Scopo della ricerca. ATI AcmoTec (Ing. Antonio Allocca) Acque Ingegneria srl (per la disponibilità dei dati)
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- Eugenia Grandi
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1 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre 2015
2 Scopo della ricerca La misura in real-time dell abbattimento di carbonio ( COD) è uno dei principali indici di valutazione nella conduzione del processo Serve per valutare Il bilancio di massa ingresso-uscita L efficienza di depurazione Attualmente la misura viene effettuata attraverso analisi periodiche di laboratorio Ricerca svolta in collaborazione con ATI AcmoTec (Ing. Antonio Allocca) Acque Ingegneria srl (per la disponibilità dei dati) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
3 Il Soft-Sensor è utile nel caso di impianto telecontrollato INTERPRETAZIONE UTENTE OPERATORE CONTROLLO REMOTO TELECONTROLLO E SUPERVISIONE (Remoto) RETE DI COMUNICAZIONE MONITORAGGIO AUTOMAZIONE REGOLAZIONE ATTUAZIONE CONTROLLO AUTOMATICO (Locale) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
4 Cosa è un Soft-Sensor Sistema software per la ricostruzione di variabili di processo Inferenza di variabili non misurabili Informazioni SOFT-SENSOR MODELLO Misure Soft Ricostruite OSSSERVATORE Cross - validazione di variabili misurate SOFT-SENSOR Informazioni MODELLO OSSSERVATORE? Sensore Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre /79 4
5 Stima del COD abbattuto COD t COD ( t ϑ ) in () COD abbattuto out H ϑ = Tempo di Ritenzione Idraulica H Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
6 Il Problema La misura del COD (Chemical Oxygen Demand) è essenziale per conoscere L efficienza del processo Il bilancio di massa Viene effettuata una tantum in laboratorio Durata oltre 2 ore Il BOD (Biochemical Oxygen demand) richiede 5 giorni ed è scarsamente riproducibile Esistono sistemi automatici indiretti, che sono costosi e non del tutto affidabili Tipica situazione in cui l impiego di un softsensor può veramente essere vincente. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
7 La misura del COD CUVETTA TERMOREATTORE SPETTROFOTOMETRO Incubazione in termo reattore e successiva misura spettro-fotometrica. Durata: oltre 2 h Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
8 La misura del BOD Il BOD misura la biodegradabilità del refluo attraverso il consumo di ossigeno di una biomassa simile a quella presente nell impianto Troppo lento e non realizzabile in real-time. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
9 La Teoria Se il livello di ossigeno disciolto è mantenuto ad un livello costante, esiste una proporzionalità fra COD abbattuto e portata d aria, tenendo conto del ritardo ϑ H COD = COD ( t ) COD ( t ϑ ) = p U + p in out H 1 a 2 PID U a DO Qin Anox COD t COD ( t ϑ ) in () out Ox Settler H Qout Q r Q ras Q w Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
10 Inserimento del Soft-Sensor COD = COD ( t ) COD ( t ϑ ) = p U + p U a in out H 1 a 2 Soft Sensor COD U a = Portata d aria, trasmessa al Soft-Sensor Qin Anox U a in () Ox PID DO DO sp COD t COD ( t ϑ ) out H Settler Loop di regolazione dell ossigeno disciolto (DO) Qout Q r Q ras Q w Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
11 Ingegnerizzazione semplice del Soft-Sensor La corrispondenza lineare non è abbastanza performante se testata su dati generati da un modello ASM3 L approssimazione lineare non è sufficiente Retta ideale di corrispondenza Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
12 Ingegnerizzazione migliore del Soft-Sensor Sostituiamo alla relazione lineare un insieme di relazioni lineari fuzzy, che si adattino ai vari stati di funzionamento Partizione in clusters Gradi di appartenenza Calcolo dei consequenti lineari U a µ i (i) = (i) + + t+ 1 i t i t ϑ i y a y bu d H COD Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
13 Approssimazione fuzzy con rette locali 550 Local linear fuzzy approximators COD (mg/l) U a 1000 (Nm 3 /h) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
14 Aspetti di ingegnerizzazione Qualità e quantità dei dati, sia in allenamento che in normale operazione real-time Data enhancement Clustering dei dati ( COD, U a ) Quanti clusters? Quale esponente fuzzy m? Stima delle rette approssimanti (a, b, d) e del tempo di ritenzione idraulico ϑ H Validazione a posteriori Sum of Squared Errors (SSE) Variance Accounted For (VAF) F-test regression line Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
15 Fasi dell ingegnerizzazione Data generation Data pre-processing Benchmark input data ASM3_2N model with DO control Benchmark data ( COD, U a ) Downsampling h Smoothing and data 0.1 h Power spectrum Weekdays data Data splitting Week end data Data splitting Calibration COD Soft Sensor Antecedent clusters identification Data splitting Calibration Validation Consequent identification Validation SSE Minimization CSS Identification/Validation VAF F-test Validation Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
16 Dati di allenamento COD (mg/l) U air (Nm 3 /h) DO (mg/l) time (d) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
17 Divisione dei dati per periodi Dato che le caratteristiche del refluo cambiano in modo significativo nel fine settimana, si allenano due stimatori distinti 500 Week days Calibration Weekend Calibration Week days Validation Weekend Validation 450 COD (mg/l) time (h) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
18 Calibrazione/Validazione per i giorni lavorativi Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
19 Calibrazione/Validazione per il weekend Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
20 Verifica sul medio periodo (2 mesi) Una volta calibrato e validato il Soft-Sensor è stato testato in simulazione sul lungo periodo utilizzando il file Benchmark di oltre un anno di dati Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
21 Zoom sul medio periodo (2 mesi) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
22 F-Test del modello sul medio periodo La statistica F fornisce risultati compatibili in entrambi i casi Calibrazione: F = < Validazione: F = < Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
23 Verifica sul lungo periodo (470 giorni) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
24 Test su dati reali Per un breve periodo il sistema è stato testato su un impianto che tratta reflui misti (civili/discariche) di media potenzialità (86000 AE) In regime di DO controllato il segnale di comando degli aeratori rivela l andamento del COD abbattuto DO (mg/l) Power (Kw) Time (d) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
25 Cosa serve per la sua realizzazione Loop di controllo per mantenere costante il livello dell ossigeno disciolto Segnale proporzionale alla portata d aria (ad es. potenza alle soffianti) Una serie di misure di COD in entrata ed in uscita abbastanza frequenti Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
26 Conclusioni Il Soft-Sensor proposto può fornire una stima affidabile del COD abbattuto; E sufficiente che: L Ossigeno Disciolto venga mantenuto costante; Sia accessibile un segnale proporzionale alla portata d aria; Il Soft-Sensor è implementabile come modulo software; La sperimentazione sul lungo periodo conferma la robustezza del sistema; Si stanno migliorando le sue caratteristiche Portabilità su impianti diversi; Scorporo dell ossigeno consumato nella nitrificazione. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre
27 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano settembre 2015
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