CASO PRÁCTICO

Optimización del control de la planta de tratamiento de aguas residuales

El sistema MACS, desarrollado por DP System basado en tecnologías Siemens, permite ahorrar energía y proporciona 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 de 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 operar en casi cualquier planta de tratamiento equipada con sistemas de automatización. La solución ya se ha implementado, entre otros, en plantas de tratamiento de aguas residuales en Iława y Słupsk.

Control predictivo basado en modelos

Desarrollado desde 2018, MACS está diseñado para apoyar la operación de plantas biológicas de tratamiento de aguas residuales basadas en sistemas integrados de eliminación de compuestos orgánicos y nutrientes. Los componentes individuales de la solución optimizan el rendimiento de los procesos tecnológicos. Una de las funciones clave la lleva a cabo el módulo responsable del control de los reactores biológicos.“

Se requiere una planta de tratamiento de aguas residuales para lograr un nivel de purificación que cumpla con los parámetros estandarizados para el contenido de nitrógeno y fósforo. El sistema MACS optimiza el proceso de tratamiento de aguas residuales, lo que facilita el cumplimiento de los requisitos de descarga ambiental. Los algoritmos aplicados aseguran que estos objetivos se alcancen con un consumo mínimo de energía. El sistema también soporta una gestión eficiente de la biomasa mediante la optimización de la recirculación externa y evita el arrastre de lodo activado a las aguas residuales tratadas”.
dice Robert Wlaźlak, Director del Departamento de Automatización Industrial de DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

El sistema MACS permite la maximización de la eficiencia tecnológica en las plantas de tratamiento de aguas residuales al tiempo que reduce el consumo de energía.

El sistema MACS se ha implementado, entre otros, en la planta de tratamiento de aguas residuales en 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 el ahorro de energía en los procesos bioquímicos llevados a cabo por la planta de tratamiento.“

Las reacciones bioquímicas en las plantas de tratamiento de aguas residuales se encuentran entre las más difíciles de controlar porque involucran organismos vivos. Estos procesos también tienen una gran demanda de energía eléctrica”.
dice 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, actuando de antemano, del entorno para los organismos vivos que realizan los procesos de tratamiento. Esto da como resultado una mayor eficiencia, particularmente en términos de consumo de energía. Este enfoque también permite optimizar el uso de la infraestructura existente de la planta de tratamiento.

Modernización de la planta de tratamiento de aguas residuales

“El punto de partida para el trabajo de modernización fue la necesidad de cumplir con los estándares de emisiones, lo que estaba relacionado con la reducción de los gastos de energía. Como resultado de los cambios implementados, la eficiencia mejoró entre un 25 y un 35%. Alrededor del 14% de esto se debió a un mejor control, mientras que la parte restante resultó de reemplazar los sopladores por unidades modernas y más eficientes energéticamente. Bajo operación normal, la planta alcanza un nivel de autosuficiencia del 80%, pero a veces incluso alcanza el 100%. Esto significa que somos independientes de la energía. Este es un resultado directo de la implementación de la solución DP System,”
dice Kazimierz Stachyra, gerente de la planta de tratamiento de aguas residuales en Słupsk.

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

“La eficacia del control aplicado resulta de la combinación de un profundo conocimiento tecnológico de los procesos de la planta de tratamiento, la experiencia en principios de automatización y la ingeniería basada en modelos matemáticos y 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 actuadores como sopladores y mezcladores.

MACS fue diseñado utilizando la tecnología Siemens que combina un controlador PLC tradicional con una computadora industrial.

La solución se diseñó utilizando la tecnología Siemens que integra un controlador PLC tradicional con una computadora industrial. A SIMATIC Box PC, junto con los módulos de comunicación, se utilizó para el control. Las PC industriales Siemens se caracterizan por su alto rendimiento, un amplio rango de temperatura de funcionamiento y resistencia a las vibraciones, mientras ocupan un espacio mínimo en el gabinete de control. También están diseñados para operar de manera confiable en condiciones ambientales adversas.

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

Una computadora industrial compacta, la SIMATIC Box PC, junto con módulos de comunicación, se utiliza para controlar el sistema.

Beneficios en el área de eficiencia energética

Un beneficio significativo de implementar el sistema MACS es el aumento ampliamente entendido en la seguridad de los procesos llevados a cabo por la instalación que lo utiliza.

La modernización se llevó a cabo de tal manera que no era necesario reemplazar la infraestructura existente de la planta de tratamiento. Los dispositivos de medición existentes, complementados con mediciones adicionales que faltan, se integraron y proporcionan los datos necesarios para el funcionamiento del sistema MACS. A su vez, las señales de control generadas por la solución DP System son ejecutadas por la infraestructura de control existente de la planta, que solo se sometió a actualizaciones menores. 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 sirve como soporte para el operador. Después de la implementación, el sistema MACS selecciona y establece automáticamente los parámetros óptimos de control del proceso”
dice Tomasz Chrześcijanek, director de proyectos en DP System.

La implementación de la solución tomó aproximadamente seis meses, mientras que su calibración duró aproximadamente un año, lo que permitió considerar los detalles operativos de la instalación en diferentes estaciones.

Los beneficios más importantes incluyen el ahorro de energía resultante de la reducción del consumo de electricidad. También ha sido posible aumentar la estabilidad de los procesos en la sección biológica. Además, los empleados, respaldados por la información del sistema, ahora están menos involucrados en la supervisión de procesos, lo que permite que su tiempo se use de manera más efectiva.

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

Otro beneficio logrado a través de la modernización es el aumento ampliamente entendido en la seguridad de los procesos llevados a cabo por las instalaciones. La solución implementada permite lograr una reserva de capacidad de carga adicional de aproximadamente 20,000 PE (equivalente en población). Esto permite que la planta de tratamiento acepte un mayor volumen de aguas residuales para su procesamiento utilizando el reactor ya existente.

“Antes de la modernización, la planta de tratamiento era capaz de recibir aguas residuales de 250.000 habitantes, mientras que ahora atiende 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 el trabajo de implementación, así como con el rendimiento del sistema. Las soluciones aplicadas demuestran ser efectivas tanto en la operación diaria de nuestra planta de tratamiento como en situaciones críticas, como períodos de entrada intensa de aguas residuales después de las lluvias”.
resume Kazimierz Stachyra de la planta de tratamiento en Słupsk.

Modernización de la planta de tratamiento de aguas residuales en Iława

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

La modernización cubrió la recirculación interna y externa, el control de aireación y la dosificación de coagulantes PIX. Como parte del trabajo terminado, el sistema de recirculación externa se cambió de un algoritmo de control basado en el volumen de aguas residuales entrantes a uno basado en los niveles de lodo en los clarificadores secundarios. Como resultado de estos cambios, fue necesario automatizar las puertas de salida instaladas en los clarificadores secundarios. La modernización condujo a una mejor 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 fluyen hacia la planta de tratamiento. Una carga más difícil requiere más aire y el uso de sopladores que consumen cantidades significativas de electricidad. Debido a la variabilidad de las aguas residuales entrantes con diferentes concentraciones, es difícil evaluar con precisión qué tan eficiente es la energía de la nueva solución. Sin embargo, durante la operación estable observamos una mejora significativa en el rendimiento y una mayor eficiencia energética de la instalación. Controlar los amortiguadores y apagar los sopladores en el momento adecuado 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, Jefe Adjunto de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en Iława.

El sistema MACS ha estado en uso en Iława durante varios años. Al igual que en la planta de tratamiento en Słupsk, su implementación tomó alrededor de seis meses, seguido de aproximadamente un año de adaptación a las condiciones específicas de la instalación. Durante un ciclo anual, se analizaron todos los fenómenos estacionales que podrían ocurrir en las instalaciones. Actualmente, la solución aplicada permite una reducción de energía de alrededor del 12%. La mejora de la eficiencia del proceso también significa un mayor rendimiento de toda la planta y la capacidad de procesar grandes volúmenes de aguas residuales.

“En lugar de controladores PID estándar, implementamos soluciones utilizando un modelo de proceso y predicciones resultantes, es decir, algoritmos MPC (Model Predictive Control). Los puntos de operación para este tipo de controlador están mucho más cerca de los límites tecnológicos, lo que se traduce automáticamente en una mayor eficiencia del proceso y un rendimiento mejorado de la planta”. explica Robert Wlaźlak de DP System.

“Las soluciones proporcionadas por Siemens no solo tienen en cuenta las amplias capacidades de control basado en modelos, sino que también ofrecen soporte para inteligencia artificial: Machine Learning (Deep Learning). Todo esto permite una mayor eficiencia de control y brinda oportunidades adicionales para optimizar el consumo de energía y lograr un mejor rendimiento del proceso”. enfatiza Michał Urliński de Siemens Polska.

La solución implementada facilita maximizar la cantidad de biogás obtenido en los procesos químicos. Otro beneficio del sistema MACS es la reducción del tiempo requerido para ciertas tareas.

“En algunos aspectos, ha sido posible reducir la entrada de mano de obra. Esto se aplica, entre otras cosas, al control en clarificadores secundarios, que antes de la modernización requería el ajuste manual de las puertas para regular los niveles de lodo, mientras que ahora este proceso está completamente automatizado”,
señala Krzysztof Draszewski.

“El sistema MACS permite el monitoreo continuo de los dispositivos de medición. Permite, entre otras cosas, la evaluación de la confiabilidad de las mediciones actuales. Si el sistema determina que una medición dada no es confiable, informa al usuario y cambia a una medición alternativa o basa el algoritmo de control en valores históricos”.
agrega Tomasz Chrześcijanek de DP System.