Die Oberflächenbelüfter zur Belüftung des Belebtschlammes mussten bisher alle vier Jahre ausgetauscht werden. Durch Sanftstarter wird sich dieses Intervall wohl verdoppeln.

Im Zuge der Modernisierung der Abwasserreinigungsanlage Minden-Leteln wurden die Oberflächenbelüfter für die Belüftung bzw. die Durchmischung des Klärschlamms mit Sanftstartern ausgerüstet. Dadurch konnte der Strombezug flexibel an die anderen Anlagenteile angepasst werden, was letztendlich zu einer spürbaren Einsparung geführt hat. Gleichzeitig sanken auch die Instandhaltungskosten, weil die mechanische Beanspruchung der Turbinen spürbar gesunken ist. „Auf den Prozess selbst hat man keinen allzu großen Einfluss, wenn er einmal richtig eingestellt ist“, so die jahrzehntelange Erfahrung von Heinrich Denzer, ehemaliger Betriebsleiter der Abwasser-Reinigungs-Anlage (ARA) Minden-Leteln, der sich mittlerweile im wohlverdienten Ruhestand befindet. Der Fachmann spricht in diesem Zusammenhang von der Abwasserreinigung mithilfe einer vollbiologischen Kläranlage. Hierbei müssen riesige Abwassermengen aus dem 1.000 km langen Abwassernetz aus den Städten Minden, Petershagen und Portawestfalica – an Tro-
ckenwettertagen 30.000 m³, an Regentagen bis zu 120.000 m3 pro Tag – bewältigt werden.
Worauf jedoch die technische Ausrüstung der Anlage sehr wohl einen Einfluss hat, sind die Verbrauchswerte und die Kosten. Auch aus diesem Grund wurden im Jahre 2005 rund 880.000 Euro in Automatisierung, Steuerungs- und Computertechnik investiert. Eine zentrale Rolle spielten dabei auch Sanftstarter im Bereich der Belüftungsbecken. Dort wird über das Belebtschlamm-Verfahren eine biologische Reinigung der Abwässer mithilfe von Mikroorganismen erreicht. Das geschieht wie in der Natur, indem die Mikroorganismen Schmutzstoffe im Abwasser als Nahrungsquelle nutzen und zu Körpersubstanz umbauen.
Dafür benötigen sie – ähnlich wie auch der Mensch – reichlich Sauerstoff. Dieser Sauerstoff muss mit hohem Energieaufwand in das zu reinigende Wasser eingetragen werden.

ARA-Betriebsleiter a.D. Heinrich Denzer ist von der neuen Tech- nik begeistert: „Mit den Sanftstartern 3RW44 von Siemens sparen wir Energie- und Servicekosten in beträchtlicher Höhe.“

In Minden gibt es hierfür unter anderem zwölf Oberflächenbelüfter mit je 38 kW, die das Abwasser in den Belüftungsbecken durch die Luft schleudern und so die Sauerstoffaufnahme über die Berührungsfläche Luft Wasser (Diffusionsfläche) bewirken. Im Gegensatz zum zweiten möglichen Verfahren, nämlich die Luft direkt in die Flüssigkeit einzublasen, ist bei einer solchen Lösung ein deutlich niedrigerer Investitionsbedarf für die Anlagentechnik notwendig. Um nun bei den Betriebskosten deutliche Einsparungen zu erreichen, wurden die elektrischen Oberflächenbelüfter mit Sanftstartern des Typs 3RW44 von Siemens ausgerüstet. Das Besondere an diesen Niederspannungs-Schaltgeräten ist, dass sie als High- Feature-Geräte mit einer hohen Funktionalität ausgestattet sind. In der beschriebenen Anwendung wurden die 3RW44 mit sechs statt mit drei Leitungen angeschlossen, was einer Wurzel-3-Schaltung entspricht. Weil dadurch die Phasen des Sanftstarters mit den Wicklungen der Drehstrom-Asynchronmotoren in Reihe geschaltet sind, führen die Sanftstarter nur noch 58 Prozent des Motor-Nennstroms. Hierdurch können kleinere Sanftstarter, bezogen auf die Motorleistung, eingesetzt werden. Reduzierte Gerätekosten sind die Folge. Und noch eines kommt hinzu: Weil die Sanftstarter integrierte Überbrückungskontakte besitzen, schalten sie nach dem programmierten Hochlaufen niederohmig durch, was die Verluste an den Thyristoren des Leistungsteils eliminiert und die erzeugte Abwärme im Dauerbetrieb minimiert. Das Klärwerk Minden-Leteln versorgt sich zwar bei Trockenwett über zwei Blockheizkraftwerke zu 55 Prozent mit Eigenstrom, aber 45 Prozent müssen vom externen Energieversorger bereitgestellt werden. Damit im Zuge des Energiemanagements die „teuren“ Bereiche gar nicht erst betreten werden, wurden Großverbraucher wie die ebenfalls vorhandenen Turbinen zeitweise abgeschaltet. Heinrich Denzer bringt es auf den Punkt: „Früher mussten wir immer wieder Pausenzeiten einfügen, damit die vom Hochlauf gestressten Antriebe abkühlen konnten oder andrerseits die luftgekühlten Motoren für eine optimale Kühlleistung länger laufen lassen – heute gibt es das nicht mehr.“ Der Nachteil dieses intermittierenden Betriebs war, dass stets ein hoher Sauerstoffüberschuss im Abwasser vorhanden sein musste, um die Arbeit der Mikroorganismen nicht zu unterbrechen – oder sie mangels Sauerstoff sogar abzutöten. Durch die Sanftstarter konnte dieses „Fenster“ der Grundsauerstoffversorgung von früher 1 mg/l bis 1,5 mg/l auf 0,3 mg/l bis 0,8 mg/l deutlich verkleinert werden, was wiederum dem Reinigungsprozess zugute kommt. Durch das spätere Einschalten und das frühere Ausschalten der Oberflächenbelüfter haben die Anlagenbetreiber die Flexibilität gewonnen, optimal auf Stromzeiten – und somit auf teure Spitzen – Einfluss zu nehmen. „Das ist deshalb so entscheidend“, erklärt Heinrich Denzer, „weil jede vom EVU bezogene Kilowattstunde, die über der festgelegten Abnahmegrenze von 900 kW liegt, 148 beim Einbau und im Jahr 2007 mit neuen Stromlieferverträgen 60 Euro zusätzlich kosten würde.“ Der Praktiker beziffert den Erfolg der Maßnahme folgendermaßen: „Im Bereich zwischen 20 und 25 Prozent konnten wir mit dieser Lösung unseren Stromverbrauch senken.“  

Die Sanftstarter 3RW44 besitzen High-Feature- Funktionen und beinhal- ten eine Vielzahl von Schutz- und Diagnoseein- richtungen.

Halbierung des Serviceaufwands für Getriebe Der zweite entscheidende Aspekt neben der Energieeinsparung, der für die Wahl der 3RW44 ausschlaggebend war, ist die mechanische Komponente. Durch das sanfte Hochlaufen der 38-kW- Motoren gibt es gegenüber der bis dahin genutzten Stern- Dreieck-Variante keine Schaltschläge mehr. „Der Unterschied war sofort zu spüren“, erinnert sich Heinrich Denzer. Das große Massenträgheitsmoment der Oberflächenbelüfter belastete die angeschlossenen Getriebe derart stark, dass spätestens alle vier Jahre eine bis zu 18.000 Euro teure Reparatur anstand. Zusätzlich mussten immer Reserveaggregate vorhanden sein, die im Bedarfsfall in rund vier Stunden gewechselt wurden. Heinrich Denzer schätzt: „Durch die Sanftstarterlösung haben wir deutlich weniger Ausfälle und wir rechnen mit einer Verlängerung der Getriebe-Serviceintervalle auf etwa acht Jahre.“ Ein wesentlicher Grund für den sanften Anlauf ist die Drehmomentregelung des hochlaufenden Antriebs durch den 3RW44. Darüber hinaus erlauben die Niederspannungs-Schaltgeräte, die Strombegrenzung entsprechend den Anforderungen einzustellen. Wie bei der kleineren Variante 3RW40 sind auch hier das besagte Überbrückungskontaktsystem, der Geräteeigenschutz und der Motorüberlastschutz bereits integriert. Neben High-Feature-Funktionen wie Fehlerlogbuch, Ereignisliste oder Trace-Funktion besitzen die 3RW44 Steuereingänge und programmierbare Relaisausgänge. Hiermit waren die hauseigenen Techniker in der Lage, eine einfache und übersichtliche Kaskadenschaltung aufzubauen, die sich automatisch an den Belüftungsbedarf anpasst. Wie in einem Staffellauf werden die Signale vom vorauslaufenden Oberflächenbelüfter an den nachfolgenden übermittelt. Das funktioniert folgendermaßen: Meldet die Messsonde einen sinkenden Sauerstoffanteil, sendet sie ein Signal an den Steuereingang des ersten Sanftstarters, der dann entsprechend seiner Programmierung die erste Turbine hochfährt. Der programmierbare Relaisausgang aktiviert den zweiten und dieser den dritten Sanftstarter. Weil die Sanftstarter in der Lage sind, Mess- und Betriebswerte, aber auch Warn- und Störmeldungen auszugeben, wurden die Sanftstarter in die neue Leittechnik auf Basis des Prozessleitsystems Simatic PCS7 von Siemens integriert. „Dort werden alle Daten für einen optimalen Anlagenbetrieb protokolliert und für Langzeitauswertungen archiviert“, erklärt Heinrich Denzer. Aus diesem Grund war es wichtig, dass die ausgewählten Geräte direkt über den Profibus angesprochen werden können. Beim 3RW44 von Siemens gibt es hierzu ein eigenes Profibus-DP- Modul, das optional eingebaut werden kann. Für den pensionierten Betriebsleiter ein wichtiges Kriterium: „Wir wollen, dass alle Geräte untereinander kommunizieren können und in Zukunft alle Anlagenteile von der Leitwarte aus fernbedienbar sind.“ „Kleiner Eingriff“ spart Energie- und Servicekosten Letztendlich zeigt das Beispiel der Modernisierung der Steuerungstechnik in der Abwasser-Reinigungs-Anlage Minden-Lete dass es für Kosteneinsparungen einfache Wege gibt. Die Investition in eine Sanftstarter-Lösung hat sich durch den reduzierten Stromverbrauch und die verlängerten Serviceintervalle in kürzester Zeit amortisiert, so dass die Geräte die nächsten zehn bis 20 Jahre regelrecht Geld verdienen. Sukzessive soll in Minden die gesamte technische Ausrüstung beziehungsweise der Anlagenbetrieb diesem Beispiel folgen. „Der nächste Schritt wird sein, die vorbeugende Instandhaltung noch weiter auszubauen, aber nicht mehr in den Zyklen wie bisher, sondern nach Möglichkeit um den Faktor zwei verlängert“, fass Heinrich Denzer zusammen.

Siemens AG
Automation and Drives
Low-Voltage Controls and Distribution
P.O. Box 48 48, D-90327 Nuremberg

www.siemens.com/lowvoltage

Durch den Einsatz eines Motormanagements kann die Stadtentwässerung von Paderborn von der Zentrale im Klärwerk aus überwacht werden. Andreas Scharf freut sich: „Über die vielfältigen Diagnosefunktionen können wir die Prozesse zentral bewerten.“

Die Diagnosemöglichkeiten von Motormanagementsystemen sorgen seit einigen Jahren für spürbare Verbesserungen in der Antriebstechnik. Das machten sich die Verantwortlichen im Klärwerk Paderborn zunutze, indem sie im Zuge der Modernisierung der Stadtentwässerung solche Nieder- spannungs-Schaltgeräte vorsahen. Die damit gemachten Erfahrungen waren so eindeutig, dass diese Geräte künftig zur Standardausstattung gehören werden. Im Zuge eines umfangreichen Umbaus der Abwasseranlagen in Paderborn hat der Stadtentwässerungsbetrieb Paderborn (STEB) erstmals ein Motormanagementsystem zur Überwachung einzelner Prozessstufen eingesetzt. Karlheinz Steffens, Sachgebietsleiter Elektrotechnik der STEB, erinnert sich: „Wir haben nach einer Lösung gesucht, die uns schnelle Rückmeldungen über den Zustand unserer Anlagen gibt und später vielleicht sogar die Mög- lichkeit bietet, bestimmte Serviceaufgaben von der Leittechnik aus durchführen zu können.“  

Karlheinz Steffens, Sachgebietsleiter Elektrotechnik der STEB: „Der Simocode pro ist im Aufbau und der Bedienung so übersichtlich, dass wir ihn gerne für die unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen.“

Das von ihm ausgewählte Sirius-Motormanagementsystem Simocode pro von Siemens ist speziell für solche Wünsche entwickelt worden. In einem neuen Pumpwerk, das direkt an der Pader – mit vier Kilometern Länge der kürzeste Fluss Deutschlands – liegt, überwachen drei Motormanagementgeräte zwei Abwasserpumpen mit je 350 m3/h maximaler Förderleistung und einen Plattenschieber zum Regeln eines anderen Abwasserstroms. Kaskadenschaltung mit dem besonderen Etwas. Das Abwasser der an diese Pumpstation angeschlossenen Stadtregionen läuft in einem Sammelschacht zusammen. Von dort wird es durch die beiden Pumpen auf ein etwa drei Meter höheres Niveau gefördert, von wo aus es in dem Hauptsammler mit 1,8 m Durchmesser allein durch Schwerkraft bis zum Klärwerk fließen kann. Üblicherweise springt Pumpe 1 bei Erreichen von 1,5 Meter Wasserhöhe im Sammelschacht an, die zweite unterstützt ab einem Pegel von 1,7 Meter. „Zur Verlängerung der Pumpenlebensdauer vertauschen wir die Aufgabenverteilung zyklisch“, berichtet Andreas Scharf aus der Prozessleittechnik der STEB. Das erledigt der Simocode pro über eine einfache Logo- Steuerung von Siemens. Die Antriebstechnik sieht folgendermaßen aus: Die erste Pumpe mit ca. 7,5 kW Leistung wird direkt vom Simocode pro angesteuert und über einen Sanftstarter Sirius 3RW30 mit Strom versorgt. Das hat den Vorteil, dass keine Schaltschläge bzw. Kavitation beim Anlauf auftreten; noch viel wichtiger ist aber der sanfte Auslauf bis zum Stillstand, um gefährliche Druckstöße im Leitungsnetz zu vermeiden. Diese Niederspannungs-Schaltgeräte sind im vorliegenden Fall vom Kostenaufwand her mit einer Stern-Dreieck-Schaltung vergleichbar, lassen sich aber neben ihren anderen Vorzügen ungleich einfacher planen bzw. installieren. Das individuelle Einstellen der Rampen erfolgt vor Ort über Drehschalter, was dem Servicepersonal sehr entgegen kommt, da somit hierfür nicht unbedingt ein Laptop erforderlich ist. Denn im Stadtgebiet gibt es weit verzweigt etwa 40 solcher Stationen, die konsequent auf die moderne Technik umgerüstet werden. Erreicht das Abwasser den Pegel von 1,7 m, schaltet die zweite Pumpe zu, um einen höheren Durchfluss zu erreichen. Diese wird über einen Frequenzumrichter Micromaster MM 440 von Siemens zur Durchflussregelung über variable Pumpendrehzahl gespeist.  

Durch den modularen Aufbau mit Grundgerät und Erweiterungsmodulen lässt sich der Simocode pro individuell zusammenstellen und auch mit dem Sicherheitsschaltgerät 3TK28 kombinieren.

Motormanagement mit „Sicherheitsschaltung“ Beide Pumpen besitzen je eine Antriebslösung über Sanftstarter und Frequenzumrichter. Damit aus Sicherheitsgründen nicht beide Stränge gleichzeitig mit Strom beaufschlagt werden können, wäre mit konventionellen Mitteln eine aufwändige Schütz- Verriegelung erforderlich. In Paderborn übernehmen stattdessen die Simocode-pro-Geräte diese Aufgabe. Die interne Wendestarter-Funktion sorgt dafür, dass immer nur ein Ausgang mit Strom versorgt werden kann. „Diese Lösung ist einfach und sicher zugleich“, freut sich Karlheinz Steffen, „und zeigt die Vielseitigkeit eines modernen Motormanagements.“ Sind die Pumpen angelaufen, erhält die Steuerung eine Reihe von Informationen über die aktivierten Funktionen, wie Überwachung auf Unter-/Überspannung, Stromfluss, Strom zu hoch/ zu niedrig und viele andere mehr. Daran kann der Prozesstechniker sehr gut erkennen, ob, wann und evtl. welche Störungen vorliegen. Quält sich der Motor beispielsweise aufgrund von größeren Schmutzpartikeln in der Pumpe, steigt der Strom. Kommt es zum schlimmsten Fall, nämlich einer Blockade, schützt der Simocode pro den gesamten Antrieb. Andreas Scharf berichtet: „Die Geräte besitzen einen Blockierschutz, der sich individuell einstellen lässt. Fließt beispielsweise der vierfache Nennstrom, schaltet der Simo- code pro selbständig den Antrieb in wenigen Millisekunden spannungsfrei.“ Das Überwachen einer normalen Strom-Zeit-Kennlinie ist in solchen Fällen meist zu träge, um die Pumpe sicher zu schützen. Motormanagement mit fünf Schieberventil-Funktionen. Alle diese Betriebszustände lassen sich vom Klärwerk aus beobachten. Hierzu gibt es im Schaltschrank der Pumpstation ein Modem, das die Informationen in die Zentrale leitet, von der aus sie über WLAN im gesamten Klärwerk auch auf einem Laptop dargestellt werden können. Auf dem gleichen Weg gelangen die Informationen über den eingangs erwähnten geregelten Überlaufschieber ins Klärwerk, der den zentralen Mischwasserkanal (Straßenabläufe, Dachentwässerung, Gullys, Abwasser) mit der Abschlageinrichtung zur Pader verbindet. Zur optimalen Funktionsweise des motorisch angetriebenen Flachschiebers besitzt ein Simocode pro fünf unterschiedliche, vorparametrierte Schiebersteuerungsprofile. Karlheinz Steffens bestätigt: „Eine solche Grundfunktion haben wir ausgewählt.“ Zusätzliche Steuerungs- funktionalitäten haben die beiden Praktiker über logische Und/Oder-Verknüpfungen im Motormanagementsystem vorgenommen. Aktives Motormanagement über Simocode pro. Das Motormanagement-Gerät besitzt eine Vielzahl von Funktionalitäten. Eine davon ist die Laufzeitüberwachung. Das Schieberventil benötigt jedoch eine Reihe von Zwischenpositionen, wes- halb hier eine andere Lösung zum Tragen kam. Über Positionsmelder, die am Simocode pro und zusätzlichen digitalen Erweiterungsmodulen angeschlossen werden können, lässt sich ein Stellantrieb mit Regelungsfunktion aufbauen. Sollte sich auch dort ein Fremdkörper verhaken, reagiert die Drehmomentüberwachung und schaltet den Antrieb ab. Eine entsprechende Störmeldung zeigt dies in der Leitwarte der STEB an. Im nächsten Schritt wollen die Verantwortlichen im Klärwerk Paderborn dazu übergehen, bestimmte Vorgänge zentral in der Leitwarte auszulösen. Ein Beispiel könnte das Reversieren der Pumpen bzw. des Schiebers sein, nachdem der Blockierschutz ausgelöst hat. Auf diese Weise können sich verhakte Teile wieder lösen und der Servicetechniker müsste nicht ausrücken. „Damit würden wir wertvolle Zeit sparen“, betont Karlheinz Steffens. Mit der Wendestarter-Funktion im Simocode pro ist das ohne weiteres durchführbar. Auch Siemens sieht in der Erweiterung der Bedienmöglichkeiten einen wichtigen Expansionsschritt. Bisher hatte der separate Bedienbaustein des Simocode pro, der häufig in die Schaltschranktür integriert wird, Tastenfelder und LEDs. In der neuen Konfiguration erhielt er zur Verbesserung des Bedienkomforts eine LCD-Anzeige mit Klartext-Ausgabe. Für die Not-Aus-Steuerung der einzelnen Pumpenstationen setzt man in Paderborn Sicherheitsschaltgeräte der Reihe Sirius 3TK28 von Siemens ein, die sich elegant an den Simocode pro anreihen und damit Platz sparen. Intelligente Geräte führen zu Prozessoptimierung Am Beispiel der Stadtentwässerung Paderborn zeigt sich, dass ein Technologiewechsel im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen eine Reihe von Vorteilen bringt. Durch die erhöhte Funktionalität eines umfassenden Motormanagementsystems lassen sich Prozesse gezielter überwachen und die Verfügbarkeit von Anlagen erhöhen.

Siemens AG
Automation and Drives
Low-Voltage Controls and Distribution
P.O. Box 48 48,
D-90327 Nuremberg

www.siemens.com/lowvoltage