Wenn sich Kompetenzen ergänzen - die Stadtentwässerung Nürnberg und Indu-Sol

Die Automatisierung hat weltweit zugenommen, immer mehr Industriezweige setzen entsprechende Technologien ein, vielerorts ist sie gar nicht mehr wegzudenken. Im Gegensatz dazu verhält sich ein Großteil der Betriebe aus dem Bereich Wasser/Abwasser bisher eher zurückhaltend, wenn nicht sogar skeptisch gegenüber diesem Thema und nutzt die Automatisierungstechnik kaum. Eine Ausnahme bildet die Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg (SUN). Hier wird bereits seit den 80er Jahren automatisiert und schon über ein Jahrzehnt die Feldbustechnologie genutzt. Dabei war man auch hier nicht vor Anfangsfehlern gefeit. Expertenhilfe und Unterstützung dafür fand man bei Indu-Sol.

Im Jahr 1913 ging die Kläranlage Süd, das heutige Klärwerk 2, der Stadtentwässerung Nürnberg in Betrieb. Ziel war es, sowohl die hygienischen Verhältnisse der Stadt Nürnberg als auch die Wasserqualität von Pegnitz und Regnitz zu verbessern. Heute sind an das Nürnberger Kanalnetz knapp 70.000 Grundstücke angeschlossen, pro Jahr wird insgesamt eine Abwassermenge von rund 64 Millionen Kubikmetern behandelt. Über die Kanalisation mit 1.461 Kilometern Länge und 28 Pumpwerken wird das Wasser aus ganz Nürnberg gesammelt und zu den heutigen zwei Klärwerken gebracht. Hier wird das komplette Abwasser in verschiedenen Stufen gereinigt.

Seit 1986 wird in Nürnberg auf die Automatisierungstechnik gesetzt. Lars Fenner, Elektrotechniker in der Prozessleittechnik, erklärt, warum man hier so fortschrittlich agiert: „Einerseits erhalten wir so einen kontinuierlichen Prozess, andererseits können damit Rohstoffe gespart werden. Bei der Dosierung von Chemikalien dürfen wir gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, da sonst Fluss und Fische geschädigt werden. Um ein fortlaufend konstantes Endprodukt zu gewährleisten, laufen ganze Regelprozesse ab, die automatisiert werden.“

Auf dem linken Bild sind die Faulbehälter, die so genannten „Eier“ zu sehen. Das rechte Bild zeigt im Vordergrund vier Zwischenklärbecken (ZKB)

Da man auf ein intelligentes Motorkontrollcenter setzen wollte, wurde schließlich ab dem Jahr 2000 die erste komplette Anlage mit Profibus und Remote I/O ausgelegt. Dabei realisierte man in Nürnberg, dass die Verdrahtung gar nicht so einfach ist, wie es vorher schien. So kam es nach dem Bau dieser ersten Anlage immer wieder zu Busstörungen und es stellte sich eine dringende Notwendigkeit nach Messungen und Schulungen heraus. Einen kompetenten Partner dafür fand man kurz darauf in Indu-Sol (s. Informationen zu Indu-Sol). Die Spezialisten für industrielle Datenkommunikation aus Thüringen konnten schon so einige Erfahrungen mit der Abnahme und Messungen im Feldbus sammeln und ihr Wissen in Seminaren weitervermitteln. Um die Physik des Profibusses und dessen Funktion genau zu verstehen, nahmen nun verschiedene Mitarbeiter der SUN an solchen Schulungen teil. Begleitend dazu wurden von Indu-Sol in den Anlagen der Stadtentwässerung Fehlersuchen und Messungen vorgenommen, um diese optimal einzurichten.

Ergänzend dazu investierte man in Nürnberg in die Anschaffung der spezifischen Bus-Messgeräte. Der Leitungstester PROFtest II stellt dabei ein einfaches und handliches Werkzeug für die Überprüfung der korrekten Leitungsverlegung in PROFIBUS-Netzen mit RS 485-Übertragungstechnik dar. Sowohl bei der Inbetriebnahme als auch bei Wartungsarbeiten und Service erhält man mit diesem Gerät schnell einen Überblick zum IST-Zustand der Verkabelung.

Der PROFtest II ist das ideale Messgerät für Inbetriebnahme, Instandhaltung und Service

Der Qualitätstester PROFI-TM Professional im autarken Betrieb

Der PROFI-TM Professional hingegen kennzeichnet ein Werkzeug zur Ermittlung der physikalischen und logischen Kommunikationsqualität des Datenaustauschs in Profibus-Netzwerken. Die Analysen sind dabei sogar im laufenden Betrieb – online – möglich. Das Gerät selbst kann sowohl autark als auch in Verbindung mit einem PC genutzt werden. Über eine Software können alle Mess- und Prüfergebnisse am PC angezeigt und protokolliert werden.

Nach gemeinsamen Messungen entwickelten die Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg und die Indu-Sol GmbH Prüfverfahren und legten bestimmte Vorgaben fest. Diese beinhalteten, dass die Busse nach ihrer Installation abgenommen und dabei für die reibungslose Funktion bestimmte Parameter eingehalten werden müssen. Die Vorgaben und die einzuhaltenden Werte wurden anschließend in Lastenheften festgeschrieben, an welche die Anlagenerrichter gebunden sind. 2005 kamen dann in Nürnberg die ersten Anlagen mit Profibus PA dazu. Auch hier nahm man bei der SUN gern die Hilfe von Indu-Sol an und legte gemeinsam Werte fest, bei welchen der Bus noch gut funktioniert. Auch dafür wurden schließlich Endabnahmemessungen gefordert. Seitdem laufen die Anlagen gut, es treten nur noch selten Probleme auf.

Ein Grund dafür ist auch der PROFIBUS-INspektor®, welcher ebenfalls in den Anlagen der Stadtentwässerung zum Einsatz kommt. Dieser wurde von Indu-Sol als eine einfach zu handhabende Lösung zur sowohl temporären als auch dauerhaften Überwachung des logischen Datenverkehrs entwickelt. Das ist für eine kontinuierliche Funktion einer Anlage essentiell, da der Feldbus immer auch als ein verschleißbehaftetes Bauteil gesehen werden muss. Bei sporadischen Ausfällen der Anlage hilft der INspektor®, Fehler in der Buskommunikation zu finden. Das können u.a. Fehlertelegramme, Telegrammwiederholungen, Modulausfälle oder Veränderung der Zykluszeiten sein. Beim dauerhaften Einsatz gibt der INspektor® eine „Warnung vor dem Ausfall“ ab. Sobald eine anhaltende Verschlechterung der Kommunikationsqualität festgestellt wird, wird der Anlagenbetreiber rechtzeitig visuell oder akustisch, z.B. durch einen potentialfreien Kontakt, alarmiert.

Bei der Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg sind zehn PB-INspektoren von Indu-Sol fest eingebaut

Von den insgesamt 15 PB-INspektoren, die es in Nürnberg gibt, sind zehn Stück fest eingebaut. Die anderen werden zur temporären Messung genutzt. Lars Fenner erklärt: „Die Kläranlage ist in Stufen aufgebaut. So sind z.B. drei parallele Pumpen vorhanden, wovon eine generell nur zur Reserve dient. Wenn also mal etwas kaputt ist, wird auf die dritte Pumpe umgeschaltet und an der kaputten gearbeitet. Dadurch wird ein Teilnehmer vom System genommen, was den Betrieb hier an sich nicht stört, von der permanenten Netzwerküberwachung jedoch als Fehler aufgezeichnet wird. Es kommen schließlich viele Meldungen an, die für uns zu dem Zeitpunkt nicht relevant sind und erst gelöscht werden müssen. Deswegen setzen wir neben der dauerhaften Überwachung auch sehr auf die temporäre Nutzung.“ Die INspektoren, die nur temporär genutzt werden, wandern im Werk umher. Schließlich sind um die 100 Profibusse vorhanden und da muss immer mal etwas überprüft werden. Dabei wurden schon die unterschiedlichsten Fehler entdeckt und letztendlich auch aufklärt. „Wir hatten nach acht Jahren in einem Anlagenteil immer nachts gegen 2 Uhr plötzlich Störungen am Bus, die wir uns nicht erklären konnten. Dort habe ich dann den PB-INspektor® eingesetzt und Schritt für Schritt analysiert. Dabei bin ich auf etwa zehn Fehler gestoßen. Es handelte sich um Profibus PA im Außenbereich, da hatten wir (Siemens) T-Stücke split connect eingesetzt. Die sind nach der langen Zeit undicht geworden, Wasser ist hineingelaufen, die Kabel haben nach innen oxidiert und zusätzlich ist die Elektronik der Profibus-Teilnehmer schwach geworden, so dass sie bei gewissen Temperaturen merkwürdige Dinge gemacht haben. Wir haben dann schließlich Stück für Stück ausgetauscht und danach lief es wieder“, so Fenner. Damit bestätigt sich wieder die Aussage „Wer lebt, der altert“.

Bei Spezialfällen, die nicht von den Mitarbeitern vor Ort gelöst werden können, steht Indu-Sol weiterhin hilfreich zur Seite. So ist z.B. das Thema der feldbusnahen EMV-Analyse ganz aktuell bei der Stadtentwässerung. Dass in Automatisierungssystemen Schirmströme auftreten können, ist durchaus nicht neu. Doch mit zunehmender Anzahl hochfrequenter Leistungselektronik, wie etwa Frequenzumrichtern steigt auch das Phänomen einer scheinbaren elektromagnetischen Unverträglichkeit im Bus. So waren auch in Nürnberg nach dem Austausch eines Motors im vorher einwandfrei funktionierenden Profibus plötzlich Störungen da. Schließlich stellte man fest, dass der neue Motor einen Thermistorschutz hatte, der in der Motorleitung mitgeführt wurde und dass der über den Frequenzumrichter betriebene Antrieb in gewissen Frequenzen so stark über den Thermistorschutz in das Motorkontrollcenter hineingestört hat, dass diese Störung auf den Bus rausgegeben wurde und somit das ganze System abstürzte. Das Übel konnte schließlich beseitigt werden.

Die speziell symmetrisch aufgebauten Kabel der SymFlex®-Baureihe von Indu-Sol sind für den Einsatz von frequenzgeregelten Antrieben optimiert.

Oft genug wird aber der Bus selbst in seiner EMV-Tauglichkeit angezweifelt. Tiefgehende Analysen haben jedoch gezeigt, dass die Störungen meist nicht auf Schwachstellen im Bus zurückzuführen sind, sondern ihre Ursache in einem überdimensional hohen Schirmstrom zu finden ist. Bei der Zuleitung eines frequenzgeregelten Antriebes kommt es innerhalb der Leitung zur kapazitiven und induktiven Entkopplung von hochfrequenten Strömen in den PE-Leiter. Dieser Strom findet letztlich seinen Weg über den Potentialausgleich zurück zur Erzeugerquelle.

Da der Rückweg parallel zum Potentialausgleich der Feldbusleitung liegt und sich Ströme bekanntlich an Knotenpunkten teilen, bekommt man nicht selten einen nicht unerheblichen Teil des ungewollten Rückstromes über den Schirm der Bus-Leitung. Um gegen die Entstehung dieserungewollten hochfrequenten Rückströme anzugehen, empfiehlt Indu-sol die Verwendung von symmetrischen Motorleitungen. Unter deren Einsatz können die ungeliebten Schirmströme bereits unmittelbar nach der Entstehung kompensiert werden. Um genau zu wissen, wie es um seine Anlagen bestellt ist, beschloss Lars Fenner, eine EMV-Messung durchführen zu lassen. Nach dem Einsatz der Experten aus Schmölln fasst er zusammen:

Lars Fenner arbeitet seit vielen Jahren bei der SUN im Bereich Prozessleittechnik und betreut die Netzwerktechnik

„Ich habe mir für die Messung bewusst eine neue Anlage ausgesucht. Diese ist bereits mit einem symmetrischen Motorkabel ausgerüstet. Herausgekommen ist, dass hier alles super läuft, es kaum spürbare Störungen gibt, während es in den anderen Anlagen viel chaotischer zugeht. Nun überlegen wir, auch hier probeweise die alten Motorleitungen gegen neue symmetrische auszutauschen.“

Als einer der ersten Betriebe aus dem Bereich Wasser/Abwasser, die auf die Profibus-Technologie gesetzt haben, musste in Nürnberg aufgrund anfänglicher Unsicherheit und Unwissenheit einiges an Lehrgeld bezahlt werden. Mit Indu-Sol als kompetenten Partner an der Seite ist man aber inzwischen auf einem guten Stand angelangt und so wird es auch in Zukunft eine gegenseitige Unterstützung geben.

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