ProOptKA – Vorausschauende Prozessadaption zur Optimierung des Kläranlagenbetriebes

Ein im Rahmen des ZIM-Programms gefördertes Projekt

Projektpartner: 3s sensor systems solutions, Ingenieurgesellschaft Prof. Sieker mbh, EnviaTec, WaterPN und LAR AG

Die Steuerung von Kläranlagen kann durch die Einbeziehung von Daten aus dem Einzugsgebiet optimiert werden.
Basierend auf einem herstellerunabhängigen Standard entwickelten 4 Unternehmen aus dem Netzwerk WaterPN Berlin-Brandenburg ein integriertes, webbasiertes System zur Erfassung von Messwerten, deren Verarbeitung und Umsetzung in Steuerungssignale.

Der Ansatz der Prozessleittechnik wird in diesem Projekt auf räumlich verteilte Infrastrukturen
ausgedehnt. Die Verknüpfung der Daten, Steuerungsalgorithmen und Reaktionsanweisungen
über das Internet macht die Steuerung ortsungebunden. Für die Prozesskette Kanalisation-Kläranlage-Gewässer werden sowohl quantitative Daten (Durchfluss, erwartete Niederschläge) als auch Beschaffenheitsdaten (Zusammensetzung Zulauf Kläranlage, zu erwartende Ablaufqualität) einbezogen. Diese werden sowohl aus realen Messdaten als auch aus mathematischen Modellen generiert und zu einem Steuerungs- und Prognosesystem zusammengeführt.
Alle an diesem System beteiligten Komponenten kommunizieren über den vom
Open Geospatial Consortium (OGC) entwickelten Standard zum Sensor Web Enablement (SWE).

Durch diese SensorWEB-Schnittstelle kann das System leicht erweitert und an verschiedenste Bedürfnisse angepasst werden.

Projektidee und Umsetzung

Die meisten Klima-Modelle sagen bis spätestens Mitte des Jahrhunderts eine Zunahme extremer Wetterereignisse wie starker Sommergewitter oder längerer Trockenperioden voraus. Gerade Betreibern von Kläranlagen stellt das vor völlig neue Herausforderungen.

Ziel des Projektes ist es zum einen, dem Betreiber einer Kläranlage ein Instrument zu geben, mit dem er Entscheidungen zur Betriebsführung nicht nur anhand aktueller Zulaufmengen und Schadstofffrachten treffen kann, sondern auch Prognosen dieser Werte für die nächsten Stunden in seiner Prozessführung berücksichtigen kann.
Um dieses gewährleisten zu können, wird die komplette Kausalkette rund um eine Kläranlage erfasst.

das Einzugsgebiet der Kläranlage wird mit virtuellen Regenschreibern ausgestattet, die kontinuierlich Niederschlagsmessungen und Prognosedaten liefern
ein Niederschlags-Abflussmodell (STORM) simuliert kontinuierlich mit diesen Niederschlags-Prognosedaten den Mischwasserabfluss und Stofffrachten zur Kläranlage.
ein Kläranlagenmodell (STOAT) simuliert mit diesen prognostizierten Zulaufdaten kontinuierlich die zu erwartenden Ablaufwerte
mit den Daten über die gesamte Prozess-Strecke werden Ersatzmodelle trainiert, die im Bedarfsfall über ein Entscheidungshilfe-System ( DSS ) Handlungsvorschläge mit den dazugehörenden Ablauf-Prognosen generieren

Außerdem ist es mit ProOptKa möglich, solch extreme Wettersituationen wie lange Trockenzeiten mit anschließendem Starkregenereignis mit den trainierten Modellen zu simulieren. Anhand der Ergebnisse können dann schon im Vorfeld langfristige Strategien entwickeln werden, um diesen Situationen zu begegnen.
Dabei können sowohl veränderte Steuerungskonzepte als auch zusätzliche, bauliche Maßnahmen wie Rückhaltebecken berücksichtigt und getestet werden.

Als gemeinsamer Kommunikations-Standard zwischen allen Komponenten dient ein auf dem
Sensor Web Enablement (SWE) vom Open Geospatial Consortium (OGC) entwickelter Standard, der speziel für die Kommunikation zwischen Sensorik und dem Internet entwickelt wurde.

Dieser Standard ermöglicht eine sehr leichte Anbindung und Erweiterung durch weitere Sensorik oder zusätzliche Modelle oder Simulationswerkzeuge.
Sofern diese über die entsprechenden, OGC-kompatiblen Schnittstellen verfügen, können sie quasi per Plug and Play in das Gesamtsystem eingebunden werden.

[caption id="attachment_71" align="aligncenter" width="300"] Projektentwurf ProOptKa[/caption]

Die einzelnen Komponenten

SOS und SPS DiensteZur Anbindung der einzelnen Komponenten wurden die Open-Source SOS- und SPS-Dienste von 52°North verwendet.
Über die SOS-Dienste werde die Daten der einzelnen Komponenten abgerufen und geschrieben, die SPS-Dienste dienen zur Parametrierung und Steuerung der Modelle.
Eine dierekte Steuerung einer angeschlossenen Kläranlage ist ebenfalls über ein SPS möglich.
Der Web Control DeskDer WebControlDesk ist das User-Interface des Gesamtsystems und wurde als Web-Basierte Lösung unter Mono entwickelt. Mono ist eine Open Source, Cross-Platform Portierung von C# und der Common Language Runtime (CLR) von Microsoft.NET und ist zu Dieser binär-kompatiebel. Somit kann der WebControlDesk leicht auf allen gängigen Servern installiert werden.
Der WebControlDesk ist eine Eigenentwicklung für das Projekt ProOptKA.

Features des Web Control Desks:
- Web-Basiertes Frontend zu den SOS- und SPS-Diensten von 52°North
- Nutzerverwaltung mit Rollen
- Es können beliebig viele SOS- und SPS-Dienste hinzugeladen werden
- SOS
  - Nach dem Laden werden die Sensoren automatisch in der Karte dargestellt
  - automatische Umrechnung der Sensor-Koordinaten in die entsprechende Karten-Projektion
  - Daten können über einen frei wählbaren bereich vom SOS geladen werden und werden garafisch dargestellt
  - Datenexport nach csv
- SPS
  - Nach dem Laden Auflistung aller parametrierbaren Sensoren in einer übersichtlichen Baumstruktur
  - Die parametrierbaren Größen werden bei Anwahl eines Sensors in einer übersichtlichen Tabelle mit allen Optionen angezeigt
  - Unterstützt Submit und Update
Der WebControlDesk wurde von der Firma 3S Berlin entwickelt
STORMSTORM ist ein Niederschlags-Abflußmodell, das von dem Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH entwickelt wird.
Es berechnet aus aktuellen und prognostizierten Niederschlagsmengen die zu erwartende Zulaufmenge und Stofffracht für das Klärwerk.
STOATSTOAT ist ein dynamisches Modell zu Abwasserbehandlung in Kläranlagen und ist als Freeware erhältlich.
Mit STOAT werden mit den prognostizierten Zulaufmengen und Stofffrachten die zu erwartenden Ablaufwerte des Klärwerks berechnet.
Der ControllerDer Controller ist das Arbeitstier des Projekts. Er steuert den Datenfluss, indem er in definierten Abständen die Daten in einer bestimmten Reihenfolge an einer Komponente über das angeschlossene SOS abholt und ebenfalls über ein SOS an die nächste Komponente weiter reicht.
Der Controler wird über den WebControlDesk parametriert und gesteuert.
Da es sich bei ProOptKa um ein stark verteiltes System handelt, wurde sich bewusst für den Controler zur Steuerung des Datenflusses entschieden, um nachträglich leichter weitere Komponenten in das System einbauen zu können. Zusätzlich erhält man über den Controler leichter Informationen über Störungen im System und kann diese an das User-Interface übermitteln.
Das Decision Support System (DSS)