NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH

Tối ưu hóa kiểm soát nhà máy xử lý nước thải

Hệ thống MACS, được phát triển bởi DP System dựa trên công nghệ của Siemens, cho phép tiết kiệm năng lượng và cung cấp khả năng tải bổ sung cho các nhà máy xử lý nước thải. Giải pháp được triển khai ở Słupsk và Iława cho phép phục vụ một số lượng lớn cư dân hơn.

DP System đã phát triển một công cụ kết hợp các giải pháp công nghệ và phần mềm. Mục tiêu của MACS (Hệ thống điều khiển tiên tiến dựa trên mô hình) là tối đa hóa hiệu quả công nghệ của các nhà máy xử lý nước thải và giảm tiêu thụ năng lượng. Hệ thống có thể hoạt động trong hầu hết các nhà máy xử lý được trang bị hệ thống tự động hóa. Giải pháp này đã được triển khai, trong số các nhà máy xử lý nước thải ở Iława và Słupsk.

Kiểm soát dự đoán dựa trên mô hình

Được phát triển từ năm 2018, MACS được thiết kế để hỗ trợ hoạt động của các nhà máy xử lý nước thải sinh học dựa trên hệ thống loại bỏ tích hợp các hợp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng. Các thành phần riêng lẻ của giải pháp tối ưu hóa hiệu suất của các quy trình công nghệ. Một trong những chức năng chính được thực hiện bởi mô-đun chịu trách nhiệm kiểm soát các lò phản ứng sinh học.“

Cần có một nhà máy xử lý nước thải để đạt được mức độ lọc đáp ứng các thông số tiêu chuẩn hóa về hàm lượng nitơ và phốt pho. Hệ thống MACS tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải, giúp đáp ứng các yêu cầu xả thải môi trường dễ dàng hơn. Các thuật toán được áp dụng đảm bảo rằng các mục tiêu này đạt được với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Hệ thống cũng hỗ trợ quản lý sinh khối hiệu quả bằng cách tối ưu hóa tuần hoàn bên ngoài và ngăn chặn việc chuyển bùn hoạt tính vào nước thải đã xử lý”.
Robert Wlaźlak, Giám đốc Phòng Tự động hóa Công nghiệp tại DP System cho biết.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Hệ thống MACS cho phép tối đa hóa hiệu quả công nghệ trong các nhà máy xử lý nước thải đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng.

Hệ thống MACS đã được triển khai, trong số những hệ thống khác, tại nhà máy xử lý nước thải ở Słupsk.

Các công nghệ được triển khai giúp tối ưu hóa lượng hóa chất được sử dụng trong các quy trình xử lý. Giải pháp được phát triển bởi DP System cũng cho phép tiết kiệm năng lượng trong các quá trình sinh hóa được thực hiện bởi nhà máy xử lý.“

Các phản ứng sinh hóa trong các nhà máy xử lý nước thải là một trong những phản ứng khó kiểm soát nhất vì chúng liên quan đến các sinh vật sống. Các quá trình này cũng có nhu cầu cao về năng lượng điện”.
Adam Paczesny, Giám đốc Thương mại của Bộ phận Tự động hóa Công nghiệp tại DP System cho biết.

Các thuật toán và mô hình toán học của nhà máy xử lý được sử dụng trong giải pháp MACS cho phép quản lý dự đoán - hành động trước - về môi trường cho các sinh vật sống thực hiện các quy trình xử lý. Điều này dẫn đến tăng hiệu quả, đặc biệt là về tiêu thụ năng lượng. Cách tiếp cận này cũng giúp tối ưu hóa việc sử dụng cơ sở hạ tầng nhà máy xử lý hiện có.

Hiện đại hóa nhà máy xử lý nước thải

“Điểm khởi đầu cho công việc hiện đại hóa là nhu cầu đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải, có liên quan đến việc giảm chi tiêu năng lượng. Kết quả của những thay đổi được thực hiện, hiệu quả được cải thiện từ 25 đến 35%. Khoảng 14% trong số này là do kiểm soát được cải thiện, trong khi phần còn lại là kết quả của việc thay thế quạt gió bằng các thiết bị hiện đại, tiết kiệm năng lượng hơn. Trong hoạt động bình thường, nhà máy đạt được 80% mức tự cung tự cấp, nhưng đôi khi con số này thậm chí còn đạt 100%. Điều này có nghĩa là chúng ta độc lập về năng lượng. Đây là kết quả trực tiếp của việc triển khai giải pháp Hệ thống DP,”
Kazimierz Stachyra, Giám đốc nhà máy xử lý nước thải ở Słupsk cho biết.

Giải pháp MACS được triển khai tại Słupsk được sử dụng để kiểm soát sục khí, tuần hoàn bên trong và bên ngoài, và để điều chỉnh hoạt động của các thiết bị truyền động chính như quạt gió và máy trộn. Một mô-đun định lượng chất đông máu cũng đã được triển khai. Một vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống điều khiển được đóng bởi các thiết bị đo lường toàn diện của việc lắp đặt.

“Hiệu quả của điều khiển ứng dụng là kết quả của việc kết hợp kiến thức công nghệ chuyên sâu về các quy trình nhà máy xử lý, chuyên môn về các nguyên tắc tự động hóa và kỹ thuật dựa trên các mô hình toán học và điều khiển dự đoán,”
Kazimierz Stachyra nói.

Hệ thống MACS được sử dụng để kiểm soát sục khí, tuần hoàn bên trong và bên ngoài, và để điều chỉnh hoạt động của các thiết bị truyền động như quạt gió và máy trộn.

MACS được thiết kế sử dụng công nghệ Siemens kết hợp bộ điều khiển PLC truyền thống với máy tính công nghiệp.

Giải pháp được thiết kế bằng công nghệ Siemens tích hợp bộ điều khiển PLC truyền thống với máy tính công nghiệp. MỘT SIMATIC Box PC, cùng với các mô-đun giao tiếp, được sử dụng để điều khiển. Máy tính công nghiệp Siemens được đặc trưng bởi hiệu suất cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng và khả năng chống rung động, đồng thời chiếm không gian tối thiểu trong tủ điều khiển. Chúng cũng được thiết kế để hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

“Chúng tôi đã chọn giải pháp của Siemens vì nó là một nền tảng linh hoạt kết hợp các khả năng của bộ điều khiển logic lập trình với một máy tính công nghiệp hiệu suất cao. Sức mạnh tính toán này rất cần thiết để tích hợp với môi trường MATLAB, được sử dụng để thực hiện các mô hình toán học, tái tạo các quá trình sinh hóa của nhà máy xử lý và thực hiện các tính toán để kiểm soát quá trình. Cách tiếp cận này cho phép chúng tôi dễ dàng tích hợp lớp tối ưu hóa với hệ thống điều khiển trong cùng một môi trường”.
Robert Wlaźlak, Giám đốc Bộ phận Tự động hóa Công nghiệp tại DP System giải thích.

Một máy tính công nghiệp nhỏ gọn, SIMATIC Box PC, cùng với các mô-đun giao tiếp, được sử dụng để điều khiển hệ thống.

Lợi ích trong lĩnh vực hiệu quả năng lượng

Một lợi ích đáng kể của việc triển khai hệ thống MACS là sự gia tăng độ an toàn của các quy trình được thực hiện bởi cơ sở sử dụng nó.

Việc hiện đại hóa được thực hiện theo cách mà việc thay thế cơ sở hạ tầng hiện có của nhà máy xử lý là không cần thiết. Các thiết bị đo hiện có, được bổ sung thêm các phép đo còn thiếu, đã được tích hợp và cung cấp dữ liệu cần thiết cho hoạt động của hệ thống MACS. Đổi lại, các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi giải pháp Hệ thống DP được thực hiện bởi cơ sở hạ tầng điều khiển hiện có của nhà máy, vốn chỉ trải qua các nâng cấp nhỏ. Kết quả là, mặc dù đầu tư tương đối thấp, nhưng lợi ích tài chính và môi trường đáng kể đã đạt được.

“Trong quá trình hiện đại hóa nhà máy xử lý, chúng tôi đã giới thiệu thêm một lớp điều khiển cấp cao hơn đóng vai trò hỗ trợ cho người vận hành. Sau khi triển khai, hệ thống MACS chọn và tự động thiết lập các thông số điều khiển quy trình tối ưu,”
Tomasz Chrześcijanek, Giám đốc dự án tại DP System cho biết.

Việc triển khai giải pháp mất khoảng sáu tháng, trong khi hiệu chuẩn kéo dài khoảng một năm, cho phép xem xét các chi tiết cụ thể hoạt động của cơ sở trong các mùa khác nhau.

Những lợi ích quan trọng nhất bao gồm tiết kiệm năng lượng do giảm tiêu thụ điện. Nó cũng có thể tăng tính ổn định của các quá trình trong phần sinh học. Ngoài ra, nhân viên, được hỗ trợ bởi thông tin từ hệ thống, giờ đây ít tham gia hơn vào việc giám sát quy trình, cho phép thời gian của họ được sử dụng hiệu quả hơn.

Kazimierz Stachyra, Quản lý, nhà máy xử lý nước thải ở Słupsk

Một lợi ích khác đạt được thông qua việc hiện đại hóa là sự gia tăng độ an toàn của các quy trình được thực hiện bởi cơ sở. Giải pháp được triển khai giúp có thể đạt được dự trữ khả năng tải bổ sung khoảng 20.000 PE (Tương đương dân số). Điều này cho phép nhà máy xử lý chấp nhận một lượng nước thải lớn hơn để xử lý bằng cách sử dụng lò phản ứng đã có.

“Trước khi hiện đại hóa, nhà máy xử lý có khả năng tiếp nhận nước thải từ 250.000 cư dân, trong khi bây giờ nó phục vụ 350.000 người. Kết quả này đã đạt được, trong số những thứ khác, nhờ vào việc triển khai các giải pháp tối ưu hóa. Chúng tôi hài lòng với sự tham gia của DP System trong công việc triển khai, cũng như với hiệu suất của hệ thống. Các giải pháp được áp dụng chứng tỏ hiệu quả cả trong hoạt động hàng ngày của nhà máy xử lý của chúng tôi và trong các tình huống nguy cấp, chẳng hạn như thời gian nước thải chảy vào nhiều sau mưa”.
tóm tắt Kazimierz Stachyra từ nhà máy xử lý ở Słupsk.

Hiện đại hóa nhà máy xử lý nước thải ở Iława

Một cơ sở khác mà giải pháp MACS, chạy trên các thiết bị của Siemens, đã được triển khai là Nhà máy xử lý nước thải ở Iława. Trong trường hợp này, lý do chính để thực hiện là nhu cầu giảm hàm lượng nitơ trong nước thải đã xử lý. DP System đã thắng thầu và bắt đầu công việc liên quan đến việc thay thế các bộ phận điều khiển, bộ giảm chấn và các bộ phận truyền động chịu trách nhiệm kiểm soát tuần hoàn.

Việc hiện đại hóa bao gồm tuần hoàn bên trong và bên ngoài, kiểm soát sục khí và định lượng chất đông máu PIX. Là một phần của công việc đã hoàn thành, hệ thống tuần hoàn bên ngoài đã được thay đổi từ thuật toán điều khiển dựa trên lượng nước thải vào thành một thuật toán dựa trên mức độ bùn trong máy làm sạch thứ cấp. Do những thay đổi này, cần phải tự động hóa các cổng ổ cắm được lắp đặt trong bộ làm sạch thứ cấp. Việc hiện đại hóa dẫn đến cải thiện chất lượng nước thải được xử lý. Những lợi ích đáng chú ý về mặt tiết kiệm năng lượng cũng đã đạt được.

“Tiêu thụ năng lượng phần lớn phụ thuộc vào loại nước thải chảy vào nhà máy xử lý. Tải trọng khó hơn đòi hỏi nhiều không khí hơn và sử dụng máy thổi tiêu thụ một lượng điện đáng kể. Do sự thay đổi của nước thải đến với nồng độ khác nhau, rất khó để đánh giá chính xác mức độ tiết kiệm năng lượng của giải pháp mới. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động ổn định, chúng tôi quan sát thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất và tăng hiệu quả năng lượng của việc lắp đặt. Kiểm soát bộ giảm chấn và tắt máy thổi vào đúng thời điểm giúp giảm rõ ràng mức tiêu thụ điện năng. Nhờ tối ưu hóa, giờ đây chúng tôi có thể tận dụng đầy đủ các khả năng của hệ thống xử lý nước thải”.
Krzysztof Draszewski, Phó Trưởng nhà máy xử lý nước thải ở Iława cho biết.

Hệ thống MACS đã được sử dụng ở Iława trong vài năm. Tương tự như nhà máy xử lý ở Słupsk, việc triển khai nó mất khoảng sáu tháng, sau đó là khoảng một năm thích ứng với các điều kiện cụ thể của cơ sở. Trong một chu kỳ hàng năm, tất cả các hiện tượng theo mùa có thể xảy ra tại cơ sở đã được phân tích. Hiện nay, giải pháp được áp dụng cho phép giảm năng lượng khoảng 12%. Hiệu quả quy trình được cải thiện cũng có nghĩa là thông lượng cao hơn của toàn bộ nhà máy và khả năng xử lý khối lượng nước thải lớn hơn.

“Thay vì các bộ điều khiển PID tiêu chuẩn, chúng tôi đã triển khai các giải pháp sử dụng mô hình quy trình và kết quả dự đoán, tức là thuật toán MPC (Model Predictive Control). Các điểm hoạt động của loại bộ điều khiển này gần với giới hạn công nghệ hơn nhiều, điều này tự động chuyển sang hiệu quả quy trình cao hơn và cải thiện thông lượng nhà máy”. Robert Wlaźlak từ DP System giải thích.

“Các giải pháp do Siemens cung cấp không chỉ tính đến khả năng rộng lớn của điều khiển dựa trên mô hình mà còn cung cấp hỗ trợ cho trí tuệ nhân tạo: Machine Learning (Deep Learning). Tất cả những điều này cho phép hiệu quả kiểm soát cao hơn và cung cấp thêm cơ hội để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng và đạt được hiệu suất quy trình tốt hơn”. nhấn mạnh Michał Urliński từ Siemens Polska.

Giải pháp được thực hiện tạo điều kiện tối đa hóa lượng khí sinh học thu được trong các quá trình hóa học. Một lợi ích khác của hệ thống MACS là giảm thời gian cần thiết cho một số nhiệm vụ nhất định.

“Ở một số khía cạnh, có thể giảm đầu vào lao động. Điều này áp dụng, trong số những thứ khác, đối với việc kiểm soát trong các máy làm sạch thứ cấp, trước khi hiện đại hóa yêu cầu điều chỉnh thủ công các cổng để điều chỉnh mức độ bùn, trong khi bây giờ quy trình này hoàn toàn tự động”.
ghi chú Krzysztof Draszewski.

“Hệ thống MACS cho phép giám sát liên tục các thiết bị đo lường. Nó cho phép, trong số những thứ khác, đánh giá độ tin cậy của các phép đo hiện tại. Nếu hệ thống xác định rằng một phép đo nhất định là không đáng tin cậy, nó sẽ thông báo cho người dùng và chuyển sang một phép đo thay thế hoặc dựa trên thuật toán điều khiển dựa trên các giá trị lịch sử.
thêm Tomasz Chrześcijanek từ DP System.