Entwicklung eines Prototypen für eine modulare Steuerung eines Systems für die dezentrale Reinigung von Abwasser (Pro-Was)

1.Vorbemerkungen, Angebotsumfang
Die Fa. ECOGLOBE GmbH, ein Spin-Off der Humboldt Universität, hat ein neuartiges Verfahren zur biologischen Reinigung für kommunale Abwässer entwickelt.
Der neuartige Anlagentyp, das sogenannte waterbase-System, dient der Reinigung und Wiederverwendung des Abwassers von Einzel- und Mehrfamilienhäusern, Hotels, Gaststätten, Hausgruppen oder kleinen Ortschaften.
Die Technologie baut verfahrenstechnisch auf der bewährten Bodenfilter-Technologie auf, stellt diese jedoch in einer neuartigen modularen Bauform zur Verfügung. Standardisierte Filtermodule werden über ein Stecksystem vor Ort zu baulichen Einheiten zusammengesetzt und mit dem Filtermaterial befüllt.
Die zusammengesetzten Filtermodule bilden eine Tragfähigkeit und Wasserdichtigkeit aus, die einen dauerhaften Erdeinbau zulassen.
Die Anlage lässt sich unterirdisch betreiben und ermöglicht es Haushalten mit geringem Flächenangebot, von den Vorzügen naturnaher Technologien zu profitieren.
Die bereits durchgeführte Machbarkeitsstudie endet mit einem Ausführungsvorschlag, der die Konzeption einer Hardwarelösung beinhaltet, um mit Hilfe modularer industrietauglicher speicherprogrammierbarer Steuerungen einen Bioreaktor zu regeln, wesentliche Parameter zu speichern und internetbasiert Eingriffe in den Betrieb sowie Optimierungen und Wartungsaufgaben durchzuführen.
2.Lösungsansatz – Methode zur Bewerkstelligung der Aufgabenstellung
Basierend auf der bereits durchgeführten Machbarkeitsstudie, welche die prinzipielle Machbarkeit eines modularen Steuerungskonzepts gezeigt hat, sollte in einem zweiten Schritt ein funktionsfähiger Prototyp entwickelt werden.
Die in diesem Projekt verfolgte Methode beschreibt einen Lösungsansatz für die Steuerung einer dezentralen Abwasserreinigung in Smart Cities. Der Einsatz UML-basierter Modellierungsverfahren für eine Hard- und Software ermöglicht ein prozess- und plattformunabhängiges Vorgehen bei der Konzeptionierung von dezentralen Aufbereitungsanlagen. Dies beinhaltet sowohl die Entwicklung möglicher Use-Cases und eine weitreichende Betrachtung infrage kommender Miss-Use-Cases als auch eine Konzipierung sequenzieller Prozessabläufe und eine Spezifikation notwendiger Steuerungskomponenten. Hieraus resultieren verschiedene Anforderungen an eine Steuerungshardware und –Software (Anlagenüberwachung, Kommunikation, Lebensdauer von Komponenten).
Mit Hilfe eines modularen Engineerings müssen verschiedene Anlagengrößen ohne einen bedeutenden zusätzlichen Entwicklungsaufwand realisiert und skaliert werden können. Auch in Bezug auf die Prozesssteuerung ist eine modulare Regel- und Steuerstrategie für eine flexible Anpassung des Systemverhaltens auf sich ändernde äußere Einflüsse von großer Bedeutung. So muss eine Anlage beispielsweise in der Lage sein, unterschiedliche Abwasservolumina zu erkennen und darauf mit einer Regulierung der Arbeitsleistung zu reagieren.
Hierzu ist eine bedarfsorientierte Nutzung der Energieversorgung denkbar, bei der ein Wechsel zwischen einem öffentlichen Netzanschluss und einer alternativen Energieversorgung realisiert wird. Zur Sicherung einer serviceorientierten Softwarelösung ermöglichen Benutzerschnittstellen sowohl einen Einblick in das Systemverhalten als auch dessen Beeinflussung. Dies gilt insbesondere für einen Fernzugriff auf eine Anlage. Da ein direkter Zugang zur Anlagensteuerung unter Umständen nicht immer gegeben ist, sorgen Sensoren für eine Anlagenüberwachung und garantieren, dass Systemfehler erkannt und kommuniziert werden.
Die Bedienung der Anlage erfolgt zum einen über ein Handbedienelement, an dem sich der Anlagenhauptschalter, eine Not-Aus-Schalter, ein Not-Aus-Rücksetzschalter,
ein Ethernet-Anschluss und drei LEDs zur Anzeige der Systemstatus befinden. Ein direkter händischer Eingriff in den Prozess ist nicht vorgesehen.
Für die Steuerung können drei Betriebsmodi differenziert werden:
1. Automatikbetreib
2. Handbetrieb
3. Softwareupdate und Konfiguration
Im Automatikbetrieb arbeitet die Anlage zeitgesteuert. Die einzelnen Filter werden nacheinander aus dem Beschickungsspeicher mit Brauchwasser gefüllt.
Eine Auswahl zu beschickender Filtermodule, sowie die Vorgabe der Beschickungsreihenfolge können vom Benutzer vorab und während des Betriebs vorgenommen werden.
Die Anlage wird durchgängig mit Hilfe der Sensoren überwacht. Prinzipiell ist es sinnvoll die Ablaufsteuerung anhand der Füllstandänderung im Technikschacht vorzunehmen. So wird erst dann das nächste Filtermodul beschickt, wenn sich der Füllstand im Technikschacht nicht mehr ändert, was bedeutet, dass der Filtervorgang abgeschlossen ist
Die Einhaltung entsprechender Normen und Vorschriften ist von der entsprechenden Fachfirma zu bestätigen Die für die Steuerung benötigte CE-Kennzeichnung sowie etwaige für den Export in den arabischen Raum notwendige Erklärungen, Zollunterlagen und Bescheinigungen sind von der Fachfirma zu erbringen
3.Anforderungen an die Steuerung:
Die Steuerung wird seitens des Auftraggebers beigestellt und ist nicht Gegenstand dieses Auftrags.
Anforderungen an die Messleitungen und Signale:
Sensoren und Aktoren werden seitens des Auftraggebers beigestellt und ist nicht Gegenstand dieses Auftrags.
4.Anforderungen an das Automatisierungsgerät:
Anforderungen an das Automatisierungsgerät (SPS, Industrie-PC):
1.Zentralprozessor, Befehlsverarbeitung 32 Bit wortweise, Hauptspeicher (RAM) und Festwertspeicher (EPROM),
2.Für Steuern, Regeln, Rechnen, Kommunizieren, Bedienen, Beobachten Sicherung der Prozessdaten mit Paritäts- und Fehlerprüfung bei jedem Speicherzugriff; mit Fehlermeldung bei Störungen
3.Gesonderte Stromversorgungsgruppe für die Speicher in dem Automatisierungsgerät, jeweils mit Batteriepufferung oder Speicherkarte (Flash-Card)
4.Automatischer Wiederanlauf nach einem Spannungsausfall sowie Einlesen der aktuellen Programme
5.Hard- und Software müssen ausfallsicher gewählt werden. Insbesondere ist eine für den industriellen Einsatz geeignete Hardware zu wählen.
6.Modular Aufbau der Automatisierungsgeräte in standardisierter Gerätetechnik für einfache Montage und Anschlusstechnik.
5.Anforderungen an die Programmierung:
Beschreibung des Algorithmus zur Erfassung von Fließstörungen bei mehreren korrespondierenden Systemen:
Der Steueralgorithmus hat zum Ziel, eine Fließstörung, die durch eine Verstopfung in einem Filterbehälter verursacht wird, zu erkennen.
In der Anlage existieren mehrere Filterbehälter, die hydraulisch parallel geschaltet sind. Jeder Filterbehälter hat ein eigenes Zulaufventil. Alle Zulaufventile münden in einem gemeinsamen Zulaufbehälter für das Schmutzwasser und werden separat angesteuert. Bei geöffnetem Ventil erfolgt der Zulauf im Freigefälle.
Dadurch bestimmt sich die Durchflussmenge in einen Filterbehälter im Wesentlichen aus dem Wasserpegel im Zulaufspeicher sowie der Öffnungsdauer des Zulaufventils. Beides wird gemessen.
In den Filterbehältern versickert das Wasser nach einem typischen Zeitverlauf und fließt in einen für alle Filterbehälter gemeinsamen Auffangbehälter.
Im Auffangbehälter wird der Pegeländerung gemessen. Der Steueralgorithmus stellt sicher, dass die Filterbehälter immer nur einzeln mit Wasser befüllt werden und anschließend eine Wartezeit eingehalten wird.
Die zeitliche Pegeländerung im Auffangbehälter kann dadurch einem konkreten Filterbehälter zugeordnet werden.
Sie wird mit den vergangenen Messreihen der Pegeländerung für diesen Filterbehälter verglichen. Nimmt die Dauer des Versickerungsvorgangs eines Filterbehälters zu, dann ist das ein Indikator für Verstopfung (Kolmation) innerhalb des Filterbehälters.

Projektlaufzeit

1.10.2015 - 31.12.2015

Projektleitung

Kooperationspartner

  • Fa. Ecoglobe GmbH, Berlin

Mittelgeber

Investitionsbank Berlin (IBB)

Förderprogramme

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