Νευρωνικά ίκτυα στον Αυτόµατο Έλεγχο Μονάδων Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων

Νευρωνικά ίκτυα στον Αυτόµατο Έλεγχο Μονάδων Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων Βασίλειος Γ. Σιορίκης ` Μυτιλήνη 2008

Στους γονείς µου Γιώργο και Χαρά και στην αδελφή µου Ελένη για τη βοήθεια και την υποστήριξη που µου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια 1 95

Περιεχόµενα Ευχαριστίες... 4 Εισαγωγή.... 5 1. Επεξεργασία Υγρών Αποβλήτων... 7 1.1 Κυριότερα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων... 8 1.2 Πρωτοβάθµια επεξεργασία 9 1.3 ευτεροβάθµια επεξεργασία 9 1.4 Τριτοβάθµια επεξεργασία.. 11 1.5 Τι χρησιµοποιείται σήµερα... 12 2. Αυτόµατος Έλεγχος Μ.Ε.Υ.Α.. 15 2.1 Εισαγωγή στον Αυτοµατισµό.. 16 2.2 Ανάγκη Αυτόµατου Ελέγχου. 16 2.3 Ο αυτοµατισµός στις ΜΕΥΑ.. 22 2.4 Το SCADA. 28 3. Τεχνητά Νευρωνικά ίκτυα. 36 3.1 Εισαγωγή. 37 3.2 Μοντέλα Παράλληλης Κατανεµηµένης 38 2 95

Επεξεργασίας. 3.3 Ορισµοί. 40 3.4 Κατηγορίες ΤΝ.. 41 3.5 Ιστορική Αναδροµή.. 41 3.6 Ένα γενικό πλαίσιο για Τεχνητά Νευρωνικά ίκτυα. 42 3.7 Μορφές µάθησης των Τεχνητών Νευρωνικών ικτύων.. 46 3.8 Μοντέλα και Αλγόριθµοι µάθησης ΤΝ.. 48 3.8.1 Το Hopfield µοντέλο.. 48 3.8.2 Το Kohonen µοντέλο... 51 3.8.3 Το ΑRΤ1 µοντέλο.. 54 3.8.4 Το Perceptron µοντέλο... 56 3.9. Πολυεπίπεδα Perceptrons (Back propagation, BP) 58 3.9.1 Εκπαίδευση του ΒΡ... 60 3.10 Ικανότητα γενίκευσης... 61 3.11 Έλεγχος απόδοσης των ΤΝ 61 3.12 Εφαρµογές των Νευρωνικών ικτύων 61 4. Εφαρµογή Ν.Ν. 63 4.1 Οργάνωση της ΜΕΥΑ.. 64 4.2 Οι µετρήσεις.. 64 3 95

4.3 Οι αισθητήρες.. 65 4.4 Η βάση δεδοµένων.. 66 4.5 Το νευρωνικό ίκτυο.. 66 4.6 Εφαρµογή 67 5. Συµπεράσµατα.. 73 6. Παράρτηµα.. 77 7. Βιβλιογραφία. 79 4 95

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον κ. Παναγιώτη Παρασκευά για την ανάθεση του θέµατος, τις οδηγίες του και γενικά τη βοήθεια και την κατανόηση που επέδειξε στα προβλήµατα που παρουσιάστηκαν κατά την εκπόνηση αυτής της διπλωµατικής. Τους φίλους µου Φραγκούλη Α., Ανδρέα Γ. και Κωνσταντίνο Ζ. για την ψυχολογική και όχι µόνο στήριξη για όλο αυτό το χρόνο. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την Παναγιώτα Π. για τις συµβουλές της και γιατί ήταν πάντα δίπλα µου. 5 95

Εισαγωγή Από τις αρχές τις δεκαετίας του 1970, η Ευρώπη ανέλαβε σταθερή δέσµευση όσον αφορά το περιβάλλον: η προστασία της ποιότητας του ατµοσφαιρικού αέρα, των υδάτων, η διατήρηση των φυσικών πόρων και της βιοποικιλότητας, η διαχείριση των αποβλήτων και των δραστηριοτήτων που έχουν δυσµενείς επιπτώσεις συγκαταλέγονται µεταξύ των πεδίων της ευρωπαϊκής δράσης, τόσο σε επίπεδο κρατών µελών όσο και στο διεθνή χώρο. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη προστασία και διατήρηση των υδάτινων πόρων. Οι θάλασσες και οι ωκεανοί καλύπτουν το 70% της επιφάνειας της γης και παράγουν περίπου τα τρία τέταρτα του οξυγόνου που εισπνέουµε. Ο άνθρωπος όµως µπορεί να χρησιµοποιήσει µόνο το 1% του νερού, ενώ πολλές από τις δραστηριότητές του ασκούν σηµαντική πίεση στο φυσικό αυτό πόρο. Το νερό που έχει ρυπανθεί ανεξάρτητα από την πηγή της ρύπανσής του, επιστρέφει µε κάποιον τρόπο στη φύση κυρίως στη θάλασσα και στους υδροφόρους ορίζοντες και, εποµένως, µπορεί να προκαλέσει βλάβες στην υγεία του ανθρώπου και το περιβάλλον. Αµέσως γίνεται αντιληπτή η ανάγκη για την προστασία αυτού του πολύτιµου φυσικού πόρου. Η βιολογική επεξεργασία των αποβλήτων δίνει τη δυνατότητα και της διατήρησης αλλά και της µη περαιτέρω µόλυνσης. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρουµε τα κύρια στάδια επεξεργασίας που ακολουθούνται ή τουλάχιστον πρέπει να ακολουθούνται, σε µια τυπική σύγχρονη Μονάδα Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων. Η βιολογική επεξεργασία είναι λοιπόν µια µέθοδος επιβεβληµένη, αλλά ταυτόχρονα και πολύπλοκη. ειγµατοληψίες, καταγραφή δεδοµένων και επεξεργασία αυτών, εξαγωγή αποτελεσµάτων, άµεση επέµβαση σε περίπτωση αστοχίας, βασικές δηλαδή ενέργειες, που θα εξασφάλιζαν την ασφαλή λειτουργία µιας ΜΕΥΑ, θα ήταν αδύνατον να ελεγχθούν µόνο από ανθρώπινο δυναµικό. Ή τουλάχιστον θα ήταν αδύνατον να γίνει, χωρίς ταυτόχρονη αύξηση του λειτουργικού κόστους της µονάδας. Εδώ και αρκετά χρόνια στην κατεύθυνση επίλυσης του προβλήµατος αυτού έχει κινηθεί η επιστήµη των Η/Υ µε τη βοήθεια του αυτοµατισµού. Αυτή ακριβώς την ανάγκη για αυτόµατο έλεγχο, πραγµατεύεται το δεύτερο κεφάλαιο. Μετά από µια εισαγωγή στην έννοια του αυτοµατισµού, αναφέρουµε τις µεθόδους που χρησιµοποιούνται 6 95

σήµερα για τον έλεγχο µιας ΜΕΥΑ. Μέθοδοι οι οποίοι όµως δεν στερούνται την ανθρώπινη παρέµβαση. Η περιβαλλοντική λοιπόν επιδείνωση, η εξέλιξη της τεχνολογίας και η κρίση της οικονοµίας, επιτάσσουν µεθόδους που θα µας δίνουν πιο ακριβή, πιο γρήγορα αλλά και πιο οικονοµικά αποτελέσµατα. Έτσι φτάνουµε στα Νευρωνικά ίκτυα. Εµπνέονται βιολογικά και µιµούνται τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Αποτελούνται από έναν µεγάλο αριθµό απλών στοιχείων επεξεργασίας που καλούνται νευρώνες. Τα νευρωνικά δίκτυα, µε την αξιοπρόσεκτη δυνατότητά τους να βγάζουν αποτέλεσµα από περίπλοκα ή ανακριβή στοιχεία, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να εξαγάγουν σχέδια και να ανιχνεύσουν τάσεις που είναι πάρα πολύ σύνθετες και είναι δύσκολο αν όχι αδύνατο να παρατηρηθούν από ανθρώπινες είτε από υπολογιστικές µεθόδους. Αντιπροσωπεύουν την ελπιδοφόρο νέα γενεά των συστηµάτων επεξεργασίας πληροφοριών. Στο τρίτο λοιπόν κεφάλαιο κάνουµε µια εισαγωγή στα Τεχνητά Νευρωνικά ίκτυα (ΤΝ ), καταγράφοντας την πορεία ανάπτυξής τους, τα κυριότερα µοντέλα από ιστορικής και χρηστικής άποψης καθώς και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύουµε τον τρόπο που πρέπει να οργανωθεί µια ΜΕΥΑ, το πώς και µε ποια µέσα θα γίνουν οι µετρήσεις και τι νευρωνικό δίκτυο θα χρησιµοποιηθεί. Επίσης παραθέτουµε τα αποτελέσµατα δυο παρόµοιων ερευνών που έχουν γίνει. Στο σηµείο αυτό πρέπει να αναφέρουµε ότι το τέταρτο κεφάλαιο αποτελεί θέµα περαιτέρω έρευνας. Τέλος ακολουθούν κάποια συµπεράσµατα ένα παράρτηµα µε ένα χρήσιµο αρκτικόλεξο και η παράθεση της χρησιµοποιηθείσας βιβλιογραφίας. 7 95

1 Επεξεργασία Υγρών Αποβλήτων 1.1 Κυριότερα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων 1.2 Πρωτοβάθµια επεξεργασία 1.3 ευτεροβάθµια επεξεργασία 1.4 Τριτοβάθµια επεξεργασία 1.5 Τι χρησιµοποιείται σήµερα 8 95

1.1 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 1914. (1) 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 BOD 20 5. 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 (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. 9 95

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 (ΝΗ 4 -Ν). Άλλη µια ουσία που περιέχει άζωτο είναι τα νιτρικά (ΝO 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. 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. 1.2 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. (2) 1.3 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: 10 95

Oi 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 25 ο C 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 (CO 2 ), το νερό (Η 2 O), τα νιτρικά, τα θειικά, τα φωσφορικά και καινούρια κύτταρα. 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, θειικά SO 4, και φωσφορικά ΡO 4 ) που υπάρχουν στα απόβλητα. Στα προϊόντα της αναερόβιας διαδικασίας περιλαµβάνονται το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το µεθάνιο (CH 4 ), το φωσφορικό άλας (ΡΗ 3 ), το υδρόθειο (Η 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. 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 οξειδώσει 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, 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 (F/M) µικρότερο από 0.3. Απονίτροττοίηση: Είναι η βιολογική αποµάκρυνση των νιτρικών (ΝΟ 3 ). Αερόβιοι ετερότροφοι οργανισµοί συντελούν σ' αυτή την αποµάκρυνση, 11 95

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 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. 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). 12 95

1.4 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 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 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. 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),(3) 1.5 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 13 95

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 ανακυκλοφορία 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 ΠΚ 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 ( Α). 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 (CO 2 ) και νερό (H 2 O). 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 Κ, όπου η λάσπη καθιζάνει και τα αιωρούµενα στερεά (SS) διαχωρίζονται από το νερό. Μέσω των αντλιών ανακυκλοφορίας ιλύος, µέρος της οδηγείται ξανά στη δεξαµενή 14 95

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 Α. Όλη η υπόλοιπη ιλύς που παράγεται από την προεπεξεργασία, την πρωτοβάθµια και δευτεροβάθµια καθίζηση, 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 36 ο C, 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. Ένα τέτοιο σύστηµα εφαρµόζεται στη ΜΕΥΑ της Ψυττάλειας. 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 BOD 5 (Βιοχηµικά Απαιτούµενου Οξυγόνου) και αµµωνιακών. υνατότητα 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. 15 95

Σχήµα 1: ιεργασίες επεξεργασίας ΥΑ σε µια Μονάδα Επεξεργασία ΥΑ. 16 95

2 Αυτόµατος Έλεγχος Μ.Ε.Υ.Α. 2.1 Εισαγωγή στον Αυτοµατισµό 2.2 Ανάγκη Αυτόµατου Ελέγχου 2.3 Ο αυτοµατισµός στις ΜΕΥΑ 2.4 Το SCADA 17 95

2.1 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 επαφές 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. εν 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 σχέση 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. (5) 2.2 Ανάγκη Αυτόµατου Ελέγχου 18 95

2.2.1 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. (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 ελέγχου. 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 19 95

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. 2.2.2 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 µονάδας: Η αυξηµένη ευελιξία µιας µονάδας σηµαίνει ότι αυτή 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 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. 2.2.3 Αλληλεπιδράσεις σχεδιασµού - λειτουργίας Τα κυριότερα προβλήµατα των µονάδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων σήµερα έχουν αλλάξει: από προβλήµατα του σχεδιασµού 20 95

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 2.1, 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;" Σχήµα 2.1: Χρονικά µεταβαλλόµενες είσοδοι και έξοδοι για ελεγχόµενες και µη διεργασίες (3) 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; 21 95

2.2.4 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 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 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 22 95

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. 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 φαίνεται και στο παρακάτω σχήµα 2.2. 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 2.2. 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 εµφάνιση τους µετά τη δεξαµενή καθίζησης. Έτσι, αντί να αυξήσουµε τον όγκο της δεξαµενής καθίζησης, µειώνουµε τον όγκο της δεξαµενής αερισµού. Σχήµα 2.2: ιεργασία ενεργού ιλύος µε πολλαπλά σηµεία τροφοδοσίας αερισµού (3) 23 95

2.2.5 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. 24 95

2.2.6 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, 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) 2.3 Ο αυτοµατισµός στις ΜΕΥΑ Η λειτουργία των Μονάδων Βιολογικού Καθαρισµού αποτελεί µία απ' τις πλέον δαπανηρές εργασίες στον κύκλο διαχείρισης των υδατικών πόρων από µέρους των ΕΥΑ 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 εδοµένων και 2) Απεικόνιση και Επεξεργασία 2.3.1 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 25 95

επιφανειακούς αποδέκτες, 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 ανάλογα 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). 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 26 95

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 αριθµό αναλυτών και ολοκληρωµένη επεξεργασία των σηµάτων τους µε έλεγχο 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 όπως 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 αποβλήτων 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 2.3.2 Απεικόνιση και επεξεργασία εδοµένων 2.3.2.1 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 27 95

πλέον αυτοµατισµό και στην δυνατότητα εύκολης και γρήγορης αναπροσαρµογής. Το επισφράγισµα 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 αναλογικά 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. Εικόνα 2.3: ιάφορα PLC s από τη Siemens 2.3.2.2 HMI Με τον όρο ΗΜΙ εννοούµε το Human Machine Interface. Αποτελεί κάθε χειριστήριο, οθόνη, πάνελ που µέσω αυτού χειρίζεται ένα 28 95

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 εξοπλισµό, όπως γάντια. Η ανάγκη που δηµιουργήσε 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 απεικόνιση. 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 ελέγχου 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 29 95

απαραίτητο η τοποθέτηση ενός µεσαίου panel στο κτίριο του βιοµηχανικού νερού, λόγω της πολυπλοκότητας και ότι αποτελεί µια ξεχωριστή µονάδα. 2.3.2.3 Μιµικό ιάγραµµα 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 ενδείξεις 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. ΕΗ), τα µιµικά διαγράµµατα είναι πολύπλοκα, πολύ µεγάλα και διαθέτουν και διακόπτες για να επέµβουµε στο κύκλωµα. Στην εικόνα 2.4 οι χειρισµοί γίνονται στο κάτω µέρος της κονσόλας. Εικόνα 2.4: Μιµικό ιάγραµµα Μονάδας Επεξεργασίας βοθρολυµµάτων στη Μεταµόρφωση Αττικής 30 95

Εικόνα 2.5: Μιµικό ιάγραµµα Μονάδας Επεξεργασίας ΥΑΑ στην Ψυτάλλεια Αττικής Σήµερα, σε καινούργιες εγκαταστάσεις, τα µιµικά διαγράµµατα υπάρχουν µονάχα στις οθόνες του υπολογιστή. Για µεγαλύτερες απεικονίσεις, γίνεται προβολή σε τοίχο. 2.3 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- 31 95

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. ηλαδή, να έχει την εποπτεία και τον χειρισµό της εγκατάστασης. 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: ηµιουργία χειρισµού µε γραφικό περιβάλλον, απλό στον χειρισµό 32 95

Έλεγχος καταστάσεως (on-off) οποιασδήποτε συσκευής είναι συνδεδεµένης στο δίκτυο του καθώς και απεικόνιση πληροφοριών για αυτή υνατότητα συναγερµών µε κριτήρια και τιµές που εµείς θέτουµε Ειδοποίηση για βλάβη µε οπτικό, ηχητικό τρόπο, αποστολή e-mail ειδοποίηση ακόµα και µέσω κινητού Σενάρια που εµείς επιλέγουµε να τρέξουν, όταν συµβεί ένα γεγονός Παρακολούθηση και καταγραφή µετρήσεων Παρακολούθηση ωρών λειτουργίας µηχανηµάτων για προγραµµατιζόµενη συντήρηση Εξαγωγή και απεικόνιση µετρήσεων, συναγερµών, βλαβών και χειρισµών υνατότητα 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 έχουµε περάσει στο σύστηµα. ηµιουργία 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. 33 95