FALLSTUDIE

Optimering av kontroll av avloppsreningsverk

MACS-systemet, utvecklat av DP System baserat på Siemens teknik, möjliggör energibesparingar och ger ytterligare lastkapacitet för avloppsreningsverk. Lösningen implementerad i Słupsk och Iława gör det möjligt att betjäna ett större antal invånare.

DP System har utvecklat ett verktyg som kombinerar tekniska lösningar och mjukvarulösningar. Målet med MACS (Modelbased Advanced Control System) är att maximera den tekniska effektiviteten hos avloppsreningsverk och minska energiförbrukningen. Systemet kan användas i nästan alla reningsverk utrustade med automationssystem. Lösningen har redan implementerats bland annat i avloppsreningsverk i Iława och Słupsk.

Modellbaserad prediktiv kontroll

MACS har utvecklats sedan 2018 och är utformat för att stödja driften av biologiska avloppsreningsverk baserade på integrerade avloppssystem för organiska föreningar och näringsämnen. Enskilda komponenter i lösningen optimerar prestandan för tekniska processer. En av nyckelfunktionerna utförs av modulen som ansvarar för att styra biologiska reaktorer.”

Ett avloppsreningsverk krävs för att uppnå en reningsnivå som uppfyller standardiserade parametrar för kväve- och fosforhalt. MACS-systemet optimerar avloppsreningsprocessen, vilket gör det lättare att uppfylla miljöutsläppskraven. De tillämpade algoritmerna säkerställer att dessa mål uppnås med minimal energiförbrukning. Systemet stöder också effektiv hantering av biomassa genom att optimera extern recirkulation och förhindrar överföring av aktivt slam till renat avloppsvatten.
säger Robert Wlaźlak, chef för avdelningen för industriell automatisering på DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

MACS-systemet möjliggör maximering av teknisk effektivitet i avloppsreningsverk samtidigt som energiförbrukningen minskas.

MACS-systemet har implementerats bland annat vid avloppsreningsverket i Słupsk.

Den implementerade tekniken gör det möjligt att optimera mängden kemikalier som används i behandlingsprocesser. Lösningen som utvecklats av DP System möjliggör också energibesparingar i de biokemiska processer som utförs av reningsverket.”

Biokemiska reaktioner i avloppsreningsverk är bland de svåraste att kontrollera eftersom de involverar levande organismer. Dessa processer har också en hög efterfrågan på elektrisk energi, ”
säger Adam Paczesny, kommersiell chef för avdelningen för industriell automatisering på DP System.

Algoritmerna och matematiska modellerna för reningsverket som används i MACS-lösningen möjliggör prediktiv hantering — agerande i förväg — av miljön för de levande organismer som utför behandlingsprocesser. Detta resulterar i ökad effektivitet, särskilt när det gäller energiförbrukning. Detta tillvägagångssätt gör det också möjligt att optimera användningen av den befintliga infrastrukturen för reningsverk.

Modernisering av avloppsreningsverket

— Utgångspunkten för moderniseringsarbetet var behovet av att uppfylla utsläppsnormerna, vilket var kopplat till att minska energiförbrukningen. Som ett resultat av de genomförda förändringarna förbättrades effektiviteten med 25 till 35%. Cirka 14% av detta berodde på förbättrad kontroll, medan den återstående delen berodde på att byta ut blåsmaskiner med moderna, mer energieffektiva enheter. Under normal drift uppnår anläggningen en 80% självförsörjningsnivå, men ibland når detta till och med 100%. Det betyder att vi är energioberoende. Detta är ett direkt resultat av implementeringen av DP System-lösningen,”
säger Kazimierz Stachyra, chef för avloppsreningsverket i Słupsk.

MACS-lösningen implementerad i Słupsk används för att styra luftning, intern och extern recirkulation och för att reglera driften av viktiga ställdon som fläktar och blandare. En doseringsmodul för koaguleringsmedel har också implementerats. En viktig roll för att säkerställa en effektiv drift av styrsystemet spelas av omfattande instrumentering av installationen.

”Effektiviteten hos den tillämpade kontrollen är resultatet av en kombination av djupgående teknisk kunskap om reningsverksprocesser, expertis inom automatiseringsprinciper och teknik baserad på matematiska modeller och prediktiv styrning.”
säger Kazimierz Stachyra.

MACS-systemet används för att styra luftning, intern och extern recirkulation och för att reglera driften av ställdon som fläktar och blandare.

MACS designades med hjälp av Siemens teknik som kombinerar en traditionell PLC-styrenhet med en industridator.

Lösningen designades med hjälp av Siemens teknik som integrerar en traditionell PLC-styrenhet med en industridator. EN SIMATIC Box PC, tillsammans med kommunikationsmoduler, användes för styrning. Siemens industriella datorer kännetecknas av hög prestanda, ett brett driftstemperaturområde och motståndskraft mot vibrationer, samtidigt som de upptar minimalt utrymme i styrskåpet. De är också konstruerade för att fungera tillförlitligt i tuffa miljöförhållanden.

” Vi valde en Siemens-lösning eftersom det är en mångsidig plattform som kombinerar funktionerna hos en programmerbar logisk styrenhet med en högpresterande industridator. Denna datorkraft är avgörande för integration med MATLAB-miljön, som används för att implementera matematiska modeller, reproducera reningsverkets biokemiska processer och utföra beräkningar för processkontroll. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att enkelt integrera optimeringsskiktet med styrsystemet inom samma miljö, ”
förklarar Robert Wlaźlak, chef för avdelningen för industriell automatisering på DP System.

En kompakt industridator, SIMATIC Box PC, tillsammans med kommunikationsmoduler, används för att styra systemet.

Fördelar inom området energieffektivitet

En betydande fördel med att implementera MACS-systemet är den allmänt förstådda ökningen av säkerheten för de processer som utförs av anläggningen som använder det.

Moderniseringen genomfördes på ett sådant sätt att det inte var nödvändigt att ersätta den befintliga infrastrukturen i reningsverket. De befintliga mätanordningarna, kompletterade med ytterligare saknade mätningar, integrerades och tillhandahåller de data som krävs för driften av MACS-systemet. Styrsignalerna som genereras av DP System-lösningen utförs i sin tur av anläggningens befintliga styrinfrastruktur, som endast genomgick mindre uppgraderingar. Som ett resultat uppnåddes betydande ekonomiska och miljömässiga fördelar trots relativt låga investeringar.

”Under moderniseringen av reningsverket införde vi ytterligare ett styrlager på högre nivå som fungerar som stöd för operatören. Efter implementeringen väljer och ställer MACS-systemet automatiskt in optimala processtyrningsparametrar,”
säger Tomasz Chrześcijanek, projektledare på DP System.

Implementeringen av lösningen tog ungefär sex månader, medan kalibreringen varade i ungefär ett år, vilket möjliggjorde hänsyn till anläggningens driftspecifika egenskaper under olika årstider.

De viktigaste fördelarna är energibesparingar till följd av minskad elförbrukning. Det har också varit möjligt att öka stabiliteten hos processer i den biologiska sektionen. Dessutom är anställda, som stöds av information från systemet, nu mindre involverade i processövervakningen, vilket gör att deras tid kan användas mer effektivt.

Kazimierz Stachyra, Chef, avloppsreningsverk i Słupsk

En annan fördel som uppnås genom moderniseringen är den allmänt förstådda ökningen av säkerheten för de processer som utförs av anläggningen. Den implementerade lösningen gör det möjligt att uppnå en extra lastkapacitetsreserv på cirka 20 000 PE (Population Equivalent). Detta gör det möjligt för reningsverket att ta emot en större volym avloppsvatten för bearbetning med hjälp av den redan befintliga reaktorn.

Före moderniseringen kunde reningsverket ta emot avloppsvatten från 250 000 invånare, medan det nu betjänar 350 000. Detta resultat uppnåddes bland annat tack vare implementeringen av optimeringslösningar. Vi är nöjda med DP Systems engagemang i implementeringsarbetet, liksom med systemets prestanda. De lösningar som används visar sig vara effektiva både i den dagliga driften av vårt reningsverk och i kritiska situationer, till exempel perioder med kraftigt inflöde av avloppsvatten efter regn.
sammanfattar Kazimierz Stachyra från reningsverket i Słupsk.

Modernisering av avloppsreningsverket i Iława

En annan anläggning där MACS-lösningen, som körs på Siemens-enheter, har implementerats är avloppsreningsverket i Iława. I detta fall var det främsta skälet till genomförandet behovet av att minska kvävehalten i renat avloppsvatten. DP System vann anbudet och påbörjade arbetet med byte av styrelement, spjäll, och drivkomponenter som ansvarar för recirkulationskontroll.

Moderniseringen omfattade intern och extern recirkulation, luftningskontroll och dosering av PIX-koagulanter. Som en del av det avslutade arbetet ändrades det externa recirkulationssystemet från en kontrollalgoritm baserad på inkommande avloppsvattenvolym till en baserad på slamnivåer i sekundära klarare. Som ett resultat av dessa förändringar var det nödvändigt att automatisera utloppsportarna installerade i de sekundära klargörarna. Moderniseringen ledde till förbättrad kvalitet på renat avloppsvatten. Märkbara fördelar när det gäller energibesparingar har också uppnåtts.

— Energiförbrukningen beror till stor del på vilken typ av avloppsvatten som strömmar in i reningsverket. En svårare belastning kräver mer luft och användning av fläktar som förbrukar betydande mängder el. På grund av variationen i inkommande avloppsvatten med olika koncentrationer är det svårt att exakt bedöma hur energieffektiv den nya lösningen är. Under stabil drift observerar vi dock en betydande förbättring av prestanda och ökad energieffektivitet i installationen. Att kontrollera spjäll och stänga av fläktar vid rätt ögonblick gör det möjligt att tydligt minska elförbrukningen. Tack vare optimering kan vi nu fullt ut utnyttja kapaciteten hos avloppsreningssystemet,”
säger Krzysztof Draszewski, biträdande chef för avloppsreningsverket i Iława.

MACS-systemet har använts i Iława i flera år. I likhet med reningsverket i Słupsk tog genomförandet ungefär sex månader, följt av ungefär ett års anpassning till anläggningens specifika förhållanden. Under en årscykel analyserades alla säsongsfenomen som kunde uppstå vid anläggningen. För närvarande möjliggör den tillämpade lösningen energibesparing på cirka 12%. Förbättrad processeffektivitet innebär också högre genomströmning av hela anläggningen och förmågan att bearbeta större volymer avloppsvatten.

— Istället för standard PID-regulatorer implementerade vi lösningar med hjälp av en processmodell och resulterande förutsägelser, dvs MPC (Model Predictive Control) algoritmer. Driftpunkterna för den här typen av styrenheter ligger mycket närmare de tekniska gränserna, vilket automatiskt innebär högre processeffektivitet och förbättrad anläggningsgenomströmning. förklarar Robert Wlaźlak från DP System.

Lösningarna från Siemens tar inte bara hänsyn till de breda möjligheterna med modellbaserad styrning utan erbjuder också stöd för artificiell intelligens: Machine Learning (Deep Learning). Allt detta möjliggör högre kontrolleffektivitet och ger ytterligare möjligheter att optimera energiförbrukningen och uppnå bättre processprestanda.” betonar Michał Urliński från Siemens Polska.

Den implementerade lösningen underlättar maximering av mängden biogas som erhålls i kemiska processer. En annan fördel med MACS-systemet är minskningen av den tid som krävs för vissa uppgifter.

”I vissa avseenden har det varit möjligt att minska arbetsinsatsen. Det gäller bland annat styrning i sekundära klarare, som före moderniseringen krävde manuell justering av grindar för att reglera slamhalten, medan denna process nu är helt automatiserad.”
noterar Krzysztof Draszewski.

” MACS-systemet möjliggör kontinuerlig övervakning av mätanordningar. Det möjliggör bland annat bedömningen av tillförlitligheten hos aktuella mätningar. Om systemet fastställer att en given mätning är opålitlig informerar den användaren och byter till en alternativ mätning eller baserar kontrollalgoritmen på historiska värden.
lägger till Tomasz Chrześcijanek från DP System.