STUDIU DE CAZ

Optimizarea controlului stațiilor de epurare

Sistemul MACS, dezvoltat de DP System bazat pe tehnologiile Siemens, permite economii de energie și oferă o capacitate suplimentară de încărcare pentru stațiile de epurare a apelor uzate. Soluția implementată în Słupsk și Iława permite deservirea unui număr mai mare de rezidenți.

DP System a dezvoltat un instrument care combină soluțiile tehnologice și software. Scopul MACS (Sistem avansat de control bazat pe model) este de a maximiza eficiența tehnologică a stațiilor de epurare a apelor uzate și de a reduce consumul de energie. Sistemul poate funcționa în aproape orice stație de epurare echipată cu sisteme de automatizare. Soluția a fost deja implementată, printre altele, în stațiile de epurare a apelor uzate din Iława și Słupsk.

Control predictiv bazat pe model

Dezvoltat din 2018, MACS este conceput pentru a sprijini funcționarea stațiilor biologice de epurare a apelor uzate bazate pe sisteme integrate de îndepărtare a compușilor organici și a nutrienților. Componentele individuale ale soluției optimizează performanța proceselor tehnologice. Una dintre funcțiile cheie este realizată de modulul responsabil pentru controlul reactoarelor biologice.„

O stație de epurare a apelor uzate este necesară pentru a atinge un nivel de purificare care să îndeplinească parametrii standardizați pentru conținutul de azot și fosfor. Sistemul MACS optimizează procesul de tratare a apelor uzate, facilitând îndeplinirea cerințelor de evacuare a mediului. Algoritmii aplicați asigură atingerea acestor obiective cu un consum minim de energie. Sistemul sprijină, de asemenea, gestionarea eficientă a biomasei prin optimizarea recirculării externe și previne transferul nămolului activ în apele uzate tratate.
spune Robert Wlaźlak, directorul departamentului de automatizare industrială la DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Sistemul MACS permite maximizarea eficienței tehnologice în stațiile de epurare a apelor uzate, reducând în același timp consumul de energie.

Sistemul MACS a fost implementat, printre altele, la stația de epurare a apelor uzate din Słupsk.

Tehnologiile implementate permit optimizarea cantității de substanțe chimice utilizate în procesele de tratare. Soluția dezvoltată de DP System permite, de asemenea, economii de energie în procesele biochimice efectuate de stația de epurare.„

Reacțiile biochimice din stațiile de epurare a apelor uzate sunt printre cele mai dificil de controlat, deoarece implică organisme vii. Aceste procese au, de asemenea, o cerere mare de energie electrică”.
spune Adam Paczesny, director comercial al departamentului de automatizare industrială la DP System.

Algoritmii și modelele matematice ale stației de epurare utilizate în soluția MACS permit gestionarea predictivă - acționând în avans - a mediului pentru organismele vii care efectuează procese de tratare. Acest lucru duce la o eficiență sporită, în special în ceea ce privește consumul de energie. Această abordare face posibilă, de asemenea, optimizarea utilizării infrastructurii stațiilor de epurare existente.

Modernizarea stației de epurare a apelor uzate

„Punctul de plecare pentru lucrările de modernizare a fost necesitatea respectării standardelor de emisii, care a fost legată de reducerea cheltuielilor cu energia. Ca urmare a modificărilor implementate, eficiența sa îmbunătățit cu 25 până la 35%. Aproximativ 14% din aceasta s-a datorat controlului îmbunătățit, în timp ce partea rămasă a rezultat din înlocuirea suflantelor cu unități moderne, mai eficiente din punct de vedere energetic. În condiții normale de funcționare, instalația atinge un nivel de autosuficiență de 80%, dar uneori ajunge chiar la 100%. Aceasta înseamnă că suntem independenți din punct de vedere energetic. Acesta este rezultatul direct al implementării soluției DP System,”
spune Kazimierz Stachyra, directorul stației de epurare a apelor uzate din Słupsk.

Soluția MACS implementată în Słupsk este utilizată pentru a controla aerarea, recircularea internă și externă și pentru a regla funcționarea actuatoarelor cheie, cum ar fi suflantele și mixerele. De asemenea, a fost implementat un modul de dozare a coagulantului. Un rol esențial în asigurarea funcționării eficiente a sistemului de control îl joacă instrumentarea cuprinzătoare a instalației.

„Eficacitatea controlului aplicat rezultă din combinarea cunoștințelor tehnologice aprofundate despre procesele stațiilor de epurare, expertiza în principiile automatizării și ingineria bazată pe modele matematice și control predictiv.”
spune Kazimierz Stachyra.

Sistemul MACS este utilizat pentru a controla aerarea, recircularea internă și externă și pentru a regla funcționarea actuatoarelor, cum ar fi suflante și mixere.

MACS a fost proiectat folosind tehnologia Siemens care combină un controler PLC tradițional cu un computer industrial.

Soluția a fost proiectată folosind tehnologia Siemens care integrează un controler PLC tradițional cu un computer industrial. UN SIMATIC Box PC, împreună cu modulele de comunicare, a fost utilizat pentru control. PC-urile industriale Siemens sunt caracterizate de performanțe ridicate, o gamă largă de temperaturi de funcționare și rezistență la vibrații, ocupând în același timp spațiu minim în dulapul de comandă. De asemenea, sunt proiectate să funcționeze fiabil în condiții de mediu dure.

„Am ales o soluție Siemens deoarece este o platformă versatilă care combină capacitățile unui controler logic programabil cu un computer industrial de înaltă performanță. Această putere de calcul este esențială pentru integrarea cu mediul MATLAB, care este utilizat pentru a implementa modele matematice, pentru a reproduce procesele biochimice ale stației de epurare și pentru a efectua calcule pentru controlul procesului. Această abordare ne-a permis să integrăm cu ușurință stratul de optimizare cu sistemul de control în același mediu”.
explică Robert Wlaźlak, directorul departamentului de automatizare industrială la DP System.

Un computer industrial compact, SIMATIC Box PC, împreună cu modulele de comunicare, este utilizat pentru controlul sistemului.

Beneficii în domeniul eficienței energetice

Un beneficiu semnificativ al implementării sistemului MACS este creșterea pe larg înțeleasă a siguranței proceselor efectuate de instalația care îl folosește.

Modernizarea a fost realizată astfel încât înlocuirea infrastructurii existente a stației de epurare nu a fost necesară. Dispozitivele de măsurare existente, completate cu măsurători suplimentare lipsă, au fost integrate și furnizează datele necesare pentru funcționarea sistemului MACS. La rândul lor, semnalele de control generate de soluția DP System sunt executate de infrastructura de control existentă a centralei, care a suferit doar modernizări minore. Drept urmare, în ciuda investițiilor relativ scăzute, s-au obținut beneficii financiare și de mediu semnificative.

„În timpul modernizării stației de epurare, am introdus un strat suplimentar de control de nivel superior, care servește drept suport pentru operator. După implementare, sistemul MACS selectează și setează automat parametrii optimi de control al procesului,”
spune Tomasz Chrześcijanek, manager de proiect la DP System.

Implementarea soluției a durat aproximativ șase luni, în timp ce calibrarea sa a durat aproximativ un an, permițând luarea în considerare a specificului operațional al instalației în diferite anotimpuri.

Cele mai importante beneficii includ economiile de energie rezultate din consumul redus de energie electrică. De asemenea, a fost posibilă creșterea stabilității proceselor din secțiunea biologică. În plus, angajații, susținuți de informații din sistem, sunt acum mai puțin implicați în supravegherea proceselor, permițând utilizarea timpului lor mai eficient.

Kazimierz Stachyra, Manager, stație de epurare a apelor uzate din Słupsk

Un alt beneficiu obținut prin modernizare este creșterea larg înțeleasă a siguranței proceselor desfășurate de instalație. Soluția implementată face posibilă obținerea unei rezerve suplimentare de capacitate de încărcare de aproximativ 20.000 PE (echivalent populație). Acest lucru permite stației de epurare să accepte un volum mai mare de ape uzate pentru procesare folosind reactorul deja existent.

„Înainte de modernizare, stația de epurare era capabilă să primească ape uzate de la 250.000 de locuitori, în timp ce acum deservește 350.000 de locuitori. Acest rezultat a fost obținut, printre altele, datorită implementării soluțiilor de optimizare. Suntem mulțumiți de implicarea DP System în lucrările de implementare, precum și de performanța sistemului. Soluțiile aplicate se dovedesc eficiente atât în funcționarea de zi cu zi a stației noastre de epurare, cât și în situații critice, cum ar fi perioadele de aflux abundent de ape uzate în urma precipitațiilor”
rezumă Kazimierz Stachyra de la stația de epurare din Słupsk.

Modernizarea stației de epurare a apelor uzate din Iława

O altă instalație în care a fost implementată soluția MACS, care funcționează pe dispozitive Siemens, este Stația de epurare a apelor uzate din Iława. În acest caz, motivul principal al implementării a fost necesitatea reducerii conținutului de azot din apele uzate tratate. DP System a câștigat licitația și a început lucrările care implică înlocuirea elementelor de control, amortizoarelor și componentelor de acționare responsabile de controlul recirculării.

Modernizarea a acoperit recircularea internă și externă, controlul aerării și dozarea coagulanților PIX. Ca parte a lucrărilor finalizate, sistemul extern de recirculare a fost schimbat de la un algoritm de control bazat pe volumul apelor uzate de intrare la unul bazat pe nivelurile de nămol din clarificatoarele secundare. Ca urmare a acestor modificări, a fost necesară automatizarea porților de ieșire instalate în clarificatoarele secundare. Modernizarea a dus la îmbunătățirea calității apelor uzate tratate. De asemenea, s-au obținut beneficii notabile în ceea ce privește economiile de energie.

„Consumul de energie depinde în mare măsură de tipul de apă uzată care curge în stația de epurare. O sarcină mai dificilă necesită mai mult aer și utilizarea suflantelor care consumă cantități semnificative de energie electrică. Datorită variabilității apelor uzate care intră cu concentrații diferite, este dificil să se evalueze cu precizie cât de eficientă din punct de vedere energetic este noua soluție. Cu toate acestea, în timpul funcționării stabile observăm o îmbunătățire semnificativă a performanței și creșterea eficienței energetice a instalației. Controlul amortizoarelor și oprirea suflantelor la momentele potrivite face posibilă reducerea clară a consumului de energie electrică. Datorită optimizării, suntem acum capabili să utilizăm pe deplin capacitățile sistemului de epurare a apelor uzate”
spune Krzysztof Draszewski, șef adjunct al stației de epurare a apelor uzate din Iława.

Sistemul MACS este utilizat în Iława de câțiva ani. Similar stației de epurare din Słupsk, implementarea acesteia a durat aproximativ șase luni, urmată de aproximativ un an de adaptare la condițiile specifice ale instalației. Pe parcursul unui ciclu anual, au fost analizate toate fenomenele sezoniere care ar putea apărea la instalație. În prezent, soluția aplicată permite reducerea energiei cu aproximativ 12%. Eficiența îmbunătățită a procesului înseamnă, de asemenea, un randament mai mare al întregii instalații și capacitatea de a procesa volume mai mari de ape uzate.

„În loc de controlere PID standard, am implementat soluții folosind un model de proces și predicții rezultate, adică algoritmi MPC (Model Predictive Control). Punctele de operare pentru acest tip de controler sunt mult mai apropiate de limitele tehnologice, ceea ce se traduce automat printr-o eficiență mai mare a procesului și o performanță îmbunătățită a instalației”. explică Robert Wlaźlak de la DP System.

„Soluțiile furnizate de Siemens nu numai că iau în considerare capacitățile largi ale controlului bazat pe modele, dar oferă și suport pentru inteligența artificială: Machine Learning (Deep Learning). Toate acestea permit o eficiență mai mare a controlului și oferă oportunități suplimentare pentru a optimiza consumul de energie și de a obține performanțe mai bune ale procesului”. subliniază Michał Urliński de la Siemens Polska.

Soluția implementată facilitează maximizarea cantității de biogaz obținut în procesele chimice. Un alt beneficiu al sistemului MACS este reducerea timpului necesar pentru anumite sarcini.

„În unele aspecte, a fost posibil să se reducă aportul de forță de muncă. Acest lucru se aplică, printre altele, controlului în clarificatoarele secundare, care înainte de modernizare necesitau reglarea manuală a porților pentru reglarea nivelului de nămol, în timp ce acum acest proces este complet automatizat”.
notează Krzysztof Draszewski.

„Sistemul MACS permite monitorizarea continuă a dispozitivelor de măsurare. Permite, printre altele, evaluarea fiabilității măsurătorilor curente. Dacă sistemul determină că o măsurătoare dată nu este fiabilă, informează utilizatorul și trece la o măsurare alternativă sau bazează algoritmul de control pe valori istorice.”
adaugă Tomasz Chrześcijanek de la DP System.