sistemes supervisors: una eina de suport per a la...

SISTEMES SUPERVISORS: UNA EINA DE SUPORT PER A LA GESTIÓ D’EDARSISTEMES SUPERVISORS: UNA EINA DE SUPORT PER A LA GESTIÓ D’EDAR

SISTEMES SUPERVISORS: UNA EINA DE SUPORT PER A LA GESTIÓ D’EDAR

Manel Poch, Ignasi Rodriguez-Roda, Quim ComasLaboratori d’Enginyeria Química i Ambiental.

Universitat de Girona([email protected]; [email protected]; [email protected])

Ulises Cortés, Miquel Sànchez-MarrèKnowledge Engineering & Machine Learning Group.

U. Politècnica Catalunya([email protected]; [email protected])

Josep Arràez, Angel FreixóConsorci per a la Defensa de la Conca del riu Besòs

([email protected]; [email protected])

1990 2003

EDAR Manresa EDAR Granollers EDAR La Llagosta

Atl_EDAR

Voluntat de millorar el servei

Sistema supervisor

EDAR Montornès

J. Robusté (1990) J. Com

Administracions públiques

Grups universitarisVoluntat d’innovació

aplicada

P.Serra (1993) I. Roda(1998)

Empreses explotadores,Searsa, Infilco,...

Interès en avaluar la realitat

Ch. Cortés(2002)

Administració d’indústria

SISLtech

as(2000)

GestióGestió actualactual

Variabilitat en qualitat

Variabilitat en quantitat

Continua i no controlable

Influent

Procés complex i dinàmic(interaccions físico-químiques y biològiques)

Coneixement limitat mecanismes

Pocs analitzadors i retard en analítiques

Informació qualitativa i aproximada

Procés

Complir especificacions

Efluent

Planta depuradora d’aigües residuals

» Configuració representativa

Planta depuradora d’aigües residualsVolum informació disponible: dades qualitatives i quantitatives

Tipus Variable Freqüència

segonsCabals d’influent, efluent primari, efluentsecundari, recirculació externa i interna, purga, aireació, pH I oxigen dissolt.

ON-LINE

quan siguin requerits

DQO, DBO, SST, TKN, NH4+, NO2

-/NO3-, PO4

3-, Cl-,Conductivitat, turbidesa, T, V30, SSLM y SSVLMGreixos i olis, metalls i inhibidores

ANALÍTICA

(off-line)

Eficàcies d’eliminació de DQO, DBO i SST del tractament primari, secundari i globals, TRC, TRH, F/M, y IVF

GLOBAL(calculada)

Caracterització flòcul (Morfologia, tamany i efecte filamentós en l’estructura), identificació i recompte de protozous i metazous, i identificació i recompte de bactèries filamentoses.

Observacions in-situ sobre l’estat i funcionament de la planta, qualitat de la biomassa i característiques de sedimentabilitat del fang.

QUALITATIVA(off-line)

setmanal

CONTROLMANUAL

CONTROLAUTOMÀTIC

Cap de PLANTA

OBSERVACIONSIN-SITU i

MICROSCÒPIQUES

Operadors

ANALÍTIQUES

Laboratori

DADES ON-LINE

Sensors

PLCSCADA

Gestió actualGestió actual

Gestió Actual de les EDARs

Limitacions de les tècniques clàssiques:

» utilització de la informació qualitativa

» control del procés en situacions imprevistes (e.g. problemes d’origen biològic com Bulking filamentós)

» dificultat de “reutilització de l'experiència dels experts del procés

» desaprofitament de la informació històrica de la planta

Gestió proposadaGestió proposada

GESTIÓ

ACTUAL

CONTROLMANUAL

CONTROL AUTOMÀTIC

CAP de PLANTA

SUPERVISOR

SISTEMA

SUPERVISOR

Tècniques d’intel.ligència artificial

Sistema Proposat

Sistema de Suport a la Decisió: complet programa informàticque supervisi el procés de depuració d’aigües residuals urbanes.

• integrant bases de dades amb einesd´intel.ligència artificial

ObjectiuATL_EDARATL_EDAR

• amb un interfície de fàcil ús per donar suporta la decisió del cap de planta en qualsevolsituació que pugui patir la depuradora

Base de dades OnlineBase de dades Offline

Base de dades Qualitatives

SRBC: “.... Són programes basats en el coneixement que intenten resoldre situacions anormals en el moment actual en qualsevol domini recordant situacions semblants passades i les accions que es van dur a terme.”

Recol·lecció de dades

NouCas

LLIBRERIADE

Recuperació( distància

MILLORCAS

HISTÒRIC

PLA D’ACCIÓ

Adaptació de la solució antiga

RESULTAT

AprenentatgeAplicació

Avaluació

SBR : Programa informàtic que intenta simular el procés de raonament dels experts humans en un camp de aplicació determinat.

ATL_EDARATL_EDAR

Adquisició del coneixement: fonts i mètodes.

Tipus deconeixementFont Tipus de mètode

Coneixement

general

Coneixement

específic

MANUAL

LITERATURA(teoria)

EXPERT(experiència)

Revisió bibliogràfica

Entrevistes

Kick-off & entrevistes generales

Observacions

Entrevistes específiques

Aprenentatge

inductiu

Inducció regles : CN2

Inducció árbres decisión:C4.5AUTOMÀTIC

(MACHINE LEARNING)

BASE de DADEAdquisició automàtica de coneixement a partir de la

base de dadesLinneo+

(històrics)

Mètodes

Desarrollo e implementación Sistema Experto

ATL_EDARATL_EDAR

Adquisició del coneixement: metodologia automàtica.

• Metodologia automàtica per a l’adquisició del coneixement a partir d’una base de dades històriques

Iteració experta

BASE de DADESHISTÒRICA

Variables

Processament de Dades

CLASSES

LINNEO+

Classificació

Expert

SITUACIONS

Interpretació

334 dies i78 variables 13 classes

COD|Influent < 800 g/m3 and

NH4+|Influent > 130

THEN Ammonia_Shock = True

Per exemple, de la classe 10

...permet una revisió árbres

Codificació

ExpertBase

Coneixement

REGLES

Mèt.automàtic

Desarrollo e implementación Sistema Experto

Representació del coneixement: el SRBR. ATL_EDARATL_EDAR

Equilibrium/normal

Risk Module of BULKINGFILAMENTOUS or FOAMING

Numerous/High

Risk Module of BULKING FILAMENTOUS,

RISING and DEFFLOCCULATION

No, except forflagellates

Medium

Possible Severe TOXIC SHOCK

High valuesALARM FILAMENTOUS BULKING = TRUEALARM FILAMENTOUS BULKING =FALSE

Normal values Abnormal

Foams at clarifier or aeration tank, Open diffused floc, Low DO values

Supernatant in settling test clear or a little cloudy

ALARM FILAMENTOUS BULKING =FALSE

TSS, COD, BOD or turbidity at the Effluent,Filamentous organisms presence, sludge blanket,SVI values , S2- at the Influent, SRT

F:M, pH or BOD to nutrients ratios

Normal True False

FILAMENTOUS BULKING

Filamentousbacteria presence

Microfaunaactivity

Few or Absence

To Viscous Bulking Diagnosis tree

Other Causes : Hydraulic shock,

equipment failure, overloading

LowSettling in

clarifierOK

GoodBad

Organismidentification

Causeidentification

Nocardia, M.Parvicellaor type 1863

Yes No

InvokeFOAMING Module

CAUSEIdentification Cont. BF

1863 Thiothrix/021N 0092 Beggiatoa 0041 S.natans N.limicola H.hydrossis 0914 17010581,0961,

08031851 0675

Low OD

.Nutrient def..Low F:M

.Infl.sulphurs or septicity

.High [fil.org.]at side-streams

Low F:M

Septicity

.Low F:M.Nutrient def.

.Low DO(at low-mod.MCRT)

.Nutrient def.

Low F:M.Low OD (at low-mod.

MCRT).Low F:M (insuf. gradient

sol. BOD5 at aeration tank)

Septicity

Low F:M

Low DO(at low-mod.

MCRT) Low F:M

Their corresponding specific actuation

FUNGIZooglea

High F:M(High SRT and infl. COD andlow MLVSS)

ANYFILAMENTOUS

MICROOGANISM

Non-specificcontrol methods

Try to identify if organisms are fungi or bacteria and its cause (Eikelboom or JenkisKey)

pH of ML < 6.5

Nitrification?

. influent pH not low or

with sudden oscillations

bad operatingpH probe

Repair or replace

No Yes

Equilibrium/normal

Risk Module of BULKINGFILAMENTOUS or FOAMING

Numerous/High

Risk Module of BULKING FILAMENTOUS,

RISING and DEFFLOCCULATION

No, except forflagellates

Medium

Possible Severe TOXIC SHOCK

High valuesALARM FILAMENTOUS BULKING = TRUEALARM FILAMENTOUS BULKING =FALSE

Normal values Abnormal

Foams at clarifier or aeration tank, Open diffused floc, Low DO values

Supernatant in settling test clear or a little cloudy

ALARM FILAMENTOUS BULKING =FALSE

TSS, COD, BOD or turbidity at the Effluent,Filamentous organisms presence, sludge blanket,SVI values , S2- at the Influent, SRT

F:M, pH or BOD to nutrients ratios

Normal True False

FILAMENTOUS BULKING

Filamentousbacteria presence

Microfaunaactivity

SVISVI

Few or Absence

To Viscous Bulking Diagnosis tree

Other Causes : Hydraulic shock,

equipment failure, overloading

LowSettling in

clarifierOK

GoodBad

Organismidentification

Causeidentification

Nocardia, M.Parvicellaor type 1863

Yes No

InvokeFOAMING Module

CAUSEIdentification Cont. BF

1863 Thiothrix/021N 0092 Beggiatoa 0041 S.natans N.limicola H.hydrossis 0914 17010581,0961,

08031851 0675

Low OD

.Infl.sulphurs or septicity

.High [fil.org.]at side-streams

Low F:M

Septicity

.Low F:M.Nutrient def.

.Low DO(at low-mod.MCRT)

.Nutrient def.

Low F:M.Low OD (at low-mod.

MCRT).Low F:M (insuf. gradient

sol. BOD5 at aeration tank)

Septicity

Low F:M

Low DO(at low-mod.

MCRT) Low F:M

Their corresponding specific actuation

FUNGIZooglea

High F:M(High SRT and infl. COD andlow MLVSS)

ANYFILAMENTOUS

MICROOGANISM

Non-specificcontrol methods

Try to identify if organisms are fungi or bacteria and its cause (Eikelboom or JenkisKey)

pH of ML < 6.5

Nitrification?Nitrification?

. influent pH not low or

with sudden oscillations

bad operatingpH probe

Repair or replace

No Yes

ATL_EDARATL_EDARRepresentació del coneixement en el SRBR

Tractament Secundari Tractament Primari Origen Biològic Problemes no biològics Fang Vell Bulking Filamentós Escumes Tensoactives

Fang Sèptic Falla en Sistemes Eliminació

Foaming (Actynomicetes) Rising

Pinpoint

Tempestes Xoc Hidràulic Sobrecàrrega

Bombes o canonades bloquejades Bulking Viscós Creixement Dispers

Problemes d’aireació Cabals desequilibrats

Baixa eficiència d’eliminació de sorres

Xoc Tòxic Problemes mecànics i elèctrics Problemes al clarificador

Massa densitat de fang Purgues del procés inadequades

Xoc Hidràulic Alta càrrega de sòlids

Altres Problemes mecànics Transició cap a algun problema

Problemes considerats en el SRBR

Representació en forma d’arbres de decisió de diagnosi i actuació

Codificació de les branques en forma de reglesIF <condicions> THEN <conclusions>

Base de Coneixement del SRBR

ATL_EDARATL_EDARSupervisió EDAR(Operació EDSS)

Avaluació

Adquisició de dades i actualitzacions

Diagnosis

Predic

MODEL de la EDAR (GPS-X)

PROPOSTA d’un Pla d’acció

Combinació de la informació – inferència de la situació.

EXPERT ( SRBR),EXPERIEN CBS)

o CONTROLAUTOMATIC

Validació i actuacióde l’usuari

Influent Primary effluent Biologic effluent Aeration and global

On-linedata

Flow rate18911pH 8.2

Flow rate 18911pH 8.0

DO1 0 DO2 1.9Air flow ?

Recycle 130 %Wasting rate 510 m3

Vel. ascensional 0.56

Analyticaldata

COD 487BOD 400*TSS 162

NH4+ 86.5*TKN 336

Total N 122PO43-10.3*COND 5100TERB 128

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS4730MLVSS 73V30 262

MLSS-R 4920V30-R ?

Global data -% COD removal 18

% BOD removal 96.8*% TSS removal 46.9

% COD removal 83.5% BOD removal 91.4*

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

SVI 55.5Recylce/inflow rate 0.61% COD removal 86.5% BOD removal 94*% TSS removal92.6

Qualitativeobservations

Brown Scums at aeration tank = few;White Scums at aeration tank = none;Sludge flocs at clarifier = none; V30-test observations= goodsettling; floc appearance = Large and well formed floc; sludge blanket level at the primary and secondary settlers and thickeners = normal

Sludgefloatingat primary settler = none; Scumsfloatingat primary settler = none

Microscopic data

Filamentous bacteria presence = none*;Predominant filamentous bacteria = none*; Zooglea=none*; Nocardia spp.= none*;Type 021N = none*; Thiotrix spp.= none*; Type 0041 = none*; MicrothrixP.= none*; Numberof filamentous bacteria = 0*; Protos = common; Aspidisca=

abundant*; Euplotes= none*; vorticella= common*; Epistylis= some*; Opercularia= none*; Predominant protozooa= aspidisca*; Biodiversity (number of dif. species) = 5*; flagellates > 20 mm = few*; flagellates < 20 mm = some*; Amoebae= none*; Tecamoebae=

none*; Rotiferi= none*

Supervisió

REGLES i ARBRESde DECISIÓ

HeuristicrulesDecision trees

Experta DiagnosisDiagnosis adaptada del casmés semblant recuperat

NouCas

LLIBRERIADE

Búsqueda

Recuperació(distància

MILLORCAS

HISTÒRIC

PLA D’ACCIÓ

Aplicació

Evaluatió

RESULTATAprenentatge

Diagnosis

Predicció

Cap de planta.

EXPERT (EXPERIENCIAL CBS)

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Regles Heurístiques Arbres de decisió

Diagnosis

Avaluació

Diagnosis

Predic

o CONTROLAUTOMATIC

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Supervisió

NouCas

LLIBRERIADE

Búsqueda

MILLORCAS

HISTÒRIC

PLA D’ACCIÓ

Aplicació

Evaluatió

Diagnosis

Predicció

Cap de planta.

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Diagnosis

Avaluació

Diagnosis

Predic

o CONTROLAUTOMATIC

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Supervisió

NouCas

LLIBRERIADE

Búsqueda

MILLORCAS

HISTÒRIC

PLA D’ACCIÓ

Aplicació

Evaluatió

Diagnosis

Predicció

Cap de planta.

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Diagnosis

Avaluació

Diagnosis

Predic

o CONTROLAUTOMATIC

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Supervisió

NouCas

LLIBRERIADE

Búsqueda

MILLORCAS

HISTÒRIC

PLA D’ACCIÓ

Aplicació

Evaluatió

Diagnosis

Predicció

Cap de planta.

On-linedata

Analyticaldata

NH4+ 86.5*TKN 336

COD = 399BOD = 319TSS = 86NH4+ 87.8

COND 5100TERB 77

COD 66BOD 24*TSS 12

NH4+ 66.1TKN 87.2

NO2-/NO3-0.4/0.4Total N 88PO43- 6.5*

COND 4900TERB 11

MLSS-R 4920V30-R ?

% TSS removal 86

SRT ?F:M ratio 0.16

Microscopic data

Diagnosis

Que ofereix el sistema?

Integració informació•• SistematitzacióSistematització

•• Adquisició i tractament de dades Adquisició i tractament de dades

Consultoria automàtica•• Control remotControl remot

•• Actuació autònomaActuació autònoma

Optimització del procés

•• FiabilitatFiabilitat / Seguretat / Seguretat

•• Costos explotacióCostos explotació

Valor afegit: Utilitzar la millor tecnologia disponible

ATL_EDARATL_EDARBeneficis

Beneficis directes:

Pel cap de planta:• Recolzament a la decisió del cap de planta.• Eina per resumir, ordenar i facilitar l'accés a la informació.• Tractament metòdic i ràpid de la informació.• Detecció precoç de situacions anòmales en la planta.• Llibreria històrica amb les experiències que ha patit la planta.• Formació operaris.• Possibilitat control automàtic de certs paràmetres.

Per l’operari:• Fàcil d’utilitzar.• Fàcil d’accedir i d´introduir a les dades.

ATL_EDARATL_EDARBeneficis

Beneficis per la planta/explotador:

• Control centralitzat de la planta. Detecció inmediata de problemes permet una ràpida intervenció

• Augment de la confiança en la solució• Reducció de costos d’operació i manteniment• Modificació de set-points• Alarmes en temps real • Accés remot

Gràcies per la seva atenció

Manel Poch Espallargas

TELF. +034 972 41 88 04

17071 Campus Montilivi,

Girona, Catalunya, Spain

sistemes supervisors: una eina de suport per a la...

Documents