Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projektes war die systematische Entwicklung und praktische Erprobung innovativer Multisensorsysteme f\u00fcr die Online-Abwasseranalyse. Diese Multisensorsysteme sollten m\u00f6glichst aus solchen Sensoren (Sonden, Elektroden, Me\u00dff\u00fchlern) bestehen, die \u00fcblicherweise schon auf Kl\u00e4ranlagen zu \u00dcberwachungszwecken eingesetzt werden. Das sind z.B. Sensoren zur Messung von Leitf\u00e4higkeit, pH-Wert, Redoxpotential, Tr\u00fcbung, SAK-Wert (Spektraler Absorbtionskoeffizient) oder von anderen Hilfsgr\u00f6\u00dfen. Mit geeignet trainierten k\u00fcnstlichen neuronalen Netzen (KNN) sollten Zusammenh\u00e4nge zwischen diesen inline gemessenen Hilfsgr\u00f6\u00dfen und online mit Proze\u00dfanalysatoren gemessenen Proze\u00dfgr\u00f6\u00dfen wie Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), Ammonium (NH4) oder Phosphat (PO4) erkannt, ausgewertet und zur wissensbasierten Fehlerdiagnose sowie zur Unterst\u00fctzung der Proze\u00dfanalysatoren genutzt werden, um deren Verf\u00fcgbarkeit zu erh\u00f6hen.<\/p>\n
Anla\u00df dieses Projektes war die h\u00e4ufig auf Kl\u00e4ranlagen zu beobachtende Tatsache, da\u00df Online-Proze\u00dfanalysatoren bzw. die von ihnen gelieferten Proze\u00dfsignale bisher nur unzureichend f\u00fcr Steuerungs- und Regelungszwecke genutzt werden \/K\u00f6hne 98a\/, obwohl heute unbestritten ist, da\u00df weitergehende Abwasserreinigungsverfahren zur N\u00e4hrstoffelimination auch weitergehende Steuerungs- und Regelungsverfahren erfordern \/K\u00f6hne 98b\/. Ursachen sind neben hohen Unterhaltskosten vor allem unregelm\u00e4\u00dfig auftretende St\u00f6rungen und notwendige Wartungen der Proze\u00dfanalysatoren. F\u00fcr die Dauer des Ausfalls oder der Wartung k\u00f6nnen die Steuerungen oder Regelungen nicht sinnvoll betrieben werden; u.U. sind sogar unerw\u00fcnschte Betriebszust\u00e4nde m\u00f6glich, weil fehlerhafte Me\u00dfsignale verwendet werden.
\nDie meisten Online-Me\u00dfverfahren basieren auf komplexen, na\u00dfchemischen oder biochemischen Analysen und die Analysatoren ben\u00f6tigen einen partikelfreien Probenstrom, der wiederum eine teure und oft auch st\u00f6ranf\u00e4llige Ultrafiltration des Abwasserprobenstroms erfordert. Mit dem SAK-Sensor (UV-Absorption) der Firma Dr. Lange und o. g. Sensoren f\u00fcr andere Hilfsgr\u00f6\u00dfen in Kombination mit neuronalen Netzen zur intelligenten Signalauswertung lassen sich diese Probleme weitgehend vermeiden, weil inline (d.h. ohne Ultrafiltration) gemessen und die Verf\u00fcgbarkeit der Online-Proze\u00dfanalysatoren erh\u00f6ht wird.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst ist analysiert worden, welche Abwasserinhaltsstoffe sich aufgrund der Kombination verschiedener Hilfsparameter mit ausreichender Genauigkeiten mit neuronalen Netzen berechnen lassen und welche Zusammenh\u00e4nge zwischen einzelnen Me\u00dfgr\u00f6\u00dfen bestehen, die zur Identifikation und Kompensation gest\u00f6rter Sensoren verwendet werden k\u00f6nnen. Insbesondere ist untersucht worden, unter welchen Bedingungen eine CSB-Berechnung aufgrund des Ersatzparameters UV-Absorption m\u00f6glich ist und welche Zusammenh\u00e4nge zwischen beobachteten Fehlern und einfach zu messenden Hilfsparametern, wie Leitf\u00e4higkeit, Redopotential, pH-Wert, Tr\u00fcbung usw. bestehen, die zur Fehlerkompensation ausgewertet werden k\u00f6nnen.
\nAnschlie\u00dfend wurden auf zwei unterschiedlich gro\u00dfen Kl\u00e4ranlagen parallel zu kontinuierlich arbeitenden Proze\u00dfanalysatoren weitere Hilfsparameter gemessen, um proze\u00dfspezifische Zusammenh\u00e4nge zu erkennen. Diese dienten als Grundlage f\u00fcr die Anwendung wissensbasierter und modellgest\u00fctzter Me\u00dfverfahren. Begleitend sind neuronale Netzstrukturen zur Me\u00dfwertvalidierung entworfen und getestet worden, die eine parallele Auswertung aller Sensoren erlauben und Zusammenh\u00e4nge zwischen den verschiedenen Sensorsignalen ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die in Kooperation mit dem ZESS Zentrum f\u00fcr Sensorsysteme der Universit\u00e4t-GH Siegen durchgef\u00fchrten Experimente auf den Kl\u00e4ranlagen Netphen (12.000 EW) und K\u00f6ln-Weiden (80.000 EW) haben gezeigt, da\u00df es vorteilhaft ist, die in der Abwassertechnik notwendige Sensorvalidierung in zwei hierarchischen Ebenen durchzuf\u00fchren:
\nEine lokale Sensorvalidierungsebene umfa\u00dft eine Plausibilit\u00e4tspr\u00fcfung der Me\u00dfwerte anhand von experimentell ermittelten Grenzwerten und statistischen Kennwerten. Sie wird zweckm\u00e4\u00dfigerweise dezentral und lokal im jeweiligen Me\u00dfger\u00e4t realisiert. In einer \u00fcbergeordneten zentralen und globalen Validierungsebene werden die Sensoren, deren Ausg\u00e4nge Korrelationen mit interessierenden Proze\u00dfgr\u00f6\u00dfen aufweisen, zu einem Multisensorsystem zusammengefa\u00dft.
\nEine gemeinsame Auswertung aller relevanten Me\u00dfsignale mit autoassoziativen neuronalen Netzen (AANN) erlaubt eine Pr\u00fcfung der Me\u00dfwerte auf Plausibilit\u00e4t. Aufgrund aktueller Me\u00dfdaten erlernen die AANN w\u00e4hrend der Trainingsphase Abh\u00e4ngigkeiten zwischen den Signalen. Die erlernten Zusammenh\u00e4nge werden in der Einsatzphase genutzt, um untypische (fehlerhafte) Signalverl\u00e4ufe (z.B. Drift) zu erkennen.
\nIst ein Sensor oder Analysator als fehlerhaft oder in seiner Funktion gest\u00f6rt detektiert worden, kann ein vorher trainiertes Multilayer-Perseptron-Netz (MLPN) zur modellgest\u00fctzten Berechnung der betreffenden Proze\u00dfgr\u00f6\u00dfe verwendet werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Firma Dr. Lange beteiligt sich an allen relevanten Fachmessen, z.B. IFAT in M\u00fcnchen, INTERKAMA in D\u00fcsseldorf oder ACHEMA in Frankfurt\/Main. Teilergebnisse des Projektes wurden bei verschiedenen Anl\u00e4ssen (Symposien, Fachtagungen, Aussprachetagen) der interessierten Fach\u00f6ffentlichkeit vorgestellt und diskutiert. Das ist auch zuk\u00fcnftig geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit der Anwendung neuronaler Netze zur Sensor- und Me\u00dfsignalvalidierung ist ein wesentlicher Schritt zur Qualit\u00e4tssicherung in der Online-Abwasseranalyse gelungen. Mit der vorgeschlagenen lokalen Validierungsebene in den Proze\u00dfanalysatoren und der globalen Validierungsebene in Proze\u00dfleitsystemen lassen sich erhebliche Steigerungen der Verf\u00fcgbarkeit der Me\u00dfger\u00e4te erreichen. Voraussetzung f\u00fcr die Realisierung dieses Konzeptes ist ein geeignetes Bussystem. Hier hat sich die Firma Dr. Lange f\u00fcr den DIN-Me\u00dfbus entschieden. Alternativen werden derzeit in einem 1998 gebildeten Ausschu\u00df Kl\u00e4ranlagen – Einsatz von Feldbussystemen der Gesellschaft f\u00fcr Me\u00df- und Automatisierungstechnik (GMA) des VDI\/VDE diskutiert.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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