ESTUDO DE CASO

Otimização do controle da estação de tratamento de águas residuais

O sistema MACS, desenvolvido pela DP System com base nas tecnologias da Siemens, permite economia de energia e fornece capacidade de carga adicional para estações de tratamento de águas residuais. A solução implementada em Słupsk e Iława permite atender a um número maior de residentes.

A DP System desenvolveu uma ferramenta que combina soluções tecnológicas e de software. O objetivo do MACS (Sistema de Controle Avançado Baseado em Modelos) é maximizar a eficiência tecnológica das estações de tratamento de águas residuais e reduzir o consumo de energia. O sistema pode operar em praticamente qualquer estação de tratamento equipada com sistemas de automação. A solução já foi implementada, entre outras, em estações de tratamento de águas residuais em Iława e Słupsk.

Controle preditivo baseado em modelos

Desenvolvido desde 2018, o MACS foi projetado para apoiar a operação de estações biológicas de tratamento de águas residuais com base em sistemas integrados de remoção de compostos orgânicos e nutrientes. Os componentes individuais da solução otimizam o desempenho dos processos tecnológicos. Uma das principais funções é realizada pelo módulo responsável pelo controle dos reatores biológicos.“

É necessária uma estação de tratamento de águas residuais para atingir um nível de purificação que atenda aos parâmetros padronizados de teor de nitrogênio e fósforo. O sistema MACS otimiza o processo de tratamento de águas residuais, facilitando o atendimento aos requisitos de descarga ambiental. Os algoritmos aplicados garantem que essas metas sejam alcançadas com um consumo mínimo de energia. O sistema também oferece suporte ao gerenciamento eficiente de biomassa, otimizando a recirculação externa e evitando o transporte de lodo ativado para águas residuais tratadas.”
diz Robert Wlaźlak, diretor do Departamento de Automação Industrial da DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

O sistema MACS permite a maximização da eficiência tecnológica em estações de tratamento de águas residuais e, ao mesmo tempo, reduz o consumo de energia.

O sistema MACS foi implementado, entre outros, na estação de tratamento de águas residuais em Słupsk.

As tecnologias implementadas permitem otimizar a quantidade de produtos químicos usados nos processos de tratamento. A solução desenvolvida pela DP System também permite economia de energia nos processos bioquímicos realizados pela estação de tratamento.“

As reações bioquímicas em estações de tratamento de águas residuais estão entre as mais difíceis de controlar porque envolvem organismos vivos. Esses processos também têm uma alta demanda por energia elétrica”
diz Adam Paczesny, diretor comercial do Departamento de Automação Industrial da DP System.

Os algoritmos e modelos matemáticos da estação de tratamento usados na solução MACS permitem o gerenciamento preditivo — agindo com antecedência — do ambiente para os organismos vivos que realizam os processos de tratamento. Isso resulta em maior eficiência, principalmente em termos de consumo de energia. Essa abordagem também possibilita otimizar o uso da infraestrutura existente da estação de tratamento.

Modernização da estação de tratamento de águas residuais

“O ponto de partida para o trabalho de modernização foi a necessidade de atender aos padrões de emissão, o que estava ligado à redução dos gastos com energia. Como resultado das mudanças implementadas, a eficiência melhorou de 25 a 35%. Cerca de 14% disso ocorreu devido ao controle aprimorado, enquanto a parte restante resultou da substituição dos sopradores por unidades modernas e mais eficientes em termos de energia. Em operação normal, a planta atinge um nível de autossuficiência de 80%, mas às vezes chega a 100%. Isso significa que somos independentes de energia. Esse é um resultado direto da implementação da solução DP System,”
diz Kazimierz Stachyra, gerente da estação de tratamento de águas residuais em Słupsk.

A solução MACS implementada em Słupsk é usada para controlar a aeração, a recirculação interna e externa e para regular a operação dos principais atuadores, como sopradores e misturadores. Um módulo de dosagem de coagulante também foi implementado. Um papel essencial para garantir a operação eficiente do sistema de controle é desempenhado pela instrumentação abrangente da instalação.

“A eficácia do controle aplicado resulta da combinação de profundo conhecimento tecnológico dos processos da estação de tratamento, experiência em princípios de automação e engenharia baseada em modelos matemáticos e controle preditivo”
diz Kazimierz Stachyra.

O sistema MACS é usado para controlar a aeração, a recirculação interna e externa e para regular a operação de atuadores, como sopradores e misturadores.

O MACS foi projetado usando a tecnologia Siemens que combina um controlador PLC tradicional com um computador industrial.

A solução foi projetada usando a tecnologia Siemens que integra um controlador PLC tradicional a um computador industrial. UM SIMATIC Box PC, junto com módulos de comunicação, foi usado para controle. Os PCs industriais da Siemens são caracterizados por alto desempenho, uma ampla faixa de temperatura operacional e resistência a vibrações, enquanto ocupam um espaço mínimo no gabinete de controle. Eles também são projetados para operar de forma confiável em condições ambientais adversas.

“Escolhemos uma solução da Siemens porque é uma plataforma versátil que combina os recursos de um controlador lógico programável com um computador industrial de alto desempenho. Esse poder de computação é essencial para a integração com o ambiente MATLAB, que é usado para implementar modelos matemáticos, reproduzir os processos bioquímicos da estação de tratamento e realizar cálculos para controle de processos. Essa abordagem nos permitiu integrar facilmente a camada de otimização com o sistema de controle dentro do mesmo ambiente”
explica Robert Wlaźlak, diretor do Departamento de Automação Industrial da DP System.

Um computador industrial compacto, o SIMATIC Box PC, junto com os módulos de comunicação, é usado para controlar o sistema.

Benefícios na área de eficiência energética

Um benefício significativo da implementação do sistema MACS é o aumento amplamente compreendido na segurança dos processos realizados pela instalação que o utiliza.

A modernização foi realizada de forma que não fosse necessária a substituição da infraestrutura existente da estação de tratamento. Os dispositivos de medição existentes, complementados com medições adicionais ausentes, foram integrados e fornecem os dados necessários para a operação do sistema MACS. Por sua vez, os sinais de controle gerados pela solução DP System são executados pela infraestrutura de controle existente na planta, que passou por apenas pequenas atualizações. Como resultado, apesar do investimento relativamente baixo, benefícios financeiros e ambientais significativos foram alcançados.

“Durante a modernização da estação de tratamento, introduzimos uma camada de controle adicional de alto nível que serve como suporte para o operador. Após a implementação, o sistema MACS seleciona e define automaticamente os parâmetros ideais de controle de processo”
diz Tomasz Chrześcijanek, gerente de projetos da DP System.

A implementação da solução levou aproximadamente seis meses, enquanto sua calibração durou cerca de um ano, permitindo considerar as especificidades operacionais da instalação em diferentes estações do ano.

Os benefícios mais importantes incluem economia de energia resultante da redução do consumo de eletricidade. Também foi possível aumentar a estabilidade dos processos na seção biológica. Além disso, os funcionários, apoiados pelas informações do sistema, agora estão menos envolvidos na supervisão do processo, permitindo que seu tempo seja usado de forma mais eficaz.

Kazimierz Stachyra, Gestor, estação de tratamento de águas residuais em Słupsk

Outro benefício alcançado com a modernização é o aumento amplamente compreendido na segurança dos processos realizados pela instalação. A solução implementada possibilita alcançar uma reserva adicional de capacidade de carga de aproximadamente 20.000 PE (equivalente populacional). Isso permite que a estação de tratamento aceite um volume maior de águas residuais para processamento usando o reator já existente.

“Antes da modernização, a estação de tratamento era capaz de receber águas residuais de 250.000 habitantes, enquanto agora atende 350.000. Esse resultado foi alcançado, entre outras coisas, graças à implementação de soluções de otimização. Estamos satisfeitos com o envolvimento da DP System no trabalho de implementação, bem como com o desempenho do sistema. As soluções aplicadas se mostram eficazes tanto na operação diária de nossa estação de tratamento quanto em situações críticas, como períodos de forte entrada de águas residuais após chuvas”
resume Kazimierz Stachyra da estação de tratamento em Słupsk.

Modernização da estação de tratamento de águas residuais em Iława

Outra instalação em que a solução MACS, executada em dispositivos Siemens, foi implementada é a Estação de Tratamento de Águas Residuais em Iława. Nesse caso, o principal motivo da implementação foi a necessidade de reduzir o teor de nitrogênio nas águas residuais tratadas. A DP System venceu a licitação e começou a trabalhar envolvendo a substituição de elementos de controle, amortecedores e componentes de acionamento responsáveis pelo controle de recirculação.

A modernização abrangeu a recirculação interna e externa, o controle da aeração e a dosagem dos coagulantes PIX. Como parte do trabalho concluído, o sistema de recirculação externa foi alterado de um algoritmo de controle baseado no volume de águas residuais recebidas para um baseado nos níveis de lodo nos clarificadores secundários. Como resultado dessas mudanças, foi necessário automatizar as portas de saída instaladas nos clarificadores secundários. A modernização levou à melhoria da qualidade das águas residuais tratadas. Benefícios visíveis em termos de economia de energia também foram alcançados.

“O consumo de energia depende muito do tipo de água residual que flui para a estação de tratamento. Uma carga mais difícil requer mais ar e o uso de ventiladores que consomem quantidades significativas de eletricidade. Devido à variabilidade das águas residuais recebidas com diferentes concentrações, é difícil avaliar com precisão a eficiência energética da nova solução. No entanto, durante a operação estável, observamos uma melhoria significativa no desempenho e maior eficiência energética da instalação. Controlar os amortecedores e desligar os ventiladores nos momentos certos permite reduzir claramente o consumo de eletricidade. Graças à otimização, agora podemos utilizar totalmente os recursos do sistema de tratamento de águas residuais”
diz Krzysztof Draszewski, vice-chefe da Estação de Tratamento de Águas Residuais em Iława.

O sistema MACS está em uso em Iława há vários anos. Semelhante à estação de tratamento em Słupsk, sua implementação levou cerca de seis meses, seguida por aproximadamente um ano de adaptação às condições específicas da instalação. Durante um ciclo anual, todos os fenômenos sazonais que poderiam ocorrer na instalação foram analisados. Atualmente, a solução aplicada permite uma redução de energia em torno de 12%. A eficiência aprimorada do processo também significa maior produtividade de toda a planta e a capacidade de processar grandes volumes de águas residuais.

“Em vez de controladores PID padrão, implementamos soluções usando um modelo de processo e as previsões resultantes, ou seja, algoritmos MPC (Model Predictive Control). Os pontos operacionais desse tipo de controlador estão muito mais próximos dos limites tecnológicos, o que se traduz automaticamente em maior eficiência do processo e melhor rendimento da planta” explica Robert Wlaźlak da DP System.

“As soluções fornecidas pela Siemens não apenas levam em conta as amplas capacidades do controle baseado em modelos, mas também oferecem suporte para inteligência artificial: aprendizado de máquina (aprendizado profundo). Tudo isso permite maior eficiência de controle e oferece oportunidades adicionais para otimizar o consumo de energia e obter um melhor desempenho do processo.” enfatiza Michał Urliński, da Siemens Polska.

A solução implementada facilita a maximização da quantidade de biogás obtida em processos químicos. Outro benefício do sistema MACS é a redução do tempo necessário para determinadas tarefas.

“Em alguns aspectos, foi possível reduzir a entrada de mão de obra. Isso se aplica, entre outras coisas, ao controle em clarificadores secundários, que antes da modernização exigiam o ajuste manual das portas para regular os níveis de lodo, enquanto agora esse processo é totalmente automatizado”,
observa Krzysztof Draszewski.

“O sistema MACS permite o monitoramento contínuo dos dispositivos de medição. Ele permite, entre outras coisas, avaliar a confiabilidade das medições atuais. Se o sistema determinar que uma determinada medição não é confiável, ele informa o usuário e muda para uma medição alternativa ou baseia o algoritmo de controle em valores históricos.”
adiciona Tomasz Chrześcijanek do DP System.