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Schweizerische Gesellschaft für Automatik
Association Suisse pour l’Automatique
Swiss Society for Automatic Control
www.sga-asspa.ch
SGA – ASSPA – SSAC BULLETIN
Nr. 47 «Automatiksklaven im täglichen Leben»
Editorial
Sehr geehrte Mitglieder,
nachdem in den letzten zwei Bulletins die Robotik im Vordergrund gestanden ist, vom spielerischen bis zum spektakulären und visionären Einsatz, stehen im vorliegenden Bulletin
Automatikaufgaben für einmal im Vordergrund, die normalerweise nicht so im Scheinwerferlicht stehen, es sei denn etwas funktioniert nicht richtig. Ich möchte Ihnen diese Aufgaben
am täglichen morgendlichen Genuss eines von einer Kaffeemaschine präparierten Café
Crèmes, Cappuccinos, Café macchiatos oder wie sie alle heissen, vorstellen.
Wenn sie morgens nach dem Aufstehen die genannten Kaffees geniessen wollen, müssen
die folgenden drei Aufgaben im Hintergrund gelöst sein: sichere Elektrizitätsversorgung,
sichere Wasserversorgung und eine einwandfrei funktionierende Kaffeemaschine. Diese
drei Voraussetzungen werden in den folgenden drei Beiträgen abgedeckt.
Zuerst wird eine Kaffeemaschine von der Firma «thermoplan» vorgestellt, die einen verführerischen Kaffeegeschmack dank verschiedener Steuer- und Regelfunktionen für Sie
garantieren kann. Um dies aber auch immer erfüllen zu können, muss sauberes
Trinkwasser und eine sichere Stromversorgung vorhanden sein. Im Beitrag der Firma
Rittmeyer, die besonders auf dem Gebiet der Wasserversorgung führend ist, wird gezeigt,
was alles für Aufgaben im Hintergrund ablaufen müssen, damit das Trinkwasser im rechten
Zeitpunkt zur Verfügung steht. Im letzten Beitrag von der ETHZ wird gezeigt, was alles
getan werden muss, dass Sie möglichst von einem Blackout, wie sie in letzter Zeit aus
verschiedenen Gründen aufgetreten sind, verschont bleiben. Auch hier arbeiten die
Automatiksklaven im Hintergrund.
Als Editor begrüsse ich in diesem Bulletin vor allem unsere neue Leserschaft aus der Gesellschaft für Sensortechnik. Wir von der SGA sind erfreut, dass wir für unseres Bulletin
einen Partner gefunden haben, der einerseits von unseren Beiträgen profitieren kann, andererseits auch eine gute Lösung gefunden hat, um seine Aktivitäten, Vereinsnachrichten und
sicher auch Beiträge zu veröffentlichen. Ich hoffe, dass wir mit diesem redaktionellen Zusammenschluss (die beiden Gesellschaften bleiben beide separat bestehen), für alle eine
win-win Situation gefunden haben.
Zum Abschluss fordere ich sie auf, dass Sie, bevor Sie die nächsten Seiten beginnen zu
lesen, sich einen guten Kaffee gönnen: die angesprochenen Automatiksklaven sind schon
lange im Einsatz.
Mit freundlichen Grüssen
Peter Gruber
Inhalt
Editorial
Innovationsprojekt – Tiger
Leittechnik für kommunale Wasserversorgung
Grundlagen einer sicheren und zuverlässigen elektrischen Energieversorgung
SGA intern
Informationen, Impressum
SVS intern
1
2
6
11
16
17
18
Kontakt
Dr. Peter Gruber
Rittmeyer AG
Inwilerriedstr. 57
6341 Baar
E-Mail:
[email protected]
Internet:
www.rittmeyer.com
HTA Luzern
Technikumstr. 21
6048 Horw
E-Mail: [email protected]
SGA Bulletin Nr. 47 Juni 2007
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Innovationsprojekt – Tiger
Die «smarte» vollautomatische Kaffeemaschine
Die Thermoplan AG ist ein Schweizer Unternehmen und wurde 1974 gegründet und beschäftigt heute 150 Mitarbeiter/innen. Sie gehört seit Jahren zu den innovativsten Herstellern von Maschinen für die Gastronomie und Hotellerie. Sowohl bei den Schlagsahneautomaten und Milchautomaten, wie auch bei den Kaffeevollautomaten hat sich das von Esther
und Domenic Steiner geführte Unternehmen weltweit an vorderster Front etabliert. Die Produkte werden heute in über 70 Ländern erfolgreich verkauft. Ein sehr wichtiger Kunde für
Thermoplan ist die weltweit bekannte Kaffeekette Starbuks. Die ständige Verbesserung der
Produkte sowie kompetente Vertriebspartner bilden die Basis für eine auch in Zukunft dynamische Weiterentwicklung des Unternehmens.
Wir tun es. Denn nur so werden wir unserem Grundsatz gerecht, nicht Probleme zu lösen,
sondern Ideen für Profis zu finden. Der Umsetzung dieses Anspruchs verdanken wir unseren Erfolg und die Zufriedenheit unserer Kunden. Unsere neusten Ideen finden Sie in unserem revolutionären «Tiger».
Kontakt
Stefan Büeler
Thermoplan AG
Röhrlistrasse 22
6353 Weggis
Tel.: 041 39212 40
[email protected]
Einführung
Im Sommer 2003 wurde die Idee geboren, eine smarte, kleine Kaffeemaschine zu entwickeln. Die Vorgaben für dieses Projekt lauteten: kleines Volumen, kaum grösser als ein
herkömmlicher Vollautomat für den privaten Haushalt, vom Leistungsprofil her jedoch für
den professionellen Anwendungsbereich geeignet. Das Zielsegment für das neue Gerät
sollen Einsatzorte sein, wo schon bisher eine professionelle Maschine gefragt, aber aus
Kostengründen zu teuer war wie z.B. Bars, kleinere Restaurants, Verpflegungsinseln in
Unternehmen etc.
Unter der Bezeichnung «Tiger» ist dieser «smarte» Vollautomat 2005 an der IGEHO in
Basel erstmals vorgestellt worden. Von der Leistungsklasse her, kann «Tiger» mit den professionellen, grossen Kaffeemaschinen mithalten. Von den Produkten her, verfügt «Tiger»
über eine vollständige Palette. Ein Novum ist die Möglichkeit, Cappuccino, Macchiato oder
nur Milchschaum kalt herzustellen und dies in einer einzigartigen, bisher nie erreichten
Qualität. Natürlich sind auch warme und kalte Milch oder Milchschaum, sowie Heisswasser
und Dampf verfügbar.
Technische Daten der Tiger:
STUNDENLEISTUNGEN
MODELLE «TIGER»
Kaffee
140/h
TIGER CT1+2
Espresso
180/h
Standard, ein oder zwei Mahlwerke
Cappuccino
120/h
TIGER CTM1+2
Latte
100/h
Pods
60/h
Heisswasser
30 l/h
Dampf
Spannung
Leistung
Strom
Wasseranschluss
Mit Dampf-System, ein oder zwei Mahlwerke
1,2 bar Dauerlauf
ANSCHLUSSWERTE
Gewicht
Mit ThermoFoam-System, ein oder zwei Mahlwerk
TIGER CTS1+2
MODELLE UNTERBAU
28 kg
115-230V 50/60 Hz
2,9 KW
13A/25A
3/8“G/2–4 bar
Unterbau mit 4 Liter Milchtank oder Tassenwärmer gross
Unterbau mit 2 Liter Milchtank und 4 Liter Wassertank
Unterbau mit 4 Liter Wassertank und Tassenwärmer klein
Abb. 1:
«Tiger» mit bzw. ohne
Unterbau
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Abb. 2:
Entwurfszeichnungen
Stand der Technik beim Projektstart
Bei der Realisierung dieser Entwicklung mussten teils völlig neue Wege gesucht werden
Aufgrund des kleinen Formfaktors von «Tiger», konnten auf dem Markt keine Standardkomponenten gefunden werden, die den professionellen Ansprüchen gerecht wurden. Alle
Teile waren um Faktor 2 bis 3 zu gross. Schnell wurde erkannt, dass die Realisierung dieses Projekts nur über die Entwicklung neuer Schlüsselkomponenten möglich war. Wasserund Milchpumpe, Mahlwerk, Wasserboiler, Durchlauferhitzer für die Milch, ein Kühlsystem
für den Milchvorrat und natürlich auch die ganze Brühgruppe musste neu entwickelt, oder
massiv in ihrer Grösse reduziert werden. Eine spezielle Herausforderung stellte die Entwicklung von geeigneten Pumpen dar. In allen bisher produzierten Kaffeemaschinen wurden
handelsübliche Standardpumpen eingesetzt. Auf diesem Gebiet musste zuerst das notwendige Wissen erarbeitet werden, um eine eigene Pumpe in der geforderten Grösse und Leistung entwickeln zu können. Bereits dieses Unterfangen war an sich eine Herkulesaufgabe
wenn man bedenkt, dass es spezialisierte Firmen gibt, die sich ausschliesslich mit der Entwicklung und Produktion von Pumpen beschäftigen.
Projektteam für die Entwicklung
Die Koordination der Entwicklungsarbeiten wurde vom IPL, dem Thermoplan eigenen Innovations- und Entwicklungs-Atelier im Wallis wahrgenommen. In diesem Atelier arbeiteten bis
zu 13 Ingenieure und Spezialisten an der Entwicklung der neuen hydraulischen und mechanischen Komponenten. Vom Industriedesigner Hubert Bruttin, wurde ein schönes und gefälliges Gehäuse entworfen.
Als Entwicklungspartner für die notwendige Steuerungselektronik wurde die Elektronikfirma
Delisys AG in Münsingen beauftragt. Delisys ist bereits seit Jahren ein Zulieferer von elektronischen Steuerbaugruppen für Thermoplan Apparate. Das Kerngebiet von Delisys ist die
Entwicklung von kundenspezifischen Steuerungskomponenten für industrielle Anwendung.
Mit zehn Beschäftigten, davon sechs HW & SW-Ingenieure, werden technologisch hochwertige Produkte für führende Unternehmen in der Schweiz entwickelt und hergestellt.
Kontakt Co-Autor
Robert Bircher
Delisys AG
Südstrasse 1a
3110 Münsingen
Tel.: 031 722 10 30
[email protected]
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Neue Möglichkeiten dank Regelungstechnik
Konventionell aufgebaute Kaffeemaschinen, nutzen für den Antrieb von Pumpen und Mahlwerken 115/230 VAC Motoren mit konstanter Drehzahl. Diese Antriebsaggregate sind zwar
erprobt und kostengünstig, für die geforderte Leistungsdichte in der «Tiger» Maschine waren diese jedoch viel zu sperrig und zu gross. Durch den Einsatz von bürstenlosen DCMotoren (BLC) konnte die benötigte Effizienz erreicht werden. Im Unterschied zu den ACMotoren, brauchen die BLC-Motoren jedoch eine recht komplexe Ansteuerung. Dieser Umstand hat jedoch auch den Vorteil, dass die Drehzahlen der Antriebsmotoren in einem weiten Bereich wähl- und regelbar sind und damit den jeweiligen Anwendungen optimal angepasst werden können.
Konventionell aufgebaute Kaffeemaschinen, nutzen für den Antrieb von Pumpen und Mahlwerken 115/230 VAC Motoren mit konstanter Drehzahl. Diese Antriebsaggregate sind zwar
erprobt und kostengünstig, für die geforderte Leistungsdichte in der «Tiger» Maschine waren diese jedoch viel zu sperrig und zu gross. Durch den Einsatz von bürstenlosen DCMotoren (BLC) konnte die benötigte Effizienz erreicht werden. Im Unterschied zu den ACMotoren, brauchen die BLC-Motoren jedoch eine recht komplexe Ansteuerung. Dieser Umstand hat jedoch auch den Vorteil, dass die Drehzahlen der Antriebsmotoren in einem weiten Bereich wähl- und regelbar sind und damit den jeweiligen Anwendungen optimal angepasst werden können.
Die Ansteuerung des Kaffeemahlwerks ist ein Beispiel für Regelungstechnik. Durch das
Aufbrechen der Kaffeebohnen entstehen am Antriebsmotor grosse Lastwechsel. Ungedämpft werden diese Lastwechsel vom Ohr als unangenehme Laufgeräusche wahrgenommen. Bei einem konventionellen, mit AC-Motoren angetriebenen Mahlwerk, ermögliche
allein schon die vorhandene, grosse Schwungmasse, einen akzeptablen Rundlauf. Anders
stellt sich die Situation durch den Einsatz von kleinen, aber hochdynamischen BLC-Motoren
dar. Hier kann ein ruhiger Rundlauf des Mahlwerks nur durch eine entsprechend effiziente
Motoren-Drehzahlregelung ausgeglichen werden.
Diese, zum Teil unkonventionellen Kombinationen von mechanischen und elektronischen
Komponenten, erlaubten aber auch Anwendungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen
Standardteilen nicht zu erreichen ist. Als Beispiel sei die Milchpumpe erwähnt, wo über die
variable Drehzahlregelung verschiedene Sonderfunktionen möglich wurden. So kann über
ein kurzes Hochfahren der Pumpendrehzahl, Milch aus unterschiedlichen Behälter und
Höhen zuverlässig angesaugt werden. Eine weitere Spezialität ist die Möglichkeit, durch
eine variable Pumpendrehzahl die optimale Produktqualität aus der Milch herauszuholen.
So sind für die Herstellung von warmer und kalter Milch, oder von kaltem und heissem
Milchschaum, jeweils für jedes einzelne Produkt unterschiedliche Drehzahlen optimal.
Eine Herausforderung war auch die Heizregelung des Heisswasserboilers. Auch hier wurde
das Boilervolumen, gegenüber bisherigen Maschinen um mehr als die Hälfte, auf 0.5 Liter
reduziert.
Die Regelstrecke über dem Boiler hat eine Totzeit von 22 Sekunden. Die Boilerheizung eine
elektrische Leistung von 2,5kW, der Wasserdurchfluss liegt zwischen 0,1 bis 1 Liter/Minute.
Dabei soll eine maximale Über- oder Unterschwingen der Temperatur nicht mehr als ca. 2%
der eingestellten Temperatur betragen. Diese Aufgabe ist mit der klassischen Regelungstechnik nicht lösbar. Über ein ausgeklügeltes Wärmequanten Management, kombiniert mit
klassischen Methoden, konnte auch diese Aufgabe vollständig gelöst werden.
Automatische Regelung der Kaffee Qualität «Coffee Quality Adjustment»
(CQA)
Eine gleichbleibende gute Kaffeequalität ist abhängig von mehreren Faktoren. Einer der
unsteten Grössen ist die Mahlleistung der Kaffeemühlen. Je nach Kaffeebohnen, Kaffeesorten, Röstung, Kaffeeproduktionslose, aber auch Abnützung der Mahlscheiben usw. bringt
hier Unterschiede. Unter der Bezeichnung CQA, hat das Entwicklungsteam für diese Problematik eine elegante Lösung gefunden. Diese Qualitätsregelung ist durch die präzise Steuerung der Brühkammer und eine automatische Selbstjustierung möglich geworden. Diese
Innovation wurde von Thermoplan erstmals in der «Tiger» Maschine eingebaut.
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Hauptregelungskreise bei der Tiger Kaffeemaschine
•
Drehzahlregelung Mahlwerk Motor (BLC)
•
Drehzahlregelung Wasserpumpe Motor
•
Drehzahlregelung Milchpumpe Motor
•
Geschwindigkeit, Fahrweg, Kraft, Druck und Wegmessung Brühwerk Motor
•
Heisswasserboiler
•
Dampfboiler Regelung (Dampfdruck)
•
Heizregelung Durchlauferhitzer für Milchprodukte
•
Temperaturregelung Milchbehälter (Kühlaggregat)
•
Automatischer Dampfstop bei definierter Temperatur
•
Automatische Regelung der Kaffeequalität «Coffee Quality Adjustment» (CQA)
Hürden bei der Entwicklung der Steuerplatine zu «Tiger»
Im März 2005 wurde alle notwendigen Funktionseinheiten für die Tiger Maschine festgelegt.
Wie bei den übrigen Komponenten, standen auch für die Steuerung nur minimale Platzverhältnisse zur Verfügung. Auf eine Platinengrösse von 120 x 220 mm, mussten alle Komponenten für die ganze Steuerlogik und insbesondere vier voneinander unabhängigen Treiberschaltungen für bürstelose DC-Motoren platziert werden. Um gleichzeitig den Bezug von
Milch und Kaffee zu ermöglichen, sollen drei der Motoren gleichzeitig betrieben werden
können. Als besondere Hürde beim Design, erwiesen sich die geforderten Ausgangsströmen von jeweils 9A bei zwei der vier Motoren. Dies erforderte Bauteile in diskreter Technik
und mit konventionellen Kühlkörpern. Weitere zwei Motorentreiber mit 5A Strömen konnten
in SMD Technik realisiert werden. Vollbestückt, umfasst die Steuerplatine 668 Komponenten. Natürlich wurden beim Design auch die geltenden EMV-Normen für Störemissionen,
Störtunempfindlichkeit und ESD-Festigkeit berücksichtigt und erfüllt.
Abb. 3:
Steuerungsbaugruppe zu
Tiger
Zusammenfassung
Um die ambitiösen Projektziele zu erreichen, mussten alte Pfade verlassen und nach neue
Varianten und Konzepten gesucht werden. Dieser Ansatz erforderte eine gute interdisziplinäre Zusammenarbeit von Fachspezialisten aus Hydraulik, Mechanik, Design und Elektronik.
Wenn es der Schweizer Industrie gelingt, die verschiedenen Fachkompetenzen richtig zu
bündeln, wie dies im Projekt Tiger gelungen ist, sind wegweisende Innovationen möglich.
An diesem konkreten Projekt lässt sich aufzeigen, dass Spitzentechnologie zu konkurrenzfähigen Preisen, auch auf dem Werkplatz Schweiz produziert werden kann.
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Leittechnik für kommunale Wasserversorgungen
Aufgabenstellung
Kommunale Wasserversorgungen haben die Aufgabe, dem Kunden Trinkwasser mit bester
Qualität (Lebensmittelverordnung) in ausreichender Menge und jederzeit zu liefern.
Damit dies so erfüllt werden kann, müssen viele Aufgaben gelöst werden, welche den meisten Verbrauchern verborgen bleiben. Dies kommt nicht von ungefähr, sind doch die Einrichtungen der Wasserversorgung im Erdreich oder mindestens gut getarnt realisiert. Somit sind
sich die wenigsten Verbraucher bewusst, was alles zu einem sicheren Wasserbezug rund
um die Uhr gehört.
In diesem Artikel soll das Thema «Leittechnik für kommunale Wasserversorgungen» dargestellt werden.
Eine zuverlässige leittechnische Ausrüstung ist erforderlich, um Wasserversorgungen sowohl manuell als auch automatisch zu führen, und zwar ohne wesentlichen Personaleinsatz,
und damit kostengünstig zu betreiben. Die Leittechnik wird damit zu einer wichtigen Aufgabe
im Rahmen der Planung und Realisierung einer Wasserversorgung. Fachgerecht konzipiert
und anwendergerecht realisiert, können damit nicht nur Investitionskosten minimalisiert,
sondern auch Betriebskosten wesentlich gesenkt werden.
Wasserversorgungen stehen heute – wie alle Bereiche der Wirtschaft – unter dem Zwang,
besser und billiger zu werden, ohne dass die Leistung sinken darf. Eine Aufgabe, die gerade
bei einem fixkostenlastigen Unternehmen, wie dies eine Wasserversorgung darstellt, und
erst noch bei ständig sinkendem Wasserverbrauch nicht einfach zu lösen ist. Eine prozessangepasste Leittechnik ermöglicht die Senkung von Energiekosten (Pumpkosten), die Reduktion des Personaleinsatzes dank Automatisierung, z.B. bei Aufbereitungen oder Erkennen von Netzverlusten durch präzise Durchflussmengen und Erstellung von Bilanzen über
die einzelnen Verbrauchszonen, um nur einige Möglichkeiten aufzuzeigen.
Trinkwassergewinnung
Trinkwasser kann auf verschiedene Arten gewonnen werden:
•
aus Quellwasser
•
aus Grundwasser
•
aus Oberflächenwasser
• durch Meerwasserentsalzung
Im europäischen Raum sind die ersten 3 Arten am häufigsten anzutreffen.
Damit das Wasser die Trinkwasserverordnung erfüllt, muss es oftmals aufbereitet werden.
Manchmal genügt eine einfache Entkeimung mittels Chlorierung oder UV-Bestrahlung oder
aber es sind komplexere Aufbereitungsprozesse, vorzugsweise mit Filtrationsverfahren
(Sandfilter, Mikrofilter, Ultrafiltration, Nanofiltration bis zur Umkehrosmose), erforderlich.
Trinkwasserverteilung
Die Trinkwasservorkommen sind oft weit entfernt von den Verbrauchern. Daher muss über
Pumpen und Rohrleitungen das Wasser zum Verbraucher geführt werden.
Vorrats-Behälter garantieren für jeden Verbraucher eine gesicherte Versorgung. Als Hochbehälter ausgeführt, sorgen sie auch für genügenden Druck beim Verbraucher.
Prinzipiell werden Wasserversorgungen schon bei der Planung mit Redundanzen bzw.
Backup-Systemen versehen. So werden z.B. fest eingebaute Reservepumpen vorgesehen.
Hochbehälter haben immer 2 Kammern. Somit kann z. B. eine Kammer gereinigt werden,
ohne dass der Verbraucher dies bemerkt. Eine Kommune hat meistens bei Ausfall der eigenen Wasserversorgung eine Notwasserbezugsstelle zur Nachbargemeinde.
Im großen und Ganzen sind in der Regel die Hauptleitungen vernetzt, was die Versorgung
aus verschiedenen Richtungen ermöglicht.
Kurz gesagt: Wasserversorgungen sind in sich sehr sicher und zuverlässig geplant und
aufgebaut.
Kontakt:
Heinz Gross
Rittmeyer AG
Inwilerriedstrasse 57
6341 Baar
Tel.: 041 767 14 71
www.rittmeyer.com
[email protected]
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Verteiltes Leitsystem
Eine Trinkwasserversorgung stellt einen dezentralen, weiträumigen Prozess dar. In jedem
Aussenobjekt sorgt eine Automatisierungsstation für die Ein- und Ausgabe der relevanten
Signale wie Messwerte, Meldungen, Befehle usw. sowie für die Vor-Ort-Verarbeitung bezüglich der lokalen Steuer- und Regelaufgaben (siehe Abb.1). Die Steuerung der Wasserversorgung wird heute vermehrt mit derjenigen der Elektrizitätsversorgung kombiniert.
Abb. 4: Systemübersicht
einer Wasser- und Elektrizitätsversorgung
(Uetikon, ZH)
Kommunikation
Die Kommunikation unter den Stationen und zur Leitstelle richtet sich nach den zur Verfügung stehenden Übertragungswegen. Man unterscheidet zwischen LAN (Local area network) und WAN (Wide area network).
IEC60870-5-104 über GPRS
VP
N
• Bis 48 kbps
• Distanz unbeschränkt
• GSM Netz
ADSL / VPN
Telefonnetz
ADSL
• Wie Standanalog
leitung
VP
N
GSM Network
GPRS
INTERNET
GSM Network
GPRS
Abb. 5:Die Kommunikation
mittels GPRS ist zeitgemäss und genügend leistungsfähig.
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Als Prozess-LAN wird vorzugsweise Ethernet mit TCP/IP eingesetzt mit dem Übertragungsprotokoll 60870-5-104. Im Fernbereich wird zunehmend als Prozess-WAN ebenfalls Ethernet mit TCP/IP verwendet. Es gibt aber noch viele vorhandene Anlagen mit bestehenden
Verbindungen über proprietäre Fernwirkprotokolle. Oft sind keine dauernden Datenverbindungen möglich. In diesen Fällen kommen Wählleitungen (über Festnetz oder GSM) zur
Anwendung. Ebenfalls zur Anwendung kommen GPRS und Funk.
Automatisierungsfunktionen
Allgemein
Die Automatisierungsfunktionen sind sehr vielfältig und umfassend. Die untenstehende Liste
fasst die wichtigsten Funktionen zusammen:
•
Bewirtschaftung des gesamten Reservoirvolumens und Anpassung der Pumpenförderung an den Verbrauch und damit Minimierung der Pumpkosten (RBA.
•
Ausgleich der Füllstände mehrerer Reservoirs (RFA)
•
Präzise Regelung von drehzahlvariablen Pumpen zur Einhaltung von optimalen Drücken, Durchflüssen oder Wasserständen (z.B. schonendes Bewirtschaften oder Einsparung bei Netzdruckregelungen).
•
Optimales Ausnutzen von Quellschüttungen
•
Eruierung von Wasserverlusten dank genauer Durchflussmesser und Mengenprotokollierung einzelner Messstellen und Zonenverbrauch sowie Bilanzierung über die gesamte
Versorgungsanlage.
•
Automatisierung von Aufbereitungsanlagen und dadurch Einsparung von Personalkosten.
•
Bewirtschaftung von Trinkwasserkraftwerken zur Rückgewinnung von Fallenergie in
elektrische Energie mit Integration dieser Anlagen in die übergeordnete Führung der
Gesamtanlage.
•
Sicherstellen der Wasserqualität durch Erfassung gefährdender Stoffe (Trübung, Nitrat
usw.) und automatische Ausleitung in den Verwurf.
•
Überwachung der Stellorgane (Pumpen, Klappen, Schieber) und Generierung von Meldungen an das Betriebspersonal, damit eine erforderliche Wartung nicht vergessen wird.
•
Einbruchschutz für alle Objekte (Reservoire, Pumpwerke, Schächte) der Wasserversorgung. Anbindung der Sensoren (Türkontakte, Bewegungsmelder) an die Unterstationen
und Übertragung zur Interventionsstelle.
•
Rationelle Erstellung von Betriebsprotokollen und Berichten für Aufsichtsbehörden der
Gemeinde, Kantone oder andere institutionelle Organisationen.
•
Rationeller und damit kostengünstiger sowie stressfreier Bereitschaftsdienst dank Einsatz von neuzeitlichen Mitteln, wie Sprachprozessorausgabe, Pager und abgesetzter
Arbeitsplatz.
•
Störungsanalyse und Fernwartung des Leitsystems durch den Lieferanten dank Modemanschluss und damit Fernzugriff auf die Daten den zentralen Archivrechners.
•
Kombination des Leitsystems der Wasserversorgung mit allfälligen weiteren vorhandenen Einrichtungen (Branchen), wie Strom, Gas, Fernwärme, Kraftwerke und Beschneidungsanlagen.
Auf alles einzugehen, würde den Rahmen dieses Beitrages sprengen. Es sollen daher zwei
wichtige Funktionen dargestellt werden (die zwei ersten Funktionen der Liste).
Reservoir-Bewirtschaftungs-Automatik (RBA)
Die RBA ist eine wasserstandsabhängige Pumpen- und Klappensteuerung für Wasserversorgungen.
Der Reservoirwasserstand wird mit einer definierten Sollwertkurve verglichen und schaltet
entsprechend der Abweichung Pumpen oder Klappen zu oder ab.
Die Sollwertkurve wird in täglichen Intervallen vorgegeben, die dann zu einer Wochenkurve
zusammengefügt werden.
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Mit der RBA wird unter anderem erreicht, dass
• die Wasserproduktion der spezifischen Situation dieser Wasserversorgung angepasst ist;
• Hoch- und Niedertarif- Stromkosten optimiert sind;
• jederzeit genügend Kapazität für Quellwasser vorhanden ist;
• eine erzwungene Wasserumwälzung im Reservoir stattfindet;
• eine gleichmässige Wassergewinnung resultiert und Tiefbrunnen geschont werden;
• zu gewünschten Zeiten kein Wasser gefördert wird (z.B. über Mittag), ausser im Notfall;
• und der Wasserstand im Behälter zu Reinigungszwecken gezielt und kontrolliert gesenkt
wird.
Diese Softwarefunktion ist eine ausgeklügelte, bewährte Lösung. Die Eingabe und Parametrierung und Darstellung erfolgt auf dem Leitsystem.
Die Steuerfunktionen werden in der Automatisierungsstation (SPS) programmiert. Neu eingegebene Parameter werden jedoch unverzüglich von der Leitstelle in die Unterstation
übertragen und dort ausfallsicher gespeichert.
Abb. 6: Graphische Darstellung der Sollwertkurven auf dem Bildschirm
des Leitsystems
Eine Bitte des Sekretariates – SGA Jahresbeitrag
Leider sind noch immer einzelne Rechnungen der Jahresbeiträge 2007 offen. Zahlungserinnerungen und Mahnungen sind einerseits unangenehm, andererseits verursachen sie Kosten. Daher erlaube ich mir Sie hiermit höflich zu bitten, die noch nicht beglichenen Rechnungen anzuweisen. So helfen Sie die Administration und dadurch entstehenden Kosten
niedrig zu halten.
Zahlungserinnerung
SGA Jahresbeitrag 2007
SGA Bulletin Nr. 47 Juni 2007
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Reservoir-Füllstands-Ausgleichsautomatik (RFA)
Man stelle sich folgende hydraulische Situation vor:
Abb. 7: Hydraulische Situation von 2 Reservoirs auf
derselben statischen Höhe
Zwei Reservoire (Hochbehälter) sind auf derselben Höhe angeordnet. Der eine Behälter
liegt auf der einen Talseite, der andere auf der gegenüberliegenden. Unter den beiden Behältern befinden sich die Verbraucher dieser Druckzone. Gespeist werden beide Behälter
durch dasselbe Pumpwerk.
Auf den ersten Blick würde man meinen, diese beiden Behälter würden nach dem Prinzip
der kommunizierenden Gefäße parallel laufen. Weit gefehlt! Durch die Reibungsverluste in
den Rohrleitungen, welche sich quadratisch zum Durchfluss verhalten, ergeben sich in den
beiden Behältern – obwohl sie auf der selben statischen Höhe angeordnet sind – nicht die
gleichen Druckverhältnisse.
Damit nun die Volumen beider Behälter genutzt werden können, braucht es eine Zwangsmassnahme. Jeder Behälter wird über einen Füllzweig beschickt. Die Entnahme erfolgt über
den Leerzweig. Als Stellorgane wirken Klappen, welche in jedem Zweig angeordnet wird.
Damit hat die Reservoir-Füllstandsautomatik (RFA) die Aufgabe, die Füllstände der zwei
Reservoirs auszugleichen. Das gesamte Brauchvolumen der auf gleicher Höhe gebauten
Reservoirs wird dadurch am besten ausgenützt.
Ein sicherer Automatikbetrieb ist unter folgenden Bedingungen zu gewährleisten:
•
Störgrössen, herrührend von Stufenpumpwerken. Einlauforganen oder unsymmetrischen Zu- oder Abfluss in den einzelnen Reservoirs sollen optimal ausgeregelt werden.
Dazu müssen die hydraulischen Daten des Verteilernetzes so sein, dass der Ausgleich
physikalisch möglich ist.
•
Die übergeordnete Niveaubewirtschaftung der Reservoirs soll nicht beeinflusst werden.
•
Die Automatik darf die Löschwassereinsparung im Verteilernetz nicht behindern.
•
Ein Totalausfall zwischen Verteilernetz und Reservoir darf nicht eintreten.
•
Bei Störungen der Messwerte (Füllstände, Klappenstellungen) sollen die Regulierklappen in die Mittelstellung gefahren werden, um ihre Wirkung zu neutralisieren.
•
Bei Ausfall der Leitautomatik, der Objektautomatik oder des Fernwirksystems soll die
Regulierklappe in die Mittelstellung fahren.
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Grundlagen einer sicheren und zuverlässigen elektrischen
Energieversorgung
Einleitung
Elektrische Energie verfügt über Eigenschaften, die sie im Vergleich zu anderen Energieformen auszeichnen: Sie kann nicht nur relativ einfach gemessen, gesteuert und geregelt
werden, sondern auch effizient und zuverlässig transportiert werden. Da elektrische Energie
selber eine Sekundärenergie ist, muss sie durch Umwandlung aus Primärenergien gewonnen werden. Ein elektrisches Energieversorgungssystem hat damit die folgenden Aufgaben
zu erfüllen:
Kontakt:
Monika Ruh
ETH Zürich
Physikstrasse 3
Institut für Elektrische
Energieübertragung und
Hochspannungstechnik
•
Nutzbarmachung der in den natürlich vorkommenden Energieträgern vorhandenen Pri- Tel.: 044 632 28 39
märenergien;
[email protected]
•
Umwandlung der erschlossenen Primärenergien in elektrische Energie;
•
Transport und Verteilung der erzeugten elektrischen Energie über grosse räumliche
Distanzen zu den Verbrauchern.
Tatsächlich ist die Verwendung der Primärenergien wie Wasserkraft, Windkraft, Sonnenenergie, Kernenergie oder fossile Brennstoffe nur deshalb so effizient, weil die gewonnene
Energie in Form von elektrischer Energie transportiert und verteilt wird. Aufgrund all dieser
Vorteile kann elektrische Energie als ideale Energieform bezeichnet werden.
Neben all den genannten Vorteilen hat elektrische Energie aber einen gravierenden Nachteil: Sie kann in grossen Mengen nicht gespeichert werden. Das hat zur Folge, dass elektrische Energie in den Kraftwerken in dem Moment erzeugt werden muss, in dem sie die
Verbraucher benötigen. Um unverzüglich auf die Schwankungen der Verbraucherleistung
reagieren zu können, braucht ein elektrisches Verbundsystem Kraftwerke, die dank kurzen
Anfahrzeiten schnell in Betrieb genommen bzw. abgeschaltet werden können und deren
elektrische Leistung innerhalb einer gewissen Bandbreite sofort regelbar ist. Solche sogenannten Regelkraftwerke sind vor allem Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke, die die
Energie indirekt über die potentielle Energie des gestauten Wassers speichern können. In
Gebieten, in denen der Einsatz von Speicher- oder Pumpspeicherkraftwerken aufgrund der
topographischen Beschaffenheiten nicht gegeben ist, werden auch Öl- oder Gaskraftwerke
als Regelkraftwerke eingesetzt. Dies hat allerdings zum Nachteil, dass die betreffenden
Kraftwerke ihren Brennstoff schlecht ausnützen, da ihre Gasturbinen dauernd auf Betriebstemperatur gehalten werden müssen. Über 70% der eingesetzten Primärenergie werden so
ungenutzt als Abwärme an die Umwelt abgegeben.
Leitungsgebundene Energieübertragung
Eine physikalische Besonderheit der elektrischen Energie besteht darin, dass ihr Transport
von den erzeugenden Kraftwerken zu den Verbrauchern leitungsgebunden erfolgt. Das
elektrische Energieübertragungssystem muss deshalb so geplant und ausgebaut sein, dass
der Stromtransport von den Erzeugern zu den Verbrauchern sicher und zuverlässig unter
Berücksichtigung von sicherheitstechnischen Bedingungen und unter Einhaltung von
Schutz- und Stabilitätskriterien erfolgen kann. Ohne ein ausreichend vermaschtes Übertragungsnetz mit genügend Übertragungskapazitäten wäre eine optimale Wahl von wirtschaftlich und technisch sinnvollen Kraftwerksstandorten und damit eine zuverlässige und wirtschaftliche Energieversorgung nicht möglich. Denn das Übertragungsnetz bildet die Voraussetzung dafür, dass regionale und überregionale Erzeugungs- und Belastungsunterschiede
ausgenutzt bzw. berücksichtigt werden können. Nur ein gut ausgebautes Übertragungsnetz
ermöglicht einen rationellen Verbundbetrieb, der die Energie-Ressourcen optimal ausnutzt
und mit einem Minimum an Reserven auskommt.
Aus den genannten Gründen ist das Europäische Verbundsystem, ein engmaschiges Netz
aus Höchst- und Hochspannungsleitungen, das sich vom Süden von Italien bis zum Norden
Dänemarks und vom Westen von Portugal bis zum Osten von Rumänien erstreckt, im vergangenen Jahrhundert nach und nach aufgebaut worden. Das primäre Ziel bei der Zusammenschliessung der Übertragungsnetze der einzelnen europäischen Länder zu einem gemeinsamen Verbundsystem war die Erhöhung der Versorgungssicherheit. Für einen europaweiten grenzüberschreitenden Stromhandel war das europäische Verbundsystem ursprünglich jedoch nicht vorgesehen.
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Die Liberalisierung des europäischen Strommarktes hat nun aber zu einer drastischen Zunahme des grenzüberschreitenden Stromhandels geführt. Als Folge davon werden heute
viele der Übertragungsleitungen zwischen den einzelnen europäischen Ländern an der
Grenze ihrer Belastbarkeit betrieben. Beispielsweise wurden am frühen Sonntagmorgen des
28. Septembers 2003 kurz vor dem Italien-Blackout alle Grenzleitungen nach Italien nahe
an ihrer Belastungsgrenze betrieben, da Italien zu diesem Zeitpunkt über 6600 MW an
elektrischer Leistung importierte. Als die erste Leitung infolge eines Überschlags auf einen
Baum ausfiel, mussten die verbleibenden Grenzleitungen, die bereits zuvor stark ausgelastet waren, die Leistung der ausgefallenen Leitung noch zusätzlich übernehmen. Da es den
verantwortlichen italienischen Netzoperatoren nicht gelang, die italienische Lastsituation
rechzeitig zu entschärfen, kam es rund 20 Minuten nach dem Ausfall der ersten Leitung zu
einer kaskadenartigen Abschaltung aller übrigen Grenzleitungen, was zum landesweiten
Blackout in Italien führte.
Regelung des elektrischen Energieübertragungssystems
Aufgrund der erwähnten Tatsache, dass elektrische Energie in grossen Mengen nicht speicherbar ist, besteht die wichtigste Regelungsaufgabe in einem elektrischen Energieübertragungssystem in der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und
Verbrauch.
Das elektrische Energieübertragungssystem befindet sich in seinem Soll-Zustand, wenn die
von den Generatoren erzeugte und die von den Verbrauchern bezogene Wirkleistung im
Gleichgewicht sind und wenn die Synchrongeneratoren aller einspeisenden Kraftwerke mit
ihrer Nenndrehzahl rotieren. Die Netzfrequenz befindet sich dann auf ihrem Sollwert von 50
Hz.
Wenn eine Änderung in der Verbraucherleistung auftritt, entsteht ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch. Ist die von den Verbrauchern bezogene Wirkleistung
grösser als die von den Generatoren erzeugte Wirkleistung, so wird die Leistungsdifferenz
unmittelbar durch die kinetische Energie der rotierenden Teile der Turbinen und Generatoren kompensiert, die dadurch abgebremst werden. Dies bewirkt eine Absenkung der Netzfrequenz. Im umgekehrten Fall, wenn die von den Verbrauchern bezogene Wirkleistung
kleiner als die von den Generatoren erzeugte Wirkleistung ist, führt die Leistungsdifferenz
dazu, dass die rotierenden Teile der Turbinen und Generatoren beschleunigt werden. Dies
führt zu einem Anstieg der Netzfrequenz. Es besteht also ein funktioneller Zusammenhang
zwischen der Netzfrequenz und der Wirkleistung in einem Verbundsystem: Ein Mangel an
Wirkleistung im Netz bewirkt eine Absenkung der Netzfrequenz, ein Überschuss an
Wirkleistung hat dagegen einen Anstieg der Netzfrequenz zur Folge. Ein Ungleichgewicht
zwischen Verbraucher- und Erzeugerleistung kann auch als Folge eines Generatorausfalls
entstehen.
Aufgrund des funktionellen Zusammenhangs zwischen der Wirkleistung und der Netzfrequenz ist letztere ein sehr guter Indikator für das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und
Verbrauch. Sie hat zudem im gesamten Verbundsystem denselben Wert. Der Grund hierfür
ist, dass Wirkleistung aufgrund der relativ kleinen Widerstände der Übertragungsleitungen
gut transportiert werden kann. Daher wird in einem Verbundsystem die Wirkleistung häufig
auch als globale Grösse bezeichnet – dies im Gegensatz zur Blindleistung, die eher als
lokales Phänomen betrachtet wird. Da bei Hochspannungsfreileitungen die längenbezogenen Induktivitäten normalerweise viel grösser als die längenbezogenen Widerstände sind,
wird Blindleistung nämlich kaum transportiert.
Die erwähnten Abweichungen der Netzfrequenz von ihrem Sollwert gilt es sogleich auszuregeln. Da viele der angeschlossenen Verbraucher sehr empfindlich auf Frequenzabweichungen reagieren und am besten funktionieren, wenn die Netzfrequenz ihren Sollwert
besitzt, hat die sogenannte Frequenzregelung dafür zu sorgen, dass die Netzfrequenz nicht
zu sehr von ihrem Sollwert abweicht, sondern auch während unvorhergesehener Ereignisse
wie Generatorausfällen oder plötzlichen grossen Lastschwankungen auf einem akzeptablen
Wert gehalten wird.
Eine notwendige Voraussetzung für die Frequenzregelung ist das Bereitstehen von Reserveleistung. In Abhängigkeit davon, wie schnell und wo die Regelung durchgeführt und welche Reserveleistung dafür verwendet wird, lässt sich die Frequenzregelung unterteilen in
primäre, sekundäre und tertiäre Frequenzregelung.
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Primäre Frequenzregelung oder Primärregelung
Kraftwerke, die an der Primärregelung teilnehmen, sind mit Turbinenreglern ausgerüstet, die
als Proportionalregler wirken. Beträgt die Abweichung der Netzfrequenz von ihrem Sollwert
mehr als 10 mHz, wird die Primärreglung aktiviert. Die Turbinenregler bewirken dann innerhalb von wenigen Sekunden eine Änderung ihrer Maschinenleistung entsprechend ihrer
Kennlinie. Hierfür halten diese Kraftwerke einige Prozent ihrer möglichen Erzeugerleistung
als Reserve frei. Mit dieser freigehaltenen Reserve, die als Primärregelreserve oder Momentanreserve bezeichnet wird, müssen diese Kraftwerke in der Lage sein, ihre erhöhte
bzw. verringerte Leistungsabgabe bis zu 15 Minuten halten zu können.
Sekundäre Frequenzregelung oder Sekundärregelung
Die überlagerte Sekundärregelung hat die Aufgabe, die von der Primärregelung noch verbliebene Frequenzabweichung auszuregeln bzw. die Netzfrequenz wieder auf ihren Sollwert
von 50 Hz zurückzuführen. Die Sekundärreglung wird nur in jenem Netzabschnitt des Verbundsystems aktiviert, in dem die Ursache für die aufgetretene Frequenzabweichung liegt.
Dies geschieht, indem die sich automatisch aktivierenden zentralen Sekundärregler die
tatsächlichen Austauschleistungen zu den benachbarten Netzabschnitten mit den in den
Fahrplänen deklarierten Austauschleistungen vergleichen. Anhand der so bestimmten Leistungsdifferenz und der gemessenen Frequenzabweichung bestimmt jeder Sekundärregler
wie viel Erzeugungsleistung im seinem Netzabschnitt zusätzlich bzw. weniger benötigt wird.
In jedem Netzabschnitt müssen deshalb Kraftwerke vorhanden sein, die in der Lage sind,
innerhalb von Sekunden bis zu wenigen Minuten die vom Sekundärregler bestimmte Erzeugungsleistung zur Verfügung zu stellen. Die hierfür von diesen Kraftwerken freigehaltene
Reserveleistung wird als Sekundärreserveleistung bezeichnet.
Tertiäre Frequenzregelung
Die der Sekundärregelung überlagerte tertiäre Frequenzregelung wird von den zuständigen
Netzoperatoren in den Netzleitzentralen manuell aktiviert. Die Aufgabe der tertiären Frequenzregelung ist es, die Sekundärregelleistung bei starker Inanspruchnahme abzulösen.
Dafür müssen genügend Regelkraftwerke vorhanden sein, die über ausreichend Reserveleistung, die sogenannte Minutenreserve, verfügen. Nur dank ausreichend vorhandener
Minutenreserve können zudem unplanmässige Ausfälle von einzelnen Kraftwerken kompensiert werden.
Kraftwerkseinsatzplanung
Um die Erzeugerleistung an die grösseren tageszeitlichen und jahreszeitlichen Änderungen
der Verbraucherleistung anpassen zu können, müssen die Generatoren der Kraftwerke
entsprechend in Betrieb genommen oder abgeschaltet werden. Dafür werden vorab anhand
von Prognosen der zu er-wartenden Verbraucherleistung Pläne erstellt, welche Kraftwerke
zu welchen Zeitpunkten ans Netz gehen oder abgeschaltet werden sollen. Für diese Kraftwerkseinsatzplanung sind neben rein wirtschaftlichen Faktoren wie zum Beispiel die Brennstoffkosten vor allem auch technische Faktoren wie die Anlaufszeiten der Turbinen der
einzelnen Kraftwerke entscheidend. Während Turbinen von Wasserkraftwerken oder Gasturbinen sehr kurze Anlaufszeiten von typischerweise ein paar Minuten aufweisen, haben
thermische Kraftwerke – egal ob konventionell oder nuklear-thermisch – Anlaufszeiten von
mehreren Stunden.
Aufgrund der Anlaufszeiten und der Brennstoffkosten können die Kraftwerke in drei Kategorien aufgeteilt werden:
Spitzenlastkraftwerke
(Betriebszeiten von 1000 bis 2000 Stunden pro Jahr)
•
- Speicherkraftwerke
•
- Pumpspeicherkraftwerke
•
- Gasturbinen
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Mittellastkraftwerke
(Betriebszeiten von 3000 bis 4000 Stunden pro Jahr)
•
Fossilthermische Kraftwerke
•
Biothermische Kraftwerke
Grundlastkraftwerke
(Betriebszeiten von 5000 bis 6000 Stunden pro Jahr)
•
Laufwasserkraftwerke
• Kernkraftwerke
Die obige Aufteilung ist nicht strikt und kann daher in verschiedenen Verbundsystemen
etwas variieren. Aus den in der Aufteilung angegebenen Anzahl Betriebsstunden wird jedoch deutlich ersichtlich, dass jedes Kraftwerk zu bestimmten Zeiten abgeschaltet und damit nicht an der Produktion der elektrischen Energie beteiligt ist. Die gesamte installierte
Leistung in einem Verbundsystem muss daher immer grösser sein, als dessen mittlere
Verbraucherleistung. Vor allem Kraftwerke, die erneuerbare Energien als Primärenergien
nutzen, wie zum Beispiel Photovoltaik-Kraftwerke oder Windkraftwerke, können nur zu jenen Zeiten elektrische Energie produzieren, zu denen ihre Primärenergie zur Verfügung
steht, also wenn die Sonneneinstrahlung ausreichend ist, bzw. wenn genügend Wind vorhanden ist.
Die erwähnten Regelkraftwerke können aufgrund ihrer Betriebszeiten und ihrer genutzten
Primärenergien der Kategorie der Spitzenlastkraftwerke zugeteilt werden.
Elektrisches Übertragungsnetz
Automatisierungsebene
Überwachen
Regeln
Netzleitsystem
Nachführen
Auslösen
Melden
Übersteuern
Anzeigen
Erfassen
Aufzeichnen
Unterstation Omega
Alarme
Prior 1
Prior 2
Prior 3
Betriebstagebuch
Alarmtagebuch
Schalthandlungen
Wartungstagebuch
KW Alpha
Netzanalysefunktionen
KW Beta
100 MVA
I [kA]
I [kA]
P [MVA] 78.077
I [kA]
4.507
P [MVA] 43.565
I [kA]
Q [MVar]
3.814
P [MVA] 37.867
Q [MVar]
7.156
P [MVA] 71.041
Q [MVar ] 18.449
Q [MVar] 11.547
100 MVA
8.027
4.576
I [kA ]
3.342
P [MVA] 33.174
Q [MVar]
4.009
8.585
I [kA]
3.520
P [MVA] 34.512
Q [MVar]
Industrieanlage
Gamma
6.902
Industrieanlage
Zeta
Quartier Delta
Quartier Epsilon
Abb. 8:
Die übergeordnete zentrale
Netzführung wird von den
verantwortlichen Operatoren mit Hilfe des Netzleitsystems durchgeführt.
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Die übergeordnete zentrale Netzführung wird von den verantwortlichen
Operatoren mithilfe des Netzleitsystems durchgeführt.
Nicht alle Spitzenlastkraftwerke sind jedoch auch Regelkraftwerke. Gewöhnliche Spitzenlastkraftwerke werden zwar zu Spitzenlastzeiten in Betrieb genommen, aber nur nach einem
im Voraus bestimmten Fahrplan. Regelkraftwerke werden dagegen immer dann in Betrieb
genommen, wenn infolge eines unvorhergesehenen Ereignisses wie zum Beispiel eines
Generatorausfalles ihre Regelleistung benötigt wird.
Die grossen Anfahrzeiten der thermischen Kraftwerke erfordern eine recht genaue Vorhersage des zu erwartenden Verbrauchs. Da die tatsächliche Verbraucherleistung aber nie
vollkommen richtig prognostiziert werden kann, braucht es die erwähnte Reserveleistung,
welche die Differenz zwischen der Vorhersage und der tatsächlich auftretenden Verbraucherleistung auszugleichen vermag.
Netzleitzentralen und Netzleitsysteme
Um zu allen Zeitpunkten einen sicheren und wirtschaftlichen Netzbetrieb garantieren zu
können, braucht es neben der beschriebenen Frequenzregelung eine allen anderen Regelungen übergeordnete zentrale Netzführung. Diese zentrale Netzführung läuft im Gegensatz
zur primären und sekundären Frequenzregelung nicht mehr vollautomatisch ab, sondern
wird von den zuständigen Operatoren in den Netzleitzentralen mithilfe moderner Netzleitsysteme durchgeführt. Mit den vom Leitsystem erhaltenen Informationen und mit seinem technischen Wissen und seiner Erfahrung entscheidet der zuständige Operator, welche Schalthandlugen vorzunehmen sind oder nicht. Die äusserste Regelungsschleife wird daher von
den verantwortlichen Operatoren «geschlossen». Entsprechend ist es sehr wichtig, dass die
eingesetzten Netzleitsysteme nach ergonomischen Prinzipien gestaltet sind.
Mehrere der Blackouts der vergangenen Jahre haben die Wichtigkeit ergonomisch gestalteter Netzleitsysteme bestätigt. Die Untersuchungen dieser Blackouts haben gezeigt, dass
einige der eingesetzten Netzleitsysteme nicht genügend ergonomisch gestaltet waren, so
dass sie die verantwortlichen Netzoperatoren in den Netzleitzentralen nicht wie gewünscht
unterstützen konnten. Zum Beispiel war die Alarmverdichtung und –filterung nicht ausreichend oder die Visualisierung des aktuellen Netzzustandes war missverständlich. Die Netzoperatoren verloren so wertvolle Zeit mit der Suche nach dem wahren Grund für die Überflutung mit hunderten von Meldungen oder waren durch die unzulängliche Visualisierung fehlgeleitet worden. Auch beim SBB-Blackout vom 22. Juni 2005 war einer der drei Hauptgründe des Blackouts eine schlechte Visualisierung und eine unzureichende Alarmverdichtung
des in der zentralen Leistelle eingesetzten Netzleitsystems.
Literatur:
[1]
Göran Andersson: Elektrische Energiesysteme. Institut für Elektrische Energieübertragung
und Hochspannungstechnik, ETH Zürich, 2007.
[2]
Göran Andersson: Modelling and Analysis of Electric Power Systems. Institut für Elektrische
Energieübertragung und Hochspannungstechnik, ETH Zürich, 2007.
[3]
Göran Andersson: Dynamics and Control of Electric Power Systems. Institut für Elektrische
Energieübertragung und Hochspannungstechnik, ETH Zürich, 2007.
[4]
Rainer Bacher, Urs Näf: Bericht über den Stromausfall in Italien am 28. September 2003.
Bundesamt für Energie, Bern 2003.
[5]
Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann: Elektrische Energieversorgung. 5. Auflage, Vieweg
Verlag, Braunschweig, Wiesbaden, 2002.
[6]
Prabha Kundur: Power System Stability and Control. McGraw-Hill, New York, 1994
[7]
Thierry Lalive d’Epiney: Strompanne der SBB vom 22. Juni 2005. Schweizerische Bundesbahnen SBB, Infrastruktur Energie, Zollikofen, 2005.
[8]
Fabio Saccomanno: Electric Power Systems - Analysis and Control. Wiley-IEEE Press, Hoboken US, 2003.
[9]
Gerhard Schwickardi: Elektro-Energietechnik. 1 und 2. Fachschriftenverlag
Aargauer Tagblatt AG, Aarau, 1975 und 1979
[10]
René Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 9. Auflage, B.G. Teubner
Verlag, Wiesbaden, 2005.
[11]
Ernst-Günther Tietze: Netzleittechnik Teil 1: Grundlagen. 2 Auflage, VDE-Verlag GmbH,
Berlin, 2006.
SGA Bulletin Nr. 47 Juni 2007
Seite 16 von 19
SGA – Intern
Generalversammlung 2007
Am 30. Mai 2007 wurde anschliessend an die Besichtigung des KKW Beznau die diesjährige Generalversammlung abgehalten. Im Namen des Vorstands danken wir Herrn Farruggio
für die Organisation der Besichtigung und des anschliessend offerierten Apéros.
An beiden Anlässen haben fünfzehn Mitglieder und zwei Gäste teilgenommen. Die Details
entnehmen Sie bitte dem angehängten Protokoll bzw. der WEB Seite im internen Bereich.
Neues Vorstandsmitglied
Nach dem Ausscheiden der Herren Dr. Esfandiar Shafai und Dr. Philippe Müllhaupt aus
dem Vorstand, hat sich Herr Prof. Manfred Morari von der ETH Zürich bereit erklärt in diesem Gremium mitzuarbeiten. Dies wurde von den Anwesenden mit Applaus honoriert. Er
wurde einstimmig gewählt und der «alte» Vorstand freut sich auf eine gute Zusammenarbeit.
Curriculum vitae
Manfred Morari wurde im Jahre 1994 als ordentlicher Professor an die ETH berufen und mit
der Leitung des Instituts für Automatik am Departement Elektrotechnik betraut.
Prof. Morari wurde in Graz geboren. Er studierte an der ETH Zürich Chemieingenieurwesen.
Nach dem Doktorat an der University of Minnesota (Ph.D. in Chemical Engineering) lehrte
er an der University of Wisconsin in Madison. Von 1983 bis 1994 war er am California Institute of Technology (Caltech) tätig. Als McCollum-Corcoran Professor leitete er dort das
Department of Chemical Engineering und gründete das Department of Control and Dynamical Systems.
Schwerpunkte seiner Forschung sind die Modellierung, Analyse und Regelung von kontinuierlichen und geschalteten Systemen (hybride Systeme) und ihre Anwendung in der Fahrzeugstechnik, der Leistungselektronik und im biomedizinischen Bereich. Prof. Morari leitet
auch Forschungsprojekte auf dem Gebiet der aktiven Vibrationsdämpfung, der Automatisierung in der Anästhesie und der Regelung von biochemischen Trennprozessen.
Die Methodik und Software, die in seiner Gruppe aus interdisziplinären Ansätzen heraus
entwickelt wurden, finden weltweit breite Verwendung in Hochschule und Industrie. Moraris
Forschung ist international anerkannt und wurde durch eine Reihe von Preisen gewürdigt,
u.a.: Eckman Award of the American Automatic Control Council, Colburn Award und Professional Progress Award of the American Institute of Chemical Engineers, McGraw Research
Award of the American Society for Engineering Education. 1993 wurde Manfred Morari in
die U.S. National Academy of Engineering gewählt. Laut ISIHighlyCited.com zählt er zu den
meist zitierten Forschern der Welt im Ingenieurbereich. 2005 wurde er Fellow of the Institute
of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) und erhielt den IEEE Control Systems Field
Award, die höchste Auszeichnung des IEEE auf dem Gebiet der System- und Regelungstechnik.
Kontakt:
Prof. Dr. Manfred Morari
ETH Zurich
Automatic Control Laboratory
ETL I 29, Physikstrasse 3
8092 Zurich
Phone: +41 44 632 7626
Fax:
+41 44 632 1211
[email protected]
Neuerungen SGA Bulletin
Anfang 2007 erreichte uns eine Anfrage der Schweizerischen Vereinigung für Sensortechnik, ob eine Möglichkeit besteht, die vereinsinternen Nachrichten mit dem SGA Bulletin
zusammen zu publizieren. Der Vorstand prüfte diese Anfrage und kam zu der Überzeugung,
dass sich daraus für beide Verbände eine WIN-WIN Situation ergeben würde. Einerseits
stehen die Beiträge des SGA Bulletins auch den Mitgliedern der SVS zur Verfügung, andererseits sind die Mitglieder der SGA über das Vereinsgeschehen und die angebotenen Exkursionen des SVS informiert. Zwischenzeitlich wurde die Vereinbarung unterzeichnet und
mit diesem Bulletin fällt der Startschuss zu einer ersten «erweiterten» Ausgabe. Wenn Sie
sich über die SVS informieren wollen, besuchen Sie die WEB Seite mit einem «Klick auf das
Logo» oder unter www.sensors.ch!
SVS – Schweizerische Vereinigung für Sensortechnik
ASTC – Association Suisse de Technologie des Capteurs
SSST – Swiss Society for Sensor Technology
sensors.ch
feeling the world
Kontakt:
Peter Kirchhofer
Hochschule für Technik
Zürich 8021 Zürich
Tel. +41 (0) 43 268 25 22
Fax +41 (0) 43 268 25 30 •
[email protected]
SGA Bulletin Nr. 47 Juni 2007
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go. automation 2007: Alles dreht sich um die Technologie
Die go, Technologiemesse für Automatisierung und Elektronik, positioniert sich als Fachmesse für hocheffiziente Produktion in der Schweiz und spricht Besucher, die Automatisierungs- und Elektroniklösungen benötigen, an. Hersteller, Importeure und Dienstleister mit
hoher Technologiekompetenz aus den Bereichen industrielle Automatisierung und Elektronik präsentieren sich. Zeitgleich zur go findet die ineltec, Technologiemesse für Gebäude
und Infrastruktur, statt.
4.-7. September 2007
Messezentrum Basel
Alles rund um die Jugend – Bildung und Ausbildung
Die Messe Schweiz und der Verband Swiss Technology Network möchte die Jugend für
einen technischen Beruf in der Technologiebranche sensibilisieren und sie bei der Entscheidung über den beruflichen Werdegang unterstützen. Mit den verschiedenen Teilprojekten innerhalb der Sonderpräsentationen hat die Jugend die Möglichkeit, die Vielfalt eines
technischen Berufes aus verschiedenen Fassetten zu erleben.
Sonderschau darwin21
Mit darwin21 wird eine langfristige Bewegung geschaffen, die sich nachhaltig für den Markt,
das Image und die Nachwuchsförderung der industriellen Automatisierungsbranche in der
Schweiz einsetzt. Im Rahmen der ersten Generation wurde den Teams die Aufgabe gestellt,
mindestens sechs menschliche Emotionen mit einem interdisziplinären Technologie-Mix zu
realisieren.
Sonderschau automenschionTM
Im Spannungsfeld zwischen Mensch und Technik spielen die Robotertechnologien eine
Schlüsselrolle. An der Sonderschau automenschionTM wird gezeigt, dass Roboter den Menschen zwar nicht ersetzen, aber in vielen neuen Anwendungsbereichen als verlängerter Arm
menschlicher Intelligenz würdig vertreten können.
Profitieren Sie von Gratiseintritten
Zusammen mit der Messe Schweiz offerieren wir Ihnen einen Gratiseintritt an die go, Technologiemesse für Automatisierung und Elektronik
Den Gratiseintritt
können Sie ab
Mitte Juli downloaden.
Den dazugehörigen Link
erhalten Sie per Mail.
Neue Legi Mitglieder
Die SGA heisst sechs Studenten des Studiengangs der ZHW Winterthur von Herrn Prof. Dr.
Lekkas als Legi-Mitglieder herzlich willkommen:
Wir begrüssen die Herren U. Künzle, Th. Honegger, Th. Widmer, M. Hediger, A. Weier und
D. Gasser!
Herausgeber
Impressum
Schweizerische Gesellschaft
für Automatik
Das Bulletin erscheint viermal jährlich und wird den Mitgliedern per E-Mail zugestellt.
Es ist für PDF und Bildschirm optimiert. Die gedruckte Version erscheint daher nicht im Association Suisse pour
l´Automatique
doppelseitigen Layout.
Redaktion SGA
SVS
Dr. Peter Gruber
Peter Kirchhofer
Gestaltung
SGA Sekretariat Christl Vogel
Auflage
150 Exemplare SGA + 150 Exemplare SVS
Redaktionsschluss für Bulletin Nr. 48 – 15. Oktober 2007
Swiss Society for Automatic
Control
Adresse
SGA Sekretariat
Christl Vogel
Eggwilstr. 16a
CH.9552 Bronschhofen
Tel. +41 (0)71 911 84 16
Fax: +41 (0)71 911 84 49
[email protected]
sensors.ch
feeling the world
SVS • ASTC • SSST
c/o FSRM, Ruelle Du Peyrou 4, CH-2001 Neuchâtel
Tel. +41 (0)32 720 09 00, Fax +41 (0)32 720 09 90
www.sensors.ch
Kooperation SGA - SVS
sensors.ch
feeling the world
Die Schweizerische Vereinigung für Sensortechnik (SVS) begrüsst an dieser Stelle alle
bisherigen Leser des SGA-Bulletins, aber auch die eigenen Mitglieder. Wir bedanken uns
bei der Schweizerischen Gesellschaft für Automatik (SGA) für das Gastrecht in ihrem Bulletin und sind überzeugt, dass alle Leser von dieser Zusammenarbeit profitieren können.
SVS-Generalversammlung 2007
Am 23. Mai 2007 fand vor dem Rundgang bei der Fa. HELBLING TECHNIK BERN AG die
ordentliche GV der SVS statt. Aus der Traktandenliste seien hier zwei allgemein interessierende Highlights vermerkt:
Die Aktivitäten 2006 umfassten neben den sechs von der SVS organisierten Besuchen
(HEVS Ecole d'Ingénieurs de Sion, Schott Guinchard, METAS, First Lab ETHZ, Magtrol SA
und Tornos SA) auch die vier Besuche, welche vom Groupement Electronique de Suisse
Occidentale (GESO) arrangiert wurden (Nespresso, Centre d'Impression d'Edipresse,
Valtronic, Ecole d'Ingénieurs de Fribourg). Die Journée Capteurs war mit 125 Teilnehmern
und 12 Ausstellern ein ausserordentlich erfolgreicher Anlass, ebenfalls auch der schon
traditionellle, 2-tägige Sensor-Kurs in Bern.
Der SVS-Preis 2007 von Fr. 1'000.- für die bestprämierte Diplomarbeit aus dem Gebiet der
Sensorik an technischen Hochschulen der Schweiz wurde an der GV Herrn Jose-Filipe
Gonçalves der Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD)
übergeben. Der Titel seiner Arbeit lautet «Procédé et Dispositif de Mesure on-line de la
Conductivité thermique d'un Fluide avec ou sans Changement de Phase».
SVS-Besuch vom 23. Mai 2007 bei
HELBLING TECHNIK BERN AG, Bern-Liebefeld
Die HELBLING Gruppe wurde 1963 durch Max J. Helbling gegründet und startete als
Zwei-Mann-Büro in Zürich. Heute ist HELBLING mit 340 Mitarbeitern Engineering- und
Consulting-Partner für innovative Lösungen und umfasst die 6 Unternehmensbereiche
Technik (Innovation und Produktentwicklung durch Kooperation: «Innovation, together
we do it»), Management Consulting (Strategie, Operational Excellence und IT), IT Solutions
(Integrierte Informatik-Lösungen), Beratung und Bauplanung (Integrale Lösungen für Immobilien, Energie und Infrastruktur), Capital (Finanzierung und Entwicklung von Unternehmungen) und Corporate Finance (Mergers & Acquisitions, Turnaround und Performance Management). Bern-Liebefeld ist einer von 4 Standorten in der Schweiz. In Deutschland ist
HELBLING an 3 Standorten und in den USA in Cambridge MA präsent. Die HELBLING
Gruppe ist im Besitz ihrer 20 geschäftsführenden Partner.
In Liebefeld ist aus dem Bereich Technik die Gruppe «Optics and Sensors» angesiedelt.
Diese Gruppe entwickelte jüngst im Auftrag einer Firma in Hawaii ein Refractometer in Taschenformat, dessen Prototyp uns anlässlich des Firmenrundganges vorgeführt wurde. Mit
diesem kompakten Gerät können am menschlichen Auge dessen Fehlsichtigkeit (Dioptrien)
gemessen werden. Damit eine solche Messung überhaupt durchgeführt werden kann, muss
die sich ständig in Bewegung befindliche Augenpupille durch die Geräte-Kamera automatisch erkannt werden und automatisch auf die Pupillenachse ausgerichtet werden. Das
patentierte Messverfahren beruht darauf, dass der Lichtstrahl einer LED vom Refractometer
ausgehend auf die Netzhaut im Auge gerichtet wird und von dort in die Geräte-Kamera
zurückreflektiert wird. Aus dem gebrochenen Strahlverlauf im Auge kann dessen Fehlsichtigkeit berechnet werden.
Kontakt:
Peter Kirchhofer
Hochschule für Technik Zürich
8021 Zürich
Tel. +41 (0) 43 268 25 22
Fax +41 (0) 43 268 25 30
[email protected]
Ein zweites Entwicklungsprojekt der Gruppe «Optics and Sensors» ist ein Leckage-Tester
für die Verpackungsindustrie. Auch dieses Gerät wurde uns während dem Rundgang vorgeführt. Das Messverfahren basiert auf der spektralen Absorption eines in seiner Wellenlänge
durchstimmbaren Lichtstrahles aus einem «Vertical Cavity Surface Emitting LASER»
(VCSEL) durch durchsichtige Prüflinge. Aufgrund des gemessenen Absorptionsspektrums Firmen-Web-Site:
kann auf die An- bzw. Abwesenheit von Wasserdampf (Feuchtigkeit) oder Sauerstoff aus www.helbling.ch
der Umgebungsluft im Prüfling geschlossen werden, was einen Rückschluss auf die Dichtigkeit der Verpackung erlaubt. Das Verfahren erlaubt somit eine zerstörungsfreie Überprüfung der Verpackung.
sensors.ch
feeling the world
SVS • ASTC • SSST
c/o FSRM, Ruelle Du Peyrou 4, CH-2001 Neuchâtel
Tel. +41 (0)32 720 09 00, Fax +41 (0)32 720 09 90
www.sensors.ch
Im Weiteren lernten wir den vielfältigen Einsatz und den Test von Micro-Aktoren kennen,
z.B. als Schallgeber bei Hörgeräten. Im Bestreben, den Aufbau und die Fertigung solcher
Geräte drastisch zu vereinfachen, wird die Möglichkeit zum Ersatz eines elektromechanischen Gebers durch ein piezo-elektrisches System untersucht. Mit Hilfe eines
LASER-gestützten Vibrometers werden dabei Auslenkungen bis zu 1 nm (1/1000 mm) herunter gemessen, und dies im gesamten Bereich der Audiofrequenzen. Andere Aktoren
werden in Fluidik-Pumpen eingesetzt, wo für medizinische Applikationen (implantierbare
Pumpen, Drug Delivery Devices) kleinste Durchflüsse im Bereich bis zu Nanoliter/Stunde
herunter erzeugt werden.
Elektronische und optische Laboratorien unterstützen die verschiedenen Entwicklungsaktivitäten, während für die Prüfung der mit HELBLING zusammen entwickelten neuen Generation von NESPRESSO-Maschinen ein spezieller Testraum konzipiert wurde.
sensors.ch
feeling the world
SVS-Besuch vom 07. Februar 2007 bei MAXON MOTOR, Sachseln
MAXON MOTOR ist Entwickler, Hersteller und Anbieter von massgeschneiderten Komponenten und Systemen in der Präzisions-Antriebstechnik im Leistungsbereich von 30 mW bis
500 W und im Momentenbereich von 2 µNm bis 670 Nm. Die Firma ist sowohl in technischen als auch in kommerziellen Belangen flexibel und verfügt über Produktionsstätten in
der Schweiz, in Deutschland und Ungarn. 2005 erarbeiteten die weltweit etwa 1500 Mitarbeiter einen konsolidierten Umsatz von CHF 240 Mio. Unter dem Namen «Interelectric
Sachseln AG» wurde das Unternehmen Ende 1961 gegründet. 1968 bis 1969 wurde das
Maxon-Kleinstmotoren-Programm mit eisenlosen Rotoren entwickelt und dessen rautenförmige Wicklung sowie die dazugehörige Wickeltechnik patentiert. Zu den technologischen
Kompetenzen von MAXON zählen weiter auch Spritzgussverfahren für Kunststoff, Keramikund Metallpulver, Encodertechnologien, Elektronik, Systemtechnik sowie Montage- und
Automatisierungstechnik. Das Qualitätsmanagementsystem ist nach ISO 9001:2000 und
ISO 14001:2004 zertifiziert, nächstens aber auch für die Medizintechnik (nach ISO 13485)
und für automotive Anwendungen (nach TS 16949).
Auf dem Rundgang besuchten wir verschiedene Abteilungen:
Kontakt:
Peter Kirchhofer
Hochschule für Technik Zürich
8021 Zürich
Tel. +41 (0) 43 268 25 22
Fax +41 (0) 43 268 25 30
[email protected]
Kunststoffteilefertigung:
Zum Einen wird hier der Kollektorkörper mit Lamellen bestückt auf die Motorwelle aufgespritzt teilweise in Handarbeit, teilweise aber auch vollautomatisch roboterisiert. Auf andern
Spritzgussautomaten werden Statoren mit eingespritztem Zylindermagnet gefertigt. Diese
werden im zusammengebauten Motor vom Rotor in Form eines Glockenankers umhüllt.
Wicklerei:
Hier werden die speziellen Maxon-Wicklungen in Form einer freitragenden Glocke hergestellt und gleich mit den passenden Kommutatoren zusammengebaut: die Anschlussdrähte
werden mit den Kommutatorlamellen verschweisst und die Glockenwicklung mit dem Kollektorkörper verklebt. Anschliessend wird der komplette Rotor durch Auftragen eines Lacktröpfchens an der richtigen Stelle dynamisch ausgewuchtet.
Firmen-Web-Site:
www.maxonmotor.com
Motormontage:
Hier werden die verschiedenen Motorkomponenten sowie unterschiedliche Wellen-Lager zu Bilder mit freundlicher
Genehmigung der Fa. Maxon
Standard-Motoren oder nach Kundenspezifikationen zusammengefügt.
Entwicklungsabteilung:
Neben den für Konstruktion und Elektronik-Design üblichen CAD-Systemen, Messgeräten
und Hilfsmitteln stach besonders ein eben neu beschaffter Schwingungsanalysator ins Auge, welcher mit Hilfe eines ablenkbaren LASER-Strahls die Oberfläche z.B. eines Motors
abtasten kann und dabei deren dynamische Verformung (Vibrationen) ausmisst und auf
einem Display darstellt.
Neben all den freizügig gezeigten Motor- und System-Komponenten konnten wir zum
Schluss auch das 1:1 Modell des Mars-Rovers «Spitit» und «Opportunity», die je mit 39
MAXON-Motoren bestückt sind, aus der Nähe bewundern.
Kommende Veranstaltungen
·4. Sept. 2007:
Camille Bloch AG in Cortelary
23. Okt. 2007:
Bien-Air Dental in Biel