Mot Vatten 4.0 med en digital tvilling
Många människor ser rent vatten som något självklart. Konsumenterna har en tillförlitlig försörjning av dricksvatten och avloppsvatten behandlas på ett säkert sätt, tack vare smarta, nätverksbaserade strategier som de som kommer från Berlins tekniska universitet (TU). Där studerar man innovativa koncept i en realistisk miljö med hjälp av en digital tvilling av en pumpstation.
Urbanisering och klimatförändringar belastar naturresurser runt om i världen. Ta exempelvis Berlin: Sedan år 2000 har staden fått nästan 300 000 nya invånare och har idag en befolkning på 3,6 miljoner – en tillväxt på 10 procent på bara 20 år. År 2030 kommer befolkningen troligen att ha ökat med ytterligare 200 000 personer. Jämfört med Asiens blomstrande megastäder kan denna tillväxt tyckas blygsam, men stadens vattenresurser är redan belastade.
Vattenförsörjning: Hantera globala utmaningar
Dessutom medför den globala uppvärmningen fler långa torra och varma perioder och prognoserna förutspår fler kraftiga regnväder. ”Torrperioder leder till illaluktande utsläpp från avloppsnätet och till korrosion. Kraftiga regnväder kan få avloppssystemet att svämma över och det kan leda till att förorenat avloppsvatten leds ut i miljön”, förklarar professor Paul Uwe Thamsen, chef för Department of Fluid System Dynamics inom Institute for Fluid Dynamics and Technical Acoustics vid TU Berlin.
Optimal användning av infrastruktur tack vare digitalisering
”Vår forskning är inriktad på att förbättra anläggnings- och systemdriften inom VA-branschen i Tyskland – i Berlin i synnerhet – och få befintliga system att fungera mer flexibelt och effektivt”, förklarar Thamsen. Digitaliseringen erbjuder viktiga verktyg för exempelvis nätverkssystem och för att stödja nya strategier för dataanalys vid drift och underhåll. Thamsen och hans team studerar nu några av dessa strategier med hjälp av en demonstrationsanläggning av en pumpstation som för närvarande kompletteras med en digital anläggningstvilling.
Blandade system är typiska för befintliga anläggningar, vilket gäller lika mycket inom VA-branschen som i alla andra industrier. Med hjälp av digitaliseringsportföljen från Siemens vill vi integrera alla dessa olika system till en enhetlig miljö.Professor Paul Uwe Thamsen, TU Berlin
Att göra digitaliseringen till en konkret erfarenhet
Siemens är en viktig partner som stöttar demonstrationsanläggningen med innovativa lösningar. ”Det gäller särskilt när man vill visa på fördelarna med digitalisering i specifika tillämpningar. Kunskap från områden som forskning, anläggningsteknik, automation och de specialkunskaper operatörerna på anläggningen har ger ny inspiration och idéer om hur man omvandlar digitalisering till en konkret erfarenhet”, säger Markus Lade, chef på Siemens AG Germany och global chef för Water/Waste Water Vertical.
Enhetlig digitalisering och automation
Just nu implementerar Siemens en omfattande digitaliserings- och automationslösning som omfattar tillgångsinventering och digitalisering, processinstrumentering, strömförsörjning, industriell kommunikation och säkerhet, motor- och pumphantering, processtyrsystemet samt tekniksystem och system för anläggningssimulering.
Slutpunkten kommer att vara en enda digital miljö för all pumpstationsinformation, från konstruktions- till drift- och underhållsdata, inklusive delvis autonoma system för detektering och eliminering av fel. Det dubbelriktade datautbytet mellan processteknik med Comos och processtyrsystemet Simatic PCS 7 säkerställer att informationen är aktuell under hela driftfasen.
Alla anläggningsdata i den digitala tvillingen
I början av projektet samlades alla fysiska anläggningskomponenter in med Bentleys programvara ContextCapture med hjälp av fotogrammetri och sammanställdes till en 3D-modell. Denna modell laddades sedan in i PlantSight, där den integreras med andra data för att skapa en digital tvilling av demonstrationsanläggningen.
”Detta är ett avgörande steg”, säger Thamsen. ”Det ger oss möjlighet att visa att digitalisering med framgång kan användas på befintliga anläggningar, inte bara i ett fåtal nya projekt.” För närvarande är modelldata kopplade till processtyrsystemet Simatic PCS 7 för att skapa en komplett digital tvilling som omfattar alla tekniska data och driftdata från anläggningen under hela livscykeln.
Vi stöder detta projekt med en digital tvilling för demonstrationsanläggningen – inte bara genom att leverera våra produkter och system, utan också genom att aktivt bidra till att lösa digitaliseringens utmaningar som ett team.Markus Lade, Siemens AG
Tillämpningarna visar på påtagliga fördelar
Att integrera intelligenta verktyg i demonstrationsanläggningen har gjort det möjligt för Thamsen att implementera de första innovativa koncepten. Till exempel kan effekt- och spänningsprofiler analyseras med motorhanteringssystemet Simocode, både lokalt och i molnet. Dessutom kan optimeringspotential också härledas från anläggningsdata med hjälp av modellen i PlantSight och molnbaserade algoritmer. Det kan hjälpa anläggningsoperatörer att proaktivt upptäcka och eliminera typiska fel i pumpstationer.
En applikation fokuserar på igensättning av pumpen som beror på att fiberrester flätas samman i avloppsvattnets virvelströmmar och byggs upp vid pumphjulet. I ett scenario med sämsta tänkbara utfall blockeras pumpen. ”Med den digitala tvillingen kan vi upptäcka igensättning baserat på driftparametrar och rengöra pumpen genom omvänd drift”, säger Thamsen.
Snabb driftsättning inom industrin
Eftersom demonstrationsanläggningen använder industrikomponenter som också används i många industriella avloppsvattenanläggningar kan nya lösningar snabbare sättas in inom branschen. ”Vi kan använda vår anläggning för att demonstrera hur man integrerar lösningar i en industrimiljö och visa direkta resultat i demonstrationsmiljön. Det bidrar till att minska tiden till marknadslansering för innovationer”, förklarar Thamsen och tillägger:
”Här har vi inte bara en demonstrationsanläggning, utan också en småskalig industrianläggning med ett processtyrsystem, drivsystem samt sensorer och ställdon. Med vår digitala tvilling kan vi erbjuda en praktisk demonstration av hur digitaliseringen ser ut och göra detta komplexa ämne tillgängligt, också för operatörer på anläggningar och för underhållspersonal. Därför är detta projekt en verklig milstolpe för Vatten 4.0!”
Professor Paul Uwe Thamsen avlade sin doktorsexamen 1992 vid Pfleiderer Institute of Jet Propulsion and Turbomachinery vid Braunschweigs tekniska universitet. Efter flera år hos en internationell tillverkare av pumpar och system kom han 2003 till fakulteten vid TU Berlin som professor vid Department of Fluid System Dynamics. Han deltar i många arbetsgrupper och föreningar, bland annat DWA (den tyska föreningen för vatten, avloppsvatten och avfall), VDI (tyska ingenjörsförbundet), VDMA (tyska teknikförbundet) och ASME (American Society of Mechanical Engineers). Sedan 2017 har han även varit internationell ordförande för vatten- och avloppsvattentransport vid NTNU i Trondheim.
För att skydda stadens många vattendrag som naturreservat och rekreationsområden samarbetar Berlins universitet, forskningsinstitut, myndigheter och privata företag för att göra Berlin till en smart stad. Detta arbete omfattar en stegvis uppgradering och optimering av den befintliga infrastrukturen. Förvaltningen för Berlins vattenverk vill implementera intelligenta system och infrastruktur som kommer att skapa en ”tvättsvampstad” som kan absorbera regnvatten och frigöra det när det behövs. Flera nya infrastruktursystem byggs för detta ändamål, men en optimal användning av alla befintliga anläggningar är minst lika viktigt.
Juni 2020
Håll dig uppdaterad!
Registrera dig för vårt nyhetsbrev med läsvärda godsaker inom digitalisering, infrastruktur, industriautomation och elektrifiering.
