Moderne Lösung zur Kanalnetzsteuerung. Berlin, SIWA Sewer Assist Assistenzsystem für Abwasserkanalsysteme
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- Bertold Dieter
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1 SIWA Sewer Assist Assistenzsystem für Abwasserkanalsysteme Moderne Lösung zur Kanalnetzsteuerung Berlin, Idee & Nutzen Projektierung Anlagenmodell Visualisierung Beispielszenario Projektentwicklung Copyright 2014 All rights reserved
2 Idee & Nutzen Bisher: lokale Steuerstrategie Lokale Steuerstrategie Steuerung/ Regelung ausschließlich mit lokal verfügbaren Informationen einfachste Art der Kanalsteuerung Beispiel: Drosselabfluss F Entlastung Vorteile gutes Kosten-/ Nutzen-Verhältnis durch geringe Investitionskosten kurze Realisierungsdauer durch überschaubare Komplexität Grenzen Reduzierung bzw Vermeidung von Gewässerverschmutzungen infolge Mischwasserentlastungen Reduzierung der Investitionskosten durch Aktivierung von Speichervolumen Seite 2 November 2014 Zufluss F L Sollwert Lokale Steuerstrategie Lokale Steuerstrategie Abfluss F
3 Idee & Nutzen Ansatz: Zentrale Steuerstrategie Zentrale Steuerstrategie Steuerung/ Regelung mit bauwerksübergreifenden Informationen Lokale Steuerung 1 Lokale Steuerung n verschiedene Formen mit skalierbarer Leistungsfähigkeit Integration in Leit- und Automatisierungssystem Sollwert Sollwert Vorteile Reduzierung bzw Vermeidung von Gewässerverschmutzungen infolge Mischwasserentalastungen Reduzierung der Investitionskosten durch Aktivierung von Speichervolumen Reduzierung der Betriebskosten für Pumpwerke im Netz Seite 3 November 2014 Messwerte, Meldungen verdichtet Zentrale Steuerstrategie SIWA Sewer Assist Messwerte, Meldungen verdichtet
4 Idee & Nutzen Zentrale Steuerstrategien Mögliche Varianten lineare Mehrgrößenregler regelbasierte Verfahren Fuzzy-Regler, Expertensysteme freie Programmierung Optimierungsverfahren Vorteile von Optimierungsverfahren Formulierung der Optimierungsaufgabe allein auf der Basis einfacher Anlageninformationen garantiert optimale Lösung Seite 4 November 2014 Ausführungsvarianten für zentrale Steuerstrategien Bestimmung geeigneter Ausgabewerte in Form von Abflusssollwerten für den Verbund mehrerer Rückhalteanlagen
5 SIWA Sewer Assist Maximaler Nutzen bei minimalem Aufwand SIWA Sewer Assist ist eine für den Online-Einsatz konzipierte Kanalnetzsteuerung mit einem zentralen Steuerungsansatz, die den Betreibern von Kanalnetzen bei der optimalen Bewirtschaftung ihrer Anlagen Unterstützung bietet Berücksichtigt werden bei der Berechnung die wesentlichen Kriterien aus Sicht von Betreibern wie Entsorgungssicherheit schonender Umgang mit Umwelt-Ressourcen Kosteneffizienz Anlagensicherheit Anlagenverfügbarkeit Seite 5 November 2014
6 Idee & Nutzen Methodik SIWA Sewer Assist Es finden Methoden der mathematischen Optimierungsrechnung Verwendung SIWA Sewer Assist berechnet auf der Grundlage aktueller Messungen (zb für Niederschlag, Wasserstand, Abfluss) Sollwerte für die unterlagerten Stelleinrichtungen (zb Drosselschieber, Wehre, Pumpen) Betriebsziele: minimale Entlastungsmenge vergleichmässigter Abwasserzufluss bzw -fracht zur Kläranlage Kosteneffizienz Seite 6 November 2014
7 Idee & Nutzen Funktionsweise SIWA Sewer Assist Prinzip Hydrodynamische Simulation einschließlich Sonderbauwerke Automatisierung Stofffrachten auf abstrahiertem Rumpfnetz 21 mm 17 g/m³ Sonderbauwerke 03 g/m³ Regen & Stofffrachten Automatisierung Highlights Vielfach schneller als Echtzeit Einbezug von Sensordaten der Bauwerke Einbezug von Regenschreiberdaten Online-Visualisierung der Ergebnisse Online-Prognosen! Anschluss an die Leitwarte! Seite 7 November 2014
8 Idee & Nutzen Nutzen SIWA Sewer Assist Offline Planung von Betriebskonzepten (zb maximale Durchflussmengen, Entleerungssteuerung) Identifikation von kritischen Punkten (zb Bauwerke ohne Messdaten) Analyse von Auswirkungen struktureller Änderungen bzgl Kanalnetz & Stadtentwicklung (zb Neubau Rückhaltebecken, Erweiterung GVZ, Neubaugebiete) Online Prognosen zu Flüssen im abstrahierten Netz, insbesondere Einstauung und Entleerung von Rückhaltebauwerken Entlastungen (inkl Stofffracht) in die Vorfluter Zuflüsse (inkl Stofffracht) zur Kläranlage Prognosezeitraum umfasst mehrere Stunden Rechenzeit beträgt wenige Minuten Durchspielen unterschiedlicher Betriebsstrategien Auf Basis historischer Daten bzw Annahmen zu Modellregen! Auf Basis aktueller Daten aus der Leitwarte! Seite 8 November 2014
9 Anlagenmodell Aufbau Aufbau Das Anlagenmodell setzt sich aus wenigen wiederkehrenden Komponenten zusammen Insbesondere auch die Sonderbauwerke werden aus diesen Komponenten aufgebaut Komponenten sind: Zufluss, Kanal, Becken, Ventil, Schwelle, Verzweigung/ Zusammenfluss, Düker Alle Komponenten berechnen Flüsse und Stofffrachten Zufluss zeitdynamisch, dh Zuflüsse und Stofffrachten ändern sich mit der Zeit Tagesprofile und Regenereignisse können so abgebildet werden Schwelle Wehrüberfall (vollständig & unvollständig) symmetrisch, dh Überfall/Überströmung in beiden Richtungen möglich Einstauung und anfängliche Entleerung über den Beckenzulauf ist so abbildbar Seite 9 November 2014 Kanal hydrodynamisches Modell (St-Venant-Gleichungen) Übergänge zwischen Gerinne- und druckbehafteter Strömung können abgebildet werden Ventil Erweiterte Torricelli-Gleichung Übergänge zwischen Gerinne- und druckbehafteter Strömung werden abgebildet alternativ Vorgabe eines maximalen Durchflusses oder des Öffnungsgrades möglich optional als Rückschlagventil, dh nur in einer Richtung durchflossen steuerbar
10 Anlagenmodell Daten Pläne Funktionsschema Sonderbauwerke Gesamtentwässerungsplan Lageplan Regensensoren Netzplan mit Zulaufzeiten Konstruktionspläne Sonderbauwerke & Kanalprofile GIS-Daten Datenbank Sensordaten Regenschreiberdaten Sensordaten Sonderbauwerke (zb im Stundenraster) Sonstiges Prozessbilder Leitwarte Entleerungsschema Erfassungsblätter Regenentlastung Seite 10 November 2014
11 Anlagenmodell Datenbasis Sensordaten Überblick Einbezug von Sensordaten Durchflüsse & Füllstände Regenschreiberdaten Wetterprognosen, Annahmen zu Modellregen Monitoring Schätzung des aktuellen Zustands Prognose des zu erwartenden Verlaufs Forecast (vielfach schneller als Echtzeit) aktuelle Schieberstellungen alternative Betriebsstrategien Seite 11 November 2014
12 Anlagenmodell Datenbasis Regenereignisse Vorhersage auf Basis von Regenmessungen und -prognosen Datengetriebenes Korrelationsmodell zwischen Regenereignissen und Zuflüssen Modellanpassung an Hand historischer Daten Historische Daten Online-Daten Angepasstes Modell Σ Zuflussprognosen auf Basis von Regendaten Zeit Seite 12 November 2014
13 Anlagenmodell Ablauf Simulation Automatisierter periodischer Modus Manueller Einzelmodus Periodischer Modus Forecast Monitoring Zeit Forecast Monitoring geänderte Einstellungen Einzelmodus Periodischer Modus Simulationsaufrufe Zeit periodische Simulationsaufrufe Einzelaufruf Seite 13 November 2014
14 Anlagenmodell Ablauf Optimierung Optimierungsmodus Monitoring Forecast periodische Simulationsaufrufe optimierte Einstellungen Optimierung & Verifikation Periodischer Modus Optimierung & Verifikation Periodischer Modus Optimierung & Verifikation Periodischer Modus Zeit Optimierung Verifikation Seite 14 November 2014
15 Visualisierung 1 MS Visio GUI Online-Visualisierung von Flüssen, Füllständen, Ventilstellungen, Entlastungen deutliche Farbänderung bei Auftreten von Entlastungen 2 Result Explorer Offline-Zugriff auf alle Simulationsergebnisse Seite 15 November 2014
16 Visualisierung Volumen RÜB 218 Kenten Ereignis Ereignis Nr 8 Nr Volumen [m³] RUEB Kenten V Siem RUEB Kenten V PFI , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12:00 Seite 16 November 2014
17 Visualisierung Volumen [m³] , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00: , 12: , 00:00 Volumen RÜB 635 Sinsdorf Ereignis / Nr HüDengraben 9 Ereignis Nr 9 Sinsdorf Sim Sewer V Siem Sinsdorf Sim Extran V PFI Seite 17 November 2014
18 Projektentwicklung Realisierungsstufen Datenerhebung Modellierung Validierung Sim & Optimierung Online Anbindung Online Sim & Optimierung Phase 1 Phase 2 Projektphase 1 Offline Strategie zur Optimierung der Abflusssteuerung Struktur & Parameter des Kanalnetzes sowie Optimierungsziele (Festlegung Zielfunktion) Umsetzung in SIWA Sewer als Simulation Validierung des Modells Realisierung der Optimierungsfunktion in SIWA Sewer Erprobung Projektphase 2 Online Realisierung lesender Prozesszugriff Simulation-based online System Hinzunahme der Monitoring-State-Estimation und Inflow-Forecast Module Erweiterung um mathematische Betriebsoptimierung Seite 18 November 2014
19 Projektentwicklung Projektierung Netzpläne und Funktionsschemata Konstruktionspläne Sonderbauwerke Kanalprofile GIS-Daten Inbetriebnahme Kalibrierung & Online-Betrieb Prozessdaten (insbesondere aus den Sonderbauwerken) Regenschreiberdaten Regenprognosen Seite 19 November 2014
20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Siemens AG PD PA AE W&W 1 Water & Waste Water Holger Hanss Siemensallee Karlsruhe Germany holgerhanss@siemenscom Internet: Seite 20 November 2014
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