Beschlusstext (Künstliche Neuronale Netze – Vortrag –)

Brühl, den 12.04.2013 Stadt Brühl Beschluss aus der Sitzung des Ausschusses für Tiefbau und Abwasser der Stadt Brühl am 05.03.2013 Öffentliche Sitzung 2. Künstliche Neuronale Netze – Vortrag – 67/2013 Abteilungsleiter Schulz gibt zunächst eine Einleitung in die Thematik am Beispiel der biologischen Reinigungsstufe der Kläranlage. Der Ammoniumabbau erfolgt durch Denitrifikation und Nitrifikation unter anderem durch Lufteintrag mittels Gebläse. Die Messungen erfolgen derzeit vor der Ammoniumbehandlung und im Ablauf der Kläranlage. Insbesondere in der kalten Jahreszeit reagiert die Gebläseregelung aufgrund der Messwerte im Ablauf träge, so dass zu viel Luft eingeblasen wird und so zu viel Nitrat entsteht, welches ebenfalls ein Schadstoff ist und dann nicht mehr optimal weiter abgebaut werden kann. Hier kann durch den Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen, die alle Messwerte der Kläranlage berücksichtigen, eine Verringerung der Gebläselaufzeiten und die damit verbundene Energieeinsparung erreicht werden sowie der Ablaufwert für Stickstoffverbindungen reduziert werden. Trotz bereits erfolgter technischer Energieeinsparungen, musste im Haushalt wieder eine Erhöhung der Energiekosten angemeldet werdend, die unter anderem durch gesetzliche Regelungen beim Energieeinspeisegesetz und bei der OffshoreUmlage verursacht ist. Bei einem jährlichen Verbrauch von 3,2 Mio. kWh verspricht man sich beim Einsatz der künstlichen neuronalen Netzen eine deutliche Einsparung. Er betont, dass die Verarbeitung von nahezu 12 Mio. Datenpunkten täglich nicht von eigenem Personal geleistet werden kann. Anschließend übergibt er das Wort an Herrn Heinhuis, Geschäftsführer der Firma Globatech, Bocholt. Er beschreibt nach einer kurzen historischen Einführung detailliert die Wirkungsweise der künstlichen neuronalen Netze. Ziel ist es die Abläufe auf der Kläranlage zu simulieren und anschließend mit möglichst wenig Aufwand zu optimieren. Im Grunde handelt es sich um ein selbstlernendes Programm auf einem Rechner. Zum Zeitpunkt der Projektierungen von Kläranlagen konnten heutige Bevölkerungsverschiebungen aber auch verschärfte Grenzwerte nicht berücksichtigt werden. Gerade die gegebenenfalls strafbewehrte Überschreitung der Grenzwerte veranlasst verständlicherweise 95 % der Betriebsleiter auf „Nummer sicher“ zu gehen und mit hohem Belüftungsaufwand den Ammoniumwert im Ablauf auf nahezu Null zu senken, welches jedoch unwirtschaftlich ist. Hier können durch diese Technologie Energieeinsparungen erreicht werden, die die Investition in ca. 3 Jahren amortisieren können. Bei dieser Kläranlage wird ein Einsparpotiential von 20 % als realistisch eingeschätzt. Das zentrale Problem bei einer Regelungstechnik einer Kläranlage ist die lange Totzeit zwischen einer Änderung eines Eingangswertes wie z. B. Ammonium und der Ablaufwertes, die zwischen 10-20 Stunden liegen kann. Der Regler beginnt zu schwingen, um den Grenzwert einzuhalten, und eine Belüftung initiieren, die zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht erforderlich ist. Daher muss regelungstechnisch eine Umgehung dieser Totzeit erreicht werden. Dies soll durch eine Prozesssimulation erfolgen, der ein mathematisches Modell zugrund liegt. Die technischen Abläufe werden in mathematische Formeln abgebildet, in die alle relevanten Parameter einfließen und Ursachen mit Wirkungen verknüpfen. Das neuronale Netz wird ständig mit Daten versorgt und speichert dabei immer mehr Betriebszustände und kann Beschluss Ausschuss für Tiefbau und Abwasser 05.03.2013 1 von 3 so auch durch einen Fahrassistenten automatisiert Vorschläge zu Regelung gemacht werden. Ratsherr Dr. Petran (SPD) fragt, ob das System alle Daten der Brühler Kläranlage aufnimmt oder auf einer Modell-Kläranlage basiert. Herr Heinhuis antwortet, dass jede Anlage anders läuft und zunächst eine Analyse aller hiesigen Kläranlagendaten erfolgt und durch ständige parallele Datenauswertung das Modell erstellt wird. Ratsherr Fischer (CDU) fragt, wie lange es dauert, bis die Kläranlage optimiert ist und ob mit den bisherigen Aggregaten weiter gearbeitet werden kann. Weiter möchte er wissen, was passiert, wenn die Datenlage veraltet ist. Herr Heinhuis erläutert, dass dies von der Anzahl der vorhandenen Daten abhängt. Wenn viele Daten und damit viele Betriebszustände bekannt sind, kann das Modell schneller und genauer erstellt werden. Das System lernt auch im weiteren Betrieb immer weitere Zustände kennen. Das System arbeitet und lernt nur mit den vorhandenen Aggregaten. Es wird auch nicht auf das Prozessleitsystem aufgeschaltet. Eine Nachkalibrierung des Systems ist in der Regel nur einmal jährlich erforderlich und erfolgt in wenigen Stunden automatisch. Es ist auch möglich Betriebspersonal zu schulen, so dass die Kalibrierung ohne externen Einsatz möglich ist. Abteilungsleiter Schulz ergänzt, dass eine Aufschaltung auf das Prozessleitsystem ausdrücklich nicht erwünscht ist. Das neuronale Netz soll parallel dazu laufen und Daten verarbeiten. Herr Heinhuis ergänzt, dass nicht ins Prozessleitsystem eingegriffen wird, sondern das neuronale Netz nur Vorschläge macht. Anschließend führt er im Rahmen der Präsentation eine Simulation vor. Ratsherr Hepp (CDU) fragt, ob sich die Regler selbstständig einstellen und was auf der Kläranlage geändert werden müsste. Herr Heinhuis stellt noch mal klar, dass nur Regelungsvorschläge gemacht werden und keinerlei Umbauten auf der Anlage erforderlich sind. Es wird nur die vorhandene Regelung optimiert. Bei einem Ausfall des Systems würde das Prozessleitsystem normal weiter laufen, wird aber nicht mehr überwacht bzw. optimiert. Vorsitzender Pitz (FDP) fragt, wie sich das System bei nicht gemessenen Belastungen oder undokumentierten Eingriffen verhält. Herr Heinhuis erklärt, dass das System zunächst eine unbekannte Betriebssituation erkennt und ein Alarmsignal ausgibt, so dass das System auch ein Frühwarnsystem darstellt und man dadurch einen Informationsvorsprung hat. Auch für noch nicht bekannte Betriebssituationen wird das System innerhalb vorgegebener Schranken arbeiten, wenn auch nicht optimiert. Ratherr Fischer (CDU) fragt, ob nicht schon am Einlauf eingegriffen werden könnte. Herr Heinhuis verneint dies. Dafür müsste die Stadt Brühl über eine Kanalnetzbewirtschaftung verfügen, die bereits Messwerte aus dem Kanalnetz an die Kläranlage überträgt. Anschließend erläutert Herr Heinhuis die Funktion des Fahrassistenten, der dem Betriebspersonal die Möglichkeit gibt, die Vorschläge des Systems automatisch zusammenzufassen und auszuführen. Die Vorschläge müssen jedoch immer vom Personal quittiert werden. Beigeordneter Schiffer möchte wissen, inwiefern manuelle Regelungen durch Automatisierte ersetzt werden. Vorerst sollen keine Automatisierungen erfolgen, erläutert Herr Heinhuis; die Entscheidung ob und wie geregelt wird, soll beim Betriebspersonal verbleiben. Ratsherr Dr. Petran (SPD) fragt ob sowohl automatisiert ermittelte als auch im Labor ermittelte Daten ins System einfließen. Herr Heinhuis bestätigt dies, wobei die Laborwerte auch noch auf Plausibilität geprüft werden. Sachkundiger Bürger Weidenbach (CDU) fragt, ob die 90kW-Motoren, die ein Hauptenenergieverbraucher sind, mit diesem System auch mit kleinerer Leistung gefahren werden können. Abteilungsleiter Schulz verneint dies anlagenbedingt, die Einschaltzeiten verringern sich jedoch. Er führt weiter aus, dass ein weiteres Einsparpotential die Verringerung der Abwasserabgabe, wenn man durch die Regelungsoptimierung einen niedrigeren Grenzwert erklären kann. Dann könnten sogar die Investitionen in die neuronalen Netze von der Abwasserabgabe verrechnet werden Ebenso kann eine Reduzierung des Einsatzes von Betriebsmitteln erreicht werden. Beschluss: Beschluss Ausschuss für Tiefbau und Abwasser 05.03.2013 2 von 3 Der Ausschuss für Tiefbau und Abwasser nimmt den Bericht zur Kenntnis. Abstimmungsergebnis: - einstimmig - Beschluss Ausschuss für Tiefbau und Abwasser 05.03.2013 3 von 3