Metodik för feldetektering och isolering av givare i biologiska reningsprocesser är ett viktigt komplement för att uppnå goda reningsresultat och ett effektivt resursutnyttjande. En enkel och robust metodik för system med syrereglering presenteras och utvärderas i två fallstudier.
Av: Bengt Andersson
Rening av avloppsvatten påverkas i stor utsträckning av variationer av olika slag med olika amplitud och frekvens. För att uppnå erforderligt resultat och bästa resursutnyttjande utnyttjas sensorer för kontinuerlig mätning av olika variabler integrerade i styr- och reglersystem. Eftersom felvisning av en sensor kan ge oönskade effekter i form av sämre reningsresultat eller sämre resursutnyttjande är användning av någon metodik för feldetektering önskvärd.
Det finns exempel på många olika tillämpningar för feldetektering ofta baserade på en förenklad principalkomponentanalys. Fel i sensorer i reglerkretsar kan vara särskilt svåra att detektera eftersom reglersystemet eftersträvar att signalen från sensorerna skall överensstämma med ett börvärde. Det innebär att signalen i sig själv inte kan utnyttjas för feldetekteringen.
Vid biologisk rening är utnyttjandet av system för syrereglering vanligt förekommande. Oftast är luftningsbassängen indelad i flera zoner med individuell reglering av lufttillförseln i varje zon. Då erfordras ett stort antal givare som innebär en ökad komplexitet och behov av övervakning av sensorfel. Syftet med refererad undersökning var att presentera en metod för feldetektering och isolering av sensorer vid syrereglering i en aktivtslamprocess.
Genomförande
Använd metod för feldetektering bygger på en kontinuerlig jämförelse av kvoten mellan luftflödena till de olika zonerna (ARM, airflow ratio method). Metoden jämfördes med en enklare metod med en enkel övervakning av luftflödena till varje zon (AM, airflow method).
Vid användning av AM konstateras ett fel om luftflödet i en zon överstiger ett maximivärde eller understiger ett minimivärde. Så snart ett fel detekterats kan sensorn i zonen isoleras. Vid ARM konstateras ett fel om kvoten mellan luftflödena i två zoner är större än ett bestämt tröskelvärde. Med tre zoner finns 6 kvoter och med fyra zoner finns 12 kvoter att beakta och ett fel uppstår då någon av dessa kvoter är över tröskelvärdet för respektive zon. Bestämning av tidpunkten för felisolering är annorlunda beroende på om det är en negativ eller positiv bias och en incidentmatris skapas för analysen. Vid utvärderingen bestäms parametrar som index för feldetektering, felisolering och falskalarm samt tidpunkter för då felet inträffade, då felet upptäcktes och då felet isolerades.
Metoderna för feldetektering utvärderades genom två fallstudier, den ena genom Monte Carlo simulering med hjälp av en Benchmark Model (BSM1) och den andra genom försök i fullskala i ett avloppsreningsverk i Stockholm. Modellen BSM1 är uppbyggd av fem zoner, där de två första är anoxiska och de tre sista aeroba med en PI-regulator för syreregleringen i varje zon. Fullskaleanläggningen utgjordes av en luftningsbassäng med tre luftade zoner med reglering av syrehalten i varje zon. Ventilläget användes som övervakningsparameter. Tröskelvärdena för övre och undre gräns vid feldetektering enligt AM samt tröskelvärdena för kvoten mellan luftflödena för de olika zonerna vid feldetektering enligt ARM sattes till 10 % över maximivärdena vid normala driftförhållanden.
Resultat
Studien visade att båda metoderna kunde användas för att upptäcka fel och för att isolera felet. ARM gav generellt ett bättre resultat än AM med en kortare fördröjning av detektering och isolering av felet.
Fallstudie 1 avsåg modellering med BSM1, där en störning av + 1 mg O2/l infördes i den femte zonen (börvärdet var 2 mg O2/l). Baserat på incidentmatrisen begränsades överskridandet av tröskelvärdena för kvoten mellan luftflödet i zon 4 och 5 och mellan flödet i zon 3 och 5. Monte Carlo simuleringarna visade att tidpunkten för feldetektering och isolering var mycket kortare med ARM. Effekten av olika nivå på störningen studerades även och det konstaterades att ARM gav ett bättre resultat än AM särskilt vid mindre störningar.
I fallstudie 2 infördes en störning av – 0,5 mg O2/l i den andra zonen. Det tog cirka 12 timmar för AM att upptäcka felet och att isolera mätaren. För ARM upptäcktes felet efter drygt 2 timmar genom överskridandet av kvoten mellan flödet i zon 2 och 1 och efter cirka 3 timmar av kvoten mellan flödet i zon 2 och 3 och mätaren kunde isoleras. ARM medförde således en mycket snabbare upptäckt av felet och isolering av givaren i zon 2 än AM. Metodiken för båda metoderna att detektera felet är avhängig av situationen då felet uppstod och fördröjningen för feldetektion blir kortare om gränsvärdet är närmare maximum och längre om gränsvärdet är närmare minimum.
Metodiken är möjlig att utvidgas till andra områden som t.ex. att jämföra luftningen och kvoten i samma zoner för parallella flödeslinjer i ett avloppsreningsverk, att få indikationer på andra störningar än fel i syresensorerna och att beakta tidsförskjutningar mellan olika zoner och deras beroende av signifikanta hydrauliska fördröjningar.
Slutsatser
Genomförda studier med syftet att detektera och isolera fel vid en syrereglering i en zonindelad luftningsbassäng visade att
- båda metoderna (AM resp. ARM) kunde användas
- ARM gav ett bättre resultat med kortare tidfördröjning än AM för detektering av fel och isolering
Källa: B. Carlsson, J. Zambrano. Fault detection and isolation of sensors in aeration control systems. Water Science & Technology 2016, 73.3. pp 648 – 653.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
