Bewässerung durch Einsatz neuester Steuer- und Regelungstechnik

Absperrschieber CP4 200 x 200 mm im Betonschacht, angetrieben von einem BEA® BÜSCH Elektro-Antrieb

Die Aufgabe Als Teilprojekt wird im Naturschutzgebiet Lochbusch-Königswiesen bei Geinsheim, gelegen zwischen Neustadt und Speyer, die Wiederbelebung ehemaliger Bewässerungsgräben und Überflutungsflächen realisiert. Im Vorfeld hat der NABU Neustadt das komplette Gebiet höhenvermessen. Auf Grundlage dieser Daten stimmte die Wasserbehörde einem Probebetrieb zu, bei dem man wertvolle praktische Erfahrungen sammeln konnte. Nach der endgültigen Genehmigung wurden im Rahmen des Projekts „Lebensader Oberrhein“ ab 2013 Maßnahmen umgesetzt, die eine dauerhafte Beschickung des Grabensystems ermöglichen.

Das Konzept Die Idee, aus dem Speyerbach Wasser zu entnehmen, um es dann in das Grabensystem einzuleiten, durfte in die Praxis umgesetzt werden. Um das Grabensystem kontinuierlich mit Wasser zu versorgen, muss eine jahreszeitabhängige maximale Entnahmemenge eingehalten werden. Die Vorgaben der Wasserschutzbehörde sind: im Sommer maximal 50 l/s, im Winter maximal 10 l/s. Martin Grund vom NABU Neustadt entwickelte in Zusammenarbeit mit BÜSCH Technology GmbH ein Konzept für die stetige Versorgung des Grabensystems unter Einhaltung der behördlichen Vorgaben. Schnell wurde klar, dass diese nur einzuhalten sind, wenn der Zulauf aus dem Bach kontinuierlich gemessen und geregelt wird. Das Wasser, das aus dem Speyerbach schonend über eine spezielle Einlaufvorrichtung entnommen wird, soll über einen Kanalschacht geregelt in das Grabensystem abfließen.

Die Realisierung An der Entnahmestelle des Speyerbachs wird das Wasser für das Grabensystem über ein Rohr DN 200 in einen rund 12 m entfernten, bereits bestehenden Betonschacht geleitet (Bild). Dieses Rohr mündet in die Öffnung eines CP4 Absperrschiebers in der Nennweite 200 x 200 mm, der im Betonschacht montiert ist. Der CP4 Absperrschieber wird angetrieben von einem BEA® BÜSCH Elektro-Antrieb, der als Regelantrieb arbeitet, um die behördlich genehmigte Entnahmemenge einzuleiten. Hierfür ist nach dem CP4 Absperrschieber eine V-Blende in den Betonschacht montiert. Dieses Thomsonwehr dient als Messwehr, mit dem der Wasserdurchfluss im Gerinne erfasst wird.
Vor der V-Blende staut sich das zulaufende Wasser des Speyerbachs und fällt über den dreieckförmigen Ausschnitt nach unten. Das Wasser fließt im Anschluss über ein ca. 220 m langes Rohr DN 300 in das zu bewässernde Grabensystem ab. Aus der Höhe des Wasserspiegels, der sich hinter dem Thomsonwehr aufstaut, kann man bei Einhaltung der geltenden Parameter mit großer Genauigkeit auf die Menge des abfließenden Wassers schließen.
Auf Grund der baulichen Gegebenheiten im vorhandenen Betonschacht können die für das „Norm“-Thomsonwehr geltenden Parameter nicht eingehalten werden. Daher war es erforderlich, eine Vor-Ort-Kalibrierung der Messung vorzunehmen. Dazu wurde der Wasserspiegel hinter der Messblende in jeweils 25 „Ein-Zentimeter-Schritten“ erhöht (beginnend von 0 cm). Dies wiederum ist nur möglich, da der BEA® mit einer extremen Drehzahlvariabilität im Bereich von 1 bis 64 Spindelumdrehungen pro Minute arbeitet. Mit einer Antriebsdrehzahl von 1 U/min kann der Öffnungsgrad des CP4 Absperrschiebers von Hand eingestellt werden, so dass der Wasserspiegel in „Ein-Zentimeter-Schritten“ steigt. Für jeden dieser 25 Schritte wurde ein Durchflusswert (in l/s) erfasst.
Am Auslauf des Rohrs (in das Grabensystem) wird eine vorhandene und vom NABU geeichte V-Messblende genutzt. An diesem Messwehr ist die aktuell in das Grabensystem einfließende Wassermenge ablesbar. Auf Grundlage der 25 Durchfluss/Pegel-Wertepaare ist in der Steuerung der Durchflussmessung eine Stützpunkttabelle hinterlegt, womit die Messung kalibriert wurde. In Folge dessen konnten die Abweichungen am installierten Thomsonwehr gegenüber dem „Norm-Wehr“ (aufgrund der baulichen Gegebenheiten) kompensiert werden.
Der Wasserpegel im Schacht wird kontinuierlich mit einer Ultraschallsonde erfasst als Ist-Wert an die Steuerung weitergeleitet und dort weiterverarbeitet.
Während der Installation des Gesamtsystems stellte sich die Kalibrierung der Messung als der aufwendigste Arbeitsschritt heraus. In unmittelbarer Nähe des Schachtes wurde von BÜSCH Technology ein spezieller Steuerschrank für Outdoor-Anwendungen montiert. Dieser Steuerschrank wird aus der nahegelegenen Fronmühle mit 230 V Wechselspannung aus dem öffentlichen Stromnetz versorgt. Hier konnte der Installationsaufwand gering gehalten werden, da der BEA® nur 230 V 50 Hz benötigt. Im Steuerschrank ist die gesamte Mess- und Regeltechnik, die Vor-Ort-Bedienung über 4,3”-Touchpanel, die Datenaufzeichnung und der Fernzugriff auf das System mittels Mobilfunkrouter untergebracht.
Die von BÜSCH installierte Durchflussregelung gliedert sich in folgende Bestandteile eines Regelkreises:

  • eine Regelstrecke (Strecke): Menge des abfließenden Wassers,
  • eine Messeinrichtung (Messglied): Thomsonwehr mit Ultraschallsonde,
  • eine Vergleichseinrichtung (Vergleicher): erfolgt im Servo-Regler des BEA®,
  • eine Regeleinrichtung (Regler): erfolgt im Servo-Regler des BEA®,
  • eine Stelleinrichtung (Stellglied): CP4 Absperrschieber mit BEA®.

Am Touchpanel kann vom NABU der erforderliche Durchfluss-Sollwert, also die abfließende Wassermenge, vorgegeben werden (Durchflussmenge im Bereich von 0-50 l/s). Die Ultraschallsonde in Verbindung mit dem Thomsonwehr erfasst kontinuierlich den Ist-Wert der Durchflussmenge und leitet diesen an den Regler weiter (Servo-Regler des BEA®). Im Servo-Regler des BEA® erfolgt ein zyklischer Soll-Istwert-Vergleich und die Errechnung, ob der Öffnungsgrad des Absperrschiebers geändert werden muss, um den geforderten Sollwert (zulässige Wasserentnahmemenge aus dem Speyerbach) zu erreichen. Hierfür wurde im BEA® kundenspezifisch ein Regler integriert. Dieser regelt durch zyklischen Soll-Istwert-Vergleich den Öffnungsgrad des CP4 Absperrschiebers und damit die Abflussmenge in das Grabensystem. Mit dem Touchpanel wird eine Datenaufzeichnung vom Soll- und Istwert der Durchflussmenge sowie des Öffnungsgrades des Schiebers (Stellglied der Regelstrecke) realisiert. Die im Speicher des Panels befindlichen Daten können am Panel abgelesen werden und dienen zur Optimierung der Regelparameter. Diese Daten werden lokal auf SD-Karte gespeichert. Basierend auf den gespeicherten Daten kann vom NABU eine Auswertung der ins Grabensystem geleiteten Wassermenge durchgeführt werden. Ein im Steuerschrank montierter Mobilfunkrouter ermöglicht dem NABU Neustadt in Verbindung mit einer handelsüblichen SIM-Karte den Fernzugriff auf die Anlage via Internet. Hierzu wird ein VPN-Tunnel aufgebaut. Dieser versetzt den Bediener in die Lage, abhörsicher die komplette Bedienung des Systems inklusive Auswertungen von einem externen PC durchzuführen. Dabei wird dem Kunden in der Ferne der gesamte Bildschirminhalt des Touchpanels angezeigt, so als ob er sich direkt vor Ort an der Anlage befindet (wie Remote-Desktop). Jährlich können jetzt mehr als 500 Millionen Liter Wasser in das über 10 km lange Grabensystem und die damit verbundenen Lebensräume geleitet werden. Es handelt sich um einen vor ca. 200 Jahren stillgelegten Bachlauf, Überflutungsgebiete, Wasser- und Stromtalwiesen sowie Bruch- und Sumpfwälder, die zu den ökologisch wertvollsten Flächen und Lebensräumen im Projektgebiet von „Lebensader Oberrhein“ gehören.

IFAT 2016: Halle 153/352

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