Mess-Automatisierung für Wasserversorgung – Panta rhei
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Abb. 1: Wo die Wasserqualität stimmt – der »hauseigene« Frosch fühlt sich im Biotop der Zentrale des Wasserverbandes Wolkersdorf-Obersdorf-Pillichsdorf sichtlich wohl.
Author(s):
Ing. Gerhard Grass - ProTec Prozessleittechnik GmbH
Ing. Werner Charvat - ProTec Prozessleittechnik GmbH
Industry:
Water/Wastewater, ATE/Instrumentation
Products:
FieldPoint, Real-Time
The Challenge:
Modernisierung automatisierter Brunnenleittechnik
The Solution:
Erstellung des Mess-Automatisierungssystem mittels der grafischen Programmierumgebung LabVIEW
"Da die Entwicklungsumgebung im LabVIEW-RT ident mit der LabVIEW-Umgebung ist, konnten weitere Kosten eingespart werden."
Einleitung
Schon seit langem setzten die drei niederösterreichischen Gemeinden Wolkersdorf, Obersdorf und Pillichsdorf bei der Wasserversorgung auf eine automatisierte Brunnenleittechnik. Diese galt es nun zu modernisieren, das nun eingesetzte spezielle Mess-Automatisierungssystem wurde, wie auch schon bei der »alten« Applikation, mittels der grafischen Programmierumgebung LabView erstellt.
Umsetzung
Der Wasserverband Wolkersdorf ist verantwortlich für die Wasserversorgung der drei Gemeinden Wolkersdorf, Obersdorf und Pillichsdorf (Niederösterreich). Dafür werden fünf Brunnen und zwei Hochbehälter sowie das zugehörige Rohrsystem betrieben. Die drei Wasserentnahmestellen und die beiden Hochbehälter sind auf die Gebiete der oben genannten Gemeinden verteilt. In der Zentrale des Wasserverbandes wird über einen PC die Steuerung der Brunnen und damit die Befüllung der Hochbehälter, Archivierung der Fördermengen und der Verbrauchsmengen sowie die Fernalarmierung (Sprachausgabe auf Handy) durchgeführt. Über die Visualisierung wird der Anlagenzustand angezeigt und die Parametrierung des Systems vorgenommen. Die Steuerung des Systems kann im einfachsten Fall über die Befehle Pumpe Ein/Aus geführt werden. Eine Automatisierung via Zeitfensterautomatik in Zusammenhang mit einer Füllstandsüberwachung der Hochbehälter ist ebenso realisiert wie eine reine Füllstandsüberwachung ohne Zeitabhänigkeit. Weiters können Rezepturen (Mischungen) der verschiedenen Fördermengen der Brunnen eingestellt werden. Die ursprüngliche Realisierung der Applikation erfolgte in LabVIEW 4.0 von National Instruments. Die Protokollierung erfolgt über Datenaustausch mittels .csv-Files. Die Auswertung wird über Excel vorgenommen. Die Datenübertragung an die vier Außenstellen erfolgt via Telefonleitung und Modem (dial on demand).
Gesamter Signalumfang:
• 16 Messwerte,
• 64 Digitalsignale,
• 40 Alarme.
Archivierungsdauer: 48 Monate. Die Alarmierung durch die Außenstellen geschieht durch diese selbstständig. Dies ist einerseits für den Betrieb relevant, andererseits auch für die Sicherheit des Objektes (Objektschutz). Als Sicherheit diesbezüglich wird die Versorgung über 24V-Stützakkus erreicht. Eine Visualisierung in den Außenstellen ist nicht realisiert.
Vor der Erneuerung
In den vier Außenstationen Brunnen 1 - 3, Brunnen 4, Brunnen 5 und dem Hochbehälter Wolkersdorf bestand die leittechnische Einrichtung aus je einem Industrie PC unter WIN 95. Die Applikation war unter LabVIEW 4 erstellt worden. Diese Applikation regelte und steuerte mit den aus der Zentrale übertragenen Informationen die Außenstation unter Verwendung von internen I/O-Karten (PC-104) und National Instruments FieldPoint-Modulen, welche über serielle Kopfmodule mit dem IPC verbunden waren. Die Vorgabe wurde dann an die elektrotechnischen Komponenten wie Frequenzumrichter weitergegeben.
Die Anforderungen
Die in die Jahre gekommene Hardware sollte ersetzt werden Anforderung an diese waren die Umgebungstemperaturen (-20 bis 40 °C), hohe Verfügbarkeit, geringe Wartungskosten und geringe Anschaffungskosten. Eine Erweiterung des Systems (weitere Brunnen) sollte jederzeit möglich sein. Weiters sollten die I/O-Module auf ein einheitliches System umgestellt werden. Während der Umbauarbeiten durfte die Funktion der Anlage nicht wesentlich beeinträchtigt oder gar außer Betrieb genommen werden. Weiters galt es, die Kommunikation kompatibel mit der in der Zentrale bestehenden Hard- und Software zu erhalten. Da die Eigenschaften der FieldPoint I/O-Module (Hot Plug, gesicherte Zustände, hohe Verfügbarkeit, einfache Handhabung,...) den internen I/O-Karten überlegen sind, wurde entschieden, alle Außenstationen mit diesen Module zu ersetzen. Die seriellen Kopfmodule wurden durch FieldPoint RT-Module ersetzt (RT steht für Real Time). Durch die Verwendung der FieldPoint RT-Module, konnten die IPC ersetzt werden, was wieder den Vorteil hatte, dass keine bewegten Teile mehr zum Einsatz kamen und damit die Zuverlässigkeit des Systems erhöht wurde. Über die serielle Schnittstelle der RT-Module konnte die Kommunikation via Modem aufrechterhalten werden. Die Archivierung der Daten erfolgt in den RT-Modulen und beträgt ident mit der IPC-Hardware drei Monate.
Software-Änderungen
Durch die Änderung der Hardware-Plattform musste auch die Software umgestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Umstellung war der Wegfall des Betriebssystems und damit verbunden der Lizenzierungskosten und Update-Problematik, da das RT-Modul über ein eigenes Betriebssystem verfügt, welches mit jedem Modul mitgeliefert wird und im Preis des Moduls inbegriffen ist. Die Applikation wurde von LabVIEW 4 auf LabVIEW-RT 6.0 umgestellt. Da die Entwicklungsumgebung im LabVIEW-RT ident mit der LabVIEW-Umgebung ist, konnten weitere Kosten eingespart werden und die teilweise Portierung und Programmierung neuer Funktionen innerhalb kürzerster Zeit erreicht werden. Durch den modularen Aufbau der Software konnten die Funktionen wieder verwendet werden. Zeitkritische Ablauffolgen gab es bei diesem Projekt keine, welche mit diesem Modul mit einer Zykluszeit bis zu 100 ms jedoch zu erreichen gewesen wären.
Inbetriebnahme
In den Außenstationen, welche bereits mit FieldPoint-Modulen ausgerüstet waren, gestaltete sich die Inbetriebnahme sehr einfach. Die seriellen Module wurden von der Hutschiene entfernt, und die RT- Module aufgesteckt. Die Software wurde mittels Laptop über die TCP/IP-Schnittstelle eingespielt und die Kontrolle der Funktion überwacht. Nach Abschluss der Tests konnte die Inbetriebnahme abgeschlossen werden. In den anderen Außenstellen musste die Verkabelung im Schaltschrank geändert werden, was den Vorteil einer höheren Übersicht als zuvor am SUB-D-Stecker ergab. Nach der Neuverkabelung und der Montage einer Hutschiene war der Inbetriebnahmeaufwand gering. Die Betriebskontrolle der Außenstationen ist einerseits über einen externen Watch-Dog realisiert, andererseits wird über eine LED der Zustand des RT-Moduls angezeigt. Mittels Laptop und der TCP/IP-Schnittstelle kann eine genaue Analyse des Zustandes der Station über ein Wartungsfenster erfolgen. Dieses beinhaltet die aktuellen Messwerte, Zustand der digitalen Signale, internen Speicherstatus, Parametrierungsdaten, Ablauf der Modem-Kommunikation sowie den Inhalt der letzten drei Datenübertragungen.
Resümee
Durch die Vereinheitlichung des Systems konnte eine höhere Stabilität und Betriebssicherheit erreicht werden. Weiters wurden alle Kriterien der Modernisierung erfüllt. Die Wirtschaftlichkeit des Systems wurde ebenso erhöht. Die Erweiterbarkeit für die Zukunft ist gegeben, da ein zusätzliches System ident mit dem der bereits Laufenden aufgebaut werden kann. Nachdem sich die Brunnen und Druckstationen im freien Feld befinden, ist für die Zukunft der Einsatz von Akku gestützten Solarpaneelen als Versorgung der Leittechnik sowie die Kommunikation via GSM-Handy unter Verwendungen des beschriebenen Systems bereits in Betracht gezogen worden.
Das Unternehmen ProTec Prozessleittechnik ist Alliance Partner von National Instruments.
Zu den Autoren: Ing. Werner Charvat und Ing. Gerhard Grass sind Geschäftsführer des Unternehmens ProTec Prozessleittechnik.
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