Pomiary poziomu
Kolejną wielkością mierzoną w oczyszczalniach ścieków i stacjach uzdatniania wody jest poziom. Musi być monitorowany w sposób ciągły, a wykrywać trzeba m.in. przekroczenia jego granicznych wartości. Jest to wymagane do prawidłowego przebiegu procesów i bezpieczeństwa, np. aby uniknąć przepełnienia zbiorników. Wybór metody pomiaru zależy od wielu czynników, w tym głównie specyfiki mierzonego medium, warunków procesowych i środowiskowych. Ważne są także możliwości instalacji sensora i jego koszt. W pomiarach poziomu w branży wodno-kanalizacyjnej – ze względu na właściwości mierzonych płynów, które są często lepkie i/lub agresywne chemicznie – najczęściej stosuje się czujniki bezkontaktowe, ultradźwiękowe albo radarowe.
Zasada działania sensorów pierwszego typu polega na transmisji, np. do wnętrza zbiornika, sygnału akustycznego o częstotliwości do kilkudziesięciu kHz, który po odbiciu się od powierzchni medium powraca do detektora w czujniku. Na podstawie pomiaru czasu, który minął od wysłania impulsu do zarejestrowania jego powrotu, wyznaczana jest odległość dzieląca czujnik od medium. Znając całkowitą wysokość zbiornika, można na tej podstawie wyznaczyć poziom jego napełnienia. Zwykle na etapie montażu sensora w jego pamięci zapisuje się odległość, jaka dzieli go od dna zbiornika. Od niej następnie odejmuje się zmierzony dystans, żeby obliczyć poziom medium.
Na takiej samej zasadzie działają sensory radarowe. Od ultradźwiękowych różni je jednak długość fali sygnału pomiarowego – emitują impulsy mikrofalowe, czyli o częstotliwości z zakresu od 1 do 300 GHz, przy czym większość radarowych poziomomierzy pracuje w przedziale częstotliwości 6‒26 GHz. Ma to swoje konsekwencje w ograniczeniach i zaletach obu typów sensorów poziomu.
Czujniki poziomu w branży wod-kan
Czujniki ultradźwiękowe w branży wodno-kanalizacyjnej są popularne ze względu na elastyczność instalacji i minimalne wymagania konserwacyjne. W związku z problemami z kondensacją nowsze modele sensorów tego typu mają w standardzie wbudowane rozwiązania automatycznego usuwania skroplin. Realizuje się to przez monitorowanie sygnału emitowanego przez źródło ultradźwięków. Jego stłumienie oznacza wystąpienie kondensacji. Wówczas częstotliwość sygnału jest zwiększana, co skutkuje samooczyszczeniem się czujnika.
Przykładowe zastosowanie sensorów tego typu stanowi monitorowanie sit, na których osadzają się większe zanieczyszczenia na wstępnym etapie oczyszczania ścieków. Czujniki montuje się po obu stronach kratki. Jeżeli przepływ nie jest blokowany, wskazują one podobne poziomy wypełnienia kanału. Kiedy poziom ścieków przed sitem rośnie, oznacza to, że konieczne staje się oczyszczenie kratki z nagromadzonych na niej zanieczyszczeń.
Sensory radarowe natomiast sprawdzają się tam, gdzie możliwe jest wystąpienie piany, oparów oraz nagromadzenie się gazów nad mierzonym medium. Przykładem są zbiorniki, w których ścieki są oczyszczane metodą osadu czynnego, nad którymi unoszą się gazy będące produktami rozkładu zanieczyszczeń przez bakterie (metan, dwutlenek węgla) oraz zbiorniki wypełnione chlorem używanym do uzdatniania wody.
Fala akustyczna a elektromagnetyczna
Fala dźwiękowa jest falą mechaniczną. Oznacza to, że potrzebny staje się ośrodek, w którym może się rozchodzić. W przypadku ultradźwiękowych czujników poziomu jest nim powietrze. Na prędkość rozchodzenia się fali akustycznej wpływają jego temperatura, ciśnienie, gęstość i skład. Zmiany tych właściwości podczas pomiaru, np. podmuchy wiatru, skutkują błędami. Dlatego powinny być kompensowane np. przez wbudowane sensory temperatury i ciśnienia. Błędy powodują również wszelkie przeszkody między sensorem a powierzchnią mierzonego medium, takie jak piana.
Czujniki radarowe natomiast wykorzystują fale elektromagnetyczne. Nie wymagają zatem ośrodka (mogą rozchodzić się w próżni), którego właściwości, takie jak temperatura i ciśnienie, nie wpływają na pomiar. Znaczenie ma jednak stała dielektryczna. Materiały o jej niskiej wartości, zamiast odbijać, przepuszczają mikrofale. Generalnie cieńsze warstwy piany nie zafałszowują pomiarów poziomu czujnikiem radarowym. W ramce "Czujniki poziomu w branży wod-kan" przedstawiamy przykłady wykorzystania czujników obu typów.
Nowe technologie w sterowaniu
Wyniki pomiarów z czujników monitorujących przebieg procesów wraz z informacją o stanie pracy urządzeń wykonawczych są przesyłane do centralnego systemu nadzorującego pracę oczyszczalni lub stacji uzdatniania wody. Dane te są w nim rejestrowane oraz przetwarzane w celu wyznaczenia nastaw regulatorów sterujących poszczególnymi elementami wykonawczymi, np. pompami. Ustawienia te dobiera się tak, by uzyskać zadane wartości parametrów charakteryzujących przebieg procesów. Oprócz tego powinny być one ustalane w taki sposób, aby zapewnić maksymalną możliwość efektywność energetyczną, przy jednoczesnym zagwarantowaniu bezpieczeństwa całej instalacji.
W systemach sterowania pracą oczyszczalni ścieków i stacji uzdatniania wody wykorzystuje się głównie algorytmy ze sprzężeniem zwrotnym, takie jak regulatory dwupołożeniowe i PID. Przykładowo, pierwsze przełączają element wykonawczy między dwoma stanami na podstawie wyników pomiarów oraz zgodnie ze swoją charakterystyką przełączania. Algorytm ten znajduje zastosowanie m.in. w sterowaniu pracą pomp doprowadzających i odprowadzających ścieki ze zbiorników na podstawie pomiaru poziomu. Innym przykładem jest zamykanie i otwieranie zaworu doprowadzającego tlen w systemie dozowania powietrza do zbiornika napowietrzania mieszanki ścieków i osadu czynnego – w zależności od tego, czy stężenie rozpuszczonego tlenu spada, czy rośnie poniżej albo powyżej wymaganego poziomu.
Coraz częściej uzupełnieniem klasycznych algorytmów sterowania stają się te bazujące na sztucznej inteligencji. Sprawdzają się one przede wszystkim w zadaniach regulacji, w których kryteriów oraz parametrów optymalizacji jest wiele. Przykładowo, w sterowaniu pompami algorytmy oparte na AI nie tylko opierają się na aktualnej wartości poziomu napełnienia zbiornika, ale uwzględniają także m.in. czasy reakcji i bezwładność pomp oraz ciśnienia hydrauliczne w rurociągach.
Sterowanie pompami
Naprzeciw tym nowym możliwościom wychodzą producenci wyposażenia oczyszczalni ścieków i stacji uzdatniania, udostępniając zaawansowane funkcje sterowania. Przykład stanowią te implementowane w oprogramowaniu do obsługi przemienników częstotliwości, za pośrednictwem których zasilane i sterowane są silniki pomp. Uwzględniają one specyfikę pracy tych urządzeń w branży wodno-kanalizacyjnej.
Przykładem są różne tryby sterowania – jedną pompą albo kaskadą pomp połączonych ze sobą i obciążanych tak, aby utrzymać zadaną wartość zmiennej procesowej (ciśnienie, przepływ medium) na wyjściu. Dostępne są też funkcje ochronne i pomocnicze. Taką jest m.in. zabezpieczenie przed blokowaniem, które polega na monitorowaniu natężenia prądu silnika pompy. W przypadku jej zablokowania się będzie ono rosło. Po przekroczeniu wartości granicznej pompa zostaje na określony czas zatrzymana. Następnie jest uruchamiana ponownie, ale pracuje w przeciwnym kierunku, również przez pewien czas. Potem znów zostaje zatrzymana, a po ponownym uruchomieniu przywracany jest pierwotny kierunek obrotów. Jeżeli prąd dalej rośnie, podejmowane są kolejne próby odblokowania pompy. Gdy nie skutkują, zostaje ona zatrzymana i włącza się alarm. Podobnie działa funkcja detekcji wycieków, w której pompa jest wyłączana w reakcji na spadek ciśnienia roboczego. Kolejny przykład stanowi funkcja wykrywania suchobiegu, który skutkuje przegrzewaniem się pomp.
Monika Jaworowska
