ARTESS

ARTESS

Einleitung

Ziel und Inhalt des Projekts ARTESS ist die Automatisierung von Fluiden-Kreisläufen für die Aquakultur. Fluidkreisläufe sind keine singulären Produktionssysteme mehr (siehe primärer Kreislauf in Abbildung 1) sondern haben heute, um das Prozesswasser im Kreislauf zu halten, eine Komplexität erreicht, die eine kontinuierliche Überwachung erfordert. Grundsätzlich basieren moderne Fluid-Kreisläufe auf den Konzepten des «Stoffstrommanagements» und des «Ecological Engineerings». Automatisierung ist notwendig, um die Prozesse und deren Interaktionen durch Messen, Regeln, Steuern zu kontrollieren und damit sicher beherrschen zu können.
Moderne Fluid-Kreisläufe für die Aquakulturproduktion sind heute beinahe geschlossene Systeme, in denen gezielt Stoffströme, die als Folge der Zufuhr von Futtermitteln im Produktionstank entstehen (Abbildung 1), in einer primären Wasseraufbereitung behandelt werden. Die Stoffströme betreffen in erster Näherung Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P), die Bestandteil des Futters sind bzw. in den Stoffwechselprozessen der produzierten Organismen entstehen und von ihnen exkretiert werden. Die Stoffströme sind systemimmanent und werden in der primären Wasseraufbereitung teilweise aus dem Prozesswasser abgeschieden (gasförmige bzw. partikuläre Stoffe) oder umgewandelt (gelöste Stoffe) und damit in eine unkritische Verbindung überführt. Es entstehen im Produktionsprozess Reststoffe (partikuläre Stoffe), die einem Recycling zugeführt werden können. Ein Recycling von partikulären Stoffen ist zum Beispiel durch die Biogasproduktion möglich. Gelöste Stoffe können aus dem Prozesswasser durch eine sekundäre Wasseraufbereitung, in der C, N, P als Nährstoffe für Pflanzen verwendet werden, also durch das Wachstum der Pflanzen (Biomasseproduktion) entfernt werden. Prozesswasser, das im Recycling zurückgewonnen werden kann, kann ebenfalls in der sekundären Wasseraufbereitung aufbereitet werden. Die dabei entstehenden Prozesswasserströme können mit dem Frischwasser zurück in den Kreislauf gespeist werden.



Abbildung 1: Prinzipielles Fließbild eines modernen Fluid-Kreislaufs mit quasi geschlossener Wasserführung.

Abbildung 1 zeigt, dass ein moderner Fluid-Kreislauf für die Aquakultur grundsätzlich aus mehreren in sich verschachtelten Kreisläufen besteht. Jeder einzelne Kreislauf unterliegt zu-nächst eigenen Steueralgorithmen, die im Gesamtsystem in einem übergeordneten Algorithmus zusammengeführt werden müssen. Das Projekt ARTESS zeigt in hervorragender Weise, wie in Zusammenarbeit von Ingenieurwissenschaft und Naturwissenschaft komplexe Systeme beherrschbar werden. ARTESS ist Grundlage für die erfolgreiche Bearbeitung der Forschungs- und Entwicklungsprojekte HALOPHYTEN > und LANDMARK >. Diese Entwicklungsschritte sind in Hinblick auf die Anwendung von immenser Bedeutung, um Fluid-Kreisläufe zu Produktionssystemen zu entwickeln, die aufgrund konstanter Produktionsbedingungen die natürliche Leistungsfähigkeit von Organismen optimal nutzen.


Abbildung 2: Prinzipielles Schema der Datenerfassung als Grundlage für die Automatisierung von modernen Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur.

Der Fluid-Kreislauf ist ein in sich geschlossenes System, das in Bezug auf die Biomasseproduktion durch die Zufuhr von Futtermitteln versorgt wird. Dieser Stoff- und Energiequelle stehen Senken, d.h. Komponenten bzw. Verfahren und Prozesse in der Wasseraufbereitung, gegenüber, um die Bedingungen im Fluid konstant zu halten. Einen Überblick über die in einem Fluid-Kreislauf auftretenden Variablen und Möglichkeiten zur Datenerfassung gibt die Abbildung 2. Die Konstruktion auf der Basis von Physik, Chemie, Thermodynamik ist bei dem Verfahren des Fluid-Kreislaufs nur bedingt möglich, da sich ein entscheidender Anteil der biologischen Komponenten bzw. Verfahren und Prozesse einer unmittelbaren, naturgesetzlichen Beschreibung entzieht. Daraus ist herzuleiten, dass angepasste Automatisierungskonzepte entwickelt werden müssen, die die Bereiche Steuerung und Regelung (1) sowie die Zuverlässigkeitsüberprüfung (2) umfassen:
(1) Die grundlegenden Stoffwechselwege der beteiligten Organismen sind bekannt und lassen sich hinreichend für jede potentielle Art in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen über stochastische Modelle beschreiben. Die Modelle (Algorithmen, Parameter) müssen in die Prozessteuerung und Automatisierung implementiert werden, um eine vorauseilende Steuerung der Prozesse zu erreichen. Das ist notwendig, wenn der Fluid-Kreislauf zu einem technisch sicheren Verfahren ausgebaut und zu einem Standard in der Aquakultur werden soll. Dazu gehört auch eine Verbesserung der Modellbildung zur Beschreibung von Wechselbeziehungen als Grundlage für eine verbesserte Automatisierung und damit eine präzisere Prozesssteuerung.
(2) Neben der Steuerung kommt der Kontrolle einzelner Prozesse und der Gesamtheit aller Prozesse eine besondere Bedeutung zu. Das ergibt sich aus der höheren Unschärfe der Steuerung von Bioprozessen. Die Kontrolle der Prozesse ist mittels Kontrollstatistik (Kontrollkarten) möglich. Die Biofilterfunktion zum Beispiel kann mit hinreichender Genauigkeit mit einer Sättigungshyperbel angenähert werden. Die Sättigungshyperbel beschreibt dabei die Abbauleistung in Abhängigkeit von der Substratkonzentration (Ammonium/Ammoniak). Sind die Parameter der Sättigungshyperbel bekannt, kann die Biofilterfunktion in Form einer stochastischen Zuverlässigkeitsanalyse geprüft werden. Dieses Prinzip lässt sich auf eine Vielzahl der Prozessdaten anwenden.
Das Ziel des Projektes ist die Optimierung der Automatisierung von Fluiden-Kreisläufen in Zusammenarbeit von Ingenieurwissenschaften und Naturwissenschaften, die im IPP der HTWdS in hervorragender Form realisiert wurde.

 

Aufgabenstellung

Die Aufgabe der Automatisierung in den beiden Projekten LANDMARK und HALOPHYTEN war es, die Fluid-Kreisläufe mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung zu steuern bzw. zu regeln, sodass eine kontinuierliche Umwälzung sowie eine mechanische und biologische Filtration des Prozesswassers gewährleistet ist und die Tiere somit unter optimalen Bedingen heranwachsen können. Beide Anlagen sollten mit denselben Komponenten aufgebaut werden, sowohl von der Mechanik als auch von der Automatisierung, um zwei technisch identische Anlagen für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Verfügung zu haben. Die Energieversorgung und Prozesssteuerung sollte in separaten Schaltanlagen realisiert worden sein.
Als einzelne Arbeitsschritte waren geplant:

  • Elektrischer Anschluss der Aggregate
  • Automatisierung der Laboranlagen
  • Realisierung von Standardregelkreisen zur Prozessführung
  • Entwurf von statistischen Prozessregelungen
  • Visualisierung von Kreislaufprozessen
  • Erarbeitung von Bedienkonzepten

 

Durchgeführte Arbeiten

Zu Beginn der Arbeiten waren zwei Fluid-Kreisläufe betriebsbereit aufgebaut. Die Wasserzirkulation war über direkte Anschlüsse an das Stromnetz zunächst hergestellt worden, um die biologischen Komponenten (Biofilter) einzufahren (Aufbau eines aktiven Biofilms), was durch die gezielte Dosierung von Ammoniumstickstoff unterstützt wurde. Der erste Schritt im Projekt war es, eine zuverlässige und gegen Fehlerströme abgesicherte Energieversorgung aller Aggregate herzustellen. Dabei wurden schon die notwendigen Aktoren vorgesehen, die später mit der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbunden werden sollten. Alle elektrischen Installationen erfolgten in zwei unabhängigen Schaltschränken, die lediglich in Bezug auf generelle Alarmmeldungen, die die Betriebs- bzw. Arbeitssicherheit betreffen, logisch über die speicherprogrammierbaren Steuerungen miteinander verknüpft waren.
Der Aufbau der SPS erfolgte im Anschluss an die vorbereitenden Arbeiten basierend auf Lasten- und Pflichtenheft. Die Steuerung der Anlage wurde mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7-300 in der Bauform ET200S realisiert (Abbildung 3). Zur Visualisierung der Systemfunktion bzw. der Zustände einzelner Prozesse und um in Steuerungsprozesse einzugreifen, wurde ein Bildschirm-Tastfeld (Touch Panel TP177B Color) der Firma Siemens, welches über ein Profibus-Kabel mit der SPS verbunden ist, eingebaut. Somit hat der Bediener jederzeit die Möglichkeit in den ansonsten kontinuierlich laufenden Prozess einzugreifen, ihn anzuhalten oder Messdaten der eingebauten Sensoren zu erfassen bzw. abzulesen.
Es wurden für die Messwerterfassung im Fluid der Kreisläufe eine Vielzahl von Sondensysteme mit den notwendigen Vorverstärkern und analog/digital Wandlern installiert um den pH-Wert, die Sauerstoffkonzentration, die Temperatur, die Leitfähigkeit und das REDOX-Potential kontinuierlich zu erfassen. Die Messwerte werden in einem Unterprogramm der Automatisierungssoftware verarbeitet, für die Visualisierung vorbereitet und auf dem Touchpanel als Echtzeitdaten bzw. als Zeitverlauf ausgegeben.


Abbildung 3: Realisierung der Automatisierung von zwei Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur von Fischen, die für Forschung- und Entwicklungsarbeiten in den Projekten LANDMARK  und HALOPHYTEN eingesetzt werden.

Die Aktoren (Relais, Schütze) werden über Unterprogramme in der SPS Software angesprochen, die zunächst noch als unstetige Zweipunktregler mit zwei Ausgangszuständen ausgelegt wurden. Zusätzliche Unterroutinen prüfen allerdings kontinuierlich die Plausibilität der Schaltzustände um im negativen Fall den Prozess selbstständig in sichere Bereiche zu fahren. Bei Ausfall eines der für deren Betrieb erforderlichen Sensors werden die betroffenen Prozesse in einen zeitgesteuerten Notbetrieb versetzt, der keine Regelung von Prozessgrößen erlaubt, allerdings das Überleben der Tiere sicherstellt, bis das Bedienungspersonal eingetroffen ist.
Im Verlauf der Automatisierung der Anlagen wurde ein umfassendes und modulares Störmeldesystem entwickelt, welches flexibel und erweiterbar ist, dem Bediener der Anlagen visuell und akustisch Rückmeldungen zu Prozesszuständen außerhalb des Routine-Regelbetriebs gibt. Die Meldungen sind unterteilt in einfache Warnungen sowie Fehlerzustände, die der unmittelbaren Aufmerksamkeit des Bedienpersonals bedürfen. Zur Erhöhung der Anlagensicherheit wurde ein automatischer E-Mailversand bei Auftritt eines kritischen Fehlers eingerichtet. Jeweils unabhängig voneinander senden die Bediengeräte im Fehlerfall eine E-Mail an die Gruppe des Bedienpersonals, so dass diese unverzüglich informiert werden und eingreifen können.
Zur späteren wissenschaftlichen Auswertung von Prozessdaten wurde eine flexible Datenerfassung auf Basis offener Kommunikationsschnittstellen geschaffen. Ein Datenerfassungsrechner verbindet sich über einen Handshakebetrieb mit den Anlagensteuerungen und protokolliert relevante Prozessdaten in Sekundenintervallen.
Im Testbetrieb befindet sich eine Fernzugriff-Lösung über einen VPN-Router, der zukünftig eine Fernwartung und Fernsteuerung der Anlagen erlauben soll. Es ist geplant, eine vergleichbare Lösung über einen offenen Standard zu entwickeln, um diese Möglichkeiten auch weiterhin nutzen zu können. Die benötigte Hardware kann von dem Labor für Automatisierung nur für den Zeitraum der studentischen Entwicklungsarbeit zur Verfügung gestellt werden.

 

Projektmitarbeiter

Jochen Bauer, Prof. Dr. Benedikt Faupel, Dipl. Biol. Verena Hanke, B.Eng. Benjamin Schmitt, Prof. Dr. Uwe Waller, Dr. Bert Wecker

 

Fördermittelgeber

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

 

Beteiligte Hochschulen und Unternehmen

Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH

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Sponsoren

SIEMENS

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