Vernetzung in der Wasserwirtschaft Besser und schneller kommunizieren

Durch die kommunikative Ankopplung der Feldgeräte an die Leitwarte hat sich die Instandhaltungs-Strategie der wasserwirtschaftlichen Betriebe gewandelt. Da die Mitarbeiter aus der Ferne auf die Außenstationen zugreifen können, verringern sich die Rufdiensteinsätze. Außerdem ist weniger Personal in der Werkstatt nötig. Und schließlich ist es möglich, ein Energiemanagement-Systems einzuführen, das die Betriebskosten senkt. Jede der genannten Aktivitäten erfordert eine Vielzahl an Informationen über den Zustand und die Fahrweise der Anlage, um Einsparpotentiale zu erkennen und für eine hohe Verfügbarkeit zu sorgen. Bislang sind die Antriebe und Messgeräte meist über Feldbussysteme wie Modbus, Profibus oder herstellerspezifische Protokolle an die Leitwarte angebunden worden. Dort werden jedoch oftmals Übertragungstechniken auf der Grundlage von Ethernet verwendet, wobei Profinet in der Automatisierung am weitesten verbreitet ist.

Bei Profinet handelt es sich um einen Ethernet-basierten Standard, der Funktionen nutzt, die vielen Anwendern aus der Bürokommunikation oder dem Internet bekannt sind. In wasserwirtschaftlichen Betrieben werden heute also in der Regel mindestens zwei unterschiedliche Verkabelungen und Protokolle eingesetzt, um Feldgeräte aus der Leitwarte zu bedienen und zu überwachen. Als Beispiel sei eine drehzahlgeregelte Pumpe angeführt, die aus Sicht des Motors zunächst an einen Frequenzumrichter angeschlossen ist. Der Frequenzumrichter muss wiederum in das Automatisierungsnetzwerk eingebunden werden. Zu diesem Zweck wird häufig das etablierte Feldbussystem Profibus DP verwendet. Anschließend koppelt der Anwender das Automatisierungsnetzwerk über ein Ethernet-Protokoll an die Leittechnik an.

Umfangreiches Know-how ist notwendig

Für jede der aufgeführten Übertragungslösungen ist die entsprechende Technik einzulagern, beispielsweise eine Profibus-Leitung sowie einen Profibus-Master, der die Eingangsinformationen der Pumpe zyklisch einliest und die Ausgangsinformationen zyklisch an sie zurückschreibt. Ferner sind im Steuerungsprogramm alle Daten, die vom Frequenzumrichter kommen oder an ihn gesendet werden sollen – beispielsweise eine Drehzahländerung – von Profibus auf Ethernet umzusetzen oder umgekehrt. Oberhalb der Automatisierungstechnik werden Ethernet-Kabel und Switches zum Datenaustausch mit dem Leitrechner genutzt.

Um die geschilderte Kommunikationslösung in Betrieb zu nehmen, benötigen die Mitarbeiter somit umfangreiches Know-how hinsichtlich der verschiedenen Bussysteme und der zugehörigen Hardware. Diese vielschichtigen Anforderungen haben dazu geführt, dass zahlreiche Betreiber die aktuellen Übertragungsstandards nicht einsetzen und weiterhin klassisch verdrahten. Folglich können sie nicht von den Vorteilen eines modernen Frequenzumrichters profitieren. Hierzu gehören zum Beispiel die Energiemessung als Grundlage für ein Energiemanagement oder Statusinformationen für die Instandhaltung, die deutlich über eine Sammelstörung hinausgehen. Die Möglichkeiten der Fernparametrierung und -diagnose lassen sich ebenfalls nicht nutzen.

Profinet-Schnittstellen nehmen zu

Das Profinet-Protokoll bietet sich hier als Standard für den Datenaustausch vom Feldgerät bis zum Leitrechner an. Aufgrund seiner Durchgängigkeit reduziert sich der Bedarf an Hardware und Know-how. Daher haben andere industrielle Bereiche wie die Automobilindustrie das Protokoll innerhalb kurzer Zeit in ihre Maschinen und Anlagen integriert. Dieser Trend kommt erst in den letzten beiden Jahren in der Wasserwirtschaft an. Das liegt unter anderem daran, dass bislang nur wenige branchenspezifische Feldgeräte mit Profinet-Schnittstelle erhältlich waren, zum Beispiel die Frequenzumrichter von Danfoss.

Seit einiger Zeit ändert sich die Situation nun grundlegend. Im Rahmen der Messe IFAT 2016 wurde beispielsweise auf dem Stand von Krohne Messtechnik das Modell eines Profinet-Pumpwerks vorgestellt. In der Applikation zeigen Unternehmen wie Auma, Danfoss, Krohne, Phoenix Contact und VAG Armaturen, dass man ein Pumpwerk komplett auf Basis von Profinet realisieren und betreiben kann. So lassen sich im Modell alle beschriebenen Aspekte wie der Fernzugriff auf die Anlage, eine sichere Mobilfunk-Verbindung für den Rufdienst und den Anlagenbetrieb, erweiterte Diagnoseinformationen sowie die Messung der vom Antrieb aufgenommenen Energie über den Frequenzumrichter umsetzen. In der Praxis können also Klappen und Schieber mit den Profinet-basierten Auma-Antrieben gesteuert und geregelt werden. Gleiches gilt für Pumpen mit Frequenzumrichtern von Danfoss. Zudem erhält der Anwender aus einem Messgerät von Krohne die Durchflussmenge via Profinet als Regelgröße.

Einfach in das Leitsystem einbinden

Derzeit vergrößert sich die Anzahl der Hersteller, die Feldgeräte mit Profinet-Schnittstelle zur Verfügung stellen. Als Bindeglied zwischen den Feldgeräten und der Leittechnik fungieren zum Beispiel Profinet-Steuerungen von Phoenix Contact. Dem Wunsch, dass sich die SPS einfach projektieren lassen sollen, wird mit Waterworx als herstelleroffenem und durchgängigem Leitsystem für die Wasserwirtschaft Rechnung getragen. Mit dem Tool lassen sich beispielsweise Frequenzumrichter von Danfoss per Drag&Drop in die Leittechnik einbinden.

Welche Vorteile ergeben sich nun für einen Betreiber, wenn er sein Pumpwerk oder eine einzelne Pumpe mit Profinet automatisiert? Die systemische Durchgängigkeit führt bei der Inbetriebnahme von Neu- und Umbauten dazu, dass sich der Engineering-Aufwand aufgrund der einfachen Integration der Feldgeräte verringert. Außerdem reduzieren sich die Inbetriebnahme- und Stillstandzeiten. Im Bereich der Lifecycle-Kosten ist zwischen den Aufwendungen für die Instandhaltung und den Störungsdienst zu unterscheiden. Im Rahmen der Instandhaltung punktet der Profinet-Standard dadurch, dass er die Personalkosten für die Pflege und Wartung senkt. Dies liegt an der optimierten Diagnose, die das Leitsystem jetzt bietet. Die Mitarbeiter können ihre Instandsetzungsarbeiten somit besser planen und sofort die richtigen Ersatzteile und Werkzeuge mitführen, was den Fahraufwand zu den Außenbauwerken reduziert. Darüber hinaus wird eine zustandsbasierte Instandhaltung unterstützt. Sofern die Antriebe und Messgeräte bedarfsgerecht und nicht nach Service-Plan gewartet werden, fallen bei oftmals längerer Lebensdauer geringere Kosten an. Ferner sinken die Stillstandzeiten, die vorkommen, wenn eine Störung beseitigt werden muss.

Geräteinformationen vielfältig nutzen

Ein einheitliches System vermindert außerdem den Schulungsaufwand, denn die Mitarbeiter müssen nun nicht mehr verschiedene Technologien mit der zugehörigen Hard- und Software beherrschen. Legt sich der wasserwirtschaftliche Betrieb auf den Profinet-Standard fest, verringert sich der Bedarf an spezifischen Geräten – wie dem Master für das Feldbussystem – und damit die Lagerhaltungskosten. Nicht zu vergessen, dass der Anwender die zusätzlichen Informationen nutzen kann, die der Hersteller bereits in sein Gerät implementiert hat. Dazu zählt zum Beispiel die direkte Weiterleitung des Energieverbrauchs der Pumpe durch den Frequenzumrichter, der jetzt nicht mehr separat erfasst werden muss. Es spricht also vieles dafür, die bisherige Vernetzungsstrategie zu überdenken und auf eine Profinet-basierte Lösung umzusteigen.