Abwasser
Chancen der Digitalisierung – Wasserwirtschaft 4.0 bei EGLV

29.03.2019 Aus der Digitalisierung erwachsen Vorteile bei der wachsenden Vernetzung von Anlagen und Komponenten der Wasserwirtschaft. Von der Planung bis zur Steuerung und Wartung lassen sich Prozesse effizienter gestalten.

Schnellere Problemlösungen durch Augmented Reality - Visualisierungs-optionen und Rückgriff auf Expertenwissen.
© Foto: EGLV
Schnellere Problemlösungen durch Augmented Reality - Visualisierungs-optionen und Rückgriff auf Expertenwissen.

Unter zunehmendem Kostendruck und bei gleichzeitig steigendem Alter der technischen Infrastruktur stellt sich für die Emscher­genossenschaft/Lippeverband (EGLV) grundsätzlich die Frage nach Optimierungsmöglichkeiten bei Aufrechterhaltung einer hohen Entsorgungs- bzw. Abwasserbehandlungsqualität und lang­fristiger Substanzerhaltung. Die zunehmende Vernetzung von Anlagen und Komponenten, steigende Datenmengen und zunehmende Ansprüche bei der Auswertung und Nutzung der Daten durch die Unternehmen und Dritte (z. B. Aufsichtsbehörden) erfordern hier effiziente Systeme, die für alle Beteiligten zuverlässig zur Verfügung stehen. In der Regel begrenzte Budgets erfordern zudem die Hebung von Potenzialen und Synergien zur Effizienz­steigerung. Dabei bietet auch die Digitalisierung Chancen.

Die „Wasserwirtschaft 4.0“ spielt dabei eine zentrale Rolle. Sich für die Zukunft bietende Möglichkeiten können zum heutigen Zeitpunkt, wenn überhaupt, nur erahnt werden. Sicher ist jedoch, dass neben der Steigerung der ökonomischen Effizienz vor allem neue Möglichkeiten für den Umwelt- und Ressourcenschutz sowie den Arbeitsschutz erwartet werden können. Konsequenterweise ist die IT dabei der maßgebliche Treiber.

Technologien nutzen, die einen Mehrwert versprechen

Für EGLV bedeutet das die Chance, mit neuen Techniken weitere Potenziale zu nutzen, und sie beschäftigen sich daher seit mittlerweile drei Jahren intensiv mit der „Wasserwirtschaft 4.0“. Neben der Netzwerkinfrastruktur spielen dabei insbesondere zentrale Virtualisierungstechniken z. B. für Prozessleitsysteme und damit einhergehende wirtschaftliche Vorteile (u. a. zentrales Engineering, Standardisierung, Unabhängigkeit von Anlagenerrichtern) eine wichtige Rolle.

Klassische, in der Wasserwirtschaft etablierte Vorgehensweisen zur Projektbearbeitung benötigen Zeit. So sind Planungsdauern für Vorhaben von ein bis drei Jahren nicht unüblich. Diese Zeitdauern erscheinen für die neuen Techniken zu langsam. Das mit Wasserwirtschaft 4.0 einhergehende Innovationstempo der IT-Branche erfordert hier ein Umdenken bzw. eine andere Vorgehensweise, um zeitnah auch verwertbare Ergebnisse zu erzielen, die dann weiter verbessert werden können und Grundlage für zukünftige Entwicklungen und Standards darstellen. Die weltweite Entwicklung der neuen Techniken sind idealerweise so sorgfältig wie nötig zu betrachten und zu bewerten. Denn es gilt, nur die Techniken weiter zu betrachten, die tatsächlich einen Mehrwert realistisch versprechen.

Arbeitsgruppe entwickelt Ideen und Pilotprojekte

EGLV haben hierzu eine Arbeitsgruppe, das „Core-Team“, gegründet, das aus ausgewählten Mitarbeiten unterschiedlicher Fachdisziplinen besteht. Das Core-Team setzt sich fachlich frei und unabhängig mit der neuen Welt auseinander.

Dazu startet das Core-Team z. B. auch Pilotprojekte, die mit der Unterstützung einzelner Fachabteilungen dazu dienen, die Praktikabilität neuer Techniken direkt zu testen und entsprechende Erfahrungen kurzfristig zu sammeln. Das Core-Team hält insgesamt den Überblick über die verfügbaren und bei Emschergenossenschaft und Lippeverband tatsächlich eingesetzten Techniken. Die nachstehend dargestellten Ergebnisse in den Pilotvorhaben belegen die gewählte agile Vorgehensweise.

Pilotvorhaben für die Wasserwirtschaft 4.0 werden bei EGLV als „Proof of Concept“ behandelt. Für das Projektmanagement bedeutet dies die schrittweise Umsetzung in Meilensteinen, die die prinzipielle Durchführbarkeit der Vorhaben prüfbar belegen. Ein Proof of concept bietet jeweils die Chance, eine Risikominimierung für das Unternehmen frühzeitig vorzunehmen und dabei gleichzeitig die kritischen Stellschrauben eines Vorhabens kennenzulernen.

Virtuelles Prozessleitsystem aufgebaut

Ein wegweisendes Pilotvorhaben beinhaltete den Aufbau eines virtuellen Prozessleitsystems für eine Kläranlage der Ausbaugröße 5.000 EW im westlichen Lippegebiet, die im Zuge einer ohnehin anstehenden Reinvestitionsmaßnahme modernisiert wurde.

Erstmals konnte auf dieser Anlage auf ein proprietäres Prozess­leitsystem verzichtet werden. An dessen Stelle ist ein virtuelles Prozessleitsystem (vPLS) getreten, das auf verbandseigener Hardware an einem zentralen Standort gehostet wird. Das vPLS ermöglicht eine visuelle Standardisierung der Steuerung der Kläranlagen mit offiziellen Bausteinbibliotheken der Hersteller, die nicht mehr durch EGLV individuell verän­dert werden. Perspektivisch sind die Programmierungen  und Darstellungen der Kläranlagen von EGLV zukünftig einheitlich. Entsprechend können dann Programmanpassungen oder –verbesse­rungen mit einem Knopfdruck auf alle Anlagen verteilt werden. Der Aufwand für das Engineering sowie Wartung und Instand­haltung der Software-Systeme auch unter IT-Sicherheitsaspekten verringert sich deutlich.

Die Ausrüstung der Kläranlage des Lippeverbands ist in 2017 erfolgt. Im Januar 2018 wurde die Inbetriebnahmephase des vPLS erfolgreich abgeschlossen. EGLV haben seitdem aus dieser Anwendung viele Erkenntnisse zur betrieblichen Praktikabilität sowie zusätzliche Erfahrungen zur genaueren Abschätzung von Vorteilen aus der Standardisierung von Hard- und Software­komponenten sowie den Aufbau personeller Kompetenzen für den Umgang mit Standardbausteinen gewonnen. Diese waren insgesamt so positiv, dass EGLV bereits im Mai 2018 die strategische Entscheidung getroffen haben, die Prozessleittechnik sämt­licher Anlagen auf vPLS umzustellen. Die Geschwindigkeit der Umsetzung folgt dabei den Reinvestitionen. Die ersten weiteren Kläranlagen mit dieser Technik werden wiederum Anlagen des Lippeverbandes sein, für die ein entsprechender Erneuerungs­bedarf festgestellt wurde. Reinvestitionen sind dabei eine Chance, grundlegende Technologiewechsel herbeizuführen.

Cloud-Technologien

Viele Hersteller von in der Wasserwirtschaft eingesetzten Betriebsmitteln beschäftigen sich intensiv mit den Möglich­keiten der Digitalisierung. Hierzu zählen beispielsweise Cloud-Technologien, die Instandhaltung auf Grundlage von wissensbasierten Zustandsvorhersagen (Predictive Maintenance) und Maschinenlernverfahren. Sicherlich stecken diese Trends im Wesentlichen noch in den Kinderschuhen, allerdings sollten sich die Unternehmen der Wasserwirtschaft bereits heute auf einen zukünftig verstärkten Einsatz dieser Methoden einstellen.

Skalierbare Datenbanksysteme

Die Chancen der Digitalisierung sind dabei vielfältig. Ein großes Potenzial wird dem Themenkomplex „Big Data“ in der Fachwelt zugesprochen. Die Wasserwirtschaft setzt seit mehreren Jahrzehnten digitale Messsysteme ein, um ihren Anlagenbetrieb optimal zu steuern. Die Daten sind häufig umfangreich und in historisch gewachsenen heterogenen Systemen z. T. in unterschiedlichen Aggregationsebenen abgelegt. Dabei sind auch herstellerspezifische Systeme mit proprietären Protokollen mit im Einsatz. Redundanzen lassen sich nicht immer ausschließen. Insbesondere das Zusammenstellen von Daten für spezifische Anwendungen oder Auswertungen ist mitunter von einer zeitaufwändigen Suche aller Daten geprägt. Mit Big Data besteht im Zuge der Digitalisierung nun endlich die Chance, die Daten zentral an einer Stelle zu sammeln und bedarfsgerecht im Unternehmen verfügbar zu machen.

Die neue Welt tendiert dabei zur Verwendung von kostengünstigen, skalierbaren Datenbanksystemen, den sogenannten Database Frameworks, die von Entwicklergemeinschaften kontinuierlich weiterentwickelt werden. Diese hochperformanten Systeme können dann eine zentrale Datenvorhaltung für das Unternehmen als ein Element des sinnvollen Master-Data-Managements bilden, bei dem vereinfacht dargestellt jedes Datum im Unternehmen nur an einer Stelle abgelegt sein darf. Die Verknüpfung der Betriebsdaten mit den häufig in einem ERP-System gepflegten Stammdaten der Betriebsanlagen stellt dabei eine wesentliche Anforderung an die neuen Database Frameworks. Das Zusammen­spiel darf nicht unterschätzt werden, ist aber lösbar. Dabei sind standardisierte, offene Protokolle für den Daten­austausch der Systeme von großer Bedeutung. Für den Nutzer ist es letztlich nachrangig, aus welcher Datenbank die Daten für seine Auswertung gezogen werden, solange Auswertungen unterschiedlicher Datenbanken für ihn unbemerkt und damit gefühlt einheitlich funktionieren.

Die Datenwissenschaften (Data Science) spielen eine wesentliche Rolle im Zuge der Digitalisierung und der intelligenten Auswertung von Daten bzw. dem Erkennen neuer Zusammenhänge. Dabei werden wissenschaftlich fundierte Methoden, Prozesse, Algorithmen und Systeme zur Extraktion von Erkenntnissen, Mustern und Schlüssen sowohl aus strukturierten als auch unstrukturierten Daten verwendet. Auch sie benötigen als wesentliche Voraussetzung verfügbare Daten aus idealerweise zentralen Datenbanksystemen.

 

Mit Building Information Modelling ist eine virtuelle Begehung des Pumpwerks Oberhausen möglich. © Foto: EGLV
Mit Building Information Modelling ist eine virtuelle Begehung des Pumpwerks Oberhausen möglich.

Building Information Modelling

Im Bereich der Planung sammelt die Wasserwirtschaft erste Erfahrungen mit dem Building Information Modeling (BIM), bei dem von der Planung bis zum Betrieb durchgängig alle relevanten Bauwerksdaten digital modelliert, kombiniert und erfasst werden. Das BIM enthält ein virtuelles Modell des geplanten Bauwerks sowie entsprechende Daten hoher Qualität, die in einer gemeinsamen Datenbasis vorgehalten werden. Damit stehen allen Beteiligten zu jedem Zeitpunkt die aktuellen Daten zur Verfügung und erleichtern die Abstimmung sowohl bei der Planung als auch während der Bauausführung oder im späteren Betrieb. Erste umgesetzte Maßnahmen bei EGLV lassen Steigerungen bei der Effizienz der Projektabwicklungen sowie im späteren Betrieb erwarten.

Visualisierungsoptionen

Das Nutzen der gesammelten und zukünftig im Unternehmen leicht verfügbaren Daten wird durch weitere neue Technologien zum Visua­lisieren von Daten ermöglicht. Für einzelne Fachdis­zi­plinen existieren bereits heute z. T. Open-Source-Lösungen, die die einfache Auswertung komplexer Daten zur Analyse und zum Monitoring ermöglichen. Diese Lösungen sind in der Regel benutzerfreundlich und lassen zahlreiche individuelle Konfi­gurationsmöglichkeiten zu, ohne dass umfangreiche IT- oder Programmierkenntnisse von Nöten sind. Die grafischen Repor­ting-Tools bieten zudem speziell auf große Datenmengen zuge­schnittene Visualisierungsoptionen, die weit über das bekannte Standard-Repertoire von gängigen Tabellenkalkulationen hinaus­gehen.

Andere Visualisierungsoptionen der nahen Zukunft sind Augmented Reality (AR)-Lösungen, bei denen zusätzliche Informationen in die reale Welt eingeblendet werden können (Bild 1). EGLV haben hierzu erste Pilotvorhaben in den Bereichen „Remote Assistance“, „Darstellung von Prozessdaten auf Kläranlagen“ sowie „3D-Visualisierung von vorhandenen GIS-Daten zu Leitungen auf Baustellen“ erfolgreich durchgeführt.

Die Virtual Reality bietet zusätzliche Möglichkeiten, komplexe Daten für den Menschen leicht verständlich zu visualisieren. Beispielsweise haben EGLV im Rahmen eines BIM-Projekts für ein großes Pumpwerk in Oberhausen die im Modell vorhandenen 3D-Daten für die VR-Welt aufbereitet.

Obwohl das Pumpwerk erst Ende 2020 baulich fertiggestellt wird, ist es bereits seit Ende 2017 möglich, das zukünftige Bauwerk in der VR-Welt zu begehen. Für die zukünftige Betriebsmannschaft war und ist dies eine Chance, die Zeit vor Fertigstellung und Inbetriebnahme des Bauwerks zur Planung zukünftiger Betriebsabläufe im Pumpwerk zu nutzen (Bild 2).

Ein weiteres Anwendungsbeispiel zur Nutzung der VR-Technologie ist die virtuelle Begehung von Abwasserkanälen. EGLV setzen für den seit September 2018 im Teilbetrieb befindlichen Abwasserkanal Emscher automatisierte Inspektionssysteme ein. Die durch die Systeme erfassten Daten können neben der klassischen 2D-Visualisierung auf dem Bildschirm des Kanalinspekteurs auch in der VR-Brille in 3D angesehen werden.

Korrektur von Planungsfehlern in 3D-CAD vereinfacht

Auch für die wasserverbandstypischen Planungsprozesse bietet die VR-Technologie Möglichkeiten zur Produktivitätssteigerung. So werden Planungen in der Regel in CAD-Systemen gezeichnet, bei EGLV bereits in 3D-CAD. Mit für zahlreiche CAD-Programme verfügbaren Export-Filtern können die Planungsdaten auf Knopfdruck in die VR-Brille übertragen werden – und anschließend direkt virtuell „begangen“ werden. Fehler in den Zeichnungen können so schnell und einfach erkannt und leicht dokumentiert werden. EGLV setzen diese neue Art der Qualitätskontrolle bereits bei eigenen Planungen ein.

Zukunftsweisende und wirtschaftliche Projekte

EGLV sind von den Chancen der Digitalisierung überzeugt. Der geschaffene organisatorische Rahmen sowie die Vorgehensweise bei den Pilotvorhaben haben sich bewährt. Die in den Pilotvorhaben gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass der eingeschlagene Weg zukunftsweisend und wirtschaftlich zugleich ist. Zudem existieren noch viele Themenfelder, die weitere Potenziale für die kommenden Jahre erschließen werden. Dafür sind neue Trends der digitalen Möglichkeiten systematisch aufzunehmen und auf die Wasserwirtschaft zu übersetzen.

Durch die digitale Transformation sind die Prinzipien unserer Zusammenarbeit, Kollaboration und Vernetzung neu zu formu­lie­ren. Interne Know-how-Netzwerke, in denen die Expertise jedes einzelnen Mitarbeiters für andere zugänglich gemacht wird, müssen organisiert werden. Dieses Wissensmanagement bedarf wiederum einer Qualitätskontrolle und hat unmittelbaren Ein­fluss auf das Ressourcenmanagement in einem Unternehmen. Basis der Zukunft ist eine ausgeprägte Lern- und Vertrauens­kultur. Über die vergangenen Begrifflichkeiten des „inno­vativen Unternehmens“, „der lernenden Organisation“ sprechen wir heute von „Agilität einer Organisation“. Zunehmend etabliert sich auch der Begriff „digitale Haltung“.


Ein Beitrag von Dr. Emanuel Grün und Dipl.-Ing. Heiko Althoff.

EGLV Emschergenossenschaft/Lippeverband

www.eglv.de

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 3/2019

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