ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕΘΟ ΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ (ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΟΝΑ ΑΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ) Ι Α Τ Ρ Ι Β Η

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΘΕΟΦΡΑΣΤΕΙΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ: «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΚΑΙ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ» ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕΘΟ ΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ (ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΟΝΑ ΑΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ) Ι Α Τ Ρ Ι Β Η ΕΚΠΟΝΗΣΗ Αλέξανδρος. Κοτζαπέτρος Επιβλέπων Καθηγητής ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣ Μυτιλήνη Σεπτέµβριος 2005

2 Εκφράζω τις θερµές µου ευχαριστίες προς τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Παναγιώτη Παρασκευά για την ανάθεση της παρούσας διατριβής, τις οδηγίες του και γενικά για τη βοήθεια που µου παρέσχε κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. Επίσης ευχαριστώ τον διευθυντή του Θεοφράστειου Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών καθηγητή κ. Θεµιστοκλή Λέκκα για τις πολύ χρήσιµες διαλέξεις του σχετικά µε τα νευρωνικά δίκτυα και γενικότερα τα έµπειρα συστήµατα, καθώς και τον καθηγητή κ.ιωάννη Ματσίνο για την πολύτιµη βοήθειά του στην παρουσίαση της διατριβής. Αλέξανδρος Κοτζαπέτρος Σεπτέµβριος

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη, µέσω προγράµµατος Η/Υ, ενός µοντέλου αυτόµατου ελέγχου της διεργασίας ενεργού ιλύος µε τη βοήθεια συστήµατος µηχανικής µάθησης (υπολογιστική νοηµοσύνη) που ονοµάζεται µάθηση Q. Στις εισαγωγικές σηµειώσεις παρουσιάζεται σε γενικές γραµµές η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και οι διεργασίες που χρησιµοποιούνται συνήθως. Κατόπιν υπογραµµίζεται η ανάγκη που υπάρχει για αυτόµατο έλεγχο των διεργασιών και επεξηγούνται οι λόγοι για τους οποίους είναι απαραίτητος ο έλεγχος αυτού του είδους. Το συµπέρασµα που προκύπτει είναι ότι η καλή λειτουργία µιας µονάδας επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, η τήρηση των προδιαγραφών των επεξεργασµένων αποβλήτων, η οικονοµική λειτουργία της µονάδας και κυρίως η προστασία των διεργασιών από την αστοχία είναι συνυφασµένα µε έναν αποτελεσµατικό λειτουργικό έλεγχο. Ακολούθως, επισηµαίνεται η χρησιµότητα της µοντελοποίησης τέτοιων διεργασιών, τόσο στο σχεδιασµό της µονάδας όσο και στο σχεδιασµό του ελέγχου αυτής, ενώ γίνεται φανερή η σηµαντικότητα του µοντέλου, η οποία επιτρέπει την αλληλεπίδραση µεταξύ του σχεδιασµού και του ελέγχου της µονάδας, ώστε ο ένας να επηρεάζει τον άλλο, προκειµένου να υπάρξει ο βέλτιστος προγραµµατισµός και για τους δύο τοµείς. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι εξισώσεις που περιγράφουν (µοντελοποιούν) την κάθε διεργασία ξεχωριστά (εξισώσεις κατάστασης), ενώ κατόπιν ακολουθεί η περιγραφή διαφόρων συστηµάτων ελέγχου και των σηµαντικότερων χαρακτηριστικών τους. Πριν γίνει όµως αυτό, αναφέρονται τα συστήµατα πρώτου και δευτέρου βαθµού, οι συναρτήσεις µεταφοράς τους, η συµπεριφορά τους ως προς τον χρόνο και οι διαταραχές που τείνουν να εκτρέψουν ένα σύστηµα από την κατάσταση ισορροπίας του. Έτσι γίνεται αντιληπτός ποιος είναι ο ρόλος ενός απλού συστήµατος αυτοµάτου ελέγχου, πως µπορεί αυτό να ρυθµιστεί, ώστε να έχουµε το καλύτερο αποτέλεσµα, και ποια είναι τα µειονεκτήµατά του. Κατόπιν παρουσιάζονται σε γενικές γραµµές δύο κατηγορίες συστηµάτων υπολογιστικής νοηµοσύνης (έµπειρα συστήµατα), τα νευρωνικά δίκτυα και τα συστήµατα ασαφούς λογικής. Ακολουθεί µια πιο λεπτοµερής ανάλυση των νευρωνικών δικτύων και αναλύονται οι κυριότερες κατηγορίες αυτών ανάλογα µε τον τύπο της µάθησης η οποία εφαρµόζεται, ενώ αµέσως µετά προσοµοιώνεται η διαδικασία ελέγχου της διεργασίας ενεργού ιλύος µε την εφαρµογή της µάθησης Q που είναι µια µορφή ενισχυτικής µάθησης. Επεξηγείται επίσης αναλυτικά ο κώδικας του προγράµµατος προσοµοίωσης και παρουσιάζεται το λογικό διάγραµµα. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα του προγράµµατος και σχολιάζονται αναλόγως. 3

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σελίδα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7 2. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Κυριότερα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων Πρωτοβάθµια επεξεργασία ευτεροβάθµια επεξεργασία Τριτοβάθµια επεξεργασία ΑΝΑΓΚΗ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Λειτουργικά πλεονεκτήµατα του ελέγχου Οικονοµικά πλεονεκτήµατα του αποτελεσµατικού ελέγχου Αλληλεπιδράσεις σχεδιασµού-λειτουργίας Ο έλεγχος σε µονάδα ενεργού ιλύος υναµικά µοντέλα Συστήµατα ελέγχου διεργασιών ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Μοντελοποίηση πρωτοβάθµιας επεξεργασίας Μοντελοποίηση της διαδικασίας ενεργού ιλύος Κύρια µέρη της διαδικασίας ενεργού ιλύος Μοντελοποίηση δεξαµενής αερισµού Μοντέλο δεξαµενής δευτεροβάθµιας καθίζησης Χρησιµότητα των µοντέλων Μελέτη των υποσυστηµάτων Μελέτη της συνολικής διεργασίας ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Έλεγχος διαδικασιών και µοντελοποίηση Μοντελοποίηση φυσικών αρχών Περιγραφή του χώρου κατάστασης Μέθοδοι µοντελοποίησης µαύρου κουτιού Μοντέλα πρώτης και δεύτερης τάξης ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Παράδειγµα ελέγχου της στάθµης υγρού σε µια δεξαµενή Συναρτήσεις µεταφοράς των επιµέρους τµηµάτων διεργασίας Το συνολικό µοντέλο του κατευθυντή, της δεξαµενής και συσκευής µέτρησης 49 4

5 6.4 ιάφορες διαταραχές της διεργασίας ΤΑ ΕΙ Η ΤΩΝ ΕΛΕΓΧΩΝ Έλεγχος ανοικτού βρόχου Έλεγχος κλειστού βρόχου Έλεγχος τύπου ανοικτό-κλειστό Κατευθυντές τύπου PID Έλεγχος µε προσοτροφοδότηση Ελεγχόµενες διακυµάνσεις των παραµέτρων του συστήµατος ελέγχου Έλεγχος µε προγραµµατιζόµενες αλλαγές του κέρδους Άγνωστες διακυµάνσεις των παραµέτρων Αυτορυθµιζόµενος έλεγχος ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΒΑΣΙΖΟΝΤΑΙ ΣΤΗ ΓΝΩΣΗ Τα έµπειρα συστήµατα στον έλεγχο διεργασιών οµή των έµπειρων συστηµάτων Έµπειρα συστήµατα για την παρακολούθ. διεργασιών και ανίχνευση δυσλειτoυργιών Τα έµπειρα συστήµατα στην επεξεργασία αποβλήτων Μοντελοποίηση πολύπλοκων διεργασιών µε τη χρήση νευρωνικού δικτύου Ο νευρώνας και το νευρωνικό δίκτυο Εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου Συνολική διαδικασία ανάπτυξης και εφαρµογής ενός νευρωνικού δικτύου Εφαρµογή των νευρωνικών δικτύων στην επεξεργασία αποβλήτων Έλεγχος µε ασαφή συλλογιστική Ο κατευθυντής ασαφούς λογικής Σύστηµα βάσης γνώσης Έµπειρη γνώση Παράδειγµα ελέγχου ασαφούς λογικής Εφαρµογές του ελέγχου ασαφούς λογικής στην επεξεργασία αποβλήτων ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ΙΚΤΥΑ: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Γενικά Το βασικό µοντέλο τεχνητού νευρονίου Μάθηση των νευρωνικών δικτύων Πρακτικά προβλήµατα µάθησης Νευρωνικά δίκτυα επιβλεπόµενης µάθησης Το απλό perceptron Mειονέκτηµα του µονοστρωµατικού perceptron υνατότητες του πολυστρωµατικού perceptron Tαξινόµηση προτύπων Γενίκευση 98 5

6 9.7 Νευρωνικά δίκτυα µε ενισχυτική µάθηση Γενικά Στρατηγικές ενισχυτικής µάθησης Αρχιτεκτονική δράσης-µόνο Στρατηγική δράσης - κριτικής Μάθηση Q ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΑΘΗΣΗΣ Q ΣΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΜΟΝΑ ΩΝ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ Πρόγραµµα προσοµοίωσης εφαρµογής της µάθησης Q Επεξήγηση λειτουργίας του προγράµµατος Λογικό διάγραµµα του προγράµµατος Αποτελέσµατα του προγράµµατος ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 147 EΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 150 ΞΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 151 INTERNET LINKS 154 6

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας υγρών και στερεών αποβλήτων γνωρίζουν στις µέρες µας ευρύτατη εφαρµογή, όχι µόνο επειδή επιβάλλουν την κατασκευή τέτοιων µονάδων οι νέοι αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί κανονισµοί, αλλά γιατί η ολοένα αυξανόµενη βιοµηχανική δραστηριότητα, η ανάπτυξη των πόλεων και η άνοδος του βιοτικού επιπέδου συντελούν στη συνεχή αύξηση των ποσοτήτων των αποβλήτων που απορρίπτονται στο περιβάλλον, µε άµεση συνέπεια σοβαρότατες επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και το οικοσύστηµα. Ειδικότερα, οι µεγάλες ποσότητες των υγρών αποβλήτων υποβαθµίζουν τόσο τους επιφανειακούς και υπόγειους υδατικούς πόρους που δεν µπορούν πλέον να χρησιµοποιηθούν, όσο και πολλά χιλιόµετρα ακτών τα οποία λόγω της περιβαλλοντικής υποβάθµισης δεν προσφέρονται για αξιοποίηση (π.χ. παραλίες, τουρισµός, αλιεία κ.α.). Το οικονοµικό κόστος από την περιβαλλοντική αυτή επιβάρυνση είναι αρκετά υψηλό και για το λόγο αυτό γίνονται αποδεκτές οι δαπάνες που απαιτούνται για την κατασκευή και επέκταση τέτοιων µονάδων. Οι µονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων εκτός από το κατασκευαστικό έχουν και σηµαντικό λειτουργικό κόστος, το µεγαλύτερο µέρος του οποίου αντιστοιχεί στην ενέργεια που απαιτείται για τον αερισµό του βιολογικού αντιδραστήρα. Ένα καλό σύστηµα ελέγχου που θα χρησιµοποιούσε µόνο όσον αέρα είναι απαραίτητος θα µείωνε σηµαντικά αυτό το κόστος και θα καθιστούσε τη λειτουργία τέτοιων µονάδων οικονοµικά συµφέρουσα. Τα λειτουργικά προβλήµατα που αντιµετωπίζουν τέτοιες µονάδες εµποδίζουν επίσης την περαιτέρω εξάπλωσή τους. Φαινόµενα όπως η διογκωµένη ιλύς, η επίδραση τοξικών παραγόντων στους µικροοργανισµούς και η ανερχόµενη ιλύς περιορίζουν την απόδοση των µονάδων και πολλές φορές οδηγούν σε αστοχίες λειτουργίας. Όταν µια µονάδα επεξεργασίας αποβλήτων αστοχήσει, τότε η επαναλειτουργία της δεν είναι απλή υπόθεση, καθώς απαιτούνται πολλές εβδοµάδες για να λειτουργήσει οµαλά. Όλο αυτό το χρονικό διάστηµα το περιβάλλον ρυπαίνεται από τα ανεπεξέργαστα απόβλητα που καταλήγουν σ αυτό. Ένα άλλο πρόβληµα είναι η συνεχής και σηµαντική διακύµανση της ποσότητας και της ποιότητας των αποβλήτων που εισέρχονται στη µονάδα και που µπορεί να είναι ηµερήσιες ή ακόµα και ετήσιες. Οι διακυµάνσεις αυτές προκαλούν αντίστοιχες διακυµάνσεις στην ποιότητα των εξερχόµενων επεξεργασµένων αποβλήτων. ηλαδή η ποιότητα αυτών µπορεί να µην είναι αποδεκτή για κάποια χρονικά διαστήµατα. 7

8 Τα τελευταία χρόνια, γίνονται προσπάθειες να επιλυθούν τα παραπάνω προβλήµατα που αντιµετωπίζουν οι µονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων µε την εφαρµογή σ αυτές εξελιγµένων συστηµάτων ελέγχου υπολογιστικής (τεχνητής) νοηµοσύνης. Τα συστήµατα αυτά που αναφέρονται στην παρούσα διατριβή έχουν την ικανότητα να προβλέπουν µια επικείµενη αστοχία, πολύ πριν αυτή αρχίσει να συµβαίνει (οπόταν ίσως είναι πλέον πολύ αργά να την αποτρέψουµε), και δρουν ανάλογα. Επίσης, έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν πολύπλοκες διεργασίες που δεν µπορούν να ελεγχθούν µε άλλον τρόπο, προσφέροντας λειτουργική ευελιξία και οικονοµία. 8

9 2. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 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 διάθεσή 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 1914 (Schroeder, 1985). Τα υγρά αστικά απόβλητα χαρακτηρίζονται κυρίως από τρεις παραµέτρους: Τη βιοχηµική απαίτηση οξυγόνου (BOD), τη συγκέντρωση των αιωρούµενων στερεών (SS) και τη βακτηριακή σύστασή 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. Από εκεί προήλθε ο όρος BOD πέντε ηµερών και πολλές φορές η απεικόνιση BOD Ετσι το BOD 20 5 είναι η µεταβολή στο διαλυµένο οξυγόνο (DO) που συµβαίνει σε µια περίοδο επώασης 5 ηµερών στους 20. ηλαδή: BOD 20 5 =DO 0 -DO 5 όπου το DO 0 και το DO 5 είναι το αρχικό και το µετά από 5 µέρες διαλυµένο οξυγόνο. 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 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 (ΜPN) των παθογόνων οργανισµών που υπάρχουν σε ένα συγκεκριµένο δείγµα MPN/100ml. Σαν µια ένδειξη της 9

10 ποιότητας που είναι επιθυµητή, οι προδιαγραφές του πόσιµου νερού το 1914 ήταν MPN<=2.2/100ml, ενώ το 1942 µειώθηκαν στο MPN<=1/100ml. Ο ακόλουθος πίνακας 2.1 δίνει ένα παράδειγµα της ποιότητας των υγρών αποβλήτων πριν και µετά την επεξεργασία τους (Barnes, 1981). Πίνακας 2.1 Τυπικές συγκεντρώσεις ρυπαντών στα υγρά απόβλήτα [mg/l] (πηγή Reza Katebi, 1999) Γενικά, στα αστικά απόβλητα το BOD και το SS παίρνουν τιµές από 100 έως 400 mg/l. Το άζωτο στα απόβλητα είναι οργανικό άζωτο (Org-N) και αµµωνιακό άζωτο (NH 4 -N). Άλλη µια ουσία που περιέχει άζωτο είναι τα νιτρικά (NO 3 ). 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. Όπως µπορούµε να δούµε στον παραπάνω πίνακα 2.1, 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, όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.1. Ακολουθεί µια σύντοµη περιγραφή του καθενός από αυτά τα τρία στάδια. 10

11 Σχ. 2.1 Επεξεργασία αποβλήτων τριών βαθµίδων (πηγή Reza Katebi, 1999). 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 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 (Wilson, 1981). 2.3 ευτεροβάθµια 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 µικροργανισµοί χρησιµοποιούν το ελεύθερο διαλυµένο οξυγόνο (DO) που υπάρχει στο νερό. Είναι χρήσιµο να ξέρουµε ότι η συγκέντρωση κορεσµού του διαλυµένου οξυγόνου σε καθαρό απεσταγµένο νερό είναι περίπου 9 mg/l στους 25 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 (O 2 ), το νερό (H 2 O), τα νιτρικά, τα θειϊκά, τα φωσφορικά και καινούρια κύτταρα. 11

12 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 ΝΟ 3, θειϊκά SO 4, και φωσφορικά PO 4 ) που υπάρχουν στα απόβλητα. Στα προϊόντα της αναερόβιας διαδικασίας περιλαµβάνονται το διοξείδιο του άνθρακα (O 2 ), το µεθάνιο (H 4 ), το φωσφορικό άλας (PH 3 ), το υδρόθειο (H 2 S) και νέα κύτταρα. Το µεθάνιο είναι πολύ ποιοτικό καύσιµο και η αναερόβια διαδικασία πολλές φορές ρυθµίζεται, έτσι ώστε να µεγιστοποιηθεί η παραγωγή του. Ο παρακάτω πίνακας 2.2 (Beck, 1986) χρησιµοποιείται για να συνοψίσουµε τις διάφορες βιολογικές µεθόδους επεξεργασίας των αποβλήτων. Πίνακας 2.2 Οι κυριότερες βιολογικές διεργασίες επεξεργασίας αποβλήτων (πηγή Reza Katebi, 1999). Οι αερόβιες διαδικασίες είναι αυτές µε το µεγαλύτερο ενδιαφέρον στον παραπάνω πίνακα 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 οξειδώσει µέρος της απορροφώµενης οργανικής ύλης και να παραχθεί ενέργεια χρήσιµη στους οργανισµούς. Τόσο η οργανική ύλη όσο και το DO κατάναλώνονται και µειώνονται µε το χρόνο. Οι οργανισµοί που εµπλέκονται εδώ είναι αερόβιοι ετερότροφοι οργανισµοί. 12

13 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 ειδικευ- µένα βακτήρια, όπως 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 µικρότερο από 0.3. Απονιτροποίηση: Είναι η βιολογική αποµάκρυνση των νιτρικών (NO 3 ). 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 διαδικασία ενεργού ιλύος, τα βιολογικά φίλτρα και οι λίµνες αερισµού. Η διεργασία 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 ανάπτυξή 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 υπερχειλίζει σχετικά καθαρό υγρό από τη δεξαµενή. Ένα µέρος της ιλύος αποβάλλεται 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. 13

14 Χρησιµοποιείται για να δηµιουργήσει ένα αερόβιο διάλυµα ιλύος πάνω από ένα αναερόβιο. ιαφορετικές 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). 2.4 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 κατά Wilson (1981) 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. Απολύµανση: Περιλαµβάνει µεθόδους µείωσης του πιο πιθανού αριθµού µικροοργανισµών MPN/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. 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. 14

15 3. ΑΝΑΓΚΗ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ 3.1 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 (Katebi και Johnson, 1997). 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 ελέγχου. Παρακάτω αναφέρονται µερικές παρατηρήσεις πάνω στην εφαρµογή αυτών των υπολογιστικών συστηµάτων σε εργοστάσια επεξεργασίας αποβλήτων (Stephenson, 1985): Ένα εργοστάσιο επεξεργασίας υγρών αποβλήτων δέχεται οτιδήποτε καταλήγει στο δίκτυο υπονόµων στην είσοδό 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 το εργοστάσιο. Η αξιοπιστία των αισθητήρων οι οποίοι χρησιµοποιούνται, συνεχώς εξελίσσεται και βελτιώνεται. Οι στρατηγικές ελέγχου πρέπει να προβλέπουν την περίπτωση αστοχίας 15

16 κάποιου αισθητήρα και να δρουν έτσι που να µην προκαλείται σοβαρό πρόβληµα στο εργοστάσιο (στρατηγική fail safe). Το περιβάλλον που επικρατεί µέσα σ ένα εργοστάσιο επεξεργασίας αποβλήτων είναι αρκετά δυσµενές και διαβρωτικό για τον εξοπλισµό του εργοστασίου. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες πρέπει να λαµβάνονται υπόψη, όταν εγκαθίσταται εξοπλισµός ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η αλληλοεπικάλυψη διαδικασιών ασφαλείας και η στρατηγική fail safe είναι πολύ σηµαντικές. Ένα εργοστάσιο επεξεργασίας υγρών αποβλήτων δεν µπορεί να τεθεί ολόκληρο εκτός λειτουργίας για επισκευές. 3.2 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 εργοστασίου: Η αυξηµένη ευελιξία ενός εργοστασίου σηµαίνει ότι αυτό το εργοστάσιο µπορεί να ανταποκριθεί σε µια ευρύτερη κλίµακα απαιτήσεων 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 χρησι- µοποίησής τους, καλύτερη εκµετάλλευση της ενέργειας, χαµηλότερα κόστη συντήρησης, χαµηλότερο κόστος χειρονακτικής εργασίας, βελτίωση της ασφάλειας στο εργοστάσιο, βελτιωµένη και σταθερή (παρά τις διακυµάνσεις στην είσοδο) ποιότητα προϊόντος, βελτιω- µένη διαχείριση του εργοστασίου, ώστε η λειτουργία του να µειώνει το κόστος. 3.3 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 16

17 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, πρέπει 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 3.1, 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;. Σχ. 3.1 Χρονικά µεταβαλλόµενες είσοδοι και έξοδοι για ελεγχόµενες και µη διεργασίες (πηγή John F. Andrews, 1992) 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; 17

18 3.4 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 προδιαγραφές 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 περιβάλλοντος 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 οποίων 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. 18

19 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 που 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 φαίνεται και στο παρακάτω σχήµα 3.2. 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 3.2). 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 εµφάνισή τους µετά τη δεξαµενή καθίζησης. Έτσι, αντί να αυξήσουµε τον όγκο της δεξαµενής καθίζησης, µειώνουµε τον όγκο της δεξαµενής αερισµού. Σχ. 3.2 ιεργασία ενεργού ιλύος µε πολλαπλά σηµεία τροφοδοσίας στη δεξαµενή αερισµού (πηγή John F. Andrews, 1992) 19

20 3.5 υναµικά µοντέλα ιάφοροι 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 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. 3.6 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, χρησιµο- 20

21 ποιώντας τόσο το µοντέλο της διεργασίας όσο και το µοντέλο του κατευθυντή, το ποσό του ελέγχου που πρέπει να εφαρµοστεί για να εξαφανιστεί το σφάλµα (έλεγχος Feedforward). 21

22 4. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ 4.1 Μοντελοποίηση πρωτοβάθµιας επεξεργασίας Η πρωτοβάθµια επεξεργασία για τα απόβλητα συνήθως συνδυάζει κόσκινα και εξαµµωτές που έχουν τη µορφή µακριών καναλιών για την αποµάκρυνση των ογκωδών αντικειµένων και της άµµου αντίστοιχα. Αυτές οι δύο διεργασίες ακολουθούνται από µια πρωτοβάθµια καθίζηση που σαν στόχο της έχει να αποµακρύνει µέρος των αιωρούµενων στερεών και του εισερχόµενου BOD. Ένα σχεδιάγραµµα της πρωτοβάθµιας επεξεργασίας φαίνεται παρακάτω. Σχ. 4.1 Πρωτοβάθµια επεξεργασία αποβλήτων (πηγή Reza Katebi, 1999). Ενώ η ηµερήσια και η εποχιακή διακύµανση των εισερχόµενων αποβλήτων δεν µπορούν να ελεγχθούν, η πρωτοβάθµια επεξεργασία συχνά χρησιµοποιείται για να επιτευχθεί ο συνολικός έλεγχος της εγκατάστασης. Η αποθήκευση στην πρωτοβάθµια δεξαµενή καθίζησης µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να εξοµαλύνει την ωριαία ή ακόµα και την ηµερήσια διακύµανση της εισόδου. Η πρωτοβάθµια καθίζηση επίσης συντελεί στην εξοµάλυνση στη σύσταση των εισερχό- µενων αποβλήτων η οποία όπως και η παροχή µεταβάλλεται µε το χρόνο. Αυτή η εξοµάλυνση προσφέρει προστασία από τοξικές ουσίες που µπορεί να εµφανιστούν για µικρά χρονικά διαστήµατα στα απόβλητα αραιώνοντάς τοις και γενικά προσφέρει προστασία στη λειτουργία της δευτεροβάθµιας επεξεργασίας. Ένα ποσοστό του εισερχόµενου BOD µπορεί να αποµακρυνθεί από την πρωτοβάθµια καθίζηση διευκολύνοντας τη δευτεροβάθµια επεξεργασία. 22

23 Η βιβλιογραφία έχει να επιδείξει λίγα δυναµικά µοντέλα για την πρωτοβάθµια επεξεργασία. Κυρίως συναντώνται µοντέλα σταθερής κατάστασης και εµπειρικά µοντέλα. Ύστερα από απλοποίηση, το µοντέλο καταλήγει να είναι µια αφαίρεση του πρωτοβάθµιου ρεύµατος λάσπης από το ρεύµα εισόδου, όπως φαίνεται από το παρακάτω γραµµικό διάγραµµα (Reza Katebi, 1999). Σχ. 4.2 Μοντέλο της πρωτοβάθµιας επεξεργασίας (πηγή Reza Katebi, 1999). 4.2 Μοντελοποίηση της διεργασίας ενεργού ιλύος Κύρια µέρη της διεργασίας ενεργού ιλύος Τα κύρια µέρη της διεργασίας ενεργού ιλύος όπως φαίνεται στο σχήµα 4.3 είναι: Σχ.4.3 Η διεργασία της ενεργού ιλύος (πηγή Reza Katebi, 1999). εξαµενή αερισµού: Είναι ένας βιολογικός αντιδραστήρας που περιέχει µικτό υγρό. Αυτό είναι ένα µίγµα υγρού και αιωρούµενων στερεών. Το οργανικό περιεχόµενο του µικτού υγρού που ονοµάζεται πτητικά αιωρούµενα στερεά (MLSS) αποτελείται από έναν 23

24 πληθυσµό µικροοργανισµών που σχηµατίζεται, δεδοµένου ότι υπάρχει το απαιτούµενο διαλυµένο οξυγόνο στο µικτό υγρό. Έτσι, ο µηχανισµός µείωσης των αιωρούµενων στερεών εξαρτάται από το µίγµα των µικροοργανισµών, το διαλυµένο οξυγόνο και το οργανικό υπόστρωµα (τροφή των µικροοργανισµών). Για να διασφαλίσουµε την επάρκεια οξυγόνου, το επίπεδο του διαλυµένου οξυγόνου ελέγχεται µε τη βοήθεια µεθόδων αερισµού. εξαµενή δευτεροβάθµιας καθίζησης: Το δεύτερο µέρος της διαδικασίας ενεργού ιλύος αποτελείται από τη δεξαµενή δευτεροβάθµιας καθίζησης. Εδώ γίνεται ο διαχωρισµός του καθαρού προϊόντος και της ιλύος. Η αποµάκρυνση του καθαρού προϊόντος είναι συνεχής. Επίσης σε συνεχή λειτουργία βρίσκεται και η αποµάκρυνση της λάσπης από τη δεξαµενή καθίζησης. Η αποµάκρυνση της ιλύος από τη δεξαµενή καθίζησης ακολουθεί δύο δρόµους: Ένα µέρος της ιλύος αποµακρύνεται για διάθεση και το υπόλοιπο διοχετεύεται πίσω στη δεξαµενή αερισµού. Η ανακυκλοφορία της ιλύος έχει ως στόχο τη διατήρηση του πληθυσµού των µικροοργανισµών στη δεξαµενή αερισµού σε ένα υψηλό επίπεδο. Η ανάπτυξη του µοντέλου προχωρά µε τη γραφή των εξισώσεων που περιγράφουν το κάθε τµήµα ξεχωριστά Μοντελοποίηση δεξαµενής αερισµού Το µοντέλο της δεξαµενής αερισµού αποτελείται από ισοζύγια µάζας για το υπόστρωµα, τους µ/ο και το οξυγόνο (Reza Katebi, 1999): Τα µεγέθη που χρησιµοποιούνται στην ανάπτυξη του µοντέλου είναι: Χν(t): Η συγκέντρωση του πληθυσµού των ζωντανών κυττάρων σε mg/l, S(t): Το υπόστρωµα ή αλλιώς το διαλυτό BOD σε mg/l, DO(t): Η συγκέντρωση του διαλυµένου οξυγόνου σε mg/l, V: Ο όγκος της δεξαµενής αερισµού, Qin(t): Η παροχή εισόδου, Qout(t): Η παροχή εξόδου, ενώ το σχήµα της δεξαµενής αερισµού µε τις µεταβλητές της φαίνεται παρακάτω: 24

25 Σχ. 4.4 Μοντέλο της δεξαµενής αερισµού (όπου F είναι το Q) (πηγή Reza Katebi, 1999). Συµπεριφορά ανάπτυξης της βιοµάζας Η συµπεριφορά ανάπτυξης της βιοµάζας καθορίζεται από τον νόµο των Michaelis- Menten. Το υπόβαθρο αυτού του νόµου έρχεται από τις µελέτες που έχουν γίνει στην κινητική των αντιδράσεων που συµβαίνουν µε την παρουσία ενζύµων. Αυτή είναι µια κατάσταση όπου ένα ένζυµο Ε και ένα υπόστρωµα S συνδυάζονται για να σχηµατίσουν ένα σύµπλοκο ES. Το σύµπλοκο στη συνέχεια διασπάται πάλι σε ένα ελεύθερο ένζυµο και ένα προϊόν: K1 S + E ES K 2 ES P + E Η κινητική αυτής της αντίδρασης περιγράφεται από µια εξίσωση που µας δίνει την ταχύτητα µε την οποία συµβαίνουν οι αντιδράσεις: V max S( t) µ ( t) = (4.1) Ks + S( t) Η ανωτέρω σχέση ονοµάζεται κινητική εξίσωση των Michaelis- Menten, όπου η Vmax είναι η µέγιστη ή περιοριστική ταχύτητα και το Ks είναι η σταθερά του Michaelis (Bailey και Ollis, 1986). Τα παραπάνω αναπτύχθηκαν την περίοδο Ο νόµος ανάπτυξης του Monod: Το 1940 ο Monod ερεύνησε τους ειδικούς ρυθµούς ανάπτυξης ενός είδους µικροοργανισµού σε συνάρτηση µε τη συγκέντρωσή του υποστρώµατος S(t). Για να ερµηνεύσει την παρατηρούµενη συµπεριφορά, ο Monod 25

26 εφάρµοσε τον παρακάτω νόµο ανάπτυξης που έχει την ίδια µορφή µε την κινητική Michaelis- Menten: max S( t) u = µ (4.2) Ks + S( t) Όπου µmax είναι ο µέγιστος ρυθµός ανάπτυξης και Ks είναι η τιµή της συγκέντρωσης για την οποία η ταχύτητα ανάπτυξης u είναι ίση µε µmax/2. Ο νόµος ανάπτυξης της βιοµάζας των αποβλήτων: Το µεγαλύτερο µέρος της βιβλιογραφίας από το 1980 φαίνεται να χρησιµοποιεί έναν διπλού τύπου νόµο ανάπτυξης. Αυτός συνδυάζει έναν όρο που περιλαµβάνει το υπόστρωµα και ένα δεύτερο που περιλαµβάνει το διαλυµένο οξυγόνο: S( t) DO( t) µ ( t ) = µm (4.3) Ks + S( t) Ko + DO( t) Όπου η µm είναι η µέγιστη ειδική ταχύτητα ανάπτυξης σε (1/hours), Ks είναι η σταθερά για την οποία µιλήσαµε προηγουµένως σε (mg/l), Ko είναι η αντίστοιχη σταθερά για το οξυγόνο (mg/l), ενώ τέλος η µ(t) είναι ο πραγµατικός ρυθµός ανάπτυξης του πληθυσµού των µικροοργανισµών σε 1/hours που είναι µικρότερος του µέγιστου ρυθµού ανάπτυξης µm ή το πολύ ίσος µε αυτόν. Σχέσεις µετατροπής του υποστρώµατος σε βιοµάζα Ο συντελεστής µετατροπής του υποστρώµατος σε βιοµάζα δίνεται από τον τύπο (Bailey και Ollis, 1986): µ άζα κυττάρων που σχηµατίζονται ( Χ) Yx = (4.4) µ άζα υποστρώµατος που καταναλώνεται ( S) Χρησιµοποιώντας τις συγκεντρώσεις µπορούµε να γράψουµε: Yx S & used ( t) = µ ( t) Xν ( t) (4.5) Όπου: Υχ: ο συντελεστής µετατροπής υποστρώµατος σε βιοµάζα (αδιάστατο & S used µέγεθος) (t) : ο ρυθµός κατανάλωσης του υποστρώµατος (mg/l*h) µ(t): ο ρυθµός ανάπτυξης της βιοµάζας (h-1) Xν(τ): η παρούσα συγκέντρωση βιοµάζας (mg/l) 26

27 Έτσι ο ρυθµός µετατροπής του υποστρώµατος σε βιοµάζα δίνεται από τον τύπο: t X t S& µ ( ) ν ( ) used ( t) = (4.6) Yx Ισοζύγιο µάζας για το υπόστρωµα (BOD) Για τη δεξαµενή αερισµού ισχύει ότι: Qout=Qin=Q. H εξίσωση που προκύπτει για το υπόστρωµα είναι η εξής: Ρυθµός µεταβολής της Εισερχόµενη µάζα Εξερχόµενη µάζα Απώλεια µάζας υποστρώµατος µάζας του υποστρώµατος = υποστρώµατος - υποστρώµατος - λόγω µετατροπής του σε βιοµάζα ή διαφορετικά: d dt d dt µ ( t) Xν ( t) Yx [ S( t) V ] = V S( t) = Q( t) Sin( t) Q( t) Sout( t) V ιαιρώντας την παραπάνω σχέση µε τον όγκο V παίρνουµε: (4.7) ds Q( t) µ ( t) Xν ( t) = [ Sin( t) Sout( t) ] (4.8) dt V Yx Ισοζύγιο µάζας ζωντανής βιοµάζας Η εξίσωση που ισχύει για τη ζωντανή βιοµάζα έχει ως εξής: Ρυθµός µεταβολής Εισερχόµενη Εξερχόµενη Ανάπτυξη Θάνατος της ζωντανής βιοµάζας = βιοµάζα - βιοµάζα + βιοµάζας - βιοµάζας Έτσι: d dt dx ( t) ( µ (4.9) dt in [ X t) V ] = V = Q X ( t) Q X ( t) + ( t) X ( t) V Kd X ( t) V όπου το Kd είναι ο ρυθµός θανάτου της βιοµάζας. Ισοζύγιο µάζας διαλυµένου οξυγόνου Το ισοζύγιο µάζας του οξυγόνου συχνά παραλείπεται σε πολλά από τα µοντέλα στη βιβλιογραφία. Το διαλυµένο οξυγόνο µπορεί να ληφθεί υπ όψη µε δύο τρόπους, όπως φαίνεται παρακάτω: 27

28 Παράληψη της ισορροπίας του οξυγόνου Πολλά από τα µοντέλα που έχουν αναπτυχθεί χρησιµοποιούν την υπόθεση ότι η αναγκαία ποσότητα του διαλυµένου οξυγόνου είναι πάντα διαθέσιµη. Αυτό σηµαίνει ότι η δυναµική συµπεριφορά του συστήµατος ελέγχου του διαλυµένου οξυγόνου είναι ασήµαντη σε σχέση µε τη δυναµική συµπεριφορά της βιοµάζας. Ο Olsson (1992) απέδειξε ότι, ενώ η δυναµική συµπεριφορά της βιοµάζας µετράται σε ηµερήσιες µεταβολές, η δυναµική συµπεριφορά του διαλυµένου οξυγόνου µετράται σε χρονικά διαστήµατα των 15 µε 30 λεπτών. Έτσι η ανάπτυξη των µικροοργανισµών δε µπορεί να ελεγχθεί σε ωριαίο επίπεδο και άρα δεν µπορεί να ελεγχθεί µέσω του διαλυµένου οξυγόνου. Για το λόγο αυτό ο ρυθµός ανάπτυξης των µικροοργανισµών δίνεται από τον παρακάτω τροποποιηµένο τύπο: S( t) µ ( t) = µ M µ Ο (4.10) Ks + S( t) DO( setpoint) όπου ο νέος όρος µο δίνεται από τον τύπο: µ 0 = Ko + DO( setpoint) Το DO(set point) είναι η δεδοµένη τιµή του διαλυµένου οξυγόνου. Ενσωµατώνοντας ένα ισοζύγιο οξυγόνου στο µοντέλο Το ισοζύγιο µάζας του διαλυµένου οξυγόνου έχει ως εξής: Ρυθµός µεταβολής Εισερχόµενο Εξερχόµενο Απώλεια DO λόγω DO που παρέχεται Του DO = DO - DO - κατανάλωσής του + από τον αερισµό από τη βιοµάζα Έτσι: d dt [ V DO ( t) ] = V d dt DO ( t) = = Q ( t) DOin ( t) Q ( t) DO ( t) K DO µ ( τ ) Χ ( t) V Υ + DOa ( t) V (4.11) ιαιρώντας µε τον όγκο V παίρνουµε: ddo( t) dt = Q( t) µ ( t) X ( t) Y [ DOin( t) DO( t) ] K DOa( t) DO + (4.12) 28

29 Όπου: DOin(t): είναι το εισερχόµενο διαλυµένο οξυγόνο µε τα απόβλητα, K DO : ο συντελεστής του ρυθµού µε τον οποίο το υπόστρωµα χρησιµοποιεί το οξυγόνο, DOa(t): το διαλυµένο οξυγόνο που παρέχεται από το σύστηµα αερισµού Μοντέλο δεξαµενής δευτεροβάθµιας καθίζησης Για τη µοντελοποίηση της δεξαµενής δευτεροβάθµιας καθίζησης κάνουµε δύο απλοποιήσεις: i. Θεωρούµε ότι στη δεξαµενή καθίζησης δεν υπάρχει καµιά βιολογική δραστηριότητα. ii. Η δεξαµενή καθίζησης θεωρείται ότι βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας και ότι δεν παρουσιάζει δυναµική συµπεριφορά. Στο σχήµα 4.5 φαίνεται ένα σχέδιο της δεξαµενής καθίζησης µε τα µεγέθη που τη χαρακτηρίζουν.. Σχ. 4.5 Μοντέλο της δεξαµενής δευτεροβάθµιας καθίζησης. Όπου F είναι η παροχή Q (πηγή Reza Katebi, 1999). Εξισώσεις συγκεντρώσεων Στην είσοδο της δευτεροβάθµιας δεξαµενής καθίζησης έχουµε τα παρακάτω µεγέθη: Παροχή εισόδου: Qin ή Q Συγκέντρωση πτητικών αιωρούµενων στερεών (µικροοργανισµών): Χ Τ Στην έξοδο της δεξαµενής καθίζησης έχουµε: Παροχή εξόδου: Qout 29

30 Συγκέντρωση πτητικών αιωρούµενων στερεών στην έξοδο: Χ Ε µε Χ Ε = ε1*χ Τ µε 0<ε1<1 Στο σηµείο εξόδου της ιλύος έχουµε: Παροχή εξόδου ιλύος: Q SL Συγκέντρωση πτητικών αιωρούµενων στερεών στην έξοδο της ιλύος: Χ SL όπου Χ SL = ε2* Χ Τ µε ε2>1 Εξισώσεις ισορροπίας Υπάρχουν δύο εξισώσεις ισορροπίας: Εξίσωση ισορροπίας για τις ροές: Qin = Qout + Q SL Εξίσωση ισορροπίας για τη µάζα των πτητικών αιωρούµενων στερεών: Qin* Χ Τ = Qout* Χ Ε + Q SL* Χ SL ή διαφορετικά Qin = ε1*qout + ε2* Q SL. 4.3 Χρησιµότητα των µοντέλων Όπως είδαµε παραπάνω, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα σύστηµα εξισώσεων για να περιγράψει το κάθε υποσύστηµα της συνολικής διεργασίας ξεχωριστά. Αυτό µας επιτρέπει να διεξάγουµε τόσο µελέτες στα επιµέρους υποσυστήµατα όσο και µελέτες για όλη τη διεργασία. Η ένωση όλων των υποσυστηµάτων µας επιτρέπει να µελετήσουµε τη συµπεριφορά της συνολικής επεξεργασίας Μελέτη των υποσυστηµάτων Η µοντελοποίηση ενός υποσυστήµατος έχει δύο βασικούς στόχους: α)τη βελτίωση του µοντέλου, ώστε να παρέχει µια καλύτερη προσέγγιση του πραγµατικού υποσυστήµατος και β) τον έλεγχο της συµπεριφοράς του µοντέλου ως προς το πραγµατικό υποσύστηµα και διόρθωση των τιµών των παραµέτρων του µοντέλου. Για παράδειγµα, οι εξισώσεις που αναφέραµε για την ανάπτυξη των µικροοργανισµών αφορούν σε ένα και µόνο είδος µικροοργανισµού. Εποµένως, µια βελτίωση του µοντέλου θα ήταν αυτό να επεκταθεί µε την προσθήκη νέων εξισώσεων και να περιγράφει την ανάπτυξη ενός σύνθετου πληθυσµού µικροοργανισµών που αποτελείται από πολλά είδη µε διαφορετικούς ρυθµούς ανάπτυξης πλησιάζοντας έτσι περισσότερο στην πραγµατικότητα. Επίσης, ένα µοντέλο περιλαµβάνει παραµέτρους, όπως ο συντελεστής µετατροπής του υποστρώµατος σε βιοµάζα Υ και ο ρυθµός θανάτου των µικροοργανισµών Κ d, για τις τιµές των οποίων δεν είµαστε σίγουροι. Αντιπαραβάλλοντας τα αποτελέσµατα του µοντέλου µε 30

31 αυτά του πραγµατικού υποσυστήµατος, µπορούµε να προσαρµόσουµε τις τιµές αυτών των παραµέτρων, έτσι ώστε να ανταποκρίνονται περισσότερο στην πραγµατικότητα Μελέτη της συνολικής διεργασίας Η δηµιουργία µιας βιβλιοθήκης µοντέλων υποσυστηµάτων µε επιβεβαιωµένες τιµές για τους χρησιµοποιούµενους συντελεστές επιτρέπει τη δηµιουργία αξιόπιστων µοντέλων των συνολικών διεργασιών και επιτρέπει να εξεταστεί η συµπεριφορά των διεργασιών αυτών. Μια αξιοσηµείωτη παρατήρηση είναι ότι, ενώ οι βελτιώσεις πάνω στον έλεγχο των µοντέλων των υποσυστηµάτων είναι εύκολα αντιληπτές, η βελτίωση του ελέγχου των συνολικών διεργασιών µπορεί να γίνει µόνο µέσω προσοµοίωσης και αλλεπάλληλων δοκιµών (µέθοδος δοκιµής - σφάλµατος) στο µοντέλο της διεργασίας. Εδώ φαίνεται και πόσο σηµαντική είναι η δηµιουργία µοντέλων, αφού επιτρέπει να γίνουν οι δοκιµές αυτές µε πολύ γρήγορο και φθηνό τρόπο, καθώς οι πειραµατικές δοκιµές σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αποβλήτων είναι ιδιαίτερα δαπανηρές και χρονοβόρες. Η εφαρµογή µεθόδων βέλτιστου ελέγχου γίνεται µε δοκιµή αυτών των µεθόδων πάνω στο µοντέλο της συνολικής διεργασίας και αφού γίνουν οι απαραίτητες ρυθµίσεις, τότε εφαρµόζεται το σύστηµα ελέγχου στην πραγµατική διεργασία. 31

32 5. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ 5.1 Έλεγχος διεργασιών και µοντελοποίηση Η βελτίωση του ελέγχου των διεργασιών, καθώς και των τεχνικών προσοµοίωσης, οδήγησε σε ένα πιο ολοκληρωµένο σχεδιασµό συστηµάτων ελέγχου. Ο σχεδιασµός των συστηµάτων µε πολλές βαθµίδες ελέγχου αυξανόµενης ιεραρχίας δείχνει ποιες είναι οι νέες τάσεις στο σχεδιασµό ελέγχου. Η ιεραρχική δοµή που επικρατεί σήµερα οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες: Τεχνολογία: Η λειτουργία των σύγχρονων εργοστασίων στηρίζεται ή σε ένα διανεµηµένο σύστηµα ελέγχου (DS, Distributed ontrol System) ή σε ένα σύστηµα εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδοµένων (SADA, Supervisory ontrol and Data Aqcuisition). Αυτά τα συστήµατα είναι ιεραρχικής δοµής και έχουν αυξανόµενη υπολογιστική ισχύ και πολυπλοκότητα λογισµικού, όσο ανεβαίνουµε την ιεραρχία (Σχ. 5.1). Σχ. 5.1 Σύστηµα SADA (πηγή Reza Katebi, 1999). 32

33 Πληροφορία: Ο έλεγχος χαµηλού επιπέδου ενεργεί σε χρονικά διαστήµατα λίγων msec, ενώ ο έλεγχος υψηλού επιπέδου απαιτεί πληροφορίες για τη συνολική λειτουργία του εργοστασίου. Έτσι υπάρχει ιεραρχία και στις πληροφορίες, αφού η ποιότητα των δεδοµένων αυξάνει, ενώ η ποσότητά τους µειώνεται, καθώς ανεβαίνουµε την ιεραρχία του ελέγχου από τον απλό κατευθυντή που ρυθµίζει την παροχή σε ένα αγωγό µέχρι το δωµάτιο ελέγχου του εργοστασίου. Στον πίνακα 5.1 φαίνεται η ταχύτητα µε την οποία παίρνονται οι αποφάσεις από την κάθε µια βαθµίδα του συστήµατος ελέγχου. Πίνακας 5.1 Ταχύτητες ανανέωσης και επεξεργασίας δεδοµένων (πηγή Reza Katebi, 1999). Έλεγχος διεργασιών και δράσεις: Τις προηγούµενες δεκαετίες δόθηκε µεγάλη προσοχή στο σχεδιασµό κατευθυντών, αλλά τα τελευταία χρόνια δίνεται έµφαση στη βελτίωση του συνολικού ελέγχου µιας διεργασίας. Στο σχ. 5.2 φαίνεται η γενική ιεραρχία ενός τέτοιου συστήµατος ελέγχου. Καθορίζοντας προσεκτικά την επιθυµητή συµπεριφορά ενός συστήµατος ελέγχου από το χαµηλότερο στο υψηλότερο επίπεδο της ιεραρχίας, µπορούµε να επιτύχουµε βελτίωση στον έλεγχο της συνολικής διεργασίας. 33

34 Στο δρόµο για την επίτευξη του βέλτιστου συνολικού ελέγχου αποκτά µεγάλη σηµασία η µοντελοποίηση των διεργασιών. Σήµερα υπάρχουν προγράµµατα όπως τα MATRIX, EASY5 και MATLAB τα οποία περιέχουν βιβλιοθήκες εξισώσεων που µπορούν να επιλεγούν µε τη µορφή εικονιδίων και να ενωθούν για να σχηµατίσουν το µοντέλο κάποιας διεργασίας. Έτσι πάνω σε ένα τέτοιο µοντέλο δοκιµάζουµε και προσαρµόζουµε το σύστηµα ελέγχου µε τη µέθοδο της δοκιµής σφάλµατος, επειδή σε αντίθεση µε τη ρύθµιση των κατευθυντών δεν υπάρχει µεθοδολογία για τη ρύθµιση των συστηµάτων ελέγχου πολύπλοκων διεργασιών πέρα από τη δοκιµή και την εµπειρία του σχεδιαστή τέτοιων συστηµάτων. Σχ. 5.2 Ιεραρχία βιοµηχανικών διεργασιών (πηγή Reza Katebi, 1999). 5.2 Μοντελοποίηση φυσικών αρχών Από τη µοντελοποίηση της διεργασίας επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων και τις εξισώσεις που προαναφέρθηκαν προέκυψαν τρεις κατηγορίες µεταβλητών: Μεταβλητές κατάστασης: Οι µεταβλητές κατάστασης σε ένα µοντέλο περιγράφουν τα φυσικά φαινόµενα της διεργασίας. Οι µετασχηµατισµοί και οι αλλαγές που συµβαίνουν στις µεταβλητές κατάστασης δίνονται συνήθως από εξισώσεις διατήρησης που υπο- 34