Αυτόματος έλεγχος (Control) σε Μονάδα Βιολογικού Καθαρισμού

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Αυτόματος έλεγχος (Control) σε Μονάδα Βιολογικού Καθαρισμού ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Στέφανος Κανάκας (ΑΜ: Τ-767) Επιβλέπων: Βέντζας Δημήτριος, Phd ΛΑΡΙΣΑ 2014

2 «Εγώ ο Στέφανος Κανάκας, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο Αυτόματος έλεγχος (Control) σε μονάδα Βιολογικού Καθαρισμού είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, αναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» Στέφανος Κανάκας

3 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής χρησιμοποιήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 στην αυτοκινητοβιομηχανία των ΗΠΑ, και είχε σχεδόν άμεση επιτυχία. Οι αρχικοί φόβοι για την αξιοπιστία και την ασφάλεια του γρήγορα αντικαταστάθηκαν από ευρεία αποδοχή. Τα προφανή του πλεονεκτήματα εξασφάλισαν την άμεση εμπορική επιτυχία του σχεδόν σε όλες τις βιομηχανοποιημένες χώρες. Υπάρχουν εκατομμύρια μονάδες σε λειτουργία σε όλο τον κόσμο σήμερα, γεγονός που πιστοποιεί την λειτουργικότητα, την αξιοπιστία, την ευελιξία και την καλή σχέση κόστους-απόδοσης του. Δυο κύρια στοιχεία εξηγούν την επιτυχία του προγραμματιζόμενου ελεγκτή: (α) Είναι προσιτός σε μεγάλη μερίδα μηχανικών, και (β) υλοποιεί τις λειτουργίες ελέγχου μέσω ενός προγράμματος. Έτσι είναι δυνατό σε μη ειδικούς να συνθέτουν εξελιγμένα και περίπλοκα συστήματα ελέγχου, οι λειτουργίες των οποίων περιορίζονται μόνο από την ανθρώπινη διάνοια, και όχι από παραδοσιακά φυσικά εμπόδια. Μια από τις πολλές χρήσεις των προγραμματιζόμενων ελεγκτών είναι και στον τομέα αυτόματου έλεγχου σε μονάδα Βιολογικού Καθαρισμού. Με τον όρο "Βιολογικός Καθαρισμός" λέμε την τεχνητή διαδικασία που ακολουθούμε για να εξομοιώσουμε την λειτουργία της φύσης κατά την αδρανοποίηση των λυμάτων. Η λειτουργία του Βιολογικού Καθαρισμού στηρίζεται στη μέθοδο της αερόβιας επεξεργασίας. Με λίγα λόγια τροφοδοτούμε το σύστημα μας (στα κέντρα επεξεργασίας λυμάτων) με λύματα και στην έξοδο του έχουμε καθαρό διαυγές νερό με ποιοτικά χαρακτηριστικά κατάλληλα για διάθεση σε φυσικό αποδεκτή.

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΙ 1.1. Χαρακτηριστικά των Ανεπεξέργαστων Αποβλήτων Παροχές Στερεά συστατικά Οργανικά συστατικά Προσδιορισμός Άζωτο Προσδιορισμός Φώσφορος Παθογόνοι μικροοργανισμοί Θερμοκρασία ph και αλκαλικότητα Άλλα χαρακτηριστικά Χλωριούχα Θείο Βαριά μέταλλα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 2.1. Κυριότερα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων 2.2. Πρωτοβάθμια επεξεργασία Εσχάρωση Εξάμωση - Λιποσυλλογή Αεριζόμενοι εξαμμωτές Μέτρηση Παροχής Υποδοχή βοθρολυμάτων Διάταξη υποδοχής βοθρολυμάτων 2.3. Δευτεροβάθμια επεξεργασία

6 2.4. Τριτοβάθμια επεξεργασία Χλωρίωση Αποχλωρίωση Υποχλωριώδες νάτριο Απολυμαντική δράση Υπολειμματικό χλώριο Δεξαμενή χλωρίωσης Χώρος αποχλωρίωσης Εξοπλισμός χλωρίωσης αποχλωρίωσης 2.5. Τι χρησιμοποιείται σήμερα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΈΛΕΓΧΟΣ 3.1. Εισαγωγή στον Αυτοματισμό 3.2. Ανάγκη Αυτόματου Ελέγχου Λειτουργικά πλεονεκτήματα του ελέγχου Οικονομικά πλεονεκτήματα του αποτελεσματικού ελέγχου Αλληλεπιδράσεις σχεδιασμού λειτουργίας Ο έλεγχος σε μονάδα ενεργού ιλύος Δυναμικά μοντέλα Συστήματα ελέγχου διεργασιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ 4.1. Λειτουργίες του Συστήματος Ελέγχου Συνοπτική Δομή Συστήματος Λειτουργικές Δυνατότητες 4.2. Επί Μέρους Μονάδες, Τεχνικά Χαρακτηριστικά, Τηλεπαρακολούθηση Δεδομένων Είσοδος - Α/Σ Ανύψωσης Εσχάρωση Αεριζόμενη Εξάμωση Αερισμός Υπερχείλιση Καθίζηση Χλωρίωση

7 Παχυντής - Αντλιοστάσιο Στραγγιδίων Κλίνες Ξήρανσης - Ταινιοφιλτροπρέσσα Υποσταθμός Κτίριο Διοίκησης 4.3. Περιγραφή Συστήματος Αυτοματισμού 4.4. Τηλέλεγχος Εισόδου Βυτιοφόρων Βοθρολυμάτων Περιγραφή του Συστήματος Λειτουργία του Συστήματος Οφέλη από την λειτουργία του Συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Ο ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΤΙΣ ΜΕΥΑ 5.1. Συλλογή Δεδομένων 5.2. Απεικόνιση και Επεξεργασία Δεδομένων PLC s HMI Μιμικό Διάγραμμα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΔΟΜΗ ΤΩΝ PLC 6.1. Τεχνολογία και Ανάλυση των Προγραμματιζόμενων Ελεγκτών (PLC) Τα πλεονεκτήματα του προγραμματιζόμενου ελέγχου Δομή Ο επεξεργαστής 6.2. Κύρια Χαρακτηριστικά Μηχανική Σχεδίαση Διευθύνσεις I/O 6.3. Το Πρόγραμμα Εκτέλεση του Προγράμματος Όρια

8 6.4. Συσκευές Εισόδου 6.5. Συσκευές Εξόδου 6.6. Υπομονάδες Εισόδου 6.7. Υπομονάδες Εξόδου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Σύστημα SCADA 7.1. Το SCADA 7.2. Βάση Δεδομένων 7.3. Λογισμικό σύστημα IntegraXor

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΙ 1.1. Χαρακτηριστικά των Ανεπεξέργαστων Αποβλήτων Τα βασικά χαρακτηριστικά των αποβλήτων τα οποία καθορίζουν τον σχεδιασμό μιας Εγκατάστασης Επεξεργασίας Ανεπεξέργαστων Αποβλήτων (ΕΕΑΑ) είναι τα ακόλουθα: 1. Παροχές. 1. Στερεά συστατικά. 2. Οργανικά συστατικά. 3. Άζωτο. 4. Φώσφορος. 5. Παθογόνοι μικροοργανισμοί. 6. Θερμοκρασία. 7. ph και αλκαλικότητα. 8. Άλλα χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά τα χαρακτηριστικά αυτά Παροχές Οι υπόνομοι ακαθάρτων αποχετεύουν τρεις κυρίως κατηγορίες υγρών: Λύματα. Βιομηχανικά λύματα Άντληση υπόγειων νερών, που μπαίνουν στο δίκτυο από ατέλειες των συνδέσεων ή ρήγματα των αγωγών 9. α. Λύματα. Η παροχή των λυμάτων μιας κατοικημένης περιοχής δεν είναι χρονικά σταθερή. Μεταβάλλεται περιοδικά στη διάρκεια του 24ώρου, της εβδομάδας και του χρόνου, εκτός με τη συνεχή αύξηση με την πάροδο των ετών. β. Βιομηχανικά απόβλητα. Προκειμένου τα βιομηχανικά απόβλητα να φθάσουν με το δίκτυο υπονόμων ή απευθείας στην αστική εγκατάσταση για επεξεργασία, πρέπει να

10 γίνει συστηματική ποιοτική και ποσοτική απογραφή κυρίως για τις υδροβόρες λεγόμενες βιομηχανίες με επισήμανση της χρονικής κατανομής της παροχής στη διάρκεια της ημέρας και της εβδομάδας. γ. Διήθηση. Η ποσότητα των υπόγειων νερών, που εισδύουν στο δίκτυο υπονόμων, εξαρτάται γενικά από τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα και τη στεγανότητα της κατασκευής Στερεά συστατικά Τα ολικά στερεά συστατικά (Total Solids TS) βρίσκονται αιωρημένα (αιωρούμενα στερεά, Suspended Solids SS) ή διαλυμένα (διαλυμένα στερεά, Dissolved Solids DS) στη μάζα των αποβλήτων και αποτελούνται από οργανικά ή εξαερώσιμα στερεά (Volatile Solids VS) και ανόργανα (αδρανή, σταθερά ή μη εξαερώσιμα Volatile ή Fixed Solids FS) στερεά. Από άποψη ρύπανσης του υδάτινου περιβάλλοντος μεγάλη σημασία έχουν τα SS, γιατί κατά τη διοχέτευση των αποβλήτων σε έναν υδάτινο φορέα συσσωρεύονται στον πυθμένα δημιουργώντας στρώμα λάσπης και ανεπιθύμητες αναερόβιες συνθήκες για το οικοσύστημα του φορέα. Τα DS προκαλούν τη θολότητα του υδάτινου αποδέκτη Οργανικά συστατικά Τα κυριότερα οργανικά συστατικά των αποβλήτων είναι τα ακόλουθα: 1. Πρωτεΐνες: Είναι μακρομοριακές ασταθείς ενώσεις αποτελούμενες κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο και άζωτο που αποσυντίθεται εύκολα από τους μικροοργανισμούς. 2. Υδρογονάνθρακες: Περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο, και οξυγόνο. Ορισμένοι (ζάχαρες) διασπώνται εύκολα από μικροοργανισμούς, ενώ άλλοι (άμυλο) δυσκολότερα. 3. Λιπίδια: Αποτελούν συστατικά των τροφών του ανθρώπου. Βρίσκονται και στα νερά των επιφανειακών απορροών από την έκπλυση των δρόμων (λάδια, πετρέλαια κ.λπ.). Είναι ενώσεις που αποτελούνται κυρίως από υδρο-

11 γονάνθρακες, που δεν διαλύονται στη μάζα των αποβλήτων. Η τυπική σύσταση των αστικών αποβλήτων είναι 40 60% πρωτεΐνες, 25 50% υδρογονάνθρακες και τα 10% λιπίδια Επιφανειακές ενεργές ουσίες: Περιέχονται στα αστικά απόβλητα ως συστατικά των απορρυπαντικών, σαπουνιών κ.τ.λ. Είναι μακρομοριακές ενώσεις διαλυτές στη μάζα των αποβλήτων και δρουν στη διαχωριστική επιφάνεια υγρού αέρα δημιουργώντας αφρούς. 5. Φαινόλες (C6H5OH): Περιέχονται σε βιομηχανικά απόβλητα. Δεν διασπώνται από μικροοργανισμούς σε μεγάλες συγκεντρώσεις (>500 mg/l). 6. Εντομοκτόνα και φυτοφάρμακα: Είναι τοξικές ενώσεις επικίνδυνες για όλες τις μορφές ζωής και καταλήγουν στο αποχετευτικό σύστημα με τις α- πορροές γεωργικών περιοχών. Από άποψη ρύπανσης του περιβάλλοντος όταν οι οργανικές ουσίες διοχετευτούν σε ένα υδάτινο φορέα, οι μικροοργανισμοί που περιέχονται στα α- πόβλητα ή στο φορέα τις χρησιμοποιούν ως τροφή καταναλώνοντας παράλληλα το διαλυμένο οξυγόνο του φορέα. Όταν ο ρυθμός κατανάλωσης του διαλυμένου οξυγόνου ξεπεράσει την ικανότητα επανοξυγόνωσης του φορέα και η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου γίνει μικρότερη από μια ο- ρισμένη τιμή, ανατρέπεται η ισορροπία του οικοσυστήματος του φορέα με αποτέλεσμα το θάνατο ψαριών και τη δημιουργία σηπτικών συνθηκών. Εκτός από τη μείωση του διαλυμένου οξυγόνου, που είναι η κύρια επίπτωση της διοχέτευσης οργανικών ουσιών στο περιβάλλον, άλλα προβλήματα είναι η δημιουργία επιφανειακού αντιαισθητικού στρώματος από τα λιπίδια, ενδεικτικού της ρύπανσης (που παράλληλα δυσκολεύει τη μεταφορά του οξυγόνου και του ηλιακού φωτός στο φορέα), η δημιουργία αφρών από τις επιφανειακά ενεργές ουσίες και ο άμεσος θάνατος οργανισμών από τις τοξικές ουσίες. Στις διαδικασίες επεξεργασίας, επειδή η απομάκρυνση των οργανικών ουσιών γίνεται κυρίως από μικροοργανισμούς με κάποια βιολογική διαδικασία, προβλήματα μπορεί να προέλθουν από τη παρουσία οργανικών ουσιών που διασπώνται δύσκολα ή καθόλου, από την παρουσία τοξικών ουσιών θανατηφόρων για τους μικροοργανισμούς και από την παρουσία λιπιδίων, που εμποδίζουν τη μεταφορά οξυγόνου στους μικροοργανισμούς. Ιδιαί-

12 τερα τα λιπίδια παρά το γεγονός ότι επιπλέουν και μπορούν να απομακρυνθούν εύκολα, δημιουργούν προβλήματα στη μεταφορά των αποβλήτων μέσα από τους αγωγούς καθώς και στη λειτουργία διαφόρων μονάδων επεξεργασίας (π.χ. με τη δημιουργία επιφανειακού στρώματος στις δεξαμενές των ΕΕΑΑ που μειώνει τον ωφέλιμο όγκο τους ή τη λειτουργικότητα) Προσδιορισμός Η μέτρηση των οργανικών συστατικών των αποβλήτων είναι πρακτικά α- δύνατη λόγω της πολύπλοκης σύστασης τους. Έτσι ως μέτρο των οργανικών συστατικών, αλλά και γενικότερα του ρυπαντικού φορτίο τους, χρησιμοποιείται η ποσότητα του οξυγόνου που απαιτείται για να οξειδώσει πλήρως τα οργανικά συστατικά τους, που εκφράζεται συνήθως ως BOD ή COD Άζωτο Το άζωτο είναι ένα από τα βασικά συστατικά των ζώντων οργανισμών και περιέχεται στα αστικά απόβλητα στις παρακάτω μορφές: Α) Οργανικό άζωτο (πρωτεΐνες, ουρία και αμινοξέα) Β) Αμμωνιακό άζωτο (αμμωνιακά άλατα ή αμμωνία) Ως προϊόν οξείδωσης των προηγούμενων μορφών το άζωτο μπορεί να υπάρχει ως νιτρικά και νιτρώδη. Οι κύριες μετατροπές που υφίστανται οι παραπάνω μορφές αζώτου κατά τη διοχέτευση τους σε κάποιο υδάτινο φορέα ή στις μονάδες μιας ΕΕΑΑ είναι οι παρακάτω: a)μετατροπή του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό από αερόβια ή αναερόβια βακτηρίδια. b) Οξείδωση του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρώδη από ειδικά αερόβια νιτροποιητικά βακτήρια (Νnitrosamines). c) Περαιτέρω οξείδωση των νιτρωδών σε νιτρικά από ειδικά αερόβια νιτροποιητικά βακτηρίδια (Nitrobacteria).

13 d) Αναγωγή των νιτρικών σε νιτρώδη και τελικά σε αέριο άζωτο από αερόβια αναερόβια βακτηρίδια. Η αγωγή γίνεται κυρίως σε αέριο άζωτο σε α- ναερόβιες συνθήκες και σε μικρό ποσοστό σε αμμωνία. Οι μετατροπές (b) και (c) αποτελούν τη νιτροποίηση και η (d) την απονιτροποίηση Προσδιορισμός Το άζωτο εκφράζεται συνήθως ως οργανικό άζωτο (Νοργ), ως ολικό άζωτο (ολικό Ν ή ΤΚΝ) και ως νιτρικά (ΝΟ3-Ν) ή νιτρώδη (ΝΟ2-Ν). Το ολικό άζωτο που αποτελεί το άθροισμα του οργανικού αζώτου (Ν οργ ) και της αμμωνίας προσδιορίζεται με τη μέθοδο Kjedahl, σε ειδικά φασματοφωτόμετρα. Το αμμωνιακό άζωτο, τα νιτρικά και τα νιτρώδη προσδιορίζονται οπτικά σε ειδικά φασματοφωτόμετρα, σε χρωματόμετρα, με ειδικά τεστ ή και ηλεκτροχημικά (μόνο τα νιτρικά και το αμμωνιακό άζωτο). Το οργανικό άζωτο υπολογίζεται με αφαίρεση του αμμωνιακού αζώτου από το ολικό άζωτο Φώσφορος Ο φώσφορος είναι ένα από τα βασικά συστατικά των ζωντανών οργανισμών και περιέχεται στα απόβλητα στις παρακάτω μορφές: Α) Ανόργανος φώσφορος, κυρίως ως ορθοφωσφορικά (PO4-3, HPO4-3, H2PO4) ή και ως πολυφωσφορικά (π.χ. P3O10-5, P2O7-4). B) Οργανικός φώσφορος, σε μικρότερες ποσότητες απ ότι ο ανόργανος. Τα πολυφωσφορικά σε υδάτινο διάλυμα υδρολύονται σε ορθοφωσφορικά που μπορούν να καταναλωθούν απ ευθείας από διάφορους μικροοργανισμούς. Η διοχέτευση αποβλήτων που περιέχουν φώσφορο σε ένα υδάτινο φορέα ευνοεί, σε συνδυασμό με την παρουσία αζώτου, το φαινόμενο του ευτροφισμού. Σημειώνεται ότι συχνά ο φώσφορος είναι ο καθοριστικός πα-

14 ράγοντας του φαινόμενου του ευτροφισμού και έτσι η απομάκρυνση του από τα απόβλητα έχει αποκτήσει μεγάλη σημασία, ιδίως λόγω της αυξανόμενης χρήσης του στην παραγωγή των απορρυπαντικών. Στις βασικές διαδικασίες επεξεργασίας ο φώσφορος είναι απαραίτητος στους μικροοργανισμούς που χρησιμοποιούνται στις βιολογικές διαδικασίες. Στα αστικά απόβλητα βρίσκεται σε αρκετές ποσότητες. Στις βιολογικές διαδικασίες τα πολυφωσφορικά μετατρέπονται σε ορθοφωσφορικά και έτσι η εκροή των ΕΕΑΑ περιέχει κυρίως ορθοφωσφορικά, σε ποσοστό περίπου 80%. Ο φώσφορος εκφράζεται ως ολικός φώσφορος (οργανικός και ανόργανος) και ως ανόργανος φώσφορος (ορθοφωσφορικά και πολυφωσφορικά) Παθογόνοι μικροοργανισμοί Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί περιέχονται στα αστικά απόβλητα ως προϊόντα αποβολών ασθενών ή φορέων ασθενειών και μπορούν να μεταφέρουν και να προκαλέσουν ασθένειες μέσου του νερού στον άνθρωπο, όπως χολέρα, δυσεντερία, τυφοειδή πυρετό, ηπατίτιδα κ.τ.λ. Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί είναι κυρίως βακτηρίδια, πρωτόζωα και ιοί (εικ. 1, 2). Επειδή βρίσκονται στους υδάτινους φορείς σε μικρές συγκεντρώσεις και σε μεγάλη ποικιλία ειδών, η ανίχνευση και ο ποσοτικός προσδιορισμός του κάθε είδους τους είναι πρακτικά αδύνατος. Έτσι, αντί για προσδιορισμό κάθε είδους παθογόνων μικροοργανισμών (μ/ο) γίνεται ο προσδιορισμός ενδεικτικών μ/ο, που η παρουσία τους στο νερό σημαίνει και τη πιθανή παρουσία παθογόνων μ/ο. Εικόνα 1: Βακτηρίδια

15 Εικόνα 2: Πρωτόζωα Θερμοκρασία Η θερμοκρασία των αποβλήτων είναι ένας σημαντικός παράγοντας του βιολογικού και χημικού χαρακτήρα τους. Η αύξηση της επιφέρει γρηγορότερη ανάπτυξη των μ/ο και κατά συνέπεια επιτάχυνση των βιοχημικών αντιδράσεων. Παράλληλα, επιφέρει και μείωση του βαθμού διαλυτότητας των αερίων (π.χ. του διαλυμένου οξυγόνου) στη μάζα των αποβλήτων. Η υψηλή θερμοκρασία είναι ευεργετική σε πολλές διεργασίες επεξεργασίας (καθίζηση, βιολογική επεξεργασία, απολύμανση κ.τ.λ.), αλλά παράλληλα μπορεί να δημιουργήσει και προβλήματα, όπως π.χ. μειωμένη διαλυτότητα του οξυγόνου στις δεξαμενές αερισμού, ταχύτερη δημιουργία αναερόβιων συνθηκών κ.α. Από άποψη ρύπανσης του περιβάλλοντος η διοχέτευση θερμών αποβλήτων σε ένα υδάτινο φορέα οδηγεί σε σοβαρή μείωση του διαλυμένου οξυγόνου του φορέα (τόσο λόγου του αυξημένου ρυθμού κατανάλωσης του όσο και της μειωμένης διαλυτότητας του φορέα (θάνατος οργανισμών, ανάπτυξη ανεπιθύμητων οργανισμών ph και αλκαλικότητα. Το ph είναι ένα χαρακτηριστικό των αποβλήτων, από το οποίο εξαρτάται ένα πλήθος φυσικοχημικών και βιολογικών διεργασιών που πραγματο-

16 ποιούνται στο υδάτινο περιβάλλον. Οι αυξομειώσεις του μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά τις διεργασίες αυτές δημιουργώντας ανεπιθύμητες καταστάσεις. Το ph επηρεάζει όλες τις διεργασίες επεξεργασίας και μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα φθοράς (διάβρωσης) σε αγωγούς, μηχανολογικό εξοπλισμό κ.τ.λ. Επειδή πολλές διαδικασίες απαιτούν συγκεκριμένες τιμές ph για τη βέλτιστη απόδοση τους κρίνεται απαραίτητος ο έλεγχος του. Η αλκαλικότητα οφείλεται στην παρουσία ιόντων HCO3 -, CO3-2, ή OH- που βρίσκονται ενωμένα με τα Ca, Mg, Na ή K. Η παρουσία των παραπάνω ιόντων στα αστικά απόβλητα οφείλεται στο πόσιμο νερό καθώς και στις εισροές στο αποχετευτικό σύστημα. Η αλκαλικότητα είναι σημαντική παράμετρος γιατί ρυθμίζει το ph των αποβλήτων και κατά συνέπεια διάφορες διεργασίες επεξεργασίας. Η αλκαλικότητα εκφράζεται συνήθως ως mg/l CaCO Άλλα χαρακτηριστικά Άλλα χαρακτηριστικά που έχουν σημασία για μια ΕΕΑΑ είναι τα ακόλουθα: Χλωριούχα Θείο Βαριά μέταλλα Χλωριούχα Περιέχονται στα αστικά απόβλητα από το πόσιμο νερό και τα ανθρώπινα απόβλητα (περίπου 6 gr/κατ.), αλλά και σε ορισμένα βιομηχανικά απόβλητα.

17 Η διοχέτευση τους σε ένα υδάτινο φορέα οδηγεί στην ένωσή τους με ορισμένα οργανικά συστατικά. Το προϊόν της αντίδρασης αυτής είναι τοξικές ενώσεις που έχουν μακροπρόθεσμα αρνητικά αποτελέσματα στην ποιότητα των νερών του φορέα. Η παρουσία τους σε μεγάλες συγκεντρώσεις και όταν το νερό του φορέα χρησιμοποιείται για ύδρευση, δίνει στο νερό υφάλμυρη γεύση. Στις διαδικασίες επεξεργασίας η κύρια επίδραση της παρουσίας των χλωριούχων στα απόβλητα είναι η μείωση της διαλυτότητας του οξυγόνου. Επηρεάζουν επίσης τον προσδιορισμό του COD Θείο Το θείο είναι βασικό χαρακτηριστικό των ζώντων οργανισμών και βρίσκεται στα αστικά απόβλητα σε διάφορες μορφές. Η σημαντικότερη από τις ενώσεις του θείου είναι τα θειικά, γιατί η παρουσία τους στα απόβλητα δημιουργεί προβλήματα που οφείλονται στο σχηματισμό υδρόθειου και θειικού οξέος. Σε αναερόβιες συνθήκες τα θειικά ανάγονται σε θειούχα και στη συνέχεια σε υδρόθειο και θειικό οξύ από βακτηρίδια. Βασικό πρόβλημα που δημιουργεί η παρουσία του υδρόθειου είναι η έκλυση δυσάρεστων οσμών, που είναι δυνατόν να συμβεί στο αποχετευτικό δίκτυο και στις ΕΕΑΑ. Όταν στη μάζα των αποβλήτων περιέχεται σίδηρος, αυτός ενώνεται με το υδρόθειο σχηματίζοντας θειούχο σίδηρο, που δίνει ένα μαύρο χρώμα τόσο στα απόβλητα όσο και στην παραγόμενη λάσπη. Το κύριο πρόβλημα του θειικού οξέος είναι η διάβρωση που προκαλεί στους αγωγούς αποχέτευσης Βαριά μέταλλα Περιέχονται κυρίως στο βιομηχανικά, αλλά και στα αστικά απόβλητα (εξαιτίας του πόσιμου νερού). Διάφορα ιόντα, όπως π.χ. Cu, Pb, Cr, As, Bo, Ag, Ni, Mn, Cd, Zn, Fe, Hg, σε ορισμένες συγκεντρώσεις είναι τοξικά για διάφορους οργανισμούς, όπως ακριβώς και διάφορες οργανικές ενώσεις που περιέχονται σε εντομοκτόνα, φυτοφάρμακα κ.τ.λ.

18 Η διοχέτευση βαριών μετάλλων σε ένα οικοσύστημα (υδάτινος φορέας ή βιολογική διεργασία επεξεργασίας) μπορεί να επιφέρει το θάνατο πολλών οργανισμών με τις ανάλογες συνέπειες 10.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 2.1. Κυριότερα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων Τα αστικά ή οικιακά απόβλητα είναι μόνο ένα μέρος του προβλήματος της επεξεργασίας αποβλήτων. Άλλες πτυχές του προβλήματος αυτού είναι τα απόβλητα από αγροτικές και όλων των ειδών τις βιομηχανικές και τις βιοτεχνικές δραστηριότητες. Τα βιομηχανικά όσο και τα αστικά απόβλητα συχνά παρουσιάζουν μεγάλους κινδύνους κατά τη διάθεση τους στο περιβάλλον λόγω των ρυπαντών που περιέχουν οι οποίοι είναι πολλές φορές τοξικοί. Η διαχείριση των αστικών αποβλήτων είναι ένα πρόβλημα που απασχόλησε την επιστήμη και την τεχνολογία για πάρα πολύ καιρό, αλλά κατοχυρώθηκε ως τομέας της μηχανικής από το Τα υγρά αστικά απόβλητα χαρακτηρίζονται κυρίως από τρεις παραμέτρους: Τη βιοχημική απαίτηση οξυγόνου (BOD), τη συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών (SS) και τη βακτηριακή σύσταση τους. Παρακάτω αναλύουμε κάθε μια από αυτές. Βιοχημική απαίτηση οξυγόνου (BOD): Αυτή είναι το ποσό του οξυγόνου που καταναλώνεται από τα βακτήρια του οργανικού περιεχομένου των αποβλήτων κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης περιόδου επώασης και κάτω από καθορισμένες συνθήκες. Συνήθως η επώαση συμβαίνει μετά από 5 μέρες και σε θερμοκρασία 20 ο C. Από εκεί προήλθε ο όρος BOD πέντε ημερών και πολλές φορές η απεικόνιση BOD5. Το BOD μετράται σε (mg/l). Αιωρούμενα στερεά (SS): Τα απόβλητα περιέχουν ύλη σε αιώρηση και αυτή προέρχεται από μία ποικιλία πηγών. Είναι χρήσιμο να χωρίσουμε τα αιωρούμενα στερεά σε ανόργανα και οργανικά συστατικά. Το κομμάτι των ανόργανων περιλαμβάνει υλικά όπως την μη ενεργό ιλύ. Το οργανικό περιεχόμενο έχει μια πολύ ευρύτερη ποικιλία πηγών αλλά είναι πιθανό να περιέχει

20 βακτήρια, λίπη, ανθρώπινα απόβλητα και υπολείμματα τροφών. Το περιεχόμενο σε αιωρούμενα στερεά καθορίζεται από ένα τεστ με φίλτρα και μετράται σε (mg/l). Βακτηριακή ποιότητα: Μερικές φορές η ποιότητα των διατιθέμενων αποβλήτων αξιολογείται από μια ποσοτική βακτηριακή ανάλυση για συγκεκριμένες μορφές βακτηρίων. Μια τέτοια ποσοτική ανάλυση ποσοτικοποιεί τον πιο πιθανό αριθμό (ΜΡN) των παθογόνων οργανισμών που υπάρχουν σε ένα συγκεκριμένο δείγμα ΜΡΝ/100ml. Σαν μια ένδειξη της ποιότητας που είναι επιθυμητή, οι προδιαγραφές του πόσιμου νερού το 1914 ήταν MPN 2.2/100ml, ενώ το 1942 μειώθηκαν στο MPN 1/100ml. Γενικά, στα αστικά απόβλητα το BOD και τα SS παίρνουν τιμές από 100 έως 400 mg/l. Το άζωτο στα απόβλητα είναι οργανικό άζωτο (Org- Ν) και αμμωνιακό άζωτο (ΝΗ4-Ν). Άλλη μια ουσία που περιέχει άζωτο είναι τα νιτρικά (ΝO3). Το οργανικό και αμμωνιακό άζωτο των αποβλήτων μπορεί να μετατραπεί σε νιτρικά με μια διαδικασία γνωστή ως νιτροποίηση, η οποία είναι μια από τις διαδικασίες που χρησιμοποιούνται σήμερα για να μειώσουν το οργανικό και το αμμωνιακό άζωτο που περιέχεται στα απόβλητα. Τα απόβλητα περνούν από έναν αριθμό διεργασιών επεξεργασίας οι οποίες χωρίζονται σε τρία στάδια. Τα στάδια αυτά είναι η πρωτοβάθμια επεξεργασία, η δευτεροβάθμια και η τριτοβάθμια επεξεργασία. 2.2.Πρωτοβάθμια επεξεργασία Στην πρωτοβάθμια επεξεργασία χρησιμοποιούνται μηχανικές και υδραυλικές μέθοδοι για να αφαιρεθούν τα μεγαλύτερου μεγέθους σωματίδια από τα εισερχόμενα απόβλητα. Η πρωτοβάθμια επεξεργασία συνήθως περιλαμβάνει μια διαδικασία εσχάρωσης για την απομάκρυνση των ογκωδών αντικειμένων. Χρησιμοποιούνται επίσης διαδικασίες για την απομάκρυνση της

21 άμμου και μερικών από τα μεγαλύτερα κομμάτια οργανικής ύλης. Στην περίπτωση της άμμου χρησιμοποιούνται μακριά κανάλια (εξαμμωτές) για να κατακαθίσει η άμμος, ενώ η οργανική ύλη μένει αιωρούμενη. Μέρος του οργανικού φορτίου μπορεί επίσης να αφαιρεθεί στο στάδιο της πρωτοβάθμιας επεξεργασίας. Μία μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσουμε κάποιο κροκιδωτικό για να συσσωματωθούν τα μικρά σωματίδια ύλης σε μεγαλύτερα σωματίδια τα οποία στη συνέχεια μπορούν να αφαιρεθούν με καθίζηση στη δεξαμενή καθίζησης (πρωτοβάθμια καθίζηση). Η πρωτοβάθμια επεξεργασία μπορεί να απομακρύνει το 30-40% του εισερχόμενου BOD και το 60-75% των εισερχόμενων αιωρούμενων στερεών, όταν δουλεύει αποδοτικά Εσχάρωση Σκοπός των εσχαρών είναι η συγκράτηση σε αυτές και στη συνέχεια η απομάκρυνση των ογκωδών αντικειμένων (κομμάτια ξύλων, πλαστικά, κλαδιά, κουρέλια κ.λ.π.), για να προστατευτεί από το φράξιμο και τη φθορά ο Η-Μ εξοπλισμός της ΕΕΑΑ. Τα βασικά είδη των εσχαρών είναι δύο, οι απλές χειροκίνητες που καθαρίζονται με τα χέρια και οι μηχανικές αυτοκαθαριζόμενες. Στη συνηθισμένη πρακτική τοποθετούνται μια ή δύο μηχανικές εσχάρες και μια παρακαμπτήρια χειροκίνητη. Σε κανονική λειτουργία λειτουργούν μόνο οι μηχανικές εσχάρες, ενώ σε περίπτωση έμφραξης ή διακοπής της λειτουργίας τους τα λύματα υπερχειλίζουν αυτόματα προς την παρακαμπτήρια εσχάρα. Σε περίπτωση σκόπιμης παράκαμψης των μηχανικών εσχαρών υ- πάρχουν τα κατάλληλα θυροφράγματα απομόνωσης, χειροκίνητα ή μηχανικά. Οι εσχάρες είναι συνήθως κατασκευασμένες από ανοξείδωτο χάλυβα ή χάλυβα St37 με θερμό γαλβανισμό. Γενικά, τα βρεχάμενα μέρη των εσχαρών συνιστάται να κατασκευάζονται από ανοξείδωτο χάλυβα. Τα εσχαρίσματα έχουν πυκνότητα kg/m3, υγρασία 75-90%, περιεκτικότητα σε VSS 80-90% και αποδίδουν κατά τη καύση τους kj/kg. Οι ποσότητες των εσχαρισμάτων ποικίλλουν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της εσχάρας, το είδος του αποχετευτικού συστήματος

22 (σε παντορροικά συστήματα μπορεί να είναι και 10 φορές μεγαλύτερες απ ότι σε χωριστικά) και την παρουσία βιομηχανικών αποβλήτων. Μια αντιπροσωπευτική τιμή ποσότητας εσχαρισμάτων είναι 30 l/m3 λυμάτων. Η απομάκρυνση των εσχαρισμάτων από τον προσωρινό χώρο αποθήκευσης τους προς τα δοχεία αποθήκευσης γίνεται με μεταφορική ταινία (από χάλυβα St37 με θερμό γαλβάνισμα) ή με κλειστό μεταφορικό κοχλία. Στο μεταφορικό κοχλία μπορεί να γίνει παράλληλα μερική ή ακόμα και πλήρης αφυδάτωση στράγγιση των εσχαρισμάτων (Εικόνα 3, 4). Τα στραγγίδια επιστρέφουν στη κύρια ροή των υγρών αποβλήτων απευθείας με βαρύτητα ή με την παρεμβολή του αντλιοστασίου στραγγιδίων. H εκκίνηση λειτουργία του συστήματος μεταφοράς των εσχαρισμάτων συνδυάζεται με την κίνηση του μηχανισμού απομάκρυνσής τους 10. Η αποθήκευση των εσχαρισμάτων γίνεται συνήθως σε κλειστούς κάδους απορριμμάτων, συμβατών με αυτούς της αποκομιδής των στερεών απορριμμάτων του Δήμου. Εικόνα 3, 4: Πρέσα εσχαρισμάτων, Κοχλίας

23 Εξάμμωση - Λιποσυλλογή Σκοπός της εξάμμωσης είναι η απομάκρυνση των κόκκων άμμου, των σωματιδίων αργίλου ή των άλλων σωματιδίων γεωλογικής ή όχι υφής, με διάμετρο μεγαλύτερη από 200 μm που δεν είναι οργανικά και έχουν ταχύτητες καθίζησης σημαντικά μεγαλύτερες από εκείνες των οργανικών στερεών. Η απομάκρυνση των σωματιδίων αυτών είναι απαραίτητη, γιατί η παρουσία τους δημιουργεί προβλήματα, όπως εναπόθεση φερτών υλών στον πυθμένα των αγωγών, φράξιμο των σωληνώσεων, φθορά του Η-Μ εξοπλισμού (αντλίες κ.λ.π.) και μείωση της απόδοσης των επόμενων μονάδων επεξεργασίας. Τα βασικά είδη των εξαμμωτών είναι δύο: οι εξαμμωτές με σταθερή ταχύτητα ροής και οι αεριζόμενοι εξαμμωτές. Οι αεριζόμενοι εξαμμωτές συνδυάζονται και με λιποσυλλέκτες Αεριζόμενοι εξαμμωτές Οι αεριζόμενοι εξαμμωτές είναι ορθογωνικές αεριζόμενες δεξαμενές στις οποίες ο αέρας εισάγεται με διαχυτήρες κατά της μιας πλευράς με αποτέλεσμα τη δημιουργία ελικοειδούς ροής. Η κατάλληλη ταχύτητα περιστροφής που επιτρέπει την απομάκρυνση της άμμου, επιτυγχάνεται με ρύθμιση της παροχής αέρα. Η άμμος καθιζάνει στον πυθμένα και συσσωρεύετε σε χοάνη (ή χοάνες) απ όπου απομακρύνεται. Η ταχύτητα περιστροφής ρυθμίζει το μέγεθος τον σωματιδίων (συνήθως 0.2 mm) που θα απομακρυνθούν. Όταν η ταχύτητα περιστροφής είναι πολύ μεγάλη η άμμος συμπαρασύρεται με τη ροή, ενώ όταν είναι πολύ μικρή, στα στερεά που καθιζάνουν περιέχονται πολλά οργανικά με αποτέλεσμα την έκλυση δυσοσμιών στους χώρους συγκέντρωσης της άμμου. H επιθυμητή ταχύτητα περιστροφής, συνήθως 0.30 m/s, επιτυγχάνεται με κατάλληλη ρύθμιση της παροχής αέρα και με σωστό σχεδιασμό της γεωμετρίας της δεξαμενής, ώστε να αποφεύγονται οι βραχυκυκλώσεις και οι αδρανείς περιοχές. Το βασικότερο πλεονέκτημα των αεριζόμενων εξαμμωτών είναι ότι συνδυ-

24 άζονται με λιποσυλλέκτες. Κατά μήκος των εξαμμωτών και παράλληλα σε αυτούς μπορεί να δημιουργηθούν περιοχές ηρεμίας λιποσυλλογής (πλάτους m), όπου θα συγκεντρώνονται στην επιφάνεια τα λίπη, οι αφροί και οι άλλες επιπλέουσες ουσίες (Εικόνα 5). Εικόνα 5: Αεριζόμενος εξαμμωτής Άλλα πλεονεκτήματα των αεριζόμενων εξαμμωτών είναι: (α) έχουν σταθερή απόδοση (ρυθμίζοντας κατάλληλα την παροχή αέρα, (β) έχουν μικρούς όγκους, εξαιτίας των μικρών χρόνων παραμονής, (γ) τα απόβλητα αερίζονται σε αυτούς, (δ) μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως σημεία προσθήκης χημικών (π.χ. για την απομάκρυνση φωσφόρου και οσμών, προχλωρίωση κ.λπ.), (ε) έχουν μικρές υδραυλικές απώλειες (15 20 cm) και (στ) η άμμος έχει καλή ποιότητα Μέτρηση Παροχής Σκοπός της μέτρησης της παροχής είναι ο υπολογισμός της παροχής που διέρχεται από την ΕΕΑΑ, με βάση την οποία ρυθμίζεται η λειτουργία σημαντικών μονάδων. Με το σήμα της παροχής ρυθμίζεται συνήθως η λειτουργία της διάταξης συλλογής, απομάκρυνσης και στράγγισης της άμμου του αεριζόμενου εξαμμωτή, των αντλιών ανακυκλοφορίας και των μονάδων

25 που χρησιμοποιούν χημικά (π.χ. συνδυασμένη βιολογική χημική απομάκρυνση φωσφόρου, απολύμανση κ.α.) Υποδοχή Βοθρολυμάτων Σκοπός της υποδοχής βοθρολυμάτων είναι η παραλαβή των βοθρολυμάτων από τα βυτιοφόρα, η αποθήκευση τους και η διοχέτευση τους στην ΕΕΑΑ χωρίς να δημιουργούνται επιπτώσεις και διαταραχές στη λειτουργία της ΕΕΑΑ Διάταξη υποδοχής βοθρολυμάτων Η διάταξη υποδοχής βοθρολυμάτων αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: 1. Χώρος εκκένωσης των βοθρολυμάτων. Αυτός πρέπει να είναι κοντά στα έργα προκαταρκτικής επεξεργασίας και να καταλαμβάνει ικανή έκταση ώστε να πραγματοποιούνται με άνεση οι απαραίτητοι ελιγμοί των βυτιοφόρων. Στο χώρο αυτό συνιστάται να υπάρχει και διάταξη έκπλυσης. Ο χώρος αυτός μπορεί να είναι κλειστός και εξοπλισμένος με διάταξη απόσμησης. 2. Φρεάτια υποδοχής με διατάξεις στεγανής σύνδεσης (π.χ. ταχυσυνδέσμους) με τις σωλήνες των βυτιοφόρων με τις οποίες εξασφαλίζεται η χωρίς περιβαλλοντικές επιπτώσεις εκκένωση των βυτιοφόρων. Τα φρεάτια υποδοχής είναι εξοπλισμένα με χοντρές εσχάρες με διάκενα 8-10 cm για τη συγκράτηση των ογκωδών στερεών. 3. Δεξαμενή εξισορρόπησης βοθρολυμάτων. Σε αυτή καταλήγουν τα βοθρολύματα από τα φρεάτια υποδοχής. Η δεξαμενή εξισορρόπησης πρέπει να είναι κλειστή ώστε να μην ελκύονται οσμές. Επίσης, τα τοιχώματα της πρέπει να έχουν τέτοια διαμόρφωση ώστε να μην επιτρέπεται η απόθεση στερεών σε αυτά και να διευκολύνεται η έκπλυση τους με κατάλληλη διάταξη ακροφυσίων. Η δεξαμενή μπορεί να είναι εξοπλισμένη με σύστημα ανάδευσης (ή και αερισμού) και με ανιχνευτή στάθμης των βοθρολυμάτων. Στη δεξαμενή μπορεί να γίνεται και προσθήκη χημικών για την εξουδετέρωση των βοθρολυμάτων ή για τον περιορισμό των οσμών.

26 4. Αντλίες βοθρολυμάτων για την τροφοδότηση της ΕΕΑΑ με βοθρολύματα από την δεξαμενή εξισορρόπησης σε θέση ανάντη τις βιολογικής επεξεργασίας. Ιδιαίτερη σημασία κατά την συνεπεξεργασία των βοθρολυμάτων με τα αστικά απόβλητα στην ΕΕΑΑ έχει η ικανότητα της ΕΕΑΑ να επεξεργάζεται βοθρολύματα. Η ικανότητα αυτή μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τα χαρακτηριστικά των συγκεκριμένων βοθρολυμάτων. Ενδεικτικές τιμές των χαρακτηριστικών των βοθρολυμάτων παρουσιάζονται στον Πίνακα 3 4. Από εμπειρία έχει διαπιστωθεί ότι μια ΕΕΑΑ μπορεί να δεχθεί βοθρολύματα με μέγιστο συνολικό φορτίο BOD5 ίσο με το 15% του φορτίου σχεδιασμού της. Αυτή η εμπειρική άποψη όμως δεν υπόψη το φορτίο των SS, που μπορεί να είναι ιδιαίτερα μεγάλο και να οδηγήσει σε υπερφόρτιση της ΕΕΑΑ, όσον αφορά τα SS. Σε κάθε περίπτωση όμως συνιστάται η τροφοδότηση της ΕΕΑΑ με βοθρολύματα να γίνεται σε χρονικές περιόδους της ημέρας, που τα ρυπαντικά φορτία των υγρών αποβλήτων που δέχεται η ΕΕΑΑ είναι ελάχιστα Δευτεροβάθμια επεξεργασία Στη δευτεροβάθμια επεξεργασία αναλαμβάνει η βιοτεχνολογία να μας παρέχει μεθόδους καθαρισμού των αποβλήτων. Εδώ οι διαφορετικές μέθοδοι επεξεργασίας συνιστώνται στους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να λειτουργήσει ένας βιολογικός αντιδραστήρας. Υπάρχουν δύο βιολογικές διεργασίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Οι αερόβιες διεργασίες: Είναι διεργασίες κατά τις οποίες οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν το ελεύθερο διαλυμένο οξυγόνο (DO) που υπάρχει στο νερό. Είναι χρήσιμο να ξέρουμε ότι η συγκέντρωση κορεσμού του διαλυμένου οξυγόνου σε καθαρό αποσταγμένο νερό είναι περίπου 9mg/l στους 25οC και ότι το DO είναι μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να ελέγχεται στις αερόβιες διαδικασίες. Τα προϊόντα της αερόβιας διαδικασίας θεωρούνται ότι έχουν μικρή επίδραση στο περιβάλλον. Αυτά είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το νερό (Η2O), τα νιτρικά, τα θειικά, τα φωσφορικά και καινούρια κύτταρα.

27 Εικόνα 6: Αναερόβια δεξαμενή φωσφόρου Οι αναερόβιες διεργασίες: Πρόκειται για διεργασίες στις οποίες οι μικροοργανισμοί παίρνουν το απαραίτητο για να ζήσουν οξυγόνο από το δεσμευμένο οξυγόνο που υπάρχει στα οργανικά άλατα {νιτρικά ΝΟ3, θειικά SO4, και φωσφορικά ΡO4) που υπάρχουν στα απόβλητα. Στα προϊόντα της αναερόβιας διαδικασίας περιλαμβάνονται το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το μεθάνιο (CH4), το φωσφορικό άλας (ΡΗ3), το υδρόθειο (Η2S) και νέα κύτταρα. Το μεθάνιο είναι πολύ ποιοτικό καύσιμο και η αναερόβια διαδικασία πολλές φορές ρυθμίζεται, έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί η παραγωγή του. Οι αερόβιες διαδικασίες είναι αυτές με το μεγαλύτερο ενδιαφέρον και είναι πολύ χρήσιμο να περιγράψουμε τις τρεις διαδικασίες που συνθέτουν την αερόβια ομάδα: Αποσύνθεση οργανικού υποστρώματος: Ετερότροφοι οργανισμοί εκμεταλλεύονται τον οργανικό άνθρακα για να αναπτυχθούν. Το οργανικό περιεχόμενο των αποβλήτων υδρολύεται και απορροφάται από τα κύτταρα. Το διαλυμένο οξυγόνο DO χρησιμοποιείται επίσης σ' αυτή τη διαδικασία για να οξε-

28 ιδώσει μέρος της απορροφώμενης οργανικής ύλης και να παραχθεί ενέργεια χρήσιμη στους οργανισμούς. Νιτροποίηση: Μετά τη μείωση του οργανικού άνθρακα αναπτύσσεται ένα διαφορετικό είδος αερόβιων οργανισμών που είναι ικανοί να αποσυνθέσουν την διαλυμένη στο νερό αμμωνία χρησιμοποιώντας οξυγόνο στη διαδικασία αυτή και μειώνοντας περαιτέρω το BOD της εξόδου. Σ' αυτή τη διαδικασία που περιλαμβάνει δύο στάδια χρησιμοποιούνται ειδικευμένα βακτήρια, ό- πως είναι τα Nitrosomonas και Nitrobacter. Οι οργανισμοί αυτοί είναι αερόβιοι αυτότροφοι. Η νιτροποίηση απαιτεί μέσο χρόνο παραμονής περισσότερο από 10 μέρες και έναν λόγο τροφής προς μικροοργανισμούς (F/M) μικρότερο από 0.3. Απονιτροποίηση: Είναι η βιολογική απομάκρυνση των νιτρικών (ΝΟ3). Αερόβιοι ετερότροφοι οργανισμοί συντελούν σ' αυτή την απομάκρυνση, καθώς κάτω από ανοξικές συνθήκες απορροφούν το απαραίτητο γι' αυτούς οξυγόνο από τα νιτρώδη και νιτρικά που ήδη έχουν δημιουργηθεί κατά τη νιτροποίηση. Με τον τρόπο αυτό, τα προϊόντα της νιτροποίησης μετατρέπονται σε αέριο άζωτο. Από μηχανικής απόψεως τα είδη των βιολογικών αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται είναι τρία: η ενεργός ιλύς, τα βιολογικά φίλτρα και οι λίμνες αερισμού. Η διεργασία της ενεργού ιλύος: Τα αεριζόμενα απόβλητα μπορούν να συντηρήσουν μια μάζα ελεύθερα αιωρούμενων μικροοργανισμών (που αποτελούν την ενεργό ιλύ) και καταναλώνουν την οργανική ύλη των αποβλήτων ως τροφή. Αυτή η διεργασία έχει υλοποιηθεί τεχνολογικά από μια διαδικασία συνεχούς ανατροφοδότησης που περιλαμβάνει μια δεξαμενή αερισμού και μια δεξαμενή καθίζησης. Η ενεργός ιλύς αναπτύσσεται μέσα στη δεξαμενή αερισμού όπου και ευνοείται η ανάπτυξη της λόγω του διαλυμένου οξυγόνου του οποίου η συγκέντρωση μέσα στο μικτό υγρό ελέγχεται και ρυθμίζεται. Αυτό το μικτό υγρό ρέει στη συνέχεια σε μια δεξαμενή καθίζησης όπου τα μεγάλα σωματίδια ιλύος (βιοκροκίδες) καθιζάνουν στον πυθμένα και υ-

29 περχειλίζει σχετικά καθαρό υγρό από τη δεξαμενή. Ένα μέρος της ιλύος α- ποβάλλεται από το σύστημα αλλά ένα ποσοστό τροφοδοτείται πίσω στη δεξαμενή αερισμού για να διατηρηθεί ο πληθυσμός των μικροοργανισμών σε υψηλά επίπεδα. Βιολογικά φίλτρα: Στη διαδικασία αυτή τα απόβλητα ψεκάζονται σε ένα μέσο (πληρωτικό υλικό) ικανό να συντηρήσει ένα πληθυσμό μικροοργανισμών. Το πληρωτικό υλικό αποτελείται από χαλίκια ή πλαστικό. Οι μικροοργανισμοί ζουν και πολλαπλασιάζονται προσκολλημένοι στο πληρωτικό υλικό και αφαιρούν την αιωρούμενη σωματιδιακή ύλη από τα απόβλητα. Τέλος χρησιμοποιείται και μια δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης για την απομάκρυνση της αποκολούμενης από τα βιολογικά φίλτρα ιλύος από τα απόβλητα. Λίμνες αερισμού: Το σύστημα αυτό που χαρακτηρίζεται από το χαμηλό κόστος αλλά την υψηλή απαίτηση σε έκταση γης αποτελείται από τετράγωνες λίμνες βάθους 1 με 1,5 μέτρο. Χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει ένα αερόβιο διάλυμα ιλύος πάνω από ένα αναερόβιο. Διαφορετικές παραλλαγές της εν λόγω διαδικασίας εφαρμόζονται για διαφορετικούς λόγους (για παράδειγμα ελαφρά φορτισμένες λίμνες χρησιμοποιούνται για τον εξευγενισμό του υγρού που εκρέει από ένα βιολογικό καθαρισμό) Τριτοβάθμια επεξεργασία Η τριτοβάθμια επεξεργασία αποτελείται από μια ομάδα διαδικασιών που ακολουθούνται στο τέλος της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων για να επιτύχει συγκεκριμένους στόχους. Ο Wilson (1981) απαριθμεί τις παρακάτω διαδικασίες που χρησιμοποιούνται στην τριτοβάθμια επεξεργασία. Απομάκρυνση στερεών: Είναι σχεδιασμένη για τη βελτίωση της ποιότητας του παραγόμενου υγρού και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη διαδικασία αυτή είναι τα μικροφίλτρα, η επιφανειακή ροή σε έκταση γης που καλύπτεται με γρασίδι, η ταχεία διήθηση στο υπέδαφος μέσω στρώματος από χαλίκια και τα φίλτρα άμμου.

30 Απολύμανση: Περιλαμβάνει μεθόδους μείωσης του πιο πιθανού αριθμού μικροοργανισμών ΜΡΝ/ml της ποσοτικής ανάλυσης εντός καθορισμένων ορίων. Μερικές από τις μεθόδους που είδαμε στην απομάκρυνση στερεών μπορούν να συμβάλλουν και στην απολύμανση. Όπου αυτοί δεν επαρκούν, τότε χρησιμοποιούνται απολυμαντικές ουσίες όπως το χλώριο. Σκοπός της απολύμανσης είναι η καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών (μ/ο), ώστε να αποφεύγεται η μετάδοση ασθενειών από νερά του αποδέκτη, στα οποία διοχετεύονται τα απόβλητα. Είναι το μοναδικό στάδιο στην επεξεργασία των αποβλήτων με αποκλειστικό σκοπό την καταστροφή των παθογόνων μ/ο, αν και μερική απομάκρυνση ή καταστροφή γίνεται και στα άλλα στάδια επεξεργασίας. Η περισσότερο διαδεδομένη και δοκιμασμένη μέθοδος απολύμανσης σε μια ΕΕΑΑ με ΠΑ είναι η χλωρίωση με υποχλωριώδες νάτριο. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η χλωρίωση, έχει το βασικό μειονέκτημα της δυσμενούς επίδρασης του χωρίου στο υδάτινο περιβάλλον που διοχετεύονται τα χλωριωμένα απόβλητα. Η επίδραση αυτή εκδηλώνεται ά- μεσα στις διάφορες μορφές ζωής λόγω της τοξικότητας του χλωρίου ή έμμεσα με το σχηματισμό οργανοχλωριούχων ενώσεων, από την αντίδραση του χλωρίου με τις οργανικές ενώσεις των αποβλήτων, που πιθανολογείται ότι είναι καρκινογόνες. Είναι λοιπόν προφανές ότι στο υδάτινο περιβάλλον δεν πρέπει να διοχετεύονται μεγάλες ποσότητες χλωρίου, που προκύπτουν από την αλόγιστη χρήση του στη διαδικασία της χλωρίωσης.

31 Χλωρίωση Αποχλωρίωση Υποχλωριώδες νάτριο Απολυμαντική δράση Υπολειμματικό χλώριο Το ποιο συνηθισμένο απολυμαντικό μέσο είναι το υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl). Διατίθεται στο εμπόριο σε υγρή μορφή με περιεκτικότητα χλωρίου κατά βάρος μικρότερη από 15% Δεξαμενή χλωρίωσης Η επαφή του NaOCl με τα λύματα γίνεται στη δεξαμενή χλωρίωσης (BΧΛ), που καλείται και δεξαμενή επαφής. Η BΧΛ πρέπει να εξασφαλίζει τον απαραίτητο χρόνο επαφής με τα απόβλητα (ΘBΧΛ), ώστε να επιτυγχάνεται ο επιθυμητός χρόνος απομάκρυνσης των παθογόνων μ/ο.

32 Εικόνα 7: Δεξαμενή χλωρίωσης Χώρος αποχλωρίωσης Οι αντιδράσεις και της αποχλωρίωσης γίνονται σχεδόν ακαριαία και έτσι δεν απαιτείται δεξαμενή αποχλωρίωσης. Η αποχλωρίωση γίνεται με την τοπική διοχέτευση του διοξειδίου του θείου σε περιοχές (π.χ. φρεάτιο εκροής BΧΛ) με ισχυρή ανάμιξη και χρόνο παραμονής στην παροχή αιχμής ίσο με sec. Οι συνιστάμενες συγκεντρώσεις είναι συνήθως mg/l στη μέση παροχή και mg/l στην παροχή αιχμής. Η διοχέτευση διοξειδίου του θείου, μεγαλύτερων από αυτό που απαιτούνται οδηγούν σε κατανάλωση του DO και κατά συνέπεια σε μείωση της συγκέντρωσής του, αύξηση του BOD και πτώση του ph των νερών του α- ποδέκτη. Οι επιδράσεις αυτές είναι ανεπιθύμητες και μπορεί να αποφευχθούν με τον κατάλληλο έλεγχο του συστήματος αποχλωρίωσης.

33 Εξοπλισμός χλωρίωσης αποχλωρίωσης Ο εξοπλισμός ενός συστήματος χλωρίωσης αποχλωρίωσης αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: 1) Δεξαμενές αποθήκευσης υποχλωριώδους νατρίου. Αυτές είναι συνήθως δυο από ανθεκτικό υλικό και έχουν όγκο ικανό για αποθήκευση NaOCl ημερών, ανάλογα με τις δυνατότητες συχνής ή όχι προμήθειας NaOCl στην ΕΕΑΑ. 2) Δοχεία ημερησίας κατανάλωσης. Είναι συνήθως δυο και έχουν όγκο ικανό για την αποθήκευση της ημερήσιας κατανάλωσης NaOCl. Τροφοδοτούνται με σωλήνες με βαρύτητα από τις δεξαμενές αποθήκευσης. Τα δοχεία αυτά μπορεί και να παραλείπονται. 3) Δοσομετρικές αντλίες (χλωριωτές), οι οποίοι είναι διαφραγματικού τύπου με μεταβλητή παροχή. Οι αντλίες λειτουργούν συνέχεια δίνοντας παροχή NaOCl που είναι ανάλογη της παροχής αποβλήτων στη ΕΕΑΑ (ώστε να διατηρείται η συγκέντρωση του χλωρίου στη BΧΛ στα επιθυμητά επίπεδα), σύμφωνα με το αναλογικό σήμα του μετρητή παροχής. Παράλληλα, μπορεί να λειτουργούν και δεχόμενες σήματα από τον μετρητή υπολειμματικού χλωρίου κατάντη της BΧΛ, ώστε να περιορίζεται στο ελάχιστο η ποσότητα το διοχετευμένου χλωρίου στο υδάτινο αποδέκτη. 4) Χαλύβδινοι κύλινδροι αποθήκευσης του υγροποιημένου υπό πίεση διοξειδίου του θείου. 5) Δοσομετρικές διατάξεις (θειωτές) παροχέτευσης του διοξειδίου του θείου, ανάλογες των χλωριωτών. 6) Διατάξεις διοχέτευσης του χλωρίου και διοξειδίου του θείου σε θέσεις που εξασφαλίζεται η πλήρης ανάμιξη με κατάλληλα μέσα π.χ. με αναμικτήρες. 7) Σύστημα ελέγχου των χλωριωτών και θειωτών με βάση το υπολειμματικό χλώριο και την παροχή. Ο εξοπλισμός της χλωρίωσης και της αποχλωρίωσης εγκαθίσταται σε κατάλληλο κτίριο, που συνήθως αποτελείται από χωριστούς χώρους, ό- που βρίσκονται: (α) οι δεξαμενές αποθήκευσης του NaOCl,

34 (β) οι κύλινδροι αποθήκευσης διοξειδίου του θείου και (γ) οι δοσομετρικές αντλίες με τα δοχεία ημερήσιας κατανάλωσης 12. Απομάκρυνση θρεπτικών: Όταν διαθέτουμε το παραγόμενο επεξεργασμένο υγρό στο περιβάλλον, τότε είναι σημαντικό να εξασφαλίσουμε ότι δεν διαταράσσεται η οικολογική ισορροπία. Οι ενώσεις αζώτου και φωσφόρου που περιέχονται στο υγρό αυτό μπορεί να προκαλέσουν την αλματώδη ανάπτυξη των αλγών σε ποτάμια ή στη θάλασσα και αυτό είναι κάτι που πρέπει να αποφευχθεί. Η απομάκρυνση του φωσφόρου γίνεται τόσο με χημικό όσο και με βιολογικό τρόπο, ενώ η απομάκρυνση του αζώτου γίνεται με τις βιολογικές διαδικασίες νιτροποίησης και απονιτροποίησης 2, Τι χρησιμοποιείται σήμερα Τα ρυπογόνα υλικά που περιέχονται στα ΥΑ εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες: φυσικά, χημικά και βιολογικά. Όσον αφορά τους οργανικούς ρύπους στο νερό, το κύριο πρόβλημα είναι ότι καταναλώνουν το διαλυμένο οξυγόνο (DO). Στην πράξη, το βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD), το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) κ.α. χρησιμοποιούνται συνήθως ως κύριο μέτρο απεικόνισης της περιεχόμενης οργανικής ύλης. Επίσης παρόλο που το Ν και ο Ρ αποτελούν βασικά θρεπτικά συστατικά, ωστόσο σε υπερβολικές ποσότητες προκαλούν ευτροφισμό και δημιουργεί προβλήματα στον αποδέκτη. Επομένως, το BOD, το COD, το Ν και ο Ρ έχει γίνει οι κύριοι στόχοι απεικόνισης της ποιότητας του νερού. Πολλές μέθοδοι έχουν προταθεί σχετικά με τον έλεγχο και την επεξεργασία ΥΑ. Αυτή τη στιγμή, η μέθοδος της ενεργού ιλύος χρησιμοποιείται ευρέως και έχει αρκετά πλεονεκτήματα όπως το ότι αποτελεί μια απλή διαδικασία, έχει υψηλή αποδοτικότητα, επιτυγχάνει ικανοποιητική απομάκρυνση Ν και Ρ, μειωμένη παραγωγή ιλύος, αντίσταση σε υψηλά φορτία και ικανότητα περεταίρω επεξεργασίας. Η διαδικασία της ενεργού ιλύος αποτελείται κυρίως από τη δεξαμενή αερισμού, τη δεξαμενή καθίζησης, την ανακυκ-

35 λοφορία της ιλύος, την αποβολή της περίσσειας ιλύος, και κλπ. Ολόκληρο το σύστημα καθώς και ένα σενάριο διαχείρισης της παραγόμενης ιλύος φαίνεται στο Σχήμα 1. Αρχικά στο στάδιο της προεπεξεργασίας ή πρωτοβάθμιας επεξεργασίας τα λύματα απαλλάσσονται από στερεά σωματίδια στη μονάδα εσχαρισμού. Η χρήση μια εσχάρας στην είσοδο των εγκαταστάσεων είναι σχεδόν γενικευμένη όταν η ροή προς τη ΜΕΥΑ γίνεται με βαρύτητα. Πολλές φορές αντί της αφαίρεσης των οργανικών στερεών στην είσοδο των εγκαταστάσεων επιλέγεται ο τεμαχισμός.(4) Στη συνέχεια περνάνε από τη μονάδα διαχωρισμού και κατακράτησης άμμου (εξαμμωτές), για να φτάσουν στη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης που αποτελεί συνήθως αναπόσπαστο τμήμα των ΜΕΥΑ. Η ΔΠΚ είναι δυνατό να μειώσει το οργανικό φορτίο κατά 30-50%. Στην επόμενη φάση επεξεργασίας τα λύματα οδηγούνται στη δεξαμενή ενεργού ιλύος, όπου καθαρίζονται βιολογικά. Για τη διεργασία αυτή είναι απαραίτητο το οξυγόνο. Τα ΥΑ και η ανακυκλοφορούσα ιλύς μαζί αποτελούν το μεικτό υγρό που μπαίνει στη δεξαμενή αερισμού (ΔΑ). Το διαλυμένο οξυγόνο (DO) καταναλώνεται από τους αερόβιους μ/ο προς βιολογική αύξηση αυτών. Εδώ με την δράση μικροοργανισμών επιτυγχάνεται και η βιολογική απομάκρυνση των ενώσεων αζώτου και φωσφόρου. Οι ενώσεις του άνθρακα οξειδώνονται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O). Οι ενώσεις του αζώτου μετατρέπονται σε αέριο άζωτο με βιολογική επεξεργασία απουσία οξυγόνου (ανοξικές συνθήκες), ενώ οι ενώσεις φωσφόρου απομακρύνονται βιολογικά ή χημικά. Από τη δεξαμενή ενεργού ιλύος, τα επεξεργασμένα λύματα οδηγούνται μέσω υπερχειλιστή στη ΔΔΚ, όπου η λάσπη καθιζάνει και τα αιωρούμενα στερεά (SS) διαχωρίζονται από το νερό. Μέσω των αντλιών ανακυκλοφορίας ιλύος, μέρος της οδηγείται ξανά στη δεξαμενή αερισμού Το νερό που εκρέει από τη δεξαμενή είναι πλέον «καθαρό». Το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης ιλύος χρησιμοποιείται για τη ανακυκλοφορία. Αυτό είναι απαραίτητο ώστε να κρατηθεί ορισμένη συγκέντρωση των SS, δηλαδή να κρατηθεί ορισμένη συγκέντρωση μ/ο στη ΔΑ. Όλη η υπόλοιπη ιλύς που παράγεται από την προεπεξεργασία, την πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση,

36 οδηγούνται προς την αναερόβια επεξεργασία Η πάχυνση της ιλύος επιτυγχάνεται με βαρύτητα και η περιεκτικότητα σε στερεά φτάνει περίπου το 3.5%. Εκεί παραμένει 20 περίπου ημέρες σε σταθερή θερμοκρασία, περίπου 36οC, όπου διασπώνται οι οργανικές ουσίες ελευθερώνοντας το λεγόμενο βιοαέριο. Το βιοαέριο καίγεται σε αεριο-μηχανές, που θέτουν σε λειτουργία ηλεκτρογεννήτριες. Έτσι, μια ΜΕΥΑ μπορεί να καταστεί αυτόνομη ενεργειακά, διατηρώντας όσο το δυνατό χαμηλότερα το κόστος λειτουργίας. Η συμπυκνωμένη ιλύς οδηγείται στις ταινιοφιλτρόπρεσες, όπου αφυδατώνεται με προσθήκη διαλύματος πολύ-ηλεκτρολύτη και μετά προς τελική διάθεση. Το σύστημα ενεργού ιλύος είναι απλό στη λειτουργία και η διαδικασία επεξεργασίας έχει άριστα αποτελέσματα. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος το καθιστούν κατ εξοχήν κατάλληλο για επεξεργασία λυμάτων έτσι ώστε να ικανοποιούνται: Υψηλές απαιτήσεις απομάκρυνσης BOD5 (Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου) και αμμωνιακών. Δυνατότητα επεξεργασίας παροχών αιχμής (υδραυλικού και βιολογικού φορτίου). Πλήρης αυτοματισμός και ελάχιστες απαιτήσεις ελέγχου. Ελάχιστη παραγωγή ιλύος. Συμμόρφωση με αυστηρούς κανονισμούς απόσμησης. Ανάλογα με την τελική διάθεση (όπου απαιτείται η επίτευξη αυστηρών προδιαγραφών π.χ. διάθεση σε ποτάμια ή λίμνη) μπορεί να υπάρξει και στάδιο τριτοβάθμιας επεξεργασίας όπου τα ΥΑ απολυμαίνονται.

37 Σχήμα 1: Διεργασίες επεξεργασίας ΥΑ σε μια Μονάδα Επεξεργασίας ΥΑ

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΈΛΕΓΧΟΣ 3.1. Εισαγωγή στον Αυτοματισμό Λέγοντας αυτοματισμό, καλούμε την διαδικασία όπου γίνεται έλεγχος μίας ή περισσοτέρων διαδικασιών, με ανάδραση από μεμονωμένο ή από μια σειρά ερεθισμάτων. Τα ερεθίσματα είναι οι είσοδοι του συστήματος και οι διαδικασίες που ελέγχουμε είναι οι έξοδοι. Ο έλεγχος μπορεί να είναι λογικές πράξεις, χρονικές μεταβλητές, αλληλουχία καταστάσεων κ.α. Μέχρι την δεκαετία του 1970, ο έλεγχος γινόταν με ηλεκτρομηχανικά μέρη. Ένα ρελέ όταν τροφοδοτούταν με τάση, άνοιγε ή έκλεινε κάποιες ε- παφές που με την σειρά τους άνοιγαν ή έκλειναν άλλες επαφές ή τροφοδοτούσαν μια έξοδο. Για χρονική υστέρηση, υπήρχαν οι χρονοδιακόπτες (καλούνται χρονικά), που μετρούν ένα δεδομένο χρονικό διάστημα πριν αλλάξουν κατάσταση οι επαφές τους. Τέλος, για έλεγχο υπήρχαν μηχανικοί συγκριτές και καταμετρητές (counters), όπως για παράδειγμα να καταμετρούν πόσες ώρες λειτουργεί ένα μηχάνημα ή πόσες φορές ενεργοποιήθηκε μια αντλία. Είναι φανερό ο μικρός περιορισμός που προσέφεραν τα παραπάνω για να εκτελέσουμε γρήγορους και πολύπλοκους ελέγχους. Η ανάγκη για πολύπλοκες εφαρμογές και μεγάλης έκτασης εγκαταστάσεις, φανέρωσε τους περιορισμούς και τα προβλήματα που έχουν τα ηλεκτρομηχανικά μέρη. Γρήγορα έγινε αντιληπτό ότι για γρήγορους και ακριβείς ελέγχους καθώς και εκτέλεση μαθηματικών πράξεων, έπρεπε να χρησιμοποιήσουν ηλεκτρονικά. Ήδη είχαν παρουσιαστεί στην αγορά οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές που διέθεταν εισόδους, εξόδους και περιορισμένη μνήμη. Δεν χρειάζονταν μηχανικά μέρη, είχαν πιο γρήγορη απόκριση από ένα ρελέ. και το σημαντικότερο μπορούσαν να προγραμματιστούν σύμφωνα με τις εκάστοτε ανάγκες. Αυτό σημαίνει ότι δεν απαιτείται το καθολικό ξήλωμα μιας εγκατάστασης για αλλαγές, αλλά να αλλαχτεί ένα τμήμα του προγράμματος. Η ακριβέστερη λειτουργία, η μεγαλύτερη δυνατότητα ελέγχου και ένα μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών δίνουν στα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοματισμού με την πάροδο του χρόνου μία σαφώς ισχυρότερη θέση σε σχέ-

39 ση με τους προκατόχους τους που αποτελούνταν από ηλεκτρομηχανικά. Τα PLC s για παράδειγμα ή αλλιώς Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (Programmable Logic Controllers) είναι η εξέλιξη της παραπάνω τεχνολογίας Ανάγκη Αυτόματου Ελέγχου Λειτουργικά πλεονεκτήματα του ελέγχου Η αυτοματοποίηση ασκεί καταλυτική επίδραση στις διάφορες βιομηχανικές μονάδες τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία πληροφοριών αύξησαν την ανταγωνιστικότητα της αγοράς. Οι αυστηρότεροι και απαιτητικότεροι περιβαλλοντικοί κανονισμοί και η απαίτηση για λειτουργία με χαμηλό κόστος αλλά και ενεργειακή αποδοτικότητα δημιούργησαν την ανάγκη για νέες φιλοσοφίες σχεδιασμού του ελέγχου των πολύπλοκων βιομηχανικών συστημάτων 6. Η κύρια επίδραση αυτών των αλλαγών στις μεθοδολογίες ελέγχου βιομηχανικών διαδικασιών συνοψίζεται ως εξής: Ο νέος εξοπλισμός επεξεργασίας γίνεται ολοένα και πιο πολύπλοκος και η λειτουργία του γρηγορότερη. Τα εργοστάσια που παρουσιάζουν γρήγορη απόκριση στις απαιτήσεις της αγοράς είναι σήμερα ιδιαίτερα δημοφιλή στη βιομηχανία. Η απαίτηση για βελτιστοποίηση της συνολικής λειτουργίας ενός εργοστασίου με στόχο την αποδοτικότητα και την αξιοπιστία συνεχώς αυξάνει. Η επίτευξη συνολικού ελέγχου και της αρμονικής συνεργασίας διαφορετικών μονάδων εξοπλισμού που προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές είναι ένα σημαντικό πρόβλημα για το σχεδιασμό του ελέγχου πολύπλοκων συστημάτων. Η συνολική οργάνωση του διαχειριστικού ελέγχου και των διαδικασιών συντήρησης γίνεται από τα μεγάλης κλίμακας υπολογιστικά συστήματα ε- λέγχου.

40 Παρακάτω αναφέρονται μερικές παρατηρήσεις πάνω στην εφαρμογή αυτών των υπολογιστικών συστημάτων σε μονάδες επεξεργασίας αποβλήτων 7 : Μία μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων δέχεται οτιδήποτε καταλήγει στο δίκτυο αποχέτευσης στην είσοδο του. Μπορεί έτσι να προκύψουν ακραίες συνθήκες φόρτισης τόσο από πλευράς ποιότητας όσο επίσης και ποσότητας. Πτητικοί υδρογονάνθρακες είναι δυνατό να προκαλέσουν κινδύνους στην υγεία, διάφορα χημικά μπορεί να προκαλέσουν το θάνατο των χρήσιμων για την αποσύνθεση μικροοργανισμών, ενώ οι πολύ υψηλές παροχές αποβλήτων μπορούν να πλημμυρίσουν τη μονάδα. Η αξιοπιστία των αισθητήρων οι οποίοι χρησιμοποιούνται, συνεχώς εξελίσσεται και βελτιώνεται. Οι στρατηγικές ελέγχου πρέπει να προβλέπουν την περίπτωση αστοχίας κάποιου αισθητήρα και να δρουν έτσι που να μην προκαλείται σοβαρό πρόβλημα στη μονάδα (στρατηγική fail safe). Το περιβάλλον που επικρατεί μέσα σε μια μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων είναι αρκετά δυσμενές και διαβρωτικό για τον εξοπλισμό της μονάδας. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, όταν εγκαθίσταται εξοπλισμός ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η αλληλοεπικάλυψη διαδικασιών ασφαλείας και η στρατηγική fail safe είναι πολύ σημαντικές. Μία μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων δεν μπορεί να τεθεί ολόκληρη εκτός λειτουργίας για επισκευές Οικονομικά πλεονεκτήματα του αποτελεσματικού ελέγχου Οι αυξημένες υπολογιστικές δυνατότητες των σημερινών και ακόμα περισσότερο των μελλοντικών τεχνολογιών ελέγχου θα οδηγήσουν αναμφισβήτητα σε καλύτερο και γρηγορότερο έλεγχο των πολύπλοκων βιομηχανικών διαδικασιών. Οι πρόσφατες εξελίξεις των συστημάτων ελέγχου βελτίωσαν τον εποπτικό έλεγχο των διαδικασιών και επέτρεψαν την εύκολη και σχετικά φθηνή εφαρμογή του. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των νέων συστημάτων ελέγχου είναι: Αυξημένη δυναμικότητα μονάδας: Η αυξημένη ευελιξία μιας μονάδας σημαίνει ότι αυτή μπορεί να ανταποκριθεί σε μια ευρύτερη κλίμακα απαιτήσεων

41 παραγωγής. Στις διαδικασίες επεξεργασίας αποβλήτων αυτό το πλεονέκτημα θα είναι πολύ σημαντικό για την αντιμετώπιση των ημερήσιων ποιοτικών και ποσοτικών διακυμάνσεων των εισερχόμενων αποβλήτων. Χαμηλότερα λειτουργικά κόστη: Το πλεονέκτημα αυτό οφείλεται στους εξής παράγοντες: απαιτούνται μικρότερες αποθηκευμένες ποσότητες πρώτων υλών λόγω αποδοτικής χρησιμοποίησης τους, καλύτερη εκμετάλλευση της ενέργειας, χαμηλότερα κόστη συντήρησης, χαμηλότερο κόστος χειρονακτικής εργασίας, βελτίωση της ασφάλειας στη μονάδα, βελτιωμένη και σταθερή (παρά τις διακυμάνσεις στην είσοδο) ποιότητα προϊόντος, βελτιωμένη διαχείριση της μονάδας ώστε η λειτουργία του να μειώνει το κόστος Αλληλεπιδράσεις σχεδιασμού λειτουργίας Τα κυριότερα προβλήματα των μονάδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων σήμερα έχουν αλλάξει: από προβλήματα του σχεδιασμού και της κατασκευής που ήταν παλιότερα, σ' αυτά του λειτουργικού ελέγχου της διαδικασίας στις μέρες μας. Μια καλύτερη κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς αυτών των μονάδων και η χρήση συστημάτων ελέγχου που μετατρέπουν την μη ικανοποιητική δυναμική συμπεριφορά σε ικανοποιητική συνεισφέρει στην επίλυση λειτουργικών προβλημάτων και στη μείωση του κόστους λειτουργίας. Αν και θα δώσουμε περισσότερη έμφαση στη δυναμική της διεργασίας και στον έλεγχο αυτής, τρέπει να πούμε ότι υφίσταται ισχυρή αλληλεπίδραση ανάμεσα στο σχεδιασμό της διεργασίας και στο σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου. Οι δύο αυτοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοση της μονάδας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, όπου απεικονίζεται η χρονικά εξαρτώμενη συμπεριφορά της διαδικασίας πριν και μετά την προσθήκη ενός συστήματος ελέγχου. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο μηχανικός σχεδιασμού της μονάδας δίνει το σχέδιο της μονάδας στο μηχανικό σχεδιασμού συστημάτων ελέγχου και του λέει: "Σχεδίασε ένα σύστημα ελέγχου γι' αυτό\ Μια εναλλακτική προσέγγιση θα ήταν να πει ο μηχανικός σχεδιασμού της μονάδας: "Πες μου πόσο μπορεί να μειωθεί το μέγεθος της μονάδας με την προσθήκη ενός συστήματος ελέγχου;"

42 Σχήμα 2: Χρονικά μεταβαλλόμενες είσοδοι και έξοδοι για ελεγχόμενες και μη διεργασίες Παρ' όλα αυτά, το προτιμότερο θα ήταν να πουν και οι δύο μηχανικοί: "Πώς μπορούμε να δουλέψουμε μαζί για να συνδυάσουμε με τον καλύτερο τρόπο τον σχεδιασμό της μονάδας με τον σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου; Ο έλεγχος σε μονάδα ενεργού ιλύος Όταν η διαδικασία ενεργού ιλύος σχεδιαστεί και λειτουργήσει σωστά, τότε μπορεί να δώσει παραγόμενο προϊόν υψηλής ποιότητας και μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τις προδιάγραφες ποιότητας που καθορίζονται από το νόμο, ενώ μπορεί να απομακρύνει ικανοποιητικά τις ενώσεις του αζώτου και του φωσφόρου. Από την εμπειρία όμως είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να ελεγχθεί σαν διαδικασία, ενώ είναι και πολύ εύκολο να αστοχήσει, είτε λόγω του φαινομένου της διόγκωσης ιλύος, είτε λόγω της απώλειας της ικανότητας νιτροποίησης (ευαίσθητη διαδικασία). Επίσης, απαιτεί σαν διαδικασία περισσότερη ενέργεια σε σχέση με τις άλλες βιολογικές διαδικασίες (αναερόβιες) που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία αποβλήτων. Ο πρώτος στόχος ενός συστήματος ελέγχου πρέπει να είναι η αποτροπή της αστοχίας της διαδικασίας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη διαδικασία της ενεργού ιλύος, γιατί απαιτείται ένα σημαντικό χρονικό διάστημα (εβδομάδες) για να επανέλθει η διαδικασία στην κανονική της λειτουργία μετά από μια αστοχία. Έτσι έχουμε ως επακόλουθο τη ρύπανση του περι-

43 βάλλοντος για όλο αυτό το σημαντικό χρονικό διάστημα που περιλαμβάνει την περίοδο της αστοχίας και την περίοδο της επαναφοράς της διαδικασίας. Όταν ικανοποιηθεί η απαίτηση ότι το σύστημα ελέγχου παρέχει προστασία έναντι της αστοχίας, τότε ο επόμενος σημαντικός στόχος που πρέπει να ικανοποιηθεί είναι η καλή ποιότητα του προϊόντος, ώστε να ικανοποιούνται τα όρια των κανονισμών. Μόνο αφού υλοποιηθούν οι παραπάνω στόχοι, το σύστημα ελέγχου θα προσπαθήσει να ικανοποιήσει και τον τρίτο του στόχο που είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας. Στα προηγούμενα χρόνια, τα περισσότερα μοντέλα σχεδιασμού διαδικασιών ενεργού ιλύος στηρίζονταν στην υπόθεση της σταθερής κατάστασης (δηλαδή ότι δεν υπάρχουν χρονικές μεταβολές). Στην πραγματικότητα όμως υπάρχουν χρονικές μεταβολές στην εισερχόμενη παροχή, στην συγκέντρωση και στην ποιότητα των ρύπων στα απόβλητα. Ο κυριότερος λόγος για τον οποίο η δυναμικότητα της συμπεριφοράς της ενεργού ιλύος δεν λαμβάνονταν έως σήμερα υπόψη στο σχεδιασμό έγκειται στο ότι, παρά τη δυνατότητα να περιγραφεί η δυναμική συμπεριφορά ποσοτικά (ανάπτυξη δυναμικών μαθηματικών μοντέλων με τη μορφή συστημάτων διαφορικών εξισώσεων), δεν υπάρχουν αναλυτικές λύσεις για αυτά τα συστήματα. Έτσι οι μηχανικοί όντας πρακτικοί άνθρωποι δεν επέμειναν στη δημιουργία μοντέλων των ο- ποίων η επίλυση ήταν αδύνατη με τα μέσα της εποχής. Η κατασκευή φθηνών ηλεκτρονικών υπολογιστών τα χρόνια που ακολούθησαν, καθώς και η δημιουργία γλωσσών προγραμματισμού που είναι εύκολες στη χρήση, άλλαξαν τελείως αυτή την κατάσταση. Πριν την έλευση των ηλεκτρονικών υπολογιστών, η δυναμική συμπεριφορά λαμβανόταν υπόψη κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, προβλέποντας το σύστημα να έχει πρόσθετη δυνατότητα επεξεργασίας για να μπορεί να διαχειριστεί τα μέγιστα φορτία Μια εναλλακτική λύση σ' αυτό το πρόβλημα είναι να παρέχουμε επαρκή ευελιξία κατά το σχεδιασμό, ώστε με κατάλληλο έλεγχο της διεργασίας να μπορούν να αντιμετωπιστούν τα μέγιστα φορτία. Χαρακτηριστικό παράδειγμα επιπλέον ευελιξίας της διαδικασίας ενεργού ιλύος ίου μπορεί να προστεθεί κατά το σχεδιασμό είναι ο εφοδιασμός της μονάδας με αγωγούς ή κανάλια τα οποία να επιτρέπουν τον έλεγχο των σημείων στα οποία εισέρχονται τα απόβλητα στη δεξαμενή αερισμού, όπως

44 φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα 3. Μ' αυτού του είδους τον έλεγχο η αστοχία της διεργασίας που μεταφράζεται σαν αύξηση της συγκέντρωσης των στερεών στο ρεύμα εξόδου μπορεί να αποφευχθεί με τη μετατόπιση του σημείου τροφοδοσίας κοντά στη δεξαμενή καθίζησης (όπως φαίνεται και στο σχήμα 3. Μ' αυτό τον τρόπο μειώνεται ο όγκος της δεξαμενής αερισμού και έτσι μπορούμε να μειώσουμε την ηλικία ιλύος, ελαττώνοντας τη συγκέντρωση των μ/ο {μικροοργανισμών) και αποφεύγοντας την εμφάνιση τους μετά τη δεξαμενή καθίζησης. Έτσι, αντί να αυξήσουμε τον όγκο της δεξαμενής καθίζησης, μειώνουμε τον όγκο της δεξαμενής αερισμού. Σχήμα 3: Διεργασία ενεργού ιλύος με πολλαπλά σημεία τροφοδοσίας αερισμού Δυναμικά μοντέλα Διάφοροι τύποι μοντέλων και συνδυασμοί αυτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τη δυναμική συμπεριφορά των διεργασιών επεξεργασίας των αποβλήτων. Ανάμεσα σ' αυτά είναι τα μηχανιστικά μοντέλα, τα μοντέλα μικρών χρονικών βημάτων και τα λογικά μοντέλα. Τα μηχανιστικά μοντέλα βασίζονται κυρίως σε θεμελιώδεις επιστημονικές γνώσεις και ειδικότερα σε γνώσεις μηχανικής για τα φυσικά, χημικά και βιολογικά φαινόμενα που χαρακτηρίζουν το σύστημα που πρόκειται να μοντελοποιηθεί. Αυτά τα μοντέλα είναι συνήθως ντετερμινιστικά, δηλαδή για δεδομένη κατάσταση του συστήματος μόνο ένας περιορισμένος αριθμός αποτελεσμάτων είναι δυνατό να συμβεί. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα στοχαστικά

45 μοντέλα στα οποία υπάρχει η έννοια της πιθανότητας και είναι δυνατό να υπάρχει μεγάλος αριθμός αποτελεσμάτων. Το μοντέλο το οποίο μπορεί να περιγραφεί από τις εξισώσεις που χαρακτηρίζουν τις διεργασίες του είναι ένα μηχανιστικό μοντέλο. Τα μοντέλα χρονικών βημάτων είναι πιο εμπειρικά και βασίζονται στη συλλογή μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων και στην εφαρμογή στατιστικών μεθόδων για την εξαγωγή εμπειρικών σχέσεων που χαρακτηρίζουν τα δεδομένα. Αυτά τα μοντέλα θεωρούνται στοχαστικά. Εντούτοις, τα μοντέλα αυτά συχνά έχουν και στοιχεία ντετερμινιστικά ακριβώς όπως τα ντετερμινιστικά μοντέλα έχουν και στοχαστικά στοιχεία. Τα λογικά μοντέλα στηρίζονται αρκετά συχνά σε διανοητικά μοντέλα εκπαιδευμένων μηχανικών χειρισμού και για αυτό αρκετά συχνά καλούνται έμπειρα συστήματα ή βασισμένα στη γνώση μοντέλα. Ένας συνηθισμένος τύπος λογικού μοντέλου είναι αυτό που βασίζεται σε κανόνες του τύπου «αν - τότε» και στο οποίο η δυναμική συμπεριφορά και ο έλεγχος δηλώνονται με γλωσσικούς όρους Συστήματα ελέγχου διεργασιών Ένας από τους λόγους που αναπτύσσουμε δυναμικά μοντέλα είναι για να δοκιμάσουμε τα συστήματα ελέγχου διεργασιών τα οποία μετατρέπουν την μη ικανοποιητική δυναμική συμπεριφορά σε ικανοποιητική. Εφαρμόζοντας τον έλεγχο των διεργασιών, ο κατευθυντής (ηλεκτρονική συσκευή ελέγχου) πρέπει επίσης να μοντελοποιηθεί με μοντέλα ελέγχου τα οποία καλούνται αλγόριθμοι ελέγχου ή νόμοι ελέγχου. Αυτά τα μοντέλα ελέγχου κυμαίνονται από απλά (άνοιγμα- κλείσιμο μιας αντλίας, για παράδειγμα) έως πολύπλοκα, όπως είναι ο έλεγχος ο οποίος στηρίζεται σε μοντέλα, όπου ο κατευθυντής κάνει μια πρόβλεψη χρησιμοποιώντας ένα δυναμικό μοντέλο της διεργασίας του λάθους που θα προκύψει, αν δεν εφαρμοστεί κάποιος έλεγχος της διεργασίας, και στη συνέχεια υπολογίζει, χρησιμοποιώντας τόσο το μοντέλο της διεργασίας όσο και το μοντέλο του καυτευθυντή, το ποσό του ελέγχου που πρέπει να εφαρμοστεί για να εξαφανιστεί το σφάλμα (έλεγχος feedforward) 3.

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ 4.1. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Οι λειτουργίες του Συστήματος είναι : - Τηλεχειρισμός μονάδων της Εγκατάστασης, αυτοματοποίηση λειτουργίας μονάδων, τηλεπίβλεψη όλων των μονάδων της εγκατάστασης. (Οδήγηση, ανεύρεση βλαβών, έλεγχος κατάστασης, μετρήσεις, υλοποίηση αλγορίθμων λειτουργίας π.χ. Αερισμού, Αντλιοστασίων κ.λπ.). - Καταγραφές (βλαβών, μετρήσεων, κ.λπ.) - Μέτρηση ωρών λειτουργίας ή κατανάλωσης ισχύος (για προγραμματισμό συντήρησης). - Συλλογή και αξιολόγηση στατιστικών στοιχείων. Ο Τηλεέλεγχος των λειτουργικών παραμέτρων, ο τηλεχειρισμός κάποιων μονάδων εγκατάστασης (Α/Σ Ανακυκλοφορίας, κ.λπ.) και η αυτόματη τοπικά (χειριζόμενη) λειτουργία των διαδικασιών επιτυγχάνεται με την χρησιμοποίηση Remote Terminal Units (R.T.U.) συνδεδεμένο σειριακά σε κεντρική μονάδα ελέγχου η οποία επικοινωνεί (point-to point) και με σύστημα Ηλεκτρονικού Υπολογιστή όπου το Λογισμικό αναλαμβάνει τον πλήρη τηλεχειρισμό και τηλεπαρακολούθηση της εγκατάστασης Συνοπτική Δομή Συστήματος Το όλο σύστημα έχει συνοπτικά την πιο κάτω δομή : α) Ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου P.L.C.

47 β) Σύστημα Τελεεποπτείας Τηλεχειρισμού με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή και αποτελείται από : - Ηλεκτρονικό Υπολογιστή - Λογισμικό - Ένα εκτυπωτή γ) Έξι συστήματα Remote Terminal Unit Λειτουργικές Δυνατότητες Το κεντρικό σύστημα ελέγχου μαζί με το σύστημα τηλεειδοποίησης και τηλεελέγχου έχει εγκατασταθεί στον χώρο της αίθουσας ελέγχου (Κέντρο Ελέγχου - Κ.ΕΛ.) του κτιρίου Διοίκησης και υλοποιεί την επικοινωνία χειριστή Μηχανής. Ο χειριστής μπορεί να επιλέξει με τις συσκευές εισόδου (Input Devices) του Η/Υ την εποπτική εικόνα της επιμέρους διαδικασίας εγκατάστασης που επιθυμεί και στη συνέχεια, αν το κρίνει απαραίτητο, να προβεί σε τηλεχειρισμό αυτής, όπου αυτό επιτρέπεται. Η επέμβαση του χειριστή στην εξέλιξη της διαδικασίας ή σε ορισμένες παραμέτρους των αλγορίθμων ελέγχου γίνεται με την χρήση ιεραρχικά δομημένων πινάκων επιλογής (menu driver). Τα πάσης φύσεως σφάλματα, βλάβες, alarm κ.λπ. καταγράφονται στον εκτυπωτή καθώς επίσης και τα στατιστικά αποτελέσματα και Reports για τις κυριότερες παραμέτρους της εγκατάστασης. Ο χειριστής έχει επίσης τη δυνατότητα παρακολούθησης του συνόλου των ελεγχομένων εγκαταστάσεων με μιμικό διάγραμμα που βρίσκεται στο Κέντρο Ελέγχου. Οι τοπικές μονάδες έχουν εγκατασταθεί σε πεδία αυτοματισμού που ονομάζονται Περιφερειακές Μονάδες Ψηφιακού Ελέγχου (Π.Μ.Ψ.Ε.) οι οποίες βρίσκονται κοντά στον εξοπλισμό που ελέγχουν. Οι μονάδες αυτές στα πλαίσια λειτουργίας του συστήματος επιτηρούν και ελέγχουν τις επιμέρους εγκαταστάσεις υλοποιώντας έτσι μια αποκεντρωμένη δομή του συστήματος αυτοματισμού.

48 Η αρχιτεκτονική του όλου συστήματος και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού καθιστούν εύκολη την επεκτασιμότητα του. Για να γίνει εφικτή η εγκατάσταση ενός Συστήματος ελέγχου, το οποίο θα υλοποιεί όλες τις παραπάνω λειτουργίες, απαιτείται κάθε επιμέρους Η/Μ εγκατάσταση να ανταλλάσσει με αυτό συγκεκριμένα δεδομένα. Αυτά είναι : είτε πληροφορίες Κατάστασης και Μετρήσεις (είσοδοι για το σύστημα) είτε εντολές οδήγησης - τηλεχειρισμοί (έξοδοι για το σύστημα). Όργανα που απαιτούνται για το εγκατεστημένο σύστημα ελέγχου: σταθμίμετρα παροχόμετρα υπερήχων μαγνητικά παροχόμετρα όργανα μέτρησης αιωρούμενων στερεών όργανα μέτρησης υπολειμματικού χλωρίου 4.2. Επί Μέρους Μονάδες, Τεχνικά Χαρακτηριστικά, Τηλεπαρακολούθηση Δεδομένων Είσοδος - Α/Σ Ανύψωσης Στο αντλιοστάσιο Ανύψωσης καταλήγει ο Κεντρικός Αγωγός προσαγωγής Λυμάτων. Αποτελείται από Αντλίες που λειτουργούν κυκλικά και σύμφωνα με τη στάθμη του φρεατίου συλλογής, ανυψώνοντας τα εισερχόμενα λύματα στο κτίριο Εσχάρωσης.

49 ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη διακόπτη Αυτόματα ΕΝΤΟΣ / ΕΚΤΟΣ του Α/Σ 2. Ένδειξη διακόπτη Αυτόματα / Χειροκίνητα των Αντλιών του Α/Σ 3. Μέτρηση καταναλώμενης ισχύος κάθε αντλίας, ένδειξη λειτουργίας. 4. Ένδειξη θερμικού, Διακόπτη Συντήρησης, Emergency. 5. Εντολή οδήγησης για κάθε αντλία 6. Ένδειξη Μέτρησης Στάθμης Λυμάτων του Α/Σ, κατάστασης φλοτέρ άνω κάτω στάθμης. 7. Μέτρηση ωρών λειτουργίας αντλιών του Α/Σ Εσχάρωση Στην εσχάρωση με αυτόματες Εσχάρες απομακρύνονται τα ευμεγέθη στερεά. Το ποιο κανάλι είναι ενεργό καθορίζεται από αυτόματα θυροφράγματα ανά κανάλι τα οποία ανοίγουν ανάλογα με την στάθμη στο φρεάτιο του Α/Σ α- νύψωσης. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη διακόπτη ΑΥΤΟΜΑΤΑ/ΧΕΙΡΟΚΙΝΗΤΑ των Εσχαρών. 2. Ένδειξη θερμικού, Διακόπτη Συντήρησης, EMERGENCY και ένδειξη λειτουργίας για κάθε ΕΣΧΑΡΑ. 3. Ένδειξη μέτρησης Διαφορικής Στάθμης ανά κανάλι εσχάρωσης. 4. Μέτρηση ωρών λειτουργίας Εσχαρών. 5. Ένδειξη Limit open-closed, ένδειξη λειτουργίας, εντολή τηλεχειρισμού λειτουργίας, ένδειξη θερμικού για κάθε Θυρόφραγμα Αεριζόμενη Εξάμμωση Στο αεριζόμενο αμμοσυλέκτη απομακρύνεται η άμμος και γενικά τα μη οργανικά σωματίδια με μεγάλη διάμετρο που θα μπορούσαν να φράξουν και να φθείρουν τον εξοπλισμό δημιουργώντας προβλήματα απόδοσης.

50 Συγχρόνως απομακρύνονται τα λίπη και τα έλαια που περιέχονται στα λύματα. Μια κινητή γέφυρα εξασφαλίζει την συνεχή απομάκρυνση της άμμου και των λιπών. Η άμμος μέσω διαχωριστή απομακρύνεται σε δοχεία άμμου. Στα κανάλια εξάμμωσης μετριέται η διερχόμενη παροχή των λυμάτων με ηλεκτρονικούς μετρητές παροχής υπερήχων. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη λειτουργίας, θερμικού, συντήρησης, Emergency για κάθε φυσητήρα. 2. Ένδειξη λειτουργίας, θερμικού, Συντήρησης, Emergency για τον εξαμμωτή (air-lift). 3. Μέτρηση ωρών λειτουργίας για κάθε φυσητήρα. 4. Ένδειξη μετρήσεων παροχής στις δύο εξόδους του εξαμμωτή Αερισμός Τα λύματα κατόπιν καταλήγουν στον Μεριστή του Αερισμού και στην συνέχεια κατανέμονται στις δεξαμενές Αερισμού. Ο Αερισμός είναι το σημαντικότερο τμήμα του συστήματος της Βιολογικής επεξεργασίας. Οι Δεξαμενές Αερισμού είναι οξειδωτικοί τάφροι που λειτουργούν με επιφανειακούς αεριστήρες και ρυθμιζόμενο υπερχειλιστή. Για εξοικονόμηση στην κατανάλωση ενέργειες οι ρότορες είναι δύο ταχυτήτων. Η λειτουργία ελέγχεται και αυτοματοποιείται μέσω μετρητών διαλυμένου οξυγόνου (DO). ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη λειτουργίας, μέτρησης καταναλισκώμενης ισχύος, θερμικού, Συντήρησης, Emergency, Termistor για κάθε ΑΕΡΙΣΤΗ. 2. Εντολή τηλεχειρισμού λειτουργίας για κάθε ΑΕΡΙΣΤΗ. 3. Ένδειξη λειτουργίας, LIMIT open-closed και βλάβης για κάθε ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΗ. 4. Εντολή τηλεχειρισμού λειτουργίας για κάθε ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΤΗ.

51 5. Μέτρηση ωρών λειτουργίας ΑΕΡΙΣΤΩΝ. 6. Ένδειξη μετρήσεων D.O ( διαλυμένου οξυγόνου ) ανά Δ/Ξ Υπερχείλιση Καθίζηση Στη συνέχεια, μέσω του Μεριστή Καθίζησης τα λύματα οδηγούνται στις Δ/Ξ τελικής καθίζησης όπου η λάσπη καθιζάνει στον πυθμένα ενώ το διαυγισμένο νερό υπερχειλίζει προς την Δ/Ξ χλωρίωσης. Η λάσπη του πυθμένα καταλήγει στο Α/Σ ανακυκλοφορίας από όπου ένα μέρος επιστρέφει στο μεριστή Αερισμού (Ανακυκλοφορία Λάσπης) ενώ το υπόλοιπο (Περίσσεια) οδηγείται στον Παχυντή και από εκεί στις πρέσσες ή εναλλακτικά σε περίπτωση βλάβης στις κλίνες Ξήρανσης. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη μέτρησης καταναλισκόμενης ισχύος, λειτουργίας θερμικού, διακόπτη Συντήρησης, Emergency, εντολή τηλεχειρισμού λειτουργίας για κάθε αντλία ανακυκλοφορίας. 2. Ένδειξη μέτρησης παροχής Α/Σ ανακυκλοφορίας. 3. Ένδειξη διακόπτη ΑΥΤΟΜΑΤΑ ΕΝΤΟΣ / ΕΚΤΟΣ Α/Σ Περίσσειας. 4. Ένδειξη λειτουργίας θερμικού, Συντήρησης, Emergency, εντολή λειτουργίας για κάθε αντλία Περίσσειας. 5. Ένδειξη φλοτέρ στάθμης Low-Low Α/Σ Περίσσειας. 6. Ένδειξη λειτουργίας, θερμικού, διακόπτη Συντήρησης Emergency για κάθε SCRAPER (σαρωτή λάσπης Δ/Ξ καθίζησης). 7. Ένδειξη μετρήσεων παροχής Καθίζησης (2 παροχόμετρα) 8. Ένδειξη ωρών λειτουργίας όλων των παραπάνω αντλιών 8.

52 Χλωρίωση Στην δεξαμενή χλωρίωσης η απολύμανση του νερού γίνεται με υποχλωριώδες Νάτριο, (μέθοδος απλή, αποτελεσματική και χωρίς τους κινδύνους του αερίου χλωρίου). Η απολύμανση γίνεται μέσω δοσομετρικών αντλιών που ελέγχονται από τον μετρητή υπολειματικού χλωρίου σε συνδυασμό με την μετρούμενη παροχή εξόδου (από μετρητή ροής ανοικτού καναλιού) με αυτόνομους ρυθμιστές. Στη συνέχεια τα καθαρά νερά οδηγούνται στο φρεάτιο εξόδου και στον αγωγό εκροής. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Μέτρηση παροχής λυμάτων στη Δ/Ξ χλωρίωσης. 2. Ένδειξη Υπολειματικού χλωρίου. 3. Ένδειξη χαμηλής υψηλής στάθμης Δοχείων χλωρίου. 4. Ένδειξη λειτουργίας βλάβης, εντολή λειτουργίας για κάθε Δοσομετρική αντλία χλωρίου. 5. Μέτρηση ωρών λειτουργίας των αντλιών χλωρίου Παχυντής - Αντλιοστάσιο Στραγγιδίων Η περίσσεια λάσπης στον Παχυντή με συνεχή ανάδευση διαχωρίζεται από τα περιεχόμενα υγρά. Τα στραγγίδια υπερχειλίζουν προς το Αντλιοστάσιο Στραγγιδίων, από όπου οδηγούνται στην είσοδο (Α/Σ ανύψωσης). ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη λειτουργίας, θερμικού, Emergency για κάθε scraper παχυντή. 2. Ένδειξη λειτουργίας, θερμικού Emergency για κάθε αντλία παχυμένης Λάσπης. 3. Ένδειξη Διακόπτη ΑΥΤΟΜΑΤΑ ΕΝΤΟΣ/ΕΚΤΟΣ Α/Σ Στραγγιδίων. 4. Ένδειξη Διακόπτη ΑΥΤΟΜΑΤΑ ΧΕΙΡΟΚΙΝΗΤΑ αντλιών Α/Σ Στραγγιδίων.

53 5. Ένδειξη φλοτέρ (on-of) στάθμης Α/Σ Στραγγιδίων ΚΛΙΝΕΣ ΞΗΡΑΝΣΗΣ - ΤΑΙΝΙΟΦΙΛΤΡΟΠΡΕΣΣΑ Η παχυμένη λάσπη οδηγείται μέσω των Αντλιών παχυμένης λάσπης στις πρέσσες ή εναλλακτικά στις κλίνες ξήρανσης. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη διακόπτη αυτόματα-χειροκίνητα για κάθε πρέσσα. 2. Ένδειξη συντήρησης Emergency λειτουργίας, βλάβης για κάθε πρέσσα. 3. Μέτρηση ωρών λειτουργίας των πρεσσών. 4. Ένδειξη λειτουργίας - βλάβης κομπρεσσερ Υποσταθμός Ο Υποσταθμός αποτελείται από Μ/Σ (μετασχηματιστές) Επίσης υπάρχει εξωτερικός φωτισμός που εντολοδοτείται από το σύστημα αυτοματισμού Κτίριο Διοίκησης Στο Κτίριο Διοίκησης βρίσκεται ο Κεντρικός Πίνακας Ελέγχου και το Κεντρικό PLC. Επίσης το σύστημα Τηλεπίβλεψης Τηλεχειρισμού. Στο κτίριο Διοίκησης επίσης βρίσκεται πλήρως εξοπλισμένο Εργαστήριο για τον συνεχή δειγματοληπτικό έλεγχο των παραμέτρων λειτουργίας εισροών/εκροών και απόδοσης της εγκατάστασης. ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 1. Ένδειξη Διακοπτών Μ/Τ, Χ/Τ, Μ/Σ, ΔΕΗ, θερμοκρασία Buchholz. 2. Ένδειξη λειτουργίας ομάδων εξωτερικού φωτισμού, εντολή τηλεχειρισμού λειτουργίας.

54 4.3. Περιγραφή Συστήματος Αυτοματισμού Η επιμέτρηση των παραπάνω δεδομένων οδήγησε στην ανάγκη σχεδίασης και εγκατάστασης μιας ολοκληρωμένης λύσης αυτοματισμού, η οποία θα οδηγεί ελέγχει παρακολουθεί ψηφιακά και αναλογικά σήματα εισόδων εξόδων ανεπτυγμένα σε όλο το μήκος της Εγκατάστασης του Βιολογικού Καθαρισμού και στην Αίθουσα ελέγχου. Στην εγκατάσταση τοποθετούνται συστήματα τοπικού αυτοματισμού με τόσους εισόδους εξόδους το καθένα, όσα τα ελεγχόμενα σημεία των Η/Μ εγκαταστάσεων της «περιοχής» του. Τα συστήματα είναι χωρισμένα σε Περιφερειακές Μονάδες Ψηφιακού Ελέγχου (ΠΜΨΕ) και το κεντρικό σύστημα ελέγχου επικοινωνεί σειριακά, μέσω του καλωδίου δύο ζευγών, με τα περιφερειακά και ελέγχει τις Η/Μ εγκαταστάσεις. Με την αποκεντρωμένη οργάνωση των συστημάτων (δηλαδή εγκατάσταση δίπλα στους πίνακες Ισχύος, αισθητήρια) επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση των καλωδιώσεων με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους εγκατάστασης και συντήρησης. Κριτήρια επιλογής του πλήθους και της θέσης εγκατάστασης των Περιφερειακών συστημάτων αποτέλεσαν οι επιμέρους «συγκεντρώσεις» εσόδων/εξόδων αλλά και η διατήρηση της ανεξαρτησίας ή των επιμέρους μανδαλώσεων λειτουργίας ενιαίων Η/Μ εγκαταστάσεων (ΑΕΡΙΣΜΟΣ, Α/Σ ΑΝΥΨΩΣΗΣ κ.λπ.). Το σύστημα, το οποίο είναι εγκατεστημένο στην Αίθουσα ελέγχου των κτιρίων Διοίκησης του Βιολογικού Καθαρισμού : 1. Οδηγεί Μιμικό διάγραμμα της εγκατάστασης (οπτική και ηχητική σήμανση λειτουργίας/βλαβών των Η/Μ εγκαταστάσεων). 2. Οδηγεί καταγραφικά όργανα για την καταγραφή των κυριοτέρων παραμέτρων της εγκατάστασης (DO, παροχής κ.λπ.). 3. Συνδέεται μέσω της ειδικής κάρτας επικοινωνίας με το σύστημα Τηλεποπτείας Τηλεχειρισμού

55 Ο χειριστής βλέπει στην οθόνη μετρήσεις D.O. παροχής, την κατάσταση όλων των στοιχείων (βλάβη λειτουργία, τοπικός κεντρικός έλεγχος, αυτόματος χειροκίνητος χειρισμός κ.λπ.). Επίσης χρησιμοποιούνται function keys του πληκτρολογίου ή το mouse για τηλεχειρισμούς. Τελικά το σύστημα Αυτοματισμού υλοποιώντας πλήρως τις απαιτήσεις της μελέτης δίδει την δυνατότητα τηλεχειρισμού μονάδων του εξοπλισμού της εγκατάστασης από το Κέντρο Ελέγχου μέσω του Η/Υ, την επιτόπια εντολοδότηση Μονάδων λόγω ιδιαιτερότητας του Α/Σ εισόδου, Α/Σ περίσσειας κ.λπ. καθώς και τη δυνατότητα ελέγχου των μονάδων σε περίπτωση βλάβης ή συντήρησης με επιτόπου χειρισμούς εξασφαλίζοντας έτσι την αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία της εγκατάστασης Τηλέλεγχος Εισόδου Βυτιοφόρων Βοθρολυμάτων Μετά την εγκατάσταση του Συστήματος Ελέγχου-Τηλεχειρισμού η Μονάδα λειτουργεί πλέον με ηλεκτρονική παρακολούθηση κατά τις νυχτερινές ώρες και τις αργίες, με σημαντική εξοικονόμηση κόστους προσωπικού ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η εφαρμογή βασίζεται στο σύστημα αναγνώρισης Moby Identification System. Τα επιμέρους κομμάτια που απαρτίζουν το σύστημα είναι : 1. Οι ειδικές κάρτες (μεγέθους πιστωτικής), οι οποίες είναι διανεμημένες στους οδηγούς των βυτιοφόρων. 2. Οι δύο ψηφιακοί αναγνώστες (radar) οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στο χώρο εισόδου εξόδου των βυτιοφόρων από τις εγκαταστάσεις του Β.Κ..

56 3. Ο πίνακας με το PLC, το οποίο ελέγχει την λειτουργία της αυτόματης ηλεκτρικής πόρτας, συνδέεται με το σύστημα του αναγνώστη των καρτών (radar). 4. Το ασύρματο σύστημα μεταφοράς των πληροφοριών στο κέντρο τηλεελέγχου και τηλεχειρισμών μέσω του οποίου γίνεται η καταγραφή και η παρακολούθηση των εισόδων ε- ξόδων των οχημάτων όπως επίσης και η ανανέωση ή η διακοπή της δυνατότητας πρόσβασης. 5. Το σύστημα CCTV (κάμερα, οθόνη και Video Recording) για τοπικό έλεγχο της πρόσβασης των οχημάτων Λειτουργία του Συστήματος Ο οδηγός του κάθε βυτιοφόρου προπληρώνει τον επιθυμητό αριθμό προσβάσεων του στις εγκαταστάσεις του Β.Κ. Κάθε φορά ο οδηγός για να εισέλθει στον Β.Κ. πλησιάζει στον εξωτερικό αναγνώστη την προσωπική του κάρτα. Το σύστημα ελέγχει την εγκυρότητα της κάρτας, εντολοδοτεί το άνοιγμα της ηλεκτρικής συρόμενης πόρτας και ταυτόχρονα καταγράφει, μέσω του συστήματος Τ.V., την διαδικασία εισόδου. Παράλληλα το κεντρικό σύστημα ελέγχου στα Γραφεία της Επιχείρησης, μέσω συστήματος ασύρματης μετάδοσης καταγράφει με βάση δεδομένων την είσοδο του συγκεκριμένου οχήματος. Η ίδια διαδικασία γίνεται και κατά την έξοδο του οχήματος από τον Β.Κ. με ανάγνωση της κάρτας (από τον εσωτερικό αναγνώστη). Κάθε φορά που κάποιο όχημα εισέρχεται στον Β.Κ. γίνεται αυτόματη μείωση κατά ένα, στον αριθμό προσβάσεως. Προτού μηδενιστεί ο α- ριθμός πρόσβασης του κάθε οχήματος, το σύστημα προειδοποιεί ηχητικά τον οδηγό για το υπόλοιπο των προσβάσεών του, έτσι ώστε εγκαίρως να γίνει ανανέωση της πρόσβασης του.

57 Ο Υπεύθυνος διαχείρισης του συστήματος έχει την δυνατότητα : 1. από το Κέντρο Ελέγχου να ανανεώνει αυτόματα τον αριθμό προσβάσεων του οχήματος που πληρώνει τις εισόδους τους. 2. να παρακολουθεί ιστορικά σε βάση δεδομένων την χρονική στιγμή εισόδου εξόδου του κάθε οχήματος καθώς και την χρονική διάρκεια παραμονής του μέσα στην εγκατάσταση. 3. να παρακολουθεί τον υπολειπόμενο αριθμό προσβάσεων του κάθε οχήματος. 4. να πιστοποιεί μέσω του συστήματος CCTV (Video Recorder) την ορθότητα των προσβάσεων Οφέλη από την λειτουργία του Συστήματος 1.Αύξηση της αξιοπιστίας καταγραφής της πρόσβασης των οχημάτων. 2.Λειτουργία του Β.Κ. σε 24ωρη βάση. 3.Έμμεση βελτίωση των οικονομικών μεγεθών λειτουργίας του Β.Κ., μειώνοντας τις εργατοώρες για την καταγραφή των βυτίων. 4. Εύκολη επέκταση του συστήματος ώστε να καταγράφει εκτός από τα βυτία και κάθε υπηρεσιακό όχημα αλλά ακόμη και την πρόσβαση των εργαζομένων.

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Ο ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΤΙΣ ΜΕΥΑ Η λειτουργία των Μονάδων Βιολογικού Καθαρισμού αποτελεί μία απ' τις πλέον δαπανηρές εργασίες στον κύκλο διαχείρισης των υδατικών πόρων από μέρους των ΔΕΥΑ ενώ συγχρόνως είναι και η πλέον καίρια δραστηριότητά τους όσον αφορά την προστασία του περιβάλλοντος. Σημαντικό μέρος της δαπάνης λειτουργίας των Μονάδων Β.Κ. καλύπτει το κόστος αμοιβής του προσωπικού τόσο για την καθημερινή συντήρηση και λειτουργία τους όσο και για την εκτός ωραρίου, δηλ. στο 75% του συνολικού χρόνου, παρακολούθηση και επιφυλακή. Για την συγκράτηση του κόστους σ' αυτό ακριβώς το τμήμα της εκτός ωραρίου δαπάνης αμοιβής του προσωπικού, αλλά και για την καλύτερη και πιο αξιόπιστη παρακολούθηση της συνολικής λειτουργίας των Μονάδων, έχουν αναπτυχθεί διάφορα επί μέρους συστήματα τηλελέγχου. Θα μπορούσαμε να διακρίνουμε δυο κατηγορίες διαχωρισμού της εφαρμογής του αυτοματισμού στις ΜΕΥΑ. 1) Συλλογή Δεδομένων και 2) Απεικόνιση και Επεξεργασία 5.1. Συλλογή δεδομένων Τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί σημαντικά η σπουδαιότητα για την συνεχή (on-line) μέτρηση διαφόρων φυσικών και χημικών παραμέτρων σε μονάδες κατεργασίας υγρών αποβλήτων, αλλά και σε επιφανειακούς απο-

59 δέκτες, όπως λίμνες ποτάμια κλπ. Οι κυριότερες εφαρμογές της συνεχούς παρακολούθησης είναι: Ο αυτόματος έλεγχος με σκοπό τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας μονάδων κατεργασίας υγρών αποβλήτων. Η συνεχής μέτρηση καταγραφή στην έξοδο των μονάδων αυτών ώστε να ελέγχεται αν πληρούνται οι προδιαγραφές που έχουν καθορισθεί για τον αποδέκτη. Η παρακολούθηση της ποιότητας του αποδέκτη. Τα διάφορα συστήματα συνεχούς μέτρησης φυσικών, χημικών και βιολογικών παραμέτρων σε νερό ή απόβλητα, βασίζονται συνήθως σε εφαρμογές εργαστηριακών μεθόδων. Ένα σύστημα συνεχούς μέτρησης της ποιότητας του νερού, ορίζεται ως το ολοκληρωμένο σύστημα που αποτελείται από το σύστημα δειγματοληψίας, τον αναλυτή και τον εξοπλισμό εξαγωγής και διαχείρισης των αποτελεσμάτων. Για την επιλογή ενός κατάλληλου συστήματος θα πρέπει να γίνει κατ αρχάς καθορισμός του σκοπού της μέτρησης και θα πρέπει να καθορισθούν ρεαλιστικοί στόχοι που θα ικανοποιούν τον σκοπό της μέτρησης. Συστήματα που έχουν σαν σκοπό την έγκαιρη ανίχνευση διαρροών και ανεξέλεγκτων απορρίψεων σε αποδέκτες απαιτούν μικρούς κύκλους δειγματοληψίας και γρήγορη απόκριση. Τα συστήματα αυτά θα πρέπει να διαθέτουν εξόδους συναγερμού που θα ειδοποιούν το εντεταλμένο προσωπικό, ώστε να εκτελεί τις απαιτούμενες κατά περίπτωση διορθωτικές ενέργειες. Απλοί, χαμηλού κόστους και χαμηλής ακρίβειας αναλυτές με ένδειξη της μετρούμενης τιμής και εξόδους συναγερμού είναι κατάλληλοι για την παρακολούθηση της τάσης μιας μετρούμενης τιμής και για την έγκαιρη προειδοποίηση σε περιπτώσεις μη ικανοποίησης λειτουργικών παραμέτρων. Όταν ο σκοπός ενός συστήματος είναι ο έλεγχος της καλής λειτουργίας μίας διεργασίας (π.χ. νιτροποίηση απονιτροποίηση βιολογικών καθαρισμών, επεξεργασία νερού) οι αναλυτές διαφέρουν ως προς την πολυπλοκότητα α- νάλογα με την φύση της εφαρμογής. Μπορεί να διαθέτουν αναλογικές ή ψηφιακές εξόδους που δίνουν σήμα ή εντολές σε άλλους εξοπλισμούς (π.χ. αεριστήρες, αντλίες κλπ).

60 Στις περιπτώσεις που σκοπός είναι η επεξεργασία δεδομένων της διεργασίας για αυτόματο έλεγχο, οι αναλυτές θα πρέπει να διαθέτουν ψηφιακούς Η/Υ ή συστήματα τηλεμετρίας. Η αξιοπιστία και η σταθερότητα αυτών των συστημάτων, ιδιαίτερα η έξοδος των δεδομένων, πρέπει να είναι υψηλή. Είναι αδιαμφισβήτητο γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια έχει γίνει σημαντική πρόοδος στους αναλυτές συνεχούς μέτρησης. Η ανάγκη για μεγάλο α- ριθμό αναλυτών και ολοκληρωμένη επεξεργασία των σημάτων τους με έ- λεγχο της αξιοπιστίας των δεδομένων και συστήματα πρόγνωσης σφαλμάτων φαίνεται να κερδίζουν έδαφος στους υπεύθυνους παρακολούθησης μονάδων επεξεργασίας νερού και αποβλήτων, αλλά και στις υπηρεσίες παρακολούθησης επιφανειακών νερών. Αρκετοί είναι οι λόγοι που έχουν οδηγήσει σε μεγάλο βαθμό στην αξιοποίηση των αναλυτών συνεχούς μέτρησης σε σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια: Η τεχνολογία των αναλυτών έχει αναπτυχθεί πολύ. Σύνθετα όργανα ό- πως αναλυτές συνεχούς μέτρησης θρεπτικών (PO4, NO3, κλπ) και τοξικόμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως. Η συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων δεν αποτελεί πια εμπόδιο. Υπάρχουν διαθέσιμα λογισμικά για την επεξεργασία των δεδομένων, δυναμικά μοντέλα απεικόνισης και προσομοίωσης με την συμμετοχή των πραγματικών μετρήσεων, κλπ. Τα συστήματα δεύτερης και τρίτης γενιάς SCADA εγκαθίστανται σε πολλές εφαρμογές. Τα συστήματα επεξεργασίας δεδομένων σε συνδυασμό με την τεχνολογία αυτοματισμών, προσφέρουν δυνατότητες έγκαιρης προειδοποίησης σε περιπτώσεις συναγερμού (π.χ. ακόμα και με μήνυμα σε κινητό τηλέφωνο). Οι χρήστες των συστημάτων παρακολούθησης ποιότητας νερού και α- ποβλήτων είναι πιο εξοικειωμένοι με τους αναλυτές, υπολογιστές και την τεχνολογία των συστημάτων ελέγχου. Η θεωρία των συστημάτων ελέγχου και η τεχνολογία των αυτοματισμών αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο.

61 5.2. Απεικόνιση και επεξεργασία Δεδομένων PLC s Από την αρχή της εμφάνισης τους. τα PLC s κέρδιζαν όλο και περισσότερο έδαφος στον βιομηχανικό χώρο. λόγω της ευχρηστίας τους και των δυνατοτήτων τους έναντι του κλασσικού ηλεκτρομηχανικού αυτοματισμού. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του '60, τα ηλεκτρονικά άρχισαν να εισβάλουν στον βιομηχανικό χώρο και κυρίως στον αυτοματισμό. Αυτό οφειλόταν στην ταχύτερη απόκριση σε σχέση με το παραδοσιακό πλέον αυτοματισμό και στην δυνατότητα εύκολης και γρήγορης αναπροσαρμογής. Το ε- πισφράγισμα των δυνατοτήτων των ηλεκτρονικών, δημιουργήθηκε από τα PLC s, μικρές μονάδες με έναν μικροϋπολογιστή που διέθεταν έναν μικροεπεξεργαστή, μνήμη και βασικές εισόδους-εξόδους. Προσέφεραν την ίδια ευκολία με έναν υπολογιστή, μόνο που ήταν για αποκλειστική βιομηχανική χρήση. Η επιτήρηση της λειτουργίας τους, γινόταν με οπτικές ενδείξεις. Μέχρι τότε. οι ενδείξεις προς τον χειριστή γινόταν με απλά μέσα. Όπως όργανα βελόνας (κινητού πηνίου), μηχανικούς μετρητές, μικρά λαμπάκια. Για τα δε καταγραφικά, υπήρχαν ειδικές μονάδες κυλιόμενου χαρτιού (κύλινδρος) με κινητή ακίδα που έγραφε συνέχεια επάνω του. Περιορισμός σε αυτά τα α- ναλογικά όργανα, αποτελούσε το σήμα που μεταφέρετε αφού απαιτούσε ειδικές διατάξεις για να εξασφαλιστεί η ποιότητα της απεικόνισης. Πολλές φορές οι μετρήσεις περνούσαν από έλεγχο για να διαπιστωθεί αν επηρεάζονται από εξωτερικούς παράγοντες. Με τα PLC s, η τεχνολογία αυτή άλλαξε. Τα δεδομένα είναι πλέον ψηφιακά. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να ταξιδέψουν σε μεγαλύτερη απόσταση και χωρίς να ενοχλούνται από εξωτερικούς θορύβους. Πέρα από τις απλές φωτεινές ενδείξεις, τα όργανα έγιναν ψηφιακά με αριθμητική απεικόνιση. Τα καταγραφικά αντικαταστάθηκαν από εκτυπωτές ακίδας και σκληρούς δίσκους. Στη συνέχεια, τα λαμπάκια έδωσαν την θέση τους σε οθόνες, όπου μπορούσε να γίνει απεικόνιση κειμένου.

62 Εικόνα 8: Διάφορα PLC s από τη Siemens HMI Με τον όρο ΗΜΙ εννοούμε το Human Machine Interface. Αποτελεί κάθε χειριστήριο, οθόνη, πάνελ που μέσω αυτού χειρίζεται ένα μηχάνημα ή σύμπλεγμα μηχανημάτων ο χειριστής. Επίσης από το ίδιο χειριστήριο, λαμβάνει τις ενδείξεις για την κατάσταση λειτουργίας και σφάλματα που απορεί να παρουσιαστούν. Στον απλό αυτοματισμό, τα χειριστήρια ήταν μεγάλα κουτιά (πίνακες) που διέθεταν μπουτόν, διακόπτες, περιστροφικούς διακόπτες, λυχνίες και όργανα κινητού πηνίου. Τα σημερινά, σε τίποτα δεν θυμίζουν κάτι τέτοιο. Είναι λεπτά πάνελ, που έχουν πληκτρολόγιο μεμβράνης, έγχρωμη οθόνη υγρών κρυστάλλων και απεικονίζουν πολλαπλές πληροφορίες προς τον χρήστη. Η φιλοσοφία του ΗΜΙ, είναι να προσφέρει στον χειριστή ένα λειτουργικό πάνελ, που να μπορεί να απεικονίσει εύκολα όλες τις απαραίτητες πληροφορίες, να ενημερώνει για αστοχίες και σφάλματα, καθώς να μπορεί σε ειδικές περιπτώσεις να το χειριστεί άνθρωπος φορώντας προστατευτικό ε- ξοπλισμό, όπως γάντια. Η ανάγκη που δημιούργησε το ΗΜΙ, ήταν η εμφάνιση περισσότερων πληροφοριών και μηνυμάτων από το μηχάνημα προς τον χειριστή, καθώς και να βρίσκονται όλα τα χειριστήρια που αφορούν το μηχάνημα, στο ίδιο πάνελ. Σήμερα, τα περισσότερα μοντέλα διαθέτουν καθαρή γραφική απει-

63 κόνιση. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να εμφανίσουν πολύπλοκα γραφικά μαζί με κείμενο, όπως ένας υπολογιστής. Σε πιο ακριβά μοντέλα, βρίσκουμε έγχρωμες οθόνες αφής, δυνατότητας απεικόνισης πολύπλοκων σχημάτων. Τέτοια μοντέλα, περιλαμβάνουν και έναν πλήρες υπολογιστή ή διαθέτουν ενσωματωμένο PLC δίνοντας την ευκολία ενός compact συστήματος, όπου υπάρχει πρόβλημα χώρου. Συνήθως, τέτοιες μονάδες αποτελούν σημείο ε- λέγχου σε εγκατάσταση που βρίσκεται απομακρυσμένη από το κέντρο ελέγχου, παρέχοντας ότι και ο κεντρικός υπολογιστής. Μπορώντας να απεικονίσει το μιμικό διάγραμμα της εγκατάστασης, είναι πιο εύκολο να διαχειριστούμε τα μηχανήματα. Συναντάμε ΗΜΙ panels σε κομβικά σημεία μεγάλων εγκαταστάσεων για απεικόνιση και έλεγχο, δίπλα σε σύνθετα μηχανήματα που από μόνα τους αποτελούν μια μικρή μονάδα και το ελέγχουν μεμονωμένα, ενώ μικρά panel, τοποθετούνται για έλεγχο και απεικόνιση μηνυμάτων σε μηχανήματα. Για τις μονάδες Μ.Ε.Υ.Α. δεν κρίνεται απαραίτητο να τοποθετηθεί ένα μεγάλο panel για έλεγχο, δεδομένου της μικρής εκτάσεως και πολυπλοκότητας που καλύπτει. Βρίσκουμε μικρά panels σε διάφορα πολύπλοκα μηχανήματα που ανήκουν όμως στον κατασκευαστή τους. όπως π.χ. στις ταινιοφιλτρόπρεσσες. Για τις μεγάλες μονάδες, ίσως κρίνεται απαραίτητο η τοποθέτηση ενός μεσαίου panel στο κτίριο του βιομηχανικού νερού, λόγω της πολυπλοκότητας και ότι αποτελεί μια ξεχωριστή μονάδα Μιμικό Διάγραμμα Το μιμικό διάγραμμα, βρίσκεται στο κέντρο ελέγχου, δηλαδή στο δωμάτιο που ελέγχεται εξ αποστάσεως όλη η εγκατάσταση. Πρόκειται για ένα μεγάλο σχέδιο, συνήθως καταλαμβάνει έναν τοίχο, όπου απεικονίζεται γραφικά η μονάδα με τις διεργασίες της. Εκεί συναντάμε και τη ροή που έχουν οι διεργασίες της μονάδας, για παράδειγμα, από πού εισέρχεται το υγρό σε κάθε δεξαμενή. Για τα σημεία ελέγχου, υπάρχουν τοποθετημένες μικρές λυχνίες που δηλώνουν αν π.χ. ένας κινητήρας είναι εντός ή εκτός λειτουργίας. Τέτοιου είδους μιμικά διαγράμματα δύσκολα μπορούν να περιέχουν πολλαπλές ενδεί-

64 ξεις από ψηφιακά όργανα, δεδομένου της απλότητας τους και τον περιορισμό στον χώρο της απεικόνισης. Για να επιτευχθεί αυτό. θα πρέπει να καταλαμβάνουν μεγάλο χώρο. Σε δημόσιες υπηρεσίες (π.χ. ΔΕΗ), τα μιμικά διαγράμματα είναι πολύπλοκα, πολύ μεγάλα και διαθέτουν και διακόπτες για να επέμβουμε στο κύκλωμα. Στην εικόνα 9 οι χειρισμοί γίνονται στο κάτω μέρος της κονσόλας. Εικόνα 9: Μιμικό Διάγραμμα Μονάδας Επεξεργασίας βοθρολυμμάτων Εικόνα 10: Μιμικό Διάγραμμα Μονάδας Επεξεργασίας ΥΑΑ

65 Σήμερα, σε καινούργιες εγκαταστάσεις, τα μιμικά διαγράμματα υπάρχουν μονάχα στις οθόνες του υπολογιστή. Για μεγαλύτερες απεικονίσεις, γίνεται προβολή σε τοίχο.

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΔΟΜΗ ΤΩΝ PLC 6.1 Τεχνολογία και ανάλυση των Προγραμματιζόμενων Ελεγκτών (PLC) Ένας Προγραμματιζόμενος Ελεγκτής είναι ένας βιομηχανικός ελεγκτής που βασίζεται σε μικροεπεξεργαστή, οι λειτουργιές του οποίου καθορίζονται από ένα πρόγραμμα αποθηκευμένο σε μνήμη. Χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε βιομηχανία που υπάρχει αυτοματισμός, από μεμονωμένες μηχανές μέχρι και ολόκληρες διεργασίες, σε εμπορικές, εκπαιδευτικές και βιομηχανικές μονάδες. Τα κύρια πλεονεκτήματα ενός συστήματος έλεγχου που βασίζεται σε προγραμματιζόμενο ελεγκτή είναι η ευελιξία, η αξιοπιστία και η συναρμολόγηση τους με σχετικά μικρό κόστος. Υπάρχουν τρία κύρια χαρακτηριστικά ενός συστήματος ελέγχου, είτε αυτό είναι προγραμματιζόμενο είτε όχι: 1. Πρέπει να γίνουν ορισμένες ενέργειες (όπως το άνοιγμα ή κλείσιμο μιας βαλβίδας, ή η ρύθμιση της θέσης της). 2. Υπάρχουν ορισμένοι κανόνες που κατευθύνουν τις ενέργειες αυτές - το σύστημα ελέγχου θα πρέπει να είναι όσο πιο προβλέψιμο γίνεται, και να μην έχει τυχαία συμπεριφορά. 3. Οι κανόνες λαμβάνουν υπόψη ορισμένες σχετικές καταστάσεις στο πλαίσιο της διεργασίας (όπως χειροκίνητους διακόπτες, αισθητήρες στάθμης, πίεσης, θερμοκρασίας, θέσης). Είναι ενδιαφέρον και κατατοπιστικό να συγκρίνουμε ένα σύστημα ελέγχου παραδοσιακού σχεδιασμού με ένα μοντέρνου σχεδιασμού (που χρησιμοποιεί προγραμματιζόμενο ελεγκτή), σε σχέση με τις τρεις αυτές χαρακτηριστικές ιδιότητες. Το Σχ. 19 δείχνει δυο συστήματα ελέγχου που έχουν εφαρμοστεί στην ίδια εργασία, συγκεκριμένα για τον έλεγχο του ρελέ ΚΙ. Η ενέργεια, στην περίπτωση αυτή, είναι η ενεργοποίηση του ΚΙ. Υπάρχουν τρεις διακόπτες στην εγκατάσταση, η θέση των οποίων έχει επίδραση στον έλεγχο του ΚΙ. Για λόγους απλότητας, θα υποθέσουμε ότι η θέσεις των τριών αυτών διακοπτών αντιπροσωπεύουν όλες τις συνθήκες που πρέπει να ελεγχθούν.

67 Με απλή εξέταση του σχήματος μπορούμε να δούμε ότι το περιεχόμενο "ενεργειών" και "συνθηκών" είναι το ίδιο και για τα δυο συστήματα ελέγχου. Πρέπει λοιπόν να συμπεράνουμε ότι η κύρια διαφορά μεταξύ των δυο συστημάτων είναι στον τρόπο με τον οποίο υλοποιούνται οι κανόνες. Στο παραδοσιακό σύστημα ελέγχου η καλωδίωση μέσα στο περίβλημα του συστήματος συνδέει τους τρεις διακόπτες σε σειρά. Αυτό σημαίνει ότι ο S1 και ο S2 και ο S3 πρέπει να κλείσουν για να ενεργοποιηθεί ο ΚΙ - εδώ, η καλωδίωση υλοποιεί τους κανόνες! Στο μοντέρνο σύστημα ελέγχου, ένα πρόγραμμα παίρνει τη θέση της καλωδίωσης. Οι οδηγίες που περιέχονται στο πρόγραμμα αυτό πρέπει να έχουν τα ακόλουθα αποτελέσματα: "όταν ο S1 ΚΑΙ ο S2 ΚΑΙ ο S3 είναι κλειστοί, τότε ενεργοποίησε τον ΚΙ". Για να το κάνει αυτό, ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής πρέπει να μπορεί να ελέγξει την κατάσταση των τριών διακοπτών. Αυτό γίνεται συνδέοντας κάθε διακόπτη σε μια είσοδο του ε- λεγκτή. Πρέπει, επίσης, να έχει την δυνατότητα να ελέγξει το ρελέ. Αυτό γίνεται συνδέοντας το ρελέ σε μια έξοδο του ελεγκτή. Σχήμα 19.Συγκριση Παραδοσιακού και Προγραμματιζόμενου συστήματος ελέγχου

68 6.1.1 Τα πλεονεκτήματα του προγραμματιζόμενου ελέγχου. Με την πρώτη ματιά, η μοναδική διαφορά μεταξύ των δυο συστημάτων μπορεί να μη φαίνεται και τόσο σημαντική, αλλά ας λάβουμε υπόψη τα α- κόλουθα αποτελέσματα: Αλλαγή κανόνων Αν οι κανόνες πρέπει να αλλάξουν, σε ένα παραδοσιακό σύστημα πρέπει να ξαναγίνει η καλωδίωση. Αυτό μπορεί να είναι δυσχερές, ακριβό και χρονοβόρο. Αντίθετα, ένας προγραμματιζόμενος ελεγκτής μπορεί να α- ναπρογραμματιστεί για να εξυπηρετήσει μια αλλαγή κανόνων, χωρίς να απαιτείται να ξαναγίνει η καλωδίωση. Ακόμα, δεν υπάρχει ανάγκη να αλλάξουν τα σχηματικά διαγράμματα, αφού τα συστήματα ανάπτυξης προγραμμάτων έχουν αυτόματη παραγωγή διαγραμμάτων! Επιπρόσθετες λειτουργίες Αν απαιτούνται κάποιες επιπρόσθετες λειτουργίες, το παραδοσιακό σύστημα πρέπει να εφοδιαστεί με επιπλέον συσκευές, αν υπάρχει ο χώρος για να τοποθετηθούν. Αντίθετα, ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής έχει μια τεράστια ποικιλία ενσωματωμένων λειτουργικών στοιχείων, όπως ρελέ, χρονιστές, μετρητές και ακολουθιακές διατάξεις, που είναι εύκολα προσπελάσιμα οποιαδήποτε στιγμή, και δεν απαιτούν επιπλέον χώρο στο πίνακα ελέγχου. Αξιοπιστία Τα κινούμενα μέρη είναι πιθανό να παρουσιάσουν μηχανικές βλάβες, και τέτοιες βλάβες είναι υπεύθυνες για ένα σημαντικό ποσοστό σφαλμάτων στα εξαρτήματα των παραδοσιακών συστημάτων ελέγχου. Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές έχουν από ελάχιστα μέχρι καθόλου κινούμενα μέρη. Επίσης, υπόκεινται σε μεθόδους κατασκευής που περιλαμβάνουν εκτενείς, αυτόματες διαδικασίες ελέγχου, ώστε τα ελαττωματικά εξαρτήματα αναγνωρίζονται και αποβάλλονται. Σαν αποτέλεσμα, η αξιοπιστία των προγραμματιζόμενων ελεγκτών είναι εξαιρετική. Επικοινωνία Τα παραδοσιακά συστήματα ελέγχου έχουν από μικρή μέχρι καθόλου δυνατότητα διασύνδεσης με άλλα συστήματα για λόγους ελέγχου, εποπτείας ή αναφοράς. Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές είναι από τη φύση τους κατάλληλοι, και όλο και καλύτερα προετοιμασμένοι, να παίξουν ένα τέτοιο ρόλο. Η διαθεσιμότητα μονάδων επικοινωνίας επιτρέπει τη σύνδεση των ελεγκτών σε βιομηχανικά δίκτυα, γεγονός που διευκολύνει αφάνταστα την ανταλλαγή πληροφοριών σε μεγάλη κλίμακα.

69 6.1.2 Δομή Το Σχήμα 20 δείχνει τη δομή του προγραμματιζόμενου ελεγκτή και τον τρόπο τοποθέτησης του στο ελεγχόμενο περιβάλλον. Το κύριο εξάρτημα είναι ο μικροεπεξεργαστής, που λαμβάνει τις "αποφάσεις". Οι αποφάσεις αυτές βασίζονται στις οδηγίες που έχουν αποθηκευτεί στη μνήμη (το πρόγραμμα). Στις μέρες μας, τα chip μικροεπεξεργαστών είναι πολύ μικρά, αξιόπιστα, ισχυρά, και, αφού παράγονται μαζικά, είναι σχετικά φτηνά. Οι διακόπτες, ανιχνευτές και αισθητήρες της εγκατάστασης συνδέονται στους ακροδέκτες εισόδου του ελεγκτή, και ο ελεγκτής μπορεί να αξιολογήσει την κατάσταση τους. Αυτές οι συσκευές εισόδου στέλνουν σήματα στον ελεγκτή. Ο μόνος ρόλος των κυκλωμάτων εισόδου είναι αυτός της διασύνδεσης μεταξύ των συσκευών εισόδου και του μικροεπεξεργαστή, δηλαδή να παρέχουν ηλεκτρική απομόνωση και να ρυθμίζουν τις διαφορές τάσης μεταξύ τους. Έτσι, ο επεξεργαστής μπορεί να "διαβάζει" τα σήματα εισόδου, χωρίς να πρέπει να έλθει σε επαφή με τις υψηλές τάσεις της εγκατάστασης. Τα ρελέ, οι βαλβίδες και οι ενδείκτες της εγκατάστασης συνδέονται στους ακροδέκτες εξόδου, όπου ο επεξεργαστής μπορεί να ασκήσει έλεγχο. Αυτές οι συσκευές εξόδου λαμβάνουν σήματα από τον ελεγκτή. Τα κυκλώματα εξόδου βρίσκονται εκεί για να παρέχουν ηλεκτρική απομόνωση και να ρυθμίζουν τις διαφορές τάσης μεταξύ του επεξεργαστή και των συσκευών εξόδου. Έτσι, ο επεξεργαστής μπορεί να στείλει τα σήματα ελέγχου χωρίς να πρέπει να έλθει σε επαφή με τις (σχετικά) υψηλές τάσεις της εγκατάστασης. Το τροφοδοτικό παρέχει τις διάφορες απαιτούμενες τάσεις σε κάθε τμήμα του ελεγκτή. Μπορεί επίσης να τροφοδοτεί τα κυκλώματα εισόδου, αλλά όχι τα κυκλώματα εξόδου. Σχήμα 20.Βασική Δομή

70 6.1.3 Ο επεξεργαστής Ο επεξεργαστής με τον οποίο είναι εφοδιασμένος ένας μοντέρνος προγραμματιζόμενος ελεγκτής ανήκει σε μια κατηγορία ημιαγωγικού chip που είναι γνωστό σαν ενσωματωμένος μικροελεγκτής. Όλες οι λειτουργίες ενός υπολογιστή έχουν συμπεριληφθεί σε αυτό το chip, που τυπικά έχει ενεργό επιφάνεια μικρότερη από 1 cm 2, και περιλαμβάνει εκατοντάδες χιλιάδες τρανζίστορ (Σχ. 21). Με την υποστήριξη άλλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (chips), μπορεί να εκτελεί πολλά εκατομμύρια οδηγιών ανά δευτερόλεπτο. Επικοινωνεί με τη μνήμη και τα ενδιάμεσα κυκλώματα εισόδου-εξόδου μέσω ενός συστήματος αγωγών που ονομάζεται δίαυλος (bus), με το οποίο μπορεί να στείλει ή και να λάβει 8, 16 ή 32 σήματα τη φορά. Η τάση λειτουργίας είναι τυπικά 5 V DC. Σχήμα 21.Ο μικροεπεξεργαστής Τα μοντέρνα προϊόντα της τεχνολογίας των ημιαγωγών υπόκεινται σε ακριβείς διαδικασίες σχεδιασμού, τεχνικές παραγωγής που χαρακτηρίζονται από εξαιρετική καθαριότητα και ακρίβεια, και σε εκτενέστατο έλεγχο. Σαν αποτέλεσμα, είναι εξαιρετικά αξιόπιστα στη λειτουργία τους, και έχουν ρυθμό βλαβών μικρότερο από το 10% του αντίστοιχου της επόμενης καλύτερης τεχνολογίας. 6.2 Κύρια Χαρακτηριστικά Θα αρχίσουμε με την εξέταση ενός "τυπικού" ελεγκτή, και θα περιγράφουμε τα σημαντικότερα από τα χαρακτηριστικά του (Σχήμα 22).Κάθε ε- λεγκτής έχει τρεις ομάδες ακροδεκτών μέσω των οποίων συνδέεται με την εγκατάσταση. Αυτές είναι:

71 ακροδέκτες ισχύος ακροδέκτες εισόδου ακροδέκτες εξόδου Οι ακροδέκτες ισχύος είναι απλά για σύνδεση με το δίκτυο τροφοδοσίας (ο ελεγκτής τροφοδοσίας χρειάζεται ισχύ για να λειτουργήσει). Στους περισσότερους συγχρόνους προγραμματιζόμενους ελεγκτές έχει προβλεφθεί τροφοδοσία από το δίκτυο (115 ή 230 V AC), και μερικοί μάλιστα αυτόρυθμίζονται για την παρεχόμενη τάση σε αυτή την κλίμακα. Παρόλο που η απαίτηση ρεύματος του ελεγκτή είναι πολύ μικρή (τυπικά λίγα ma), πάντοτε χρησιμοποιείται αγωγός με αρκετό περιθώριο ασφαλείας. Οι ακροδέκτες εισόδου χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των διακοπτών και των αισθητήρων της εγκατάστασης. Αυτές οι συσκευές εισόδου, όπως ονομάζονται, στέλνουν σήματα στον ελεγκτή, επιτρέποντας του να "δει" την κατάσταση διαφόρων τμημάτων της εγκατάστασης. Παραδείγματα συσκευών εισόδου είναι: Επαφές χειροκίνητων διακοπτών ελέγχου (πιεστικών διακοπτών, ε- πιλογέων κτλ.) Επαφές αυτομάτων διακοπτών ελέγχου (για στάθμη, πίεση, θερμοκρασία κτλ.) Επαφές ηλεκτρονόμων ή αυτομάτων διακοπτών Αισθητήρες θέσης (προσέγγισης, φωτοηλεκτρικοί κτλ.) Κάθε συσκευή εισόδου συνδέεται μοναδικά με ένα ακροδέκτη εισόδου στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Σχήμα 22.Ηλεκτρικες Συνδέσεις σε ένα προγραμματιζόμενο ελεγκτή Οι ακροδέκτες εξόδου χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση οποιασδήποτε συσκευής της εγκατάστασης η οποία πρέπει να ελεγχθεί. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής ελέγχει τέτοιες συσκευές ανοίγοντας (ON) ή κλείνοντας (OFF) την τροφοδοσία τους, ή ρυθμίζοντας την. Παραδείγματα συσκευών εξόδου είναι:

72 πηνία αυτόματων διακοπτών ή πηνία ρελέ πηνία σωληνοειδών βαλβίδων (πνευματικών ή υδραυλικών) ενδεικτικά (λυχνίες ή ηχητικά). Κάθε συσκευή εξόδου είναι συνδεδεμένη μοναδικά σε ένα ακροδέκτη εξόδου στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Το Σχήμα 22 δείχνει μερικές συσκευές εισόδου και εξόδου συνδεδεμένες με ένα προγραμματιζόμενο ε- λεγκτή. Όλες οι είσοδοι λειτουργούν στα 24 V DC, μια κοινή, αλλά όχι α- ποκλειστική κατάσταση. Οι συσκευές εξόδου λειτουργούν στα 115 V AC. και τροφοδοτούνται μέσω ρελέ τύπου μινιατούρας που βρίσκονται μέσα στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Όταν μια συγκεκριμένη έξοδος, ας πούμε η έξοδος OUTPUT 3, ενεργοποιηθεί, το αντίστοιχο ρελέ κλείνει την επαφή του και συνδέει την τροφοδοσία στην ενδεικτική λυχνία Μηχανική Σχεδίαση Με την πάροδο του χρόνου, έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία από μηχανικούς σχεδιασμούς, με πιο κοινούς τον τύπο block (μονάδας) και τον τύπο rack (και οι δύο απεικονίζονται στο Σχ. 23). Ο τύπος block είναι κοινός σε πολλούς μικρούς ελεγκτές, και διατίθεται σε ολοκληρωμένη συσκευασία που περιλαμβάνει τροφοδοσία, επεξεργαστή και ένα καθορισμένο αριθμό από ακροδέκτες εισόδου και εξόδου σε ένα συμπαγές κουτί. Πλεονεκτεί εκεί ό- που είναι σημαντικό το μικρό βάθος της θέσης τοποθέτησης ή η εύκολη πρόσβαση στους ακροδέκτες. Ο τύπος rack χρησιμοποιείται για όλα τα μεγέθη ελεγκτή. Οι διάφορες λειτουργικές μονάδες - τροφοδοτικό, επεξεργαστής, είσοδοι και έξοδοι είναι τοποθετημένες σε ανεξάρτητες υπομονάδες (modules), οι οποίες μπορούν να βυσματωθούν σε κατάλληλες υποδοχές στη βασική μονάδα. Ο χρήστης αποφασίζει ποιά σύνθεση υπομονάδων εξυπηρετεί κατά τον καλύτερο τρόπο τις υπάρχουσες ανάγκες, και τις συναρμολογεί κατάλληλα. Έχει πλεονεκτήματα εκεί όπου χρησιμοποιούνται μεγάλοι αριθμοί εισόδων - εξόδων, εκεί όπου υπάρχει μεγάλη ποικιλία τάσεων εισόδου ή/και εξόδου, εκεί που ο λόγος εισόδων προς εξόδους είναι ασυνήθιστος ή όπου είναι αναγκαία η ταχεία αντικατάσταση ελαττωματικών πλακετών (καρτών) κυκλωμάτων.

73 6.2.2 Διευθύνσεις I/O Κάθε ακροδέκτης εισόδου και εξόδου - έχει ένα μοναδικό όνομα ή αριθμό, ο οποίος καθορίζεται από τον κατασκευαστή του ελεγκτή. Αυτός είναι η αποκαλούμενη I/O διεύθυνση του, και είναι το μέσο που χρησιμοποιεί ο ελεγκτής για να αναγνωρίσει το σήμα από μια συσκευή εισόδου ή εξόδου. Ο χρήστης θα παρατηρήσει διαφορές στη διευθυνσιοδότηση ανάμεσα στους διάφορους κατασκευαστές, αφού υπάρχει ελάχιστη τυποποίηση στον τομέα αυτό. Κάποια παραδείγματα ελεγκτών αυτών των κατασκευαστών είναι οι: Mitsubishi F 2-40MR-ES και Fx-48MR-ES Siemens SIMATIC S5-100U Sprecher+Schuh SESTEP 290 Telemecanique TSX 17_20. Για να δείξουμε τις διαφορές στη διευθυνσιοδότηση, ας πάρουμε ένα απλό παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια εγκατάσταση με τρεις διακόπτες S1,S2 και S3, και μια ενδεικτική λυχνία Η1 (Σχ. 24(a)), και θέλουμε να τα συνδέσουμε στους πρώτους διαθέσιμους ακροδέκτες εισόδου και εξόδου στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Υπάρχουν τέσσερις λύσεις, μια για κάθε ελεγκτή, αλλά οι μόνες διαφορές είναι οι διευθύνσεις I/O, όπως φαίνεται στο Σχ. 24(b) - (e). Στο πιο πάνω παράδειγμα καθορίσαμε ότι οι συνδέσεις θα γίνονταν στους πρώτους διαθέσιμους ακροδέκτες. Όμως, στην πραγματικότητα ο χρήστης είναι ελεύθερος να διαλέξει ποιόν ακροδέκτη εισόδου ή εξόδου θα χρησιμοποιήσει για κάποιο συγκεκριμένο στοιχείο. Η διαδικασία ορισμού των συγκεκριμένων εισόδων και εξόδων που θα χρησιμοποιηθούν και το ποιές συσκευές θα συνδεθούν σε αυτές είναι μια σημαντική εργασία, η οποία πρέπει να ολοκληρωθεί στα αρχικά στάδια κάθε άσκησης ή έργου. Τυπικά, είναι γνωστή με τον όρο ανάθεση διευθύνσεων I/O.

74 Σχήμα 24. Διαφορές στη Διευθυνσιοδότηση 6.3 Το πρόγραμμα Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, το πρόγραμμα είναι ένα σύνολο οδηγιών που καθορίζει τις λειτουργίες ελέγχου του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Δημιουργείται από (ή για) το χρήστη, με τη βοήθεια ενός τερματικού προγραμματισμού. Η κύρια αποστολή του είναι να καθορίσει τις ακριβείς συνθήκες για την ενεργοποίηση (ή ρύθμιση) κάθε εξόδου του ελεγκτή. Σαν παράδειγμα ενός απλού προγράμματος, ας πάρουμε το διάγραμμα του κυκλώματος στο σχήμα (a). Αποτελείται από τρεις διακόπτες και μια ενδεικτική λυχνία συνδεδεμένα σε σειρά μεταξύ τους. Είναι φανερό ότι όλες οι επαφές των διακοπτών πρέπει να είναι κλειστές για να ανάψει η λυχνία. Για να κάνουμε ένα προγραμματιζόμενο ελεγκτή να λειτουργήσει όπως το κύκλωμα, πρέπει να συνδέσουμε τους διακόπτες σε εισόδους και τη λυχνία σε μια έξοδο του ελεγκτή.

75 (a) Διάγραμμα κυκλώματος, το κριτήριο σχεδίασης στο παράδειγμα αυτό (b) - (e) Προγράμματα που κάνουν τους ελεγκτές να λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως το κύκλωμα. Πρέπει τώρα να εφοδιάσουμε τον ελεγκτή με ένα πρόγραμμα που θα του δώσει οδηγίες να συνδέσει τις τρεις εισόδους σε σειρά για να ενεργοποιήσει την έξοδο για τη λυχνία. Το απαραίτητο πρόγραμμα για κάθε ελεγκτή δίνεται στο σχέδιο (b)-(e), σε μορφή λίστας εντολών. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι εντολές που χρησιμοποιούνται για να προγραμματιστούν οι διαφορετικοί ελεγκτές δεν είναι πανομοιότυπες, παρόλο που υπάρχουν προφανείς ομοιότητες. Το αποτέλεσμα και για τα τέσσερα προγράμματα είναι περίπου το ακόλουθο: αν υπάρχει ένα σήμα στην πρώτη είσοδο ΚΑΙ ένα σήμα στη δεύτερη είσοδο ΚΑΙ ένα σήμα στην τρίτη είσοδο τότε να ενεργοποιήσεις την πρώτη έξοδο Εκτέλεση του Προγράμματος Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής έχει δυο κύριους τρόπους λειτουργίας, ΠΑΥΣΗ (STOP) και ΕΚΤΕΛΕΣΗ (RUN). Στην παύση, ο ελεγκτής τροφοδοτείται, αλλά δεν εκτελεί λειτουργίες ελέγχου. Στην εκτέλεση, εκτελεί όλες τις οδηγίες που περιέχονται στη μνήμη. Ο τρόπος λειτουργίας μπορεί να αλλάξει με χρήση διακοπτών STOP/RUN, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι εξωτερικά (Mitsubishi) ενσωματωμένο πλήκτρο ή διακόπτη με κλειδί STOP/RUN (Siemens) εντολές STOP/RUN στο τερματικό προγραμματισμού (Sprecher+Schuh και Telemecanique).

76 Το πρόγραμμα αποθηκεύεται στη μνήμη με τη μορφή προτάσεων (εντολή ή διεύθυνση. Κάθε πρόταση έχει το δικό της χώρο στη μνήμη, ο οποίος ονομάζεται βήμα. Κάθε βήμα είναι α- ριθμημένο, έτσι ώστε οι εντολές μπορούν να εκτελεστούν με μια συγκεκριμένη σειρά και να ανακληθούν όταν είναι αναγκαίο. Για να καταλάβουμε ευκολότερα τι συμβαίνει σε κατάσταση RUN, ας φανταστούμε ότι οι οδηγίες είναι τοποθετημένες σε ένα τύμπανο που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα. Ο επεξεργαστής, που είναι ακίνητος, εξετάζει με ταχύτητα κάθε οδηγία στη σειρά και φτιάχνει, με λογικό τρόπο, ένα κατάλογο των εξόδων που πρέπει να ενεργοποιηθούν. (Η αδυναμία του επεξεργαστή είναι ότι μπορεί να ασχοληθεί με μια οδηγία τη φορά, ενώ η δύναμή του είναι ότι το κάνει με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα). Όλη αυτή η διαδικασία του να εξετάζονται οι είσοδοι, οι έξοδοι και το πρόγραμμα, και τελικά να ενημερώνονται με τα αποτελέσματα οι έξοδοι, είναι γνωστή με το όνομα κύκλος. Όταν ο ελεγκτής βρίσκεται σε κατάσταση RUN, πρέπει να επαναλαμβάνει αυτό τον κύκλο συνέχεια και πολύ γρήγορα, για να μπορεί να ελέγχει την εγκατάσταση. Το πρόβλημα με ένα αργό κύκλο είναι ότι ένα σύντομο σήμα το οποίο θα εμφανιστεί σε ακατάλληλη στιγμή θα μπορούσε να μη γίνει αντιληπτό από τον επεξεργαστή, πράγμα που θα οδηγούσε σε εσφαλμένη λειτουργία. Για τους πιο πολλούς σύγχρονους ελεγκτές, ο τυπικός χρόνος ενός κύκλου θα μπορούσε να είναι μικρότερος από ένα εκατοστό του δευτερολέπτου. Κάθε ελεγκτής συμπεριλαμβάνει ένα προστατευτικό μηχανισμό (γνωστό με το όνομα watchdog timer, ή φύλακα χρόνου), που λειτουργεί αυτόματα αν ο χρόνος του κύκλου είναι υ- περβολικός. Όταν λειτουργήσει η συσκευή αυτή, το πρόγραμμα σταματά, όλες οι έξοδοι απενεργοποιούνται, και ανάβει μια προειδοποιητική λυχνία στην πρόσοψη του ελεγκτή Όρια Κάθε ελεγκτής περιορίζεται από δυο θεμελιώδη μεγέθη: το μέγεθος της μνήμης και το μέγιστο αριθμό I/O (εισόδων - εξόδων).το μέγεθος της μνήμης περιγράφεται γενικά σαν ένας ο- ρισμένος αριθμός από bytes. Ένα byte είναι τυπικά ο χώρος στον οποίο αποθηκεύεται μια εντολή (μια εντολή όπως STR Χ004 στον ελεγκτή Sprecher+Schuh). Είναι φανερό ότι η μνήμη θα πρέπει να είναι αρκετή ώστε να χωράει όλες τις εντολές που απαιτούνται για το πρόγραμμα, και στην ιδανική περίπτωση, θα πρέπει να υπάρχει παραπάνω χώρος για αλλαγές και επεκτάσεις. Για παράδειγμα, η τυπική μνήμη που παρέχεται με τον ελεγκτή SIMATIC S5- I00U (CPU 100) της Siemens είναι 2048 bytes (ή 2k, όπου k = 1024 bytes). Η δήλωση ενός κατασκευαστή σχετικά με το μέγιστο αριθμό εισόδων - εξόδων (max I/O) ενός ελεγκτή, ορίζει το μέγιστο α- 75

77 ριθμό συνδυασμένων εισόδων και εξόδων που μπορεί να διαχειριστεί άμεσα ο ελεγκτής. Για παράδειγμα, ο αριθμός αυτός για τον ελεγκτή TSX 17_20 της Telemecanique είναι 160. Σχετικά με τις ικανότητες των ελεγκτών, έχουν προκύψει ανεπίσημα οι εξής αυθαίρετοι ορισμοί: Μικρός: Μέχρι 128 I/O, 2k μνήμης, προορισμένος για εργασίες ελέγχου με μικρή πολυπλοκότητα (έλεγχος μηχανών, αντικατάσταση ρελέ). Μεσαίος: Μέχρι 512 I/O, 16k μνήμης, προορισμένος για εργασίες ελέγχου με σημα-ντική πολυπλοκότητα (έλεγχος μηχανών και διεργασιών, αναλογικές λειτουργίες). Μεγάλος: Μέχρι 4096 I/O, 96k μνήμης, προορισμένος για μεγάλης πολυπλοκότητας εργασίες ελέγχου (ολόκληρες διεργασίες που μπορεί να περιλαμβάνουν και υπολο-γισμού, εποπτεία και παρακολούθηση). 6.4 Συσκευές Εισόδου Ένα σήμα εισόδου μπορεί να παραχθεί από μια χειροκίνητη ή αυτόματη συσκευή. Για παράδειγμα, ένα μπουτόν δίνει ένα χειροκίνητο σήμα ελέγχου, όπως π.χ. ΞΕΚΙΝΑ (START) ή ΣΤΑΜΑΤΑ (STOP). Οι επαφές του μπορεί να είναι κανονικά ανοικτές (make) ή κανονικά κλειστές (break). Είναι κοινή πρακτική να παίρνουμε ένα σήμα START από μια κανονικά ανοικτή επαφή, και ένα σήμα STOP από μια κανονικά κλειστή επαφή. Σχήμα 26. Χειροκίνητα παραγόμενα σήματα εισόδου 76

78 Ένας διακόπτης ρόδας (thumbwheel switch) χρησιμοποιείται για να επιλεγεί ένας αριθμός. Ο ίδιος ο διακόπτης έχει τέσσερις πόλους. Μια επαφή μπορεί να είναι ανοικτή ή κλειστή, ανάλογα με την επιλεγμένη θέση. Για παράδειγμα, στη θέση 3, η πρώτη και η δεύτερη επαφή είναι κλειστές. Ο διακόπτης ρόδας μπορεί να δώσει 10 διαφορετικές επιλογές εξόδου, χρησιμοποιώντας μόνο τέσσερες εισόδους. Συνδυάζοντας δυο τέτοιους διακόπτες, μπορούμε να έχουμε 100 επιλογές, χρησιμοποιώντας μόνο 8 εισόδους! Ένας τερματικός (οριακός) διακόπτης (limit switch) είναι ένας ήλεκτρο- μηχανικός διακόπτης θέσης, που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει το πέρασμα ή τη διαδρομή ενός κινούμενου ε- ξαρτήματος. Μπορεί να ενεργοποιηθεί μέσω ενός έκκεντρου, κυλίνδρου ή μοχλού. Το σήμα εισόδου παρέχεται από μια κανονικά κλειστή ή μια κανονικά ανοικτή επαφή του διακόπτη. (α) Οριακός Διακόπτης Ένας θερμοστάτης είναι ένας αισθητήρας θερμότητας που λειτουργεί εκμεταλλευόμενος τη θερμική διαστολή ενός υγρού ή διμεταλλικής λωρίδας, η οποία ενεργεί σε μια κανονικά κλειστή ή κανονικά ανοικτή επαφή, όταν η θερμοκρασία φθάσει σε μια προκαθορισμένη τιμή. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε η μια είτε η άλλη επαφή για την παραγωγή του σήματος εισόδου. (β) Θερμοστάτης Ένας διακόπτης πίεσης (pressure switch) χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της πίεσης ενός ρευστού, ή για την ανίχνευση κενού. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει ένα σύστημα ανίχνευσης της 77

79 πίεσης και ελατήρια με απότομη δράση, που ενεργούν σε κανονικά ανοικτές ή κανονικά κλειστές επαφές όταν η πίεση φθάσει σε μια προκαθορισμένη τιμή. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε η μια είτε η άλλη επαφή για την παραγωγή του σήματος εισόδου. (γ)διακόπτης Πίεσης Ένας διακόπτης στάθμης (level switch) χρησιμοποιείται για την ανίχνευση στάθμης υγρών. Ένας μηχανισμός πλωτήρα (φλοτέρ) λειτουργεί κανονικά ανοικτές ή κανονικά κλειστές επαφές μέσω ενός μοχλού, παράγοντας το σήμα εισόδου προς τον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Αισθητήρες στάθμης που χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με ένα ενισχυτή εκτελούν παρόμοια λειτουργία με το διακόπτη στάθμης. Τελευταία, έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται και συσκευές σόναρ για την ανίχνευση στάθμης. (δ) Διακόπτης Στάθμης Ένας αισθητήρας προσέγγισης (proximity sensor) είναι μια συσκευή στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει την παρουσία, το πέρασμα ή τη ροή εξαρτημάτων, για τοπο- 78

80 θέτηση, τέλος διαδρομής ή περιστροφή. Ο επαγωγικός τύπος μπορεί να ανιχνεύσει ένα κοντινό μεταλλικό αντικείμενο, με την μεταβολή του μαγνητικού πεδίου στην ανιχνευτική του επιφάνεια. Ο χωρητικός τύπος μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία ενός κοντινού μη-μεταλλικού αντικειμένου, με την μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου στην ανιχνευτική του επιφάνεια. (ε) Αισθητήρας Προσέγγισης Είναι διαθέσιμοι αισθητήρες δυο και τριών αγωγών. Ο παλιότερος τύπος του αισθητήρα με δυο αγωγούς έχει συχνά μεγάλο ρεύμα στην κατάσταση OFF. πράγμα που τον κάνει ακατάλληλο για χρήση με έναν προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Ο τύπος με τους τρεις αγωγούς παίρνει την τροφοδοσία του σε συνεχές ρεύμα με αγωγό ανεξάρτητο από τον αγωγό σήματος. Έτσι, είναι πολύ πιο αξιόπιστος σε εφαρμογές με προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Ο τύπος 3-αγωγών μπορεί να έχει μεταγωγή ΡΝΡ ή ΝΡΝ. Κατά τη λειτουργιά, ο τύπος ΡΝΡ μετάγει τη θετική τάση τροφοδοσίας στην είσοδο προγραμματιζόμενου ελεγκτή, έτσι ο τύπος ΡΝΡ χρησιμοποιείται με ε- λεγκτές που απαιτούν θετικής πολικότητας σήμα εισόδου. Αντίθετα, ο τύπος ΝΡΝ συνδέει την αρνητική τροφοδοσία στην είσοδο, έτσι χρησιμοποιείται με ελεγκτές που απαιτούν αρνητικής πολικότητας σήμα εισόδου. Οι φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες είναι συσκευές στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιούν υπέρυθρο φως για την ανίχνευση της παρουσίας, του περάσματος ή της κίνησης αντικειμένων. Υπάρχουν δυο κύριοι τύποι: ο τύπος διαμήκους δέσμης (through-beam) και ο τύπος ανακλώμενης δέσμης (reflex). Ο τύπος διαμήκους δέσμης έχει ξεχωριστό πομπό και δέκτη, μεταξύ των οποίων περνάει η δέσμη του φωτός. Ο τύπος ανακλώμενης δέσμης έχει συνδυασμένο πομπό και δέκτη στο ίδιο περίβλημα, και χρησιμοποιείται με ένα ανακλαστήρα. Είναι διαθέσιμοι τύποι ΡΝΡ και ΝΡΝ. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος με τέτοιο τρόπο ώστε το αντικείμενο-στόχος διακόπτει τη δέσμη φωτός καθώς περνά, με συνέπεια την παραγωγή ενός σήματος εισόδου. 79

81 (ζ) Αισθητήρας ανακλώμενης δέσμης Ο αισθητήρας προσέγγισης ή ο φωτοηλεκτρικός αισθητήρας έχουν μικρές απαιτήσεις ρεύματος. Σε πραγματικές εφαρμογές αυτοματισμού, όμως, μπορεί να χρησιμοποιηθούν μεγάλοι αριθμοί αισθητήρων, και οι συσσωρευμένες απαιτήσεις ρεύματος μπορεί να υπερβούν το ονομαστικό ρεύμα του τροφοδοτικού στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή. Αν το πρόβλημα αυτό γίνει αντιληπτό στο στάδιο του σχεδιασμού, μπορεί να αντιμετωπιστεί με την επιλογή ενός ελεγκτή με τροφοδοτικό επαρκούς ικανότητας παροχής ρεύματος. Όμως, αν ανακαλυφθεί μετά την εγκατάσταση, είτε πρέπει να τοποθετηθεί εκ των υστέρων το κατάλληλο τροφοδοτικό, είτε πρέπει να τοποθετηθεί ένα καινούργιο, ξεχωριστό τροφοδοτικό για την τροφοδοσία των αισθητήρων. 6.5 Συσκευές εξόδου Ο αυτόματος διακόπτης είναι μια συσκευή μεταγωγής που έχει ένα αριθμό επαφών που λειτουργούν όλες μαζί από ένα ηλεκτρομαγνήτη (το πηνίο ). Χρησιμοποιείται εκτενώς για τον έλεγχο κινητήρων, θερμαντικών στοιχείων, κτλ. Σε αυτοματοποιημένες εγκαταστάσεις, συνδέουμε το πηνίο του αυτόματου διακόπτη σε μια έξοδο του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Όταν η έξοδος ενεργοποιηθεί, το πηνίο ενεργοποιείται, και ο αυτόματος διακόπτης συνδέει το φορτίο του στην τροφοδοσία. Για μικρούς αυτόματους διακόπτες, το ρεύμα του πηνίου είναι μικρό, και μπορεί να μεταχθεί κατευθείαν από την έξοδο του ελεγκτή. Για μεγάλους αυτόματους διακόπτες, το ρεύμα του πηνίου θα μπορούσε να υπερβεί την ικανότητα της εξόδου. Στην περίπτωση αυτή οδηγούμε ένα ρελέ από την έξοδο του ε- λεγκτή (ένα ενδιάμεσο ρελέ, όπως ονομάζεται), το οποίο με τη σειρά του μετάγει το ρεύμα του πηνίου του μεγαλύτερου αυτόματου διακόπτη. Λειτουργικά, το ρελέ και ο αυτόματος διακόπτης μοιάζουν πολύ. Η κύρια διαφορά είναι στην ικανότητα μεταγωγής ρεύματος των επαφών. Ένας αυτόματος διακόπτης είναι σχεδιασμένος 80

82 για μεταγωγή μεγάλης ισχύος (μέχρι και 1600 Α), ενώ ένα ρελέ προορίζεται για μικρά ρεύματα (<10 Α). Το πηνίο ενός ρελέ ή ενός αυτόματου διακόπτη είναι ισχυρά επαγωγικό, και αυτό σημαίνει ότι τείνει να παράγει μεγάλες τάσεις από επαγωγή κατά την απενεργοποίησή του. Πρέπει τα κυκλώματα εξόδου των ελεγκτών να σχεδιάζονται με το πρόβλημα αυτό υπόψη. Μια βαλβίδα με σωληνοειδές είναι ένα άλλο εξάρτημα που χρησιμοποιείται πολύ. Το πηνίο είναι έτσι προσαρμοσμένο, ώστε να ανοίγει ή να κλείνει τη δίοδο μεταξύ δυο ή περισσότερων θυρών, ώστε να μπορεί να ελεγχθεί η ροή ενός υγρού ή αερίου. Το πηνίο συνδέεται στην έξοδο του ελεγκτή. Με τον τρόπο αυτό, υδραυλικοί και πνευματικοί μηχανισμοί μπορούν να γίνουν μέρος ενός συστήματος αυτοματισμού. Όπως και στην περίπτωση ενός αυτόματου διακόπτη ή ρελέ, το πηνίο μιας βαλβίδας είναι και αυτό ισχυρά επαγωγικό. Βαλβίδα με σωληνοειδές Το ρεύμα που απορροφάται από μικρές βαλβίδες είναι πολύ μικρό (δεκάδες ma), και μπορεί να είναι συγκρίσιμο με το ρεύμα διαρροής μερικών συσκευών εξόδου μεταγωγής ή των προστατευτικών κυκλωμάτων τους. Αυτό μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την ενεργοποίηση της βαλβίδας, ακόμα και με απενεργοποιημένη έξοδο! Σε τέτοια περίπτωση το πηνίο της βαλβίδας μπορεί να παραλληλισθεί με μια αντίσταση, η οποία θα απορροφά" το ρεύμα διαρροής. Εναλλακτικά, μπορεί να τροφοδοτείται μέσω της επαφής ενός ενδιάμεσου ρελέ. Μια ενδεικτική λυχνία χρησιμοποιείται για να δείξει την κατάσταση μιας εγκα-τάστασης ή ε- νός κύκλου λειτουργίας. Κανονικά, τροφοδοτείται απευθείας μέσω του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Ένας γενικής χρήσης ενδείκτης είναι εφοδιασμένος με μια λυχνία πυράκτωσης που δεν αποτελεί πρόβλημα για την έξοδο. Σε πρόσφατους σχεδιασμούς, έχουν γίνει δημοφιλή η 81

83 λάμπα νέον και η δίοδος φωτοεκπομπής μεγάλης έντασης (LED). Το πολύ χαμηλό ρεύμα αυτού του είδους λυχνίας μπορεί περιστασιακά να προκαλέσει προβλήματα. Τελευταία, η πιο δημοφιλής τακτική είναι να αντικαθίστανται οι λυχνίες σηματοδοσίας με ενδείκτες μηνυμάτων, ή πάνελ ενδείξεων για το χειριστή. Αυτά παρέχουν την ευκολία ενός μεγάλου πλήθους μηνυμάτων σε ευδιάκριτο κείμενο, στην τοπική γλώσσα και σε μια θέση. Ταυτόχρονα, υπάρχει δραστική μείωση στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων εξόδων και απλοποίηση της καλωδίωσης. 6.6 Υπομονάδες Εισόδου Μια υπομονάδα εισόδου ενός προγραμματιζόμενου ελεγκτή επιλέγεται έτσι ώστε να είναι κατάλληλη για την τάση ελέγχου και τις συσκευές εισόδου 82

84 Σχήμα 27.Σειριακο τερματικό του χειριστή που θα συνδεθούν σε αυτή. Το Σχ. 28 απεικονίζει το περιεχόμενο και τη λειτουργία μιας υπομονάδας που δέχεται είσοδο συνεχούς ρεύματος, σε απλοποιημένη μορφή. Κάθε εισερχόμενο σήμα εισόδου περνά από ένα LED κατάστασης (για οπτική ένδειξη στην υπομονάδα), μια αντίσταση πτώσης τάσης και ένα οπτικό απομονωτή (ο οποίος αποτελείται από ένα LED και ένα φωτο- transistor). Σε μια υπομονάδα που χρησιμοποιεί εναλλασσόμενο σήμα εισόδου, περνά επίσης και από ένα ανορθωτή. Ο σκοπός είναι να παρασχεθεί στον μικρο- 83

85 επεξεργαστή μια τάση την οποία να μπορεί να χειριστεί-5 V d.c., χωρίς παρεμβολές (θόρυβο), και με ηλεκτρική απομόνωση. Κάθε υπομονάδα εισόδου δέχεται ένα αριθμό σημάτων εισόδου, π.χ. οκτώ για το SIMATIC S5-100U της Siemens και για το SESTEP 290 της Sprecher+Schuh. Θα πρέπει να συμβουλευόμαστε το σχετικό κατάλογο πριν διαλέξουμε την υπομονάδα εισόδου για κάθε ελεγκτή, για παράδειγμα: 1. Έχουμε 21 εισόδους για 24 V d.c. και θέλουμε ένα ελεγκτή της Mitsubishi, θα διαλέξουμε ένα F 2-40MR-ES ή F 2-40MR-DS (δέχονται 24 εισόδους σε τάση 24 V d.c., και διαφέρουν μόνο στις εξόδους ή το τροφοδοτικό) 2. Έχουμε 14 εισόδους για 230 V a.c. και θέλουμε ένα ελεγκτή της Siemens. Διαλέγουμε δυο υπομονάδες 6ES5-8MD11 (η κάθε μια δέχεται 8 εισόδους 230 V a.c.). Σχήμα 28. Υπομοναδα εισόδου συνεχούς ρεύματος 6.7 Υπομονάδες εξόδου Μια υπομονάδα εξόδου του προγραμματιζόμενου ελεγκτή μεταφέρει τα σήματα εξόδου από το μικροεπεξεργαστή τα οποία είναι σε πολύ χαμηλή τάση. στους ακροδέκτες εξόδου του ελεγκτή, στην τάση της εγκατάστασης, τυπικά 115/230 V a.c. Οπτικοί απομονωτές και πάλι παρέχουν ηλεκτρική απομόνωση και περιορίζουν την επίδραση των παρεμβολών. 84

86 Κάθε εξερχόμενο σήμα διέρχεται από ένα οπτοσυζεύκτη, για απομόνωση, μετά από ένα LED για ένδειξη επί της υπομονάδας, και τελικά ενεργοποιεί το πηνίο ενός ρελέ υπομινιατούρας. Η επαφή του ρελέ αυτού συνδέει την τροφοδοσία στη συσκευή εξόδου. Σε διαφορετικές υπομονάδες, τη θέση του ρελέ μπορεί να πάρει ένα triac (αμφίδρομη τρίοδος) ή ένα transistor. Η έξοδος με ρελέ είναι κατάλληλη για μεταγωγή ρεύματος a.c. και d.c. παρέχει πραγματική απομόνωση όταν η επαφή είναι ανοικτή μπορεί να αντέξει μεγάλα μεταβατικά ρεύματα και υπερτάσεις υπόκειται σε μηχανικές βλάβες και διάβρωση των επαφών. Η έξοδος με triac είναι μόνο για μεταγωγή εναλλασσόμενου ρεύματος είναι αθόρυβη, δεν έχει κινούμενα μέρη και δεν φθείρεται καταστρέφεται εύκολα από υπερβολικό ρεύμα. Η έξοδος με transistor είναι μόνο για μεταγωγή συνεχούς ρεύματος είναι αθόρυβη, δεν έχει κινούμενα μέρη και δεν φθείρεται είναι ικανή για μεταγωγή με πολύ μεγάλη ταχύτητα μπορεί να καταστραφεί από υπερβολικό ρεύμα και μεγάλη ανάστροφη τάση. Γενικά, η έξοδος του triac είναι η πιο επιρρεπής σε καταστροφή από υπερβολικό ρεύμα, και έτσι, σχεδόν πάντοτε υπάρχει ασφάλεια τήξης στην υπομονάδα, για να προστατέψει κάθε έξοδο ή ομάδα από εξόδους. Αυτός ο τύπος ασφάλειας είναι ειδικά προσαρμοσμένος για χρήση με ημιαγωγούς, και πρέπει να χρησιμοποιείται και να αντικαθίσταται τηρώντας αυστηρά τις οδηγίες του κατασκευαστή. Για να παραμείνει αγώγιμο ένα triac, πρέπει το ρεύμα να υπερβαίνει μια ελάχιστη τιμή, γνωστή σαν "ρεύμα συγκράτησης". Μερικά φορτία χαμηλής ισχύος μπορεί να χρειάζονται μια αντίσταση παράλληλα με αυτά, για να ικανοποιηθεί αυτή η απαίτηση. Η έξοδος με transistor είναι επίσης επιρρεπής σε καταστροφή από υπερβολικό ρεύμα, αλλά στις μέρες μας πολλές υπομονάδες με transistor είναι εξοπλισμένες με ηλεκτρονική προστασία (οι αποκαλούμενες έξοδοι ανθεκτικές σε βραχυκύκλωμα). Μια εξωτερική ασφάλεια ή διακόπτης κυκλώματος μπορούν, παρόλα αυτά, να τοποθετηθούν για την προστασία της τροφοδοσίας και της καλωδίωσης. 85

87 Οι έξοδοι με ρελέ είναι οι πιο ανθεκτικές, και η προστασία τους είναι απλή. Κάθε επαφή ή ο- μάδα επαφών προστατεύεται από μια εξωτερική ασφάλεια ή διακόπτη κυκλώματος με κατάλληλη ονομαστική τιμή. Και πάλι, πρέπει να αναφερόμαστε σε ένα κατάλογο για την εκλογή του «κατάλληλου ελεγκτή ή υπομονάδας εξόδου, για παράδειγμα Έχουμε 19 εξόδους των 230 V a.c., και θέλουμε ένα ελεγκτή Sprecher+Schuh. Θα διαλέξουμε τρεις υπομονάδες ODR-21 ή ODS-21 (8 έξοδοι 250 V a.c., η ODR-21 έχει ρελέ, ενώ η ODS-21 έχει triacs) Έχουμε 18 εξόδους των 115 V a.c., και θέλουμε ένα ελεγκτή της Telemecanique. Θα διαλέξουμε ένα ελεγκτή TSX Ε ή TSX Ε (12 έξοδοι 115 V a.c. με ρελέ), και την υπομονάδα επέκτασης TSX DSF 635 (6 έξοδοι 115 V a.c. με ρελέ). Οι έξοδοι με ρελέ, με transistor ή με triac μπορούν να πάθουν βλάβη ή και να καταστραφούν από υπέρταση. Παρόλο που ο κατασκευαστής εγκαθιστά προστατευτικά κυκλώματα στην υπομονάδα, είναι καλύτερα να λύνεται το πρόβλημα στην πηγή του. Οι πιο κοινές πηγές υπέρτασης είναι τα πηνία των ρελέ, των αυτόματων διακοπτών και των βαλβίδων με σωληνοειδή, τα οποία είναι ισχυρά επαγωγικά. Οι υπερτάσεις από τις πηγές αυτές μπορούν να κατασταλούν με τη χρήση ειδικών δικτυωμάτων προστασίας (snubbers). Για κυκλώματα εναλλασσομένου, χρησιμοποιείται είτε ένα δικτύωμα RC είτε ένα varistor, ενώ για κυκλώματα συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιείται μια ανάστροφα πολωμένη δίοδος. 86

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Σύστημα SCADA 7.1. Το SCADA Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ένα βασικό πλεονέκτημα των PLC s είναι η δυνατότητα δικτύωση τους. Λόγω της ομοιομορφίας της δομής με αυτή ενός υπολογιστή, γρήγορα έγινε εφικτή η σύνδεση του PLC με έναν υπολογιστή. Οι δυνατότητες που προσέφερε αυτή η σύνδεση ήταν πολλές, με κύρια την εύκολη μεταφορά των προγραμμάτων από και προς το PLC, καθώς και η πιο γρήγορη εύρεση σφάλματος σε ένα πρόγραμμα. Σήμερα, για τον προγραμματισμό και την μεταφορά του προγράμματος στο PLC, απαιτείται ένας υπολογιστής. Αναπτύχθηκαν ειδικά προγράμματα που επέτρεπαν σε έναν υπολογιστή να τρέχει λογισμικό αυτοματισμού και να λειτουργεί ως master, ελέγχοντας PLC συνδεδεμένα στο δίκτυο ως slaves. Μπορούσε έτσι να εκτελέσει πολύπλοκους υπολογισμούς και αλγορίθμους που ένα κεντρικό PLC θα ήταν δύσκολο και σίγουρα πιο αργό. Σήμερα, υπάρχουν PC-PLC, ένας συνδυασμός ενός υπολογιστή με εισόδους- εξόδους ενός PLC. Μέσω του λογισμικού, είχαμε την ευκαιρία να μας απεικονίζει στην οθόνη του υπολογιστή τις ενδείξεις των εικονικών οργάνων καθώς και την κατάσταση των εισόδων και εξόδων του. Γρήγορα έγινε αντιληπτό, ότι έπρεπε να ξεπεραστεί η απεικόνιση με κείμενο και να χρησιμοποιηθεί η γραφική. Με τις δυνατότητες του υπολογιστή να χειριστεί πολύπλοκα γραφικά και την ευκολία που προσέφερε η επιλογή με το ποντίκι, παρουσιάστηκαν προγράμματα που εμφάνιζαν το μιμικό διάγραμμα σε εικόνες (σελίδες), και έδιναν στον χρήστη την δυνατότητα να χειρίζεται από απόσταση τα μηχανήματα που ήταν συνδεδεμένα στα PLC s. Δηλαδή, να έχει την εποπτεία και τον χειρισμό της εγκατάστασης. 87

89 Η ανάγκη δημιουργίας τέτοιων προγραμμάτων, οδήγησε στην υλοποίηση του SCADA. του Supervisory Control And Data Acquisition. Το όνομα του δηλώνει τι ακριβώς κάνει: εποπτεία, έλεγχο και συλλογή δεδομένων. Πρόκειται για ένα σύνθετο αυτόνομο λογισμικό, όπου επιτρέπεται η δημιουργία ενεργών μιμικών διαγραμμάτων, διαγραμμάτων ροής και σχέδια μηχανημάτων, όσο πολύπλοκα και μεγάλης εκτάσεως επιθυμούμε εμείς. Καλύπτουν μια τεράστια γκάμα εφαρμογών, από μια απλή βιοτεχνία έως πολύπλοκα εργοστάσια. Κοινός παρανομαστής, είναι η ευκολία δημιουργίας projects από το μηδέν, ώστε το πρόγραμμα να καλύπτει τις ανάγκες της εγκατάστασης. Από την οθόνη του υπολογιστή, είναι εύκολο να διαχειρίζεται ολόκληρο εργοστάσιο, μέσα από φιλικά προς τον χρήστη μενού, που οδηγούν σε σελίδες. Κάθε σελίδα αποτελεί τμήμα του μιμικού διαγράμματος. Έτσι. είναι εύκολο να χωρέσει ολόκληρο διάγραμμα μιας μονάδας που με συμβατικό τρόπο καταλάμβανε ένα τοίχο. Κατά την σχεδίαση των σελίδων, επιλέγεται ποια πληροφορία είναι χρήσιμη να εμφανίζεται δίπλα σε κάθε διάταξη, ώστε να υπάρχει μια συνεχή εποπτεία από τον χρήστη, όσον αφορά για την λειτουργία της μονάδας. Επίσης, τοποθετούνται τα εικονικά χειριστήρια ελέγχου που επιτρέπουν το χειρισμό των συσκευών μηχανημάτων. Οι δυνατότητες που διαθέτει το SCADA είναι πολλές και παραμετροποιήσιμες από τον χρήστη, ώστε να εξυπηρετεί τις ανάγκες μιας εγκατάστασης, ανεξαρτήτους μεγέθους. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά είναι: Δημιουργία χειρισμού με γραφικό περιβάλλον, απλό στον χειρισμό Έλεγχος καταστάσεως (on-off) οποιασδήποτε συσκευής είναι συνδεδεμένης στο δίκτυο του καθώς και απεικόνιση πληροφοριών για αυτή Δυνατότητα συναγερμών με κριτήρια και τιμές που εμείς θέτουμε Ειδοποίηση για βλάβη με οπτικό, ηχητικό τρόπο, αποστολή ειδοποίηση ακόμα και μέσω κινητού Σενάρια που εμείς επιλέγουμε να τρέξουν, όταν συμβεί ένα γεγονός 88

90 Παρακολούθηση και καταγραφή μετρήσεων Παρακολούθηση ωρών λειτουργίας μηχανημάτων για προγραμματιζόμενη συντήρηση Εξαγωγή και απεικόνιση μετρήσεων, συναγερμών, βλαβών και χειρισμών Δυνατότητα τοπικής εφαρμογής κατά P, I, D ή συνδυασμό τους, και το αποτέλεσμα να ελέγχει τα PLC. Πρακτικά απεριόριστος αριθμός εισόδων-εξόδων που μπορεί να ελέγξει. Μέσω ενός υπολογιστή, έχουμε πρόσβαση σε όλη την εγκατάσταση, ελέγχοντας όσα έ- χουμε περάσει στο σύστημα. Δημιουργία αυτόματου ελέγχου. χειροκίνητη ή με βάση χρονοπρογράμματος. για κάθε χειριστήριο. Σε περίπτωση σφάλματος, υπάρχει η δυνατότητα alarm οπτικού ή ηχητικού. Οι συναγερμοί αντιδρούν όπως προγραμματίζεται από τον σχεδιαστή και προσφέρουν επιλογές αντίδρασης στον χειριστή. Όλοι οι συναγερμοί καταγράφονται σε αρχείο με ημερομηνία. Υποστηρίζει δυνατότητα καταγραφής τιμών που ορίζουμε εμείς, και εμφανίζει διαγράμματα με χρονικό ορίζοντα. Οι τιμές που θα καταγράφονται πρέπει να ορίζονται κατά την φάση της σχεδίασης του προγράμματος. Υποστηρίζει εξαγωγή δεδομένων σε τρίτα προγράμματα, όπως MS Excel και βάσης δεδομένων. Προσφέρει έτσι την δυνατότητα περαιτέρω επεξεργασίας των δεδομένων καθώς και μια πιο εύκολη σύνταξη έκθεσης. Ο τρόπος προγραμματισμού, θυμίζει την γλώσσα των PLC s. Κάθε λειτουργία, όπως μνήμη, είσοδος, έξοδος, χρονικά, μετρητές κ.α. χαρακτηρίζεται από μία μοναδική ετικέτα, το Tag-Name. Όσες περισσότερες λειτουργίες χρειάζονται ή περισσότερες συσκευές συνδέονται, τόσα περισσότερα tags απαιτούνται. Η άδεια του προγράμματος, ουσιαστικά το κόστος απόκτησης του. καθορίζεται από τον αριθμό των tags που χρησιμοποιούνται. Υπάρχει μια πλήρη υποστήριξη από συσκευές ΗΜΙ. Μάλιστα, πολλοί κατασκευαστές, προσφέρουν μια ειδική έκδοση ώστε να τρέχει σε tablet-pc s, PDA s καθώς και σε ειδικά panel αφής. Με τον τρόπο αυτό. μπορεί να υπάρχουν σημεία ελέγχου και εποπτείας σε διαφορετικά 89

91 σημεία ενός εργοστασίου. Τα υποστηριζόμενα λειτουργικά είναι (σήμερα) σχεδόν αποκλειστικά για Windows ΧΡ/ΝΤ/2000 ενώ περιορίζονται οι εφαρμογές σε Windows 95/98/ΜΕ. Συναντάμε μερικές υλοποιήσεις για Linux/Unix ενώ ελάχιστες είναι πλέον για το παλιό DOS. Προτιμούνται τα Windows 2000/ΝΤ και Linux λόγω της σταθερότητας του πυρήνα που διαθέτουν σε σχέση με τα υπόλοιπα. Το πρόγραμμα SCADA, εγκαθίσταται σε έναν δυνατό υπολογιστή, ο οποίος συνδέεται σε τοπικό δίκτυο της μονάδας. Για την επικοινωνία με τα PLC s απαιτείται στις περισσότερες περιπτώσεις, η εγκατάσταση ενός OPC Server σε άλλο υπολογιστή. Παρακάτω φαίνονται οι πέντε κύριες διεργασίες μιας ΜΕΥΑ όπως απεικονίζονται στις οθόνες του SCADA. Εικόνα 11: Απεικόνιση της Πρωτοβάθμιας Επεξεργασίας σε οθόνη SCADA 90

92 Εικόνα 12: Απεικόνιση της Πρωτοβάθμιας Επεξεργασίας σε οθόνη SCADA Εικόνα 13: Απεικόνιση της Δευτεροβάθμιας Επεξεργασίας σε οθόνη SCADA 91

93 Εικόνα 14: Απεικόνιση της Δευτεροβάθμιας Επεξεργασίας σε οθόνη SCADA Εικόνα 15: Απεικόνιση της Δευτεροβάθμιας Επεξεργασίας σε οθόνη SCADΑ 92

94 Η παροχή λειτουργίας για να έχει πρόσβαση στις συσκευές κατά τρόπο ανοικτό και τυποποιημένο αναπτύσσεται ακόμα. Φαίνεται να υπάρχει μια έλλειψη συσκευών / ελεγκτών, οι οποίες παρέχουν OPC λογισμικού διακομιστή, αλλά αυτό βελτιώνεται γρήγορα δεδομένου ότι οι περισσότεροι από τους παραγωγούς των ελεγκτών περιλαμβάνονται ενεργά στην ανάπτυξη του εν λογω πρότυπου. Τα προϊόντα παρέχουν επίσης : Open Data Base Connectivity (ODBC) διασύνδεση με τα δεδομένα στο αρχείο, αλλά όχι στη βάση δεδομένων διαμόρφωσης. Εισαγωγή / Εξαγωγή ASCII για τα Configuration Data. Μια βιβλιοθήκη APIs που υποστηρίζει C,C++ και Visual Basic για πρόσβαση σε δεδομένα στο RTDB.Το API συχνά δεν παρέχει πρόσβαση στα εσωτερικά χαρακτηριστικά του προϊόντος, όπως ο χειρισμός συναγερμών, υποβολή εκθέσεων, τάση κ.λπ. Τα προϊόντα PC παρέχουν την υποστήριξη για τα πρότυπα της Microsoft όπως το Dynamic Data Exchange (DDE) που επιτρέπει π.χ. να απεικονίσει τα στοιχειά δυναμικά σε ένα υπολογιστικό φύλλο Excel,Dynamic Link Library (DLL) και Object Linking and Embedding (OLE). 93

95 7.2 Βάση Δεδομένων Τα Configuration Data αποθηκεύονται σε μια βάση δεδομένων που συγκεντρώνεται λογικά αλλά φυσικά διανέμεται και είναι γενικά μια αποκλειστική μορφή. Για λογούς απόδοσης, η RTDB βρίσκεται στον αποθηκευτικό χώρο των servers και είναι επίσης ιδιοκτήτης μορφής. Το σύστημα αρχείων και logging είναι επίσης ιδιόκτητο για λόγους απόδοσης, αλλά μερικά προϊόντα υποστηρίζουν το logging σε ένα συγγενικό σύστημα διαχείρισης βάσεων δεδομένων (RDBMS) με πιο αργό ρυθμό, είτε άμεσα είτε μέσω μιας διεπαφής ODBC. Η εξελιξιμότητα γίνεται κατανοητή ως η δυνατότητα να επεκταθεί το βασισμένο σε SCADA σύστημα έλεγχου με την προσθήκη περισσότερων μεταβλητών διαδικασίας, πιο εξειδικευμένων servers (π.χ. διαχείριση συναγερμού) ή περισσότερων πελατών. Τα προϊόντα επιτυγχάνουν την εξελιξιμότητα με πολλαπλούς διακομιστείς δεδομένων που συνδέονται με πολλούς ελεγκτές. Κάθε κεντρικός υπολογιστής έχει τη δική του βάση δεδομένων διαμόρφωσης και την RTDB και είναι υπεύθυνος για το χειρισμό ενός υποσύνολου των μεταβλητών διαδικασίας (απόκτηση, χειρισμό συναγερμών, αρχειοθέτηση). Οι χρήστες κατανέμονται σε ομάδες, στις οποίες ορίζονται read / write δικαιώματα πρόσβασης στις παραμέτρους διαδικασίας στο σύστημα και συχνά επίσης σε συγκεκριμένες λειτουργίες του προϊόντος. Τα προϊόντα που υποστηρίζουν πολλαπλές οθόνες, οι οποίες μπορεί να περιέχουν συνδυασμούς συνοπτικών διαγραμμάτων και κειμένου. Υποστηρίζουν επίσης την έννοια ενός «γενικού» γραφικού αντικειμένου με συνδέσεις επεξεργασίας μεταβλητών. Αυτά τα αντικείμενα υπάρχουν σε μια βιβλιοθήκη και μπορούν να περιληφθούν σε ένα συνοπτικό διάγραμμα. 94

96 Τα περισσότερα από τα προϊόντα SCADA που αξιολογήθηκαν συνθέτουν τη διαδικασία σε «ατομικές» παραμέτρους (π.χ. ένα ρεύμα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος, μέγιστη τιμή του, η on / off κατάσταση, κ.λπ.) στις οποίες συνδέεται μια ετικέτα-όνομα. Οι ετικέτεςονόματα που χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν τα γραφικά αντικείμενα με τις συσκευές μπορούν να έχουν όποια τιμή επιθυμεί ο χρήστης. Ο συναγερμός χειρισμού βασίζεται σε έλεγχο τιμών. Οι πιο περίπλοκες εκφράσεις (χρησιμοποιώντας τις αριθμητικές ή λογικές εκφράσεις) μπορούν να αναπτυχθούν με τη δημιουργία των παραγόμενων παραμέτρων στις οποίες ο έλεγχος θέσης ή ορίου έπειτα εκτελείται. Οι συναγερμοί αντιμετωπίζονται λογικά, σε κεντρικό επίπεδο, δηλαδή, οι πληροφορίες υ- πάρχουν μόνο σε ένα μέρος και όλοι οι χρήστες βλέπουν το ίδιο καθεστώς (π.χ., η αναγνώριση), καθώς και πολλαπλά επίπεδα προτεραιότητας συναγερμών (γενικά πολύ περισσότερα από 3 τέτοια επίπεδα) υποστηρίζονται. Είναι γενικά δυνατό να ομαδοποιηθούν οι συναγερμοί και να αντιμετωπιστούν ως οντότητα (χαρακτηριστικά φιλτράροντας την ομάδα ή την αναγνώριση όλων των συναγερμών σε μια ομάδα). Επιπλέον, είναι δυνατό να κατασταλούν οι συναγερμοί είτε ατομικά είτε ως πλήρης ομάδα. Το φιλτράρισμα των συναγερμών που βλέπουμε στη σελίδα συναγερμών ή κατά την προβολή της καταγραφής συναγερμών είναι επίσης εφικτό τουλάχιστον ως προς την προτεραιότητα, το χρόνο και την ομάδα. Μία άλλη δυνατότητα ενός συστήματος SCADA είναι η καταγραφή και αρχειοθέτηση. Συχνά χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την ίδια δυνατότητα. Ωστόσο, η καταγραφή μπορεί να θεωρηθεί ως μεσοπρόθεσμη αποθήκευση των δεδομένων σε δίσκο, ενώ η αρχειοθέτηση είναι μακροπρόθεσμη αποθήκευση των δεδομένων είτε σε δίσκο ή σε ένα άλλο μέσο αποθήκευσης. Η καταγραφή των στοιχείων μπορεί να γίνει σε μια καθορισμένη συχνότητα, ή να αρχίσει μόνο όταν συμβεί κάτι. Τα καταγραμμένα στοιχεία μπορούν να μεταφερθούν σε ένα αρχείο. 95

97 Η ανάπτυξη των εφαρμογών γίνεται χαρακτηριστικά σε δύο στάδια. Το πρώτο των παραμέτρων της διεργασίας και των συναφών πληροφοριών (π.χ. σχετικά με τους όρους συναγερμών) καθορίζονται μέσω κάποιου είδους παράμετρο προτύπου ορισμού και, στη συνέχεια, γίνονται τα γραφικά, συμπεριλαμβανομένων των trending, σχεδιάζονται οθόνες συναγερμού, και συνδέονται ενδεχομένως με τις παραμέτρους της διαδικασίας. Τα προϊόντα παρέχουν επίσης μια δυνατότητα εισαγωγής δεδομένων ASCII για την εισαγωγή των δεδομένων διαμόρφωσης (ορισμοί παραμέτρου), η οποία παρέχει μεγάλο αριθμό παραμέτρων που πρέπει να διαμορφωθεί με πιο αποτελεσματικό τρόπο, χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό πρόγραμμα επεξεργασίας, όπως το Excel και στη συνέχεια την εισαγωγή των δεδομένων στη βάση δεδομένων διαμόρφωσης. On-line τροποποιήσεις στη βάση δεδομένων διαμόρφωσης και η γραφική παράσταση είναι γενικά δυνατή με το κατάλληλο επίπεδο προνομίων. Τα ακόλουθα εργαλεία ανάπτυξης παρέχονται ως πρότυπο: 1)Ένα πρόγραμμα επεξεργασίας γραφικών, με τις συνήθεις εγκαταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων ελεύθερο σχέδιο, τις γραμμές, πλατείες κύκλοι, κ.λπ. Είναι δυνατόν να εισάγουν εικόνες με πολλά σχήματα καθώς και η χρησιμοποίηση προκαθορισμένων συμβόλων συμπεριλαμβανομένων π.χ. trending charts, κ.λπ. Μια βιβλιοθήκη των γενικών συμβόλων παρέχεται που μπορεί να συνδέεται δυναμικά με τις μεταβλητές και animated σύμβολα. Είναι επίσης δυνατό να δημιουργηθούν δεσμοί μεταξύ των γραφημάτων, έτσι ώστε να διευκολυνθεί η πλοήγηση στο χρόνο εκτέλεσης. 2)Μια βάση δεδομένων (συνήθως μέσω της παραμέτρου templates). Είναι σε γενικές γραμμές δυνατή η εξαγωγή δεδομένων σε αρχεία ASCII ώστε να είναι σε επε- 96

98 ξεργασία μέσω ενός συντάκτη ASCII ή Excel. 3)Μια γλώσσα δέσμης ενεργειών 4)Ένα Application Program Interface (API) που υποστηρίζει C,C + +, VB 5)Ένα Driver Development Toolkit για να αναπτύξει τους οδηγούς για υλικό που δεν υποστηρίζεται από το προϊόν SCADA. Τα προϊόντα SCADA εξελίσσονται πολύ γρήγορα, έτσι ώστε να αξιοποιήσουν τις νέες ευκαιρίες της αγοράς, για να ανταποκριθούν στις νέες απαιτήσεις των πελατών τους και να επωφεληθούν από τις νέες τεχνολογίες. Όσον αφορά τις νέες τεχνολογίες, τα προϊόντα SCADA υιοθετούν τώρα: Web τεχνολογία, ActiveX, Java, κλπ. OPC ως εσωτερικό μέσο μεταξύ του πελάτη και διακομιστή. Τα οφέλη που μπορεί κανείς να περιμένει από την υιοθέτηση ενός συστήματος SCADA για τον έλεγχο των πειραματικών εγκαταστάσεων φυσικής μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: 1)Πλούσια λειτουργικότητα και εκτενείς εγκαταστάσεις ανάπτυξης. 2)Το ποσό της συγκεκριμένης ανάπτυξης που πρέπει να εκτελεστεί από τον τελικό χρήστη είναι περιορισμένο, ειδικά με την κατάλληλη μηχανική. 3)Αξιοπιστία και αντοχή. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται για κρίσιμες βιομηχανικές διαδικασίες αποστολής όπου η αξιοπιστία και η απόδοση είναι κυ ρίαρχες. 4)Επιπλέον, η συγκεκριμένη ανάπτυξη εκτελείται μέσα σε ένα καθιερωμένο πλαίσιο που ενισχύει την αξιοπιστία και αντοχή. 5)Τεχνική υποστήριξη και συντήρηση από τον προμηθευτή. 97

99 Για να σχεδιασθεί μια εφαρμογή σε ένα σύστημα SCADA ο υπεύθυνος μηχανικός καλό θα ήταν να ακολουθήσει κάποια βήματα. Τα προτεινόμενα αυτά βήματα είναι: Κατανόηση των μηχανημάτων της εγκατάστασης προς αυτοματοποίηση καθώς και των διεργασιών που γίνονται Συλλογή πληροφοριών Σχεδιασμός HMI λίστας δεδομένων Σχεδιασμός απεικόνισης εγκατάστασης και πλοήγησης στις εικόνες αυτές Προσδιορισμός χρησιμοποιούμενων γλωσσών στην εγκατάσταση Παροχή πληροφοριών στο χειριστή της εγκατάστασης Σχεδιασμός διαγραμμάτων Animation στατικών εικόνων 7.3 Λογισμικό σύστημα IntegraXor Για την εργασία κρίθηκε κατάλληλο το σύστημα SCADA IntegraXor της εταιρίας Ecava ( λόγω των δυνατοτήτων που προσφέρει. Το IntegraXor είναι ένα λογισμικό SCADA μέσω WEB με χαρακτηριστικά όπως SVG γραφική απεικόνιση & animation, επικοινωνία συσκευών σε πραγματικό χρόνο με Modbus, OPC και άλλα σημαντικά πρωτόκολλα, λειτουργίες συναγερμού, ODBC καταγραφή δεδομένων, τάσεων και υποβολή εκθέσεων. Είναι σχεδιασμένο από την αρχή χρησιμοποιώντας τεχνολογίες 98

100 web για να δημιουργήσουν ένα ολοκληρωμένο εργαλείο για τη δημιουργία εξελιγμένων και ευφυή συστημάτων σε πραγματικό χρόνο. Σχήμα 29. Αρχιτεκτονική Βασικού Δικτύου του IntegraXor Το IntegraXor έχει επίσης εργαλεία για σχεδιασμό της διεπαφής χρήστη. Π.χ. Μια δεξαμενή μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα παραλληλόγραμμο και να δοθεί κίνηση με την άνοδο και την πτώση της στάθμης της δεξαμενής. Οι συναγερμοί επίσης μπορούν να ρυθμιστούν για την έγκαιρη ανίχνευση και προειδοποίηση. Η ευελιξία του IntegraXor και η χρήση των δικτυακών τεχνολογιών επιτρέπει απεριόριστες δυνατότητες για συστήματα αυτοματισμού σε παγκόσμιο επίπεδο. 99

101 Αρχικά, θα δημιουργηθεί ένα καινούριο Project στο οποίο θα γίνεται η παρακολούθηση και ο έλεγχος μιας μικρής μονάδας Βιολογικού Καθαρισμού. Εικόνα 16.Δημιουργια νέου project με τον Project Editor Συνεχίζοντας, η εφαρμογή μας δίνει την δυνατότητα πλήρους παραμετροποίησης, όπως οι διάφοροι χρηστές που θα έχουν πρόσβαση στο σύστημα, το σύστημα I/O, την επικοινωνία των PLC μέσω Modbus κτλ. 100

102 Εικόνα 17.Ο Editor του Integraxor Εκτελώντας το project,ο server του Integraxor ενεργοποιείται αυτόματα και παρέχει ένα παράθυρο με τις προαπαιτούμενες διεργασίες. 101

103 Εικόνα 18. IntegraXor Server Εικόνα 19.Εκτελεση του Project μέσω Web Browser 102

104 Εικόνα 20.Δημιουργία γραφικών και animation Εικόνα 21.Ρύθμιση των θυρών επικοινωνίας 103

105 Εικόνα 22.Δειγμα εικονικών μετρήσεων μέσω της εφαρμογής Εικόνα 23.Στιγμιοτυπο παρόμοιας εφαρμογής της Promotic 104