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Digitalisierung – wie können Betriebe der Wasserwirtschaft davon profitieren?Dr. Frank Obenaus - Emschergenossenschaft/LippeverbandGöttingen, 19.02.2019
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Motivation
• insgesamt ein hoher Reinvestitionsbedarf in der wasser-wirtschaftlichen Infrastruktur
• Stand der Anlagentechnik entspricht i. w. dem der letzten großen Investitionsprogramme aus den 90er Jahren
• tatsächliche Nutzungsdauer von Prozessleitsystemen / der damit verbundenen Automatisierungstechnik 10 - 15 Jahre oder darüber
• Chance zur signifikanten Erhöhung des technischen Standards• Digitalisierung findet in der Wasserwirtschaft seit langem statt – erhält aufgrund
neuer Technologien starke zusätzliche Impulse• Aktive Rahmensetzung und Befassung mit dem Thema erforderlich• Chancen sind erheblich – sachgerechter Umgang mit Risiken aber
ebenfalls geboten
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Veränderungstempo steigt
5G (ab 2020)-Kapazitäten bis 10 Gb/s
- Latenz < 1 ms
-Niedriger Stromverbrauch
- Lebensdauer einer M2M-
Batterie bis 10 Jahre
- kostengünstige
mobile Anbindung
-Vernetzung wird noch
einfacher
Motivation
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Verbesserung der Planbarkeit
Erweiterung desLeistungsportfolios
Unterstützung der operativenMitarbeiter
StandardisierungZeitaufwand für Serviceleistung
Qualität
Ziele der weitergehenden Digitalisierung
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Gegenstand der Betrachtung
• Leit- und Automatisierungstechnik der der Betriebsanlagenð Sensorenð Aktoren (Antriebe/Stellantriebe/Pumpen….)ð Prozessleitsysteme ð Verfahrensführung (übergeordnet)ð Datenvisualisierung und -auswertungð Anlagenfernzugriffð Videosysteme
• Arbeitsprozesse (Anlage)ð Betriebsführung / Prozessüberwachungð Instandhaltung
• Arbeitsprozesse (Overhead/Verwaltung)ð Planung / Dokumentationð …
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Digitalisierung
• Daten- und Bild- und Statusanalysen für Aggregate / Sensoren / Anlagen und ihre Prozesse mittels KI / Maschinenlernverfahren
• Datenvisualisierung• Cloudbasierte Serviceangebote: Auslösung von
Wartungen und Ersatzteilbestellungen• Miniaturisierung von Sensoren• Vernetzung von Aggregaten – Sensoren – Anlagen• Virtualisierung / Zentralisierung von PLS / vPLS• Digitale Zwillinge von Aggregaten und ganzen Anlagen
ð Einsatz von Modellen im Anlagenbetrieb• Virtual / Augmented Reality• Verbindung von Betrieb und Assetmanagement
Handlungsoptionen
Vernetzung, zentrales Engineering
Standardisierung
Informationstransparenz
Technische Assistenz
Dezentrale Entscheidungsautonomie
Individuelle Lösungen/Arbeitsplätze
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Ca. 800 BetriebsanlagenStörmeldungen an die drei übergeordneten Ebenen
37 EinzugsgebietszentralenSchwerpunkte der Mitarbeiterstationierung im Anlagenbetrieb / Archivierung,
Visualisierung und Protokollierung sämtlicher Störungen und Betriebsmeldungen
5 BezirkszentralenIn der Regel nicht besetzt / Im Einsatzfall Funktion als betriebliche
Hochwasserzentralen / Backupsysteme für die BÜZ BZ / BÜZ haben identischen Meldeumfang
BetriebsüberwachungszentraleStörmeldungen mit Priorität 1
7
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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8
• Ca. 500 Betriebsanlagen mit eigenem PLS bzw. Panellösung
• Hoher Wartungs- und Pflegeaufwand / ungewollte Firmenbindung durch individuelle Programmierung / Abhängigkeit von Spezialwissen durch teilweise fehlende Standardisierung
• Hoher Aufwand zur Erfüllung der IT-Sicherheitsanforderungen (BSI)
• Fehleranfälligkeit aufgrund der komplexen Workflows und der nicht standardisierten Programmierung in SPS‘en und PLS vor Ort
• Aufwendige Dokumentation bei Änderung, Anpassung und Erweiterung
• Aufwendige Systembetreuung und -pflege bei Fernzugriffen (eigenes und Fremdpersonal) und Updates
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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22.94
• Virtualisierung entkoppelt Hard- von Software• Zentrale Leitsystem-Server Struktur in Rechenzentrum• Entkopplung unterschiedlicher Lebenszyklen von Rechner-Hardware, Betriebssystem
und PLS-Versionen• Zentrale Überwachung und Administration der gesamten Systemumgebung
Virtualisierung von PLSDigitalisierung
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BÜZ BottropZugriff auf Gesamt-vPLS 24x7(nur lesend)
Schwerpunkte KLA Dülmen / Stadtentwässerung HammZugriff auf vPLS(lesend / schreibend)
Schwerpunkt xx….Zugriff auf vPLS(lesend / schreibend)
Mobile DevicesZugriff auf vPLSnach Zuständigkeit und Betriebsbereich(lesend / schreibend)
PWK/SKO Hamm
KLA Reken Maria Veen
Anlagen
Rechenzentrum HV-Essen
vPLS/PCS7
Terminal
Steuerung/Meldungsquittierung Anlageninformation
Rechenzentrum Bottrop
vPLS/PCS7
Weitere Anlagen / Reinvestitionsprojekte
Virtualisierung von PLSDigitalisierung
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OS-Ebene
AS-Ebene
Feldebene
ES ES
Netz-management
ES ES
4 – 20 mA OderProfibus / Profinet
SPS-Ebene-NTES
SPS-Ebene-BetriebES
4 – 20 mA
Archivierung
Redundanz Redundan
z
ES
DerzeitZukünftig
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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+ Erhöhung der betrieblichen Flexibilität durch Standardisierung + Zentrale Administration (Patch-/Update-Management) der PL-Systeme / schnellere
Reaktionszeit bei akuten IT-Bedrohungslagen / durchgängige Standardisierung+ Effiziente Ausnutzung von Hard- und Softwarekomponenten+ Reduzierte Hardwarekosten (- 20%)+ Schnelle Skalierbarkeit+ Erleichterung vom predictive maintenance, bigdata-Anwendungen…
- Verfügbarkeit von Netzwerkverbindungen (Rückfallebenen im Falle des Verbindungsausfalls?)
- Rechenzentrum als zentraler Angriffspunkt…..
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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Kläranlage Reken-Maria Veen
- Im Rahmen der anstehenden ReInvestitionsmaßnahmeErsteinrichtung einer Siemens S7-SPS (löst Relais ab)
-Bereitstellung eines zentralen virtuellen PLS
-Muster-PLS für Marl-West, -Ost und -Lenkerbeck
-Beginn Mai 2016
-Seit Anfang 2018 in Betrieb
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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Stadtentwässerung Hamm
139 Anlagen
ZIELE-Virtualisierung der
Prozessleittechnik
-Zentralisierung desEngineerings
-Optimierung der Begehungs-intervalle
-mobiler Zugriff
-Automatisierte Störungs-beseitigung
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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15
Bildung von Hot-Spots, Zusammenfassung von Betriebsanlagen bei nur einer zentralen Automatisierung
vPLSPCS7 V9.
S7-410-5H
I/O TCP/IP
M1 M2
BA 1
I/O
M1
BA 2
TCP/IP
M1
BA 3
3G/4GEthernet
PCS 7 AS RTX
Tele-Control OPC/UA
M1 M2
BA 5
Tele-Control
M1
BA 6
OPC/UA
M1
BA 7
3G/4G/GPRS Ethernet
S7-410-5H
IEC OPC/UA
M1 M2
BA x
IEC
M1
BA y
Richtfu
nk
TCP/IP
M1
BA 4
Ethernet
... ...
...
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
Stadtentwässerung Hamm
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• Umstellung für alle Anlagen von EG/LV in den kommenden Jahren
• Durch nicht vermeidbaren Parallelbetrieb von Alt- und Neuanlagen ausreichend Zeit für Kompetenz- und Organisationsentwicklung
• Erkenntnisse aus Erstanwendungen fließen in die weiteren Projekte ein
• Zwischenzeitlich höherer Aufwand durch ggf. langfristig nicht erforderliche Rückfallebenen (VorOrt-Steuerung) für wichtige Anlagen
• Treiber- und Core-Teams feste Größen im Prozess
• Erstellung eines „flexiblen“ technischen Standards / Ausschließlich der Lieferant im Wettbewerb – nicht die Software
Digitalisierung Virtualisierung von PLS
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22.94
Pilot – Netzwerkinfrastruktur (Marl-Lenkerbeck, Marl-West, Marl-Ost)
HVW Essen VPN KA Marl-Lenkerbeck
ZIEL- Schaffung eines leistungsfähigen, skalierbaren
und sicheren Netzwerks für den Datenverkehr der Verbände
- In 2016 erfolgreich umgesetzt
WESENTLICHE GRUNDLAGE FÜR GESAMTINFRASTRUKTUR VORHANDEN
UND GETESTET
Digitalisierung Netzwerk
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© Alex / 2015
• Softwareentwicklung günstiger durch Synergien (online/offline Simulation)
• Verbesserte online-Sensorik, Methodisch, Verzicht auf Zulauf-online Qualitätsmessungen
• Aufwand Modellerstellung sinkt • Nutzung von Modellen zum
automatisierten Betrieb à prädiktive Regelung
• Klare Zielstellungen mit nachweisbarem Nutzen
Digitalisierung Modellbasierte Prozesssteuerung
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22.94
prädiktive Regelung des Ammonium-Ablaufwertes
© Alex / 2015
Vorhersage der NH4-N-Ablaufwerte für verschiedene SzenarienSpitzenwert-optimierung
Digitalisierung Modellbasierte Prozesssteuerung
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© itwh / 2017
LösungsansatzDynamische Nutzung freier Kapazitäten z. B. im Jahresverlauf (Erhöhung und/oder Reduktion QM) in Kanalnetz & Kläranlage
VorteileReduzierung von Abwasserabgabe, Energiekosten, Kosten für ZusatzstoffeVerbesserung der Gewässergüte
Gemeinsame Betrachtung von Kanalnetz und Kläranlage
Digitalisierung Modellbasierte Prozesssteuerung
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Erkennung Systemabweichung
Ziele: Erhöhung der Datenqualität, frühzeitigere (Erkennung und) Behebung von Defekten, Warnung bei Sensorikausfall, Drifts bzw. allgemeinen Systemstörungen
Nutzen: Vereinfachte Performancebewertung, bedarfsorientierte Messgerätewartung, optimierte Verbundbetriebe
Störung Drosselschieber
Analyse von Betriebsdaten mit Maschinenlernverfahren Digitalisierung
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Visualisierung von MesswertenDigitalisierung
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REMOTE ASSISTANCE-Schnelle Hilfe
mit Visualisierungs-optionen
-Rückgriff auf Expertenwissen
- schnellere Problemlösungen
-Arbeits-erleichterung
-Höhere Effizienz
Augmented RealityDigitalisierung
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2 7 -/ 4 4 2
��
2 20 2 2
/ 2 04 2 2 0 -
2 2
2
- 8 - - 01. 0 2
Statusanalysen für MaschinenDigitalisierung
8 - )0 2- (-
Akustisches Signal Extraktion Statusfeststellung Visualisierung
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8. 8 )
8 :2 1 :1 - 8 . 8 :2 002-2 -
- -
:1 )- 8
Statusanalysen für MaschinenDigitalisierung
) -1 2 -1 (:.
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10.98
12.15
13.43
22.94
Quelle The World Economic Forum
John ChambersChief Executive Officer of Cisco
IT-Sicherheit
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22.94
© FiW / 2017
IT-Sicherheit
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Organisationsfragen
• Stärkere Bündelung der IT-Kompetenz im Unternehmen in Verbindung mit der Anlagenautomatisierung
• Betriebsverantwortung in diesem Zusammenhang nicht teilbar / vollumfängliche Anlagenbetreuung (24/7) durch den Betrieb / die zentrale Instandhaltung muss gewährleistet sein / die Kompetenz hierfür im Bereich der SPS-Programme vorliegen
• Analoge Festlegungen für den Betrieb der zentralen Serversysteme….
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Fazit
• Digitalisierung bietet jetzt Chance zur signifikanten Erhöhung des technischen Standards in der Breite
• Einsatzgebiete in der Wasserwirtschaft sind vielfältig und viele Einsatzfälle nutzbringend unabhängig von der Betriebsgröße
• Standardisierung und durchgängiges Engineering führen zu erheblichen Effizienzgewinnen
• Einsatz von Modellen gewinnt wieder an Bedeutung durch vereinfachte Implementierung und weniger Entwicklungsaufwand
• (Nahezu) jedes Aggregat wird zukünftig eine Netzwerkanbindung (IP-Adresse) besitzen / Cloud-Services obligatorisch
• Deutliche Veränderung der Arbeitsprozesse ist zu erwarten bzw. findet jetzt schon statt
IT-Sicherheit wird einen (signifikant) höheren Stellenwert in allen IT- bzw. Automatisierungsprojekten einnehmen
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Themenkomplexe• Konzepte der Industrie 4.0 für die
Abwasserwirtschaft• Engineering und Implementierung
von Automatisierungslösungen• Prozessmesstechnik,
Datenerfassung und –management
• Branchenspezifischer Sicherheitsstandard
• Mensch-Organisation-Technik-Geschäftsmodelle
KläranlagenTage / Mess- und Regelungstechnikin abwassertechnischen Anlagen – Konzepte, Erfahrungen, Trends –26./27. Juni 2019, Bad Soden