PŘÍPADOVÁ STUDIE

Optimalizace řízení čistíren odpadních vod

Systém MACS vyvinutý společností DP System založený na technologiích Siemens umožňuje úspory energie a poskytuje dodatečnou nosnost čistíren odpadních vod. Řešení implementované ve Słupsku a Iławě umožňuje obsluhovat větší počet obyvatel.

Společnost DP System vyvinula nástroj, který kombinuje technologická a softwarová řešení. Cílem systému MACS (Model-based Advanced Control System) je maximalizovat technologickou efektivitu čistíren odpadních vod a snížit spotřebu energie. Systém může pracovat téměř v každé čistírně vybavené automatizačními systémy. Řešení již bylo implementováno mimo jiné v čistírnách odpadních vod v Iławě a Słupsku.

Prediktivní řízení založené na modelu

MACS, vyvinutý od roku 2018, je navržen tak, aby podporoval provoz biologických čistíren odpadních vod založených na integrovaných systémech odstraňování organických sloučenin a živin. Jednotlivé komponenty řešení optimalizují výkon technologických procesů. Jednou z klíčových funkcí je modul odpovědný za řízení biologických reaktorů.„

Čistírna odpadních vod je nutná k dosažení úrovně čištění, která splňuje standardizované parametry obsahu dusíku a fosforu. Systém MACS optimalizuje proces čištění odpadních vod, což usnadňuje splnění požadavků na vypouštění odpadních vod z prostředí. Použité algoritmy zajišťují dosažení těchto cílů s minimální spotřebou energie. Systém také podporuje efektivní hospodaření s biomasou optimalizací externí recirkulace a zabraňuje přenosu aktivovaného kalu do vyčištěných odpadních vod,“
říká Robert Wlaźlak, ředitel oddělení průmyslové automatizace společnosti DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Systém MACS umožňuje maximalizaci technologické účinnosti v čistírnách odpadních vod při současném snížení spotřeby energie.

Systém MACS byl implementován mimo jiné v čistírně odpadních vod ve Słupsku.

Implementované technologie umožňují optimalizovat množství chemikálií používaných v procesech čištění. Řešení vyvinuté společností DP System umožňuje také úsporu energie v biochemických procesech prováděných čistírnou.„

Biochemické reakce v čistírnách odpadních vod patří mezi nejobtížněji kontrolovatelné, protože zahrnují živé organismy. Tyto procesy mají také vysokou poptávku po elektrické energii,“
říká Adam Paczesny, obchodní ředitel oddělení průmyslové automatizace společnosti DP System.

Algoritmy a matematické modely čistírny používané v řešení MACS umožňují prediktivní řízení prostředí živých organismů provádějících procesy čištění — s předstihem. To vede ke zvýšení účinnosti, zejména pokud jde o spotřebu energie. Tento přístup také umožňuje optimalizovat využití stávající infrastruktury čistíren.

Modernizace čistírny odpadních vod

„Výchozím bodem modernizačních prací byla potřeba splnit emisní normy, které souvisely se snižováním energetických výdajů. V důsledku provedených změn se účinnost zlepšila o 25 až 35%. Přibližně 14% z toho bylo způsobeno zlepšenou kontrolou, zatímco zbývající část byla výsledkem výměny dmychadel moderními, energeticky úspornějšími jednotkami. Za normálního provozu dosahuje zařízení 80% úrovně soběstačnosti, ale občas to dokonce dosahuje 100%. To znamená, že jsme energeticky nezávislí. To je přímý výsledek implementace řešení DP System,“
říká Kazimierz Stachyra, vedoucí čistírny odpadních vod ve Słupsku.

Řešení MACS implementované ve Słupsku se používá k řízení provzdušňování, vnitřní a vnější recirkulace a k regulaci provozu klíčových akčních členů, jako jsou dmychadla a míchačky. Byl také implementován modul dávkování koagulantu. Zásadní roli při zajišťování efektivního provozu řídicího systému hraje komplexní přístrojová technika zařízení.

„Účinnost aplikovaného řízení vyplývá z kombinace hloubkových technologických znalostí procesů čistíren, odborných znalostí v principech automatizace a inženýrství založeného na matematických modelech a prediktivním řízení,“
říká Kazimierz Stachyra.

Systém MACS se používá k řízení provzdušňování, vnitřní a vnější recirkulace a k regulaci provozu pohonů, jako jsou dmychadla a míchačky.

MACS byl navržen pomocí technologie Siemens, která kombinuje tradiční PLC řadič s průmyslovým počítačem.

Řešení bylo navrženo pomocí technologie Siemens, která integruje tradiční PLC řadič s průmyslovým počítačem. A SIMATIC Box PC, spolu s komunikačními moduly, byl použit pro řízení. Průmyslové počítače Siemens se vyznačují vysokým výkonem, širokým rozsahem provozních teplot a odolností proti vibracím, přičemž zabírají minimální prostor v rozvaděči. Jsou také navrženy tak, aby spolehlivě fungovaly v drsných podmínkách prostředí.

„Vybrali jsme si řešení Siemens, protože jde o všestrannou platformu kombinující možnosti programovatelného logického řadiče s vysoce výkonným průmyslovým počítačem. Tento výpočetní výkon je nezbytný pro integraci s prostředím MATLAB, které se používá k implementaci matematických modelů, reprodukci biochemických procesů čistírny a provádění výpočtů pro řízení procesů. Tento přístup nám umožnil snadno integrovat optimalizační vrstvu s řídicím systémem ve stejném prostředí,“
vysvětluje Robert Wlaźlak, ředitel oddělení průmyslové automatizace společnosti DP System.

K ovládání systému slouží kompaktní průmyslový počítač SIMATIC Box PC spolu s komunikačními moduly.

Přínosy v oblasti energetické účinnosti

Významnou výhodou implementace systému MACS je široce chápané zvýšení bezpečnosti procesů prováděných zařízením, které jej používá.

Modernizace byla provedena tak, že nahrazení stávající infrastruktury čistírny nebylo nutné. Stávající měřicí přístroje, doplněné o další chybějící měření, byly integrovány a poskytují data potřebná pro provoz systému MACS. Řídicí signály generované řešením DP System jsou zase prováděny stávající řídicí infrastrukturou závodu, která prošla pouze malými modernizacemi. Výsledkem bylo, že navzdory relativně nízkým investicím bylo dosaženo významných finančních a environmentálních přínosů.

„Při modernizaci čistírny jsme zavedli dodatečnou, vyšší regulační vrstvu sloužící jako podpora pro obsluhu. Po implementaci systém MACS vybere a automaticky nastaví optimální parametry řízení procesu,“
říká Tomasz Chrześcijanek, projektový manažer DP System.

Implementace řešení trvala přibližně šest měsíců, zatímco jeho kalibrace trvala asi jeden rok, což umožnilo zohlednit provozní specifika zařízení v různých ročních obdobích.

Mezi nejdůležitější výhody patří úspory energie vyplývající ze snížené spotřeby elektrické energie. Bylo také možné zvýšit stabilitu procesů v biologické části. Kromě toho se zaměstnanci, podporovaní informacemi ze systému, nyní méně podílejí na dohledu nad procesem, což umožňuje efektivnější využití jejich času.

Kazimierz Stachyra, Manažer, Čistírna odpadních vod ve Słupsku

Dalším přínosem dosaženým modernizací je široce chápané zvýšení bezpečnosti procesů prováděných zařízením. Implementované řešení umožňuje dosáhnout dodatečné rezervy nosnosti přibližně 20 000 PE (populační ekvivalent). To umožňuje čistírně přijímat větší objem odpadních vod ke zpracování pomocí již existujícího reaktoru.

„Před modernizací byla čistírna schopna přijímat odpadní vody od 250 000 obyvatel, zatímco nyní slouží 350 000. Tohoto výsledku bylo dosaženo mimo jiné díky implementaci optimalizačních řešení. Jsme spokojeni se zapojením DP System do implementačních prací i s výkonem systému. Použitá řešení se ukázala jako účinná jak v každodenním provozu naší čistírny, tak v kritických situacích, jako jsou období silného přítoku odpadních vod po srážkách,“
shrnuje Kazimierz Stachyra z čistírny ve Słupsku.

Modernizace čistírny odpadních vod v Iławě

Dalším zařízením, kde bylo implementováno řešení MACS, které běží na zařízeních Siemens, je Čistírna odpadních vod v Iławě. V tomto případě byla primárním důvodem implementace potřeba snížit obsah dusíku v čištěných odpadních vodách. DP System zvítězil ve výběrovém řízení a zahájil práce zahrnující výměnu ovládacích prvků, tlumičů a součástí pohonu odpovědných za řízení recirkulace.

Modernizace zahrnovala vnitřní a vnější recirkulaci, řízení provzdušňování a dávkování PIX koagulantů. V rámci dokončených prací byl změněn externí recirkulační systém z řídicího algoritmu založeného na objemu příchozích odpadních vod na algoritmus založený na hladinách kalů v sekundárních čističích. V důsledku těchto změn bylo nutné automatizovat výstupní brány instalované v sekundárních čističích. Modernizace vedla ke zlepšení kvality vyčištěných odpadních vod. Bylo dosaženo také výrazných přínosů z hlediska úspor energie.

„Spotřeba energie do značné míry závisí na typu odpadních vod proudících do čistírny. Obtížnější zatížení vyžaduje více vzduchu a použití dmychadel, které spotřebovávají značné množství elektřiny. Vzhledem k variabilitě přiváděných odpadních vod s různými koncentracemi je obtížné přesně posoudit, jak energeticky účinné je nové řešení. Při stabilním provozu však pozorujeme výrazné zlepšení výkonu a zvýšenou energetickou účinnost zařízení. Ovládání tlumičů a vypnutí dmychadel ve správných okamžicích umožňuje jasně snížit spotřebu elektřiny. Díky optimalizaci jsme nyní schopni plně využít možnosti systému čištění odpadních vod,“
říká Krzysztof Draszewski, zástupce vedoucího čistírny odpadních vod v Iławě.

Systém MACS se v Iławě používá již několik let. Podobně jako u čistírny ve Słupsku trvala její realizace přibližně šest měsíců a následovala přibližně jeden rok přizpůsobení specifickým podmínkám zařízení. Během ročního cyklu byly analyzovány všechny sezónní jevy, které by se mohly v zařízení vyskytnout. V současné době umožňuje použité řešení snížení energie přibližně o 12%. Zlepšená efektivita procesu také znamená vyšší průchodnost celého zařízení a schopnost zpracovávat větší objemy odpadních vod.

„Namísto standardních PID regulátorů jsme implementovali řešení pomocí procesního modelu a výsledných predikcí, tj. algoritmů MPC (Model Predictive Control). Provozní body tohoto typu regulátoru jsou mnohem blíže technologickým limitům, což se automaticky promítá do vyšší efektivity procesu a lepší propustnosti zařízení,“ vysvětluje Robert Wlaźlak z DP System.

„Řešení poskytovaná společností Siemens nejenže berou v úvahu široké možnosti řízení založeného na modelu, ale nabízejí také podporu umělé inteligence: Machine Learning (Deep Learning). To vše umožňuje vyšší účinnost řízení a poskytuje další příležitosti k optimalizaci spotřeby energie a dosažení lepšího výkonu procesu,“ zdůrazňuje Michał Urliński ze společnosti Siemens Polska.

Realizované řešení umožňuje maximalizovat množství bioplynu získaného v chemických procesech. Další výhodou systému MACS je zkrácení času potřebného pro určité úkoly.

„V některých aspektech bylo možné snížit pracovní sílu. To se týká mimo jiné řízení v sekundárních čističích, které před modernizací vyžadovaly ruční seřízení bran pro regulaci hladiny kalu, zatímco nyní je tento proces plně automatizovaný,“
poznamenává Krzysztof Draszewski.

„Systém MACS umožňuje nepřetržité monitorování měřicích přístrojů. Umožňuje mimo jiné posouzení spolehlivosti současných měření. Pokud systém zjistí, že dané měření je nespolehlivé, informuje uživatele a přepne na alternativní měření nebo založí řídicí algoritmus na historických hodnotách,“
přidává Tomasz Chrześcijanek z DP System.