CASO STUDIO

Ottimizzazione del controllo degli impianti di trattamento delle acque reflue

Il sistema MACS, sviluppato da DP System sulla base delle tecnologie Siemens, consente risparmi energetici e fornisce una capacità di carico aggiuntiva per gli impianti di trattamento delle acque reflue. La soluzione implementata a Słupsk e Iława consente di servire un numero maggiore di residenti.

DP System ha sviluppato uno strumento che combina soluzioni tecnologiche e software. L'obiettivo del MACS (Model-based Advanced Control System) è massimizzare l'efficienza tecnologica degli impianti di trattamento delle acque reflue e ridurre il consumo di energia. Il sistema può funzionare in quasi tutti gli impianti di trattamento dotati di sistemi di automazione. La soluzione è già stata implementata, tra l'altro, negli impianti di trattamento delle acque reflue di Iława e Słupsk.

Controllo predittivo basato su modelli

Sviluppato dal 2018, MACS è progettato per supportare il funzionamento degli impianti di trattamento biologico delle acque reflue basati su sistemi integrati di rimozione di composti organici e nutrienti. I singoli componenti della soluzione ottimizzano le prestazioni dei processi tecnologici. Una delle funzioni chiave è svolta dal modulo responsabile del controllo dei reattori biologici.«

È necessario un impianto di trattamento delle acque reflue per raggiungere un livello di purificazione che soddisfi i parametri standardizzati per il contenuto di azoto e fosforo. Il sistema MACS ottimizza il processo di trattamento delle acque reflue, rendendo più facile soddisfare i requisiti di scarico ambientali. Gli algoritmi applicati assicurano che questi obiettivi siano raggiunti con un consumo energetico minimo. Il sistema supporta anche una gestione efficiente della biomassa ottimizzando il ricircolo esterno e previene il riporto di fanghi attivi nelle acque reflue trattate»,
afferma Robert Wlaźlak, direttore del dipartimento di automazione industriale di DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Il sistema MACS consente la massimizzazione dell'efficienza tecnologica negli impianti di trattamento delle acque reflue riducendo al contempo il consumo di energia.

Il sistema MACS è stato implementato, tra gli altri, presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Słupsk.

Le tecnologie implementate consentono di ottimizzare la quantità di sostanze chimiche utilizzate nei processi di trattamento. La soluzione sviluppata da DP System consente anche risparmi energetici nei processi biochimici effettuati dall'impianto di trattamento.«

Le reazioni biochimiche negli impianti di trattamento delle acque reflue sono tra le più difficili da controllare perché coinvolgono organismi viventi. Questi processi hanno anche una forte domanda di energia elettrica»
afferma Adam Paczesny, direttore commerciale del dipartimento di automazione industriale di DP System.

Gli algoritmi e i modelli matematici dell'impianto di trattamento utilizzati nella soluzione MACS consentono una gestione predittiva, agendo in anticipo, dell'ambiente per gli organismi viventi che eseguono i processi di trattamento. Ciò si traduce in una maggiore efficienza, in particolare in termini di consumo energetico. Questo approccio consente anche di ottimizzare l'uso dell'infrastruttura esistente dell'impianto di trattamento.

Modernizzazione dell'impianto di trattamento delle acque reflue

«Il punto di partenza per i lavori di modernizzazione è stata la necessità di soddisfare gli standard di emissione, legati alla riduzione della spesa energetica. Come risultato delle modifiche implementate, l'efficienza è migliorata dal 25 al 35%. Circa il 14% di ciò è dovuto a un migliore controllo, mentre la parte restante è dovuta alla sostituzione dei ventilatori con unità moderne e più efficienti dal punto di vista energetico. In condizioni normali, l'impianto raggiunge un livello di autosufficienza dell'80%, ma a volte arriva anche al 100%. Ciò significa che siamo indipendenti dal punto di vista energetico. Questo è il risultato diretto dell'implementazione della soluzione DP System»,
afferma Kazimierz Stachyra, direttore dell'impianto di trattamento delle acque reflue di Słupsk.

La soluzione MACS implementata a Słupsk viene utilizzata per controllare l'aerazione, il ricircolo interno ed esterno e per regolare il funzionamento di attuatori chiave come soffianti e miscelatori. È stato inoltre implementato un modulo di dosaggio dei coagulanti. Un ruolo essenziale nel garantire il funzionamento efficiente del sistema di controllo è svolto dalla strumentazione completa dell'impianto.

«L'efficacia del controllo applicato deriva dalla combinazione di una conoscenza tecnologica approfondita dei processi degli impianti di trattamento, esperienza nei principi di automazione e ingegneria basata su modelli matematici e controllo predittivo»,
dice Kazimierz Stachyra.

Il sistema MACS viene utilizzato per controllare l'aerazione, il ricircolo interno ed esterno e per regolare il funzionamento di attuatori come soffianti e miscelatori.

MACS è stato progettato utilizzando la tecnologia Siemens che combina un controller PLC tradizionale con un computer industriale.

La soluzione è stata progettata utilizzando la tecnologia Siemens che integra un controller PLC tradizionale con un computer industriale. A SIMATIC Box PC, insieme ai moduli di comunicazione, è stato utilizzato per il controllo. I PC industriali Siemens sono caratterizzati da alte prestazioni, un ampio intervallo di temperature operative e resistenza alle vibrazioni, pur occupando uno spazio minimo nel quadro elettrico. Sono inoltre progettati per funzionare in modo affidabile in condizioni ambientali difficili.

«Abbiamo scelto una soluzione Siemens perché è una piattaforma versatile che combina le funzionalità di un controllore logico programmabile con un computer industriale ad alte prestazioni. Questa potenza di calcolo è essenziale per l'integrazione con l'ambiente MATLAB, utilizzato per implementare modelli matematici, riprodurre i processi biochimici dell'impianto di trattamento ed eseguire calcoli per il controllo dei processi. Questo approccio ci ha permesso di integrare facilmente il livello di ottimizzazione con il sistema di controllo all'interno dello stesso ambiente»,
spiega Robert Wlaźlak, direttore del dipartimento di automazione industriale di DP System.

Un computer industriale compatto, il SIMATIC Box PC, insieme ai moduli di comunicazione, viene utilizzato per controllare il sistema.

Vantaggi nel campo dell'efficienza energetica

Un vantaggio significativo dell'implementazione del sistema MACS è l'aumento, ampiamente riconosciuto, della sicurezza dei processi eseguiti dalla struttura che lo utilizza.

La modernizzazione è stata effettuata in modo tale che non fosse necessaria la sostituzione dell'infrastruttura esistente dell'impianto di trattamento. I dispositivi di misurazione esistenti, integrati con ulteriori misurazioni mancanti, sono stati integrati e forniscono i dati necessari per il funzionamento del sistema MACS. A loro volta, i segnali di controllo generati dalla soluzione DP System vengono eseguiti dall'infrastruttura di controllo esistente dell'impianto, che ha subito solo piccoli aggiornamenti. Di conseguenza, nonostante gli investimenti relativamente bassi, sono stati ottenuti significativi vantaggi finanziari e ambientali.

«Durante la modernizzazione dell'impianto di trattamento, abbiamo introdotto un ulteriore livello di controllo di livello superiore che funge da supporto per l'operatore. Dopo l'implementazione, il sistema MACS seleziona e imposta automaticamente i parametri di controllo del processo ottimali»,
afferma Tomasz Chrześcijanek, Project Manager presso DP System.

L'implementazione della soluzione ha richiesto circa sei mesi, mentre la sua calibrazione è durata circa un anno, consentendo di prendere in considerazione le specifiche operative della struttura nelle diverse stagioni.

I vantaggi più importanti includono il risparmio energetico derivante dalla riduzione del consumo di elettricità. È stato anche possibile aumentare la stabilità dei processi nella sezione biologica. Inoltre, i dipendenti, supportati dalle informazioni del sistema, sono ora meno coinvolti nella supervisione dei processi, il che consente di utilizzare il loro tempo in modo più efficace.

Kazimierz Stachyra, Manager, impianto di trattamento delle acque reflue a Słupsk

Un altro vantaggio ottenuto attraverso la modernizzazione è l'aumento, ampiamente noto, della sicurezza dei processi eseguiti dalla struttura. La soluzione implementata consente di ottenere una riserva di capacità di carico aggiuntiva di circa 20.000 PE (popolazione equivalente). Ciò consente all'impianto di trattamento di accettare un volume maggiore di acque reflue per il trattamento utilizzando il reattore già esistente.

«Prima della modernizzazione, l'impianto di trattamento era in grado di ricevere acque reflue da 250.000 abitanti, mentre ora ne serve 350.000. Questo risultato è stato raggiunto, tra le altre cose, grazie all'implementazione di soluzioni di ottimizzazione. Siamo soddisfatti del coinvolgimento di DP System nel lavoro di implementazione e delle prestazioni del sistema. Le soluzioni applicate si dimostrano efficaci sia nel funzionamento quotidiano del nostro impianto di trattamento che in situazioni critiche, come i periodi di forte afflusso di acque reflue a seguito di precipitazioni»,
riassume Kazimierz Stachyra dell'impianto di trattamento di Słupsk.

Modernizzazione dell'impianto di trattamento delle acque reflue a Ilawa

Un'altra struttura in cui è stata implementata la soluzione MACS, che funziona su dispositivi Siemens, è l'impianto di trattamento delle acque reflue di Iława. In questo caso, il motivo principale dell'implementazione era la necessità di ridurre il contenuto di azoto nelle acque reflue trattate. DP System ha vinto la gara e ha iniziato i lavori per la sostituzione degli elementi di controllo, degli ammortizzatori e dei componenti di trasmissione responsabili del controllo del ricircolo.

La modernizzazione riguardava il ricircolo interno ed esterno, il controllo dell'aerazione e il dosaggio dei coagulanti PIX. Come parte del lavoro completato, il sistema di ricircolo esterno è stato modificato da un algoritmo di controllo basato sul volume delle acque reflue in ingresso a uno basato sui livelli di fanghi nei chiarificatori secondari. A seguito di queste modifiche, è stato necessario automatizzare i cancelli di uscita installati nei chiarificatori secondari. La modernizzazione ha portato a una migliore qualità delle acque reflue trattate. Sono stati ottenuti anche notevoli vantaggi in termini di risparmio energetico.

«Il consumo di energia dipende in larga misura dal tipo di acque reflue che fluiscono nell'impianto di trattamento. Un carico più difficile richiede più aria e l'uso di soffianti che consumano quantità significative di elettricità. A causa della variabilità delle acque reflue in ingresso con diverse concentrazioni, è difficile valutare con precisione l'efficienza energetica della nuova soluzione. Tuttavia, durante il funzionamento stabile osserviamo un significativo miglioramento delle prestazioni e una maggiore efficienza energetica dell'impianto. Il controllo delle serrande e lo spegnimento dei ventilatori nei momenti giusti consente di ridurre chiaramente il consumo di elettricità. Grazie all'ottimizzazione, ora siamo in grado di utilizzare appieno le funzionalità del sistema di trattamento delle acque reflue»,
afferma Krzysztof Draszewski, vicedirettore dell'impianto di trattamento delle acque reflue di Ilawa.

Il sistema MACS è in uso a Ilawa da diversi anni. Analogamente all'impianto di trattamento di Słupsk, la sua implementazione ha richiesto circa sei mesi, seguiti da circa un anno di adattamento alle condizioni specifiche dell'impianto. Nel corso di un ciclo annuale, sono stati analizzati tutti i fenomeni stagionali che potevano verificarsi nella struttura. Attualmente, la soluzione applicata consente una riduzione dell'energia di circa il 12%. Una migliore efficienza dei processi significa anche una maggiore produttività dell'intero impianto e la capacità di trattare maggiori volumi di acque reflue.

«Invece dei controller PID standard, abbiamo implementato soluzioni utilizzando un modello di processo e le previsioni risultanti, ad esempio algoritmi MPC (Model Predictive Control). I punti operativi di questo tipo di controller sono molto più vicini ai limiti tecnologici, il che si traduce automaticamente in una maggiore efficienza del processo e una migliore produttività dell'impianto», spiega Robert Wlaźlak di DP System.

«Le soluzioni fornite da Siemens non solo tengono conto delle ampie capacità del controllo basato su modelli, ma offrono anche supporto per l'intelligenza artificiale: Machine Learning (Deep Learning). Tutto ciò consente una maggiore efficienza di controllo e offre ulteriori opportunità per ottimizzare il consumo di energia e ottenere migliori prestazioni di processo», sottolinea Michał Urliński di Siemens Polska.

La soluzione implementata facilita la massimizzazione della quantità di biogas ottenuta nei processi chimici. Un altro vantaggio del sistema MACS è la riduzione del tempo necessario per determinate attività.

«In alcuni aspetti, è stato possibile ridurre l'input di manodopera. Questo vale, tra le altre cose, per il controllo nei chiarificatori secondari, che prima della modernizzazione richiedeva la regolazione manuale dei cancelli per regolare i livelli dei fanghi, mentre ora questo processo è completamente automatizzato»,
nota Krzysztof Draszewski.

«Il sistema MACS consente il monitoraggio continuo dei dispositivi di misurazione. Consente, tra le altre cose, di valutare l'affidabilità delle misurazioni attuali. Se il sistema determina che una determinata misurazione non è affidabile, informa l'utente e passa a una misurazione alternativa o basa l'algoritmo di controllo su valori storici»,
aggiunge Tomasz Chrześcijanek di DP System.