Z digitalnim dvojčkom do vode 4.0

Z digitalnim dvojčkom do vode 4.0

Za številne ljudi je čista voda samoumevna. Čista voda zanesljivo priteče do uporabnikov, odpadna voda pa se zanesljivo očisti, za kar poskrbijo inteligentne in omrežene strategije. Na Tehnični univerzi Berlin črpalne postaje raziskujejo inovativne koncepte na digitalnem dvojčku.

Iz revije Hi!tech 1/22, marec 2022

Urbanizacija in podnebne spremembe po celem svetu negativno vplivajo na naravne vire. Tako se je na primer v nemški prestolnici Berlin število prebivalcev povišalo za skoraj 300.000 in sedaj znaša 3,6 milijona. Do leta 2030 bi se to število lahko povečalo še za dodatnih 200.000. V primerjavi z azijskimi metropolami so te številke sicer skromne, vendar pa za vodne vire ta rast predstavlja velik izziv.

 

Poleg tega velja, da bodo dolga obdobja suhega in vročega vremena zaradi globalnega segrevanja vedno bolj pogosta, hkrati pa napovedi predvidevajo vedno več obilnega dežja. "Suho vreme ne povzroča samo neprijetnih vonjav iz kanalizacije, ampak tudi močno korozijo njenih vgrajenih sestavnih delov. Pri močnem dežju pa pride do preobremenitve kanalizacijskega omrežja, kar lahko vodi do poplav in s tem sprostitve onesnaženih odpadnih voda," pojasnjuje Paul Uwe Thamsen, ki je vodja Katedre za sistemsko dinamiko fluidov pri Inštitutu za mehaniko tekočin in tehnično akustiko na Tehnični univerzi Berlin. 

 

"Z našimi raziskavami želimo prispevati k temu, da bi vodna gospodarstva lahko bolje, fleksibilneje in učinkoviteje uporabljala obstoječo infrastrukturo," poudari Thamsen. Pomemben instrument pri tem je digitalizacija procesov, kot sta obratovanje in vzdrževanje, na primer s povezovanjem sistemov v omrežje in z novimi načini podatkovne analize. Thamsen in njegova ekipa se trenutno v okviru številnih projektov ukvarjajo z raziskavo testne postavitve črpalne postaje, ki jo postopoma širijo z digitalnim dvojčkom.

Testna naprava črpalne postaje, ki postopoma dobiva digitalnega dvojčka.

Digitalizacija na dosegu roke 

Siemens kot pomemben partner raziskavo podpira s svojimi inovativnimi rešitvami. "Še posebej, ko gre za prikaz prednosti digitalizacije na konkretnih primerih, se na podlagi znanja iz raziskav, strojegradnje in avtomatizacije ter znanja upravljalcev strojev rojevajo nove ideje in pobude, zaradi katerih je digitalizacija bolj na dosegu roke, in to ne samo na področju vodnega gospodarstva," potrjuje vodja globalnega poslovanja za vode in odpadne vode pri Siemensu Markus Lade.

 

Siemens trenutno opremlja napravo z obsežno rešitvijo za njeno digitalizacijo in avtomatizacijo. Ta sega od zajema in digitalizacije sredstev, instrumentacije procesov, elektro napajanja, industrijske komunikacije in varnosti, preko upravljanja motorjev in črpalke ter sistema vodenja procesov, vse do sistemov za inženiring in simulacijo različnih stanj naprave.  

 

Rezultat tega je, da so vse informacije o testni postavitvi črpalne postaje, od podatkov o načrtovanju do informacij o obratovanju in vzdrževanju, deloma pa tudi neodvisno diagnosticiranje in odprava napak, na voljo v enem samem digitalnem okolju. Zaradi dvosmerne izmenjave podatkov med programsko opremo za procesni inženiring Comos in sistemom za vodenje procesov Simatic PCS 7 se informacije nenehno posodabljajo, tudi med obratovanjem naprave.   

 

V prvi fazi so bile s pomočjo programske opreme Context Capture podjetja Bentley s fotogrametrijo zajete vse fizične komponente naprave ter digitalizirane v 3D-modelu. Ta model so nato naložili v program PlanSight, kjer so ga povezali z dodatnimi podatki in tako ustvarili digitalni dvojček testne postavitve črpalne postaje. 

 

"Ta korak je bil za nas še posebej pomemben, saj smo lahko pokazali, da je digitalizacija možna tudi pri obstoječih napravah in ne samo pri novih," pojasni Thamsen. Podatki modela so trenutno povezani s procesno avtomatizacijo sistema za vodenje procesov Simatic PCS 7 ter tako tvorijo popoln digitalni dvojček naprave, v katerem so združeni vsi podatki o načrtovanju in delovanju naprave skozi njen celotni življenjski cikel.

Tipična značilnost obstoječih naprav, tudi pri vodnih gospodarstvih, so njihovi heterogeni sistemi. S Siemensovim digitalizacijskim portfeljem lahko te različne sisteme povežemo v enotno okolje.
Prof. Paul Uwe Thamsen, TU Berlin

Integracija inteligentnih orodij 

Z integracijo inteligentnih orodij v testno napravo je Thamsen že lahko preskušal prve inovativne koncepte. Tako lahko krivulje toka in napetosti v pogonu črpalke s pomočjo opreme za upravljanje motorjev Simocode preverja bodisi lokalno bodisi v oblaku. Vendar pa se možnosti za optimizacijo lahko izpeljejo tudi na podlagi modela v programu PlantSight, in sicer na podlagi podatkov o napravi in s pomočjo algoritmov iz oblaka. Na ta način je možno že vnaprej zaznati in se izogniti pogostim motnjam v delovanju črpalnih postaj.

 

Ena od takih motenj je tim. zapletanje, ko se dolgovlaknati materiali zvijajo v vrteči se vodi in se nato zberejo pred propelerjem. "S pomočjo digitalnega dvojčka lahko na osnovi parametrov zaznamo ta zapletanja in črpalko s povratnim delovanjem propelerja tudi očistimo," pojasni Thamsen.   

 

Ker je testna naprava opremljena z industrijskimi komponentami, ki se uporabljajo tudi v številnih napravah za čiščenje odpadnih vod, se takšne nove rešitve lahko hitreje prenesejo v prakso. "Sedaj lahko neposredno v naši napravi prikažemo, kako se lahko rešitve integrirajo v realno okolje, rezultate pa prikažemo v živo na demonstracijski napravi. S tem tudi inovacije hitreje najdejo pot na tržišče," pojasni Thamsen in doda: "Ta naprava ni samo testna naprava, ampak je celovita, resnična naprava, ki vsebuje sisteme za vodenje procesov, pogonsko tehniko, senzorje in aktuatorje. Z našim digitalnim dvojčkom postane kompleksno vprašanje digitalizacije enostavno in dosegljivo – še posebej za zaposlene, ki upravljajo napravo in za dežurno osebje. Po mojem mnenju to predstavlja resnični mejnik na poti proti vodi 4.0!"