ESTUDO DE CASO

Optimização do controlo da estação de tratamento de águas residuais

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

A DP System desenvolveu uma ferramenta que combina soluções tecnológicas e de software. O objetivo do MACS (Model--based Advanced Control System) é maximizar a eficiência tecnológica das estações de tratamento de águas residuais e reduzir o consumo de energia. O sistema pode funcionar 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.

Controlo preditivo baseado em modelo

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

É necessária uma estação de tratamento de águas residuais para atingir um nível de purificação que satisfaça os parâmetros normalizados para o teor de azoto e fósforo. O sistema MACS otimiza o processo de tratamento de águas residuais, facilitando o cumprimento dos requisitos de descarga ambiental. Os algoritmos aplicados asseguram que estes objetivos são alcançados com um consumo mínimo de energia. O sistema também suporta uma gestão eficiente da biomassa, otimizando a recirculação externa e evita o transporte de lamas ativadas para as 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 enquanto 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 utilizados nos processos de tratamento. A solução desenvolvida pela DP System permite também poupanças de energia nos processos bioquímicos realizados pela estação de tratamento.“

As reacções bioquímicas nas estações de tratamento de águas residuais estão entre as mais difíceis de controlar porque envolvem organismos vivos. Estes processos também têm uma procura elevada de energia elétrica,”
diz Adam Paczesny, Diretor Comercial do Departamento de Automação Industrial da DP System.

Os algoritmos e os modelos matemáticos da estação de tratamento utilizados na solução MACS permitem a gestão preditiva — agindo com antecedência — do ambiente para os organismos vivos que realizam processos de tratamento. Isto resulta num aumento da eficiência, particularmente em termos de consumo de energia. Esta abordagem permite também otimizar a utilização da infra-estrutura 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 cumprir os padrões de emissões, que estava ligado à redução dos gastos com energia. Como resultado das alterações implementadas, a eficiência melhorou de 25 a 35%. Cerca de 14% disto deveu-se a um controlo melhorado, enquanto a parte restante resultou da substituição dos sopradores por unidades modernas e mais eficientes em termos energéticos. Em funcionamento normal, a central atinge um nível de 80% de auto-suficiência, mas às vezes chega mesmo a 100%. Isto significa que somos independentes da energia. Isto 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 o funcionamento de atuadores-chave, como sopradores e misturadores. Também foi implementado um módulo de dosagem de coagulante. Um papel essencial para garantir o funcionamento eficiente do sistema de controlo é desempenhado pela instrumentação abrangente da instalação.

“A eficácia do controlo aplicado resulta da combinação de conhecimentos tecnológicos aprofundados dos processos das estações de tratamento, experiência em princípios de automação e engenharia baseada em modelos matemáticos e controlo preditivo,”
diz Kazimierz Stachyra.

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

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

A solução foi concebida utilizando a tecnologia Siemens que integra um controlador PLC tradicional com um computador industrial. A SIMATIC Box PC, juntamente com os módulos de comunicação, foi utilizado para o controlo. Os PCs industriais da Siemens caracterizam-se pelo elevado desempenho, uma ampla gama de temperaturas de funcionamento e resistência a vibrações, ocupando um espaço mínimo no gabinete de controlo. Também são concebidos para operar de forma fiável em condições ambientais adversas.

“Escolhemos uma solução Siemens porque é uma plataforma versátil que combina as capacidades de um controlador lógico programável com um computador industrial de alto desempenho. Este poder computacional 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 o controlo do processo. Esta abordagem permitiu-nos integrar facilmente a camada de otimização com o sistema de controlo dentro do mesmo ambiente,”
explica Robert Wlaźlak, Diretor do Departamento de Automação Industrial da DP System.

Um computador industrial compacto, o SIMATIC Box PC, juntamente com módulos de comunicação, é utilizado para controlar o sistema.

Benefícios na área da eficiência energética

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

A modernização foi realizada de tal forma que a substituição da infra-estrutura existente da estação de tratamento não era necessária. Os dispositivos de medição existentes, complementados com medições adicionais em falta, foram integrados e fornecem os dados necessários para o funcionamento do sistema MACS. Por sua vez, os sinais de controlo gerados pela solução DP System são executados pela infra-estrutura de controlo existente da instalação, que sofreu apenas pequenas atualizações. Como resultado, apesar do investimento relativamente baixo, foram alcançados benefícios financeiros e ambientais significativos.

“Durante a modernização da estação de tratamento, introduzimos uma camada de controlo adicional de nível superior que serve de suporte para o operador. Após a implementação, o sistema MACS seleciona e define automaticamente os parâmetros ideais de controlo do processo,”
diz Tomasz Chrześcijanek, Gestor de Projetos da DP System.

A implementação da solução demorou aproximadamente seis meses, enquanto a sua calibração durou cerca de um ano, permitindo a consideração das especificidades operacionais da instalação em diferentes estações.

Os benefícios mais importantes incluem poupanças de energia resultantes da redução do consumo de eletricidade. Também foi possível aumentar a estabilidade dos processos na secção biológica. Além disso, os funcionários, apoiados por informações do sistema, estão agora menos envolvidos na supervisão de processos, permitindo que o seu tempo seja utilizado de forma mais eficaz.

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

Outro benefício alcançado através da modernização é o aumento amplamente compreendido na segurança dos processos realizados pela instalação. A solução implementada permite atingir uma reserva de capacidade de carga adicional de aproximadamente 20.000 PE (Equivalente de População). Isto permite que a estação de tratamento aceite um volume maior de águas residuais para processamento utilizando o reator já existente.

“Antes da modernização, a estação de tratamento era capaz de receber águas residuais de 250.000 habitantes, enquanto agora serve 350.000. Este 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 revelam-se eficazes tanto no funcionamento diário da nossa estação de tratamento como em situações críticas, tais como períodos de entrada intensa de águas residuais após chuva,”
resume Kazimierz Stachyra da estação de tratamento em Słupsk.

Modernização da estação de tratamento de águas residuais em Iława

Outra instalação onde a solução MACS, a funcionar em dispositivos Siemens, foi implementada é a Estação de Tratamento de Águas Residuais em Iława. Neste caso, a principal razão para a implementação foi a necessidade de reduzir o teor de azoto nas águas residuais tratadas. A DP System venceu o concurso e começou a trabalhar envolvendo a substituição de elementos de controlo, amortecedores e componentes de acionamento responsáveis pelo controlo da recirculação.

A modernização abrangeu a recirculação interna e externa, o controlo da aeração e a dosagem de coagulantes PIX. Como parte do trabalho concluído, o sistema de recirculação externa foi alterado de um algoritmo de controlo baseado no volume de águas residuais de entrada para um baseado nos níveis de lamas em clarificadores secundários. Como resultado destas alterações, foi necessário automatizar os portões de saída instalados nos clarificadores secundários. A modernização levou a uma melhor qualidade das águas residuais tratadas. Também foram alcançados benefícios notáveis em termos de poupança de energia.

“O consumo de energia depende muito do tipo de águas residuais que fluem para a estação de tratamento. Uma carga mais difícil requer mais ar e o uso de sopradores 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 aumento da eficiência energética da instalação. Controlar amortecedores e desligar os sopradores nos momentos certos torna possível reduzir claramente o consumo de eletricidade. Graças à otimização, agora podemos utilizar plenamente as capacidades do sistema de tratamento de águas residuais,”
diz Krzysztof Draszewski, Chefe Adjunto 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, a sua implementação demorou cerca de seis meses, seguidos de aproximadamente um ano de adaptação às condições específicas da instalação. Ao longo de um ciclo anual, todos os fenómenos sazonais que poderiam ocorrer na instalação foram analisados. Atualmente, a solução aplicada permite uma redução de energia de cerca de 12%. A melhoria da eficiência do processo também significa um maior rendimento de toda a instalação e a capacidade de processar volumes maiores de águas residuais.

“Em vez de controladores PID padrão, implementámos soluções utilizando um modelo de processo e previsões resultantes, ou seja, algoritmos MPC (Model Predictive Control). Os pontos operacionais para este 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 do DP System.

“As soluções fornecidas pela Siemens não só têm em conta as amplas capacidades do controlo baseado em modelos mas também oferecem suporte para inteligência artificial: Machine Learning (Deep Learning). Tudo isto permite uma maior eficiência de controlo e oferece oportunidades adicionais para otimizar o consumo de energia e alcançar 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 aspetos, foi possível reduzir a entrada de mão-de-obra. Isto aplica-se, entre outras coisas, ao controlo em clarificadores secundários, que antes da modernização exigiam o ajuste manual dos portões para regular os níveis de lamas, ao passo que agora este processo é totalmente automatizado,”
notas Krzysztof Draszewski.

“O sistema MACS permite a monitorização contínua dos dispositivos de medição. Permite, entre outras coisas, a avaliação da fiabilidade das medições atuais. Se o sistema determinar que uma determinada medição não é fiável, informa o utilizador e muda para uma medição alternativa ou baseia o algoritmo de controlo em valores históricos,”
acrescenta Tomasz Chrześcijanek do DP System.