Telecontrollo via internet del processo SBR con tecniche di intelligenza artificiale

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1 Universià degli Sudi di Firenze Facolà di Ingegneria Tesi di laurea magisrale in Ingegneria per l'ambiene e il Terriorio 20 Aprile 2006 Teleconrollo via inerne del processo SBR con ecniche di inelligenza arificiale Relaori: Laureando: Riccardo Susini Voazione di Laurea: 110/110 e Lode Prof. Sefano Marsili-Libelli, Universià di Firenze Do. Alessandro Spagni, ENEA Pro-Idr, Bologna 1. IL PROBLEMA DEL CONTROLLO DEL PROCESSO SBR L obbieivo di quesa esi è sao quello di realizzare un sisema di conrollo inelligene capace di gesire il funzionameno di un reaore SBR (Sequencing Bach Reacor) per la depurazione di percolai da discarica, oimizzando le sequenze di commuazione in modo da accorciarne il ciclo di funzionameno senza pregiudicare il rendimeno del processo. La esi è saa svola in collaborazione fra il Diparimeno di Sisemi e Informaica dell'universià di Firenze ed ENEA, Divisione Proezione Idrica, Bologna, presso il cui laboraorio si rova l impiano piloa su cui è sao sviluppao queso lavoro. La Figura 1 mosra una visa di insieme del processo piloa e dei relaivi sisemi di misura e conrollo. Relays di commuazione degli auaori Sonda POMPE DI ALIMENTAZIONE Sonda Sonda DO ACETATO PERCOLATO REATTORE Figura 1 - Visa di insieme del SBR piloa e relaivi sisemi di conrollo.

2 Dal puno di visa sofware, il sisema di conrollo è sao sviluppao in ambiene LabVIEW 7.1 (Naional Insrumens, Ausin, TX, USA) nell'ambio di un accordo di collaborazione fra il Diparimeno di Sisemi e Informaica e Naional Insrumens Ialy srl.. Il processo analizzao prevede 4 soocicli alernai anossico aerobico prima della sedimenazione. Il refluo raao è percolao di discarica, come indicao in Figura 2. MIXED FILL ANOXIC REACTION AREATED REACTION SLUDGE DRAW SETTLE EFFLUENT DRAW IDLE 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 Figura 2 - Sequenza delle fasi nel raameno del percolao. Nei normali impiani, il funzionameno è affidao ad un sisema di emporizzaori che sabilisce le commuazioni da una fase all'alra in base ad uno schema fisso semplici. Queso pora a sovrasimare la duraa delle fasi, inroducendo quindi empi inuili con conseguene aumeno dei cosi complessivi e minore capacià di raameno. Il conribuo di quesa esi è sao il progeo e la realizzazione di un conrollo inelligene capace di ridurre i periodi di raameno, perché in grado di riconoscere le condizioni necessarie e sufficieni al passaggio di fase. In al modo si è oenuo un noevole accorciameno dei empi di raameno, con conseguene aumeno del volume di acqua raabile. E' imporane far noare che durane l'inero periodo in cui il conrollore ha funzionao non si sono noae alerazioni nella composizione e sedimenabilià dei fanghi, che sono rimasi in condizioni oimali. 2. STRUTTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO Il conrollo delle commuazioni porebbe essere realizzao uilizzando dei sensori per la rivelazione di ioni specifici, ma il loro coso e la scarsa affidabilià in un ambiene aggressivo come un reaore SBR ne sconsigliano l'uso, specialmene per applicazioni a basso coso. Al conrario, il presene sisema di conrollo usa semplici misure fisico-chimiche come il, il poenziale RedOx () e l'ossigeno disciolo (DO) araverso le quali un sisema inferenziale ricosruisce lo sao del processo e decide le evenuali commuazioni di fase comandando gli opporuni auaori (aeraore, pompe di alimenazione o di esrazione). La Figura 3 mosra schemaicamene la sruura del sisema di riconoscimeno dello sao del processo, dal quale viene esraa la decisione di commuare. Ad inervalli regolari i re dai segnali di processo (DO,, ) vengono campionai e dopo un opporuno filraggio vengono derivai, in quano l'informazione sul ermine delle fasi è conenuo nelle variazioni del segnale.

3 DO Analisi dai DO DO Analisi dai Sisema di conrollo Commuazione Analisi dai 2 2 Verifica dei vincoli Figura 3 - Sisema inferenziale per il conrollo del processo SBR. L'analisi preliminare dei dai comprende la loro validazione, in modo da eliminare arefai che ne compromeerebbero la successiva elaborazione. A iolo di esempio si mosra in Figura 4 una serie di dai di prima e dopo l'operazione di validazione. Figura 4 - Validazione di dai di prima dell'algorimo di riconoscimeno. Il riconoscimeno di fine nirificazione e denirificazione è mosrao in Figura 5. Si noi che per la seconda il segnale DO è inuilizzabile e la sima si basa solo sui segnali di e. Figura 5 - Elemeni di decisione per rivelare la fine della nirificazione (sinisra) e denirificazione (desra) basai sull'andameno dei segnali di processo. Sulla base di quese informazioni il sisema inferenziale, basao su un insieme di regole fuzzy, decide sull'opporunià di effeuare la commuazione da una fase all'alra. Tale sofware, il cui

4 pannello fronale, visibile all'uene, è riprodoo in Figura 6, consene di gesire in linea il processo SBR, di effeuare modifiche isananee sullo sao degli auaori e di scegliere se manenere aiva l IA (Inelligenza Arificiale) o ripiegare invece su un più semplice conrollo emporizzao. Figura 6 - Pannello fronale del sisema di conrollo del processo SBR. Il sisema di conrollo realizzao offre inolre la possibilià di aprire un collegameno inerne, araverso il quale è possibile conrollare da posizione remoa il funzionameno dell impiano ed evenualmene ineragire (se l'uene è abiliao) con lo sesso modificandone i parameri di gesione. L'efficacia praica di quesa soluzione è saa sperimenaa con successo durane lo sviluppo di quesa esi: fin dall avviameno dell SBR gesio da queso nuovo sofware, è sao infai possibile moniorare in empo reale il correo funzionameno del reaore, valuare l acquisizione dei segnali ed ineragire con le proprieà di conrollo da una posazione remoa. Inolre, una vola inserio l'algorimo di inelligenza arificiale, si è oenuo un noevole accorciameno dei empi di ciclo, come mosra la Figura 7. Riduzione sul empo di raameno di circa 10 h su 24 h Figura 7 - Paragone fra le durae del ciclo nel caso a emporizzazione fissa (sinisra) e conrollaa (desra). Su un periodo di 24 ore, si è oenuo un accorciameno del ciclo di 10 ore.

5 3. RISULTATI RAGGIUNTI In conclusione i vanaggi della gesione conrollaa possono essere così riassuni: Complea sabilià in ogni fase del processo in ao. Riduzione del empo di funzionameno dell impiano di areazione in un inero ciclo: da 15 a 9 ore, corrispondene a circa il 40% in meno di aria uilizzaa Conrollo sul dosaggio di COD eserno, con un risparmio di circa il 20 % Flessibilià di conrollo relaiva alle condizioni variabili del carico in ingresso Buona adaabilià alle variazioni delle imposazioni di funzionameno. Capacià di favorire il processo parziale di nirificazione a nirio invece di quello compleo a nirao. Nessun effeo negaivo sulla biomassa (sviluppo di filamenosi). 100 % dei riconoscimeni effeuai correamene. E saa confermaa l efficienza del processo di raameno caraerisica del sisema di conrollo emporizzao: Rimozione del COD di circa il 50% (ridoa biodegradabilià) Rimozione dell azoo compresa ra il 96 e il 99%.