Wydajny sterownik PAC w oczyszczalni ścieków

Nowoczesna automatyka przyczynia się do usprawnienia pracy oczyszczalni ścieków, zwiększenia redundancji oraz daje oszczędności czasu i pieniędzy.
Od początku budowy w roku 1952, system odbioru ścieków (Interceptor Sewer System) obsługuje miasto Chattanooga i otaczające je obszary miejskie. Oczyszczalnia ścieków – The Moccasin Bend Wastewater Treatment Plant (WWTP) jest częścią tego systemu i jej działalność obejmuje obsługę materiałów płynnych, obsługę materiałów stałych, stacje pomp oraz oddziały utrzymania ruchu zakładu. Zakład odbiera średnio około 190 milionów litrów ścieków dziennie i jego szczytowa wydajność oczyszczania wynosi 830 milionów litrów ścieków dziennie.
Dwa zespoły wirówek, w które wyposażony jest zakład, usuwają wodę z zagęszczonego szlamu powstałego w wyniku wstępnego oczyszczania, fermentacji beztlenowej oraz procesów z wykorzystaniem osadu czynnego. Koncentracja materiałów stałych w szlamie wprowadzanym do wirówek wynosi do 2%. Z wirówek uzyskuje się odwodniony materiał, który jest połączony z wapnem i dodatkiem polimerowym, celem zwiększenia jego pH oraz uzyskania pożądanej stabilności przez zapobieganie wzrostowi szkodliwych bakterii. Koncentracja części stałych odwodnionego materiału i wapna wynosi około 30%.
Potrzeba unowocześnienia systemu sterowania wynikała z wielu powodów. Starszy system sterowania był zainstalowany w połowie lat 90. ubiegłego wieku i składał się ze sterownika PLC oraz interfejsu człowiek-maszyna (HMI) typu kineskopowego, przeznaczonych do sterowania obu zespołów wirówek. W ostatnich pięciu latach już raz wymieniliśmy interfejs człowiek-maszyna (HMI) i aktualnie stosowana jednostka zaczęła wykazywać wczesne oznaki przyszłych kłopotów, tak więc stanęliśmy przed wyborem: zakup nowego interfejsu HMI lub budowa nowego systemu sterowania, z unowocześnionymi i wzbogaconymi funkcjami, dla każdej z wirówek.
Po dokonaniu oceny sterowników PLC, sterowników PAC i interfejsów HMI wybrano, zaprojektowano oraz zainstalowano system sterowania oparty na sterownikach typu PAC. Sterownik PAC Productivity3000 jest zwartym sterownikiem logicznym, który łączy w sobie cechy i możliwości systemu sterowania opartego na komputerze PC z właściwościami typowego sterownika PLC. Wybraliśmy również interfejs HMI C-more. Zarówno sterownik PAC, jak i interfejs HMI zostały dostarczone przez firmę AutomationDirect, dostawcę elementów sterowania i automatyki.
Zdecydowaliśmy się na wymianę zawodnego interfejsu HMI oraz starego sterownika PLC na sterownik PAC i interfejs HMI, zanim kineskopowy interfejs HMI całkiem się zepsuje. W przypadku jego zepsucia nie byłaby możliwa obsługa wirówek. Wybraliśmy rozwiązanie, w którym każda z wirówek ma własny interfejs HMI oraz sterownik PAC, zamiast jednego ogólnego systemu do sterowania obu zespołami, jak to było w istniejącym systemie automatyki.
Umożliwiło to nam całkowite wyłączenie z pracy jednego zespołu celem przeprowadzenia czynności obsługowych, bez wpływania na pracę drugiego zespołu. Dało to nam także większą elastyczność, gdyż jedna wirówka może teraz pracować jako alternatywne wsparcie dla pracy drugiej, tworząc układ redundantny.
Sterowanie wirówką
Nasi operatorzy uruchamiają wirówkę, monitorują jej pracę i kontrolują proces za pomocą interfejsu HMI oraz sterownika PAC. Sterownik monitoruje przepływ szlamu, temperaturę łożyskowań, drgania wirówki oraz prąd silnika elektrycznego. Operatorzy oceniają odwodnienie wirowanego materiału i obserwują obciążenie materiałami stałymi. Stałe monitorowanie jest elementem krytycznym, gdyż koncentracja materiałów stałych może ulegać zmianie w ciągu dnia i tygodnia.
System sterowania umożliwia operatorowi zmianę wielkości przepływu materiału podawanego do wirówki oraz wielkość przepływu dodawanego wapna. Operator wprowadza procentowe wartości wielkości przepływów poprzez panel dotykowy interfejsu HMI. Sterownik PAC dostosowuje napędy VFD (Variable Frequency Drive) celem sterowania prędkością obrotową pomp,stosownie do wartości wielkości przepływu.
Rezystancyjny czujnik temperatury (RTD) wprowadzony poprzez obudowę łożyska i stykający się z nieruchomym pierścieniem łożyska mierzy temperaturę łożyska wirówki. Transmiter zamienia sygnał wyjściowy z czujnika RTD w sygnał o zakresie 420 mA. Łożyska są smarowane pod ciśnieniem i w przypadku zwiększenia się temperatury do uprzednio ustalonego poziomu, włącza się alarm dźwiękowy. Jeśli temperatura nadal wzrasta, wirówka zostaje wyłączona, aby zapobiec zniszczeniu łożysk.
Do pomiaru przepływu szlamu stosujemy przepływomierz magnetyczny. Interfejs HMI wyświetla wielkość tego przepływu, a sterownik PAC sumuje wielkości przepływu, aby określić wielkość przerobu w ciągu zmiany. Operator nastawia przepływ poprzez ekran dotykowy interfejsu HMI, w odpowiedzi na co sterownik PAC steruje wydajnością pompy poprzez układ VFD.
Zakładowy nadzór obróbki materiałów stałych i personel utrzymania ruchu przegląda te dane, aby określić, kiedy wirówka wymaga naprawy, gruntownego czyszczenia lub przeglądu głównego. Funkcje alarmowe sterownika PAC dotyczą temperatury łożyska, temperatury oleju smarującego, natężenia prądu silnika napędzającego, stanu systemu przenośnika oraz dodawania wapna.
Byliśmy w stanie wymienić pojedynczy system, który sterował obie wirówki, na sterownik PAC i interfejs HMI, osobno dla każdej z wirówek. Dla każdego sterownika PAC jest, włącznie z punktami wolnymi, 156 punktów we/wy, 128 dyskretnych i 28 analogowych. Każdy sterownik PAC ma pięć 16-punktowych kart wejścia AC, trzy 16-punktowe przekaźnikowe karty wyjścia, dwa 8-kanałowe moduły wejścia analogowego oraz dwa 6-kanałowe moduły wyjścia.
Szczegóły dotyczące projektu
Nowy system sterowania wirówką opracowaliśmy na miejscu. Oddając do użytku system, poddawaliśmy weryfikacji każdy sygnał i funkcję. Okazało się, że wiele elementów istniejącego już sterowania przestało działać, co wymagało od personelu obsługi znalezienia rozwiązań zastępczych. Podczas rozruchu byliśmy w stanie dokonać napraw i przywrócić poprawną pracę tych elementów.
Pierwotny system miał układ do automatycznego wykonywania kolejnych czynności, który uruchamiał wirówkę bez udziału operatora, lecz nigdy w pełni nie wykorzystaliśmy tego układu. Nasi operatorzy nigdy nie czuli się dość komfortowo, pozostawiając proces bez pełnej kontroli. Obecnie, kiedy mamy możliwości zmiany układu logicznego sterownika PAC, możemy uczynić układ do automatycznego wykonywania kolejnych czynności bardziej elastycznym i przyjaznym dla użytkownika, by używać go z większymzaufaniem.
Oprogramowanie Productivity Suite do sterownika PAC wymagało pewnego przyzwyczajenia się, szczególnie dotyczyło to tworzenia nazw identyfikatorów (tag-name). Byłem przyzwyczajony do ręcznego wskazywania elementów programu, lecz oprogramowanie przejmuje na siebie ten obowiązek. Wszystko, co musi zrobić programista, to podać nazwę odwołania do pamięci. Kiedy przyzwyczaiłem się do tego, stworzenie programu stało się o wiele szybsze.
Zdecydowaliśmy się na ten sterownik PAC z uwagi na jego modułowe wejścia/wyjścia, silny procesor CPU oraz elastyczność. Mamy przekonanie, że zdolność przetwarzania i elastyczność sterownika PAC stanowi o tym, że jest to bardzo dobry wybór. Wbudowana pamięć i szybkość procesora stanowiły duży plus, szczególnie biorąc pod uwagę cenę.
Koszt był również czynnikiem motywującym. Szacuję, że wdrożenie systemu PAC pozwoliło na zaoszczędzenie kilku tysięcy dolarów w stosunku do naszych dwóch innych opcji. Jedna opcja polegała na zamówieniu interfejsu HMI na wymianę i wykonanie instalacji oryginalnych aplikacji przez wykonawcę. Druga opcja polegała na zastosowaniu PLC lub PAC innej marki, w celu budowy nowego systemu.
Chociaż cena w dużym stopniu wpłynęła na decyzję, byliśmy również zainteresowani układem gromadzenia danych, integracją układu VDF i możliwościami wykorzystania poczty elektronicznej przyszłego nowego systemu sterowania. Chociaż nie wdrożyliśmy układu gromadzenia danych lub funkcji poczty elektronicznej, zamierzamy zrobić to w przyszłości. Zintegrowany układ VFD jest obecnie wykorzystywany i stanowi niezbędny element użytkowy naszego rozwiązania.
Czego nie możemy ocenić, to oszczędność czasu, jaką uzyskaliśmy, działając proaktywnie i instalując osprzęt umożliwiający indywidualną pracę zespołów poszczególnych wirówek. Gdyby uległ awarii interfejs HMI, bylibyśmy unieruchomieni przez wiele tygodni.
Oszczędności dotyczące kosztów utrzymania nowego systemu PAC nie zostały jeszcze udokumentowane. Na podstawie kosztów bezpośrednich, wiemy, że hardware sterownika PAC, obudowa/subpanel, interfejs HMI, przełącznik sieciowy (Ethernet switch), zasilanie prądem stałym, okablowanie i listwy zaciskowe kosztowały nieco mniej niż tylko sama wymiana interfejsu HMI od sprzedawcy naszego starego systemu sterowania.
W uzupełnieniu do modułowej budowy sterownika PAC, mocy, elastyczności i przystępności, skorzystamy również bardzo z jego skalowalności. Wiemy, że możemy zaadaptować wszelkie dodatkowe elementy, które mogą być dołączone do wirówki w celu spełnienia wymagań przepisów agencji EPA (Agencja Ochrony Środowiska), celem ulepszenia pracy wirówki i automatyzacji czynności manualnych.
Możliwy był krótki czas dostawy sprzętu, minimalizujący przestój.
Możliwość rozbudowy
Zastosowanie sterownika PAC umożliwiło nam szybkie i łatwe unowocześnienie naszego systemu sterowania wirówką, a to z kolei pozwoli nam na wdrożenie przyszłych projektów sterowania. Celowo zaprojektowaliśmy system tak, aby umieścić w nim około 30% wolnych punktów wejścia/wyjścia dla zaspokojenia przyszłych potrzeb. Potrzeby te będą prawdopodobnie obejmować funkcje gromadzenia danych celem śledzenia wydajności, wraz z wykorzystywaniem możliwości sterownika PAC do obsługi wielokrotnych pętli regulatora PID. Obecnie wszystkie funkcje sterowania stanowią pętlę otwartą i wymagają stałej manualnej interwencji operatora. Analizujemy nasze regulowane ręcznie podprocesy i planujemy sposoby ich automatyzacji.
Na przykład szybkości podawania szlamu i polimeru są obecnie regulowane ręcznie. Prawdopodobnie, w ramach przyszłych zmian, zamienimy te układy regulacji o otwartej pętli na funkcje z zamkniętą pętlą regulacji. Zamknięty układ regulacji tych szybkości podawania pozwoli nam na wprowadzenie poprawek na zużycie pompy oraz uwzględnienie zmienności procesu.
Spodziewamy się również wprowadzenia zamkniętego układu regulacji do dozowania wapna, co da oszczędności w zużyciu wapna i poprawi jakość produktu. Dozowanie wapna jest obecnie regulowane ręcznie na lokalnym stanowisku sterowania. Pozostałe plany obejmują automatyzację czynności rozruchowych wirówki oraz automatyczną dystrybucję odwodnionego produktu do samochodu ciężarowego lub pojemnika transportowego.
Unowocześniony system sterowania wirówką spełnił wszystkie nasze oczekiwania, a dostawca wypełnił swoje zobowiązania. W przyszłości planujemy dalsze zastosowanie sterowników PAC i wyposażenie w interfejsy HMI, dalej unowocześniając system automatyki.

Jeremy Poarch, P.E., jest inżynierem w oczyszczalni ścieków Moccasin Bend WWTP, Chattanooga, TN, USA.
CE