CASESTUDIE

Optimalisatie van de besturing van afvalwaterzuiveringsinstallaties

Het MACS-systeem, ontwikkeld door DP System op basis van Siemens-technologieën, maakt energiebesparingen mogelijk en zorgt voor extra laadvermogen voor afvalwaterzuiveringsinstallaties. De oplossing die in Słupsk en Iława is geïmplementeerd, maakt het mogelijk een groter aantal inwoners te bedienen.

DP System heeft een tool ontwikkeld die technologische en softwareoplossingen combineert. Het doel van MACS (Model-based Advanced Control System) is om de technologische efficiëntie van afvalwaterzuiveringsinstallaties te maximaliseren en het energieverbruik te verminderen. Het systeem kan worden gebruikt in bijna elke zuiveringsinstallatie die is uitgerust met automatiseringssystemen. De oplossing is al geïmplementeerd, onder andere, in afvalwaterzuiveringsinstallaties in Iława en Słupsk.

Voorspellende controle op basis van modellen

MACS is ontwikkeld sinds 2018 en is ontworpen ter ondersteuning van de werking van biologische afvalwaterzuiveringsinstallaties op basis van geïntegreerde verwijderingssystemen voor organische verbindingen en voedingsstoffen. Afzonderlijke componenten van de oplossing optimaliseren de prestaties van technologische processen. Een van de belangrijkste functies wordt uitgevoerd door de module die verantwoordelijk is voor de controle van biologische reactoren.„

Een afvalwaterzuiveringsinstallatie is nodig om een zuiveringsniveau te bereiken dat voldoet aan de gestandaardiseerde parameters voor het stikstof- en fosforgehalte. Het MACS-systeem optimaliseert het afvalwaterzuiveringsproces, waardoor het eenvoudiger wordt om te voldoen aan de vereisten voor milieulozingen. De toegepaste algoritmen zorgen ervoor dat deze doelen worden bereikt met een minimaal energieverbruik. Het systeem ondersteunt ook een efficiënt beheer van biomassa door de externe recirculatie te optimaliseren en voorkomt de overdracht van actief slib naar gezuiverd afvalwater,”
zegt Robert Wlaźlak, directeur van de afdeling Industriële Automatisering van DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Het MACS-systeem maakt het mogelijk de technologische efficiëntie in afvalwaterzuiveringsinstallaties te maximaliseren en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen.

Het MACS-systeem is onder andere geïmplementeerd in de afvalwaterzuiveringsinstallatie in Słupsk.

De geïmplementeerde technologieën maken het mogelijk om de hoeveelheid chemicaliën die in behandelingsprocessen wordt gebruikt, te optimaliseren. De door DP System ontwikkelde oplossing maakt ook energiebesparingen mogelijk in de biochemische processen die door de zuiveringsinstallatie worden uitgevoerd.„

Biochemische reacties in afvalwaterzuiveringsinstallaties behoren tot de moeilijkst te beheersen omdat er levende organismen bij betrokken zijn. Voor deze processen is ook een grote vraag naar elektrische energie,”
zegt Adam Paczesny, commercieel directeur van de afdeling industriële automatisering van DP System.

De algoritmen en wiskundige modellen van de zuiveringsinstallatie die in de MACS-oplossing worden gebruikt, maken een voorspellend beheer van de omgeving mogelijk, van tevoren, van de omgeving voor de levende organismen die behandelingsprocessen uitvoeren. Dit resulteert in een hogere efficiëntie, met name op het gebied van energieverbruik. Deze aanpak maakt het ook mogelijk om het gebruik van de bestaande infrastructuur van de zuiveringsinstallatie te optimaliseren.

Modernisering van de afvalwaterzuiveringsinstallatie

„Het uitgangspunt voor de moderniseringswerkzaamheden was de noodzaak om te voldoen aan de emissienormen, die verband hielden met het verlagen van het energieverbruik. Als gevolg van de doorgevoerde wijzigingen verbeterde de efficiëntie met 25 tot 35%. Ongeveer 14% hiervan was te danken aan een betere regeling, terwijl het resterende deel het gevolg was van de vervanging van blowers door moderne, energiezuinigere eenheden. Bij normaal gebruik bereikt de installatie een zelfvoorzieningsniveau van 80%, maar soms zelfs 100%. Dit betekent dat we energieonafhankelijk zijn. Dit is een rechtstreeks gevolg van de implementatie van de DP-systeemoplossing,”
zegt Kazimierz Stachyra, manager van de afvalwaterzuiveringsinstallatie in Słupsk.

De MACS-oplossing die in Słupsk is geïmplementeerd, wordt gebruikt om de beluchting, interne en externe recirculatie te regelen en om de werking van belangrijke actuatoren zoals blowers en mixers te regelen. Er is ook een doseringsmodule voor stollingsmiddelen geïmplementeerd. Een uitgebreide instrumentatie van de installatie speelt een essentiële rol bij het waarborgen van de efficiënte werking van het besturingssysteem.

„De effectiviteit van de toegepaste besturing is het resultaat van een combinatie van diepgaande technologische kennis van processen in zuiveringsinstallaties, expertise op het gebied van automatiseringsprincipes en engineering op basis van wiskundige modellen en voorspellende besturing,”
zegt Kazimierz Stachyra.

Het MACS-systeem wordt gebruikt om de beluchting, interne en externe recirculatie te regelen en om de werking van actuatoren zoals blowers en mixers te regelen.

MACS is ontworpen met behulp van Siemens-technologie die een traditionele PLC-controller combineert met een industriële computer.

De oplossing is ontworpen met behulp van Siemens-technologie die een traditionele PLC-controller integreert met een industriële computer. EEN SIMATIC Box PCwerd, samen met communicatiemodules, gebruikt voor de besturing. Industriële pc's van Siemens worden gekenmerkt door hoge prestaties, een breed bedrijfstemperatuurbereik en weerstand tegen trillingen, terwijl ze minimale ruimte innemen in de schakelkast. Ze zijn ook ontworpen om betrouwbaar te werken onder zware omgevingsomstandigheden.

„We hebben voor een oplossing van Siemens gekozen omdat het een veelzijdig platform is dat de mogelijkheden van een programmeerbare logische controller combineert met een krachtige industriële computer. Deze rekenkracht is essentieel voor integratie met de MATLAB-omgeving, die wordt gebruikt om wiskundige modellen te implementeren, de biochemische processen van de zuiveringsinstallatie te reproduceren en berekeningen uit te voeren voor procescontrole. Dankzij deze aanpak konden we de optimalisatielaag eenvoudig integreren met het besturingssysteem binnen dezelfde omgeving,”
legt Robert Wlaźlak uit, directeur van de afdeling Industriële Automatisering van DP System.

Een compacte industriële computer, de SIMATIC Box PC, wordt samen met communicatiemodules gebruikt om het systeem te besturen.

Voordelen op het gebied van energie-efficiëntie

Een belangrijk voordeel van de implementatie van het MACS-systeem is de algemeen aanvaarde verhoging van de veiligheid van de processen die worden uitgevoerd door de faciliteit die het gebruikt.

De modernisering werd zodanig uitgevoerd dat vervanging van de bestaande infrastructuur van de zuiveringsinstallatie niet nodig was. De bestaande meetinstrumenten, aangevuld met aanvullende ontbrekende metingen, werden geïntegreerd en leveren de gegevens die nodig zijn voor de werking van het MACS-systeem. De besturingssignalen die door de DP-systeemoplossing worden gegenereerd, worden op hun beurt uitgevoerd door de bestaande besturingsinfrastructuur van de fabriek, die slechts kleine upgrades heeft ondergaan. Als gevolg hiervan werden, ondanks relatief lage investeringen, aanzienlijke financiële en milieuvoordelen behaald.

„Tijdens de modernisering van de zuiveringsinstallatie hebben we een extra, hoger niveau van de controlelaag geïntroduceerd die als ondersteuning voor de operator diende. Na de implementatie selecteert het MACS-systeem de optimale procesbesturingsparameters en stelt deze automatisch in,”
zegt Tomasz Chrześcijanek, projectmanager bij DP System.

De implementatie van de oplossing duurde ongeveer zes maanden, terwijl de kalibratie ongeveer een jaar duurde, waarbij rekening kon worden gehouden met de operationele specificaties van de faciliteit voor verschillende seizoenen.

De belangrijkste voordelen zijn onder meer energiebesparingen als gevolg van een lager elektriciteitsverbruik. Het was ook mogelijk om de stabiliteit van processen in het biologische gedeelte te verhogen. Bovendien zijn werknemers, ondersteund door informatie uit het systeem, nu minder betrokken bij procestoezicht, waardoor hun tijd effectiever kan worden besteed.

Kazimierz Stachyra, Manager, afvalwaterzuiveringsinstallatie in Słupsk

Een ander voordeel van de modernisering is de algemeen aanvaarde verhoging van de veiligheid van de processen die door de faciliteit worden uitgevoerd. De geïmplementeerde oplossing maakt het mogelijk om een extra laadcapaciteitsreserve van ongeveer 20.000 PE (populatie-equivalent) te realiseren. Hierdoor kan de zuiveringsinstallatie een grotere hoeveelheid afvalwater opnemen voor verwerking met behulp van de reeds bestaande reactor.

„Vóór de modernisering kon de zuiveringsinstallatie afvalwater van 250.000 inwoners ontvangen, terwijl ze nu 350.000 bedient. Dit resultaat werd onder andere bereikt dankzij de implementatie van optimalisatieoplossingen. We zijn tevreden over de betrokkenheid van DP System bij de implementatiewerkzaamheden en over de prestaties van het systeem. De toegepaste oplossingen blijken effectief te zijn, zowel in de dagelijkse werking van onze zuiveringsinstallatie als in kritieke situaties, zoals periodes van grote instroom van afvalwater na regenval,”
vat Kazimierz Stachyra van de zuiveringsinstallatie in Słupsk samen.

Modernisering van de afvalwaterzuiveringsinstallatie in Iława

Een andere faciliteit waar de MACS-oplossing, die draait op Siemens-apparaten, is de afvalwaterzuiveringsinstallatie in Iława. In dit geval was de belangrijkste reden voor de implementatie de noodzaak om het stikstofgehalte in gezuiverd afvalwater te verlagen. DP System won de aanbesteding en begon met de vervanging van bedieningselementen, dempers en aandrijfcomponenten die verantwoordelijk zijn voor de recirculatieregeling.

De modernisering had betrekking op interne en externe recirculatie, regeling van de beluchting en de dosering van PIX-coagulanten. Als onderdeel van de voltooide werkzaamheden werd het externe recirculatiesysteem gewijzigd van een regelalgoritme op basis van het binnenkomende afvalwatervolume naar een algoritme dat gebaseerd was op slibniveaus in secundaire zuiveraars. Als gevolg van deze wijzigingen was het noodzakelijk om de uitlaatpoorten die in de secundaire zuiveraars waren geïnstalleerd, te automatiseren. De modernisering leidde tot een betere kwaliteit van gezuiverd afvalwater. Er zijn ook merkbare voordelen geboekt op het gebied van energiebesparingen.

„Het energieverbruik hangt grotendeels af van het soort afvalwater dat naar de zuiveringsinstallatie stroomt. Een moeilijkere belasting vereist meer lucht en het gebruik van blowers die aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit verbruiken. Vanwege de variabiliteit van binnenkomend afvalwater met verschillende concentraties is het moeilijk om precies in te schatten hoe energiezuinig de nieuwe oplossing is. Tijdens een stabiele werking zien we echter een aanzienlijke verbetering van de prestaties en een verhoogde energie-efficiëntie van de installatie. Door de dempers te bedienen en de ventilatoren op het juiste moment uit te schakelen, kan het elektriciteitsverbruik duidelijk worden verlaagd. Dankzij de optimalisatie zijn we nu in staat om de mogelijkheden van het afvalwaterbehandelingssysteem volledig te benutten,”
zegt Krzysztof Draszewski, plaatsvervangend hoofd van de afvalwaterzuiveringsinstallatie in Iława.

Het MACS-systeem wordt in Iława al enkele jaren gebruikt. Net als bij de zuiveringsinstallatie in Słupsk duurde de implementatie ongeveer zes maanden, gevolgd door ongeveer een jaar aanpassing aan de specifieke omstandigheden van de faciliteit. Gedurende een jaarlijkse cyclus werden alle seizoensverschijnselen geanalyseerd die zich in de faciliteit konden voordoen. Momenteel maakt de toegepaste oplossing een energiereductie van ongeveer 12% mogelijk. Verbeterde procesefficiëntie betekent ook een hogere verwerkingscapaciteit van de hele installatie en de mogelijkheid om grotere hoeveelheden afvalwater te verwerken.

„In plaats van standaard PID-controllers hebben we oplossingen geïmplementeerd op basis van een procesmodel en de daaruit voortvloeiende voorspellingen, d.w.z. MPC-algoritmen (Model Predictive Control). De bedieningspunten voor dit type controller liggen veel dichter bij de technologische limieten, wat zich automatisch vertaalt in een hogere procesefficiëntie en een betere verwerkingscapaciteit van de installatie,” legt Robert Wlaźlak van DP System uit.

„De oplossingen van Siemens houden niet alleen rekening met de brede mogelijkheden van modelgebaseerde besturing, maar bieden ook ondersteuning voor kunstmatige intelligentie: Machine Learning (Deep Learning). Dit alles maakt een hogere controle-efficiëntie mogelijk en biedt extra mogelijkheden om het energieverbruik te optimaliseren en betere procesprestaties te bereiken,” benadrukt Michał Urliński van Siemens Polska.

De geïmplementeerde oplossing maakt het mogelijk om de hoeveelheid biogas die wordt verkregen in chemische processen te maximaliseren. Een ander voordeel van het MACS-systeem is de verkorting van de tijd die nodig is voor bepaalde taken.

„In sommige opzichten was het mogelijk om de arbeidsinput te verminderen. Dit geldt onder andere voor de regeling in secundaire zuiveringssystemen, waarvoor vóór de modernisering de poorten handmatig moesten worden aangepast om het slibgehalte te regelen, terwijl dit proces nu volledig geautomatiseerd is,”
merkt Krzysztof Draszewski op.

„Het MACS-systeem maakt continue bewaking van meetapparatuur mogelijk. Hiermee kan onder andere de betrouwbaarheid van de huidige metingen worden beoordeeld. Als het systeem vaststelt dat een bepaalde meting onbetrouwbaar is, informeert het de gebruiker en schakelt het over op een alternatieve meting of baseert het het besturingsalgoritme op historische waarden,”
vult Tomasz Chrześcijanek van DP System aan.