1. Prozess- & Energieautomation
Ausgereiftes Bedienkonzept
für Biogasanlagen
Als natürliche und erneuerbare Energiequellen etablieren Thomas Schulz
sich zunehmend Anlagen zur Biogasgewinnung. Ein Anlagen­
lieferant setzt hierfür konsequent auf Standardbausteine.
Zum Einsatz kommen das Scada-System Proficy „iFIX“ sowie ist, rückgewonnen. Im zweiten Wär-
die Produktions- und Prozessdatenbank Proficy Historian. metauscher wird das Substrat auf
75 °C aufgeheizt und in einen von
drei Hygienisierungsbehältern ge-
pumpt. Während der Pasteurisierung
darf die Temperatur im Behälter in-
nerhalb einer Stunde nicht unter 70 °C
fallen, ansonsten muss das Substrat
noch einmal aufgeheizt werden. Mit-
tels kapazitiven Sensoren wird der
Füllstand im Edelstahlbehälter über-
wacht. Um thermische Schichtungen
und Ablagerungen zu vermeiden wird
mit einem Rührwerk das Substrat
ständig durchmischt
Die Beschickung mit Substrat er-
folgt in mehreren Chargen gleichmä-
ßig über den Tag verteilt in den
Bild 1. Biogasanlage Hauptfermentoren. Je nach der Tem-
peratur des Substrats im Zulauf wird
In den letzten Jahrzehnten hat sich Über die Annahmestelle werden die es gekühlt oder beheizt. In den Fer-
der Energieverbrauch drastisch er- Substrate der Hygienisierung zuge- mentoren erfolgen auch im Wesentli-
höht. Da die Reserven an fossilen führt, anschließend von dort über die chen der Abbau des organischen Ma-
Energieträgern jedoch bei Weitem Vorversäuerung zum Fermenter zur terials und damit die Gasproduktion.
nicht unerschöpflich sind, muss man Vergärung gepumpt (Bild 2). Im Fer- Entsprechend der beschickten Menge
sich längerfristig zwangsweise nach menter entsteht dann das brennbare fließt ausgegorenes Substrat im freien
Alternativen umsehen [1]. Nachhal- Biogas. Das Gas wird zwischengespei- Gefälle in den Nachgärfermenter und
tigkeit beinhaltet als normatives, in- chert und in einem Gasmotor zur Ge- wird dann weiter in das Endlager ge-
ternationales Leitprinzip einen zu- winnung von elektrischem Strom und
kunftsfähigen und vernünftigen Um- Wärme verwertet. Der produzierte
gang mit den begrenzt vorhandenen Strom wird über eine Trafostation in
Ressourcen. das Mittelspannungsnetz eingespeist.
Die Abwärme der Motoren wird zur
Anlagen zur Biogasgewinnung Betreibung der Anlage bzw. als Fern-
als alternative Energiequellen wärme zur Beheizung genutzt. Anfal-
In Anlagen zur Biogasgewinnung lendes Überschussgas wird in Gasfa-
(Bild 1) werden tierische Nebenpro- ckeln verbrannt.
dukte sowie Speise- und Lebensmittel- Der Annahmebehälter wird durch
reste anaerob zu Biogas vergoren [2]. die in die Annahmegrube geschütte-
ten Substrate mittels einer Tauch-
schneidepumpe oder direkt vom Tank-
Dipl.-Ing. Thomas Schulz ist als
Channel Manager im Unternehmen
fahrzeug befüllt. Die Annahmegrube
GE Intelligent Platforms für den wird mit Füllstandsschalter über-
Bereich Software and Services in wacht. Von dem Annahmebehälter
der Region Central and Eastern wird das Substrat mit einer Schne-
Europe zuständig
ckenpumpe durch zwei hintereinander
E-Mail: t.schulz@ge.com geschaltete Wärmetauscher geleitet.
Im ersten Wärmetauscher wird die
Wärmeenergie, die nach der Hygieni-
sierung noch im Substrat vorhanden Bild 2. Wirkprinzip der Biogasanlage
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2. Prozess- Energieautomation
pumpt. Falls die Temperatur im Fer- Das Scada-System bietet eine Viel- verschaffen kann und der gesamte
menter zu niedrig wird, ist mit Hilfe zahl von Möglichkeiten, um Prozess- Prozess überwacht wird. Verschiedene
der Logistikpumpe ein Aufwärmen zustände realistisch und anwender- Bedien- und Funktionalbilder können
über den Wärmetauscher möglich, freundlich nachzubilden. Die Gestal- durch einen Klick auf den entspre-
ebenso ist auch ein Umpumpen der tung der Bedienoberfläche bietet eine chenden Bereich aufgerufen und de-
Inhalte zwischen den Fermentoren flexible und aufgabengerechte Dar- tailliert dargestellt werden. Im unte-
möglich. stellung des Prozessdialogs. Einen ren Teil des Bilds sind die Alarm- und
Auf den Nachgärfermenter ist ein guten Überblick über den gesamten Meldeübersichten zu erkennen. Dort
Doppelmembrangasspeicher zur Zwi- Prozess gibt das Hauptbild der Bio- werden Zustände angezeigt, die nicht
schenspeicherung des Biogases aufge- gasanlage (Bild 3). Diese Anzeige ist quittiert werden müssen, sowie aktu-
setzt. Mit Hilfe eines Stützluftgebläses immer auf dem Bildschirm zu sehen ell anstehende Alarme deren Kennt-
wird Luft in den Raum zwischen den und kann weder entfernt noch kön- nisnahme im Online-Alarmbild vom
beiden Membranen eingeblasen. Da- nen Bedienhandlungen vorgenom- Bedienpersonal zu bestätigen sind.
durch wird einerseits ein im Gasraum men werden. Dabei war es für die Die Alarm- und Meldeübersichten
leichter Überdruck erzeugt und so ein Anlagenbedienung wichtig, dass sich können angezeigt, ausgedruckt und
ungewolltes Eindringen von Luft ver- der Betreiber leicht einen Überblick auf Massenspeicher archiviert wer-
hindert, andererseits erhält dadurch über den gesamten Anlagenzustand den. Dabei werden Bildschirm-,
die Außenmembran ihre Kuppelform
und damit die erforderliche Windsta-
bilität. Das ausgegorene Substrat wird
mit einer Pumpe aus dem Gärrestlager
zur Siebanlage gepumpt. In der Sieb-
anlage werden die restlichen Grob-
stoffe entfernt. Aus dem Schacht nach
der Siebanlage wird dann mittels ei-
ner zweiten Förderpumpe das Substrat
in das Gärresteendlager gepumpt.
Über zwei Schieber wird dann mittels
Signal vom Niveauschalter das Subs-
trat abgelassen. Per Tankwagen wird
das Substrat dann aus dem Übergabe-
tank abtransportiert.
Die zwei Blockheizkraftwerke-Stati-
onen dienen der Verwertung des Bio-
gases zur Produktion von elektrischer
Energie und Heißwasser. Allfälliges
Überschussgas wird über die Gasfa-
ckel verbrannt. Die Abwärme der
Blockheizkraftwerke wird in den Puf-
ferspeicher geladen. Von diesem wer-
den zwei Heizungsverteiler versorgt.
Scada-System
als Herzstück der Anlage
Eine Hauptanforderung des Anla-
genlieferanten war der strikte Einsatz
von Standardbausteinen im Hard-
und Softwarebereich. Diese Kompo-
nenten sollten praxisbewährt sein und
einen hohen Grad der Integration be-
sitzen. Das Scada-System „Proficy
iFIX“ sowie die Produktions- und Pro-
zessdatenbank „Proficy Historian“
von GE Intelligent Platforms [3] stel-
len das eigentliche Herzstück der An-
lage dar. Das Unternehmen Ormatic
GmbH [4] aus Berlin wurde aufgrund
ihrer langjährigen Erfahrungen im in-
ternationalen Anlagenbau mit der
Planung und Ausführung des Auto-
matisierungskonzeptes beauftragt.
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3. Prozess- Energieautomation
Grenzwerten und Bedienbilder zeigen dem Anlagenbe-
Störgrenzen sind diener den Betriebszustand von ein-
im Rahmen des in- zelnen Anlagenkomponenten unmit-
stallierten Systems telbar an. Ein Beispiel dafür sind die
vom Bedienperso- im Bild 4 aufgerufenen Detailbilder
nal einfach durch- der Vorversäuerung, Beschickung und
führbar. Dazu be- Fermentation.
darf es allerdings Die Prozesssignale werden in Form
der richtigen Zu- von grafischen Variablen in Prozess
gangsebene. Die Bildern dargestellt. Insgesamt hält die
übersichtliche Applikation der Biogasanlage mit dem
Handhabung der Scada-System über 1 500 externe In-
Software macht es put-Output-Datenpunkte. Mit ver-
dem Betreiber von schiedenartigen Animationsverknüp-
Anfang an mög- fungen kann praktisch jede Applika­
lich, selbst erfor- tionsstrategie abgedeckt werden. Ob-
derliche Anpas- jekte und Objektgruppen, einschließ-
sungen durchzu- lich ihrer Prozessverknüpfung, kön-
führen. Der anfal- nen hinsichtlich Zeiteinsparung in
lende Projektie- einer Bibliothek abgespeichert, ins-
Bild 3. Hauptbild Biogasanlage rungsaufwand tanziiert und wiederverwendet wer-
konnte im Ver- den. In den umfangreichen Symbolbi-
Druck- und Speicherformate indivi- gleich zu anderen vergleichbaren Pro- bliotheken des Scada-Systems liegen
duell festgelegt. jekten reduziert werden [5 und 6]. Im auch Echtzeit- und historische Trend-
Der Einsatz des Scada-Systems er- Hintergrund läuft zudem die Ferndiag- diagramme als fertige Module vor.
möglicht schnelle und effiziente Mo- nose als eigenständige Task ab. Abge- Historische Daten können angezeigt,
difikationen. Eine strukturierte Heran- rundet werden die Systemdienste durch abgespeichert und ausgedruckt wer-
gehensweise des Engineering ist ge- die Möglichkeit einer WLAN-Ferndia- den. Ebenfalls über fertige Module ist
kennzeichnet vom durchdachten mo- gnose. Im Störfall können Analysen die Bildschirmausgabe aller bzw. ein-
dularen Einsatz von Unterprogram- des System- bzw. Anlagenzustandes zelner Störmeldungen als Zusammen-
men und Objekten. Dadurch erhöht remote durchgeführt werden. Damit fassung oder Historie möglich.
sich unweigerlich die Übersichtlich- wird ein Echtzeit-Support der Anlage Ein graphisches Objekt oder ein
keit und Wartbarkeit der Anwendung. ohne Störung möglich. Symbol kann durch Anhängen soge-
Diese Vorteile machte sich Ormatic Aus dem Hauptbild der Prozessvisu- nannter Animationsverknüpfungen
sowohl bei der Inbetriebnahme als alisierung heraus können zwei Arten animiert werden. Diese veranlassen
auch bei nachträglichen Änderungen von Unterbildern aufgerufen werden. eine Veränderung des Erscheinungsbil-
und Anlagenerweiterungen zunutze. Zum einen sind dies Funktionalbil­ des eines Objekts oder Symbols, um
Spätere Neueingaben von Meldun- der, die über Buttons am oberen Änderungen eines Wertes innerhalb
gen, Steuerbefehlen, Sollwerten, Bildschirm ausgewählt werden und der Datenbank oder eines aus Variab-
Zusatzfunktionen len und anderen Werten zusammenge-
zum Prozess bein- setzten Ausdrucks widerzuspiegeln. Es
halten. Zum ande- kann sich beispielsweise in Abhängig-
ren werden die keit vom Betriebszustand die Farbe ei-
Unterbilder er- ner Pumpe ändern. Ferner kann das
gänzt durch Be- Pumpensymbol zu einer Schaltfläche
dienbilder, die di- gemacht werden, mit der die Pumpe
rekt aus der Ober- dann durch Anklicken ein bzw. ausge-
fläche heraus auf- schaltet werden kann. Es besteht die
gerufen werden Möglichkeit, einem Objekt oder Sym-
und den entspre- bol mehrere Animationsverknüpfun-
chenden Anla­ gen zuzuweisen. Durch Anklicken des
genteil detaillier- entsprechenden Schalters wird die je-
ter darstellen. Um weilige Verknüpfung ausgewählt und
die wichtigen De- die Dialogbox zur Definition der Ver-
tailinformationen knüpfungsdetails aufgerufen.
leicht aufzurufen,
wurde hier die Hohe Systemsicherheit
„Bild-in-Bild“- Ein wesentlicher Aspekt des Scada-
Technik verwen- Systems „Proficy iFIX“ ist die System-
det. Die dyna- sicherheit. Unbefugte Bedienung wird
Bild 4. Beispiele Detailbilder Biogasanlage misch animierten über einen frei konfigurierbaren Pass-
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4. Prozess- Energieautomation
wortschutz mit verschiedenen Zu- Erfassung und Archivierung
griffsebenen verhindert. Zu diesem von Produktions- und
Zweck erfolgt beim Start der Anwen- Prozessdaten
dung eine Abfrage von Benutzerna- Gerade bei Biogasanlagen ist
men und Passwort; zusätzlich kann es wichtig, dass sich der Betrei-
eine Aktivitäten-Überwachung akti- ber leicht und schnell einen
viert werden. Nach dem Anfahrzyklus Überblick über den Anlagenzu-
der Anlage kann der Bediener durch stand verschaffen kann. Das be-
Veränderungen der Sollwerte in den triebliche Berichtswesen soll da-
automatischen Prozess eingreifen und für sorgen, dass Mitarbeiter die
diesen gemäß den gewünschten tech- richtigen Informationen in ange-
nologischen Parametern beeinflussen. messenen Zeitrahmen und in der
Im Modus Bediener sind alle Be- gewünschten Form zur Verfü-
dienbilder und die darin enthaltenen gung gestellt bekommen. Füh-
Aktoren zu schalten und die Leistun- rungskräfte als auch Sacharbei-
gen der Frequenzumformer zu verän- ter benötigen in regelmäßigen
dern. Auch die Funktionalbilder, Alar- Abständen ereignisorientierte Bild 5. Chargen Report Hygienisierung
me und Trends sind abrufbar. Aller- Informationen über den Betrieb
dings ist kein Parametrieren der Anla- der gesamten Biogasanlage. Sie be- Präsentation der Ergebnisse. Basie-
ge möglich. Erst im Bedienmodus kommen Fakten geliefert, die ihnen rend auf den Microsoft Reporting Ser-
Experte kann in die Parametrierebe- helfen, Trends zu identifizieren, Kon- vices verfügt er über aussagefähige
nen gewechselt und die prozessbezo- trollen durchzuführen oder Planun- vorentwickelte Standardberichte so-
genen Einstellungen vorgenommen gen zu starten. wie flexible Auswertungen. Das Port-
werden. Es lassen sich sowohl allge- „Proficy Historian“ wurde speziell folio der Berichtstypen ist vielfältig.
meine Parameter für die Beschickung für die Erfassung, Verarbeitung, Ar- Eine Auswahl bereits vordefinierter
des Fermentationsprozesses sowie chivierung und Präsentation von Pro- Berichte bilden Tages-, Wochen-, Mo-
Sollwerte, Betriebsstundenzähler, duktions- und Prozessdaten entwi- nats-, Quartals- und Jahresberichte
Temperaturgrenzwerte als auch tech- ckelt. Das System dient der zentralen sowie der im Bild 5 ersichtliche Char-
nologische Parameter, wie Regelpara- Langzeitarchivierung und Auswer- gen-Report der Hygenisierung nach
meter oder Befüllmengen, an die sich tung von Prozesswerten, Meldungen den Vorgaben des Amts für Veterinär-
ändernde Anforderungen anpassen. und Alarmen, Operatoreingriffen und wesen.
Für Prozesspumpen und Ventile Chargenprotokollen. Es bekommt zur Das erfolgreich abgeschlossene und
sind im Automatik- und Handbetrieb Speicherung direkt vom Prozessleit- zuverlässig arbeitende Projekt doku-
Verriegelungen eingebaut. Dadurch system alle relevanten Informationen. mentiert: Mit zeitgemäßen und flexi-
wird verhindert, dass im Handbetrieb Spätere Analysen über Störungen und blen Standardsystemen können ver-
eine Prozesspumpe geschaltet wird, Stillstands-Zeiten über einen Zeit- schiedene Bedürfnisse unterschiedli-
ohne dass der zugehörige Medienfluss raum von mehreren Monaten oder cher Anlagenbetreiber kostengünstig
durch offene Ventile frei ist. Ventile Jahren helfen Schwachpunkte der An- bewältigt werden. Das leistungsfähige
wiederum können nicht geschaltet lage zu erkunden. So ist es möglich, Scada-System „Proficy iFIX“ und die
werden, wenn eine Pumpe im zugehö- exakte Kostenberechnungen durchzu- Produktions- und Prozessdatenbank
rigen Prozesskreis eingeschaltet ist. führen und die Prozessanlage opti- „Proficy Historian“ können die von
Sollte ein offenes Ventil die Endlage miert zu betreiben. Kundenseite gestellten Anforderun-
verlassen, wird automatisch die zuge- Zur Auswertung der in der Daten- gen erfolgreich meistern.
hörige Prozesspumpe augenblicklich bank gespeicherten Werte stehen um-
abgeschaltet. fangreiche, von Ormatic entwickelte Literatur
Jede hydraulische Stellarmatur Analyse- und Berichtsfunktionen zur [1] Pfaffenberger, W.; Ströbele, W: Energiewirt-
schaft: Einführung in Theorie und Politik.
kann in den Hand- als auch in den Verfügung. Alle Daten aus dem Profi- Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München:
Automatikbetrieb genommen werden. cy Historian Server sind problemlos 2009, 349 Seiten.
Nur im Handbetrieb ist der Button im Zugriff und beliebig kombinierbar [2] Weiland, P: Notwendigkeit der Biogasauf-
zum Auf-/Zuschalten sichtbar und für flexible Ansichten. Individuali- bereitung und Stand der Technik. In: Gül-
zower Fachgespräche, Band 21: Workshop
damit bedienbar. Die Prozesspumpen sierbare Berichte und Auswertungen Aufbereitung von Biogas, Fachagentur
und Rührwerke haben drei Arbeitszu- sind einfach aus bereits vordefinierten Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow-Prüzen:
stände, die sich gegenseitig verrie- Formularen zu generieren. Zudem ha- 2003, S. 23-35.
[3] GE Intelligent Platforms: www.ge-ip.com
geln. Im Automatikbetrieb werden die ben die einzelnen Berichte unter- [4] Ormatic GmbH: www.ormatic.de
Geräte als Automatikprogramm in der schiedliche Adressaten, die vom Ma- [5] Schulz, T.: Genügt höchsten Anforderungen
SPS geschaltet. Der Handbetrieb nagement bis zum Sachbearbeiter – Automatisierung einer Anlage zur Speise-
schaltet die Geräte über die Prozessvi- reichen. öl-Raffination. Pharma + Food, 3 (2000)
Nr. 1, S. 16-19.
sualisierung aus. Für den Wartungs- Der flexible Berichtsgenerator bietet [6] Schulz, T.; Mönkemeyer, F.: Redundantes
betrieb befindet sich am Schalterge- neben den reinen Abfragefunktionen Leitsystem für die Herstellung von Holzfa-
häuse ein Vorortschalter für die lokale zusätzliche Möglichkeiten zur inhalt- serplatten. etz Elektrotechnik + Automati-
on, 127 (2006), Nr. 11, S. 8-12 n
Bedienung. lichen und optischen Gestaltung der
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