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Wireless-Funk-System Funk statt Kabel – Funkbasierte Kommunikation in einem Klärwerk

Autor / Redakteur: Benjamin Fiene / Dr. Jörg Kempf

Dass Funk in allen Teilen eines Klärwerks eine echte Alternative zur kabelgebundenen Vernetzung darstellen kann, zeigen die Erfahrungen der Technischen Betriebe Wilhelmshaven. Eine Erfolgsstory …

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Die für die Ableitung und Reinigung des Abwassers zuständigen Technischen Betriebe Wilhelmshaven optimieren ihre Anlagen kontinuierlich. Im Rahmen der Modernisierung des Klärwerks wurden vier Nachklärbecken, der Sandfang sowie Pumpstationen und Faultürme mit Funksystemen ausgestattet, um die Signale und Daten wirtschaftlich an die Leitzentrale zu übertragen.
Die für die Ableitung und Reinigung des Abwassers zuständigen Technischen Betriebe Wilhelmshaven optimieren ihre Anlagen kontinuierlich. Im Rahmen der Modernisierung des Klärwerks wurden vier Nachklärbecken, der Sandfang sowie Pumpstationen und Faultürme mit Funksystemen ausgestattet, um die Signale und Daten wirtschaftlich an die Leitzentrale zu übertragen.
(Bild: Phoenix Contact)

Die für das Abwasser im Einzugsgebiet von Wilhelmshaven verantwortlichen Technischen Betriebe Wilhelmshaven (TBW) betreiben ein rund 520 Kilometer langes unterirdisches Kanalsystem sowie zwei Haupt- und 65 Nebenpumpwerke. Da im Stadtgebiet nur wenig natürliches Gefälle vorhanden ist, fördern die Pumpwerke das Abwasser über Druckrohrleitungen zur Zentralkläranlage.

Der Bereich Stadtentwässerung der TBW reinigt hier täglich etwa 20 000 m3 Abwasser der Städte Wilhelmshaven und Schortens. Im Durchschnitt transportiert das Hauptpumpwerk Süd pro Stunde bis zu 2000 m3 Abwasser zur Zentralkläranlage. Bei starkem Regen erhöht sich die Fördermenge auf 40 000 m3 Wasser. Eine Feinrechenanlage hält Grob- und Faserstoffe zurück. Ungefähr 300 m vom Hauptpumpwerk Süd erfolgt auf der anderen Seite des Ems-Jade-Kanals eine Mengenmessung in der Druckrohrleitung DN1400. Das analoge Messsignal konnte nicht per Kabel an die im Hauptpumpwerk Süd befindliche SPS angebunden werden, weil sich das Untergraben des als Schifffahrtsweg fungierenden Ems-Jade-Kanals als schwierig erweist.

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Frank Jakobs, der für die Automatisierung der Kläranlage und der Pumpwerke zuständig ist, berichtet: „Bei der Suche nach einer Lösung für dieses Problem bin ich auf einer Messe auf die Funktechnik von Phoenix Contact aufmerksam geworden.“ Als Kabelersatz kommen nun zwei PSI-Bluetooth-Konverter zum Einsatz, die das Sensorsignal direkt in das Profibus-Liniensystem des Hauptpumpwerks integrieren. „So lässt sich die Aufgabenstellung wirtschaftlich umsetzen“, bilanziert Jakobs.

Zum Einzugsgebiet der Zentralkläranlage, die einen Einwohnergleichwert von 160 000 hat, zählen das Stadtgebiet von Wilhelmshaven, die Ortsteile Sengwarden und Fedderwarden sowie die Nachbarstadt Schortens. Das Klärwerk Wilhelmshaven wurde 1974 in Betrieb genommen. Nach einigen Um- und Neubauten arbeitet es heute als moderne mechanisch-biologische Abwasser-Reinigungsanlage.

Wie Funktechnik den Pumpenschacht überwacht, lesen Sie auf der nächsten Seite.

Zuverlässige Überwachung des Pumpenschachts

In der ersten Reinigungsstufe wird das Abwasser durch eine Rechen- und Sandfanganlage von groben Feststoffen wie Fetten und mineralischen Bestandteilen befreit, um die nachfolgenden Maschinen-Einrichtungen vor erhöhtem Verschleiß zu schützen. Im belüfteten Sandfang, der hinter der Rechenanlage angeordnet ist, setzen sich die mineralischen Stoffe wie Sand und Straßenabrieb am Boden ab. Sie werden anschließend abgepumpt und einer Sandwaschanlage zugeführt.

Die Pumpe befindet sich in einem Schacht, der in der Vergangenheit öfter unbemerkt übergelaufen ist. Deshalb nutzen die Technischen Betriebe Wilhelmshaven seit einiger Zeit das Wireless-MUX-Funksystem von Phoenix Contact zur Überwachung. Sobald das Wasser im Pumpenschacht einen bestimmten Füllstand übersteigt, setzen die Wireless-Module ein Signal ab, das alle Pumpen des Sandfangräumers abschaltet.

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Wenn das Wasser gesunken ist, gibt eine Auswerteeinheit mit Füllstandsensor die Pumpen für den Sandfang wieder frei. Außerdem werden die Betriebs- und Störmeldungen an die lokale Steuerung weitergeleitet und in das zentrale Leitsystem integriert. Das Wireless-MUX-System arbeitet seit mehreren Jahren störungsfrei. „Aufgrund der guten Erfahrungen verwenden wir die Funksysteme von Phoenix Contact nun auch in vielen anderen Bereichen“, berichtet Jakobs.

Nachdem es den Sandfang durchlaufen hat, strömt das Abwasser in zwei Vorklärbecken. Hier sinkt der Schlammanteil auf den Boden und wird über ein Schlammpumpwerk mit Drehkolbenpumpen in einen Frischschlammspeicher gefördert. Im nächsten Schritt reinigen Mikroorganismen das Abwasser im Belebungsbecken biologisch. Das mit Biomasse angereicherte Wasser fließt dann in vier Nachklärbecken. Hat sich die Biomasse dort abgesetzt, wird sie als so genannter Rücklaufschlamm von Räumerbrücken zu Schlammtrichtern transportiert, die in der Beckenmitte angeordnet sind.

In den vier Nachklärbecken soll der Schlammspiegel gemessen werden. Pro Becken ermittelt je eine Prozesssonde von Hach Lange den Wert mit einem optischen Verfahren. Die Messwerte werden an die jeweilige Steuerung übergeben und von dort via Profibus zur im Betriebsgebäude angesiedelten Leitwarte kommuniziert. An anderen Becken des Klärwerks werden die Messdaten am Beckenrand aufgenommen und per Bussystem an die Leitwarte übermittelt.

Drahtlose Lösung für die Schlammpegel-Erfassung als echte Alternative. Mehr auf der nächsten Seite ...

Kostengünstige Alternative zu Schleifkontakten

Da es sich bei den Nachklärbecken um umlaufende Brücken handelt, macht die Erfassung des Schlammpegels am Außenrand des Nachklärbeckens keinen Sinn. Daher wurden die Prozesssonden auf den Räumerbrücken angebracht. „Wir standen vor der Entscheidung, die Messdaten entweder über traditionelle Übertragungsmedien wie Schleifkontakte weiterzuleiten oder nach einer Alternative zu suchen“, erinnert sich Frank Jakobs.

Weil sich die Nutzung von Schleifkontakten in diesem Umfeld als wartungsintensiv und störanfällig erweist, wurde eine drahtlose Lösung favorisiert. Dazu ist auf jeder der vier Räumerbrücken ein Bluetooth-Konverter installiert und mit der entsprechenden Profibus-Steuerung verbunden worden. Die Sonden übermitteln die Daten dann via Bluetooth an eine zentrale Station zwischen den Räumern, die wiederum über LWL-Konverter der Produktfamilie PSI-MOS an den Profibus-Master im Betriebsgebäude angekoppelt ist.

Die zentrale Station dient auch der funkbasierten Weiterleitung von zwei im entlegenen Belebungsbecken aufgenommenen Trockenmasse-Messwerten an das Leitsystem. „Mit der Automatisierungslösung von Phoenix Contact haben wir eine moderne, kostengünstige und zuverlässige Alternative zur kabelbasierten Vernetzung gefunden“, stellt Jakobs fest.

Zeitnahe Information über Gaslieferung und -abnahme

Der Schlamm aus den Vor- und Nachklärbecken wird in der zweistufigen Intensiv-Faulung zu Klär-(Methan-)gas umgesetzt. In den Faultürmen, die in Summe ein Volumen von 4400 m3 fassen, hygienisiert sich der Klärschlamm bei Temperaturen von 56 und 38 °C in einem anaeroben Prozess. Spezielle Bakterien wandeln ihn zu Methangas um.

Ist der Faulungsprozess nach 16 Tagen abgeschlossen, hat sich die Schlammmenge auf rund 40 % reduziert. Der ausgefaulte Schlamm wird mit Zentrifugen getrocknet und anschließen in Kohlekraftwerken verbrannt. Die Hälfte des entstehenden Faulgases dient zur Heizung der Faulbehälter und der Gebäude auf der Kläranlage. Die andere Hälfte des Klärgases versorgt ein Blockheizkraftwerk im nahe gelegenen Marinestützpunkt und einen Heizkessel im benachbarten Schlachthof.

Vor einiger Zeit wurde eine Gasleitung zwischen dem Klärwerk und dem Schlachthof verlegt, die Notwendigkeit einer Steuer- respektive Signalleitung jedoch vom Fachplaner nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund überträgt das Wireless-MUX-System die relevanten Signale über eine Distanz von etwa 200 m. Sobald der Gasometer auf der Kläranlage gefüllt ist, wird der Schlachthof per Funk darüber informiert. Im Gegenzug bekommen die Technischen Betriebe Wilhelmshaven über das Wireless-System die Nachricht, dass der Schlachthof das Gas abnimmt. Pro Monat erhält der Schlachthof so rund 40 000 m3 Gas.

Das Fazit von Frank Jakobs fällt eindeutig aus: „Durch den Einsatz der Wireless-Lösungen von Phoenix Contact haben wir zahlreiche Herausforderungen gelöst sowie viel Geld eingespart.“

* Der Autor ist Mitarbeiter im Produktmarketing Communication Interfaces, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

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