CASESTUDIE

Optimering af spildevandsrensningsanlægskontrol

MACS-systemet, udviklet af DP System baseret på Siemens teknologier, muliggør energibesparelser og giver yderligere belastningskapacitet til spildevandsrensningsanlæg. Løsningen implementeret i Słupsk og Iława giver mulighed for at betjene et større antal beboere.

DP System har udviklet et værktøj, der kombinerer teknologiske og softwareløsninger. Målet med MACS (Modelbased Advanced Control System) er at maksimere den teknologiske effektivitet af spildevandsrensningsanlæg og reducere energiforbruget. Systemet kan fungere i næsten ethvert rensningsanlæg udstyret med automatiseringssystemer. Løsningen er allerede implementeret blandt andet i spildevandsrensningsanlæg i Iława og Słupsk.

Modelbaseret prædiktiv kontrol

MACS er udviklet siden 2018 og er designet til at understøtte driften af biologiske spildevandsrensningsanlæg baseret på integrerede fjernelsessystemer for organiske forbindelser og næringsstoffer. Individuelle komponenter i løsningen optimerer ydeevnen af teknologiske processer. En af nøglefunktionerne udføres af modulet, der er ansvarligt for styring af biologiske reaktorer.„

Et spildevandsrensningsanlæg er påkrævet for at opnå et rensningsniveau, der opfylder standardiserede parametre for nitrogen- og fosforindhold. MACS-systemet optimerer spildevandsrensningsprocessen, hvilket gør det lettere at opfylde miljøudledningskrav. De anvendte algoritmer sikrer, at disse mål nås med minimalt energiforbrug. Systemet understøtter også effektiv biomassehåndtering ved at optimere ekstern recirkulation og forhindrer overførsel af aktivt slam til renset spildevand,“
siger Robert Wlaźlak, direktør for afdelingen for industriel automatisering hos DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

MACS-systemet muliggør maksimering af teknologisk effektivitet i spildevandsrensningsanlæg, samtidig med at energiforbruget reduceres.

MACS-systemet er blandt andet blevet implementeret på spildevandsrensningsanlægget i Słupsk.

De implementerede teknologier gør det muligt at optimere mængden af kemikalier, der anvendes i behandlingsprocesser. Løsningen udviklet af DP System muliggør også energibesparelser i de biokemiske processer, der udføres af rensningsanlægget.„

Biokemiske reaktioner i spildevandsrensningsanlæg er blandt de sværeste at kontrollere, fordi de involverer levende organismer. Disse processer har også en stor efterspørgsel efter elektrisk energi,“
siger Adam Paczesny, kommerciel direktør for industriel automatiseringsafdeling hos DP System.

Algoritmerne og de matematiske modeller for rensningsanlægget, der bruges i MACS-løsningen, muliggør forudsigelig styring - agerende på forhånd - af miljøet for de levende organismer, der udfører behandlingsprocesser. Dette resulterer i øget effektivitet, især med hensyn til energiforbrug. Denne tilgang gør det også muligt at optimere brugen af den eksisterende rensningsanlægsinfrastruktur.

Modernisering af spildevandsrensningsanlægget

“ Udgangspunktet for moderniseringsarbejdet var behovet for at opfylde emissionsstandarder, som var knyttet til reduktion af energiforbruget. Som et resultat af de implementerede ændringer forbedredes effektiviteten med 25 til 35%. Cirka 14% af dette skyldtes forbedret kontrol, mens den resterende del skyldtes udskiftning af blæsere med moderne, mere energieffektive enheder. Under normal drift opnår anlægget et 80% selvforsyningsniveau, men til tider når dette endda 100%. Det betyder, at vi er energiuafhængige. Dette er et direkte resultat af implementeringen af DP System-løsningen,“
siger Kazimierz Stachyra, leder af spildevandsrensningsanlægget i Słupsk.

MACS-løsningen implementeret i Słupsk bruges til at kontrollere beluftning, intern og ekstern recirkulation og til at regulere driften af nøgleaktuatorer såsom blæsere og blandere. Et koagulantdoseringsmodul er også implementeret. En væsentlig rolle for at sikre effektiv drift af styresystemet spilles af omfattende instrumentering af installationen.

„Effektiviteten af den anvendte kontrol skyldes en kombination af dybdegående teknologisk viden om rensningsanlægsprocesser, ekspertise inden for automatiseringsprincipper og teknik baseret på matematiske modeller og prædiktiv kontrol,“
siger Kazimierz Stachyra.

MACS-systemet bruges til at kontrollere beluftning, intern og ekstern recirkulation og til at regulere driften af aktuatorer såsom blæsere og blandere.

MACS blev designet ved hjælp af Siemens teknologi, der kombinerer en traditionel PLC-controller med en industriel computer.

Løsningen blev designet ved hjælp af Siemens teknologi, der integrerer en traditionel PLC-controller med en industriel computer. EN SIMATIC Box PC, sammen med kommunikationsmoduler, blev brugt til kontrol. Siemens industrielle pc'er er kendetegnet ved høj ydeevne, et bredt driftstemperaturområde og modstandsdygtighed over for vibrationer, mens de optager minimal plads i styreskabet. De er også designet til at fungere pålideligt under barske miljøforhold.

„Vi valgte en Siemens-løsning, fordi det er en alsidig platform, der kombinerer mulighederne i en programmerbar logisk controller med en højtydende industriel computer. Denne computerkraft er afgørende for integration med MATLAB-miljøet, som bruges til at implementere matematiske modeller, gengive de biokemiske processer i rensningsanlægget og udføre beregninger til processtyring. Denne tilgang gjorde det muligt for os nemt at integrere optimeringslaget med kontrolsystemet i det samme miljø,“
forklarer Robert Wlaźlak, direktør for industriel automatiseringsafdeling hos DP System.

En kompakt industriel computer, SIMATIC Box PC, sammen med kommunikationsmoduler, bruges til at styre systemet.

Fordele inden for energieffektivitet

En væsentlig fordel ved implementering af MACS-systemet er den bredt forståede stigning i sikkerheden ved de processer, der udføres af det anlæg, der bruger det.

Moderniseringen blev udført på en sådan måde, at udskiftning af rensningsanlæggets eksisterende infrastruktur ikke var nødvendig. De eksisterende måleenheder, suppleret med yderligere manglende målinger, blev integreret og leverer de data, der kræves til driften af MACS-systemet. Til gengæld udføres styresignalerne fra DP System-løsningen af anlæggets eksisterende styringsinfrastruktur, som kun gennemgik mindre opgraderinger. Som følge heraf blev der trods relativt lave investeringer opnået betydelige økonomiske og miljømæssige fordele.

„Under moderniseringen af rensningsanlægget introducerede vi et ekstra styringslag på højere niveau, der tjener som støtte for operatøren. Efter implementeringen vælger og indstiller MACS-systemet automatisk optimale processtyringsparametre,“
siger Tomasz Chrześcijanek, projektleder hos DP System.

Implementeringen af løsningen tog cirka seks måneder, mens kalibreringen varede omkring et år, hvilket gjorde det muligt at overveje anlæggets driftsspecifikationer på tværs af forskellige årstider.

De vigtigste fordele er energibesparelser som følge af reduceret elforbrug. Det har også været muligt at øge stabiliteten af processer i den biologiske sektion. Derudover er medarbejdere, understøttet af information fra systemet, nu mindre involveret i procesovervågning, hvilket gør det muligt at bruge deres tid mere effektivt.

Kazimierz Stachyra, Leder, spildevandsrensningsanlæg i Słupsk

En anden fordel opnået gennem moderniseringen er den bredt forståede stigning i sikkerheden ved de processer, der udføres af anlægget. Den implementerede løsning gør det muligt at opnå en ekstra belastningskapacitetsreserve på ca. 20.000 PE (Befolkningsekvivalent). Dette gør det muligt for rensningsanlægget at acceptere en større mængde spildevand til behandling ved hjælp af den allerede eksisterende reaktor.

„Før moderniseringen kunne rensningsanlægget modtage spildevand fra 250.000 indbyggere, mens det nu betjener 350.000. Dette resultat blev opnået blandt andet takket være implementeringen af optimeringsløsninger. Vi er tilfredse med DP Systems involvering i implementeringsarbejdet samt med systemets ydeevne. De anvendte løsninger viser sig at være effektive både i den daglige drift af vores rensningsanlæg og i kritiske situationer, såsom perioder med kraftig tilstrømning af spildevand efter nedbør,“
opsummerer Kazimierz Stachyra fra rensningsanlægget i Słupsk.

Modernisering af spildevandsrensningsanlæg i Iława

Et andet anlæg, hvor MACS-løsningen, der kører på Siemens enheder, er blevet implementeret, er spildevandsrensningsanlægget i Iława. I dette tilfælde var den primære årsag til implementeringen behovet for at reducere kvælstofindholdet i renset spildevand. DP System vandt udbuddet og begyndte arbejdet med udskiftning af kontrolelementer, dæmpere, og drivkomponenter, der er ansvarlige for recirkulationskontrol.

Moderniseringen omfattede intern og ekstern recirkulation, beluftningskontrol og dosering af PIX-koagulanter. Som en del af det afsluttede arbejde blev det eksterne recirkulationssystem ændret fra en kontrolalgoritme baseret på indgående spildevandsmængde til en baseret på slamniveauer i sekundære klarere. Som et resultat af disse ændringer var det nødvendigt at automatisere udløbsportene installeret i de sekundære klarere. Moderniseringen førte til forbedret kvalitet af renset spildevand. Der er også opnået mærkbare fordele med hensyn til energibesparelser.

“ Energiforbruget afhænger i høj grad af, hvilken type spildevand der strømmer ind i rensningsanlægget. En vanskeligere belastning kræver mere luft og brug af blæsere, der bruger betydelige mængder elektricitet. På grund af variationen i indgående spildevand med forskellige koncentrationer er det vanskeligt præcist at vurdere, hvor energieffektiv den nye løsning er. Under stabil drift observerer vi imidlertid en betydelig forbedring af ydeevnen og øget energieffektivitet af installationen. Styring af spjæld og slukning af blæsere på de rigtige øjeblikke gør det muligt klart at reducere elforbruget. Takket være optimering er vi nu i stand til fuldt ud at udnytte kapaciteten i spildevandsrensningssystemet,“
siger Krzysztof Draszewski, vicechef for spildevandsrensningsanlægget i Iława.

MACS-systemet har været i brug i Iława i flere år. I lighed med rensningsanlægget i Słupsk tog implementeringen ca. seks måneder efterfulgt af ca. et års tilpasning til anlæggets særlige forhold. Over en årlig cyklus blev alle sæsonbestemte fænomener, der kunne forekomme på anlægget, analyseret. I øjeblikket muliggør den anvendte løsning energireduktion på omkring 12%. Forbedret proceseffektivitet betyder også højere gennemstrømning af hele anlægget og evnen til at behandle større mængder spildevand.

„I stedet for standard PID-controllere implementerede vi løsninger ved hjælp af en procesmodel og resulterende forudsigelser, dvs. MPC (Model Predictive Control) algoritmer. Driftspunkterne for denne type controller er meget tættere på de teknologiske grænser, hvilket automatisk betyder højere proceseffektivitet og forbedret anlægsgennemstrømning,“ forklarer Robert Wlaźlak fra DP System.

„De løsninger, der leveres af Siemens, tager ikke kun højde for de brede muligheder for modelbaseret styring, men tilbyder også støtte til kunstig intelligens: Machine Learning (Deep Learning). Alt dette muliggør højere kontroleffektivitet og giver yderligere muligheder for at optimere energiforbruget og opnå bedre procesydelse,“ understreger Michał Urliński fra Siemens Polska.

Den implementerede løsning gør det muligt at maksimere mængden af biogas opnået i kemiske processer. En anden fordel ved MACS-systemet er reduktionen i den tid, der kræves til visse opgaver.

“ I nogle aspekter har det været muligt at reducere arbejdsindsatsen. Det gælder blandt andet kontrol i sekundære klarere, som før modernisering krævede manuel justering af porte for at regulere slamniveauet, hvorimod denne proces nu er fuldt automatiseret,“
bemærker Krzysztof Draszewski.

„MACS-systemet muliggør kontinuerlig overvågning af måleenheder. Det giver blandt andet mulighed for vurdering af pålideligheden af aktuelle målinger. Hvis systemet fastslår, at en given måling er upålidelig, informerer det brugeren og skifter til en alternativ måling eller baserer kontrolalgoritmen på historiske værdier,“
tilføjer Tomasz Chrześcijanek fra DP System.