CASO DE ÉXITO

Optimización del control de la planta de tratamiento de aguas residuales

El sistema MACS, desarrollado por DP System basándose en tecnologías de Siemens, permite ahorrar energía y proporciona una capacidad de carga adicional para las plantas de tratamiento de aguas residuales. La solución implementada en Słupsk e Iława permite atender a un mayor número de residentes.

DP System ha desarrollado una herramienta que combina soluciones tecnológicas y de software. El objetivo del MACS (sistema de control avanzado basado en modelos) es maximizar la eficiencia tecnológica de las plantas de tratamiento de aguas residuales y reducir el consumo de energía. El sistema puede funcionar en casi cualquier planta de tratamiento equipada con sistemas de automatización. La solución ya se ha implementado, entre otras, en las plantas de tratamiento de aguas residuales de Iława y Słupsk.

Control predictivo basado en modelos

Desarrollado desde 2018, el MACS está diseñado para apoyar el funcionamiento de las plantas de tratamiento biológico de aguas residuales basándose en sistemas de eliminación integrados de compuestos orgánicos y nutrientes. Los componentes individuales de la solución optimizan el rendimiento de los procesos tecnológicos. Una de las funciones clave la desempeña el módulo responsable del control de los reactores biológicos.«

Se necesita una planta de tratamiento de aguas residuales para alcanzar un nivel de purificación que cumpla con los parámetros estandarizados de contenido de nitrógeno y fósforo. El sistema MACS optimiza el proceso de tratamiento de aguas residuales, lo que facilita el cumplimiento de los requisitos ambientales de descarga. Los algoritmos aplicados garantizan que estos objetivos se alcancen con un consumo de energía mínimo. El sistema también contribuye a una gestión eficiente de la biomasa al optimizar la recirculación externa y evita que el lodo activado se acumule en las aguas residuales tratadas»,
afirma Robert Wlaźlak, director del Departamento de Automatización Industrial de DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

El sistema MACS permite maximizar la eficiencia tecnológica en las plantas de tratamiento de aguas residuales y, al mismo tiempo, reduce el consumo de energía.

El sistema MACS se ha implementado, entre otros, en la planta de tratamiento de aguas residuales de Słupsk.

Las tecnologías implementadas permiten optimizar la cantidad de productos químicos utilizados en los procesos de tratamiento. La solución desarrollada por DP System también permite ahorrar energía en los procesos bioquímicos que lleva a cabo la planta de tratamiento.«

Las reacciones bioquímicas en las plantas de tratamiento de aguas residuales son de las más difíciles de controlar porque implican organismos vivos. Estos procesos también tienen una gran demanda de energía eléctrica»,
afirma Adam Paczesny, director comercial del Departamento de Automatización Industrial de DP System.

Los algoritmos y modelos matemáticos de la planta de tratamiento utilizados en la solución MACS permiten la gestión predictiva (actuar con antelación) del medio ambiente para los organismos vivos que realizan los procesos de tratamiento. Esto se traduce en una mayor eficiencia, sobre todo en términos de consumo de energía. Este enfoque también permite optimizar el uso de la infraestructura de la planta de tratamiento existente.

Modernización de la planta de tratamiento de aguas residuales

«El punto de partida de las obras de modernización fue la necesidad de cumplir con las normas de emisiones, lo que estaba vinculado a la reducción del gasto energético. Como resultado de los cambios implementados, la eficiencia mejoró entre un 25 y un 35%. Alrededor del 14% de esto se debió a la mejora del control, mientras que la parte restante se debió a la sustitución de los ventiladores por unidades modernas y más eficientes desde el punto de vista energético. En condiciones de funcionamiento normal, la planta alcanza un nivel de autosuficiencia del 80%, pero a veces llega incluso al 100%. Esto significa que somos independientes desde el punto de vista energético. Esto es el resultado directo de la implementación de la solución del sistema DP»,
dice Kazimierz Stachyra, director de la planta de tratamiento de aguas residuales de Słupsk.

La solución MACS implementada en Słupsk se utiliza para controlar la aireación, la recirculación interna y externa y para regular el funcionamiento de los principales actuadores, como los ventiladores y las mezcladoras. También se ha implementado un módulo de dosificación de coagulantes. La instrumentación integral de la instalación desempeña un papel esencial para garantizar el funcionamiento eficiente del sistema de control.

«La eficacia del control aplicado se debe a la combinación de un conocimiento tecnológico profundo de los procesos de las plantas de tratamiento, la experiencia en los principios de automatización y la ingeniería basada en modelos matemáticos y el control predictivo»
dice Kazimierz Stachyra.

El sistema MACS se utiliza para controlar la aireación, la recirculación interna y externa y para regular el funcionamiento de los actuadores, como sopladores y mezcladores.

El MACS se diseñó con la tecnología de Siemens que combina un controlador PLC tradicional con un ordenador industrial.

La solución se diseñó con tecnología Siemens que integra un controlador PLC tradicional con un ordenador industrial. UN SIMATIC Box PC, junto con los módulos de comunicación, se utilizó como control. Los ordenadores industriales Siemens se caracterizan por su alto rendimiento, un amplio rango de temperaturas de funcionamiento y su resistencia a las vibraciones, a la vez que ocupan un espacio mínimo en el armario de control. También están diseñados para funcionar de forma fiable en condiciones ambientales adversas.

«Elegimos una solución de Siemens porque es una plataforma versátil que combina las capacidades de un controlador lógico programable con un ordenador industrial de alto rendimiento. Esta potencia de cálculo es esencial para la integración con el entorno de MATLAB, que se utiliza para implementar modelos matemáticos, reproducir los procesos bioquímicos de la planta de tratamiento y realizar cálculos para el control de los procesos. Este enfoque nos permitió integrar fácilmente la capa de optimización con el sistema de control en el mismo entorno»,
explica Robert Wlaźlak, director del Departamento de Automatización Industrial de DP System.

Para controlar el sistema se utiliza un ordenador industrial compacto, el SIMATIC Box PC, junto con módulos de comunicación.

Beneficios en el área de la eficiencia energética

Una ventaja importante de implementar el sistema MACS es el aumento, ampliamente entendido, de la seguridad de los procesos que lleva a cabo la instalación que lo utiliza.

La modernización se llevó a cabo de tal manera que no fue necesario reemplazar la infraestructura existente de la planta de tratamiento. Los dispositivos de medición existentes, complementados con otras medidas faltantes, se integraron y proporcionan los datos necesarios para el funcionamiento del sistema MACS. A su vez, las señales de control generadas por la solución del sistema DP son ejecutadas por la infraestructura de control existente de la planta, que solo se sometió a pequeñas mejoras. Como resultado, a pesar de una inversión relativamente baja, se lograron importantes beneficios financieros y ambientales.

«Durante la modernización de la planta de tratamiento, introdujimos una capa de control adicional de nivel superior que servía de apoyo al operador. Tras la implementación, el sistema MACS selecciona y establece automáticamente los parámetros óptimos de control del proceso»,
dice Tomasz Chrześcijanek, director de proyectos de DP System.

La implementación de la solución llevó aproximadamente seis meses y su calibración duró alrededor de un año, lo que permitió tener en cuenta las especificaciones operativas de la instalación en las diferentes estaciones.

Las ventajas más importantes incluyen el ahorro de energía como resultado de la reducción del consumo de electricidad. También ha sido posible aumentar la estabilidad de los procesos en la sección biológica. Además, los empleados, apoyados por la información del sistema, participan ahora menos en la supervisión de los procesos, lo que permite utilizar su tiempo de forma más eficaz.

Kazimierz Stachyra, Gerente, planta de tratamiento de aguas residuales en Słupsk

Otro beneficio que se logra con la modernización es el aumento, ampliamente entendido, de la seguridad de los procesos que lleva a cabo la instalación. La solución implementada permite lograr una reserva de capacidad de carga adicional de aproximadamente 20 000 PE (equivalente a una población). Esto permite a la planta de tratamiento aceptar un mayor volumen de aguas residuales para procesarlas utilizando el reactor ya existente.

«Antes de la modernización, la planta de tratamiento podía recibir aguas residuales de 250 000 habitantes, mientras que ahora abastece a 350 000. Este resultado se logró, entre otras cosas, gracias a la implementación de soluciones de optimización. Estamos satisfechos con la participación de DP System en las tareas de implementación, así como con el rendimiento del sistema. Las soluciones aplicadas han demostrado su eficacia tanto en el funcionamiento diario de nuestra planta de tratamiento como en situaciones críticas, como los períodos de fuerte entrada de aguas residuales tras la lluvia»,
resume Kazimierz Stachyra de la planta de tratamiento de Słupsk.

Modernización de la planta de tratamiento de aguas residuales de Iława

Otra instalación en la que se ha implementado la solución MACS, que funciona con dispositivos Siemens, es la planta de tratamiento de aguas residuales de Iława. En este caso, el motivo principal de la implementación fue la necesidad de reducir el contenido de nitrógeno en las aguas residuales tratadas. DP System ganó el concurso y comenzó a trabajar para reemplazar los elementos de control, los amortiguadores y los componentes del accionamiento responsables del control de la recirculación.

La modernización abarcó la recirculación interna y externa, el control de la aireación y la dosificación de los coagulantes PIX. Como parte del trabajo terminado, el sistema de recirculación externo pasó de ser un algoritmo de control basado en el volumen de aguas residuales entrantes a uno basado en los niveles de lodo de los clarificadores secundarios. Como resultado de estos cambios, fue necesario automatizar las compuertas de salida instaladas en los clarificadores secundarios. La modernización llevó a mejorar la calidad de las aguas residuales tratadas. También se han logrado beneficios notables en términos de ahorro de energía.

«El consumo de energía depende en gran medida del tipo de aguas residuales que lleguen a la planta de tratamiento. Una carga más difícil requiere más aire y el uso de ventiladores que consuman cantidades importantes de electricidad. Debido a la variabilidad de las aguas residuales entrantes con diferentes concentraciones, es difícil evaluar con precisión la eficiencia energética de la nueva solución. Sin embargo, durante un funcionamiento estable, observamos una mejora significativa en el rendimiento y un aumento de la eficiencia energética de la instalación. Controlar los amortiguadores y apagar los ventiladores en los momentos adecuados permite reducir claramente el consumo de electricidad. Gracias a la optimización, ahora podemos utilizar al máximo las capacidades del sistema de tratamiento de aguas residuales»,
dice Krzysztof Draszewski, subdirector de la planta de tratamiento de aguas residuales de Iława.

El sistema MACS se utiliza en Iława desde hace varios años. Al igual que en la planta de tratamiento de Słupsk, su implementación llevó unos seis meses, seguidos de aproximadamente un año de adaptación a las condiciones específicas de la instalación. Durante un ciclo anual, se analizaron todos los fenómenos estacionales que podían ocurrir en la instalación. Actualmente, la solución aplicada permite reducir la energía en alrededor de un 12%. La mejora de la eficiencia del proceso también significa un mayor rendimiento de toda la planta y la capacidad de procesar mayores volúmenes de aguas residuales.

«En lugar de los controladores PID estándar, implementamos soluciones utilizando un modelo de proceso y las predicciones resultantes, es decir, algoritmos MPC (control predictivo de modelos). Los puntos de operación de este tipo de controladores están mucho más cerca de los límites tecnológicos, lo que se traduce automáticamente en una mayor eficiencia del proceso y una mejora del rendimiento de la planta», explica Robert Wlaźlak de DP System.

«Las soluciones que ofrece Siemens no solo tienen en cuenta las amplias capacidades del control basado en modelos, sino que también ofrecen soporte para la inteligencia artificial: aprendizaje automático (aprendizaje profundo). Todo esto permite una mayor eficiencia de control y ofrece oportunidades adicionales para optimizar el consumo de energía y lograr un mejor rendimiento de los procesos», hace hincapié en Michał Urliński de Siemens Polska.

La solución implementada facilita maximizar la cantidad de biogás que se obtiene en los procesos químicos. Otra ventaja del sistema MACS es la reducción del tiempo necesario para ciertas tareas.

«En algunos aspectos, ha sido posible reducir la mano de obra. Esto se aplica, entre otras cosas, al control de los clarificadores secundarios, que antes de la modernización exigían el ajuste manual de las compuertas para regular los niveles de lodo, mientras que ahora este proceso está totalmente automatizado,»
señala Krzysztof Draszewski.

«El sistema MACS permite la monitorización continua de los dispositivos de medición. Permite, entre otras cosas, evaluar la fiabilidad de las mediciones actuales. Si el sistema determina que una medición determinada no es fiable, informa al usuario y cambia a una medición alternativa o basa el algoritmo de control en valores históricos»
añade Tomasz Chrześcijanek de DP System.