CASE STUDY

Optymalizacja sterowania oczyszczalnią ścieków

Opracowany w oparciu o urządzenia Siemensa system MACS, autorstwa DP System, umożliwia uzyskanie oszczędności zużycia energii oraz zapewnia dodatkową rezerwę ładunkową oczyszczalni ścieków. Wdrożone w Słupsku i Iławie rozwiązanie pozwala obsłużyć większą liczbę mieszkańców.

Firma DP System opracowała narzędzie stanowiące połączenie rozwiązań technologicznych i programistycznych. Celem MACS (ang. Model-based Advanced Control System) jest maksymalizacja efektywności technologicznej oczyszczalni ścieków i redukcja zużywanej energii. System może działać w niemal każdej oczyszczalni posiadającej układy automatyki. Rozwiązanie zostało już wdrożone między innymi w oczyszczalniach ścieków w Iławie oraz w Słupsku.

Sterowanie w oparciu o model predykcyjny

Rozwijany od 2018 roku MACS przeznaczony jest do wspomagania pracy biologicznych oczyszczalni ścieków bazujących na systemach zintegrowanego usuwania związków organicznych i biogenów. Poszczególne elementy rozwiązania optymalizują pracę procesów technologicznych. Jedną z najważniejszych funkcji pełni moduł odpowiedzialny za sterowanie pracą reaktorów biologicznych.

„Oczyszczalnia ścieków ma za zadanie osiągnąć stopień oczyszczenia odpowiadający znormalizowanym parametrom w zakresie zawartości azotu i fosforu. System MACS optymalizuje proces oczyszczania ścieków przez co ułatwia dotrzymanie warunków środowiskowych odprowadzania ścieków oczyszczonych do środowiska. Zastosowane algorytmy sprawiają, że osiągnięcie tej wartości odbywa się przy minimalnych nakładach energetycznych. System wspiera także efektywne zarządzanie biomasą poprzez optymalizację recyrkulacji zewnętrznej. Zapobiega również wynoszeniu osadu czynnego do ścieków oczyszczonyc”
– mówi Robert Wlaźlak, dyrektor działu Automatyki Przemysłowej w DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

System MACS pozwala na maksymalizację efektywności technologicznej oczyszczalni ścieków i redukcję zużywanej energii.

System MACS wdrożony został, między innymi, w oczyszczalni ścieków w Słupsku.

Wdrożone technologie pozwalają na optymalizację ilości substancji chemicznych stosowanych w procesach oczyszczania. Stworzone przez DP System rozwiązanie umożliwia ponadto oszczędność energii wykorzystywanej w procesach biochemicznych realizowanych przez oczyszczalnię.

„Reakcje bio-chemiczne w oczyszczalni ścieków należą do jednych z trudniejszych do sterowania, ponieważ mamy w nich do czynienia z żywymi organizmami. Procesy te cechują się także dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną”
– mówi Adam Paczesny, dyrektor Działu Automatyki Przemysłowej ds. Handlowych w DP System.

Algorytmy i modele matematyczne oczyszczalni stosowane w rozwiązaniu MACS pozwalają w sposób predykcyjny, z wyprzedzeniem, zarządzać środowiskiem przeznaczonym dla organizmów żywych wykonujących pracę na ściekach. Skutkuje to wzrostem efektywności, zwłaszcza energetycznej, procesów oczyszczania. Podejście to pozwala także zoptymalizować wykorzystywaną posiadaną infrastrukturę oczyszczalni.

Modernizacja oczyszczalni ścieków w Słupsku

„Punktem wyjścia do prac modernizacyjnych była konieczność dotrzymania standardów emisyjnych, wiążących się z obniżeniem wydatków energetycznych. W efekcie wprowadzonych zmian poprawa efektywności wyniosła od 25 do 35%. 14% to efekt sprawniejszego sterowania, natomiast pozostała część jest skutkiem wymiany dmuchaw na nowoczesne, wydajniejsze energetycznie urządzenia. W normalnym działaniu oczyszczalnia uzyskuje poziom 80% pasywności, ale wartość ta momentami dochodzi nawet do 100%. Oznacza to, że jesteśmy niezależni energetycznie. Jest to bezpośredni efekt wdrożenia rozwiązania DP System”
– mówi Kazimierz Stachyra, kierownik oczyszczalni ścieków w Słupsku.

Zaimplementowane w Słupsku rozwiązanie MACS wykorzystywane jest do sterowania napowietrzaniem, recyrkulacją wewnętrzną i zewnętrzną oraz do regulacji pracy odpowiednich urządzeń wykonawczych: dmuchaw i mieszadeł. Wdrożony został także moduł dozowania koagulantu Istotną rolę w sprawnym funkcjonowaniu sterowania odegrało wszechstronne opomiarowanie instalacji.

Efektywność zastosowanego sterowania wynika z połączenia głębokiej wiedzy technologicznej o procesach oczyszczalni, znajomości zasad automatyki oraz inżynierii wykorzystującej modele matematyczne i sterowanie predykcyjne”
– mówi Kazimierz Stachyra.

System MACS wykorzystywany jest do sterowania napowietrzaniem, recyrkulacją wewnętrzną i zewnętrzną oraz do regulacji pracy urządzeń wykonawczych: dmuchaw i mieszadeł.

MACS zaprojektowano w technologii Siemensa łączącej tradycyjne urządzenie PLC z komputerem przemysłowym.

Rozwiązanie zostało zaprojektowane w technologii Siemensa integrującej tradycyjne urządzenie PLC z komputerem przemysłowym. Do sterowania wykorzystany został SIMATIC Box PC wraz z modułami służącymi do komunikacji. Komputery przemysłowe Siemensa cechują się wysoką wydajnością oraz szerokim zakresem temperatur pracy i odpornością na wstrząsy, zajmując przy tym niewiele miejsca w szafie. Są też przystosowane do pracy w trudnych warunkach środowiskowych.

„Wybraliśmy urządzenie Siemensa, ponieważ jest to rozwiązanie uniwersalne, łączące w sobie możliwości sterownika programowalnego oraz komputera przemysłowego o dużej mocy obliczeniowej, potrzebnej do współpracy ze środowiskiem MATLAB służącym do implementacji modeli matematycznych i pozwalającym odtworzyć procesy bio-chemiczne oczyszczalni oraz umożliwiającym wykonywanie obliczeń wykorzystywanych w sterowaniu procesami. Podejście to pozwoliło nam w łatwy sposób zintegrować warstwę optymalizacyjną z systemem sterowania w tym samym środowisku”
– objaśnia Robert Wlaźlak, dyrektor Działu Automatyki Przemysłowej w DP System.

Do sterowania systemem wykorzystywany jest kompaktowy komputer przemysłowy SIMATIC Box PC wraz z modułami służącymi do komunikacji.

Korzyści w obszarze energooszczędności i wydajności oczyszczalni

Istotną korzyścią z zastosowania systemu MACS jest szeroko rozumiany wzrost bezpieczeństwa procesów realizowanych przez korzystający z niego obiekt.

Modernizacja zrealizowana została w taki sposób, by wymiana istniejącej infrastruktury oczyszczalni nie była konieczna. Istniejące urządzenia pomiarowe uzupełnione o dodatkowe brakujące pomiary zostały zintegrowane i dostarczają danych niezbędnych do pracy systemu MACS. Z kolei sygnały sterujące, pochodzące z rozwiązania DP System, wykonywane są przez istniejącą infrastrukturę sterującą oczyszczalnią, która poddana została jedynie nieznacznej modernizacji. W efekcie, pomimo relatywnie niedużych inwestycji udało się uzyskać istotne korzyści finansowe i ekologiczne.

„Modernizując oczyszczalnię wprowadziliśmy dodatkową, nadrzędną warstwę sterowania, pełniącą rolę wsparcia dla operatora. Po wdrożeniu, system MACS dobiera i automatycznie ustawia optymalne wartości regulacji procesem”
– mówi Tomasz Chrześcijanek, kierownik projektu w DP System.

Wdrożenie rozwiązania zajęło około 6 miesięcy, natomiast około roku trwała jego kalibracja, pozwalająca uwzględnić specyfikę działania obiektu w poszczególnych sezonach.

Do najważniejszych korzyści należą oszczędności energetyczne związane z obniżeniem poboru energii elektrycznej. Udało się także zwiększyć stabilność procesów w części biologicznej. Ponadto, pracownicy wspierani informacją z systemu są obecnie mniej zaangażowani w nadzór nad procesami i ich czas może być lepiej spożytkowany.

Kazimierz Stachyra, kierownik, oczyszczalnia ścieków w Słupsku

Do korzyści osiągniętych dzięki modernizacji należy także szeroko rozumiany wzrost bezpieczeństwa procesów realizowanych przez obiekt. Zastosowane rozwiązanie umożliwia uzyskanie rezerwy ładunkowej o wartości około 20 tys. RLM (Równoważna Liczba Mieszkańców). Pozwala to oczyszczalni przyjmować większą ilość ścieków do przetworzenia przez już istniejący reaktor.

„Przed modernizacją oczyszczalnia pozwalała odbierać ścieki od 250 tys. mieszkańców, a obecnie jest to 350 tys. Wynik ten uzyskano m.in. dzięki zastosowaniu rozwiązań optymalizacyjnych. Jesteśmy zadowoleni z zaangażowania DP System w prace wdrożeniowe, jak również z działania systemu. Zastosowane rozwiązania sprawdzają się w zakresie bieżącego działania naszej oczyszczalni, a także w sytuacjach krytycznych, kiedy mamy do czynienia np. z dużym napływem ścieków w następstwie opadów atmosferycznych”
– podsumowuje Kazimierz Stachyra z oczyszczalni w Słupsku.

Korzyści z modernizacji oczyszczalni w Iławie

Innym zakładem, w którym wykorzystano pracujące na urządzeniach Siemensa rozwiązanie MACS jest Oczyszczalnia Ścieków w Iławie. Najważniejszym powodem wdrożenia była w tym przypadku konieczność ograniczenia zawartości azotu w oczyszczonych ściekach. DP System wygrał przetarg i przystąpił do prac polegających na wymianie elementów sterowania, przepustnic i komponentów napędowych sterujących recyrkulacją.

Modernizacji poddana została recyrkulacja wewnętrzna i zewnętrzna, sterowanie napowietrzaniem oraz dozowanie koagulantów PIX. W ramach zrealizowanych prac zmieniono system recyrkulacji zewnętrznej oparty wcześniej o algorytm sterujący uwzgledniający ilość napływających ścieków na algorytm bazujący na poziomie osadu w osadnikach wtórnych. W wyniku tych zmian konieczna była automatyzacja zasuw odpływowych zainstalowanych na osadnikach wtórnych. Dzięki przeprowadzonej modernizacji udało się uzyskać poprawę jakości ścieków oczyszczonych. Odczuwalne są także korzyści związane z oszczędnością energii.

„Zużycie energii w dużej mierze zależy od tego jakie ścieki dopływają na oczyszczalnię. Trudniejszy w oczyszczeniu ładunek wymaga większej ilości powietrza i użycia dmuchaw zużywających znaczące ilości energii elektrycznej. W efekcie zmienności dopływających ścieków o różnych stężeniach ciężko jest ocenić na ile energooszczędne jest nowe rozwiązanie. W trakcie stabilnej pracy widzimy jednak znaczącą poprawę wydajności i wzrost energooszczędności instalacji. Sterowanie przepustnicami i wyłączanie dmuchawy we właściwych momentach pozwala zauważalnie zmniejszyć zużycie energii elektrycznej. Po zastosowaniu optymalizacji jesteśmy w stanie w pełni wykorzystać możliwości układu oczyszczania ścieków”
– ocenia Krzysztof Draszewski, zastępca kierownika oczyszczalni ścieków w Iławie.

System MACS użytkowany jest w Iławie już od kilku lat. Podobnie jak w oczyszczalni ścieków w Słupsku jego wdrożenie zajęło około 6 miesięcy, a następnie około roku trwała adaptacja rozwiązania do specyfiki obiektu w Iławie. W cyklu rocznym badane były wszystkie sezonowe zjawiska, które mogły występować na obiekcie. Obecnie wykorzystywane rozwiązanie pozwala uzyskać redukcję energii na poziomie 12%. Zwiększenie efektywności procesów oczyszczania oznacza także wyższą przepustowość całego zakładu i możliwość przetworzenia większej ilości ścieków.

„Zamiast standardowych regulatorów PID zastosowaliśmy rozwiązania wykorzystujące model i wynikającą z niego predykcję, czyli algorytmy MPC (Model Predictive Control). Punkty pracy dla tego typu regulatorów znajdują się znacznie bliżej możliwości technologicznych, co automatycznie oznacza wyższą efektywność procesów i poprawę przepustowości oczyszczalni”
– wyjaśnia Robert Wlaźlak z DP System.

„Dostarczane przez Siemens rozwiązania nie tylko uwzględniają wszechstronne możliwości sterowania opartego na modelu, ale oferują także wsparcie dla sztucznej inteligencji: Machine Learning (Deep Learning). Wszystko to pozwala na uzyskanie wyższej efektywności sterowania, dając dodatkowe możliwości optymalizacji zużycia energii i osiągania wyższej wydajności procesów”
– podkreśla Michał Urliński z Siemens Polska.

Zastosowane rozwiązanie ułatwia maksymalizację ilości pozyskiwanego w procesach chemicznych biogazu. Do korzyści wynikających z zastosowania systemu MACS należy także ograniczenie czasochłonności części zadań.

„W niektórych aspektach udało się zmniejszyć nakłady pracy. Dotyczy to m.in. regulacji na osadnikach wtórnych, które przed modernizacją wymagały ręcznego ustawienia zasuw w celu wysterowania poziomu osadu, natomiast obecnie odbywa się to już w pełni automatycznie”
– zauważa Krzysztof Draszewski.

„System MACS pozwala na stałą kontrolę działania urządzeń pomiarowych. Umożliwia m.in. ocenę wiarygodności bieżącego pomiaru. Jeżeli system uzna, że dany pomiar jest niemiarodajny, wówczas informuje o tym użytkownika i przełącza się na pomiar alternatywny lub algorytm kieruje się wartościami historycznymi”
– dodaje Tomasz Chrześcijanek z DP System.