ÉTUDE DE CAS

Optimisation du contrôle des stations d'épuration

Le système MACS, développé par DP System sur la base des technologies Siemens, permet de réaliser des économies d'énergie et fournit une capacité de charge supplémentaire aux stations 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 du MACS (Model-based Advanced Control System) est de maximiser l'efficacité technologique des stations de traitement des eaux usées et de réduire la consommation d'énergie. Le système peut fonctionner dans presque toutes les stations d'épuration équipées de systèmes d'automatisation. La solution a déjà été mise en œuvre, entre autres, dans les stations d'épuration d'Iława et de Słupsk.

Contrôle prédictif basé sur des modèles

Développé depuis 2018, le MACS est conçu pour soutenir le fonctionnement des stations de traitement biologique des eaux usées sur la base de systèmes intégrés d'élimination des composés organiques et des nutriments. Les différents composants de la solution optimisent les performances des processus technologiques. L'une des fonctions clés est assurée par le module chargé de contrôler les réacteurs biologiques.«

Une station d'épuration est requise pour atteindre un niveau de purification conforme aux paramètres normalisés en matière de teneur en azote et en phosphore. Le système MACS optimise le processus de traitement des eaux usées, ce qui permet de répondre plus facilement aux exigences en matière de rejet dans l'environnement. Les algorithmes appliqués garantissent que ces objectifs sont atteints avec une consommation d'énergie minimale. Le système favorise également une gestion efficace de la biomasse en optimisant la recirculation externe et en empêchant le transfert de boues activées dans les eaux usées traitées, »
explique Robert Wlaźlak, directeur du département d'automatisation industrielle de DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

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

Le système MACS a été mis en œuvre, entre autres, à la station d'épuration de Słupsk.

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

Les réactions biochimiques dans les stations d'épuration des eaux usées sont parmi les plus difficiles à contrôler car elles impliquent des organismes vivants. Ces procédés génèrent également une forte demande en énergie électrique, »
explique Adam Paczesny, directeur commercial du département d'automatisation industrielle de DP System.

Les algorithmes et les modèles mathématiques de la station d'épuration utilisés dans la solution MACS permettent une gestion prédictive, en agissant à l'avance, de l'environnement pour les organismes vivants chargés 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 d'épuration.

Modernisation de la station d'épuration des eaux usées

« Le point de départ des travaux de modernisation était la nécessité de respecter les normes d'émission, 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 une amélioration du contrôle, tandis que le reste était dû au remplacement des souffleurs par des unités modernes et plus économes en énergie. En fonctionnement normal, l'usine atteint un niveau d'autosuffisance de 80 %, mais parfois, il atteint même 100 %. Cela signifie que nous sommes indépendants du point de vue énergétique. Cela est le résultat direct de la mise en œuvre de la solution DP System, »
explique Kazimierz Stachyra, directeur de la station d'épuration 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 principaux actionneurs tels que les souffleurs et les mélangeurs. Un module de dosage des coagulants a également été mis en place. L'instrumentation complète de l'installation joue un rôle essentiel pour garantir le fonctionnement efficace du système de contrôle.

« L'efficacité du contrôle appliqué résulte de la combinaison d'une connaissance technologique approfondie des processus des usines de traitement, d'une expertise en matière de principes d'automatisation et d'une ingénierie basée sur des modèles mathématiques et un contrôle prédictif, »
explique 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 souffleurs et les mélangeurs.

Le MACS a été conçu à l'aide de la technologie Siemens qui associe un contrôleur PLC traditionnel à 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. UNE SIMATIC Box PC, ainsi que des modules de communication, ont été utilisés pour le contrôle. Les PC industriels Siemens se caractérisent par leurs hautes performances, leur large plage de températures de fonctionnement et leur résistance aux vibrations, tout en occupant un minimum d'espace 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 car il s'agit d'une plateforme polyvalente combinant les capacités d'un contrôleur logique programmable et celles d'un ordinateur industriel performant. Cette puissance de calcul est essentielle à l'intégration à l'environnement MATLAB, qui est utilisé pour implémenter des modèles mathématiques, reproduire les processus biochimiques de l'usine de traitement et effectuer des calculs pour le contrôle des processus. Cette approche nous a permis d'intégrer facilement la couche d'optimisation au système de contrôle au sein du même environnement, »
explique Robert Wlaźlak, directeur du département d'automatisation industrielle de DP System.

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

Avantages en matière d'efficacité énergétique

L'un des avantages importants de la mise en œuvre du système MACS est l'amélioration largement perçue de la sécurité des processus mis en œuvre par l'installation qui l'utilise.

La modernisation a été réalisée de telle sorte qu'il n'était pas nécessaire de remplacer l'infrastructure existante de la station d'épuration. Les appareils de mesure existants, complétés par d'autres mesures manquantes, ont été intégrés et fournissent les données nécessaires au fonctionnement du système MACS. À leur tour, les signaux de commande générés par la solution DP System sont exécutés par l'infrastructure de contrôle existante de l'usine, qui n'a subi que des améliorations mineures. Ainsi, malgré des investissements relativement faibles, d'importants avantages financiers et environnementaux ont été obtenus.

« Lors de la modernisation de l'usine 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 de contrôle de processus optimaux, »
explique 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, ce qui a permis de prendre en compte les spécificités opérationnelles de l'installation au fil des saisons.

Les avantages les plus importants incluent les économies d'énergie résultant de la réduction de la consommation d'électricité. Il a également été possible d'améliorer la stabilité des processus dans la section biologique. De plus, les employés, s'appuyant sur les informations du système, participent désormais moins à la supervision des processus, ce qui leur permet d'utiliser leur temps de manière plus efficace.

Kazimierz Stachyra, Responsable, station d'épuration de Słupsk

Un autre avantage de la modernisation est l'amélioration largement perçue de la sécurité des processus mis en œuvre par l'installation. La solution mise en œuvre permet de créer une réserve de capacité de charge supplémentaire d'environ 20 000 PE (équivalent population). Cela permet à la station d'épuration d'accepter un plus grand volume d'eaux usées à traiter 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 en dessert aujourd'hui 350 000. Ce résultat a été obtenu, entre autres, grâce à la mise en œuvre de solutions d'optimisation. Nous sommes satisfaits de l'implication de DP System dans les travaux de mise en œuvre, ainsi que des performances du système. Les solutions appliquées s'avèrent efficaces à la fois dans le fonctionnement quotidien de notre usine de traitement et dans des situations critiques, telles que les périodes d'afflux important d'eaux usées à la suite de pluies, »
résume Kazimierz Stachyra de la station d'épuration de Słupsk.

Modernisation de la station d'épuration d'Iława

La station de traitement des eaux usées d'Iława est une autre installation où la solution MACS, qui fonctionne sur des appareils Siemens, a été mise en œuvre. Dans ce cas, la principale raison de la mise en œuvre était la nécessité de réduire la teneur en azote des eaux usées traitées. DP System a remporté l'appel d'offres et a commencé à travailler au remplacement des éléments de commande, des amortisseurs et des composants d'entraînement responsables de la régulation de la recirculation.

La modernisation a porté sur 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 entrant à un algorithme basé sur les niveaux de boues dans les clarificateurs secondaires. À la suite de ces modifications, il a été nécessaire d'automatiser les vannes 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 entrent dans la station d'épuration. Une charge plus difficile nécessite plus d'air et l'utilisation de souffleurs consommant beaucoup 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, en période de fonctionnement stable, nous observons une amélioration significative des performances et une augmentation de l'efficacité énergétique de l'installation. Le fait de contrôler les volets et d'éteindre les soufflantes au bon moment permet de réduire nettement la consommation d'électricité. Grâce à l'optimisation, nous sommes désormais en mesure d'utiliser pleinement les capacités du système de traitement des eaux usées. »
explique Krzysztof Draszewski, directeur adjoint de la station d'épuration d'Iława.

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

« Au lieu de régulateurs PID standard, nous avons mis en œuvre des solutions utilisant un modèle de processus et les prédictions qui en résultent, à savoir des algorithmes MPC (Model Predictive Control). Les points de fonctionnement de ce type de contrôleur sont bien 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 proposées par Siemens prennent non seulement en compte les vastes capacités du contrôle basé sur des modèles, mais prennent également en charge l'intelligence artificielle : l'apprentissage automatique (apprentissage profond). Tout cela permet d'améliorer l'efficacité des contrôles et offre de nouvelles opportunités d'optimiser la consommation d'énergie et d'améliorer les performances des processus, » souligne Michał Urliński de Siemens Polska.

La solution mise en œuvre permet de maximiser la quantité de biogaz obtenue lors des procédés chimiques. Un autre avantage du système MACS est la réduction du temps nécessaire à certaines tâches.

« À certains égards, il a été possible de réduire la main-d'œuvre. Cela s'applique, entre autres, au contrôle des clarificateurs secondaires qui, avant la modernisation, nécessitaient un réglage manuel des vannes pour réguler les niveaux de boues, alors qu'aujourd'hui ce processus est entièrement automatisé, »
note Krzysztof Draszewski.

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