SIEMENS

Pipelines zur Wasserversorgung sind keine Erfindung der Neuzeit. Ganz im Gegenteil: Die Römer hatten schon genial ausgetüftelte Aquädukte, die das kostbare Nass von weither transportierten, und in den Städten des Mittelalters leiteten findige Tüftler frisches Wasser mit Hilfe von ausgehöhlten Baumstämmen, Wasserrädern und Hochbehältern zu ihren Mitbürgern. Die Nutzer nannten das "Wasserkunst".
Rund 500 Jahre später sind Wasserversorgungsnetze wirklich ein Kunstwerk. Sie bestehen aus einem ausgeklügelten Zusammenspiel von Stahlröhren, Pumpen, Motoren, Ventilen und Automatisierungstechnik mit intelligenter Steuerungssoftware – und das über teilweise Hunderte von Kilometern. So verfügt etwa die Megacity London über ein 4.800 km langes Pipelinesystem, durch das jeden Tag mehr als 630 Millionen Liter Wasser fließen – ein gigantisches Netz, das dringend modernisiert werden müsste: Über 30 % des Wassers sickert durch Leckagen in die Erde.
"Je größer das Wassernetz, desto komplexer die Bedienung", weiß Tim Schenk von Siemens Corporate Technology (CT). Damit Wasserversorger auch bei umfangreichen Pipeline-Netzen den Überblick behalten, arbeitet der Forscher aus dem Global Technology Field "Modellierung, Simulation und Optimierung" eng mit Siemens Water Technologies (WT) zusammen – einem der weltweit führenden Anbieter von Wasser- und Abwasseranlagen, der Wassersysteme samt Automatisierungstechnik von Siemens Industry Automation sowie der Prozesstechnik mit ihren Pumpen, Motoren oder Pipelines beim Kunden schlüsselfertig installiert. Basis der Kooperation zwischen CT und WT ist ein virtueller Werkzeugkasten, mit dem Wassernetze leichter und effektiver gesteuert und sogar auf Leckagen überwacht werden können.
Das Resultat heißt SIWA PLAN (SIWA steht für Siemens Water), ein Wassermanagementsystem, mit dem sich die mächtigen Ströme in Leitungen und Kanäle berechnen, simulieren und effizient steuern lassen (siehe Artikel "Computer bändigen Wassermassen", Pictures of the Future, Frühjahr 2005). Die Modelle und Algorithmen stammen dabei von CT. Darüber hinaus wird SIWA PLAN nicht nur zur Betriebsoptimierung von Trinkwasser- und Kanalnetzen genutzt, sondern auch zur Schulung des Personals.
"Dank eingebauter Fehlerszenarien können mit dem System Ausfälle, etwa von Pumpen oder Ventilen, gefahrlos simuliert werden", sagt Holger Hanss, bei Water Technologies als Produktmanager für SIWA PLAN verantwortlich. Für eine solche Trainingssimulation bilden die Ingenieure das Wassernetz des Kunden samt Automatisierungstechnik virtuell ab und integrieren die Simulation in eine Software-Applikation mit realitätsgetreuer Bedienoberfläche. Damit können sich zukünftige Anlagenfahrer an den verschiedenen Betriebsszenarien versuchen.

Digitale Hilfestellung. Der erste Einsatzort des Trainingssimulators lag in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Der im Jahr 2003 gelieferte Simulator war eine exakte Kopie einer 180 km langen Doppelpipeline, die eine Meerwasserentsalzungsanlage mit mehreren Städten verbindet und die zeitgleich mit dem Simulator in Betrieb genommen werden sollte. Insgesamt acht Pumpen mit einer Gesamtleistung von 50 MW betreiben heute das Wassernetz – genug, um eine Kleinstadt mit Strom zu versorgen. Mit Hilfe des Trainingssimulators wurde das Wechselspiel zwischen Anlagenbedienung, den zahlreichen Automatisierungsfunktionen und dem Fluss der Wassermassen im Computer nachgebildet.
Im Vergleich zu einer Pipeline sind die Verhältnisse in einem städtischen Trinkwasserversorgungsnetz wie in London noch wesentlich komplexer. Nicht nur die Gesamtlänge der Rohre nimmt gigantische Ausmaße an, ihre engmaschige Vernetzung führt dazu, dass es ohne Rechnerunterstützung kaum möglich wäre, die Auswirkungen von Bedienvorgängen auf Druck- und Durchflussverhältnisse einzuschätzen; beispielsweise wenn während einer Modernisierung oder Erweiterung eine Rohrleitung gesperrt wird, was zu unerwünschten Effekten wie dem Anstieg des Wasserdrucks in benachbarten Rohren führen kann.
Planung, Realisierung und Betriebsführung solcher Netze werden zur Herausforderung. "Abstimmungsprobleme zwischen Prozess- und Automatisierungstechnik sind hier keine Seltenheit", weiß Dr. Andreas Pirsing, Automatisierungs- und Verfahrenstechniker im Nürnberger Kompetenzzentrum Wasser/Abwasser der Siemens-Division Industry Automation. Denn erst wenn das komplette System in Betrieb genommen wird, zeigt sich, ob bei einem neuen Wassernetz die Automatisierungstechnik mit den unzähligen Rohren, Ventilen und Pumpen problemlos zusammenarbeitet.
Laut Pirsing sollen derartige Schwierigkeiten jedoch bald der Vergangenheit angehören. Denn die Erfahrungen aus dem Projekt in den Arabischen Emiraten haben ihn auf eine Idee gebracht, bei der das Prozessmodell des Trainingssimulators auf Basis von SIWA PLAN im Mittelpunkt steht – mit dem Unterschied, dass in der Simulation die Steuerung nicht virtuell, sondern echt ist. "Unser Ziel ist es, die reale Automatisierungstechnik eines geplanten oder erweiterten Wassernetzes an dessen virtuellem Prozessmodell zu entwickeln und zu verfeinern, bis die Automatisierungstechnik und das Wassernetz perfekt aufeinander abgestimmt sind – noch bevor die ersten Baumaßnahmen erfolgen", erklärt der Experte sein Vorhaben.

Software in der digitalen Bibliothek. Bei Fertigungsanlagen gibt es diese virtuelle Planung bereits, um Produkte und ihre Fertigungsprozesse vollständig auf dem Computerbildschirm zu entwerfen, zu bauen und zu testen (siehe Zukunft der Fabriken, Pictures of the Future, Herbst 2007). Für komplette Systeme im Wasser- und Abwasserbereich ist sie dagegen neu. Dabei verkürzt das virtuelle Engineering auch hier die Entwicklungszeiten und senkt die Kosten für den Kunden – und beugt unliebsamen und kostenintensiven Betriebsausfällen vor. Zudem reduziert eine optimierte Automatisierungstechnik den Wasser- und Energieverbrauch deutlich – was wiederum der Umwelt hilft: Trinkwasserversorgung und Abwasser-Aufbereitung sind in Städten gleich nach Flughäfen die größten Energieverbraucher.
Für die Umsetzung seiner Idee füttert Andreas Pirsing seinen Computer mit den Eckdaten des Wassernetzes. Damit er nicht das Prozessmodell jedes Systems neu programmieren muss, hinterlegt er derzeit mit Hilfe von Schenks Team die physikalischen Modelle sämtlicher in einem Wassernetz vorhandenen Komponenten und Aggregate – etwa Pumpen, Ventile und Behälter – als Softwaremodule in einer speziellen digitalen Bibliothek. "So können wir mit den vorgefertigten Modulen via Drag and Drop schnell und einfach am Bildschirm ein komplexes Wassernetz, etwa zur Wasserversorgung einer Großstadt, zusammenstellen, oder, bei Modernisierungen veralteter Systeme, auch nachbilden", erläutert Pirsing.
Parallel dazu wird die reale Automatisierungstechnik mit gewohnten Engineering-Werkzeugen erstellt und an das softwarebasierte Prozessmodell mit seinen virtuellen Ventilen, Pumpen und Motoren angeschlossen. Mittels der virtuellen Wasserflüsse kann der Betrieb des gesamten Systems und all seiner Steuerungen und Regelungen einschließlich prozesstechnischer Auswirkungen – etwa das Trockenlaufen einer Pumpe durch eine falsche Ventilschließung oder Leckagen durch zu hohen Druck – getestet werden. Umgekehrt können durch Fehlerinjektionen – beispielsweise die Verklemmung eines Ventils – die Reaktion der Automatisierungstechnik überprüft werden. Wenn die Kompatibilität von realer Automatisierungstechnik und virtuellem Prozessmodell unter Beweis gestellt ist, geht die Lösung an den Kunden.
Schon 2010 möchte Pirsing die ersten Automatisierungstechniker mit einem Prototypen vom integrierten Engineering überzeugen. Der Experte ist optimistisch: "Mit diesem Entwicklungsansatz können wir dem Kunden bereits vor Baubeginn des Systems nachweisen, dass es fehlerfrei funktionieren wird – das ist ein Novum in der Wasserwirtschaft." Deshalb geht er fest davon aus, dass Siemens mit diesem Ansatz seinen weltweiten Marktanteil bei Wassersystemen deutlich erhöhen kann. Momentan liegt dieser bei etwa 10 %, bei einer Marktgröße von insgesamt 4 Mrd. €. "Da ist für Siemens noch viel Luft", sagt Pirsing lächelnd, wohl wissend, dass sein Team und die CT-Forscher den Begriff der Wasserkunst derzeit neu definieren.