Veel mensen vinden schoon water vanzelfsprekend. De consument kan rekenen op een betrouwbare aanvoer van vers drinkwater, en afvalwater wordt veilig gezuiverd, dankzij slimme netwerkstrategieën zoals die van de Technische Universiteit (TU) van Berlijn. Aan de TU worden, samen met Siemens, innovatieve concepten bestudeerd in een realistische omgeving aan de hand van een digital twin van een pompstation.

Verstedelijking en klimaatverandering zetten de natuurlijke hulpbronnen wereldwijd onder grote druk. Zo ook bijvoorbeeld in Berlijn. Sinds 2000 kreeg de stad er bijna 300.000 inwoners bij en tegenwoordig telt deze 3,6 miljoen inwoners. Een groei van 10 procent in slechts 20 jaar dus. Tegen 2030 kunnen er nog eens 200.000 mensen bijkomen. In vergelijking met de uit hun voegen barstende megasteden in Azië is deze groei misschien nog bescheiden, maar dat neemt niet weg dat de watervoorraden van de stad nu al onder druk staan.

Watervoorziening: omgaan met wereldwijde uitdagingen

Bovendien zorgt de opwarming van de aarde voor meer lange droge en warme periodes, terwijl ook meer periodes van zware regenval worden voorspeld. “Periodes van droogte leiden tot geuremissies van het afvalwaternet en tot corrosie. Hevige regenval doet het rioolnet overstromen, waardoor verontreinigd afvalwater in het milieu kan terechtkomen”, aldus professor Paul Uwe Thamsen, hoofd van de afdeling Fluid System Dynamics van het Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics van de TU Berlijn.

Optimaal gebruik van infrastructuur dankzij digitalisering

“Ons onderzoek is gericht op het verbeteren van de werking van installaties en systemen in de waterindustrie in Duitsland, en meer in het bijzonder in Berlijn, zodat de bestaande systemen flexibeler en efficiënter kunnen werken”, legt Thamsen uit. Digitalisering biedt bijvoorbeeld belangrijke hulpmiddelen voor netwerksystemen en ondersteunt nieuwe benaderingen van data-analyse bij gebruik en onderhoud. Thamsen en zijn team bestuderen een aantal van deze benaderingen met behulp van een demo-installatie van een pompstation, momenteel aangevuld met een digital twin van de installatie.

Van de virtuele naar de echte wereld: digitale weergave van een demonstratiemodel van een afvalwaterpompstation aan de TU Berlin (L), met rechts de echte installatie.

Digitalisering als hands-on-ervaring 

Siemens is een belangrijke partner die de demo-installatie ondersteunt met innovatieve oplossingen. “Dit geldt vooral als je de voordelen van digitalisering in specifieke toepassingen wilt aantonen. Kennis uit domeinen als onderzoek, engineering, automatisering en de expertise van operatoren leveren nieuwe inspiratie en ideeën op over hoe digitalisering kan worden omgezet in een hands-on-ervaring”, zegt Markus Lade, General Manager bij Siemens AG Duitsland, Global Head of Water/Waste Water Vertical.

Consistente digitalisering en automatisering

Momenteel implementeert Siemens een uitgebreide digitaliserings- en automatiseringsoplossing. Deze omvat een inventarisatie en digitalisering van de bedrijfsmiddelen, procesinstrumentatie, industriële communicatie en beveiliging van de stroomvoorziening, motor- en pompbeheer, een procesbesturingssysteem en de engineering- en simulatiesystemen. 

Het einddoel is één digitale omgeving voor alle informatie over het pompstation, van het ontwerp tot de bedrijfs- en onderhoudsgegevens, inclusief gedeeltelijk autonome systemen voor het opsporen en verhelpen van storingen. De bidirectionele gegevensuitwisseling tussen de procesindustrie met tweebesturingssystemen zorgt ervoor dat de informatie gedurende de gehele bedrijfsfase up-to-date is.

Alle installatiegegevens in de digital twin

Aan het begin van het project werden alle fysieke installatieonderdelen vastgelegd met Bentley’s ContextCapture-software, met behulp van fotogrammetrie, en gecompileerd tot een 3D-model. Dit model werd vervolgens opgeladen, waar het samen met andere gegevens wordt geïntegreerd om een digital twin van de demo-installatie te creëren.

“Dit is een cruciale stap”, aldus Thamsen. “Zo kunnen we aantonen dat digitalisering met succes kan worden toegepast in brownfieldinstallaties, en dus niet alleen in een paar greenfieldprojecten.” Momenteel zijn de modelgegevens gekoppeld aan één van de procesbesturingssysteem om een complete digital twin te creëren die alle engineering- en operationele gegevens van de fabriek omvat gedurende de gehele levenscyclus.

Toepassingen laten tastbare voordelen zien

Door intelligente tools in de demo-installatie te integreren, kon Thamsen de eerste innovatieve concepten implementeren. Zo kunnen vermogens- en spanningsprofielen geanalyseerd worden met een motormanagementsysteem, zowel lokaal als in de cloud. Bovendien kan het optimalisatiepotentieel ook uit de installatiegegevens worden afgeleid met behulp van een model en cloudgebaseerde algoritmen. Dit helpt operatoren van installaties om typische fouten in pompstations proactief op te sporen en te elimineren.

Zo is er een toepassing gericht op het tegengaan van verstopping van de pomp door vezelresten in het afvalwater die zich ophopen aan het pompwiel. In het ergste geval raakt de pomp geblokkeerd. “Met de digital twin kunnen we verstopping detecteren op basis van de bedrijfsparameters en de pomp reinigen via een omgekeerde werkingsmodus”, aldus Thamsen.

Snelle inzet in de industrie

Doordat de demo-installatie gebruik maakt van componenten die ook in veel industriële afvalwaterinstallaties worden toegepast, kunnen nieuwe oplossingen snel worden ingezet in de industrie. “We kunnen onze installatie gebruiken om te demonstreren hoe oplossingen in een industriële omgeving kunnen worden geïntegreerd en om live resultaten te laten zien in de demonstrator. Dit verkort de time-to-market voor innovaties”, zegt Thamsen en hij voegt eraan toe:

“Dit is niet alleen maar een demo-installatie, maar een kleinschalige industriële installatie met een procesbesturingssysteem, aandrijfsystemen, sensoren en actuatoren. Met onze digital twin kunnen we een praktische demonstratie geven van wat digitalisering inhoudt en dit complexe onderwerp toegankelijk maken, ook voor fabrieksoperatoren en onderhoudspersoneel. Daardoor is dit project een echte mijlpaal voor Water 4.0!”