DE19522223A1

DE19522223A1 - Vorrichtung zum Erfassen, Dokumentieren und Steuern von Prozeßabläufen

Info

Publication number: DE19522223A1
Application number: DE1995122223
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl Ing Penner
Original assignee: PEDOS GES fur ANGEWANDTE GEOL
Current assignee: PEDOS GES fur ANGEWANDTE GEOL
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen, Dokumentieren und Steuern von Prozeßabläufen, insbesondere von Grundwasserentnahmen.

Beim Gebäudebau ist es gelegentlich erforderlich, das Gebäude auf einem Bodenniveau zu errichten, das unterhalb des Grundwasserspiegels liegt. In einem solchen Fall ist es notwendig, den Grundwasserspiegel entsprechend abzusenken. Um die Absenkungsanlage richtig zu dimensionieren, müssen zuvor die Bodeneigenschaften ermittelt werden, die für das Nachsickern von Wasser von Bedeutung sind. Dazu wird herkömmlicherweise ein Brunnenschacht ausgehoben, ein Wasserstandsmesser und eine Wasserpumpe installiert, und Pump- und Meßversuche in mehreren Stufen über mehrere Tage durchgeführt. Nachdem zuvor der Grundwasserspiegel bestimmt wurde, wird beispielsweise zunächst drei Tage lang jeweils 10 m³ Wasser pro Stunde abgepumpt, dann drei Tage lang jeweils 20 m³ Wasser pro Stunde, usw. Während der Versuchsdauer wird in regelmäßigen Zeitabständen der jeweilige Wasserstand gemessen, die gemessenen Werte in einer externen Rechenanlage ausgewertet und die Pumpleistung kontrolliert und gegebenenfalls nachreguliert. Aus den gewonnenen und ausgewerteten Werten werden die Sickereigenschaften des Boden bestimmt und errechnet, welche Pumpförderleistungen erforderlich sind, um den Wasserstand auf einem bestimmten, niedrigen Niveau zu halten. Dementsprechend wird die Absenkungsanlage dimensioniert und erstellt. Die Pumpe, der Wasserstandsmesser und gegebenenfalls der Rechner für die Auswertung sind voneinander unabhängige Einrichtungen mit jeweils separater Energieversorgung und Steuerung.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß es sehr zeitaufwendig ist und einen relativ hohen Personaleinsatz erfordert. Zum einen müssen die gemessenen Wasserstandswerte regelmäßig abgerufen und mit Hilfe einer Datenzwischenspeichereinheit auf einen externen Rechner übertragen werden, um damit ausgewertet werden zu können. Das erfordert Zeitaufwand und birgt das Risiko des Datenverlusts, das mit jeder Datenübertragung verbunden ist. Anhand der Auswertung wird die jeweils erforderliche Förderleistung der Pumpe errechnet. Zum zweiten muß die Pumpe dementsprechend nachreguliert werden, was unter Umständen - vor allem in der Anfangsphase - recht häufig notwendig ist, und immer den Einsatz einer Bedienungsperson erfordert. Diese muß sich dann jedes Mal zu der betreffenden Baustelle hinbegeben und die Pumpe manuell nachstellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, das bekannte Verfahren mit größter Präzision und dabei gleichzeitig zeitsparend, personalsparend und kostensparend durchzuführen.

Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die die folgenden Merkmale aufweist:

- Mindestens einen Anschluß für Meßfühler zum Erfassen von physikalischen Meßgrößen als Ist-Werte, wobei im Fall von mehreren Meßfühlern diese gleichartig oder verschieden sein können;
- mindestens eine Komparatorschaltung zum Umformen von Meßsignalen;
- mindestens ein Datenwandler zum Umwandeln der analogen Signale des Meßfühlers in digitale Daten;
- ein Computer mit Langzeitspeicher und Anschlüssen für Eingabe- und Ausgabeinheiten;
- wenigstens ein Anschluß für Schaltmittel im Prozeßablauf;
- ein Mikrocontroller zum Steuern des bzw. der Meßfühler(s) und Komparatorschaltung(en), zum Abfragen, Zwischenspeichern und Auswerten der Daten von Datenwandler bzw. Meßfühler(n) und/oder Komparatorschaltung(en), zum Übertragen der Daten an den Langzeitspeicher des Computers und gegebenenfalls an weitere Vorrichtungsmodule und zum Steuern der Schaltmittel im Prozeßablauf;
- ein Stromversorgungsanschluß zur Versorgung aller Vorrichtungsmodule; und
- eine Notstromversorgung,

wobei der Anschluß bzw. die Anschlüsse für den bzw. die Meßfühler, die Komparatorschaltung(en), der bzw. die Datenwandler, der Computer, der Anschluß bzw. die Anschlüsse für Schaltmittel, der Mikrocontroller, der Stromversorgungsanschluß und die Notstromversorgung in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer mobilen, integrierten Meß- uns Steuereinrichtung koordiniert zusammengefügt sind.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen die folgenden Vorteile einher:

1. Es kann gleichzeitig gemessen und gesteuert werden. Meßfühler und Schaltmittel sind durch eine Steuereinheit miteinander verbunden, wodurch eine besonders schnelle Kontrolle und Nachregulierung der Schaltmittel - beispielsweise einer Wasserpumpe - gewährleistet ist. Zur Nachregulierung ist kein gesonderter Personaleinsatz erforderlich.
2. Mit Hilfe des Computers können die bereits gemessenen Daten schon erfaßt, gespeichert und ausgewertet werden, noch während der Versuch läuft, d. h. weitere Messungen stattfinden. Durch die Möglichkeit der Auswertung und gegebenenfalls auch der Darstellung vor Ort können versteckte Informationen schneller gewonnen und in den Versuchsablauf miteingebracht werden. Ein Datentransfer zu einem externen Rechner ist nicht mehr notwendig, und das Risiko von Datenverlusten ist wesentlich verringert.
3. Durch die vorprogrammierten Intervallablesungen der Meßwerte wird die tatsächlich vorhandene Datenmenge schon bei der Datenerfassung auf eine überschaubares Maß reduziert, und zwar nicht nur nach quantitativen, sondern insbesondere auch nach qualitativen Gesichtspunkten. Bei der Datenreduzierung wird die Tatsache berücksichtigt, daß sich die Meßwerte in der Anfangsphase relativ schnell verändern und die Informationsmenge dementsprechend sehr groß ist, während mit fortschreitender Versuchsdauer die Änderung der Meßwerte immer geringfügiger wird, und damit der Informationsgehalt abnimmt.
4. Durch die integrierte Strom- und insbesondere Notstromversorgung für Meßfühler und übrige Vorrichtungsmodule ist gewährleistet, daß die Aufnahme und Verarbeitung der Meßwerte immer gekoppelt erfolgt, und insbesondere bei einem externen Stromausfall durch die Notstromversorgung das gesamte System weiterarbeitet.
5. Die koordinierte Verbindung der einzelnen Vorrichtungsmodule zu einer integrierten Meß-Schalteinheit und die Anordnung in einem gemeinsamen, transportablen Gehäuse hat den Vorteil, daß die gesamte Vorrichtung problemlos als Einheit transportiert installiert und eingesetzt werden kann.

Zur Datenspeicherung ist vorzugsweise ein handelsüblicher Industrie-Personalcomputer vorgesehen. Dieser ermöglicht gleichzeitig eine komplexe Auswertung und gegebenenfalls auch Dokumentation bzw. Präsentation der gewonnenen Daten.

In einer bevorzugten Variante weist die Vorrichtung eine Meßwertanzeige auf, die ein schnelles und bequemes ablesen der Werte durch die Bedienungsperson zu jeder Zeit ermöglicht.

Der Mikrocontroller sollte eine eigene Eingabeeinheit aufweisen, damit Befehle oder Daten direkt eingegeben werden können.

Für eine schnelle Dokumentierung der Daten sollte die Vorrichtung eine Ausgabeeinheit, insbesondere einen Drucker oder einen Plotter umfassen.

Um die erhaltenen Meßdaten schnell und ohne Aufwand bereits an Ort und Stelle darstellen und gegebenenfalls auch auswerten zu können, ist vorgesehen, daß die Vorrichtung einen Anschluß für einen Monitor und/oder eine Tastatur aufweist. Mit dieser Ausstattung kann die Vorrichtung wie ein "normaler" Personal Computer benutzt werden.

Für den Einsatz in der Hydrotechnik umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise auch einen Anschluß für einen Wasserprobenentnehmer.

An den bzw. die Anschlüsse für Meßfühler können Druckfühler, Temperaturfühler oder beliebige andere Meßfühler angeschlossen werden, je nachdem, welche physikalischen Größen erfaßt werden sollen.

Für eine kombinierte Druck- und Temperaturmessung ist ein Druckfühler mit integriertem Temperaturfühler vorgesehen. Der Temperaturfühler kann hierbei insbesondere auch ein Halbleiter-Temperaturaufnehmer sein, der vergleichsweise kostengünstig ist.

Der Datenspeicher in dem Computer kann als Festplatte ausgebildet sein, wie sie im Handel frei erhältlich ist, oder auch ein mobiles Steckteil sein, beispielsweise eine Wechselplatte o. ä. Das mobile Steckteil ermöglicht auf einfachste Art und Weise den Transfer von Daten zwischen zwei räumlich entfernt gelegenen Computerstationen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch - alternativ oder zusätzlich - ein Dateninterface, vorzugsweise ein Diskettenlaufwerk, aufweisen, so daß der Datentransport in Form von Kopien auf Disketten erfolgen kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer seriellen Schnittstelle für einen Datenüberträger und/ oder für eine Fernsteuerung versehen. An diese Vorrichtung kann beispielsweise ein zweiter Personalcomputer, insbesondere ein Laptop angeschlossen werden, um darüber Daten abzurufen und diese direkt vor Ort weiterzuverarbeiten, so daß wichtige Ergebnisse sofort an Ort und Stelle umgesetzt werden können. Für eine Datenabfrage und Steuerung aus der Ferne kann eine Modem angeschlossen sein.

Zur Stromversorgung umfaßt die Vorrichtung einen Batterieanschluß, einen Akkuanschluß oder einen Netzanschluß oder Kombinationen dieser Anschlüsse. Damit ist der Einsatz des Gerätes an nahezu jedem Ort, unabhängig von einer dort vorhandenen Stromquelle möglich.

Die Vorrichtung kann einen Signalgeber aufweisen, um auf bestimmte, bedeutungsvolle Daten alarmierend hinzuweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt: die erfindungsgemäßen Vorrichtungsmodule in dem gemeinsamen Gehäuse bei entferntem Deckel.

In dem rechteckigen Gehäuse 2 ist ein Personal Computer 4, ein Diskettenlaufwerk 6, eine Platine 8 mit der nicht näher dargestellten Komparatorschaltung, eine Platine 10 mit dem nicht näher dargestellten Controller, ein Netzteil 12 und eine Notstrombatterie 14 angeordnet. Die einzelnen Module sind über nicht näher dargestellte Anschlußkabel miteinander verbunden. Das Diskettenlaufwerk 6 grenzt an eine Gehäuseseitenwand 16, die an dieser Stelle mit einem Einführschlitz 18 für die Disketten versehen ist. In derselben Gehäusewand 16 sind auf Höhe des Disketteneinführschlitzes 18 ein Display 20 und eine Eingabetastatur 22 für den Controller ausgebildet. Display 20 und Eingabetastatur 22 sind innerhalb des Gehäuses 2 mit dem Controller verbunden. Unterhalb von Eingabetastatur 22 und Display 20 sind je ein Anschluß 24 für eine Modem, ein Anschluß 26 für einen Monitor und eine Anschluß 28 für eine Tastatur vorgesehen. Alle drei Anschlüsse 24, 26, 28 sind innerhalb des Gehäuses 2 mit dem Personal Computer 4 verbunden. Unterhalb des Einführschlitzes 18 sind in der Gehäusewand 16 vier Anschlüsse 30, 32, 34, 36 für Meßfühler (Sondenanschlüsse) ausgebildet. Diese Anschlüsse 30, 32, 34, 36 sind innerhalb des Gehäuses mit der Komparatorschaltung verbunden. An der der Seitenwand 16 benachbarten Seitenwand 38 des Gehäuses ist ein Anschluß 40 für ein Schaltmittel, beispielsweise für einen Antriebsmotor eines Ventilschiebers.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in dem folgenden Anwendungsbeispiel erläutert:
In einem Feldversuchs soll die Grundfeuchtigkeit und Wasserdurchlässigkeit des Boden in einem bestimmten Gebiet ermittelt werden, und bestimmt werden, welche Pumpförderleistung erforderlich ist, um in einer vorgegebenen Bodengrube von bekannter Größe über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg den Wasserspiegel auf einem konstanten, vorbestimmten Niveau zu halten. Zu diesem Zweck ist zuerst der Grundwasserspiegel zu ermitteln, dann mit einer Pumpe mit definierter Förderleistung eine bestimmte Wassermenge abzupumpen, anschließend der tatsächliche Wasserstand zumessen und aus Differenz zu bestimmen, wieviel Wasser aus dem umliegenden Boden nachfließt. Dementsprechend ist die Pumpenleistung einzustellen bzw. nachzuregulieren.

Während des gesamten Pumpversuchs hinweg muß die Fördermenge der Pumpe im wesentlichen konstant sein, um die Bodeneigenschaften richtig zu erfassen. Um dies zu gewährleisten, ist ein Schaltmittel, beispielsweise ein Schieber in der Förderleitung der Pumpe, vorgesehen.

Um nun diesen Versuch durchzuführen, wird im einzelnen wie folgt vorgegangen: In einem Bohrloch wird eine Wasserpumpe installiert und anschließend das Gehäuse mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgestellt. Nach dem Einschalten der Stromversorgung wird zunächst der Meßfühler, im vorliegenden Beispiel ein Druckfühler mit integriertem Temperaturfühler, mit Hilfe des Mikrocontrollers geeicht. An dem mit dem Controller verbundenen Display werden die jeweiligen Parameter abgelesen. Über die an den Mikrocontroller angeschlossene Eingabetastatur können die notwendigen Korrekturen vorgenommen werden. Anschließend erfolgt die Messung des Ruhewasserspiegels. Der Meßwert wird vom Wasserzähler zur Komparatorschaltung geleitet, wo er in eine elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal wird vom Komparator zum Mikrocontroller geleitet. Nach der Erfassung des Ruhewasserspiegels wird dem Mikrocontroller über die Eingabetastatur eingegeben, welche Werte wie oft gemessen werden sollen.

Dann wird die Wasserpumpe eingeschaltet. Durch den Einsatz der Pumpe sinkt der Ruhewasserspiegel zunächst einmal ab. Diese Absenkung wird gemessen. Anhand der Differenz zwischen Pumpenfördermenge und tatsächlicher Absenkung des Wasserspiegels werden die Bodenparameter ermittelt, die für das Nachsickern von Bodenwasser von Bedeutung sind, d. h. die Wasserdurchlässigkeit des Bodens wird gemessen.

Gleichzeitig mit dem Einschalten der Wasserpumpe wir die Messung gestartet, indem dem Mikrocontroller über die Tastatur ein Startsignal eingegeben. Daraufhin fragt der Mikrocontroller in den vorgegebenen Zeitabständen den Meßfühler ab und speichert die Daten. Parallel dazu sendet der Personal Computer in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise jede Minute, einen Impuls zum Controller und fragt die Daten von diesem ab. Der Controller überträgt die Daten an den Personal Computer, wo sie dauerhaft gespeichert werden. Das Bedienungspersonal liest am Personal Computer - beispielsweise an einem daran angeschlossenen Monitor oder an einem Ausdruck eines angeschlossenen Druckers oder Plotters - ab, wie sich die Meßwerte ändern, d. h. im vorliegenden Beispiel wie sich der Wasserstand verhält. Daneben errechnet der Controller aus den erhaltenen Meßwerten, ob und wenn ja wie die Pumpenleistung nachzuregulieren ist, damit die vorbestimmte Pumpfördermenge konstant gehalten wird. Diese Regulation erfolgt über die gesteuerte Betätigung eines Schieberventils in der Förderleitung, gegebenenfalls gibt der Mikrocontroller ein Steuersignal an einen Motor, der den Schieber antreibt.

Mit der erfindungsgemäß Vorrichtung ist es möglich, ganz bestimmte Zeitintervalle vorzugeben, in denen die Sonden abgelesen werden. Diese abgelesenen Istwerte werden dann mit Sollwerten verglichen und verrechnet und anhand dieses Ergebnisses gegebenenfalls das Schaltmittel - im vorliegenden Beispielfall der Ventilschieber - zugeschaltet oder abgeschaltet.

Für das Ablesen der Meßwerte können verschiedene Zeitintervalle vorgegeben werden, wobei die Dauer der einzelnen Intervallmessungen ebenfalls frei gewählt und vorbestimmt werden kann. Eine derartige Voreinstellung kann z. B. so aussehen, daß ein erstes Zeitintervall von 1 Sekunde für eine Dauer von 3 Minuten , ein zweites Intervall von 4 Sekunden für eine Dauer von 3 Stunden, ein drittes Intervall von 10 Sekunden für eine Dauer von 3 Stunden und eine letztes Intervall von 1 Minute für die verbleibende Versuchsdauer einprogrammiert wird. D.h. die Meßwerte werden zunächst drei Minuten lang jede Sekunden abgelesen, danach drei Stunden lang alle vier Sekunden, dann drei Stunden lang alle zehn Sekunden und zuletzt jede Minute.

Auf diese Art und Weise wird die tatsächliche Datenmenge erheblich reduziert, ohne dabei auf wesentliche Informationen zu verzichten.

Außer für dieses beschriebene Einsatzgebiet der Grundwasserabsenkung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere auch für den Einsatz in der Grundwassersanierung und Grundwassermodellierung geeignet und vorgesehen.

Bezugszeichenliste

2 Gehäuse
4 Personal Computer
6 Diskettenlaufwerk
8 Platine
10 Platine
12 Netzteil
14 Notstrombatterie
16 Gehäuseseitenwand
18 Disketteneinführschlitz
20 Display
22 Eingabetastatur
24 Anschluß für Modem
26 Anschluß für Monitor
28 Anschluß für Tastatur
30 Anschluß für Meßumformer
32 Anschluß für Meßumformer
34 Anschluß für Meßumformer
36 Anschluß für Meßumformer
38 Seitenwand
40 Anschluß für Schaltmittel

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen, Dokumentieren und Steuern von Prozeßabläufen, insbesondere Grundwasserentnahmen mit

- einem oder mehreren Anschlüssen (30, 32, 34, 36) für gleichartige oder verschiedene Meßfühler zum Erfassen von physikalischen Meßgrößen als Ist-Werte,
- wenigstens einer Komparatorschaltung zum Umformen von Meßsignalen
- wenigstens einem Datenwandler zum Umwandeln der analogen Signale des Meßfühlers in digitale Daten,
- einem Computer (4) mit Langzeitspeicher und Anschlüssen für Eingabeeinheit(en) und Ausgabeeinheit(en),
- wenigstens einem Anschluß (40) für Schaltmittel im Prozeßablauf,
- einem Mikrocontroller zum Steuern von Meßfühler(n) und Komparatorschaltung(en), zum Abfragen, Zwischenspeichern und Verrechnen der Daten von Datenwandler und/oder Komparatorschaltung(en), zum Übertragen der Daten an den Langzeitspeicher des Computers (4) und gegebenenfalls an weitere Vorrichtungsmodule und zum Steuern der Schaltmittel,
- einem Stromversorgungsanschluß (12) zur Versorgung aller Vorrichtungsmodule und
- einer Notstromversorgung (14). dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß/die Anschlüsse (30, 32, 34, 36) für den/die Meßfühler, die Komparatorschaltung(en), der/die Datenwandler, der Computer (4), der Anschluß/die Anschlüsse (40) für Schaltmittel, der Mikrocontroller, der Stromversorgungsanschluß (12) und die Notstromversorgung (14) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) zu einer mobilen, integrierten Meß- und Steuereinrichtung koordiniert zusammengefügt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (4) mit Langzeitspeicher ein Industrie-Personal-Computer ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Meßwertanzeige (20) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Eingabeeinheit (22) für den Mikrocontroller aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ausgabeeinheit, insbesondere einen Drucker oder Plotter aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Anschluß (26) für einen Monitor aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Anschluß (28) für eine Tastatur aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Anschluß für einen Probenentnehmer aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckfühler als Meßfühler angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler als Meßfühler angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckfühler mit integriertem Temperaturfühler, insbesondere einem Halbleiter-Temperaturaufnehmer als Meßfühler angeschlossen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Langzeitdatenspeicher eine Festplatte ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Langzeitdatenspeicher ein mobiles Steckteil ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Dateninterface, vorzugsweise ein Diskettenlaufwerk (6) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine serielle Schnittstelle für Datenübertragung und/oder Fernsteuerung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsanschluß (12) ein Batterieanschluß und/oder ein Akkuanschluß und/oder ein Netzanschluß ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Signalgeber aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Modem und/oder einen Anschluß (24) für ein externes Modem umfaßt.