Procescontrole en -sturing van een Waterzuiveringsstation

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Procescontrole en -sturing van een Waterzuiveringsstation"

Godelieve van Wijk
10 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Procescontrole en -sturing van een Waterzuiveringsstation (met bijzondere aandacht voor respirometrie) Peter A. Vanrolleghem BIOMATH Universiteit Gent Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 1 van 26

Vanrolleghem BIOMATH Universiteit Gent Procescontrole en

2 Doelstellingen van regelaars (I) Regeling: Garanderen van stabiliteit van resultaten Sturing: Optimalisering van de procesvoering Doel Regelaar Proces Resultaat Sensor Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 2 van 26

procesvoering Doel Regelaar Proces Resultaat Sensor

3 Doelstellingen van Regelaars (II) bij regelen: Storingsonderdrukking = Disturbance Rejection bij sturen: Volgen van de wijzigende optimale werkingsvoorwaarden = Setpoint tracking Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 3 van 26

van de wijzigende optimale werkingsvoorwaarden = Setpoint tracking

4 Doelstellingen van Regelaars (III) 1) Efficiënter gebruik van bestaande kapaciteit Effluent-kwaliteit maximaliseren Uitbatingskosten minimaliseren 2) Mogelijk maken om investeringen te drukken Nieuwbouw: Kleinere installaties -> zelfde resultaten Upgrade: Zelfde installatie -> betere resultaten Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 4 van 26

investeringen te drukken Nieuwbouw: Kleinere installaties -> zelfde resultaten Upgrade: Zelfde

5 Klassieke regelingen in WZI s Zuurstofconc.: DO-meter -> Beluchting Slibleeftijd: Biomassaconc. -> Slibspui Biomassaconc. : Influentdebiet -> Slibretour Nitraatconc.: Nitraatconc. -> Interne retour -> Externe COD Fosfaatconc.: Fosfaatconc. -> FeCl 3 -dosering Slibbezinking: SVI -> Polymeer-dosering Toxiciteit: %Inhibitie -> Bufferen Slibbelasting: Debiet/COD -> Bufferen Zuurtegraad: ph -> Zuur/base additie Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 5 van 26

-> FeCl 3 -dosering Slibbezinking: SVI -> Polymeer-dosering Toxiciteit: %Inhibitie -> Bufferen Slibbelasting: Debiet/COD ->

6 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 Robuuste of adaptieve regelaar nodig 2) Niet-lineair proces Gedrag onder vw. 1 Gedrag onder vw. 2 Onvoldoende theoretische onderbouw Regelaarontwerp vooral via simulatie Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 6 van 26

Niet-lineair proces Gedrag onder vw. 1 Gedrag onder vw.

7 Onderdelen van een regelkring Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 7 van 26

8 Terminologie Gemeten variabele Niet-gemeten variabele Verstoring Gemanipuleerde variabele Output Geregelde of gecontrolleerde variabele Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 8 van 26

gecontrolleerde variabele Procescontrole en -sturing van

9 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 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 9 van 26

regelaar Niet-lineaire regelaars Modelgebaseerde voorspellende regelaar

10 On/off regelaar thermostaat u AAN AF Temperatuur T setpoint level switches voor volumeregeling (bv. Influent-put) alarm acties (bv. Toxisch afvalwater naar calamiteitsbekken) Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 10 van 26

Toxisch afvalwater naar calamiteitsbekken) Procescontrole en

11 PID-regelaar, Werkpaard van de controle-ingenieur Basisvergelijking: t 1 u= u + K ε() t + () t dt+ p ε τ 0 τ I 0 D dε t dt () PI-regelaar: τ D = 0 P-regelaar: τ D = 0; τ I = Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 11 van 26

12 Het off-set probleem: Afstellen P-regelaar Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 12 van 26

13 Afstellen PI(D)-regelaar Toevoegen van I-actie kan destabiliserend werken! Algemeen overzicht: Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 13 van 26

14 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 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 14 van 26

feedback regeling is eerst afwijking nodig!

15 Ratio control Actie is proportioneel met een gemeten veranderlijke Klassieker: retourslibregeling Q ras = α Q in Andere: Dosering FeCl 3 evenredig met P-gehalte Polymeerdosering evenredig met slibconc. Q in Geen Ratio X AT X ras Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 15 van 26

P-gehalte Polymeerdosering evenredig met slibconc.

16 Cascade regelaar in serie geschakelde regelaars Snelle regelaar is slaaf van een trage regelaar Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 16 van 26

17 Cascade regelaar: een voorbeeld Zuurstofregeling met luchtdebietsregeling in cascade Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 17 van 26

18 Optimale Regelaar Ontwerp de regelaar op zulke wijze dat de doelfunctie: t J = ε 2 () t + u 2 () t dt 0 geminimaliseerd wordt. Afweging performantie/kost Voor lineaire systemen Analytische oplossing Voor niet-lineaire systemen Alleen via simulatie Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 18 van 26

Afweging performantie/kost Voor lineaire systemen Analytische oplossing Voor

19 Adaptieve Regelaar Metingen hebben dubbele taak -> Afwijking t.o.v. doel -> Regelaar aanpassen Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 19 van 26

20 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 Simulatie is de enige mogelijkheid Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 20 van 26

21 Niet-lineaire regelaars: Voorbeelden P-regelaar met verzadiging Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 21 van 26

22 Niet-lineaire regelaars: Voorbeelden P-regelaar met dode zone On-off regelaar met dode zone klassiek vb. ph-sturing Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 22 van 26

23 Modelgebaseerde Voorspellende Regelaar Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 23 van 26

24 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) Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 24 van 26

25 Modelondersteunde Regeling Biosensor Chemischfysische Sensor Modelvalidatie Modelopbouw Model Scenarioanalyse Data Operator Sturing Sturingsalgoritme Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 25 van 26

26 Procescontrole en -sturing van een WZI (met bijzondere aandacht voor respirometrie) 26 van 26

Vergelijkbare documenten

Meet- en Regeltechniek

Meet- en Regeltechniek Les 7: De klassieke regelaars Prof. dr. ir. Toon van Waterschoot Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen ESAT Departement Elektrotechniek KU Leuven, Belgium Meet- en Regeltechniek: