe-triebsetzung bis zum Normalbetrieb, trotz zunehmenderKomplexität,weiterverkürztwerden.

Fortbildung, Schulung und Plant Information Modeling

Durch die steigenden Anforderungen an das Bedienper-sonalunddieOrganisationsstruktur(s.Kap.4.4und5.3)bedarf es der begleitenden Entwicklung angepassterLernformateundInformationssystemeinSchulungsmaß-nahmen.AuchhierkönnenVirtuelleRealitätKonzeptefürdasErlernenvonBedienungsvorgängenoderfürdieüber-greifende Anlagenplanung an kritischen Schnittstelleneingesetzt werden.Während 3D-Simulationen in der Pro-duktentwicklung,insbesondereinderAutomobilindustrie,bereitsweiteVerbreitunggefundenhaben,sindsolcheLö-sungeninderAnlagenplanungnochunterrepräsentiert.

Schnittstellen und Informationsmodelle

Zur Umsetzung einer horizontalen Integration müssenSchnittstellen und Architekturen definiert werden, dieeineKopplungderProzesswasserbehandlungmitProduk-tionsprozessen innerhalb des Unternehmens und überUnternehmensgrenzenhinwegermöglichen.

Insbesondere für letzteres gilt es, ge-eignete Informationsmodelle bereit-zustellen.Analogdemaufkommenden„Building Information Modeling“ imBauwesen und der Haustechnik müs-sen Planungsinstrumente in Form ei-nesübergreifenden„PlantInformationModeling“ für alle Akteure einsehbardie notwendigen Daten bereitstellenundÄnderungenimProzessdokumen-tieren.

Flexibilisierung und Demonstration

Das Zusammenspiel von digitali-sierten Anlagenkomponenten, Soft-warelösungen und Mensch-Maschine-Schnittstellen kann für einen weitenNutzerkreis am besten in konkretenUmsetzungsbeispielen veranschau-

licht werden. Daher müssen beispielhaft konkrete De-monstrationsanlagen und Konzepte der horizontalenIntegrationinFormvonReferenzprojektenrealisiertwer-den.Nebenderdigitalen Infrastruktur ist insolchenRe-ferenzprojekten auch die Entwicklung flexibler Anlagen-komponenten zu berücksichtigen, die unterschiedlicheBetriebszustände in optimaler Weise abdecken können.DurchdieVariabilitätderProduktionsbedingungensindinderindustriellenWassertechnikzunehmendrobusteundlanglebigeHardwarekomponentengefordert,dieinunter-schiedlichenBetriebszuständen(undnichtnuraneinemBetriebspunkt)beihoherEnergieeffizienzeingesetztwer-denkönnen.DiesgiltbeispielsweisefürElektromotoren,Messsysteme und Wärmeüberträger in Industriewasser-anlagenundinderProduktion.

Durch erfolgreich umgesetzte Referenzprojekte in Formvon Demonstrationen oder ersten Implementierungen,lassen sich skeptische Akteure einfacher überzeugen,alsdiesdurchtheoretischeEffektabschätzungenmöglichwäre. Vor allem aber eröffnen erfolgreiche Referenzpro-jekte Marktpotenziale für alle Beteiligten auf nationalerundinternationalerEbene.DaindiesenReferenzeneineöffentlicheZugänglichkeitgefordertist,dieaufgrundderKonkurrenzinderindustriellenProduktionteilweisenichtgewünscht wird, ist eine öffentliche Förderung ausge-wählterReferenzprojekteerforderlich.

Abb.5.4:Vor-Ort-ErfassungvonBetriebszuständenundAnlagenkonfigurationen

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6 digitale vernetzung mit kommunaler (ab-)wasserwirtschaft und wasserressourcenmanagement

6.1 Einleitung

DieindustrielleWasserwirtschaftkannnur inWechselwir-kungmitihremexternenWasserumfeldagieren.Diessindvorallemdiekommunale(Ab-)Wasserwirtschaftundnatür-liche Wasserressourcen (Grund- und Oberflächenwässer)in Form des Wasserressourcenmanagements, meist ver-treten durch Fach- und Vollzugsbehörden. In dem Maße,in dem in der kommunalen (Ab-)Wasserwirtschaft mitWasser 4.0 die Digitalisierung voranschreitet, entstehenan den Schnittstellen zwischen Kommunen und IndustrieneueAnforderungenvorallembeiderOptimierungvonIn-formationsströmen. Für Standorte, an welchen natürlicheWasserressourcen Bestandteil des industriellen Wasser-managementssind,wirddieDigitalisierungkünftigzuneh-

mende Bedeutung für die Informationsschnittstelle zumWasserressourcenmanagement, d.h. den Genehmigungs-undVollzugsbehörden imRahmenvonÜberwachungundComplianceerhalten.DieseVerknüpfungerfolgtaufeinerhorizontalenIntegrationsebene.

Notwendigkeit zur Anpassung an demographischen, strukturellen und klimatischen Wandel

DieWasser-undAbwasserwirtschaftsiehtsichvorderHe-rausforderung,ihreSystemeundAnlagenaneinenfortlau-fenden demographischen, strukturellen und klimatischenWandelanzupassen.ImmermehrVerbraucher-sowohlpri-vatalsauchindustriell-konzentrierensichindenBallungs-zentren,sodasssowohldieNachfragenachWasseralsauch

dieAbwassermengensteigen.DanebenmüssenimmerstrengereAnforderungenandieWasser-qualität erfüllt werden. Gerade in industriellenProzessenistdieVersorgungmitentsprechendaufbereitetemWasser ein entscheidender Fak-torfürdieProduktivitätundQualitätderProzes-se.IneinigenRegionenderWeltwieIndienoderLateinamerikabehindernWasserknappheitundeinenichtausreichendeWasserqualitätmittler-weile die weitere wirtschaftliche Entwicklung,sodassderSchutzunddienachhaltigeBewirt-schaftungderWasserressourcenzunehmendindenFokusderÖffentlichkeitgeraten.

Steigende Qualitätsanforderungen und flexible technische Lösungen

Die Belastungen des Grund- und Oberflä-chenwassers mit Spurenstoffen und sonstigenumweltkritischen Substanzen sowie Emissio-nen in Form zu hoher Nährstofffrachten ausder Landwirtschaft sowie Mikroplastik stellenneue Anforderungen an die Aufbereitung. Umdie Qualität unserer Wasserressourcen zu si-chern, steigen gleichzeitig die AnforderungenandieBehandlungderAbwässer–sowohlimkommunalenalsauchimindustriellenBereich.So müssen zusätzliche Behandlungsstufen indenReinigungsprozessintegriertwerdenodervorhandene Prozesse angepasst werden, umstrengere Grenzwerte zu erfüllen. Daneben

Abb.6.1:DigitaleVernetzungderindustriellenWasserwirtschaftmitderkommunalen(Ab-)WasserwirtschaftunddemWasserressourcenmanagement(APK=AutomatisierteProzesskontrolle;VPS=verteilteProzessleitsysteme;PLS=Produktionsleitsystem;URP=Unternehmensressourcenplanung)

6 DigitaleVernetzungmitkommunaler(Ab-)Wasser-wirtschaftundWasserressourcenmanagement

APK PLS VPS


APK PLS VPS


Kommunale(Ab-)Wasserwirtschaft

–Wasser 4.0&

Wasserressourcen-management



Prozessentwicklung

Demontage


Instandhaltung

Indu

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Rohwasser

HorizontaleIntegration:DigitalisierunganderSchnittstellezukommunaler

(Ab-)WasserwirtschaftundWasserressourcenmanagement

Klar-/Kühl-/Abwasser


URP


URP

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sollten Anlagenbetreiber möglichst sicherstellen, dassbeiNaturereignissenwieStarkregenoderUnwetterneineÜberflutung der Abwasseranlagen und damit verbundeneine unkontrollierte Freisetzung von belasteten Abwäs-sern weitgehend verhindert wird. Die zunehmende Fle-xibilisierungderProduktionresultiertzudeminSchwan-kungensowohlbeimBedarfnachWasseralsauchbeideranfallendenAbwassermenge,sodassdieentsprechendenVer-undEntsorgungssystemeebenfallseinegrößereFle-xibilität aufweisen müssen. Nicht zuletzt stellt auch derdemographische Wandel die Anlagenbetreiber vor dieHerausforderung,dieErfahrungunddasWissendesPer-sonalsinderAufbereitungsystematischzuerfassenundzurSchulungundAusbildungneuerMitarbeiternutzenzukönnen.

6.2 Potenziale

Bedarfsgerechte Behandlung durch integrierte Datenerfassung und -auswertung

FüreinenachhaltigeWasser-undAbwasserwirtschaftistesunverzichtbar,dasssowohlindustriellealsauchkom-munale(Ab-)Wasserströmenichtnurstrukturell,sondernauch informationstechnisch zu einer Wasser-Kreislauf-wirtschaftverknüpftwerden.AufdieseWeiselassensichin vielen Bereichen Synergien nutzen, um die Effizienzund Qualität der Wasser- und Abwasseraufbereitung zusteigern.DurcheineintegrierteÜberwachungderVersor-

gunglassensichLeckagenschnelleridentifizierensowiedieEinhaltungvonGrenzwertenundeinebedarfsgerechteBehandlungderWasser-undAbwasserströmesicherstel-len. Damit können die vorhandenen kommunalen Infra-struktureneffizientergenutztundbetriebenwerden.UmdieszuerreichensindallerdingseineengereVernetzungderunterschiedlichenOrganisationenundAnlagensowieLösungen für die Erfassung und Auswertung der DatenunterschiedlichsterSensorenundSystemenotwendig.

Durch Investitionen in die Infrastruktur lassen sich zu-demerheblicheEinsparungenrealisieren,unteranderemdurch eine flexiblere Steuerung der BetriebsparameterundPumpen.

Abb.6.2:DiehorizontaleIntegrationderindustriellenWasserwirtschaftmitderkommunalenWasserver-und-entsorgungwirdaufverschiedenenEbeneneinenwichtigenBeitragzueinemnachhaltigenWasserressourcenmanagementleisten

Abb.6.3:„FromIntegratedEngineeringtoIntegratedOperation“füreinnachhaltigesWassermanagement

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Modellbasierte Optimierungssysteme erlauben bedarfsgerechten Anlagenbetrieb bei flexiblen Rahmenbedingungen

Die digitale Verknüpfung der industriellen mit der kom-munalen(Ab-)WasserwirtschaftermöglichtüberdasEcht-zeitmonitoring von Wassermengen und -qualitäten einInformations-undFrühwarnsystemnichtnurwährenddesNormalbetriebs von Anlagen, sondern auch im Falle vonbesonderenEreignissenwieaußerordentlichenWetterer-eignissenodertoxischenStößeninderWasserinfrastruk-tur. Durch modellbasierte Optimierungssysteme könnenAnlagenbetreiber Prognosen und darauf basierendeVorschläge für die Betriebsparameter ableiten. DadurchlassensichausdengewonnenenDatenaussagekräftigeInformationengewinnen, die einen maximalen Nutzen impraktischenBetriebderAnlagenerzeugen.Solassensichdurch die Integration von Wetterdaten und Geoinforma-tionssystemen die Zufluss- und Abflussmengen bei be-stimmtenWetterlagensimulierenundmitdenBetriebspa-rameternderverschiedenenkommunalenundindustriellenAnlagenverknüpfen.DadurchkönnenzumBeispielrecht-zeitigvoreinemStarkregenereigniseinePufferkapazitätfürdie zusätzlichen Wassermengen geschaffen, gleichzeitigdieindustriellenEinleitungenreduziertunddieAbwasser-behandlungentsprechendangepasstwerden.

6.3 Anforderungen an vernetzte Systeme aus Sicht der Wasserwirtschaft

Digitales Wassermanagement als Bindeglied zwischen gesetzlichen Rahmenbedingungen für verschiedene Bereiche

Das digital unterstützte industrielleWassermanagementbildetdasBindegliedunddenPufferzwischendenAnfor-

derungen einer flexiblen Produktion (Industrie 4.0) undAnforderungen aus der Hydrosphäre und der kommuna-len (Ab-)Wasserwirtschaft. Anforderungen an die Was-serqualität innerhalbder Industrieunternehmensindab-hängigvondendortablaufendenProduktionsprozessen.AufgrunddermeistvölliganderenZusammensetzungderindustriell anfallenden Abwässer und der kommunalenAbwässerwirdhäufigeinevoneinandergetrennteAbwas-serreinigung in separaten technischen Systemen durch-geführt.DiejeweiligenEinleitgrenzwertedifferiereneben-fallsundhängensowohlbeispielsweisevondenörtlichenRahmenbedingungen als auch den Größenklassen derKläranlagenab.ImFalleeinerdigitalenVerknüpfungdesindustriellen mit dem kommunalen Wassermanagementist auf die unterschiedlichen rechtlichen Rahmenbedin-gungen einzugehen und neben den Betreibern auch dieBehördenuntersystemischenGesichtspunkteneinzubin-den. InRegionenmitauftretenderWasserknappheitent-stehen über diesen systemischen Ansatz Möglichkeiten,flexibleLösungenzufinden.

FürdieUmsetzungderobenbeschriebenenintelligentenundvernetztenSystememüssenzumeinenentsprechen-de Sensoren und Automatisierungssysteme implemen-tiert werden, zum anderen benötigen Betreiber sowohlder industriellen als auch kommunalen Abwasserreini-gungsanlagen neue Lösungen für die dynamische undbedarfsgerechte Prozesssteuerung – im besten Fall miteiner jeweils geeigneten Schnittstelle zur systemischenEinbindung.DurcheineganzheitlichePlanungundeinenvernetzten Betrieb der Anlagen lassen sich die erforder-lichenInvestitionenkostenoptimiertundeffizientumset-zen und gleichzeitig die Akzeptanz und Transparenz beiBaumaßnahmenerhöhen.

Horizontale Integration durch Vernetzung zwischen realen und virtuellen Wassersystemen

Damit diese horizontale Integration die Datenqualitätund Aussagesicherheit über verschiedene Anlagen undSystemeverbessert,müssenzudementsprechendeAuto-matisierungssystemeundleistungsfähigeWerkzeugefürdieSimulationundPrognose implementiertwerden.Vo-raussetzungdafürist,dassdieVernetzungvirtuellerundrealerWassersystemegelingt.FüreineUmsetzunginderPraxissinddabeivorallemdieDaten-undAusfallsicher-heit, durchgängige Schnittstellen sowie ServicefähigkeitdesGesamtsystemsentscheidendeKriterien.


Abb.6.4:DurchmodellbasierteOptimierungssystemekönnenAnlagenbetreiberPrognosenunddaraufbasierendeVorschlägefürdieBetriebsparameterableiten

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Notwendige Angleichung der verschiedenen Digitalisierungsformate und -grade

BeiderUmsetzungderDigitalisierungindiePraxiswird,vorrangig im kommunalen Bereich, noch gezögert. Vonden in Deutschland existierenden rund 10.000 kommu-nalenKläranlagenbedienenca.250Städtemitmehrals100.000 Einwohnern, aber über 1.500 Anlagen liegenzwischen 10.000 und 100.000 Einwohnern. InsbesonderebeidiesenmittelgroßenKläranlagenistderGradderDi-gitalisierung unterschiedlich weit fortgeschritten. DieAbwasserentsorgungund-reinigungwirdtypischerweisevon vielen kleinen und größeren Organisationseinheitenübernommen,sodasseineVielzahlunterschiedlicherLö-sungenexistiert.DieDigitalisierungmitallihrenFacettenist in der Industrie insgesamt weiter fortgeschritten alsimkommunalenBereich.DeshalbsollteeineErfahrungs-übertragung aus dem industriellen in das kommunaleWassermanagement verstärkt werden. Gemeinsam ent-wickelteLösungenfürKommunenundIndustriekönntenzur Hebung relevanter Synergiepotenziale führen. BeideSeitenwürdenhinsichtlichderMöglichkeitenzufrühzeiti-geremEingreifenbeispielsweisebeiStörfällenprofitieren.Voraussetzung dafür ist ein hohes VertrauensverhältniszwischendenPartnern.EbensorelevantistdievonBeginnanstarkeEinbindungderBehörden.

Aufgrunddermeiststandardmäßigausgeführtenkommu-nalenKläranlagentechnikundderspezifischaufgebautenindustriellen Kläranlagentechnik existiert eine stark in-homogeneLandschaftmit individuellenDigitalisierungs-konzepten. Eine Homogenisierung des GesamtsystemserfordertdamiteinenzunächsthohenPlanungsaufwand.Bei Anlagentechnik und Anlagenbau auf der einen undder Digitalisierung auf der anderen Seite treffen unter-

schiedliche Zeithorizonte für Abschreibungen als auchEntwicklungszyklen aufeinander. Daher müssen heutigeKonzeptebereitsentsprechendeSchnittstellenintegrieren,umErweiterungenundModernisierungenleichtumsetzenzukönnen.DieIntegrationneuerManagementprozessebeikommunalenKläranlageninAnlagenundStandorteverur-sachtanfangseinenvergleichsweisehohenAufwand.VieleAnlagenbetreibersteheneinerVernetzungundDigitalisie-rungdahereherskeptischgegenüber.GleichzeitigsinddieVorteile einer flexibleren und effizienteren Prozess- undAnlagensteuerung,ebensowiederNutzenaufgrundeinerengerenVerknüpfungmitdensieumgebendenindustriel-lenAnlagen,nochnichtausreichenddurchPraxisbeispielebelegt. Hier kann durch Positiv-Demonstrationsbeispiele(Referenzprojekte)eineflächendeckendeschnelleUmset-zungbeschleunigtwerden.EinweitererVorteildieserRefe-renzprojekteist,dasssichdamitderNutzenderhorizonta-lenIntegrationaussagekräftigbelegenlässt.

Kostenreduktion durch Digitalisierung

OftwerdenInvestitionskostenalsBarrierefürdieDigitali-sierung in der Wasser- und Abwasserwirtschaft genannt.DieseKostenkönnendurchdigitaleWerkzeugefürPlanung,Betrieb und Instandhaltung deutlich reduziert werden.DurcheindigitalesAbbildderAnlage,dendigitalenZwil-ling,beidemdiePlanungsdatenautomatischaktualisiertundabgeglichenwerden,verkürztsichdieZeitbiszurInbe-triebnahme,auchdieOptimierungderBetriebsparametersowiederWartungsmaßnahmenwirddeutlichvereinfacht.

Dieser digitale Zwilling kann auch dazu genutzt werden,neueBetriebsszenarienzuanalysierenundbereitsimVor-feldplanerischzuberücksichtigen.UndnichtzuletztlassensichanhanddesdigitalenAnlagenmodellsauchMitarbei-

Abb.6.5:Daten-undAusfallsicherheit,durchgängigeSchnittstellensowieIT-SicherheitdesGesamtsystemssindentscheidendeKriterienfüreinehoheAkzeptanz

Abb.6.6:DurchdieIntegrationvonPlanungundModellierunglassensichneueBetriebsszenarienanalysierenundbereitsimVorfeldplanerischberücksichtigen

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ter einfacher schulen, was zu einer besseren AkzeptanzderLösungundeinemeffizienterenAnlagenbetriebführt.Insbesondere die oben genannten neuen Schulungsan-sätzekönnteneineUmsetzungdesSystemgedankenszurdigitalenVerknüpfung der industriellen und kommunalenWasserwirtschaftaußerordentlichbeschleunigen.

Sicherheitskonzepte und Akzeptanzerhöhung

EineweitereBarrierefürhorizontaleIntegrationvonindus-triellenundkommunalenWasserwirtschaftssystemensindBedenkenbeiderNetzwerksicherheit,insbesondere,wennEntwicklungsansätze über Unternehmensgrenzen hinaus-gehen.OftmalssinddieMöglichkeitenfürdenSchutzvonAnlagen (Ansätze wie das Defense-in-Depth Konzept fürden Schutz von Industrieanlagen gegenüber unbefugtenZugriffen)nochnichtausreichendbekannt.AuchhierkanndurchentsprechendeReferenzprojekteeinehöhereAkzep-tanzfürDigitalisierungslösungenerreichtwerden.

Abb.6.7:EinehöhereAkzeptanzfürDigitalisierungslösungenistdieVoraussetzungfürzukunftsorientierteVeränderungen

6.4 Handlungsbedarf

Entwicklung und Einsatz modularer und flexibler Abwasserbehandlungstechnik

Besonders vorteilhaft wird die digitale Verknüpfung vonindustriellerWasserwirtschaftundkommunaler(Ab-)Was-serwirtschaft sein, wenn mittels modularer und flexiblerAbwasserbehandlungssystemeeinebedarfsgerechteAus-lastungderkommunalenInfrastrukturermöglichtwird.

Erleichterung der Vorhersagbarkeit und Optimierung der systemischen Reinigungsleistung durch digitale Verknüpfung

DieDigitalisierungbietetdieMöglichkeit,sowohlFrisch-undAbwasserströmealsauchProzess-TeilströmeinHin-

blick auf Quantität und chemisch/biologische Qualitätengmaschigerundzielgerichteterzuüberwachen.DurcheinedirekteRückkopplungmitderAnlagentechnikkanndann sichergestellt werden, dass Wasser und Abwasseradäquat aufbereitet werden. In der Konsequenz bietetsichhiereinstarkesEntwicklungs-undMarktpotenzialfürdieEntwicklungneuerSensortechnikundMethodenderdynamischen und bedarfsgerechten Prozesssteuerung(idealerweiseonlineundinEchtzeit).

DieseVorteilederDigitalisierunglassensichauchimZu-sammenhangmitderWiederverwendungvonAbwässernoder der Reinigung von Abwässern, die neuartige und/oder für die Umwelt schädliche Substanzen, Nährstoffeoder Wertstoffe enthalten (z.B. Spurenstoffe, Rückge-winnung seltener Metalle), nutzen. Auch weitergehendeVerknüpfungen wie z.B. die Steuerung der Kühlwasser-einleittemperatur in Abhängigkeit von Gewässerabflussund-temperaturbeisensiblenVorfluternsinddenkbar.

Effektive Digitalisierung durch Digitalisierung der Planung

BegleitendeVoraussetzung für eine effektive Digitalisie-rungdesMonitoringsundBetriebsistdieDigitalisierungderPlanung(s.Kap.5.4).DieIntegrationvonBuildingIn-formationModeling(BIM)undGeoinformationssystemen(GIS)inPlanungsprozessestehtinDeutschlandnochamAnfang, wird sich jedoch in den nächsten Jahren rapideetablieren. Durch die digitale Planung können Bau- undSanierungsmaßnahmeneffizienterundpräziserdurchge-führtundbessernachverfolgtwerden.ImBetriebbleibendie Informationen erhalten und ergeben ein genaueres,integriertesBildderSituation.WeiterhinkönnenInforma-tionenbessermitDritten,wieetwakommunalenDienst-leistern,geteiltwerden.

Entwicklung und Etablierung von Prognosetools

Daneben muss die Entwicklung von Prognosetools zumAbwasseraufkommen (Menge, Zusammensetzung, GIS,räumlich klein-/großskalig) und Auswirkungen auf dieAbwasserbehandlung (Schlammmengen) weiter voran-getrieben werden, damit sich die Wasserwirtschaft aufkommende Anforderungen (demographischer Wandel,Klimawandel-bedingte Veränderungen, unterschiedlicheZeithorizonte,industrielleEntwicklung)vorbereitenkann.Durch eine direkte Interaktion zwischen Produktion undBetriebsmitteln an Standorten bzw. in IndustrieparkskannsowohldieEffizienzderWasser-undAbwasserauf-bereitungdurchdiesystematischeBedarfskommunikati-


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onund-vormeldungalsauchdieoptimaleIntegrationdesurbanenUmfeldesunterstütztwerden.

Einführung eines unternehmens- und funktions-übergreifenden Wassermanagements

AufderEbenederProzessleittechnikundITmüssenent-sprechende Technologien und Modellierungsinstrumenteentwickeltwerden,umeinunternehmens-undfunktions-übergreifendesWassermanagementfürIndustrieundkom-munale Ver- und Entsorger zu ermöglichen (s. Kap. 5.4).Dazu gehören zum einen Standards für einen einfachenund sicheren bidirektionalen Datenaustausch zwischenunterschiedlichentechnischenSystemengenausowiedieEntwicklung kollaborativer Systeme für das Gesamtsys-temderWasserver-und-entsorgung.DieDigitalisierungüber die Schnittstellen Produktion – industrielles Was-sermanagement–Hydrosphäre/KommunenhinwegwirdnichtalskomplexesGesamtsystem,sondernalskollabo-rative Einzelsysteme realisiert werden. Diese StrategiebietetsichauchfürkomplexeSzenarienindenjeweiligenBereichenan.

DurchdieWeiterentwicklungvonAnsätzenfürdasinteg-rierteEngineeringvonWasser-undAbwasseranlagenzuLösungenfürdenintegriertenBetrieblassensichzusätz-licheEffizienzpotenzialeerschließen.

Anpassung von Ausbildungsprofilen für die grundlegende Unterstützung des Paradigmenwechsels

DainvielenUnternehmenderWasserwirtschaftaktuelleinGenerationenwechsel im Bereich der Mitarbeiter stattfin-det,mussauchsichergestelltsein,dassdieneuenTechno-logiensowohlbeiEntscheidernalsauchbeiBetriebs-undInstandhaltungsteamsakzeptiertundgenutztwerden.Da-her müssen zum einen Ausbildungsprofile erweitert undangepasst werden, zum anderen aber auch Lösungen füreine wirkungsvolle Unterstützung der Mitarbeiter entwi-ckelt und implementiert werden. Neben der ErweiterungvonSCADA15-undProzessleitsystemenstehendabeiauchneue Ansätze im Fokus, wie etwa die Unterstützung derArbeiteninderAnlagedurchVirtuelleRealitätundintelli-genteAssistenzsysteme,dieanhandumfangreicherDaten-banken und fortschrittlicher Algorithmen konkrete Hand-lungsempfehlungengebenkönnen.

Änderung etablierter Strukturen und Technologien

DieDigitalisierunginderWasserwirtschaftwirdaufprak-tischallenEbenenundFunktionsbereichendazu führen,dass etablierte Strukturen und Technologien verändertund erweitert werden. Damit diese Veränderungen vondenVerantwortlichenalsChancebegriffenwerden,müs-sennichtzuletztauchdieVerbändeundGremiendieho-

rizontale Integration der industriellenWasserwirtschaft mit dem Wasserres-sourcenmanagementundderkommuna-len (Ab-)Wasserwirtschaft aktiv beglei-ten,ummöglicheVorbehaltezuRisikenundKostenabzubauen.NurwennPlaner,AnlagenbetreiberundIndustriegemein-samdienotwendigenProjektevorantrei-ben,kanndieWasserwirtschaftvondenVorteilenderVernetzungvonProzessenprofitieren: mehr Flexibilität und Effizi-enzbeiderAufbereitung,einenochbes-sere Einhaltung von Grenzwerten undeinenachhaltigereBewirtschaftungvonnatürlichenRessourcen.

Abb.6.8:AssistenzsystemeanalysierendieDatenundgenerierendarauswertschöpfendeInformationen,diedenAnlagenbetreiberbeiderProzessoptimierungundInstandhaltungunterstützt,dieserfordertaucheineAnpassungvonAusbildungsprofilen

15SupervisoryControlandDataAcquisition

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7 perspektiven der digitalisierung

7.1 Einleitung

MitderUnterteilungindieindustrielleWasserwirtschaft,ihrerVernetzungmitderProduktion,sowiemitderkom-munalen(Ab-)WasserwirtschaftunddemWasserressour-cenmanagement werden in diesem Positionspapier diePotenziale, die Barrieren und der Handlungsbedarf derDigitalisierungaufgezeigt.

FüralledreiBereicheistdieAbstimmungderunterschied-lichen Innovations- und Implementierungsgeschwindig-keiten in den Kernbereichen Informationstechnologien,Anlagenbau,Infrastruktur,Aus-/WeiterbildungundOrga-nisationsstrukturen der Schlüssel für eine Realisierungder im folgenden skizzierten Perspektiven.WesentlicherBestandteilistdieKonzentrationaufdieBedürfnisseundMöglichkeiten der Menschen, die diese Systeme ent-wickeln,bedienenundnutzen.

DieDigitalisierunginder industriellenWasserwirtschaft,gemeinsammitder IntegrationvonProduktion,kommu-naler(Ab-)WasserwirtschaftundWasserressourcenmana-gementwirdvielfältige,positiveImpulsegeben.Siewirdden Export von Technologien, Ausrüstungen, Ingenieur-undandererDienstleistungenrundumdieWassertechnikverstärken. Gleichzeitig wird sie die Wettbewerbsfähig-keit der wassernutzenden Industrie verbessern. Insge-samtführtdieszueinerStärkungbeiderBereicheindenkompetitiven,internationalenMärkten.

Die Digitalisierung in der industriellen Wasserwirtschaftwird zu einer nachhaltigenWassernutzung und der Um-setzung der Sustainable Development Goals, besondersderZiele„CleanWaterandSanitation“(Nr.6),„Industry,Innovation and Infrastructure“ (Nr. 9) und „ResponsibleConsumptionandProduction“(Nr.12)beitragen.DarüberhinauswirdsiezukunftsfähigeundkreativeArbeitsplätzebieten.

7.2 Perspektiven in der industriellen Wasserwirtschaft

InnaherZukunftwerdeninderindustriellenWasserwirt-schaft die bereits für die Prozessindustrie entwickeltenund zukünftig zu entwickelndenTools übernommen, an-gepasstundangewandtwerden.Darüberhinauswerden

spezielle Entwicklungen für das Wassermanagement re-alisiert werden, angefangen bei der SensorentwicklungüberdiegenaueAnpassungdesAnlagenbetriebsandieErfordernisseausProduktionundEinleitbedingungenbishinzurfürdiespeziellenErfordernissemaßgeschneider-tenAuslegungundErrichtungvonNeuanlagen.

MittelfristigwerdenEntwicklungengreifen,diezwarschonbaldrealisierbarwären,derenKonsequenzenvorihrerIm-plementierung zunächst auf politischer, juristischer undgesellschaftlicher Ebene zu regeln sein werden. Hierzuzählen beispielsweise Fragestellungen in Bezug aufVer-antwortung,ArbeitsbedingungenundDatenschutz.

Schließlich werden das industrielle WassermanagementundderProzessbetriebeineEinheitbildenunddasOpti-mumausdenRandbedingungenallerbeteiligtenProzes-seerreichenundsichgegenseitigbeeinflussen.

Die Digitalisierung wird über die gesamte Lebensdauereiner Anlage wesentliche Verbesserungen in Bezug aufKosteneinsparung, Personalentlastung, Anlagenperfor-mance, Grenzwerteinhaltung und Ressourcenschonungbringen.

7.3 Perspektiven in der Interaktion mit der industriellen Produktion

Durch Umsetzung der Potenziale der Digitalisierung derindustriellen Wasserwirtschaft in der horizontalen In-tegration mit Herstellungsprozessen werden zukünftigflexible,vernetzteWasserstrukturenerzeugt.Siewerdenbetriebsinternundbetriebsübergreifendweitgehendau-tomatisiert und adaptiv auf wechselnde Anforderungenhinsichtlich Wasserqualitäten und Wasservolumenströ-men reagieren können. Just-in-time-Situationen der Pro-duktionkönnenunmittelbarvondenvernetzten,periphe-ren Anlagen der industriellen Wasserwirtschaft erfasstwerden. Durch einheitliche Formate für Datenaustauschund durchgängige Datenplattformen im Zusammenspielmit adaptiver Hardware und fortschrittlichen Sensorlö-sungen steigt zunächst unmittelbar dieTransparenz derProzessefürAkteureausderBereitstellungderBetriebs-mittel und der Produktion. Dies führt zu einem besse-ren Verständnis des Zusammenspiels unterschiedlicherGrundoperationen im Produktionsverbund und mittelbar

7 PerspektivenderDigitalisierung

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zu einer erhöhten Effizienz der vor- und nachgelagertenWasseraufbereitungs-undbehandlungsverfahren.Damitwerden kurz- und mittelfristig zunehmend bessere Um-weltstandardsbeireduziertenKostensowieerhöhterPro-duktionssicherheitund-qualitäterreicht.

Durchdie Implementierung fortschrittlicherMensch-Ma-schine-Schnittstellen, intuitiver Bedienoberflächen undaufVirtuellerRealitätbasierterSchulungsinhaltewirddievernetzteStrukturIndustriewasser 4.0fürdieBedienerinihrerKomplexitätverständlichundimbetrieblichenAlltagsteuerbar. Die Entwicklungsgeschwindigkeit der Digita-lisierungslösungen führt dazu, dass nur kontinuierlicheFortbildung des Betriebspersonals die langfristige Trag-fähigkeitdergewähltenLösungensichert.LebenslangesLernen aller Beteiligten wird zu einer Notwendigkeit imbetrieblichenAlltag.Anlagenerweiterungenund-neubau-ten werden durch das vertiefte Prozessverständnis mitHilfevonPlanungstools,dieaufdigitalenAnwendungslö-sungenbasieren,beschleunigtundnachvollziehbar.Pro-duktionundProzesswasserbehandlungwerdenalsfunkti-onelleEinheitgeplantundausgeführt.HöhereFlexibilitätderWassertechnologiewirdtendenziellzukleinerenfunk-tionellenEinheitenführen,dieinihremmodularenAufbaueinem stetigenWechsel parallel zu den Produktionspro-zessenunterworfensind.

7.4 Perspektiven in der Interaktion mit kommunaler (Ab-)Wasserwirtschaft und Wasserressourcenmanagement

Wasserressourcen schonen, Energieverbräuche optimie-ren,Wasserverlustevermeiden,ÜberflutungenverhindernsowievorausschauendeWartungundInstandhaltung-dieHerausforderungen in der industriellen und kommuna-lenWasserwirtschaftsindhoch.UndsiewerdensichmitdemTrendzurUrbanisierungundmitderEnergiewendeweiterverschärfen.IntegriertedigitaleLösungenkönneneinen großen Beitrag dazu leisten, diese AnforderungenzumeisternundeinehoheVersorgungssicherheitfüralleWassernutzerzugewährleisten.

DieintelligenteVerknüpfungvonDatenausunterschied-lichenQuellen,wiez.B.vonSensoren,Wasserverbrauch-zählern oder Wetterdaten, schafft neue Möglichkeiten,die Ressource Wasser in Industrie und im kommunalenBereich effizienter zu nutzen und somit die Nachhaltig-keit zu fördern. GrundlegendeVoraussetzung dafür: Diedurchgängige Vernetzung vom Anlagenengineering überdieInbetriebnahme,denBetrieb,dieInstandhaltungunddie laufende Optimierung der Prozesse auf Basis einer

Datenplattform. Die voranschreitende Digitalisierung inder industriellenWasserwirtschaftundderkommunalen(Ab-)Wasserwirtschaft ermöglicht darüber hinaus eineintelligenteInteraktionbeiderSektorenmiteinander.

Die Wasserwirtschaft der Zukunft arbeitet smart, ener-gieeffizientundvernetzt,auchüberdieSektorengrenzenhinaus.Vernetzte, intelligente Systeme tragen dazu bei,Energie besser zu nutzen, unnötige Wasserverluste zuvermeiden,dieNutzungnatürlicherWasserressourcenzuminimieren und die strikter werdenden Regularien nati-onal und international weiterhin sicher einzuhalten. DerSchutzdernatürlichenWasserressourcenkanndamitso-wohlnationalalsauchinternationalnachhaltigverbessertwerden.

7 perspektiven der digitalisierung

30

Anlass

Wasser ist ein entscheidender Produktionsfaktor für dieIndustrie.WährenddieDigitalisierunginderindustriellenProduktionundderProzessindustriesowohlnationalalsIndustrie 4.0 wie auch international schnell fortschrei-tet,hatderDigitalisierungsgrad inderWasserwirtschaftinFormvonWasser 4.0nochkeinvergleichbaresNiveauerreicht. Durch die enge Vernetzung mit der ProduktionistdieindustrielleWasserwirtschaftgefordert,kurzfristigDigitalisierungskonzeptezuentwickelnundumzusetzen.

AusdiesemGrundhatdieDECHEMAmitihrerengenVer-knüpfungzurProzessindustriedasThemaDigitalisierungin der industriellen Wasserwirtschaft unter dem Begriff„Industriewasser 4.0“aufgegriffenunddasvorliegendePositionspapierinitiiert.

Industriewasser 4.0

Aus Sicht einer integrierten industriellen Wasserwirt-schaft[1]verbindetIndustriewasser 4.0dieAnsätzevonIn-dustrie 4.0undWasser 4.0überdreiHandlungsfeldermitdenentsprechendenSchnittstellen:

1. DigitalisierunginderindustriellenWasserwirtschaft2. Digitale Vernetzung der industriellen Wasserwirt-

schaftmitderindustriellenProduktion3. Digitale Verknüpfung der industriellen Wasserwirt-

schaftmitderkommunalen(Ab-)WasserwirtschaftunddemWasserressourcenmanagement

BeiallendreiSektorenstehendieAbhängigkeitenunddiegegenseitige Beeinflussung untereinander auf demWegzu einer nachhaltigen, effizienten industriellen Wasser-wirtschaft bei gleichzeitiger Sicherung aller Bedarfe imVordergrund.

Digitalisierung in der industriellen Wasserwirtschaft

DieIntegrationallerHierarchieebenenbeiderIndustriellenWassertechnik,vomSensorimFeld,überdieSteuerungs-undBedienungsebene,dieManagement-undControlling-Ebene bis hin zur Modellierung und Simulation im NetzoderderClouddurchautonome,sogenannteCyber-Physi-scheProduktionssysteme(CPPS)wirdalsvertikaleIntegra-tionderindustriellenWasserwirtschaftverstanden.

DieHerausforderungderZukunftistes,dieseDigitalisie-runginderindustriellenWasserwirtschaftsozuverankern,dass die Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen zuadaptiven,mitihrerUmgebunginteragierendenSystemenwerden.Darüberhinausmüssensiesichselbstständigan-passenkönnen,umihrLeistungsniveauzuerhöhenoderflexibelundautonomaufvorhergeseheneundunvorher-geseheneEreignisseundBedingungenzureagieren,ohneihreLeistungsfähigkeitzuverringern.

Digitale Vernetzung mit der industriellen Produktion

Die industrielleWasserwirtschaft istmit ihrerWasserbe-reitstellungengmitdenAnforderungenausProduktions-prozessenverknüpft.DieDigitalisierungderindustriellenProduktionalsIndustrie 4.0unddiedamiteinhergehende,zunehmendeFlexibilisierungerforderndaherauchinderindustriellenWasserwirtschafteineerhöhteAnpassungs-fähigkeitandieSchnittstellen:derWasserbereitstellungund der Abwasserbehandlung sowie der Verknüpfungdurch Recycling und Kaskadennutzung. Diese Anpas-sungsfähigkeitandieProduktionbeinhaltetsowohleinezeitlicheKomponente(imSinnevonReaktionszeitenaufsich ändernde Randbedingungen) als auch eine Verfah-rens-undQualitätskomponente(imSinneeinerAdaptionvonReinigungsverfahrenaufwechselndeAnforderungen).

Interaktion mit kommunaler (Ab-)Wasserwirtschaft und Wasserressourcenmanagement

DasindustrielleWassermanagementkannnurinWechsel-wirkungmitseinemexternenWasserumfeldagieren.Diessindvorallemdiekommunale(Ab-)WasserwirtschaftundnatürlicheWasserressourcen(Grund-undOberflächenwäs-ser) in Form des Wasserressourcenmanagements, meistvertretendurchFach-undVollzugsbehörden.IndemMaße,indeminderkommunalen(Ab-)WasserwirtschaftmitWas-ser 4.0dieDigitalisierungvoranschreitet,entstehenandenSchnittstellen zwischen Kommunen und Industrie neueAnforderungenvorallembeiderOptimierungvonInforma-tionsströmen. Für Standorte, an welchen natürlicheWas-serressourcenBestandteildesWassermanagementssind,wird die Digitalisierung künftig zunehmende Bedeutungfür die Informationsschnittstelle zu den Genehmigungs-undVollzugsbehördenimRahmenvonÜberwachungundComplianceerhalten.

8 zusammenfassung

8 Zusammenfassung

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Ökonomisch und ökologisch optimierte industrielle Wasserwirtschaft

• SelbstlernendeSteuerungenbewältigenunvorhergeseheneZustände

• ReaktionszeitenverkürzensichdurchfrühzeitigeReaktionaufProduktionswechsel

• EchtzeitmonitoringvonWassermengenund-qualitätenermöglichtFrühwarnsysteme

Erhöhung der Wasserversorgungs- und Entsorgungssicherheit

• ModellbasierteOptimierungssystemeerlaubenbedarfsgerechtenAnlagenbetriebbeiflexiblenRahmenbedingungen

Bedarfsgerechte dynamische Fahrweise von (Ab-)Wasserbehandlungsanlagen in Abhängigkeit von Produktionsprozessen

• Online-SensorikschafftdieBasisfürVerfügbarkeitallerProzessdateninEchtzeit

• TransparenzdesAnlagenbetriebserhöhtsichdurchDatenverfügbarkeit

• DieProzesswasserbehandlungreagiertflexibelaufProduktionsänderungen

• RückkopplungzurProduktionführtzumAusschöpfendesmaximalenProduktionspotenzials

Erhöhung der Ausfallsicherheit von Betriebsmitteln und Produktionsanlagen

• SimulationsgestützteOptimierungundprädikativeZustandsüberwachungderEinzelkomponentenbishinzumIndustriellenInternetderDingeermöglichenhöhereVerfügbarkeit,LeistungundLebensdauervonAnlagen

Optimierte Planungsinstrumente und durchgängige Anlagenbegleitung über den Lebenszyklus

• InvestitionskostenlassensichdurchoptimiertesimulationsgestützteAnlagenauslegungunterNutzungumfänglicherBetriebsdatenminimieren

• VirtuelleInbetriebsetzungführtzuKosteneinsparungen

• AnlagendesignwirdanveränderteZulaufcharakteristikaeffizientangepasst

Aus- und Weiterbildung sowie Know-how Management

• EinbeziehenvonExpertenwissenerhöhtdieAnlagenleistungundunterstütztBetreiber

• DieEinarbeitungvonPersonalkanndurchModellsysteme(digitaleZwillinge)wirksamunterstütztwerden

Wirksamer Schutz aquatischer Ökosysteme

• SteigendeQualitätsanforderungenundflexibletechnischeLösungenerhöhenweiterdenSchutzvonGrund-undOberflächenwasser

Beitrag zu Ressourceneffizienz, Kreislaufwirtschaft und Green Economy

• Wasserwirtschaftpasstsichdemographischem,strukturellemundklimatischemWandelan

8.1 Potenziale

DieDigitalisierunginderindustriellenWasserwirtschaftermöglichtdieNutzungvielfältigerPotenziale.Siereichenvonökonomischen,ökologischenundgesellschaftlichenAspektenüberVersorgungs-undProduktionssicherheitbishinzuKreislaufwirtschaftundGreenEconomy.

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Erweiterte Verarbeitung und Nutzung von Messdaten

• UnterschiedlicheDigitalisierungsformateund-gradeverhinderndieNutzungvonMessdateninModellen

Modellierung und Simulation als Prognose- und Steuerungsinstrumente

• Modellierungs-undSimulationswerkzeugesindalsPrognose-undSteuerungsinstrumentenichtausreichendakzeptiert

• UnzureichendeNetzwerkssicherheitbewirktmangelndeAkzeptanz

Digitalisierung bestehender Wasserbehandlungsanlagen

• Datensindnichtharmonisiertundstehenz.T.nichtdigitalzurVerfügung

• Investitionensindkurzfristignichtwirtschaftlichundkomplex

• NachweisderKostenreduktiondurchDigitalisierungistaufwändig

Interoperable Schnittstellen und Informationsmodelle mit der Digitalisierung in der industriellen Produktion

• Simulations-undModellierungswerkzeugesindwederdurchgängigverfügbarnochintegriert

• OrganisationseinheitenimUnternehmenwerdenabhängigervoneinander

• KomplexitätderentstehendenSystemeführtzulangenAnlaufzeiten,verbundenmiterheblichenInvestitions-undPersonalkosten

Schnittstellen mit der Digitalisierung in der kommunalen (Ab-)Wasserwirtschaft und dem Wasserressourcenmanagement

• Integrationmitderkommunalen(Ab-)WasserwirtschafterforderteineVernetzungzwischenrealenundvirtuellenWassersystemen

• UnterschiedebeiEntwicklungsstandund-geschwindigkeitimindustriellenundimkommunalenBereichsowieimWasserressourcenmanagement

Sicherheit Cyber-Physischer Produktionssysteme (CPPS)

• Daten-undIT-Sicherheitsindlückenhaft

• UnzureichendeRahmenbedingenfürInformationsaustauschzwischenCPPSderProduktionundindustriellenWasserwirtschaft

Rechtliche und Haftungsfragen an Schnittstellen bei zunehmender Vernetzung

• NeuauftretenderechtlicheFragestellungensindnochungeklärt

• EinleitgrenzwertefürkommunalesundindustriellesAbwassersinduneinheitlich

Organisationstrukturen, Kommunikation, Aus- und Weiterbildung

• EineeindeutigeDefinitiondesIntegrations-/Optimierungszielsistaufwändig

• Personal,betrieblicheOrganisationsformenundVerantwortlichkeitsstrukturensindnichtaneinedigitaleUmweltangepasst

• DieAnforderungenanBedienpersonalundOrganisationsstruktursteigeninBezugaufFlexibilität,LernbereitschaftundVerständnisdesGesamtprozesses

8.2 Barrieren

UmdiePotenzialederDigitalisierunginderindustriellenWasserwirtschafterschließenzukönnen,müssendieentspre-chendenBarrierenundHerausforderungenidentifiziertundnachfolgendabgebautoderzumindestgezieltreduziertwer-den.SieberührenalleFelderimKontextderDigitalisierung,vondentechnisch-wirtschaftlichenbiszudensozialen,recht-lichenundbeschäftigungspolitischenAspekten.

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Digitalisierung des Betriebs

• DigitalisierungderPlanungundInbetriebnahmezurReduzierungderInvestitionskosten

• NutzungvonDataMiningfürbessereundvorhersehbareInstandsetzung

• BetrieblicheundüberbetrieblicheAbläufesindzueinemdurchgängigenundfachdisziplinübergreifendenSystemzuentwickeln

• ModulareundflexibleAbwasserbehandlungstechnikistzurbedarfsgerechtenAuslastungderAnlagenkapazitätenzuentwickeln

• SchnellereundeffizientereProzessabläufeerforderndieEtablierungdesIndustriellenInternetderDinge(IndustrialInternetofThings)inderindustriellenWasserwirtschaft

Neu- und Weiterentwicklung der Sensortechnik

• SensorentwicklungenermöglicheneinebessereErfassungkomplexerZuständeundProzesse

• EntwicklungvonSensoren,DatenerfassungundMaschinellesLernenbildendieGrundlagefürprädiktiveAussageninEchtzeit

Funktionsübergreifende Modellierung und Steuerung

• DigitaleVerknüpfungerleichtertdieVorhersagbarkeitundOptimierungdersystemischenLeistungvon(Ab-)WasserbehandlungsanlagenunddesWasserressourcenmanagements

• PrognosetoolszumAbwasseraufkommensteigerndieEffizienzundInteraktion

• DynamischeFahrweiseerhöhtdieEffizienzvon(Ab-)Wasserbehandlungsanlagen

• Modellierungsinstrumenteführenzueinemunternehmens-undfunktionsübergreifendenWassermanagement

Personalentwicklung und -unterstützung

• VirtuelleRealitätDarstellungenundintuitiveMensch-Maschinen-SchnittstellenerleichterndieBedienbarkeit

• Plug-and-Work-LösungenverminderndenIntegrationsaufwand

• AnpassungvonAus-undWeiterbildungsprofilenunterstützengrundlegenddenParadigmenwechselzuIndustriewasser 4.0

• EineÄnderungetablierterStrukturenisthierfürerforderlich

Klärung rechtlicher Fragestellungen

• DurchdieDigitalisierunggeänderteRahmenbedingungenerfordernrechtlicheRegelungen

Demonstration

• RealisierungvonDemonstrationsstandorten(Referenzprojekte)fürdieHandlungsfelderindustrielleWassertechnik–industrielleProduktion–kommunale(Ab-)Wasserwirtschaft/Wasserressourcenmanagement

8.3 Handlungsbedarf

AufBasisderPotenzialeundBarrierenwurdederForschungs-undEntwicklungsbedarffürdieDigitalisierunginderindus-triellenWasserwirtschaftidentifiziert.DieserumfasstsowohltechnischeBereichealsauchdiePersonalentwicklungundrechtlicheAufgabenstellungen.

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8 zusammenfassung

8.4 Perspektiven

In der industriellen Wasserwirtschaft werden für die In-dustrieentwickelteundkünftigeToolsderDigitalisierungübernommen, weiterentwickelt und angewandt werden.DarüberhinauswerdenspezielleLösungen fürdas inte-grierteindustrielleWassermanagementrealisiertwerden.

Durch die horizontale Integration der industriellen Was-serwirtschaftmitderindustriellenProduktionwerdenzu-künftigflexible,vernetzteWassermanagementstrukturenerzeugt.WichtigerBestandteilwirddabeieindynamischarbeitendesintegriertesWassermanagementsein.

Die steigende Vernetzung von industrieller Wasserwirt-schaft, kommunaler (Ab-)Wasserwirtschaft und Wasser-ressourcenmanagement wird eine hohe Versorgungssi-cherheitfüralleWassernutzer,gewährleisten.Gleichzeitigwirdsie,besondersbeikompetitivenNutzungsszenarien,den nachhaltigen Umgang mit natürlichen Wasserres-sourcenweiterstärken.

Die Gestaltung und Implementierung der Digitalisierungin Form des Industriewasser 4.0 Ansatzes wird darüberhinaus vielfältige, positive Impulse geben. Sie wird denExport von Technologien, Ausrüstungen, Ingenieur- undanderenDienstleistungenrundumdieWassertechnikstei-gern. Gleichzeitig bietet sie integrierte Lösungen, welchedie Wettbewerbsfähigkeit der wassernutzenden Industriedurch steigende Wassereffizienz und Produktionssicher-heit verbessern. Insgesamt führt Industriewasser 4.0 zueinerStärkungbeiderSektoren-nationalundindenkom-petitiven,internationalenMärkten.

ÜberdenIndustriewasser 4.0AnsatzwirddieDigitalisie-rung in der industriellenWasserwirtschaft insgesamt zueiner nachhaltigen Wassernutzung und der UmsetzungderSustainableDevelopmentGoals,besondersderZiele„CleanWaterandSanitation“(Nr.6), „Industry, Innovati-on and Infrastructure“ (Nr.9)und„Responsible Consump-tion and Production“(Nr.12)beitragen.

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impressum

IMPRESSUM

AutorenDr. Angela Ante SMSgroupGmbH,Hilchenbach

Dr. Helmut Bennemann BayerAG,Bergkamen

Dr.-Ing. Christoph Blöcher CovestroDeutschlandAG,Leverkusen

Prof. Dr.-Ing. Markus Engelhart TechnischeUniversitätDarmstadt

Dr.-Ing. Bernd Fitzke Wehrle-UmweltGmbH,Emmendingen

Prof. Dr.-Ing. Sven-Uwe Geißen TechnischeUniversitätBerlin

Prof. Dr. Manfred Hauswirth Fraunhofer-InstitutfürOffeneKommunikationssystemeFOKUS,Berlin

Dr.-Ing. Matthias Kozariszczuk VDEh-BetriebsforschungsinstitutGmbH,Düsseldorf

Dr.-Ing. Johannes Leonhäuser BayerAG,Dormagen

Dr.-Ing. Elmar Rother EvonikIndustriesAG,Hanau

Dr.-Ing. Gerd Sagawe EnviroChemieGmbH,Roßdorf

Dr.-Ing. Ursula Schließmann Fraunhofer-InstitutfürGrenzflächen-undBioverfahrenstechnikIGB,Stuttgart

Dr. Thomas Track DECHEMAe.V.,FrankfurtamMain

Dr.-Ing. Alexander Willner Fraunhofer-InstitutfürOffeneKommunikationssystemeFOKUS,Berlin

Dipl.-Ing. Christian Ziemer SiemensAG,Nürnberg

Herausgeber

GesellschaftfürChemischeTechnikundBiotechnologiee.V.Theodor-Heuss-Allee2560486FrankfurtamMainTel.: +49697564-0Fax: 49697564-201E-Mail: [email protected]

Verantwortlich im Sinne des PresserechtsDECHEMAe.V.Dr.ThomasTrackTheodor-Heuss-Allee2560486FrankfurtamMain

Gestaltung/SatzPM-GrafikDesignPeterMück,Wächtersbach

ErschienenimMai2018

ISBN:978-3-89746-210-6

Bildnachweise©BildcollageTitelseite:Bildteilev.l.©red150770-stock.adobe.com;©navintar-stock.adobe.com©EnviroChemieGmbH:Abb.4.8,Abb.5.4©SiemensAG:Abb.4.6,Abb.4.7,Abb.5.2,Abb.6.2,Abb.6.3,Abb.6.4,Abb.6.5,Abb.6.6,Abb.6.7,Abb.6.8©SMSgroup:Abb.4.2,Abb.4.3,Abb.4.4,Abb.4.5(angepasst)©TUBerlin:Abb.5.3

DECHEMAGesellschaftfürChemischeTechnikundBiotechnologiee.V.Theodor-HeussAllee2560486FrankfurtamMain

Telefon: 0697564-0Telefax: 0697564-117E-Mail: [email protected]

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