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1. Grundlagen
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Die
Speicherkaskade besteht aus 6 beweglichen Drosselklappen die von
einer gemeinsamen Betriebsstation aus gesteuert werden (s. Übersichtsschema
des Klappensystemes).
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Bei
Regenereignissen werden die Klappen geschlossen und aktivieren im
Abwasserkanal entsprechend ihrer jeweiligen Höhen je Kaskadenstufe ein
Stauvolumen. In jeder Drossellappe gibt es eine Durchlassöffnung
durch die eine Wassermenge auch bei geschlossener Drosselklappe
zur unterhalb liegenden Kaskadenstufe weiterfließt. Mit
steigendem Wasserspiegel steigt auch die von jeder Staustufe weitergegebene
Wassermenge, so dass sich alle Staustufen füllen. Am Ende
des Regenereignisses nach selbständiger Entleerung der
Staustufen werden alle Klappen wieder geöffnet. Die Stauhöhe
jeder Staustufe wird mit je einem Ultraschallsensor ermittelt. Die
Ultraschallsensoren werden jeweils einen Schacht oberhalb des Klappenstandortes
angeordnet. Weiterhin befindet sich im RÜB ein Ultraschallsensor,
der dort den Wasserspiegel überwacht und die Aktivierung
des Systems bei Abflussereignissen veranlasst.
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Überschreitet
das Regenereignis bei geschlossenen Klappen eine Abflussleistung,
die die vorgegebene maximale Stauhöhe einer Staustufe (Oberkante
Klappe) zur Folge hat, werden sofort alle Klappen geöffnet
um eine hydraulische Überlastung des Abwasserkanales zu
vermeiden.
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Mit
den Klappen 4 und 6 kann auch bei Trockenwetter
der jeweils oberhalb liegende Kanalabschnitt bis etwa in Höhe
der Klappendrehachse eingestaut werden. Die Abdichtung der Hauptklappe macht
eine an der Kanalwand befestigte Dichtung möglich. Die
Durchlassöffnung verschließt bei diesen beiden
Klappen eine weitere kleine Klappe, die auf der jeweiligen Hauptklappe
aufgebaut ist und mit dieser schwenkt.
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Durch
schnelles Öffnen der Hauptklappe wird ein Spülschwall
erzeugt und der unterhalb liegende Kanalabschnitt gespült.
Nach der Spülung bleiben die Hauptklappen/Drosselklappen
geöffnet. Bei geöffneten Drosselklappen sind die
Durchlassklappen geschlossen, damit sich ein möglichst
geringer Strömungswiderstand der Konstruktion ergibt. Bzgl.
des Aufbaus der Klappen wird auf die Anmeldung
DE 299 18 162.6 ;
299 03 265.5 ;
20 2004 015 982.1 ;
20 2005 007 934.0 ;
20 2005 003 700.1 ;
20 2005 004 577.2 ;
EP 06100997.3 ;
100 10 836.9–25 ;
100 66 290.0–25 ;
01105574.6 ;
EP 05109453.0 ;
10 2005 048 998.2 , verwiesen,
die Teil dieser Anmeldung sind.
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2. Betriebsstation
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Die
Betriebsstation besteht aus einer schalldämmenden Kapsel
(Winkelstahlrahmen mit angehängten Einzelelementen aus
Stahlblech verzinkt (1,5 mm dick, Pulverbeschichtung 70 my, entdröhnt). Die
Konstruktion aus verzinkten Abkantprofilen ist mit dem Fundament
verschraubt. Die Innenflächen bestehen aus schallabsobierender,
biolöslicher Mineralwolle mit Innenabdeckung aus Lochblech
als mechanischem Schutz. Die Wände sind ca. 80 mm dick
und können den Schalldruckpegel um ca. 20 dB (A) mindern.
Alle Seitenwände einschließlich Rückwand sind
abnehmbar, so dass bei Wartungs- und Reparaturarbeiten ein guter
Zugang speziell zum Kompressor und zu den Leerrohren gegeben ist.
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In
der Betriebsstation ist ein schallgedämmter, leistungsfähiger
Industriekompressor mit einem Geräuschpegel von etwa 61
db (A) aufgestellt. Damit wird sichergestellt, dass auch bei Wartungs-
und Servicearbeiten der laufende Kompressor keine unzumutbare Lärmbelästigung
verursacht. Bei geschlossener Betriebsstation wird ein Geräuschpegel
von unter 50 db (A) erreicht. Die Betriebsstation ist mit einer
thermostatisch gesteuerten Lüftung ausgestattet, die die
vom Kompressor erzeugte Wärme aus dem Innenraum abführt.
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Luftreinigung
und Trocknung gewährleisten die Frostsicherheit. Durch
den Öl-Wassertrenner kann das Kondensat nach seiner Reinigung
wieder in den Abwasserkanal geleitet werden, womit kein Entsorgungsproblem
für ölverschmutztes Kondensat entsteht. Das abgetrennte Öl
wird in einem separaten Behälter gesammelt.
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Die
Betriebsstation steht auf einem etwa 30 cm hohen Fundament. Im Fundament
mündet ein Leerrohr aus PVC DN 250, in dem alle Luftsteuerleitungen
und Datenkabel zum Abwasserkanal geführt werden. Das Leerrohr
bindet etwa 10 m oberhalb Klappe 4 mittels Kernbohrung
in der Nähe des Kanalscheitels in den Abwasserkanal ein.
Im fundamentseitigen Mündungsbereich des Leerrohres befindet sich
eine gas- und wasserdichte Gummipressdichtung durch die alle Steuerleitungen
und Kabel geführt werden.
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Die
Betriebsstation verfügt über einen Telefonanschluss
mit 2 analogen TAB-Dosen und einen eigenen Stromanschluss. Die Zähleranschlusssäule des
Stromanschlusses ist außen in der Nähe einer Seitenwand
der Betriebsstation angeordnet.
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Beide
Anschlusskabel sind erdverlegt und verlaufen im Fundamentbereich über
separate Leerrohre bis zu deren Mündung an der Fundamentoberkante
zum Innenraum der Betriebsstation.
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3. Klappen
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Beschreibung der Klappen
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Die
6 Drosselelemente (Bezeichnung 1 bis 6) sind als
Drosselklappe mit waagerechter Drehachse und Durchflussöffnung
ausgeführt. Sie bestehen aus einem Gitterrohrrahmen und
sind beidseitig mit Edelstahlblech beplankt, so dass die Oberfläche
nahezu vollkommen glatt ist und keine nennenswerte Verzopfungen
auftreten können. Die Drosselklappen sind schwenkbar an
Konsolen aufgehängt, die an der Kanalwand mittels Kontaktplatten
und Edelstahlverbundankern M 12 × 160/Bohrlochtiefe 120
mm befestigt werden.
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Statisch
unbelastete Bauteile werden mit Fixankern WFA M10 Bohrlochtiefe
70 mm bzw. Spaxschrauben und Kunststoffdübeln befestigt.
Alle Befestigungsmaterialien sind aus nicht rostendem Stahl A4.
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Die
Endlagen „geschlossen” bzw. „geöffnet” jeder
Drosselklappe werden mittels pneumatischer Kontakte (Lageschalter) überwacht.
Bei allen Klappen beträgt die Öffnungszeit etwa
1 Sekunde d. h. von der Endlage „geschlossen” bis
zu einem Öffnungswinkel von etwa 80° vergeht beim
Auffahren etwa 1 Sekunde ab Verlassen der Endlage. Die Endlagen
werden auf den letzten 10° des jeweiligen Klappenweges
pneumatisch gedämpft, so dass keine schlagende Belastung
auftritt.
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Die
Schließgeschwindigkeit jeder Klappe kann stufenlos eingestellt
werden. Dazu befindet sich an der Abblaseleitung des sekundären
Hauptsteuerventiles ein Drosselrückschlagventil.
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Die
Drosselung der Öffnungsgeschwindigkeit ist technisch natürlich
möglich. Im vorliegenden Projekt macht dies jedoch mit
Sicht auf die bei den Klappen 4 und 6 gewünschte
Schwallspülung und den bei allen Klappen erforderlichen
möglichst schnellen Abbau der Stauvolumen bei Starkregen keinen
Sinn.
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Jede
Drosselklappe ist für Funktionstests mit einer Vor-Ort-Steuerstelle
im Kanal zum Öffnen und Schließen der Haupt- sowie
der Durchlassklappen ausgestattet. Da zur Sicherheit des Betriebspersonales
das unbeabsichtigte Fahren der Hauptklappen vor allem bei Arbeiten
im Kanal unbedingt vermieden werden sollte wird in der Betriebsstation
zusätzlich zur Stellung des Betriebsartwahlschalters am
Schaltschrank auf „Hand-Steuerung” die jeweilige
Steuerleitung mittels Absperrhahn dauerhaft geöffnet. Damit
kann sich bei ungewollten Fahrbefehlen aus der Betriebsstation kein
Luftdruck in den Steuerleitungen aufbauen und ungewollte Klappenbewegungen
unterbleiben.
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Gegengewicht
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Durch
ein in die Klappenkonstruktion integriertes Gegengewicht öffnen
sich die Klappen eigenständig auch bei Ausfall der Antriebsenergie
sowie bei Bruch des Antriebes wobei die Öffnungsbewegung
vom Wasserdruck initiiert wird.
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Dichtbleche, Durchlassöffnung
und Überfallkante
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An
der Außenkante der Hauptklappen befinden sich verstellbare
Dichtbleche über die das Spaltmaß zur Kanalwand
einstellbar ist.
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Die
Durchlassöffnung kann mittels einer verstellbaren Blende
in ihrer Größe justiert werden. Die Summe aus
Spaltmaß und freier Blendenöffnung entspricht
bei allen Hauptklappen der vorgegebenen Größe
der Blendenöffnung also z. B. DN 300.
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Die
Höhe der Oberkante jedes Drosselelementes ist stufenlos
einstellbar (Verstellbereich 10 cm), sodass auch später
eine Nachjustierung der Überfallkantenhöhe innerhalb
des Einstellbereiches möglich ist.
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Bei
den Klappen mit Spülfunktion (4 und 6) ist
auf die Kanalwand ein Dichtelement aufgeschraubt, so dass die Klappen
beim Zufahren im Bereich unterhalb der Drehachsen den Durchfluss
sehr stark reduzieren und auch bei Trockenwetter ein Aufstau erzeugt
werden kann. Die Durchlassöffnungen können über
je eine kleine Klappe mit separatem, mitschwenkendem pneumatischen
Antrieb (ohne Endlagenüberwachung) verschlossen werden. Über Vor-Ort-Steuerstellen
im Kanal ist das Öffnen und Schließen der Durchlassklappen
während des Aufenthaltes im Kanal möglich.
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pneumatischer Antrieb der
Klappen
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Der
pneumatische Klappenantrieb jeder Hauptklappe ist im Kanalscheitel
angeordnet. Er besteht aus dem Antriebsträger, Schwinge
und einem Pneumatikzylinder mit einstellbaren separaten Endlagendämpfungen.
Durch die Endlagendämpfungen werden die Klappenbewegungen
in den Endlagen weich gebremst und auch bei Ausfall der Luftversorgung
sowie beim schnellen Öffnen der Klappen durch den Wasserdruck,
schlagende Belastungen vermieden.
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Der
Pneumatikzylinder schiebt die Schwinge beim Zufahren der Klappe
in eine Position, dass sie mit der Schubstange einen Winkel von
etwa 175° bildet. In dieser Position hat die Klappe ihre
Endlage „geschlossen” erreicht.
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Die
Endlagen werden von pneumatischen Schließkontakten an die
Betriebsstation signalisiert. Das pneumatische Signal wird dort
in ein elektrisches Signal umgewandelt und an die SPS weitergeleitet.
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Steuerkopf
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Beim
Zufahren jeder Hauptklappe wird ein Notöffnungsschwimmer
vom Kanalscheitel in den Kanalquerschnitt geschwenkt. Am Schwimmergestänge
befindet sich der Steuerkopf mit den sekundären Steuerventilen
der jeweiligen Klappe. Dies sind zwei mechanisch betätigte
pneumatische Kontakte (3-Wegeventile) für den Schwimmer,
weiterhin folgende pneumatisch betätigte Sekundärventile:
das sekundäre Hauptsteuerventil jeder Klappe, bei den Klappen 3 und 6 das
sekundäre Impulsventil und bei den Klappen 4 und 6 das
sekundäre Ventil der Durchlassöffnungsklappe.
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4. elektropneumatische Steuerung
der Anlage
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elektro-pneumatische Grundfunktionen
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In
der Betriebsstation sind alle pneumatischen Steuerventile elektrisch
angesteuert und auf einer gemeinsamen Schalttafel angeordnet. Diese befindet
sich außerhalb des Schaltschrankes. Die Stecker der elektrisch
angesteuerten Ventile sind mit Leuchtdiodenanzeige versehen, damit
das Betriebspersonal die elektrische Ansteuerung bei Störungssuche
schnell prüfen kann.
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Jede
Klappe hat je ein primäres Haupt- und ein primäres
Zusatzsteuerventil. Beide Ventile sind in Reihe geschaltet.
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Das
primäre Hauptsteuerventil wird direkt und ausschließlich über
die Schaltkontakte der Auswerteeinheiten der Ultraschallsensoren
gesteuert und stellt den Steuerluftdruck für das primäre
Zusatzsteuerventil zur Verfügung. Es ist stromführend
geöffnet solange der Wasserstand unter dem Sensoralarmniveau 2 liegt.
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Das
primäre Zusatzsteuerventil wird ausschließlich
von der SPS angesteuert. Bei geöffneter Klappe ist das
jeweilige primäre Zusatzsteuerventil stromlos geschlossen
und die pneumatische Steuerleitung deshalb drucklos.
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Schließen und Öffnen
einer Klappe
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Wenn
eine Klappe zugefahren werden soll muss das primäre Hauptsteuerventil
stromführend offen sein.
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Das
primäre Zusatzsteuerventil wird dann über die
SPS elektrisch angesteuert und gibt Druckluft über die
pneumatische Steuerleitung der Klappe an das im Steuerkopf der Klappe
befindliche pneumatisch betätigte sekundäre Hauptsteuerventil
weiter. Dieses schaltet, gibt Druckluft aus dem örtlichen Druckluftspeicher
an den Pneumatikzylinder des Klappenantriebes frei und die Klappe
fährt zu.
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Überschreitet
der Wasserstand das softwareseitig in der SPS eingerichtete Niveau
(Oberkante Klappe) fällt das Steuersignal zum primäre
Zusatzsteuerventil ab und die pneumatische Steuerleitung wird drucklos.
Dadurch öffnet das sekundäre Hauptsteuerventil
die Klappe.
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Der
Steuerdruck jeder Klappe wird nach den primären Steuerventilen
mittels Manometer angezeigt. Somit kann der Druckauf- und Abbau
in der Steuerleitung beim Schaltvorgang verfolgt werden.
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Die
Steuerluftdruck-Schaltpunkte des sekundären Hauptsteuerventiles
liegen bei etwa 2,3 und 0,9 bar. Der Steuerluftdruck wird mit 3,2
bar gewählt. Damit ist eine sichere Ansteuerung gewährleistet
und die Druckabbauzeit vom Schließen eines primären Steuerventiles
bis zum Abfallen des Steuerdruckes auf den Rückschaltdruck
von 0,9 bar minimiert, wodurch das sekundäre Hauptsteuerventil
rückschaltet und die Klappe wieder öffnet. Druckauf-
und Abbbau in der Steuerleitung sind von der Leitungslänge
abhängig und dauern bis zu etwa 60 Sekunden.
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Falls
die elektronische Steuerung der SPS versagt, wird die Klappe rein
hardwareseitig geöffnet – direkt über
die Auswerteeeinheiten der Ultraschallsensoren bei Überschreitung
des Sensor-Alarmniveaul (5 cm über Klappenoberkante).
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Dann
schaltet der Schaltkontakt 1 in der Auswerteeinheit des
Ultraschallsensors das primäre Hauptsteuerventil stromlos,
dies schließt eigenständig durch Federkraft und
gibt keine Steuerluft an das primäre Zusatzsteuerventil
weiter womit die Steuerleitung auch dann drucklos wird, wenn die
SPS bei Fehlfunktion das primäre Zusatzsteuerventil weiterhin
ansteuert und Steuerdruck erzeugen „will”.
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Somit
wird Steuerdruck zum Ansteuern der sekundären Hauptsteuerventile
nur dann erzeugt wenn beide primäre Steuerstromkreise in
Funktion und ohne Störung sind. Es ist also sichergestellt, dass
auch bei Leitungsbruch, Stromausfall oder sonstigem Druckabfall
im Steuerkreis die Klappen immer eigenständig ohne aktives
Steuersignal öffnen.
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Impulsöffnung
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Da
Regenereignisse speziell im innerstädtischen Raum zu extrem
schwallartigen Abläufen im Kanalnetz führen können
ist es wichtig, dass die davon gefährdeten Klappen bei
Erreichen des gewünschten Maximalwasserspiegels (Stauziel) schnell öffnen.
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Bei
den Klappen 3 und 6 kann, da sie einen großen
direkten Zufluß vom Kanalnetz erfahren, bei stoßartigen
Ablaufereignissen und einer plötzlichen Ablaufwelle vom
Kanalnetz bei nahezu voll eingestauter Staustufe der gewünschte
maximale Wasserspiegel sehr schnell erreicht bzw. überschritten
werden. Wegen der Leitungslängen von 200 m bzw. 420 m dauert
der Druckabbau in der Steuerleitung bis zum Rückschalten
des sekundären Hauptsteuerventils etwa 30 bzw. 60 Sekunden.
Um eine hydraulische Überlastung des oberhalb liegenden,
eingestauten Abwasserkanales in diesem Zeitraum zu vermeiden würde
bei nicht rechtzeitiger Klappenöffnung dann der Notschwimmer
mit Selbsthaltung die Klappe öffnen. Dies gilt es möglichst
zu vermeiden. Deshalb verfügen obige Klappen über
eine zusätzliche aktive Schnellöffnungsfunktion,
genannt Impulsöffnung.
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Bei
Sensor-Alarmniveau 1 (5 cm über Klappenoberkante)
betätigt das entsprechende Schaltrelais der Auswerteeinheit
neben dem primären Hauptventil auch das primäre
Impulsventil, welches über einen pneumatischen Hochdruck-Impuls
und separate Steuerleitung das im Steuerkopf befindliche sekundäre
Impulsventil ansteuert, welches eine Verbindung von der Schließleitung
des Zylinder nach außen öffnet. Dabei wird die
Schließleitung des Zylinders schnell abgeblasen, wonach
die Klappe über Wasserdruck und Gegengewicht öffnet.
Diese Impulsöffnung arbeitet also auch bei einem Schaden
am sekundären Hauptsteuerventil und sichert eine schnelle Klappenöffnung
ohne Ansprechen des Notschwimmers. Mit dieser Impulsöffnung
sollte es möglich sein, trotz der speziell bei der Klappe 6 großen
Entfernung von der Betriebsstation, diese innerhalb etwa 15 Sekunden
ohne Ansprechen des Notschwimmers zu öffnen.
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Da
die Ultraschallsensoren eine Haltung oberhalb der Klappen angeordnet
werden ist auch bei den Klappen 3 und 6 eine ausreichende
Reaktionszeit für die Impulsöffnung zu erwarten
um die Klappe zu öffnen bevor sie eine Stoßwelle überflutet.
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Durchlassöffnungen der Spülklappen
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Die
Durchlassöffnungen der Spülklappen können über
separaten pneumatischen Antrieb geschlossen/geöffnet werden.
Zum Öffnen sind die entsprechenden Ventile in der Betriebsstation
zu betätigen, die einen pneumatischen Steuerimpuls an die korrespondierenden
sekundären Ventile der Durchlassöffnungs-Steuerung
geben. Diese betätigen dann den Pneumatikzylinder mit dem
die Klappe der Durchlassöffnungen bewegt werden. In Ruhelage, Steuerleitung
drucklos, sind die Klappen geschlossen.
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Die
Klappenbetätigung ist auch über die Vor-Ort-Steuerung
im Kanal möglich. Die Klappen besitzen keine Endlagenüberwachung,
die Stellgeschwindigkeiten der Zylinder sind werksseitig fest eingestellt.
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Notöffnungsschwimmer
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Beim
Zufahren jeder Hauptklappe wird ein Notöffnungsschwimmer
vom Kanalscheitel in den Kanalquerschnitt geschwenkt. Bei Überschreiten
des am Schwimmer eingestellbaren Steuerwasserspiegels sprechen über
ein justierbares Gestänge 2 pneumatische Kontakte
nacheinander an.
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Die
Funktionen der Schwimmer dienen der Vermeidung einer hydraulischen Überlastung
des Abwasserkanales und der Sicherheit der Anlage. Die über
die Schwimmer erzeugten pneumatischen Steuersignale und die daraus
resultierenden Klappenbewegungen sind deshalb auch dann aktiv, wenn
die Hauptsteuerventile oder deren Ansteuerung nicht korrekt arbeiten,
also auch beim Versagen aller sonstigen elektrischen, elektronischen
und pneumatischen Steuerfunktionen.
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Die
Schwimmer sollten im ungestörten Anlagenbetrieb also nicht
ansprechen. Wird ein Schwimmer aktiv, so kann dies evtl. eine Folge
außergewöhnlicher hydraulischer Belastung des
Kanales sein, wahrscheinlicher sind jedoch Funktionsstörungen
an der Anlagensteuerung selbst. Insofern sind die Schwimmerfunktionen
also in erster Linie als Notbetrieb beim Versagen aller sonstigen
Sicherungen zu sehen.
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Der
Kontakt 1 spricht bei einem Wasserspiegel von etwa 10 cm über
Klappenoberkante an und lässt die Schließseite
des Zylinders langsam abblasen. Beim Abblasen drückt der
Wasserdruck die Klappe ein wenig auf und der Wasserspiegel fällt langsam.
Es sinkt der Schwimmer wieder nach unten und der Kontakt schließt
wieder. Dabei erhält die Schließseite des Zylinders
wieder Druck wodurch der Öffnungsvorgang weiter verlangsamt
oder ganz gestoppt wird. Dieses Wechselspiel kann sich mehrmals
wiederholen. Durch langsames Öffnen der Klappe soll sich
das Staustufenvolumen langsam abbauen und es soll vor allem das
schwallartige Überfluten der unterhalb liegenden Staustufe
und daraus evtl. folgende kettenförmige Ansprechen der
unterhalb liegenden Staustufenschwimmer vermieden werden.
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Der
pneumatische Antrieb der Klappen ist so ausgelegt, dass eine Klappe,
wurde sie bei hohem Wasserspiegel geöffnet, nicht wieder
komplett zufährt, da die Druckkraft des Zylinders dafür
nicht ausreicht, also die Klappe dann immer eine gewisse Restöffnung
aufweist und die Staustufe mehr Wasser abführen kann als
allein durch die Durchlassöffnung fließt. Erst
bei einer Wasserführung unter etwa 60 cm (beim Nachlassen
der Abflussleistung des Regenereignisses) könnte die Klappe
wieder die Geschlossen-Endlage erreichen und die Kaskadenstufe erneut
vollständig aufstauen. Damit werden beim Ansprechen des
Schwimmers gleitende Übergänge erreicht und ein
schwallartiges Ablaufendes Wassers vermieden.
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Falls
die über die langsame Klappenbewegung entstehende Öffnung
der Klappe nicht ausreicht und der Wasserspiegel weiter steigt,
wird im weiteren Weg des Schwimmers dann die mechanische Selbsthaltung
aktiviert. Hierbei fällt eine Klinke durch Eigengewicht
nach unten, verhindert das Rücksenken des Schwimmers bei
Wasserspiegelabfall und Rückschalten des ersten Steuerkontaktes.
Dadurch kann auf der Schließseite des Zylinders nicht wieder
Druck aufgebaut werden und die Klappe öffnet sich über Wasserdruck
und Gegengewicht langsam bis zur Endlage „offen” wobei
das Staustufenvolumen vollständig, aber langsam, abgebaut.
Die Entriegelung der Selbsthaltung kann nur per Hand vor Ort vorgenommen
werden.
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Reicht
der vom Kontakt 1 veranlasste Öffnungsgrad der Klappe noch
immer nicht aus wird bei weiterer Schwimmerbewegung zusätzlich
der pneumatische Kontakt 2 aktiviert, der Hauptluft zur Kolbenstangenseite
des Hauptzylinders leitet und so die Klappe aktiv schnell öffnet,
womit der Wasserspiegel sehr schnell absinkt. Sobald der Wasserspiegel
unter den Auslösepunkt des Kontaktes 2 fällt schaltet
der Kontakt 2 zurück und es ist nur noch die langsame Klappenöffnung über
den Kontakt 1 aktiv. Damit soll auch beim Ansprechen des Schwimmerkontaktes 2 möglichst
ein schwallartiges Ablaufen des Wassers vermieden werden.
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Das
Notschwimmerniveau ist identisch mit dem in der Auswerteeinheit
der Ultraschallsensoren eingerichteten Sensor-Alarmniveau 2.
Hier wird hardwareseitig ein elektrischer Steuerimpuls generiert, der
zu der Störung führt „Schwimmerniveau
erreicht bei „nicht-offener” Klappe”.
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5. Sicherungen gegen hydraulische Überlastungen des
Abwasserkanales
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Die
LIWATECH-Anlage verfügt über mehrere unabhängige,
teils zusätzlich nochmals redundante, Sicherheitsvorkehrungen
die gewährleisten, dass die hydraulische Überlastungen
des Abwasserkanales durch geschlossene Klappen unter allen Umständen, auch
bei Leitungsbruch, Kabelbruch, Ausfall der Antriebsenergie, Ausfall
der Stromversorgung, Schaden an einem pneumatischen Steuerungsventil,
Störungen an der elektrischen Steuerung einschl. SPS in
jedem Falle vermieden wird. Insgesamt gibt es 3 unabhängige
Steuerungsebenen (elektronisch, elektrisch und mechanisch/hydraulisch)
die das Überschreiten des maximal zulässigen Wasserspiegels
jeder Speicherkaskade verhindern.
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Einige
der Sicherungen sprechen nur bei schwerwiegenden Störungen
an der Anlage an und sind deshalb mit Selbsthaltung versehen. Diese zwingen
das Betriebspersonal die Anlage zu kontrollieren und die Störung
vor Wiederinbetriebnahme der Anlage ordnungsgemäß zu
beseitigen.
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Im
Detail gibt es folgende wesentliche Sicherheitsfunktionen:
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5.1 Wasserspiegelüberwachung
durch Ultraschallsensoren und Auswertung mittels SPS
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Die
sich beim Regenereignis einstellende Stauhöhe wird oberhalb
jeder Klappe mit einem Ultraschallsensor erfaßt und an
die jeweilige in der Betriebsstation befindliche Auswerteeinheit
gemeldet. Diese erzeugt ein 4 bis 20 mA-Signal welches die SPS auswertet.
Die Steuersoftware in der SPS veranlasst entsprechende Steuerbefehle
und das Öffnen der Klappen über die primären
Zusatzsteuerventile. Die Alarmniveaus 1 und 2 sind
weiterhin softwareseitig eingerichtet und veranlassen entspr. Störmeldungen über
die Leittechnik des Auftraggebers.
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5.2 Wasserspiegelüberwachung
durch Ultraschallsensoren und Auswertung direkt über die
Schaltkontakte der Auswerteeinheiten
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Diese
arbeiten unabhängig von der SPS und sind fest verdrahtet.
Die Alarmniveaus 1 und 2 sind hier zusätzlich
zu Pos. 5.1 auch hardwareseitig in jeder Auswerteeinheit eingerichtet.
Dadurch ergibt sich eine von der SPS unabhängige elektrische
Ansteuerung der primären Hauptsteuerventile. Entspr. Störmeldungen
werden über die Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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5.3 redundante, unabhängige primäre
Steuerkreise
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Bei
einem Schaden an einer der primären elektrischen Steuerlinien
(SPS-Steuerung bzw. hardwareseitige Ventilansteuerung) kann kein
Steuerdruck aufgebaut werden, da die primären Steuerventile
in Reihe geschaltet sind und bei Fehlfunktion einer Steuerlinie
kein pneumatisches Schließsignal für das jeweilige
rein pneumatisch gesteuerte sekundäre Hauptsteuerventil
erzeugt werden kann.
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5.4 elektrische Leitungsbruchsicherheit
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Die
elektrischen Ansteuerungen sind so gewählt, dass bei Stromausfall
bzw. Leitungsbruch das elektrische Schließsignal der Primärventile
abfällt und sich diese Ventile in Ruhelage stellen (schließen),
die pneumatische Steuerleitung drucklos machen und die Klappe geöffnet
wird.
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Da
dies über die Lagekontakte erkannt und an die Betriebsstation
gemeldet wird ist eine Störmeldung über die Leittechnik
des Auftraggebers die Folge.
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5.5 pneumatische Bruchsicherung der Steuerleitungen
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Die
pneumatisch betätigten sekundären Hauptsteuerventile
geben den Luftdruck an die Zylinder nur bei anstehendem Steuerluftdruck
frei. Fällt der Druck in der Steuerleitung unter den Schaltdruck schaltet
das Ventil über Federkraft zurück und es wird die
Klappe pneumatisch aktiv geöffnet.
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Da
dies über die Lagekontakte erkannt und an die Betriebsstation
gemeldet wird ist eine Störmeldung über die Leittechnik
des Auftraggebers die Folge.
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5.6 Notschwimmer mit interner Redundanz
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Die
Notschwimmer verfügen über jeweils zwei mechanisch
und pneumatisch unabhängige pneumatische Schaltkontakte
mit entspr. Steuerfunktionen, so dass auch hier nochmals Redundanz
besteht.
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Beide
Funktionen sind zudem von der elektropneumatischen Steuerung und
dem Funktionieren der sekundären Hauptsteuerventile unabhängig.
Zusätzlich verfügt Kontakt 1 über eine
mechanische Selbsthaltung, so dass die Klappe dauerhaft offen bleibt
wenn die Selbsthaltung ausgelöst wurde.
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5.7 Lageüberwachung der Klappen
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Die
Endlagen der Klappen werden über pneumatische Kontakte überwacht.
Geht von der SPS ein Betätigungssignal an das primäre
Zusatzsteuerventil und der Druckschalter des entsprechenden Lageschalters
meldet nicht innerhalb einer bestimmten Zeit die angestrebte Endlage
an die SPS wird die „Störung Lagekontakt” gemeldet.
Danach wird die Klappe geöffnet und das Programm abgebrochen
wobei alle Klappen der Kaskade öffnen. Eine entspr. Störmeldung
wird über die Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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5.8 mechanisch-/hydraulische Selbstöffnung
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Die
Klappen sind so ausgelegt, dass sie der Wasserdruck öffnet.
Das Wasser übt auf die obere Klappenfläche immer
eine geringere Kraft als auf die untere aus, da die obere von einem
geringeren Druck beaufschlagt wird. Zudem hat der obere Klappenteil eine
kleinere Fläche als der untere. Das Öffnungsmoment
ist also immer größer als das Schließmoment. Die
Klappe wird sich also immer in Richtung Sohlströmung „aufdrehen”.
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Jede
Klappe ist mit einem Gegengewicht ausgestattet, dass die Klappe
selbsttätig öffnet. Der mechanisch-/hydraulische Öffnungsvorgang
wird vom Wasserdruck initiiert und vom Gegengewicht unterstützt.
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5.9 Schnell-Impulsöffnung bei
stoßwellengefährdeten Klappen
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Diese
Klappen verfügen über eine zusätzliche
aktive Schnellöffnungsfunktion, genannt Impulsöffnung.
Sie wird bei Überschreiten des Betriebswasserspiegels um
etwa 5 cm aktiv. Mit dieser Impulsöffnung ist es möglich,
trotz der speziell bei der Klappe 6 großen Entfernung
von der Betriebsstation, diese innerhalb weniger Sekunden aktiv
anzusteuern und zu öffnen.
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Eine
entspr. Meldung wird über die Leittechnik des Auftraggebers
gesendet.
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5.10 Selbstüberwachung der Wasserspiegelmessungen
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Jede
Ultraschallmessung überwacht sich selbst, d. h. die Kommunikation
zwischen Ultraschallsensor im Abwasserkanal und Auswerteeinheit
in der Betriebsstation wird ständig überprüft.
Bei Ausfall wird in der Auswerteeinheit der Maximalwasserspiegel
angezeigt, wodurch über die SPS die Klappe öffnet.
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Weiterhin
wird von der Auswerteeinheit per internem Relais an die SPS ein
elektrisches Signal gegeben, dort als Störung bewertet
und gemeldet. Gleichzeitig wird bei „Sensoralarm 3” über
Relaiskontakt eine elektrische hardwareseitige Selbsthaltung auslöst
und die Klappe über diese Funktion gegeöffnet
gehalten.
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Bei „Niveaualarm 3 Relaiskontakt” werden die
Automatikprogramme abgebrochen.
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Die
Klappenöffnung bei Störung der Kommunikation zwischen
Sensor und Auswerteeinheit erfolgt also zusätzlich unabhängig
von der SPS auch rein hardwareseitig. Eine entspr. Störmeldung
wird über die Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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5.11 Luftdrucküberwachung durch
zwei unabhängige Druckschalter mit abgestuften Druckebenen
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Sinkt
der Druck unter den Grenzwert des analogen Drucksensors (etwa 8,5
bar) werden alle Klappen über das Steuerprogramm der SPS
durch Rückstellung der primären Zusatzsteuerventile
geöffnet und eine Störmeldung erzeugt. Diese wird über die
Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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Fällt
der Druck weiter unter den Schwellwert des Hauptdruckschalters (etwa
6 bar) öffnen die primären Hauptsteuerventile über
die hardwareseitige Schaltung wie bei der „Wasserspiegelüberwachung durch
Ultraschallsensoren und Auswertung direkt über die Schaltkontakte
der Auswerteeinheiten” und schalten die pneumatische Steuerleitung
auch dann drucklos, wenn die SPS versagt. Eine entspr. Störmeldung
wird über die Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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5.12 pneumatische Bruchsicherung der Hauptluftleitung
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Die
Hauptluftleitung versorgt die sekundären Speicher mit Druckluft
zum Fahren der Klappen. Bei einem Leitungsbruch fällt der
Druck im Hauptluftsystem ab und es werden die Klappen von Wasserdruck und
Gegengewicht langsam aufgedrückt. Bei absinkendem Luftdruck
können die Klappen nicht mehr geschlossen gehalten werden
und öffnen durch den Wasserdruck.
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5.13 Störung „Schwimmerniveau
erreicht bei „nicht-offener” Klappe”
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Der
Alarm wird in den Auswerteeinheiten der Ultraschallsensoren bei
Wasserspiegelniveau 2 (Sensoralarm 2) initiiert
wenn das Schwimmerniveau 2 überschritten wird
und von der SPS das Schließsignal an das jeweilige primäre
Zusatzsteuerventil noch ansteht. Eine entspr. Störmeldung
wird über die Leittechnik des Auftraggebers gesendet.
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Zusätzlich
wird eine Selbsthaltung durch die Hardware aktiviert. Die Selbsthaltung
kann durch Druckschalter auf der Schaltschranktür rückgesetzt werden.
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5.14 Leckageüberwachung der Anlage
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Über
die Laufzeiten des Kompressors wird eine Leckageüberwachung
der Anlage durchgeführt.
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Dazu
wird bei Inbetriebnahme der Anlage die Kompressorlaufzeit zum Befüllen
des Luftsystems ermittelt. Dies schließ die Vollfüllung
der Speicher, Leitungen und Zylinder bis Betriebsdruck ein. Wird nun
im Normalbetrieb diese ununterbrochene Laufzeit des Kompressors
um eine bestimmte Zeit überschritten kann nur eine Leckage
die Ursache dafür sein und es wird über die Leittechnik
des Auftraggebers die Störmeldung „Kompressorlaufzeit” gesendet.
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Weiterhin
wird die Kompressorlaufzeit zum Ausgleich der Mikroleckagen ohne
Fahrbefehl der Klappen innerhalb 30 Minuten bestimmt.
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Von
der SPS wird die Kompressorlaufzeit innerhalb jeweils 30 Minuten
laufend kumulativ ermittelt. Liegt diese um eine bestimmte Zeit über
der ermittelten Leckage-Ausgleichszeit wird ebenfalls die Störmeldung „Kompressorlaufzeit” ausgelöst.
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5.15 Verhalten bei Stromausfall (SPS-gesteuert)
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Bei
jedem Stromausfall wird über die Leittechnik des Auftraggebers
die Störmeldung „Stromausfall” gesendet.
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Fällt
die Stromversorgung für 5 Minuten dauerhaft oder in 10
Minuten für kumulativ 5 Minuten aus werden über
die SPS die Klappen, beginnend mit Klappe 1, im Abstand von
3 Minuten geöffnet. Die USV wird so ausgelegt, dass nach Öffnung
der Klappe 6 noch mindestens 10 Minuten Kapazität
zur Verfügung stehen in denen die Mess- und Leittechnik voll
funktionsfähig bleibt um den Volumenabbau in der Kaskade
erfassen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29918162 [0005]
- - DE 29903265 [0005]
- - DE 202004015982 [0005]
- - DE 202005007934 [0005]
- - DE 202005003700 [0005]
- - DE 202005004577 [0005]
- - EP 06100997 [0005]
- - EP 100108369-25 [0005]
- - EP 100662900-25 [0005]
- - EP 01105574 [0005]
- - EP 05109453 [0005]
- - EP 102005048998 [0005]