ÉTUDE DE CAS

Optimisation du contrôle de la station d'épuration

Le système MACS, développé par DP System basé sur les technologies Siemens, permet des économies d'énergie et offre une capacité de charge supplémentaire pour les usines de traitement des eaux usées. La solution mise en œuvre à Słupsk et Iława permet de desservir un plus grand nombre de résidents.

DP System a développé un outil qui combine des solutions technologiques et logicielles. L'objectif de MACS (Model-based Advanced Control System) est de maximiser l'efficacité technologique des usines de traitement des eaux usées et de réduire la consommation d'énergie. Le système peut fonctionner dans presque toutes les usines de traitement équipées de systèmes d'automatisation. La solution a déjà été mise en œuvre, entre autres, dans les stations de traitement des eaux usées d'Iława et de Słupsk.

Contrôle prédictif basé sur un modèle

Développé depuis 2018, le MACS est conçu pour soutenir l'exploitation d'usines de traitement biologique des eaux usées basées sur des systèmes intégrés d'élimination des composés organiques et des nutriments. Les composants individuels de la solution optimisent la performance des processus technologiques. L'une des fonctions clés est assurée par le module responsable du contrôle des réacteurs biologiques.«

Une station de traitement des eaux usées est nécessaire pour atteindre un niveau de purification qui répond aux paramètres normalisés pour la teneur en azote et en phosphore. Le système MACS optimise le processus de traitement des eaux usées, ce qui facilite le respect des exigences de rejet dans l'environnement. Les algorithmes appliqués garantissent que ces objectifs sont atteints avec une consommation d'énergie minimale. Le système prend également en charge une gestion efficace de la biomasse en optimisant la recirculation externe et empêche le transfert des boues activées dans les eaux usées traitées,
dit Robert Wlaźlak, directeur du département de l'automatisation industrielle chez DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Le système MACS permet de maximiser l'efficacité technologique dans les stations de traitement des eaux usées tout en réduisant la consommation d'énergie.

Le système MACS a été mis en œuvre, entre autres, à l'usine de traitement des eaux usées de Słupsk.

Les technologies mises en œuvre permettent d'optimiser la quantité de produits chimiques utilisés dans les processus de traitement. La solution développée par DP System permet également des économies d'énergie dans les processus biochimiques réalisés par la station de traitement.«

Les réactions biochimiques dans les stations d'épuration sont parmi les plus difficiles à contrôler car elles impliquent des organismes vivants. Ces processus ont également une forte demande d'énergie électrique, »
dit Adam Paczesny, directeur commercial du département de l'automatisation industrielle chez DP System.

Les algorithmes et les modèles mathématiques de la station de traitement utilisés dans la solution MACS permettent une gestion prédictive — agissant à l'avance — de l'environnement pour les organismes vivants effectuant des processus de traitement. Cela se traduit par une efficacité accrue, notamment en termes de consommation d'énergie. Cette approche permet également d'optimiser l'utilisation de l'infrastructure existante de la station de traitement.

Modernisation de la station d'épuration

« Le point de départ des travaux de modernisation était la nécessité de respecter les normes d'émissions, ce qui était lié à la réduction des dépenses énergétiques. Grâce aux changements mis en œuvre, l'efficacité s'est améliorée de 25 à 35 %. Environ 14% de cela était dû à un contrôle amélioré, tandis que la partie restante résultait du remplacement des soufflantes par des unités modernes et plus éconergétiques. En fonctionnement normal, l'usine atteint un niveau d'autosuffisance de 80 %, mais parfois cela atteint même 100 %. Cela signifie que nous sommes indépendants sur le plan énergétique. C'est le résultat direct de la mise en œuvre de la solution DP System, »
dit Kazimierz Stachyra, directeur de l'usine de traitement des eaux usées de Słupsk.

La solution MACS mise en œuvre à Słupsk est utilisée pour contrôler l'aération, la recirculation interne et externe, et pour réguler le fonctionnement des actionneurs clés tels que les soufflantes et les mélangeurs. Un module de dosage de coagulants a également été mis en place. Un rôle essentiel pour assurer le fonctionnement efficace du système de contrôle est joué par l'instrumentation complète de l'installation.

« L'efficacité du contrôle appliqué résulte de la combinaison de connaissances technologiques approfondies des processus des stations d'épuration, d'expertise dans les principes d'automatisation et d'ingénierie basée sur des modèles mathématiques et le contrôle prédictif,
dit Kazimierz Stachyra.

Le système MACS est utilisé pour contrôler l'aération, la recirculation interne et externe, et pour réguler le fonctionnement des actionneurs tels que les soufflantes et les mélangeurs.

MACS a été conçu à l'aide de la technologie Siemens qui combine un contrôleur PLC traditionnel avec un ordinateur industriel.

La solution a été conçue à l'aide de la technologie Siemens qui intègre un contrôleur PLC traditionnel à un ordinateur industriel. A SIMATIC Box PC, avec les modules de communication, a été utilisé pour le contrôle. Les PC industriels Siemens se caractérisent par des performances élevées, une large plage de températures de fonctionnement et une résistance aux vibrations, tout en occupant un espace minimal dans l'armoire de commande. Ils sont également conçus pour fonctionner de manière fiable dans des conditions environnementales difficiles.

« Nous avons choisi une solution Siemens parce que c'est une plateforme polyvalente combinant les capacités d'un contrôleur logique programmable avec un ordinateur industriel hautes performances. Cette puissance de calcul est essentielle pour l'intégration avec l'environnement MATLAB, qui est utilisé pour mettre en œuvre des modèles mathématiques, reproduire les processus biochimiques de la station de traitement et effectuer des calculs pour le contrôle des processus. Cette approche nous a permis d'intégrer facilement la couche d'optimisation avec le système de contrôle dans le même environnement, »
explique Robert Wlaźlak, directeur du département de l'automatisation industrielle chez DP System.

Un ordinateur industriel compact, le SIMATIC Box PC, ainsi que des modules de communication, sont utilisés pour contrôler le système.

Avantages dans le domaine de l'efficacité énergétique

Un avantage important de la mise en œuvre du système MACS est l'augmentation largement comprise de la sécurité des processus effectués par l'installation qui l'utilise.

La modernisation a été réalisée de telle manière que le remplacement de l'infrastructure existante de la station de traitement n'était pas nécessaire. Les appareils de mesure existants, complétés par des mesures manquantes supplémentaires, ont été intégrés et fournissent les données requises pour le fonctionnement du système MACS. À leur tour, les signaux de contrôle générés par la solution DP System sont exécutés par l'infrastructure de contrôle existante de l'usine, qui n'a subi que des mises à niveau mineures. En conséquence, malgré un investissement relativement faible, des avantages financiers et environnementaux importants ont été obtenus.

« Lors de la modernisation de la station de traitement, nous avons introduit une couche de contrôle supplémentaire de niveau supérieur servant de support à l'opérateur. Après la mise en œuvre, le système MACS sélectionne et définit automatiquement les paramètres optimaux de contrôle de processus, »
dit Tomasz Chrześcijanek, chef de projet chez DP System.

La mise en œuvre de la solution a pris environ six mois, tandis que son étalonnage a duré environ un an, permettant de prendre en compte les spécificités opérationnelles de l'installation au fil des différentes saisons.

Les avantages les plus importants comprennent les économies d'énergie résultant de la réduction de la consommation d'électricité. Il a également été possible d'augmenter la stabilité des processus dans la section biologique. De plus, les employés, soutenus par les informations du système, sont désormais moins impliqués dans la supervision des processus, ce qui permet d'utiliser leur temps plus efficacement.

Kazimierz Stachyra, Gestionnaire, usine de traitement des eaux usées à Słupsk

Un autre avantage obtenu grâce à la modernisation est l'augmentation largement comprise de la sécurité des processus effectués par l'installation. La solution mise en œuvre permet d'atteindre une réserve de capacité de charge supplémentaire d'environ 20 000 PE (équivalent population). Cela permet à la station de traitement d'accepter un plus grand volume d'eaux usées pour le traitement à l'aide du réacteur déjà existant.

« Avant la modernisation, la station d'épuration était capable de recevoir les eaux usées de 250 000 habitants, alors qu'elle dessert maintenant 350 000. Ce résultat a été atteint, entre autres, grâce à la mise en place de solutions d'optimisation. Nous sommes satisfaits de l'implication de DP System dans le travail de mise en œuvre, ainsi que des performances du système. Les solutions appliquées se révèlent efficaces à la fois dans le fonctionnement quotidien de notre usine de traitement et dans des situations critiques, telles que les périodes de forte affluence d'eaux usées à la suite de pluies,
résume Kazimierz Stachyra de la station de traitement de Słupsk.

Modernisation de la station d'épuration d'Iława

Une autre installation où la solution MACS, fonctionnant sur des appareils Siemens, a été mise en œuvre est la station de traitement des eaux usées d'Iława. Dans ce cas, la principale raison de la mise en œuvre était la nécessité de réduire la teneur en azote dans les eaux usées traitées. DP System a remporté l'appel d'offres et a commencé les travaux impliquant le remplacement des éléments de commande, des amortisseurs et des composants d'entraînement responsables du contrôle de la recirculation.

La modernisation a couvert la recirculation interne et externe, le contrôle de l'aération et le dosage des coagulants PIX. Dans le cadre des travaux terminés, le système de recirculation externe est passé d'un algorithme de contrôle basé sur le volume d'eaux usées entrantes à un algorithme basé sur les niveaux de boues dans les clarificateurs secondaires. À la suite de ces changements, il a été nécessaire d'automatiser les portes de sortie installées dans les clarificateurs secondaires. La modernisation a permis d'améliorer la qualité des eaux usées traitées. Des avantages notables en termes d'économies d'énergie ont également été obtenus.

« La consommation d'énergie dépend en grande partie du type d'eaux usées qui s'écoulent dans la station de traitement. Une charge plus difficile nécessite plus d'air et l'utilisation de soufflantes qui consomment des quantités importantes d'électricité. En raison de la variabilité des eaux usées entrantes avec différentes concentrations, il est difficile d'évaluer avec précision l'efficacité énergétique de la nouvelle solution. Cependant, lors d'un fonctionnement stable, nous observons une amélioration significative des performances et une augmentation de l'efficacité énergétique de l'installation. Contrôler les amortisseurs et éteindre les soufflantes au bon moment permet de réduire clairement la consommation d'électricité. Grâce à l'optimisation, nous sommes maintenant en mesure d'utiliser pleinement les capacités du système de traitement des eaux usées, »
dit Krzysztof Draszewski, chef adjoint de la station de traitement des eaux usées d'Iława.

Le système MACS est utilisé à Iława depuis plusieurs années. Semblable à la station de traitement de Słupsk, sa mise en œuvre a pris environ six mois, suivis d'environ un an d'adaptation aux conditions spécifiques de l'installation. Au cours d'un cycle annuel, tous les phénomènes saisonniers qui pourraient se produire à l'installation ont été analysés. Actuellement, la solution appliquée permet une réduction d'énergie d'environ 12%. L'amélioration de l'efficacité des processus signifie également un débit plus élevé de l'ensemble de l'usine et la capacité de traiter de plus grands volumes d'eaux usées.

« Au lieu de contrôleurs PID standard, nous avons mis en œuvre des solutions utilisant un modèle de processus et les prédictions qui en résultent, c'est-à-dire des algorithmes MPC (Model Prédictive Control). Les points de fonctionnement de ce type de contrôleur sont beaucoup plus proches des limites technologiques, ce qui se traduit automatiquement par une plus grande efficacité des processus et une amélioration du débit de l'usine, explique Robert Wlaźlak de DP System.

« Les solutions fournies par Siemens prennent non seulement en compte les vastes capacités de contrôle basé sur des modèles, mais offrent également un support pour l'intelligence artificielle : Machine Learning (Deep Learning). Tout cela permet une plus grande efficacité de contrôle et offre des opportunités supplémentaires d'optimiser la consommation d'énergie et d'obtenir de meilleures performances des processus. » souligne Michał Urliński de Siemens Polska.

La solution mise en œuvre facilite la maximisation de la quantité de biogaz obtenue dans les processus chimiques. Un autre avantage du système MACS est la réduction du temps requis pour certaines tâches.

« À certains égards, il a été possible de réduire l'apport de main-d'œuvre. Cela s'applique, entre autres, au contrôle dans les clarificateurs secondaires, qui, avant la modernisation, nécessitait un réglage manuel des portails pour réguler les niveaux de boues, alors que maintenant ce processus est entièrement automatisé,
remarque Krzysztof Draszewski.

« Le système MACS permet la surveillance continue des appareils de mesure. Il permet, entre autres, l'évaluation de la fiabilité des mesures actuelles. Si le système détermine qu'une mesure donnée n'est pas fiable, il en informe l'utilisateur et passe à une mesure alternative ou base l'algorithme de contrôle sur des valeurs historiques,
ajoute Tomasz Chrześcijanek de DP System.