Procescontrole en -sturing van een Waterzuiveringsstation (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
Peter A. Vanrolleghem BIOMATH Universiteit Gent
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
1 van 26
Doelstellingen van regelaars (I) Regeling: Garanderen van stabiliteit van resultaten Sturing:
Doel
Optimalisering van de procesvoering
Regelaar
Proces
Resultaat
Sensor
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
2 van 26
Doelstellingen van Regelaars (II)
bij regelen:
Storingsonderdrukking = Disturbance Rejection
bij sturen:
Volgen van de wijzigende optimale werkingsvoorwaarden = Setpoint tracking
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
3 van 26
Doelstellingen van Regelaars (III)
1) Efficiënter gebruik van bestaande kapaciteit • Effluent-kwaliteit maximaliseren • Uitbatingskosten minimaliseren
2) Mogelijk maken om investeringen te drukken • Nieuwbouw: • Upgrade:
Kleinere installaties -> zelfde resultaten Zelfde installatie -> betere resultaten
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
4 van 26
Klassieke regelingen in WZI’s • • • •
Zuurstofconc.: Slibleeftijd: Biomassaconc. : Nitraatconc.:
DO-meter Biomassaconc. Influentdebiet Nitraatconc.
• • • • •
Fosfaatconc.: Slibbezinking: Toxiciteit: Slibbelasting: Zuurtegraad:
Fosfaatconc. SVI %Inhibitie Debiet/COD pH
-> Beluchting -> Slibspui -> Slibretour -> Interne retour -> Externe COD -> FeCl3-dosering -> Polymeer-dosering -> Bufferen -> Bufferen -> Zuur/base additie
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
5 van 26
Problemen bij de procesregeling van WZI’s Voortspruitend uit het Biologisch karakter van het proces 1) Tijdsvariant proces Gedrag op tijdstip 1 ≠ Gedrag op tijdstip 2 Þ Robuuste of adaptieve regelaar nodig 2) Niet-lineair proces Gedrag onder vw. 1 ≠ Gedrag onder vw. 2 Þ Onvoldoende theoretische onderbouw Regelaarontwerp vooral via simulatie
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
6 van 26
Onderdelen van een regelkring
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
7 van 26
Terminologie • Gemeten variabele • Niet-gemeten variabele • Verstoring • Gemanipuleerde variabele • Output • Geregelde of gecontrolleerde variabele
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
8 van 26
Regelalgoritmen • • • • • • • • •
On/off regelaar PID (Proportional/Integral/Derivative) regelaar Voorwaartse regeling Ratio control Cascade regelaar Optimale regelaar Adaptieve regelaar Niet-lineaire regelaars Modelgebaseerde voorspellende regelaar
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
9 van 26
On/off regelaar “thermostaat”
u
AAN
AF Temperatuur Tsetpoint
“level switches” voor volumeregeling (bv. Influent-put) alarm acties (bv. Toxisch afvalwater naar calamiteitsbekken)
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
10 van 26
PID-regelaar, “Werkpaard van de controle-ingenieur” Basisvergelijking:
dε ( t ) ù é 1 t u = u0 + K p êε ( t ) + ò ε ( t ) dt + τ D ú dt τ û ë I 0 PI-regelaar: τD = 0 P-regelaar: τD = 0; τI = ∞
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
11 van 26
Afstellen P-regelaar Het “off-set” probleem:
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
12 van 26
Afstellen PI(D)-regelaar Toevoegen van I-actie kan destabiliserend werken !
Algemeen overzicht:
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
13 van 26
Voorwaartskoppelende regeling Op basis van kennis van verstoringen (uit meting of model) actie uitvoeren die het effect van die verstoring compenseert Vandaar ook “compensatieregeling” genoemd Voordeel: Nadeel:
Effect wordt voorkomen (bij feedback regeling is eerst afwijking nodig !) Berekening van actie vereist perfect model
CONCLUSIE: Combinatie Feedforward/Feedback geeft optimale performantie Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
14 van 26
Ratio control Actie is proportioneel met een gemeten veranderlijke
Qin
Geen
Ratio
Klassieker: retourslibregeling Qras = α Qin
XAT
Andere: Dosering FeCl3 evenredig met P-gehalte
Xras
Polymeerdosering evenredig met slibconc.
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
15 van 26
Cascade regelaar “in serie geschakelde regelaars”
Snelle regelaar is “slaaf” van een trage regelaar Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
16 van 26
Cascade regelaar: een voorbeeld Zuurstofregeling met luchtdebietsregeling in cascade
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
17 van 26
Optimale Regelaar
Ontwerp de regelaar op zulke wijze dat de doelfunctie: t
J = ò ε ( t ) + u ( t ) dt 2
2
0
geminimaliseerd wordt. Afweging performantie/kost Voor lineaire systemen Voor niet-lineaire systemen
ð ð
Analytische oplossing Alleen via simulatie
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
18 van 26
Adaptieve Regelaar
Metingen hebben dubbele taak -> Afwijking t.o.v. doel -> Regelaar aanpassen Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
19 van 26
Niet-lineaire regelaars Heel eenvoudig (bv. On/off) tot heel complex Lineair proces + niet-lin. regelaar Niet-lin. proces + lineaire regelaar Niet-lin. proces + niet-lin. regelaar
= niet-lin. geregeld proces = niet-lin. geregeld proces =? lineair geregeld proces
Analyse van de eigenschappen van het geregeld proces is moeilijk zoniet onmogelijk ð Simulatie is de enige mogelijkheid
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
20 van 26
Niet-lineaire regelaars: Voorbeelden P-regelaar met verzadiging
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
21 van 26
Niet-lineaire regelaars: Voorbeelden P-regelaar met dode zone
On-off regelaar met dode zone
klassiek vb. pH-sturing Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
22 van 26
Modelgebaseerde Voorspellende Regelaar
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
23 van 26
Gebruik van modellen in controlesystemen • Ondersteuning bij ontwerp van de regelstructuur (actuatoren, sensoren, algoritme) • Ondersteuning bij afstellen van de regelaar (parameters van een PID-algoritme)
• Regelaars met ingebouwd model • Basis voor software sensoren (= ruwe data + model)
• Voorspelling van verstoringen bij feedforward control (dag/nacht variatie)
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
24 van 26
Modelondersteunde Regeling Modelvalidatie
Chemischfysische Sensor
Modelopbouw
Model Scenarioanalyse
Sturing
Data Operator Biosensor
Sturingsalgoritme
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
25 van 26
Cursus Concipiëren en beheren van een waterzuiveringsstation 14/02/97 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie)
26 van 26
