ADEX, S.L. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO … · UNA DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES Caso practico Resumen ... biológica en su planta de San Fernando de Henares. Esta caso practico describe

ADEX, S.L. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO BIOLÓGICO EN UNA DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES Caso practico Resumen Este caso describe brevemente la tecnología ADEX, así como su aplicación a través del sistema de control ya instalado en planta. Posteriormente, analiza el entorno interactivo, variable y con grandes perturbaciones desconocidas, en el que se desarrolla el proceso biológico de depuración, define los objetivos de control y describe la estrategia de optimización aplicada, que se diseño basándose en la utilización de controladores ADEX.

A D E X

Optimización del Proceso Biológico en una Depuradora de Aguas Residuales

Javier Malia Baró1, Clara Pérez Molina2 y Juan M. Martín Sánchez3

1 Canal de Isabel II, Santa Engracia 125, 28003 Madrid (España)

Tel.: +34 91 445 10 00

2 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control E.T.S.I.I., Universidad Nacional de Educación a Distancia

C/ Juan del Rosal 12, Ciudad Universitaria, 28040 Madrid (España) Tel.:+34 91 398 77 46, fax:+34 91 398 60 28, e-mail: [email protected]

3 ADEX S.L. Ctra. de Valencia, km. 7,300, 28031 Madrid (España) Tel: +34 91 332 77 92, e-mail: [email protected]

Resumen La depuración de las aguas residuales ha pasado a ser en la sociedad moderna una necesidad de alta prioridad. Aunque el proceso de depuración es bien conocido en sus distintas fases mecánica, físico-química y biológica, en esta última las dificultades de control son extraordinarias. En efecto, los sistemas de control hasta ahora aplicados no pueden en general estabilizar satisfactoriamente los parámetros críticos del proceso de depuración biológica, en detrimento del rendimiento de la calidad del agua tratada y de la energía consumida en la depuración. En la búsqueda de una mejor solución para este problema el Canal de Isabel II decidió realizar un proyecto de aplicación de la nueva tecnología de control adaptativo predictivo experto (ADEX) al proceso de depuración biológica en su planta de San Fernando de Henares. Esta caso practico describe brevemente la tecnología ADEX, así como su aplicación a través del sistema de control ya instalado en planta. Posteriormente, analiza el entorno interactivo, variable y con grandes perturbaciones desconocidas, en el que se desarrolla el proceso biológico de depuración, define los objetivos de control y describe la estrategia de optimización aplicada, que se diseñó basándose en la utilización de controladores ADEX. Los resultados obtenidos fueron excelentes y se presentan en forma comparativa con relación al sistema de control previamente en operación.

Palabras clave: Control Adaptativo Predictivo Experto, tratamiento de perturbaciones en procesos de control.

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1. Introducción Numerosas plantas depuradoras de aguas residuales se han construido en España y en otros países en la última década, y muchas más están previstas en los años próximos para poder ajustarse a la normativa europea sobre el medio ambiente. El proceso de depuración es bien conocido en sus distintas fases mecánica, físico-química y biológica, pero en esta última las dificultades de control son extraordinarias. En efecto, los sistemas de control hasta ahora aplicados, basados en el uso de controladores PID, no pueden estabilizar satisfactoriamente los parámetros críticos del proceso de depuración biológica, dada la variabilidad del mismo, las perturbaciones que le afectan y su carácter interactivo. Todo ello repercute en detrimento del rendimiento de la planta y, particularmente, de la calidad del agua tratada y de la energía consumida en la depuración. El Canal de Isabel II, compañía suministradora y administradora de las aguas en la Comunidad de Madrid, decidió, en la búsqueda de una mejor solución, para el control del proceso de depuración biológica, realizar un proyecto piloto en su planta depuradora de Casaquemada en San Fernando de Henares. Este proyecto, desarrollado por la empresa de ingeniería Alfatec, consistió en la aplicación de la nueva tecnología de control adaptativo predictivo experto (ADEX) al proceso de depuración biológica en la mencionada planta. Esta comunicación describe brevemente, en su Apartado 2, la tecnología ADEX y su aplicación a través del sistema de control ya instalado en planta. La tecnología ADEX es una nueva generación de control adaptativo predictivo [1-3], que integra este último con el control experto, con el fin de ofrecer una solución de control completa y única, capaz de aplicar control experto, cuando es requerido, y control adaptativo predictivo, cuando es posible. Se presenta como una solución software, patentada internacionalmente [4], denominada ADEX COP (Control & Optimization Platform), fácilmente integrable en el PLC o DCS ya instalado o por instalar en planta y que contribuye al control y guiado preciso de las variables críticas del proceso y de esta forma a la optimización en la operación del mismo. Posteriormente, el Apartado 3 describe el proceso de depuración biológica, las balsas que se utilizan con su cultivo bacteriano, y su naturaleza interactiva y variable con el tiempo, debido a su carácter biológico, pero también a las perturbaciones no medibles que afectan de forma intermitente al proceso. Este entorno interactivo, variable y con grandes perturbaciones desconocidas, es el que determina la dificultad en el control de este proceso y la ausencia, hasta el presente, de una solución capaz de optimizar su operación. Los objetivos de control, los controladores ADEX utilizados, la estrategia de optimización aplicada en el proceso de depuración y sus fundamentos, se describen en el Apartado 4. Los resultados obtenidos por la nueva tecnología ADEX se presentan en forma comparativa, con relación al sistema de control

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previamente en operación, en el Apartado 5. El Apartado 6 analiza dichos resultados y, particularmente, el control de presión de aire y el control de oxigeno en las balsas, indicativo de la calidad de la depuración que se realiza. Finalmente el Apartado 7 presenta las conclusiones, donde se resumen las ventajas de la nueva tecnología. 2. Descripción de la tecnología ADEX y de su aplicación A. La tecnología ADEX ADEX es una nueva tecnología de control que integra el control adaptativo predictivo con el control experto, con el fin de ofrecer una solución de control completa y única, capaz de aplicar control robusto, cuando es requerido, y control adaptativo predictivo, cuando es posible, optimizando de esta forma la operación global del proceso. De esta forma ADEX combina la experiencia del operador, que define las capacidades del control experto, con la más fina tecnología en tiempo real para la modelización de la relación causa-efecto del proceso y el guiado predictivo de las variables del mismo hacia sus consignas, que pasan a ser los puntos de operación estable, precisa y óptima. B. Dominios ADEX y operación básica ADEX combina control adaptativo predictivo con control experto definiendo dominios de operación para cada uno de ellos en una estructura de control integrada. La evolución de las variables del proceso determina si debe aplicarse al proceso control adaptativo predictivo o control experto, de acuerdo con el correspondiente dominio de operación. Los dominios adaptativos predictivos (AP) son aquellos en los que la relación dinámica causa-efecto, entre las variables de entrada y salida del proceso, puede ser identificada por medio de un modelo variable con el tiempo ajustado en tiempo real por un mecanismo de adaptación. En estos dominios se puede aplicar control adaptativo predictivo y la operación del proceso es optimizada. Asimismo ADEX permite la aplicación de control experto en ciertos dominios de operación donde el control manual puede proporcionar un control más robusto y eficiente que el control adaptativo predictivo. Esto puede suceder cuando una relación causa-efecto entre las variables de E/S no puede derivarse en tiempo real o cuando adquirir dicho conocimiento llevaría cierto tiempo y no resultaría en una mejora sobre el control manual. Estos dominios de operación se sitúan habitualmente en los límites del rango de operación normal de las variables del proceso. La experiencia del operador es utilizada para derivar las reglas que imitan la inteligencia del control manual. Bajo el control experto de ADEX, los dominios

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expertos de ADEX sirven como un cauce que siempre conducen las variables del proceso hacia los dominios AP, donde se aplica el control adaptativo predictivo. C. Aplicación de la tecnología ADEX La aplicación de la tecnología ADEX se lleva a cabo a través de la instalación sencilla de una Plataforma software de Control y Optimización de ADEX, denominada ADEX COP (acrónimo de “ADEX Control and Optimization Platform”), en el sistema local de control del proceso. Como se ilustra en la Figura 1 adjunta, ADEX COP es un paquete software, que se ejecuta sobre Windows, que incluye: a. Un programa Ejecutor, diseñado para ejecutar como un servicio Windows NT el código de los controladores ADEX. b. Una librería dinámica DLL, que gestiona en tiempo real la actualización de la base de datos utilizada por el programa ejecutor y el envío de acciones de control al sistema local. c. Un programa de Configuración, que permite la definición, configuración, monitorización y la activación de ciertos modos internos de operación de los controladores ADEX.

Figura 1. Estructura Software de ADEX COP.

ADEX COP permite al sistema de control local integrar controladores ADEX en su lógica de control, la cual determina: d. El tratamiento que las variables de salida del proceso reciben antes de ser utilizadas por los controladores ADEX. e. El tratamiento que las señales de salida de los controladores ADEX reciben antes de ser aplicadas al proceso. f. La búsqueda de los puntos de operación que optimizan la operación del proceso, lo que es posible gracias al control preciso y a la estabilidad proporcionada por los controladores ADEX.

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Figura 2. Integración de los Controladores ADEX en la Lógica del Sistema Local

Esta integración representada gráficamente en la Figura 2, convierte al sistema de control local en un sistema avanzado de control y optimización multivariable capaz de: g. Conseguir un control robusto y preciso de las variables críticas del proceso en todo su rango de operación, teniendo en cuenta sus interacciones. h. Buscar automáticamente las consignas de operación óptimas, guiando al mismo tiempo las variables del proceso hacia las mismas. i. Responder óptimamente a las perturbaciones cualesquiera que sean las condiciones de operación. De esta forma el sistema de control instalado en planta se convierte en un sistema de optimización ADEX capaz de conseguir la optimización del proceso. D. Bloques de control y diagramas ECO Para su optimización el proceso se divide en Bloques de Control. Dichos bloques consideran conjuntos de variables críticas, cuyas interacciones obligan a una optimización conjunta de la evolución de las mismas. A cada bloque de control corresponde una Estrategia de Control y Optimización (ECO), que se define mediante un diagrama que interconecta bloques de Lógica de Operación Complementaria (LOC) y controladores ADEX de la forma indicada en la Figura 2. Los controladores ADEX llevan a cabo el control robusto, preciso y multivariable que estabiliza la evolución del proceso y permite guiar sus variables a puntos de operación óptimos. Por su parte la LOC permite realizar el tratamiento para que la relación entre las variables de E/S del proceso y de los controladores ADEX sea la adecuada. Adicionalmente, aprovechando las condiciones de estabilidad creadas por ADEX, la LOC se diseña para desplazar

las consignas de los lazos ADEX en la dirección apropiada hasta encontrar los mencionados puntos de operación óptimos. 3. Descripción del proceso y problemática de control A. Descripción del proceso El proceso de depuración biológica en cuestión esta representado en la Figura 3, donde puede observarse cómo las cuatro balsas en las que la depuración se realiza se alimentan con agua a depurar por la izquierda, con caudales que pueden variar de unas a otras.

Figura 3. Proceso de Depuración Biológica en la Planta de Casaquemada

La depuración se realiza por el crecimiento en las balsas de una flora bacteriana que fagocita la suciedad. Asimismo, puede observarse cómo existe en cada una de las balsas un caudal de lodos, que se retiran por el fondo y parcialmente se reciclan por la parte superior, de forma proporcional al caudal de agua de entrada a las balsas. De esta forma el exceso de población bacteriana se retira y se recicla al mismo tiempo, para mantener en las mejores condiciones su capacidad de depuración. El aire que aporta el oxígeno a las balsas se conduce por un conducto, que aparece en la parte inferior de la Figura 3, en el que es inyectado a presión por un turbo y en su caso, cuando es necesario, por una o varias soplantes. La acción del turbo es regulada mediante la posición del difusor, pero las soplantes no admiten regulación y la entrada o salida de su actuación se decide cuando la acción reguladora sobre el turbo no es suficiente para mantener, por exceso o

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por defecto, la presión de aire en dicho conducto en el valor deseado. El mencionado conducto alimenta de aire a presión cada una de las tuberías que originan el borboteo de aire desde el fondo de las balsas, que permite en definitiva mantener un nivel de oxígeno en las mismas. Válvulas de tipo mariposa se utilizan en la regulación del acceso de aire a presión a cada una de las mencionadas tuberías. El objetivo de una regulación ideal de este proceso de depuración, atendiendo a la instrumentación de la que se dispone, consistiría en mantener un nivel de oxígeno adecuado para la acción depuradora y la permanencia de la colonia bacteriana en cada una de las balsas, manteniendo al mismo tiempo una presión de aire en el conducto que, haciendo posible el nivel deseado de oxígeno, consumiera un mínimo de energía. La medida del nivel de oxígeno nos vendrá dada por el sensor colocado en la antepenúltima celda de las respectivas balsas. B. Problemática de control La problemática de control esta relacionada con las siguientes características del proceso y su entorno: 1) Dinámica biológica del proceso. Experimentalmente se conoce que existe un determinado nivel de oxígeno en las balsas que es óptimo para la reproducción de la flora bacteriana que elimina la suciedad del agua, pero la aportación de aire requerida para alcanzar dicho nivel variará en gran medida para cada balsa dependiendo del estado de la propia flora bacteriana en la misma y del grado de suciedad que contenga el agua que alimenta la balsa en cuestión. La flora bacteriana de cada balsa está en continua evolución, dependiendo del contenido de oxigeno y de suciedad en la balsa y, a su vez, dicha evolución determina el cambio en suciedad y en oxigeno. En consecuencia, la relación causa-efecto entre el aire que se inyecta en la balsa y el oxígeno medido tiene un carácter dinámico complejo y extremadamente variable con el tiempo. 2) Contexto de operación de carácter aleatorio. El contexto de operación del proceso biológico de depuración tiene un carácter aleatorio con grandes cambios, tanto en el caudal de agua a depurar como en su contenido de suciedad, y aunque es cierto que existen ciertos ciclos, la variabilidad en los mismos y la intensidad con que se producen es difícil o prácticamente imposible de predecir. 3) Falta de información sobre el proceso. La información sobre el estado del proceso es limitada, no existiendo en tiempo real una medida fiable del contenido de suciedad que transporta el agua a tratar. El desarrollo de sensores de la Deficiencia Biológica de Oxigeno (DBO), despertó en su momento grandes expectativas, que hasta el presente no han llegado a materializarse en una medida fiable y continua. La única información razonablemente fiable de

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que se dispone, al menos en la planta considerada, es la medida aportada por el sensor de oxigeno en la penúltima celda de la balsa. 4) Instrumentación inadecuada. La aplicación de señales de control, en la planta considerada en esta comunicación, se realiza a través de una instrumentación, probablemente representativa de la que se dispone en este tipo de plantas, que es inadecuada o mejorable. Así, las válvulas que permiten el acceso de aire a presión a cada una de las balsas son de tipo mariposa y, en consecuencia, un mismo incremento en la apertura de las mismas puede tener repercusiones muy distintas dependiendo de su posición previa, pudiendo traducirse en un incremento moderado o desmesurado del caudal de aire inyectado a la balsa en cuestión, asociado a una variación correspondiente en la presión del conducto principal de aire. Asimismo, aunque se dispone, como señal de control, de la posición del difusor para regular la inyección de aire a presión desde la turbo, la acción de control sobre las soplantes de apoyo es de tipo todo-nada. 5) Naturaleza interactiva del proceso. Las acciones de control sobre las válvulas, que regulan el acceso de aire a presión a cada una de las balsas, influyen, como ya se ha indicado, sobre la presión en el conducto principal de aire del proceso y en consecuencia, de forma interactiva, sobre el comportamiento dinámico de las otras balsas. Este tipo de interacción se ve agravado, en intensidad y aleatoriedad, por el tipo de instrumentación disponible, considerada en el punto anterior. 4. Objetivos, estrategia y fundamentos A. Objetivos y lazos de control Teniendo en cuenta la naturaleza y entorno del proceso, así como la instrumentación disponible, los objetivos de control que se fijaron se definen en los siguientes puntos: 1) Mantener la señal de oxígeno en cada una de las balsas a un nivel constante, elegido por el operador. 2) Mantener un nivel de presión de aire en el conducto principal que permita un control óptimo de la señal de oxígeno en cada una de las balsas, al mismo tiempo que se minimiza el consumo de energía eléctrica en el turbo y las soplantes. Este objetivo de control no era diferente del que se había fijado para el sistema de control previo y para lograrlo se sustituyeron los lazos de control PID preexistentes por controladores ADEX, que se describen a continuación:

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a) Cuatro controladores ADEX, uno para cada una de las balsas, que controlan la señal de oxígeno, en cada una de ellas, actuando sobre la posición de válvula del correspondiente acceso de aire. b) Un controlador ADEX, que controla la presión de aire en el conducto principal actuando sobre la posición del difusor del turbo. B. Estrategia de control y optimización La utilización de los controladores ADEX previamente descritos se encuadró en la estrategia de control y optimización que se describe en los siguientes puntos: 1) Estrategia de presión en aumento.- Cuando en una de las balsas la posición de la correspondiente válvula está por encima de un cierto umbral (40%) y al mismo tiempo la medida de oxígeno es inferior a su consigna en un cierto valor (0.25%), y esta situación se mantiene durante un cierto tiempo (180 seg.), se aumentará en un cierto incremento (0.001 bares) la consigna del controlador ADEX de presión. El consiguiente aumento de presión en la conducción principal tendrá por efecto aumentar el valor de oxígeno medido en la balsa en cuestión, reconduciéndolo hacia su consigna, y reducir la apertura de la correspondiente válvula, posicionándola en un rango más deseable para el control. Los valores entre paréntesis han sido los utilizados en la obtención de los resultados que se presentan posteriormente en esta comunicación. 2) Entrada de soplante por presión en aumento.- Cuando el controlador ADEX posiciona el difusor del turbo al máximo y la presión permanece por debajo de la consigna un cierto valor (0.0005 bares) durante un cierto periodo de tiempo (360 seg.), entonces se arranca una soplante. Generalmente no se necesita en ningún caso la actuación de más de cuatro soplantes, que son las que están disponibles. 3) Estrategia de presión en disminución.- Cuando en una de las balsas la posición de la correspondiente válvula está por debajo de un cierto umbral (20%) y al mismo tiempo la medida de oxígeno es superior a su consigna en un cierto valor (0.25%), y esta situación se mantiene durante un cierto tiempo (180 seg.), se disminuirá en un cierto incremento (0.001 bares) la consigna del controlador ADEX de presión. La consiguiente disminución de presión en la conducción principal tendrá por efecto disminuir el valor de oxígeno medido en la balsa en cuestión, reconduciéndolo hacia su consigna, y aumentar la apertura de la correspondiente válvula, posicionándola en un rango más deseable para el control. 4) Salida de soplante por presión en disminución.- Cuando el controlador ADEX posiciona el difusor del turbo al mínimo y la presión permanece por encima de la consigna un cierto valor (0.0005 bares) durante un cierto periodo de tiempo (360 seg.), entonces se para una soplante de las que están en operación. Puede ocurrir que, cuando el agua de alimentación a las balsas lleva

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un exceso de oxígeno (por ejemplo a causa de la lluvia), se llegue a la circunstancia en este punto descrita sin que esté ninguna soplante en operación. En este caso, el turbo quedaría operando con el difusor cerrado al mínimo y asegurando una presión de seguridad en las tuberías que impide su inundación por agua. C. Fundamentos de la estrategia de control y optimización La estrategia de control y optimización previamente descrita se basa en el control preciso de la presión de aire en el conducto principal que, en cualquier circunstancia, es capaz de proporcionar, como observaremos en la presentación de resultados, el correspondiente controlador ADEX. Dicho control preciso hace que la estrategia utilizada, pueda encontrar y mantener en todo momento los valores idóneos (óptimos) de presión de aire en el conducto principal, y asimismo limite el efecto de las interacciones previamente descritas entre las balsas. Dichos valores idóneos de presión se encuentran al aplicar la lógica de control definida en los puntos A) a D) del apartado anterior. Ellos facilitan la operación de los controladores ADEX de oxígeno, haciendo que las válvulas mariposa se mantengan en su rango más favorable de operación, teniendo de esta forma en cuenta las deficiencias en la instrumentación y asegurando la realizabilidad física de los objetivos de control. Asimismo, esta estrategia de control y optimización está basada en la capacidad de adaptación de los distintos controladores ADEX de oxígeno a las distintas dinámicas biológicas de las balsas, a los cambios en la presión de aire, a las variaciones del caudal de agua de alimentación y a las drásticas perturbaciones, desconocidas y aleatorias, en términos de contenido en suciedad del agua tratada. 5. Resultados obtenidos Este apartado presenta los resultados obtenidos por la aplicación de la nueva tecnología ADEX al proceso de depuración biológica en la planta de Casaquemada. Los resultados se presentan en gráficas que muestran la operación de los distintos lazos de control y, particularmente, la evolución de su consigna (SP) en rojo, variable de proceso a controlar (PV) en verde y acción de control (OUT) en blanco. Adicionalmente, en las gráficas correspondientes al control de presión de aire, se muestra el número de soplantes en operación (NS) en azul.

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Con el fin de poder analizar comparativamente los resultados obtenidos por la aplicación de la tecnología ADEX, las figuras 4 a 8 presentan 24 horas de operación del sistema de control previo y, particularmente, de los lazos de control PID de la presión de aire en el conducto principal y el oxígeno en las cuatro balsas, respectivamente. Los resultados presentados en dichas figuras se han elegido para ilustrar el mejor comportamiento observado en la operación del sistema previo y servir así de referencia adecuada para evaluar el rendimiento de la aplicación ADEX.

Figura 4. Control PID de la Presión de Aire.

Figura 5. Control PID de Oxígeno en Balsa 1.

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Después de un periodo de lluvias que mantenía el oxígeno de las balsas en valores muy elevados (por encima del 5%), a pesar de estar cerradas todas las válvulas de acceso de aire a las balsas y el difusor del turbo, y la presión de aire era asimismo muy elevada (por encima de 0.47 bares), precisamente por la misma circunstancia indicada, las figuras 9 a 13 presentan la entrada en operación del nuevo sistema ADEX y, particularmente, la entrada en operación de los controladores ADEX de presión de aire y de oxígeno en las cuatro balsas, respectivamente, cuando el efecto de la lluvia desaparece. La escala de tiempo en estas figuras es asimismo de 24 horas y la desaparición del efecto de las lluvias empieza a notarse alrededor de las 15:00 horas del día 9 de Febrero.

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Figura 9. Control ADEX de la Presión de Aire Después de un Período de Lluvias.

Figura 10. Control ADEX de Oxígeno en Balsa 1 Después de un Período de Lluvias.

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Por su parte, las figuras 14 a 18 muestran detalles de 1hora de las figuras 9 a 13, cuando los controladores ADEX han entrado ya en operación.

Figura 14. Detalle (1 Hora) del Control ADEX de la Presión de Aire.

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Figura 15. Detalle (1 Hora) del Control ADEX de Oxígeno en Balsa 1.


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Adicionalmente, las figuras 19 a 23 muestran la operación de los controladores ADEX de presión de aire y de oxígeno de las balsas, durante 21 y 24 horas respectivamente. En la Figura 19 se muestra asimismo la variación del número de soplantes en operación (NS), que permite mantener la presión de consigna.

Figura 19. Control ADEX (21 Horas) de la Presión de Aire.

Figura 20. Control ADEX (24 Horas) de Oxígeno en Balsa 1.

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Por su parte la Figura 24 muestra, en escala de tiempos de 1 hora, el detalle del funcionamiento del controlador ADEX de presión de aire en presencia del arranque de una soplante.

Figura 24. Detalle (1 Hora) de Control ADEX de la Presión de Aire en Presencia del Arranque de una Soplante.

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Las figuras 25 y 26 presentan, además de la operación del controlador ADEX de oxígeno en la balsa Nº 1 durante 1 hora, la evolución simultánea de la presión de aire en el conducto principal, e ilustran el rendimiento de dicho controlador en presencia de una entrada y una salida de soplante, respectivamente. Los instantes de entrada y salida de la soplante, en cada una de las gráficas, se detectan por su efecto en la presión de aire, que durante un transitorio se desvía por encima o por debajo, respectivamente, de su consigna de operación.

Figura 25. Detalle (1Hora) de Control ADEX del Oxígeno de la Balsa 1 en Presencia de la Entrada de una Soplante.

Figura 26. Detalle (1Hora) de Control ADEX del Oxígeno de la Balsa 1 en Presencia de

la Salida de una Soplante.

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Las figuras 27 y 28 ilustran el mismo rendimiento que las figuras 25 y 26, pero en este caso para el controlador ADEX de oxígeno de la balsa Nº 2.

Figura 27.- Detalle (1Hora) de Control ADEX del Oxígeno de la Balsa 2 en Presencia de la Salida de una Soplante

Figura 28.- Detalle (1Hora) de Control ADEX del Oxígeno de la Balsa 2 en Presencia de

la Salida de una Soplante

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6. Análisis de los resultados En primer lugar el análisis de los resultados debe constatar el rendimiento del sistema de control previo, basado en la utilización de controladores PID, tal y como queda reflejado en las figuras 4 a 8. Oscilaciones continuas y muy significativas pueden observarse tanto en el control de la presión, Figura 4, como en el control del oxígeno en las distintas balsas, figuras 5 a 8. Como ya se ha indicado, estos resultados han sido seleccionados para mostrar el mejor funcionamiento del sistema previo. Sin embargo, no dejan de poner de relieve la incapacidad de la metodología PID, a pesar de la amplia experiencia en su aplicación a esta planta, para controlar o simplemente estabilizar un proceso tan complejo, cambiante y desconocido como el de la depuración biológica que nos ocupa. En la Figura 4 aparece la escala de presión de aire en bares. La correspondiente escala de posición del difusor es, para esta gráfica y para todas las de control de presión de aire, la que aparece en la Figura 19, estando el rango de variación significativo para dicha posición entre 0 y aproximadamente 45%. Asimismo en las gráficas 5, 6 y 8 aparece la escala de porcentaje de oxígeno y, en la gráfica 7, la correspondiente escala de posición de válvula, siendo estas escalas aplicables a todas las gráficas de control de oxígeno en las balsas. El rango significativo de la posición de válvula en el control de oxígeno varía entre el 7 y el 60%. A continuación analizaremos del rendimiento del nuevo sistema, teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el control de presión de aire en el conducto principal, el control del oxígeno en las balsas, y la verificación de la estrategia global expuesta en el Apartado 5. A. Control de presión Las figuras 9, 14, 19 y 24 ilustran el rendimiento del controlador ADEX de presión de aire. En la Figura 9 puede observarse: 1) Debido al efecto del agua de lluvia con gran nivel de oxígeno, que mantiene cerradas las válvulas de acceso de aire a las balsas, la presión se mantiene en valores muy elevados (por encima de los 0.47 bares) hasta un poco antes de las 14:58 donde empieza a decrecer debido al inicio de la apertura de las válvulas de acceso de aire a las balsas una vez acabado el efecto oxigenante del agua de lluvia. 2) La actuación del controlador ADEX inicia la apertura del difusor pasadas las 16:00 horas y puede observarse que, a pesar de situar la posición del difusor al máximo, la presión se mantiene en un cierto intervalo por debajo de la consigna, lo que hace arrancar una soplante. Después de arrancada la soplante, el controlador ADEX hace descender drásticamente la posición del difusor, compensando perfectamente la entrada de la soplante y manteniendo la presión

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en su consigna. La entrada de la soplante está indicada por la línea azul de número de soplantes, que cambia del nivel más bajo (ninguna soplante) a un primer nivel (una soplante). La línea azul de número de soplantes puede alcanzar hasta un cuarto nivel, cuando hay cuatro soplantes en operación, pero no es visible cuando en otras gráficas del control de presión se superpone con otras variables del lazo. Como ya se ha indicado, la escala de la posición del difusor, en ésta como en las restantes figuras del control de presión, es la que aparece en la figura 19, correspondiendo aproximadamente la posición de apertura significativa máxima del mismo al 45%. 3) Posteriormente, después de las 17:00 horas puede observarse que el controlador ADEX va incrementando progresivamente la posición del difusor, seguramente debido a una mayor carga de suciedad del agua tratada, manteniendo en todo momento un control preciso de la presión en su consigna. Es importante señalar cómo el controlador ADEX se adapta inmediatamente a las condiciones cambiantes del proceso y como compensa perfectamente la acción de una perturbación desconocida, cómo es la entrada en operación de una soplante. La gran precisión alcanzada en el control de presión puede observarse en la Figura 14, que muestra el detalle de una hora de la Figura 9, cuando el controlador ADEX ha entrado ya en operación. En efecto, en dicha figura la consigna de presión está en 0.452 bares y se constata que, durante toda la hora, la presión medida no desciende por debajo de la línea de indicación de 0.45 bares. Así pues, la precisión de control obtenida se concreta en una desviación de la consigna inferior a 0.002 bares. Por otra parte puede asimismo observarse que, para obtener dicha precisión en el control, la posición del difusor sufre cambios significativos. Estos cambios compensan el efecto de las variaciones de la posición de las válvulas de acceso de aire a las balsas sobre la presión del conducto principal. De esta forma, estabilizando dicha presión, se eliminan los efectos de interacción en el control de las distintas balsas, descritos en el Apartado 4. En la Figura 19 se presentan 21 horas de control ADEX de presión en presencia de salida y entrada de soplantes y en ella puede observarse: 1) Durante las primeras doce horas mostradas en la gráfica, el número de soplantes en operación (línea azul) es inicialmente 3, posteriormente desciende a 2 y finalmente desciende a 1. Al pasar el número de soplantes de 3 a 2, aproximadamente a las 00:42:00 del 17 de Febrero, y de 2 a 1, aproximadamente a las 5:25:00 del mismo día, se observa la salida de la soplante y, durante un breve período de tiempo, una vuelta a entrar de la misma, para salir definitivamente. En el primer caso el sistema se encuentra por un momento en la frontera de actuar con 3 soplantes y al mínimo del difusor o con 2 soplantes y al máximo del difusor, y en el segundo caso ocurre lo mismo con 2 y 1 soplantes.

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Superada esta circunstancia, se observa que la salida de una soplante coincide con un incremento sustancial de la señal de control (posición del difusor), para compensar la mencionada salida. Posteriormente, el descenso paulatino de dicha señal de control, para mantener la presión en su consigna, indica la menor demanda de aire por parte de los controladores ADEX del oxígeno en las balsas. 2) Durante las últimas 9 horas mostradas en la gráfica puede observarse cómo existe un punto de inflexión en la demanda de aire por parte de las balsas, aproximadamente a las 12:42:50 del 17 de Febrero, cuando la tendencia decreciente en la posición del difusor se invierte. Posteriormente la posición del difusor llega a un máximo, momento en el que el número de soplantes en operación pasa de 1 a 2, aproximadamente a las 14:46:30. La entrada de la soplante hace descender al mínimo la posición del difusor, pero la continuada demanda de aire provoca de nuevo un crecimiento rápido de la posición del difusor que, al llegar al máximo, determina la entrada en operación de una tercera soplante, aproximadamente a las 15:42:50. Es importante señalar que, excepto en los momentos de entrada y salida de soplantes, donde un transitorio aleja brevemente la presión de su consigna, la precisión en el control de la presión es equivalente a la observada, y previamente cuantificada, en la Figura 14. La continua variación de la posición del difusor, manteniéndose la presión en su consigna, permite compensar los importantes cambios que de forma continua se están produciendo en el proceso de depuración, y pone de relieve la capacidad de adaptación del controlador ADEX a un contexto tan complejo y tan variable. La Figura 24 muestra un detalle de una hora de la Figura 19, que recoge el momento de entrada de la soplante que se produce aproximadamente a las 14:46:30. Como puede observarse, la entrada de la soplante hace que la presión se desvíe de la consigna, cuyo valor es 0.460 bares, hasta 0.474 bares, es decir, en un incremento de 0.014 bares, pero el controlador ADEX, actuando drásticamente sobre la posición del difusor, consigue que la presión vuelva a su consigna en menos de tres minutos. Esta reacción del controlador es ilustrativa del comportamiento del mismo en presencia de entradas y salidas de soplantes, y muestra la excelente reacción del controlador ADEX a este tipo de importantes perturbaciones, discontinuas y no medibles, que se producen debido a las limitaciones de la instrumentación de que se dispone. La eficiencia del controlador ADEX hace que estas limitaciones no tengan prácticamente ninguna repercusión sobre el rendimiento del proceso. Cómo demuestran las figuras 25 y 26, para la balsa No.1, y 27 y 28, para la balsa No. 2, la eficaz reacción del controlador ADEX de la presión de aire hace que las entradas y salidas de soplantes prácticamente no tengan repercusión en el control de oxígeno de las balsas.

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B. Control de oxígeno en las balsas Las figuras 10 a 13 muestran el control del oxígeno en las balsas 1 a 4, respectivamente, después de que el efecto del agua de lluvia, que mantiene el oxígeno en niveles muy elevados, desaparezca. Aunque la caída del oxigeno es bastante abrupta cuando el mencionado efecto acaba, los cuatro controladores ADEX, reaccionando para cada balsa en forma distinta, logran que, aproximadamente en el plazo de 2 horas, el contenido de oxígeno en todas ellas se estabilice alrededor del valor de consigna, en este caso, del 3%. Posteriormente, y como muestra el detalle de 1 hora de control de oxígeno presentado respectivamente en las figuras 15 a 18 para las cuatro balsas, la precisión obtenida se traduce en una desviación no superior al 0.3% de la medida de oxígeno en las distintas balsas con respecto a su consigna. Las figuras 20 a 23 muestran 24 horas de operación de los controladores ADEX del oxígeno en las distintas balsas. En estas figuras puede observarse que las variaciones en las señales de control (posición de las válvulas) son significativas y en muchos casos con cambios marcadamente discontinuos, lo que permite compensar los cambios permanentes y a veces de carácter marcadamente discontinuo que se producen en las condiciones de operación de las balsas, manteniendo las medidas de oxígeno en todo momento muy cerca de sus consignas. Por último, las figuras 25 y 26, para la balsa 1, y las 27 y 28, para la balsa 2, ilustran como los controladores ADEX de oxígeno pueden perfectamente absorber la perturbación que representan entradas y salidas de soplantes, sin que se produzca una desviación significativa de las medidas de oxígeno de sus puntos de consigna. Realmente esta perturbación se ve ya muy mitigada por la actuación del controlador de presión, comentada previamente, que deja para los controladores de oxígeno únicamente la compensación de una desviación transitoria en la presión de aire en el conducto principal, lo que estos realizan de forma tan eficaz como la mostrada en las figuras de referencia. C. Verificación de la estrategia global Los resultados obtenidos constatan la verificación y la validez de la estrategia de control y optimización diseñada y materializada. Como hemos analizado previamente el rendimiento de los controladores ADEX de presión y de oxígeno ha resultado ser excelente, pero la coordinación de sus operaciones, necesaria para crear el contexto en que dicha excelencia se puede alcanzar, ha sido asegurada por la estrategia aplicada y descrita en el Apartado 4. A su vez debe señalarse que la aplicación de la estrategia en cuestión es posible únicamente gracias a la estabilidad y precisión obtenida por los controladores ADEX, ya que un comportamiento oscilatorio o errático de las variables en los lazos de control

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impediría discriminar adecuadamente las condiciones que permiten la correcta ejecución de la estrategia de control y optimización. 7. Conclusiones La tecnología de control adaptativo predictivo experto ADEX ha sido utilizada para implantar una estrategia de control y optimización en la operación del proceso biológico de la planta de Casaquemada. A pesar del carácter extremadamente complejo, cambiante y desconocido del proceso, y de las perturbaciones aleatorias y discontinuas que sobre él actúan, los resultados prácticos han sido los siguientes: a. El nuevo sistema ADEX ha estabilizado las variables del proceso en sus

consignas, eliminando definitivamente las desviaciones y oscilaciones, continuas y muy significativas, de la presión, en el conducto principal de aire, y del oxígeno en las distintas balsas, típicas de la operación del sistema de control previo.

b. El control de la presión de aire en el conducto principal consigue una gran precisión, que en general se materializa en desviaciones inferiores a 0.002 bares con respecto a la consigna.

c. Cuando se producen entrada o salida de soplantes, la reacción del controlador ADEX es encomiable, reduciendo el transitorio que se produce en la presión a menos de tres minutos, con una desviación máxima con respecto a la consigna inferior a 0.015 bares.

d. El control del oxígeno en las distintas balsas consigue una precisión que se materializa en general en desviaciones inferiores al 0,3% con respecto a la consigna.

e. Asimismo, la perturbación que representan entradas y salidas de soplantes es compensada, sin que se produzcan desviaciones significativas en las medidas de oxígeno con respecto a sus puntos de consigna.

f. Los resultados obtenidos constatan la verificación y la validez de la estrategia de control y optimización diseñada y materializada, que varía progresivamente las consignas de presión para adaptar, y minimizar, la energía consumida a los cambios que se producen en el proceso y permitir la operación óptima del mismo.

Agradecimientos Agradecemos al Canal de Isabel II el haber permitido llevar a cabo este proyecto, y a la empresa Alfatec su labor de soporte a lo largo del mismo.

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Referencias [1] J.M. Martín Sánchez, “Adaptive Predictive Control System”, USA Patent Nº 4,197,576, 1976. [2] J.M. Martín Sánchez, “A New Solution to Adaptive Control”, Proceedings of the IEEE, Special Issue on Adaptive Systems, August, 1976. [3] J.M. Martín Sanchez y J. Rodellar, “Adaptive Predictive Control: From the concepts to plant optimization”, Prentice Hall International, 1996. [4] J.M. Martín Sánchez, ”Adaptive Predictive Expert Control System”, International Patent Application. Application Nº PCT/US00/17836, Filing Date: June 28, 2000.

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