Digitalisierung – wie können Betriebe der Wasserwirtschaft ...Wettbewerb – nicht die Software Digitalisierung Virtualisierung von PLS. 22.93 13.17 10.98 12.15 13.43 ... (24/7)

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

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Digitalisierung Virtualisierung von PLS

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• 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


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• 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


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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…..


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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


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Stadtentwässerung Hamm

139 Anlagen

ZIELE-Virtualisierung der

Prozessleittechnik

-Zentralisierung desEngineerings

-Optimierung der Begehungs-intervalle

-mobiler Zugriff

-Automatisierte Störungs-beseitigung


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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

... ...

...


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


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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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prädiktive Regelung des Ammonium-Ablaufwertes

© Alex / 2015

Vorhersage der NH4-N-Ablaufwerte für verschiedene SzenarienSpitzenwert-optimierung


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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


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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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- 8 - - 01. 0 2

Statusanalysen für MaschinenDigitalisierung

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Akustisches Signal Extraktion Statusfeststellung Visualisierung

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8 :2 1 :1 - 8 . 8 :2 002-2 -

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Statusanalysen für MaschinenDigitalisierung

) -1 2 -1 (:.

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Quelle The World Economic Forum

John ChambersChief Executive Officer of Cisco

IT-Sicherheit

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© 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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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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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

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