CASESTUDIE

Optimalisering av kontroll av avløpsrenseanlegg

MACS-systemet, utviklet av DP System basert på Siemens teknologier, muliggjør energibesparelser og gir ekstra lastekapasitet for avløpsrenseanlegg. Løsningen implementert i Słupsk og Iława gjør det mulig å betjene et større antall innbyggere.

DP System har utviklet et verktøy som kombinerer teknologiske løsninger og programvareløsninger. Målet med MACS (Modelbased Advanced Control System) er å maksimere den teknologiske effektiviteten til avløpsrenseanlegg og redusere energiforbruket. Systemet kan operere i nesten alle renseanlegg utstyrt med automatiseringssystemer. Løsningen er allerede implementert blant annet i renseanlegg i Iława og Słupsk.

Modellbasert prediktiv kontroll

MACS er utviklet siden 2018 og er designet for å støtte driften av biologiske renseanlegg basert på integrerte fjerningssystemer for organiske forbindelser og næringsstoffer. Individuelle komponenter i løsningen optimaliserer ytelsen til teknologiske prosesser. En av nøkkelfunksjonene utføres av modulen som er ansvarlig for å kontrollere biologiske reaktorer.«

Et renseanlegg er nødvendig for å oppnå et rensenivå som oppfyller standardiserte parametere for nitrogen- og fosforinnhold. MACS-systemet optimaliserer renseprosessen for avløpsvann, noe som gjør det lettere å oppfylle miljøutslippskrav. De anvendte algoritmene sikrer at disse målene oppnås med minimalt energiforbruk. Systemet støtter også effektiv biomassehåndtering ved å optimalisere ekstern resirkulering og forhindrer overføring av aktivert slam til behandlet avløpsvann.»
sier Robert Wlaźlak, direktør for industriell automatiseringsavdeling i DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

MACS-systemet muliggjør maksimering av teknologisk effektivitet i renseanlegg og reduserer energiforbruket.

MACS-systemet er implementert blant annet ved avløpsrenseanlegget i Słupsk.

De implementerte teknologiene gjør det mulig å optimalisere mengden kjemikalier som brukes i behandlingsprosesser. Løsningen utviklet av DP System muliggjør også energibesparelser i de biokjemiske prosessene som utføres av renseanlegget.«

Biokjemiske reaksjoner i renseanlegg er blant de vanskeligste å kontrollere fordi de involverer levende organismer. Disse prosessene har også stor etterspørsel etter elektrisk energi,»
sier Adam Paczesny, kommersiell direktør for industriell automatiseringsavdeling i DP System.

Algoritmene og matematiske modellene til renseanlegget som brukes i MACS-løsningen muliggjør prediktiv styring - på forhånd - av miljøet for levende organismer som utfører behandlingsprosesser. Dette resulterer i økt effektivitet, spesielt når det gjelder energiforbruk. Denne tilnærmingen gjør det også mulig å optimalisere bruken av den eksisterende renseanleggsinfrastrukturen.

Modernisering av avløpsrenseanlegget

— Utgangspunktet for moderniseringsarbeidet var behovet for å oppfylle utslippsstandarder, noe som var knyttet til å redusere energiforbruket. Som et resultat av de implementerte endringene forbedret effektiviteten med 25 til 35%. Omtrent 14% av dette skyldtes forbedret kontroll, mens den gjenværende delen skyldtes å bytte ut blåsere med moderne, mer energieffektive enheter. Under normal drift oppnår anlegget 80% selvforsyning, men til tider når dette til og med 100%. Dette betyr at vi er energiuavhengige. Dette er et direkte resultat av implementeringen av DP System-løsningen,»
sier Kazimierz Stachyra, leder for avløpsrenseanlegget i Słupsk.

MACS-løsningen implementert i Słupsk brukes til å kontrollere lufting, intern og ekstern resirkulering, og for å regulere driften av viktige aktuatorer som blåsere og blandere. En koagulantdoseringsmodul er også implementert. En viktig rolle for å sikre effektiv drift av kontrollsystemet spilles av omfattende instrumentering av installasjonen.

«Effektiviteten til den anvendte kontrollen skyldes å kombinere inngående teknologisk kunnskap om renseanleggsprosesser, ekspertise innen automatiseringsprinsipper og prosjektering basert på matematiske modeller og prediktiv kontroll,»
sier Kazimierz Stachyra.

MACS-systemet brukes til å kontrollere lufting, intern og ekstern resirkulering, og for å regulere driften av aktuatorer som blåsere og blandere.

MACS ble designet ved hjelp av Siemens teknologi som kombinerer en tradisjonell PLS-kontroller med en industriell datamaskin.

Løsningen ble designet ved hjelp av Siemens teknologi som integrerer en tradisjonell PLS-kontroller med en industriell datamaskin. EN SIMATIC Box PC, sammen med kommunikasjonsmoduler, ble brukt til styring. Siemens industrielle PCer er preget av høy ytelse, et bredt driftstemperaturområde og motstand mot vibrasjoner, mens de opptar minimal plass i kontrollskapet. De er også designet for å fungere pålitelig under tøffe miljøforhold.

«Vi valgte en Siemens-løsning fordi den er en allsidig plattform som kombinerer mulighetene til en programmerbar logisk kontroller med en industriell datamaskin med høy ytelse. Denne datakraften er avgjørende for integrasjon med MATLAB-miljøet, som brukes til å implementere matematiske modeller, reprodusere de biokjemiske prosessene i renseanlegget og utføre beregninger for prosesskontroll. Denne tilnærmingen tillot oss å enkelt integrere optimaliseringslaget med kontrollsystemet i samme miljø,»
forklarer Robert Wlaźlak, direktør for industriell automatiseringsavdeling i DP System.

En kompakt industridatamaskin, SIMATIC Box PC, sammen med kommunikasjonsmoduler, brukes til å styre systemet.

Fordeler innen energieffektivitet

En betydelig fordel ved å implementere MACS-systemet er den bredt forståtte økningen i sikkerheten til prosessene som utføres av anlegget som bruker det.

Moderniseringen ble utført på en slik måte at det ikke var nødvendig å erstatte den eksisterende infrastrukturen til renseanlegget. De eksisterende måleenhetene, supplert med ytterligere manglende målinger, ble integrert og gir dataene som kreves for driften av MACS-systemet. Kontrollsignalene som genereres av DP System-løsningen utføres i sin tur av anleggets eksisterende styringsinfrastruktur, som bare gjennomgikk mindre oppgraderinger. Som et resultat, til tross for relativt lave investeringer, ble betydelige økonomiske og miljømessige fordeler oppnådd.

«Under moderniseringen av renseanlegget introduserte vi et ekstra kontrolllag på høyere nivå som fungerte som støtte for operatøren. Etter implementering velger og setter MACS-systemet automatisk optimale prosesskontrollparametere,»
sier Tomasz Chrześcijanek, prosjektleder i DP System.

Implementeringen av løsningen tok omtrent seks måneder, mens kalibreringen varte i omtrent ett år, noe som gjorde det mulig å vurdere anleggets driftsspesifikasjoner på tvers av ulike årstider.

De viktigste fordelene er energibesparelser som følge av redusert strømforbruk. Det har også vært mulig å øke stabiliteten til prosesser i den biologiske delen. I tillegg er ansatte, støttet av informasjon fra systemet, nå mindre involvert i prosesstilsyn, slik at tiden deres kan brukes mer effektivt.

Kazimierz Stachyra, Sjefen, renseanlegg i Słupsk

En annen fordel oppnådd gjennom moderniseringen er den bredt forståtte økningen i sikkerheten til prosessene som utføres av anlegget. Den implementerte løsningen gjør det mulig å oppnå en ekstra lastekapasitetsreserve på ca. 20.000 PE (populasjonsekvivalent). Dette gjør at renseanlegget kan ta imot et større volum avløpsvann for behandling ved bruk av den allerede eksisterende reaktoren.

Før moderniseringen var renseanlegget i stand til å ta imot avløpsvann fra 250 000 innbyggere, mens det nå betjener 350 000. Dette resultatet ble oppnådd blant annet takket være implementeringen av optimaliseringsløsninger. Vi er fornøyde med DP Systems engasjement i implementeringsarbeidet, samt med systemets ytelse. Løsningene som brukes viser seg å være effektive både i den daglige driften av renseanlegget vårt og i kritiske situasjoner, for eksempel perioder med kraftig tilstrømning av avløpsvann etter nedbør,»
oppsummerer Kazimierz Stachyra fra renseanlegget i Słupsk.

Modernisering av renseanlegg i Iława

Et annet anlegg der MACS-løsningen, som kjører på Siemens-enheter, er avløpsrenseanlegget i Iława. I dette tilfellet var den primære årsaken til implementeringen behovet for å redusere nitrogeninnholdet i behandlet avløpsvann. DP System vant anbudet og begynte arbeidet med utskifting av kontrollelementer, dempere, og drivkomponenter som er ansvarlige for resirkulasjonskontroll.

Moderniseringen dekket intern og ekstern resirkulering, luftingskontroll og dosering av PIX-koagulanter. Som en del av det ferdige arbeidet ble det eksterne resirkuleringssystemet endret fra en kontrollalgoritme basert på innkommende avløpsvolum til en basert på slamnivåer i sekundære klarere. Som et resultat av disse endringene var det nødvendig å automatisere utløpsportene installert i sekundære klargjørere. Moderniseringen førte til forbedret kvalitet på behandlet avløpsvann. Merkbare fordeler når det gjelder energibesparelser er også oppnådd.

Energiforbruket avhenger i stor grad av hvilken type avløpsvann som strømmer inn i renseanlegget. En vanskeligere belastning krever mer luft og bruk av blåsere som bruker betydelige mengder strøm. På grunn av variasjonen i innkommende avløpsvann med forskjellige konsentrasjoner, er det vanskelig å nøyaktig vurdere hvor energieffektiv den nye løsningen er. Under stabil drift observerer vi imidlertid en betydelig forbedring i ytelse og økt energieffektivitet av installasjonen. Kontroll av spjeld og avkobling av blåsere i de rette øyeblikkene gjør det mulig å redusere strømforbruket tydelig. Takket være optimalisering er vi nå i stand til å utnytte egenskapene til avløpsrensesystemet fullt ut,»
sier Krzysztof Draszewski, nestleder for avløpsrenseanlegget i Iława.

MACS-systemet har vært i bruk i Iława i flere år. I likhet med renseanlegget i Słupsk tok implementeringen omtrent seks måneder, etterfulgt av omtrent ett års tilpasning til anleggets spesifikke forhold. Over en årlig syklus ble alle sesongfenomener som kunne oppstå på anlegget analysert. For tiden muliggjør den anvendte løsningen energireduksjon på rundt 12%. Forbedret prosesseffektivitet betyr også høyere gjennomstrømning av hele anlegget og muligheten til å behandle større mengder avløpsvann.

«I stedet for standard PID-kontrollere implementerte vi løsninger ved hjelp av en prosessmodell og resulterende spådommer, dvs. MPC (Model Predictive Control) algoritmer. Driftspunktene for denne typen kontroller er mye nærmere teknologiske grenser, noe som automatisk betyr høyere prosesseffektivitet og forbedret anleggsgjennomstrømning,» forklarer Robert Wlaźlak fra DP System.

«Løsningene som leveres av Siemens tar ikke bare hensyn til de brede mulighetene til modellbasert kontroll, men tilbyr også støtte for kunstig intelligens: Machine Learning (Deep Learning). Alt dette muliggjør høyere kontrolleffektivitet og gir ytterligere muligheter til å optimalisere energiforbruket og oppnå bedre prosessytelse.» understreker Michał Urliński fra Siemens Polska.

Den implementerte løsningen gjør det lettere å maksimere mengden biogass oppnådd i kjemiske prosesser. En annen fordel med MACS-systemet er reduksjonen i tiden som kreves for visse oppgaver.

«I noen aspekter har det vært mulig å redusere arbeidsinnsatsen. Dette gjelder blant annet kontroll i sekundære klarere, som før modernisering krevde manuell justering av porter for å regulere slamnivået, mens denne prosessen nå er helautomatisert,»
bemerker Krzysztof Draszewski.

«MACS-systemet muliggjør kontinuerlig overvåking av måleenheter. Det tillater blant annet vurdering av påliteligheten til gjeldende målinger. Hvis systemet bestemmer at en gitt måling er upålitelig, informerer det brukeren og bytter til en alternativ måling eller baserer kontrollalgoritmen på historiske verdier,»
legger til Tomasz Chrześcijanek fra DP System.