Fit für die Zukunft • WASSER & ABWASSER

Wasser 4.0 – Fit für die Zukunft WagoBild: Wago
Fit für die Zukunft

Industrie 4.0 ist allgegenwärtig: ganz gleich, ob im Büro, zu Hause oder auf dem Weg zur Arbeit. Prozesse sind zunehmend miteinander vernetzt – und das überall auf der Welt. Diese Entwicklungen sind auch in der Wasserwirtschaft spürbar – analog spricht man von Wasser 4.0. Schwerpunktthemen sind Digitalisierungs- und Automatisierungstrends. Auch die Stadtentwässerung Stuttgart (SES) stand vor der Herausforderung, das Prozessleitsystem (PLS) des Kanalnetzes zu erneuern und fit für die Zukunft zu machen –ME-Automation Projects, ein Unternehmen der Mitsubishi Electric Gruppe, hat mit Unterstützung von Wago eine zukunftsweisende Lösung entwickelt.

Steigende Ansprüche an moderne Prozessleitsysteme

Schneller, transparenter und effizienter: Prozesse sind auch in der Wasserwirtschaft untereinander immer mehr vernetzt und die Anforderungen steigen stetig weiter. Das gilt auch für das Kanalnetz Stuttgart. Der Eigenbetrieb Stadtentwässerung Stuttgart ist für das 1.685 Kilometer lange Kanalsystem der Landeshauptstadt Stuttgart verantwortlich. Mit seinen 51 Regenrückhaltebecken, 82 Regenüberlaufbecken und 32 Abwasserpumpwerken ist das Kanalsystem eines der größten in Deutschland. Die Herausforderung: Überalterte Software und Probleme in der Beschaffung von Ersatzteilen verlangsamten das gesamte Prozessleitsystem der SES enorm. Das führte auch dazu, dass viel händische Arbeit geleistet werden musste. Schnell wurde klar, dass eine Modernisierung des 25 Jahre alten Prozessleitsystems nicht den steigenden Ansprüchen in unserer immer mehr vernetzten Welt ausreichen würde. So entschieden sich die Verantwortlichen bei der Stadtentwässerung Stuttgart für eine umfangreiche Sanierung und den Austausch des Prozessleitsystems. Initiiert wurde deshalb das Projekt für die Beschaffung eines modernen Prozessleitsystems zur Datenerfassung und Fernsteuerung für das Kanalnetz und Sonderbauwerken. Aber welche smarten Lösungen gibt es am Markt, um die hohen Anforderungen zu erfüllen? Um sich einen genauen Überblick der verschiedenen Lösungen zu machen, wurde eine umfangreiche Marktanalyse durchgeführt.

Herr Georgios Doanoulakis, verantwortlich für das PLS-System der SES Sonderbauwerke, erinnert sich: „Um eine fundierte Entscheidung treffen zu können, haben wir mit Hilfe unseres Netzwerkes verschiedene Lösungen der Städte und Kommunen vor Ort besichtigt. Im engen Erfahrungsaustausch mit den jeweiligen Verantwortlichen haben wir dann unsere Lösung herausgearbeitet.“

Die daraus resultierende öffentliche Ausschreibung konnte ME-Automation Projects mit dem unternehmenseigenen Prozessleitsystem PMSXpro und mit der Wago Fernwirktechnik für sich gewinnen.

Modernisierung des gesamten Steuerungssystems

„Ziel war, das gesamte System zu harmonisieren und auf ein Niveau zu bringen. Gewachsene Strukturen sollten letztendlich ein gemeinsames System darstellen“, so fasst Michael Juch, Senior Sales Manager bei ME-Automation Projects, die Ausgangslage zusammen. Herr Juch ist bereits seit 2004 bei ME-Automation Projects und kennt die Herausforderungen komplexer Lösungen im Infrastrukturbereich. Ein Teilbereich davon sind Kläranlagen, in diesem Fall das Stuttgarter Kanalnetz, welches umfassende Modernisierungsmaßnahmen benötigte.

Zurück auf Anfang

Die Anforderungen an das neue Prozessleitsystem waren aufgrund der Komplexität und der nicht zu vernachlässigenden territorialen Ausdehnung des Kanalnetzes entsprechend hoch. Eine rückwirkungsfreie und modulare Erweiterbarkeit, welche den Investitionsschutz des Kunden sicherstellt, waren ebenso wie eine hochverfügbare und verteilte Leitsystemarchitektur wichtige Kriterien. Neben den technischen Anforderungen war auch der Zeitplan ambitioniert, da die bestehenden Analogverbindung durch die Telekom sukzessive abgeschaltet werden sollten und somit neue sichere Kommunikationsverbindungen etabliert werden mussten.

Gestartet werden sollte mit der Erneuerung des Prozessleitsystems (1. und 2. Bauabschnitt) für die ersten zwei beziehungsweise 40 von 500 Sonderbauwerken. Hierzu wurde zuerst die neue Prozessleitebene in der zentralen Betriebsleitstelle errichtet und die Kommunikationsverbindung etabliert. Die Prozessleitebene besteht in der ersten Ausbaustufe aus Bedienstationen, einem redundanten Prozessserver, redundanten VPN-Routern zur Anbindung der Sonderbauwerke, einem IT-Applikation-Server für die sichere Kommunikation sowie einem Archivserver.

Gemeinsames Lösungskonzept zur Automatisierung

Welche Lösungen gibt es auf dem Markt? Und was müsste entwickelt werden, um auf neue Anforderungen reagieren zu können? Diese Fragen stehen im Mittelpunkt, um zukunftsfähig bleiben zu können, so auch in dem gemeinsamen Projekt von ME-Automation Projects und Wago. Die Zusammenarbeit zwischen den beiden Unternehmen besteht schon seit mehreren Jahren und Herr Juch stellt zufrieden fest: „Die Wago Komponenten arbeiten sehr zuverlässig, sind kostengünstig und die Erfahrungswerte sind sehr gut. Wir haben uns der eigenen Leittechnik bedient und zusammen mit der entsprechenden Wago Hardwarekomponente, dem modularen Wago-I/O-System, konnten wir das Kanalnetz (Bauabschnitt 1 und 2) erfolgreich modernisieren.“ Und wie konnte das genau funktionieren? Entscheidend war die einfache Anbindung der bauseitigen Automatisierungssysteme und die sichere Datenübertragung an das Prozessleitsystem.

Dabei konnte das Wago-I/O-System mit der Vielzahl von Analogeingangs-/-ausgangskarten und Digitaleingangs-/-ausgangskarten punkten. Darüber hinaus ermöglicht die Vielzahl von Schnittstellen die Implementierung von Aggregaten und Anlagenteilen innerhalb eines Bauwerkes. Über den Fernwirkcontroller 750-880/025-001 erfolgt die Anbindung an das Prozessleitsystem PMSXpro über das Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104. Die Lösung ist durch spezielle Approbationen in vielen Anwendungsbereichen, auch unter schärfsten Umgebungsbedingungen, sehr bewährt. Das Wago-I/O-System wird zusätzlich zum Automatisierungssystem von ME-Automation Projects auch als Remote I/O eingesetzt.

IT-Sicherheit und integrierte Analysemöglichkeiten

Sind die Daten sicher und werden diese verschlüsselt weitergegeben? In Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen in KRITIS-Anwendungen muss die Hardware besondere Kriterien erfüllen. Wago bietet die Möglichkeit, die Verschlüsselung der Daten direkt aus dem Controller über IPsec oder OpenVPN zu realisieren. Darüber hinaus können neben der integrierten Firewall auch weitere Verschlüsselungstechnologien auf Basis von Linux implementiert werden. Die Steuerung kann somit gemäß den Anforderungen gemäß dem BDEW-White Paper und dem BSI-IT-Sicherheitskatalog eingesetzt werden. Im konkreten Projekt erfolgt die Vernetzung über LTE- beziehungsweise DSL-Verbindungen. Zur Kommunikation wird Open-VPN und das Fernwirkprotokoll gemäß IEC 60870-5-104 genutzt. Eine Besonderheit bei der Stadtentwässerung Stuttgart ist die Nutzung einer bauseitigen CDA-Cloud zur Kommunikation mit dem Leitsystem.

Zudem wurden integrierte Analyse- und Auswertungsmöglichkeiten benötigt, um das Verhalten des Kanalsystems, beispielsweise nach einem Starkregenereignis, hinsichtlich der Zu- beziehungsweise Abflüsse, Rückstau, Füllungsgrad der Regenrückhalte- und Regenüberlaufbecken, nachvollziehen zu können. Ermöglicht wird dies durch das Prozessleitsystem PMSXpro von ME-Automation Projects. Das Personal erhält so die Möglichkeit für eine kontinuierliche und dynamische Betrachtung historischer Prozesszustände, visualisiert mit einer Zeitrafferfunktion durch originale Prozessbilder.

Fit für die Zukunft

Die Modernisierung des Stuttgarter Kanalnetzes ist ein stetiger Prozess, geplant ist die Automatisierung von bis zu 500 weiteren Anlagen im gesamten Stadtgebiet Stuttgart. Und eins steht fest – Schritt für Schritt geht es gemeinsam ins Zeitalter Wasser 4.0