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29. November 2017

Digitalisierung

Internet des Wassers – IDW

Das Internet des Wassers digitalisiert die Infrastrukturen von Ver- und Entsorgungen weltweit. Dadurch werden Sicherheit und Gesundheit für die Menschen geschaffen. Den Einstieg ins Internet des Wassers bildet die automatisierte Leck-Früherkennung ORTOMAT-MTC und HYDROPORT.
Hugo Lötscher 

Das Anbringen von Sensorik an die Wasserleitungen der Trinkwasserversorgung hat bereits vor dem Jahr 2000 stattgefunden. Einerseits ging es darum, Trinkwasserverluste möglichst rasch zu erkennen und deren Behebung planbar zu gestalten. Andererseits wurde damit der Baustein für das «Internet des Wassers» gelegt. Durch die Akzeptanz, mittels Vibrationssensoren die Wasserleitungen permanent auf Leckagen zu überwachen, verbreitete sich diese Technologie sehr schnell. Um an die Daten der damals installierten Systeme zu gelangen, war in der Regel eine Feldbegehung nötig. Die Systeme waren oft mit Kurzfunktechnologie ausgerüstet, was eine Datenübertragung aus Schieberschächten von maximal 20 m zuliess.
Fortschritte in der Technik und die daraus stetig interessanter werdenden Möglichkeiten im Mobilfunkbereich motivierten, Messdaten auf einfache Weise drahtlos in die Büros der Wasserfachleute zu bringen. Die Installationsmöglichkeiten der Sensoren zur Früherkennung von Leckstellen im Trinkwasserleitungsnetz sind in der Regel ohne Kabel- und ohne Stromanschluss in Form von Schieberschächten und Hydranten gegeben. Diese Voraussetzung bedingte die Entwicklung von elektrisch autarken Datenlogger-Systemen, die über mehrere Jahre ohne Unterhalt messen und Daten übertragen. Weiter sollte für die Datenübertragung auf ein stabiles und stetig vorhandenes Datennetz zugegriffen werden können. Dank der Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologie (dritte Generation) wurden die Datenübertragungsprobleme gelöst. Mit dem Ortomat-MTC als Resultat wurde ein weltweit einzigartiges Loggersystem geschaffen, welches die Themen der Datenkommunikation elegant löst und dabei über vier Jahre elektrisch autark funktioniert (Fig. 1 und 2).
Neben dem Überwachen des Geräuschpegels im Trinkwasserleitungsnetz soll eine Leckstelle per Ferndiagnose möglichst punktuell geortet und lokalisiert werden. Das Aufzeichnen der Leckgeräusche und die rasche Datenübertragung mittels aktuellsten Mobilfunkstandards bildeten die Basis zur automatischen Korrelation. Um eine in der Qualität und Genauigkeit brauchbare Korrelationsmessung durchführen zu können, musste eine weitere Hürde genommen werden: die exakte Synchronisation der Datenlogger-Uhren.
Eine Kreuzkorrelation zur Lokalisierung von Leckstellen basiert darauf, zwei Geräuschquellen ohne Zeitverzögerung zu korrelieren, das heisst, die Laufzeitdifferenz zu errechnen. Weil die Datenaufzeichnung an verschiedenen Messstellen erfolgt und diese nicht über ein Netzwerk miteinander verbunden sind, wurde ein gemeinsames Merkmal gesucht, aus dem die relative Zeitdifferenz der einzelnen Messstellen errechnet werden kann. Vorhandene Technologien wie GPS oder das Signal der Funkuhr wären einfache Problemlöser gewesen, konnten aber unter den Schieberkappen schlecht oder gar nicht empfangen werden.

Was hat Radioempfang mit Leckortung zu tun?

Die Grundlagen der Korrelation für die Feinortung von Leckstellen basieren auf der Schallgeschwindigkeit des Rohrmaterials und der Leitungsdistanz zwischen zwei Messstellen. In einer Graugussleitung mit DN 100 breiten sich die Vibrationen mit einer Geschwindigkeit von 1317 m/s aus. Würde bei der Korrelationsmessung mit zeitlichen Differenzen (Abweichung der Uhren der Datenlogger) von +/– 10 ms gearbeitet, hätte dies eine Ungenauigkeit der Leckposition von +/– 13,17 m zur Folge. Dadurch würde eine maximale Dis­tanz zwischen gemessener und reeller Leckstelle von 26,34 m resultieren. Eine Freilegung der Trinkwasserleitung mit diesen Voraussetzungen wäre ungünstig.
Durch eine «Blitzidee» konnte das Problem der Zeitsynchronisation gelöst werden. Gleich schnell wie der Blitz, nämlich mit Lichtgeschwindigkeit, breiten sich die Wellen des Radios aus. Mit einer Geschwindigkeit von knapp 300 000 km/s werden im Gebiet einer Trinkwasserversorgung die Radiosignale praktisch zeitgleich, das heisst mit vernachlässigbarer Zeitverzögerung, empfangen. Dies führt dazu, dass die Datenlogger vor und nach der eigentlichen Leckgeräuschaufzeichnung je einen Radiostream von drei Sekunden speichern. Sind die Uhren der Datenlogger zeitsynchron, wird in der Laufzeitmessung der Radiosignale keine Differenz festgestellt. Sind Abweichungen in der Laufzeitmessung der Radiosignale vorhanden, werden diese in der zweiten Korrelation berücksichtigt. Somit werden die Uhren der Datenlogger aufeinander abgeglichen, was zu einer Synchronisierung von weniger als einer Millisekunde relativer Zeitdifferenz führt.

Was ist das Internet des Wassers?

Im Internet des Wassers wird zum Beispiel die oben erklärte Thematik zur Leckfrüherkennung organisiert. Dabei wird der jeweilige Zustand der Sensoren über Kommunikationsnetzwerke ins Internet des Wassers übertragen. Dort werden die Daten visualisiert, analysiert und weiterverarbeitet. Das Internet des Wassers arbeitet im Fall der Leckortung als Informations- und Alarmzentrale. Somit werden Zustände von Trinkwasserleitungsnetzen digitalisiert und im Internet des Wassers abgebildet (Fig. 3).
Weiter befinden sich in Hydroport die Module Hydranten und Schieber. Die beiden Module ermöglichen ein Produkt- und Unterhaltsmanagement für die im Trinkwasserleitungsnetz installierten Hydranten und Schieber über deren gesamten Lebenszyklus. Schieber und Hydranten werden erfasst, kontrolliert und revidiert.

Herstelleroffen und modular

Damit das Internet des Wassers global einsetzbar ist, wurde der Fokus der Entwicklung schon von Beginn weg auf eine herstelleroffene und modulare Konzeption gelegt. Herstelleroffen, damit mit dem Internet des Wassers eine globale Community entsteht, und modular, weil die Bedürfnisse der Digitalisierung nicht begrenzt sind. So wird in absehbarer Zeit das Unterhalten der Trinkwasserversorgungsinfrastrukturen vollumfänglich über Hydroport möglich sein.

Meggen ist im Internet des Wassers

Durch die Transportleitung Lauerz-Meggen wird die Gemeinde Meggen seit 1910 mit Trinkwasser versorgt. In Lauerz wird aus 18 Quellen im Gebiet am Rigi Nordhang das Quellwasser gefasst und in natürlichen Langsam-Sandfilteranlagen aufbereitet. Anschliessend gelangt das Trinkwasser durch die 23 Kilometer lange Gussleitung nach Meggen (Fig. 4). In der Transportleitung Lauerz-Meggen entstehen Druckverhältnisse bis zu 27 bar. Gemäss Angaben von Stefan Sorrentino, Brunnenmeister der Wasserversorgung Meggen, wird über die Lauerz-Megger-Leitung über 90% des Wassers für die Wasserversorgung zur Verfügung gestellt. Bei einem Unterbruch der Lauerz-Megger-Leitung wird durch die ewl (energie wasser luzern) aufbereitetes Seewasser aus dem Vierwaldstättersee eingespeist. Die Parameter der beiden Gewässer seien sich sehr ähnlich und können sehr gut vermischt werden, sagt Sorrentino. Die Ursache für einen Unterbruch der Wasserversorgung über die Lauerz-Megger-Leitung ist in der Regel auf Leckagen und Leitungsbrüche zurückzuführen. Muss die Leitung ausser Betrieb genommen werden, verstreichen nach deren Reparatur und Wiederinbetriebnahme durch vorsichtiges und langsames Befüllen, Entlüften und Spülen oft mehrere Tage.

Das Pilotprojekt

Mit dem Pilotprojekt der vonRoll hydro (suisse) ag «Leckortung punktgenau» wurden auf der Lauerz-Megger-Leitung zehn Datenlogger installiert. Nach deren Installation wurde bereits eine Alarmmeldung abgesetzt. Der Messpunkt Nr. 8 hat ein erhöhtes Geräusch registriert, das permanent vorhanden ist und daher auf eine Leckstelle hindeutet (Fig. 5). Mit der Korrelationsfunktion in Hydroport wurden nun der Messpunkt 8 und Messpunkt 7 einer Korrelation unterzogen. Über eine Distanz von 930 m wurde eine eindeutige Korrelationsspitze angezeigt, die auf einer Distanz von 396 m von Messpunkt 7 in Richtung Messpunkt 8 eine Leckstelle prognostizierte (Fig. 6).
Die errechnete Leckposition wurde in einer Feldbegehung kontrolliert. Da Leckstellen beim Wasseraustritt Vibrationen in Form von Bodenschall erzeugen, wurde die errechnete Stelle mit dem Terralog, einem Geophone zur Ortung von Vibrationen, kontrolliert und die Lage der Leckstelle bestätigt. So konnte die Lauerz-Megger-Leitung durch frühzeitiges Erkennen der Leckstelle planbar und ohne Folgeschäden wie zum Beispiel Unterspülungen repariert und wieder in Betrieb genommen werden (Fig. 7).
Die Wasserversorgung Meggen hat durch das Pilotprojekt «Leckortung punktgenau» auf der Lauerz-Megger-Leitung in kurzer Zeit interessante Erfahrungen gesammelt und hat deshalb entschieden, die gesamte Lauerz-Megger-Leitung ins Internet des Wassers zu bringen. Sie hat entlang der Lauerz-Megger-Leitung 25 Messpunkte mit dem Ortomat-MTC-System bestückt. Weiter zieht die Wasserversorgung Meggen in Erwägung, das gesamte Versorgungsgebiet mit Hydroport zu überwachen.
«Die Leckortung mit Hydroport und dem Ortomat-MTC-System hat mich überzeugt, weil die Korrelation über Hydroport verlässliche Resultate liefert, welche mit dem Terralog einfach verifiziert werden können», sagt Brunnenmeister Stefan Sorrentino (Fig. 8).

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