Trinkwasser ist und bleibt eines der knappen Güter auf der Welt. Vor allem in den Entwicklungsländern haben nur wenige Menschen Zugang zu diesem Grundelement. Allerdings müssen auch die reichen Industriestaaten stets sorgsam mit dem nassen Lebenselixier umgehen. Das bedeutet, dass der Grundwasserspiegel stets konstant und nicht einfach um größere Beträge ab- sinken darf. Mit Hilfe von frequenzgesteuerten Pumpen erreicht man dieses Ziel bei großer Wirtschaftlichkeit.
Im Tagebau werden riesige Areale zur Gewinnung der Bodenschätze ständig und tief umgewälzt. Vor Beginn des Abbauvorgangs muss jedoch das Grundwasser im Abbaubereich abgepumpt werden, was bergmännisch auch Sümpfung genannt wird. Die Sümpfung stellt eine Grundvoraussetzung für den trockenen Abbau der Rohstoffe dar. An den Brunnen kommen dazu meist Tauchpumpen zum Einsatz, die pro Minute 32 000 Liter Wasser fördern können. Zurzeit sind beispielsweise in den aktiven Braunkohle-Tagebaufeldern im deutschen Nordrevier rund 1200 solcher Pumpen bis in eine Tiefe von 500 m im Einsatz, die pro Jahr circa 600 Mio. m³ Wasser heben. Die ccund vor allem deren Tiefe ist genehmigungspflichtig. Dieser Wert darf nicht um größere Differenzen unterschritten werden. Aus diesem Grund werden zahlreiche Brunnenpumpen über die riesigen Flächen verteilt und geregelt. Zum Antrieb der Pumpenmotoren werden immer öfter Frequenzumrichter (FU) eingesetzt, da diese das erhöhte Losbrechmoment der Pumpen beim Anfahren besser bewältigen können. Zudem lassen sich die Pumpen mit einem FU stets mit optimaler Drehzahl betreiben, was ebenfalls den Verschleiß senkt, die Standzeiten erhöht und damit letztendlich Kosten spart.
Stets konstanter Wasserspiegel
Im Tagebau sind die einzelnen Brunnenstationen häufig über Areale von mehreren hundert Quadratkilometern verteilt. Die Pumpensteuerung darf deshalb nicht zentral, sie muss dezentral, also bei jedem Brunnen aufgestellt sein. Das bedeutet jedoch, dass sich die Anzahl der SPS-Steuerungen leicht in die Hunderte vervielfältigen kann, was große Investitionskosten nach sich zieht. Diese lassen sich wiederum minimieren, wenn Frequenzumrichter mit SPS-Funktionalitäten eingesetzt werden. Ein namhafter Tagebau-Betreiber wählte hierzu die Frequenzumrichter vom Typ NXS des finnischen Unternehmens Vacon OYJ aus. Vertrieb und Kundendienst in Deutschland erfolgt durch die Tochter Vacon GmbH, Essen. Die FU-Baureihe der NXS gibt es mit Leistungen bis 1500 kW für die Spannungen 400, 500 und 690 V. Sie alle verfügen über eine integrierte SPS, welche bis zu 24 digitale Ein-/Ausgänge oder bis zu sechs analoge Eingänge und neun analoge Ausgänge verarbeiten können.
PID-Regler sorgt für Konstanz
Bei der Programmierung der Brunnenpumpen wird grundsätzlich zwischen Manuell- und Automatik-Betrieb unterschieden. Hierzu sind zwei Digital-Eingänge erforderlich. Ein integrierter PID-Regler sorgt dann dafür, dass der Grundwasserspiegel selbst bei größeren Umwelt-Einflüssen stets konstant gehalten wird. Der Sollwert lässt sich am FU-Display in der Einheit m eingeben. Der Istwert wird von einem Messfühler per 4 bis 20 mA-Signal übertragen. Selbst dieser Istwert lässt sich in der Einheit m, zum Beispiel zwischen 0 und 150 m, kalibrieren. Um die Fördermenge überwachen zu können, wird ebenfalls ein Durchflussmesser angeschlossen. Fällt die Fördermenge auf einen zu niedrigen Wert oder sogar auf Null ab, so schaltet der FU die Brunnenpumpen sofort ab und die integrierte SPS gibt eine Fehlermeldung aus, welche auch als Klartext dargestellt werden kann. Damit wird neben der Ausgabe einer Warnmeldung auch ein Schaden an einer möglicherweise trocken laufenden Pumpe verhindert. Gleiches gilt beim Start, wenn aus bestimmten Gründen kein Wasser gefördert wird. Bei Störung des Messfühlersignals, also bei fehlendem Istwertsignal, wird die Pumpe mit konstanter Drehzahl weiter betrieben, bis der Fördermengensensor oder die Höchst-/Mindestwasserstandsüberwachung anspricht.
SPS mit großer Funktionalität
Sämtliche Betriebsdaten lassen sich über eine integrierte Feldbusschnittstelle (Profibus, Modbus, CAN, Lonworks oder Devicenet) abfragen und an die Schaltzentrale per Funk übermitteln. Aus diesem Grund werden selbst sehr weit entfernt aufgestellten Brunnenpumpenstationen per Leitwarte überwacht.
Die Frequenzumrichter vom Typ NXS lassen sich nach der Norm IEC 61131–3 programmieren. Der Hersteller liefert hierzu das erforderliche Engineering-Werkzeug NC 1131–3. Mit dessen Hilfe lassen sich die notwendigen SPS-Programmierungen auf grafischer Basis (Blockprogrammierung) sehr einfach vornehmen. Schließlich vereint das Engineering-Werkzeug Funktionsblockdiagramme (FBD) und strukturierte Texte (ST) zur Definition von neuen Anwendungsfunktionen. Programmparameter, Fehlermeldungen und anwenderbezogene Parameter lassen sich frei definieren. Das Tool verfügt ebenso über wichtige Grundbausteine wie Filter, PID-Regler, Integratoren und vielem anderem mehr. Eine Anwendung darf bis zu 2000 Blöcke umfassen.
Frequenzumrichter NXS KEM 503
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