Tomasz Bacza, Beata Ogierman

1. Wstęp.

Współczesne czasy wymuszają na użytkowniku coraz głębszą integrację w procesy zachodzące podczas biologicznego oczyszczania ścieków. Podstawowym i niezbędnym narzędziem umożliwiającym uzyskanie wymaganych parametrów jakościowych procesów technologicznych jest zastosowanie automatyki przemysłowej. W latach 2003 -2005 na Oczyszczalni Ścieków Tychy-Urbanowice została przeprowadzona gruntowna modernizacja istniejących budynków, oraz wybudowano szereg nowych obiektów. Podstawowym założeniem było możliwie maksymalne wykorzystanie istniejących obiektów kubaturowych.

W ramach modernizacji powstały dwa ciągi biologicznego oczyszczania ścieków :

• przepływowy z wydzielonymi strefami predenitryfikacji, defosfatacji, denitryfikacji, naprzemiennego działania, nitryfikacji

• ciąg sekwencyjnego działania C-TECH oparty na licencji austriackiej firmy SFCU. Zastosowane technologie oczyszczania ścieków nie byłyby w stanie prawidłowo funkcjonować gdyby w ramach tej modernizacji nie zastosowano rozbudowanej automatyki przemysłowej.

2. Przeszłość.

W latach 80-90-tych podjęto próby zautomatyzowania oczyszczalni, zamontowano wówczas sterownik PLC - GE Fanuc firmy General Electric, oraz pomiary przepływu ścieków, osadów, a także pomiary zawartości tlenu w reaktorach biologicznych. Uruchomiono w tym czasie również stację operacyjną z systemem wizualizacji napisanym w Visual Basicu, oraz tablicę synoptyczną. Podjęto także próby wprowadzenia regulacji procesu napowietrzania reaktora biologicznego INKA przez zastosowanie prototypowych falowników tyrystorowych produkcji ELSTER dla dwóch z czterech zamontowanych dmuchaw. Zastosowane wówczas algorytmy sterowania pracą dmuchaw nie sprawdziły się, w związku z czym obsługa oczyszczalni powróciła do regulacji „ręcznej” procesu napowietrzania. Braki środków finansowych oraz odpowiedniego personelu, trudności ze zdobyciem części zamiennych doprowadził do tego, iż system automatyki, w momencie przejęcia przez RCGW S.A. oczyszczalni w roku 2000, praktycznie był niezdatny do użytku.

3. Koncepcja.

         W roku 2001 przystąpiliśmy wraz z BPBK Katowice, oraz ich partnerem w systemach automatyki firmą ABB Wrocław do określenia zakresu prac modernizacyjnych. W wyniku szeregu spotkań ustaliliśmy dla każdego z obiektów zakres prac związanych z modernizacją oczyszczalni, a także zakres pomiarów, sterowań i regulacji, które ma realizować system automatyki. Wynikiem tych ustaleń było opracowanie koncepcji automatyzacji. Najważniejsze założenia tej koncepcji to:

• Wszystkie istotne parametry pracy obiektów i urządzeń mają być dostępne w systemie,

• System centralny - sterowanie wszystkimi przyłączonymi do systemu napędami odbywać się ma z centralnej dyspozytorni (CD) w sposób ręczny lub automatyczny,

• System ma umożliwiać sterowanie lokalne napędami za pomocą skrzynek sterowania lokalnego z zastosowaniem zabezpieczeń technologicznych,

• System skalowalny o minimum 900 fizycznych I/O (możliwość zwiększenia ilości punktów I/O co najmniej do 1500 I/O),

• System ma być rozproszony fizycznie,

• System ma być jednolity w aspekcie logicznym i komunikacyjnym,

• System musi mieć możliwość podłączania podsystemów za pomocą łączy transmisji takich jak PROFIBUS, MODUS,

• Jako magistralę spinającą poszczególne lokalizacje punktów I/O system powinien wykorzystywać (Fast)Ethernet lub PROFIBUS,

• Zabezpieczyć linie transmisji sygnałów analogowych, które są narażone na przepięcia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi obustronnie aparaturą przepięciową,

• Wymieniać sygnały z rozdzielnicami elektrycznymi za pomocą styków bezpotencjałowych,

• System ma być obsługiwany za pomocą dwóch terminali operatorskich zlokalizowanych w centralnej dyspozytorni.

Ze względów na przyjęcie do realizacji technologii C-TECH firmy SFC i wymagania licencyjne nastąpiła konieczność zakupu i wydzielenia niezależnego systemu podrzędnego, którego zadaniem jest sterowanie i kontrola procesów zakupionej technologii.

4. System nadrzędny.

Do automatyzacji Oczyszczalni Ścieków Tychy-Urbanowice zastosowano następujące systemy automatyki:

• Rozproszony system automatyki ADVANT AC800F produkcji ABB dla całości oczyszczalni - jako system nadrzędny,

• System autonomiczny dostarczany wraz z technologią C-TECH – system podrzędny,

• Systemy autonomiczne urządzeń technologicznych typu kraty, piaskownik oparte w głównej mierze na sterownikach lokalnych typu S7-200 firmy SIEMENS.

System ADVANT AC800F opiera się na modularnym sterowniku AC800F wraz z zdalnymi modułami I/O serii S800. Stacje procesowe AC800F złożone są z jednostki centralnej (sterownik AC800F), wyposażonej w procesor i moduły komunikacyjne oraz z modułów wejść/wyjść. Stacje procesowe służą do zbierania danych z obiektu i tworzenia wtórnych wielkości operacyjnych. Tworzone wielkości wtórne służą do tworzenia algorytmów jak i złożonej wizualizacji. System ten zapewnia realizację funkcji sterowniczych i regulacyjnych. W zakresie regulacji mogą być to zarówno proste, jednoparametrowe układy regulacji, jak również bardzo złożone, wieloparametrowe i wielofunkcyjne układy regulacyjne z wyjściem krokowym lub ciągłym.

Moduły, sterowniki, osprzęt i listwy zaciskowe umieszczone zostały w pięciu dwudrzwiowych szafach automatyki, każda o wymiarach 2000x1200x600, w czterech lokalizacjach.
Schemat blokowy systemu nadrzędnego przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Schemat systemu blokowy systemu nadrzędnego.

Najważniejszymi zaletami systemu automatyki zastosowanego na Oczyszczalni Ścieków Tychy – Urbanowice jest jego możliwość rozbudowy w przyszłości. Na to wpływa jego  uniwersalność, a także jednolitość sprzętowa i programowa. System posiada możliwość współpracy z innymi systemami automatyki za pomocą łączy transmisji takich jak PROFIBUS, MODBUS, ETHERNET. Linie transmisji sygnałów analogowych, które są narażone na przepięcia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi zabezpieczone są obustronnie aparaturą przepięciową. Wymiana sygnałów z rozdzielnicami elektrycznymi realizowana jest za pomocą styków bezpotencjałowych. System jest obsługiwany za pomocą dwóch niezależnych stacji operatorskich zlokalizowanych w centralnej dyspozytorni o parametrach:

• procesor Intel Pentium 4 2,8GHz, pamięć 512 MB,
• monitor LCD o przekątnej 20,1'',
• macierz dyskowa (RAID 1 tzw lustro) 2 x 200GB.

               Stacje zabezpieczone są przed skutkami zaniku napięcia w okresie do jednej godziny, zasilaczem UPS.               Archiwizacja danych ze stacji operatorskich odbywa się na płytach DVD w odstępach tygodniowych.

               Stacje procesowe AC800F programuje się przy pomocy specjalnego oprogramowania inżynierskiego Control Builder F zainstalowanego na komputerze PC. Programowanie odbywa się poprzez magistralę komunikacyjną Ethernet.

               System operatorski produkcji ABB Polska oddział Wrocław - dot.master oparty jest na platformie Windows XP Professional i realizuje następujące funkcje:

• kontrolę dostępu do funkcji systemu,
• wizualizację procesów technologicznych ,
• wizualizację trendów czasowych wartości analogowych,
• wizualizację sekwencji zdarzeń,
• zbieranie i archiwizację danych pomiarowych oraz zdarzeniowych,
• generowanie ustalonych raportów.

          W centralnej dyspozytorni znajduje się nowoczesna „tablica synoptyczna” składająca się z trzech paneli LCD o wymiarach 1m x 0,6 m, wraz z dodatkową stacją operatorską sterującą panelami LCD. Obsługa stacji operatorskich możliwa jest również zdalnie z innego komputera, przy pomocy sieci internetowej. Docelowo w następnym etapie modernizacji będzie zamontowany kolejny panel LCD przeznaczony do monitoringu zakładu za pomocą sieci telewizji cyfrowej oraz wizualizacji stanów pracy 24 przepompowni ścieków.

5. System podrzędny – C-TECH.

System podrzędny zbudowany jest na sterownikach amerykańskiej firmy Allen-Bradley, głównym sterowniku SLC500/5 oraz czterech sterownikach obiektowych MicroLogix 1500. Sterownik SLC 500/5 jest zbudowany z kasety, do której jest dołączany zasilacz. W pierwszym slocie o numerze "0" rezyduje procesor. Pozostałe sloty zajmują moduły, których może być do 13 w kasecie. Można połączyć do 3 kaset pod kontrolą jednego procesora. Sterownik MicroLogix 1500 jest jednomodułowym sterownikiem z możliwością rozbudowy o dodatkowe moduły we/wy instalowane bez użycia dodatkowej kasety. Przeznaczony jest do małych i średnich aplikacji. Zarówno SLC 500 jak i Micrologix programowany jest w języku drabinkowym przy pomocy oprogramowania RSLogix 500. Sterowniki są spięte ze sobą magistralą modbus, która służy do komunikacji między sterownikami lokalnymi, a sterownikiem głównym. Sterowniki lokalne sterują pracą dekanterów, a całością procesu steruje główny sterownik umieszczony w szafie systemowej w rozdzielni C-TECH.

System C-TECH jest obsługiwany za pomocą niezależnej stacji operatorskiej zlokalizowanej w centralnej dyspozytorni. Na stacji zainstalowane jest oprogramowanie do wizualizacji i sterowania procesem RSView 32 pracujące pod kontrolą Microsoft Windows 2000. Aplikacja wykonana w systemie SCADA umożliwia wykonywanie praktycznie wszystkich operacji takich jak w systemie dot.master, oprócz generowania raportów. Powiązanie obu systemów odbywa się za pomocą serwera OPC na zasadzie udostępniania dwukierunkowego danych z instalacji C-TECH do systemu nadrzędnego. Dane z instalacji C-TECH są wizualizowane i przetwarzane w systemie nadrzędnym. Stacja operatorska służy głównie do kontroli procesu prze firmę SFCU zdalnie z Austrii. Połączenie ze stacją operatorską następuje przy pomocy bezpiecznego szyfrowanego połączenia w sieci internetowej tzw. kanału VPN, a sama obsługa realizowana jest przez program typu VNC, który umożliwia zdalny podgląd i sterowanie.

6. Napowietrzanie.

         W związku z zainstalowaniem dwóch praktycznie odrębnych technologii oczyszczania ścieków, mamy możliwość porównania algorytmów sterowania pracą napowietrzania reaktorów na obu ciągach technologicznych. Na rysunkach 2 i 3 przedstawione są uproszczone blokowe schematy układów regulacji w układzie przepływowym Komór Osadu Czynnego (KOCz) oraz w układzie sekwencyjnym C-TECH. Do napowietrzania dwóch Komór Osadu Czynnego zaprojektowano układ 4 dmuchaw pracujących na wspólnym kolektorze. Rozdział powietrza na konkretny zbiornik realizowany jest przy pomocy przepustnic, z napędem regulacyjnym typu SGR. Na rysunku 2 każda przepustnica posiada własny regulator typu PID, który steruje stopniem jej otwarcia w zależności od zapotrzebowania danego reaktora na tlen i wartości zadanej tlenu w zbiorniku. Natomiast samą pracą i regulacją dmuchaw zajmuje się osobny układ typ PID, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości zadanego ciśnienia w rurociągu powietrza lub stałej wartości średniej tlenu w zbiornikach. Układ regulacji wartością średnią tlenu został dodany po rozruchu, gdyż umożliwia prawidłową pracę układu w przypadku uszkodzenia się jednej z przepustnic regulacyjnych lub czujnika ciśnienia w rurociągu. Regulacja pracy dmuchaw odbywa się przez zastosowanie na dwóch dmuchawach przemienników częstotliwości ACS 550 o mocy 75kW każdy. Pozostałe dmuchawy sterowne są w systemie: załącz/wyłącz. W celu zmniejszenia negatywnych wpływów sterowania typu załącz/wyłącz, oraz ze względu na moc dmuchawy te zasilane są przez układy miękkiego startu. Zakres wydajności dmuchaw sterowanych przemiennikiem częstotliwości wynosi około 30 do 100% wydajności znamionowej, co przekłada się na zmianę częstotliwości silnika napędzającego agregat w zakresie 20Hz do 50Hz.

Rys 2. Schemat blokowy regulacji powietrza do KOCz.

               Standardowo układ pracuje z regulacją wg stałej wartości ciśnienia. Wartość zadana ciśnienia ulega korekcie w zależności od stopnia otwarcia przepustnic. Przykładowy przebieg napowietrzania reaktora KOCz przedstawia wykres nr 1. Około godziny 5.20 nastąpiło zbyt duże otwarcie przepustnicy przepływu powietrza do zbiornika A (WYJ. PID 1). Wówczas układ korygował, w kolejnych krokach, wartość zadaną ciśnienia w rurociągu, aż do zmniejszenia stopnia otwarcia przepustnicy. Oczywiście sytuacja taka powtórzyłaby się również w drugą stronę, gdyby stopień otwarcia przepustnic byłby zbyt mały. W dolnej części wykresu widać przebieg zawartości tlenu w komorach reaktora A i B fluktuujący wokół wartości zadanej tlenu w zbiornikach. Odchyłka od wartości zadanej z reguły nie przekracza 10 %. Ze względu na to, że takie odchyłki nie mają znacznego wpływu na proces biologicznego oczyszczania ścieków, zdecydowanie można było zmniejszyć ilość cykli przestawień przepustnic regulacyjnych oraz cykli załączeń i wyłączeń dmuchaw na dobę. Zastosowany układ w stosunku do układu z oddzielnymi rurociągami i dmuchawami ma niestety wadę polegającą na tym, że w przypadku znacznie odmiennych warunków biologicznych i hydraulicznych w reaktorach może być nieregulowany.

Wykres 1. Przebieg napowietrzania reaktora KOCz.

Rys.3. Schemat blokowy regulacji powietrza dla reaktorów C-TECH.

               Problemem w tym układzie może być utrzymanie różnych wartości tlenu w komorach, na przykład uzyskanie różnicy tlenu powyżej 1 mg/l między reaktorami A i B jest praktycznie niemożliwe do uzyskania. Natomiast układ cechuje się mniejszymi kosztami inwestycji i mniejszą energochłonnością procesu.

Znacznie prostszy układ regulacji jest zastosowany w reaktorach C-TECH, mimo wspólnego zestawu dmuchaw na każde dwa reaktory biologiczne. W cyklu pracy napowietrzany jest tylko jeden reaktor na wspólnym kolektorze, drugi znajduje się w tym momencie w innej fazie cyklu, tj. w fazie sedymentacji lub dekantacji.

Jak widać na rys. 3. regulacja polega na odpowiednim wysterowaniu pracą dmuchaw poprzez regulator PID, w zależności od wartości zadanej i ilości tlenu w komorze. Każdemu zbiornikowi jest przypisany osobny regulator PID. Co umożliwia osobne ustawienie parametrów regulatora dla każdego ze zbiorników. Na wykresie 2 widać przykładowy przebieg napowietrzania rektora D.

Wykres 2. Przebieg napowietrzania reaktora C-TECH.

W momencie startu napowietrzania regulator PID ze względu na odchyłkę między wartością zadaną i mierzoną zawartością tlenu, osiąga maksymalne wysterowanie, czego następstwem jest start obu dmuchaw. W chwili osiągnięcia przez tlen wartości zadanej, następuje zmniejszenie wysterowania regulatora. Od tego momentu regulator PID dąży do utrzymania wartości zadanej. Wartość zadaną możemy zmieniać w różnych fazach napowietrzania.

 Na wykresie nr 3 przedstawione jest zużycie energii elektrycznej do procesów napowietrzania w obydwu technologiach. Możemy stwierdzić, że trend zmian obu wykresów jest podobny. Widać również mniejsze zużycie energii przez KOCz na napowietrzanie, przy podobnych przepływach i uzyskiwanych efektach oczyszczania ścieków na obu ciągach technologicznych. Do porównania efektywności wykorzystania energii elektrycznej należy jeszcze uwzględnić wszystkie pracujące urządzenia pomocnicze tj. mieszadła w komorach, pompy recyrkulacji wewnętrznej i zewnętrznej.

Współczynnik energochłonności liczony w kWh/kg dopływającego ChZT za okres od stycznia do maja 2006 roku, wynosi:

Wykres 3. Przebieg zużycia dobowego energii elektrycznej przez dmuchawy

W stosunku do energochłonności przed modernizacją, w chwili obecnej notujemy ponad dwukrotny spadek zużycia energii w części biologicznej oczyszczalni.

7. Podsumowanie.

Automatyka obiektowa na oczyszczalni ścieków spełnia wiele zadań, miedzy innymi zapewnia precyzję sterowania, a także daje możliwość obserwacji i analizy procesu oczyszczania ścieków. Zastosowanie monitorów LCD, zamiast „standardowej” tablicy synoptycznej umożliwia wprowadzenia zmian w wizualizacji, już po zakończeniu procesu inwestycyjnego.

Nie sposób przedstawić wszystkich zagadnień związanych z automatyzacją oczyszczalni ścieków. Istotne jest przyjęcie poprawnej koncepcji i zakresu modernizacji automatyki obiektowej – przed przystąpieniem do projektowania. Należy pamiętać o wyborze jednolitego systemu, zastosowaniu zabezpieczeń przeciw-przepięciowych, wyborze prostych i wygodnych w obsłudze narzędziach inżynierskich. Wybierając układ napowietrzania reaktorów biologicznych, należy kierować się względami eksploatacyjnymi takimi jak energochłonność i niezawodność procesu, jak również stosunkiem uzyskanych efektów do nakładów inwestycyjnych. Przydatnym rozwiązaniem jest zastosowaniem stacji pomiarów biogenów, umożliwia to optymalizację pracy oczyszczalni. Niedogodnością jest brak pomiarów BZT₅ lub CHzT. Koszt zakupu urządzeń do ich oznaczania na etapie projektowania, był zbyt wysoki. Natomiast przy obecnym ciągle rosnącym postępie technologicznym i wywołanym nim spadkiem cen, urządzenia te stają powszechnie dostępne.

Artykuł opublikowano w czasopiśmie „Gaz, woda i technika sanitarna” nr 7-8’2006