ŠTUDIJA PRIMERA

Optimizacija nadzora čistilnih naprav

Sistem MACS, ki ga je razvil DP System na osnovi Siemensovih tehnologij, omogoča prihranek energije in zagotavlja dodatno nosilnost čistilnih naprav za odpadne vode. Rešitev, izvedena v Słupsku in Iławi, omogoča servisiranje večjega števila prebivalcev.

DP System je razvil orodje, ki združuje tehnološke in programske rešitve. Cilj MACS (Model-based Advanced Control System) je povečati tehnološko učinkovitost čistilnih naprav in zmanjšati porabo energije. Sistem lahko deluje v skoraj vseh čistilnih napravah, opremljenih s sistemi za avtomatizacijo. Rešitev je bila med drugim že uvedena v čistilnih napravah za odpadne vode v Iławi in Słupsku.

Prediktivni nadzor, ki temelji na modelu

MACS, razvit od leta 2018, je zasnovan za podporo delovanju bioloških čistilnih naprav za odpadne vode, ki temeljijo na integriranih sistemih za odstranjevanje organskih spojin in hranil. Posamezne komponente rešitve optimizirajo delovanje tehnoloških procesov. Eno ključnih funkcij izvaja modul, odgovoren za nadzor bioloških reaktorjev.»

Čistilna naprava za odpadne vode je potrebna za dosego stopnje čiščenja, ki ustreza standardiziranim parametrom vsebnosti dušika in fosforja. Sistem MACS optimizira postopek čiščenja odpadne vode, kar olajša izpolnjevanje okoljskih zahtev za odvajanje. Uporabljeni algoritmi zagotavljajo, da se ti cilji dosežejo z minimalno porabo energije. Sistem podpira tudi učinkovito upravljanje biomase z optimizacijo zunanje recirkulacije in preprečuje prenos aktivnega blata v prečiščene odpadne vode.
pravi Robert Wlaźlak, direktor oddelka za industrijsko avtomatizacijo pri DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Sistem MACS omogoča maksimiranje tehnološke učinkovitosti čistilnih naprav za odpadne vode, hkrati pa zmanjša porabo energije.

Sistem MACS je bil med drugim implementiran v čistilni napravi odpadne vode v Słupsku.

Izvedene tehnologije omogočajo optimizacijo količine kemikalij, ki se uporabljajo v procesih obdelave. Rešitev, ki jo je razvil DP System, omogoča tudi prihranek energije pri biokemičnih procesih, ki jih izvaja čistilna naprava.»

Biokemijske reakcije v čistilnih napravah za odpadne vode so med najtežje nadzorovanimi, ker vključujejo žive organizme. Ti procesi imajo tudi veliko povpraševanje po električni energiji,«
pravi Adam Paczesny, komercialni direktor oddelka za industrijsko avtomatizacijo pri DP System.

Algoritmi in matematični modeli čistilne naprave, uporabljeni v rešitvi MACS, omogočajo napovedovanje — delovanje vnaprej — okolja za žive organizme, ki izvajajo postopke obdelave. Posledica tega je večja učinkovitost, zlasti v smislu porabe energije. Ta pristop omogoča tudi optimizacijo uporabe obstoječe infrastrukture čistilnih naprav.

Posodobitev čistilne naprave za odpadne vode

»Izhodišče za posodobitev je bila potreba po izpolnjevanju emisijskih standardov, kar je bilo povezano z zmanjšanjem porabe energije. Zaradi izvedenih sprememb se je učinkovitost izboljšala za 25 do 35%. Približno 14% tega je bilo posledica izboljšanega nadzora, preostali del pa je posledica zamenjave puhalnikov s sodobnimi, energetsko učinkovitejšimi enotami. Pri normalnem obratovanju obrat doseže 80-odstotno stopnjo samozadostnosti, včasih pa ta doseže celo 100%. To pomeni, da smo energetsko neodvisni. To je neposreden rezultat implementacije rešitve DP System,«
pravi Kazimierz Stachyra, upravitelj čistilne naprave za odpadne vode v Słupsku.

Rešitev MACS, implementirana v Słupsku, se uporablja za nadzor prezračevanja, notranje in zunanje recirkulacije ter za uravnavanje delovanja ključnih aktuatorjev, kot so puhala in mešalniki. Izveden je bil tudi modul za doziranje koagulantov. Bistveno vlogo pri zagotavljanju učinkovitega delovanja krmilnega sistema igra celovita instrumentacija naprave.

»Učinkovitost uporabljenega nadzora je posledica združevanja poglobljenega tehnološkega znanja o procesih čistilnih naprav, strokovnega znanja na področju načel avtomatizacije in inženiringa, ki temelji na matematičnih modelih in napovednem nadzoru,«
pravi Kazimierz Stachyra.

Sistem MACS se uporablja za nadzor prezračevanja, notranje in zunanje recirkulacije ter za uravnavanje delovanja aktuatorjev, kot so puhala in mešalniki.

MACS je bil zasnovan z uporabo tehnologije Siemens, ki združuje tradicionalni PLC krmilnik z industrijskim računalnikom.

Rešitev je bila zasnovana z uporabo tehnologije Siemens, ki integrira tradicionalni PLC krmilnik z industrijskim računalnikom. A SIMATIC Box PC, skupaj s komunikacijskimi moduli, je bil uporabljen za nadzor. Siemensove industrijske osebne računalnike odlikujejo visoka zmogljivost, širok razpon delovne temperature in odpornost na vibracije, hkrati pa zasedajo minimalen prostor v nadzorni omari. Zasnovani so tudi za zanesljivo delovanje v težkih okoljskih razmerah.

»Izbrali smo Siemensovo rešitev, ker gre za vsestransko platformo, ki združuje zmogljivosti programabilnega logičnega krmilnika z visoko zmogljivim industrijskim računalnikom. Ta računalniška moč je bistvena za integracijo z okoljem MATLAB, ki se uporablja za izvajanje matematičnih modelov, reprodukcijo biokemičnih procesov čistilne naprave in izvajanje izračunov za nadzor procesov. Ta pristop nam je omogočil enostavno integracijo optimizacijskega sloja z nadzornim sistemom v istem okolju,«
pojasnjuje Robert Wlaźlak, direktor oddelka za industrijsko avtomatizacijo pri DP System.

Kompaktni industrijski računalnik, SIMATIC Box PC, skupaj s komunikacijskimi moduli, se uporablja za nadzor sistema.

Prednosti na področju energetske učinkovitosti

Pomembna prednost uvedbe sistema MACS je splošno razumljeno povečanje varnosti procesov, ki jih izvaja objekt, ki ga uporablja.

Posodobitev je bila izvedena tako, da zamenjava obstoječe infrastrukture čistilne naprave ni bila potrebna. Obstoječe merilne naprave, dopolnjene z dodatnimi manjkajočimi meritvami, so bile integrirane in zagotavljajo podatke, potrebne za delovanje sistema MACS. Krmilne signale, ki jih ustvarja rešitev DP System, pa izvaja obstoječa nadzorna infrastruktura obrata, ki je doživela le manjše nadgradnje. Posledično so bile kljub razmeroma nizkim naložbam dosežene znatne finančne in okoljske koristi.

»Med posodobitvijo čistilne naprave smo uvedli dodaten nadzorni sloj višje ravni, ki služi kot podpora upravljavcu. Po izvedbi sistem MACS izbere in samodejno nastavi optimalne parametre nadzora procesa,«
pravi Tomasz Potenjanek, vodja projektov pri DP System.

Izvedba rešitve je trajala približno šest mesecev, kalibracija pa je trajala približno eno leto, kar je omogočilo upoštevanje operativnih posebnosti objekta v različnih letnih časih.

Najpomembnejše prednosti vključujejo prihranke energije zaradi zmanjšane porabe električne energije. Prav tako je bilo mogoče povečati stabilnost procesov v biološkem odseku. Poleg tega so zaposleni, podprti z informacijami iz sistema, zdaj manj vključeni v nadzor procesov, kar omogoča učinkovitejšo porabo njihovega časa.

Kazimierz Stachyra, Menedžer, čistilna naprava za odpadne vode v Słupsku

Druga prednost, dosežena s posodobitvijo, je splošno razumljeno povečanje varnosti procesov, ki jih izvaja objekt. Izvedena rešitev omogoča doseganje dodatne rezerve nosilnosti približno 20.000 PE (populacijski ekvivalent). To omogoča čistilni napravi, da sprejme večjo količino odpadne vode za predelavo z že obstoječim reaktorjem.

»Pred posodobitvijo je čistilna naprava sposobna sprejemati odpadne vode od 250.000 prebivalcev, zdaj pa služi 350.000 prebivalcev. Ta rezultat je bil med drugim dosežen zahvaljujoč izvajanju optimizacijskih rešitev. Zadovoljni smo z vključenostjo sistema DP v izvedbena dela, pa tudi z uspešnostjo sistema. Uporabljene rešitve se izkažejo za učinkovite tako pri vsakodnevnem obratovanju naše čistilne naprave kot tudi v kritičnih situacijah, kot so obdobja močnega dotoka odpadne vode po padavinah,«
povzema Kazimierz Stachyra iz čistilne naprave v Słupsku.

Posodobitev čistilne naprave za odpadne vode v Iławi

Drug objekt, v katerem je bila uvedena rešitev MACS, ki deluje na Siemensovih napravah, je čistilna naprava za odpadne vode v Iławi. V tem primeru je bila primarni razlog za izvajanje potreba po zmanjšanju vsebnosti dušika v očiščeni odpadni vodi. DP System je zmagal na razpisu in začel dela, ki vključujejo zamenjavo krmilnih elementov, blažilnikov in pogonskih komponent, odgovornih za nadzor recirkulacije.

Posodobitev je zajemala notranjo in zunanjo recirkulacijo, nadzor prezračevanja in doziranje koagulantov PIX. V okviru zaključenega dela je bil sistem zunanje recirkulacije spremenjen iz kontrolnega algoritma, ki temelji na količini vhodne odpadne vode, na tistega, ki temelji na nivojih blata v sekundarnih čistilnikih. Zaradi teh sprememb je bilo treba avtomatizirati izhodna vrata, nameščena v sekundarnih čistilnikih. Posodobitev je privedla do izboljšanja kakovosti očiščene odpadne vode. Dosežene so bile tudi opazne koristi v smislu varčevanja z energijo.

»Poraba energije je v veliki meri odvisna od vrste odpadne vode, ki teče v čistilno napravo. Težja obremenitev zahteva več zraka in uporabo puhal, ki porabijo znatne količine električne energije. Zaradi variabilnosti vhodne odpadne vode z različnimi koncentracijami je težko natančno oceniti, kako energetsko učinkovita je nova rešitev. Vendar pa med stabilnim delovanjem opazimo znatno izboljšanje zmogljivosti in povečano energetsko učinkovitost naprave. Krmiljenje blažilnikov in izklop puhal v pravih trenutkih omogoča jasno zmanjšanje porabe električne energije. Zahvaljujoč optimizaciji lahko zdaj v celoti izkoristimo zmogljivosti sistema za čiščenje odpadne vode,«
pravi Krzysztof Draszewski, namestnik vodje čistilne naprave v Iławi.

Sistem MACS se v Iławi uporablja že več let. Podobno kot čistilna naprava v Słupsku je njegova izvedba trajala približno šest mesecev, sledilo pa je približno eno leto prilagoditve specifičnim pogojem objekta. V letnem ciklu so analizirali vse sezonske pojave, ki bi se lahko pojavili v objektu. Trenutno uporabljena rešitev omogoča zmanjšanje energije za približno 12%. Izboljšana učinkovitost procesa pomeni tudi večjo prepustnost celotne naprave in sposobnost predelave večjih količin odpadne vode.

»Namesto standardnih PID krmilnikov smo implementirali rešitve z uporabo procesnega modela in posledičnih napovedi, tj. algoritmov MPC (Model Predictive Control). Delovne točke za to vrsto krmilnikov so veliko bližje tehnološkim omejitvam, kar samodejno pomeni večjo učinkovitost procesa in izboljšano prepustnost obrata,« pojasnjuje Robert Wlaźlak iz DP System.

»Rešitve, ki jih ponuja Siemens, ne upoštevajo le širokih zmogljivosti nadzora, ki temelji na modelih, ampak ponujajo tudi podporo umetni inteligenci: strojno učenje (globoko učenje). Vse to omogoča večjo učinkovitost nadzora in ponuja dodatne priložnosti za optimizacijo porabe energije in doseganje boljših procesnih zmogljivosti,« poudarja Michał Urliński iz podjetja Siemens Polska.

Izvedena rešitev omogoča maksimiranje količine bioplina, pridobljenega v kemičnih procesih. Druga prednost sistema MACS je skrajšanje časa, potrebnega za določene naloge.

»V nekaterih vidikih je bilo mogoče zmanjšati vložek delovne sile. To med drugim velja za nadzor v sekundarnih čistilnikih, ki so pred posodobitvijo zahtevali ročno nastavitev vrat za uravnavanje nivoja blata, medtem ko je zdaj ta postopek popolnoma avtomatiziran,«
ugotavlja Krzysztof Draszewski.

»Sistem MACS omogoča neprekinjeno spremljanje merilnih naprav. Med drugim omogoča oceno zanesljivosti trenutnih meritev. Če sistem ugotovi, da je določena meritev nezanesljiva, obvesti uporabnika in preklopi na alternativno meritev ali pa krmilni algoritem temelji na zgodovinskih vrednostih,«
doda Tomasz Potenjanek iz DP System.