Проектирование в машиностроении и электронике

Система поддержки принятия решений при управлении сточными  водами промышленного региона

В.А. Немтинов,

д.т.н., проф.,

А.Н. Васильев,

аспир., alex.vasiliev@inbox.ru,

Ж.Е. Зимнухова,

 к.т.н.,
 ТГТУ, г. Тамбов

Аннотация

В работе осуществлены постановки задач, решаемых на различных этапах разработки системы управления сточными водами промышленного узла, предложены информационные модели: экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на станцию БХО; управления станцией БХО; управления транспортом сточных вод по системе каналов,  коллекторов и насосных станций. Была предложена структура системы управления вторичными водными ресурсами.

Разработанная виртуальная модель системы управления сточными водами может быть использована в масштабе отдельного промышленного узла, города, населенного пункта. При этом основными покупателями и пользователями данного продукта являются коммунальные системы города, населенного пункта, а также предприятия, входящие в отдельный промышленный узел.

 

Abstract

The paper has staged tasks undertaken at various stages of the wastewater management system of the industrial site, the information offered to the model: the relationship between economic regulation of natural resources for example, enterprises that discharge wastewater to the station, control station, transport management system for waste water channels , reservoirs and pumping stations. Was proposed structure of management of secondary water.

Developed a virtual model of the wastewater management system can be used to scale a single industrial site, a city locality. The major buyers and users of this product are communal facilities of the city, village, and enterprises belonging to a single industrial site.

 

Нестабильная экологическая ситуация в промышленно развитых центрах создает все больше предпосылок для создания системы поддержки принятия решений при обеспечении экологической безопасности промышленного узла. Создаваемая система должна включать в своей основе новые пути и подходы к принятию решений при управлении различными органами, осуществляющими очистку промышленных отходов. Поэтому всё более очевидной становится разработка теории и методов решения природоохранных задач, направленных на обеспечение устойчивого и оптимального на длительном периоде времени равновесия между природными и антропогенными системами. Исходя из этого, проблема управления сточными водами является очень актуальной в наше время. Актуальность проблемы заключается в разработке информационно-аналитического обеспечения процесса принятия управленческих решений в сфере экологической деятельности.

Для большинства промышленных предприятий, входящих в состав территориальных производственных комплексов (промышленных регионов), характерным является то, что сточные воды, образуемые на разных стадиях технологических процессов получения целевой продукции, утилизируются на региональных (городских) очистных сооружениях. В данном случае промышленный регион представляется рядом предприятий, производящих сброс сточных вод на региональную станцию биохимической очистки (БХО).

В настоящее время распределение квот сброса сточных вод на очистные сооружения, например, в соответствии с поступившими запросами предприятий, существующими нормативами и проектной мощностью сооружений осуществляется службами областных (городских) комитетов природных ресурсов. Очень часто возникает ситуация, когда отдельные предприятия должны сбрасывать на сооружения БХО сточные воды в количествах, превышающих размеры выделенных квот. Это может быть связано как с особенностями технологических процессов получения продукции, так и нежеланием внедрять более совершенные экологически безопасные технологии, включающие и системы локальной очистки сточных вод.

В таких случаях от предприятия требуется выполнение принятого стандарта либо через инвестиции в очистные технологии, либо приобретение разрешения на сброс сточных вод у тех предприятий, которые достигли большего сокращения выбросов, чем это предусмотрено было после первоначального распределения квот.

1.  Постановка задачи

При изучении процессов, связанных с биохимической очисткой сточных вод, был сделан вывод о том, что всю совокупность задач, решаемых на разных этапах принятия управленческих решений нужно рассматривать с позиции сложных систем. В общем виде задачу  управления сточными водами промышленного узла можно сформулировать следующим образом. Для промышленного узла с заданной структурой предприятий, являющихся пользователями водными ресурсами, на множестве   , найти  вариант их управления , для которого сумма всех затрат имеет минимальное значение.

Используя терминологию теории систем, систему управления вторичными водными ресурсами можно представить как отношение на декартовом произведении множеств:  - множество вариантов нормирования сбросов сточных вод; - множество технических режимов работы предприятий, производящих сброс, с установкой на них "буферных" емкостей;  - множество вариантов системы транспортировки сточных вод промышленных предприятий;  - множество вариантов функционирования станций БХО.[1]. Рассмотрим подробнее задачи, решаемые при проектировании системы поддержки принятия решений при управлении сточными водами промышленного узла.

2. Задача нормирования сбросов сточных вод

Промышленные предприятия сбрасывают свои сточные воды в канализацию, которые транспортируются на сооружения БХО, после которых очищенные сточные воды поступают в природный водоём. В настоящее время распределение квот сброса сточных вод на очистные сооружения, например, в соответствии с поступившими запросами предприятий, существующими нормативами и проектной мощностью сооружений осуществляется службами областных (городских) комитетов природных ресурсов. Очень часто возникает ситуация, когда отдельные предприятия должны сбрасывать на сооружения БХО сточные воды в количествах, превышающих размеры выделенных квот. Это может быть связано как с особенностями технологических процессов получения продукции, так и нежеланием внедрять более совершенные экологически безопасные технологии, включающие и системы локальной очистки сточных вод. В таких случаях от предприятия требуется выполнение принятого стандарта либо через инвестиции в очистные технологии, либо приобретение разрешения на сброс сточных вод у тех предприятий, которые достигли большего сокращения выбросов, чем это предусмотрено было после первоначального распределения квот.[2]

3. Задача управления системой транспортировки промышленных сточных вод

Сточные воды, сбрасываемые предприятиями промышленного региона, доставляются к станции через существующую в регионе разветвленную систему транспортировки. Под системой транспортировки сточных вод следует понимать совокупность конструктивно и технологически связанных коллекторов, каналов и насосных станций, служащих для регулирования потока и отведения сточных вод к сооружениям очистки.

При разработке системы транспортировки промышленных сточных вод решаются следующие задачи автоматизации:

·         задача автоматизации управления потоками сточные вод на входах системы (использование контроллеров на промышленных предприятиях);

·         задача автоматизации управления потоками сточные вод при движении потоков по каналам и коллектором (использование автоматизированной запорной и регулирующей арматуры);

·         задача автоматизации управления потоками сточные вод на канализационных насосных станциях;

·         задача автоматизации управления потоками сточные вод на выходах системы (использование контроллеров на региональной станции биохимической очистки).

Основной задачей автоматизации является обеспечение рациональных режимов транспортировки сточных вод.

Итак, задачу управления системой транспортировки сточных вод можно сформулировать следующим образом. При известных значениях расходов сточных вод на входах промышленного узла  необходимо определить все значения расходов по каждому пути транспортировки сточных вод , при которых целевая функция  . Здесь  - количество электроэнергии, затрачиваемое насосной станцией за время .

Данная задача является одной из модификаций задачи линейного программирования. Решение задачи может быть осуществлено  симплекс-методом.

4. Задача управления станцией биохимической очистки

Станция БХО является «пограничным» рубежом между природопользователями, в лице промышленных предприятий, и водопользователями. Роль данного рубежа достаточна важно потому, что именно принятие решений на этом этапе является организующей, координирующей и управляющей мерой, принимаемой к промышленным предприятиям, входящих в промышленный узел. Станция БХО является информационным пунктом, куда поступают данные о состоянии всех объектов системы, включая предприятия, систему транспортировки и др. Анализ и обработка результатов должна осуществляться с использованием современной вычислительной техники. Оператор станции БХО, используя результаты анализа, должен принять решение в сложившейся ситуации и представить пути выхода из нее.

Основными направлениями развития управляемых процессов биохимической очистки сточных вод, получившими распространение в настоящее время, являются:

·         управление качеством поступающей среды - усреднение расхо­да сточных вод, усреднение концентрации загрязнений, раз­бавление очищенной водой;

·         управление системой подачи поступающей среды - рассредото­ченный впуск сточной воды в аэротенк, рассредоточенный впуск активного ила в аэротенк;

·         управление технологическим процессом очистки - управление гидродинамической структурой потока в аэротенке, управле­ние кислородным режимом в аэротенке, управление концент­рацией активного ила в аэротенке.

Важной задачей при разработке системы управления вторичными водными ресурсами является задача выбора и установки на предприятиях, входящих в промышленный регион, «буферных» емкостей. Такие емкости необходимы для: стабилизации режимов работы очистных сооружений; снижения гидравлических и концентрационных возмущений; регулирования расхода сточных вод для каждого предприятия.

Необходимость последнего пункта обусловлена тем, что в практике работы очистных сооружений типичны примеры появления «залповых» сбросов вредных веществ с промышленных предприятий и резкого увеличения гидравлической нагрузки, возникающей в результате выпадения ливневых дождей. Это приводит к частичному или полному отравлению микроорганизмов, «срыву» процесса очистки в результате вымывания биологической культуры из аппаратов и сооружений станции БХО.

Приведём механизм работы «буферной» емкости, установленной на предприятии, которое входит в состав промышленного узла. На трубопроводах, подходящих к буферной емкости необходимо разместить датчики расхода и датчики измерения концентраций загрязняющих веществ, а также запорную арматуру в каналах набора и слива сточной воды (клапана и задвижки). На емкости необходимо установить датчик уровня воды в ней. Оператор в зависимости от сложившейся ситуации управляет «буферной» емкостью. Если предприятие превышает норму сброса по расходу сточных вод, то открывается задвижки  и в емкость осуществляется набор воды. Когда уровень сброса сточной воды на предприятии будет находиться в пределах нормы, опускается задвижка на входе в емкость и набор в ней прекращается. В случае малого расхода сточных вод с предприятия и наличия воды в "буферной емкости" вода сливается          из емкости с учетом общего расхода. В идеальном варианте на всех предприятиях с емкостями в них должно остаться как можно меньше воды.

5. Материальные и информационные потоки системы управления вторичными водными ресурсами

К основным средствам сбора информации, необходимых для оперативного расче­та оптимальных режимов распределения потоков сточных вод, относятся датчики основного технологического оборудования, приборы контроля расхода сточных вод и концентраций вредных веществ на предприятиях и станции БХО. На канализационных насосных станциях (КНС), входящих в систему транспортировки, необходимы приборы для контроля расхода электроэнергии насосными агрегатами. Требуются как текущие, так и интегральные за какой-либо период времени значения расходов. Для преобразования сигналов также должны быть установлены блоки цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)  – аналого-цифровой преобразователь (АЦП). На канализа­ционных безнапорных каналах при необходимости должны при­меняться средства измерения расхода, а в некоторых случаях — и сигнализаторы уровня сточных вод.[3]

Источниками информации на объектах системы транспорти­ровки сточных вод (КНС, каналах) являются датчики коммутируемой аппаратуры, сигнализаторы технологических параметров, измерительные преобразователи. Оператор, получая информацию с  сервера системы, расчетные данные, должен принять оптимальное решение в сложившейся ситуации.

Устройства передачи технологической информации строится на базе средств телемеханики. Средства телемеханики включают аппаратуру, располагаемую на диспетчерском пункте и контролируемом объекте, устройства связи  диспетчерского и контролируемых пунктов. В нашем случае такие средства располагаются у оператора и на предприятиях, на элементах системы транспортировки.

На диспетчерском пункте оператора размещаются комплекты телекомплексов, средства воспроизведения и регистрации информации.

Получая информацию через сервер о состоянии системы, оператор принимает решение по наиболее оптимальному регулированию взаимоотношений между элементами системы.

На этапе проектирования системы управления сточными водами промышленного узла важной особенностью является разработка процедурной модели поддержки принятия решений, отражающей структуры и алгоритм процесса принятия решений, исходя из особенностей системы. Принятия управленческих решений строится на выборе входных параметров на каждом из этапов, алгоритма принятия решений и результирующих выходных параметрах на каждом из этапов. Обратим внимание на входные параметры для системы. В нашем случае ими будут являться: расход сточных вод; концентрация веществ (ХПК(химическое потребление кислорода), БПК(биохимическое потребление кислорода)).

С течение времени на вход объекта поступают данные, полученные от приборов контроля. Показания этих данных колеблются во времени. Основной задачей в процессе расчетов и построения моделей объектов является использования значений этих параметров, в частности их средних значений. Данные о расходах и концентраций можно представить в виде временных рядов. Основной целью при таком подходе является принятие решений при выборе среднего значения параметра.

6. Программное обеспечение

Программное обеспечение для виртуального моделирования системы управление сточными водами промышленного узла с рядом предприятий включает в себя комплекс программных модулей: модуль CalsUnset (для расчета расходов на каждом пути транспортировки (Рисунок 1)), LabView 7 (для регулирования и контроля состояния системы транспортировки в интересах каждого предприятия (Рисунок 2)), ArcGIS версии 9.1 корпорации ESRI (для пространственного отображения геоинформационных объектов системы транспортировки (рисунок 3)).

Основные функции комплекса программных модулей:

·         непрерывный сбор в реальном времени сигналов от датчиков, исполнительных механизмов и др. приборов, отображенных их в виде динамических схем участков технологического процесса, таблиц и трендов;

·         формирование аварийных и предупредительных сообщений и звуковой сигнализации при возникновении  нештатной или аварийной ситуации состояния оборудования технических систем;

·         дистанционное управление оборудованием с возможностью перевода управления с ручного на автоматическое при соблюдении всех начальных условий;

·         дистанционное ручное управление технологическим процессом в аварийных режимах и при наладке оборудования;

·         организация и ведение архива изменения технологических параметров с дискретностью от 10 с, событий, включающих любые действия оператора, и системные сообщения;

·         любая команда оператора, которая ведет к изменению состояния оборудования, выполняется после подтверждения и проверки корректности условий для выполнения конкретной операции.[4]

 

Описание: Pic214

рис. 1 Программный комплекс CalsUnset

Модуль CalsUnset, представляющий собой динамическую библиотеку, подключается к ArcGIS. Использование ArcGIS оправдано тем, что добавление нового предприятия заключается в нанесении его на карту с помощью мыши. В результате автоматически формируется соответствующая запись в таблице с предприятиями.

Передняя панель программного модуля оператора биологической очистки системы, выполненная с использованием SCADA системы LabView 7 , состоит из трёх областей: панели "Рабочее место оператора и пульт управления", панели "Анализируемые показатели" и панели, отображающей суточный приток исследуемой воды.

В области "Рабочее место оператора и пульт управления" изображены основные очистные сооружения (первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник, воздуходувка и т.д.), выполняющие последовательную очистку сточной воды, а также приборы контроля и управления состоянием очищаемой воды (термометры, рН метры, расходомеры, уровнемеры и др.)

Панель "Суточный приток" отражает расход поступающей сточной воды от времени за определённый период.

Панель "Анализируемые показатели"  включает три области (поступающая вода, после 1-го отстойника, после 2-го отстойника). Ситуации 1...4 моделируют различные варианты содержания исследуемых параметров (БПК5взболт, взвешенные вещества, ионы аммония, фосфаты) в воде. Оператор должен быть ознакомлен с допустимыми значениями анализируемых показателей и, в зависимости от выбранной ситуации на панели "Анализируемые показатели", принимать верные решения. Например, если хотя бы один из анализируемых параметров превышает допустимое значение, необходимо продлить процесс аэрации в аэротенке или отвести часть воды на соседнюю очередь.   

Комплекс виртуальных модулей также включает: описание технологических процессов; руководство пользователя; контрольные тесты для самостоятельной предварительной проверки знаний обслуживающего персонала; мультимедийные ролики, демонстрирующие в динамике процесс работы операторов, сопровождаемые звуковыми и текстовыми комментариями. Следует отметить, что данные ролики показывают только основные принципы управления системами обработки и очистки воды.

рис. 2 Передняя панель программного модуля оператора биологической очистки системы

Задача минимизация всех затрат на перемещение водных ресурсов является весьма трудной, так как невозможно построить точную модель канализационной сети сколько-нибудь крупной зоны водоснабжения. Из-за отсутствия модели невозможно просчитать, как надо изменить положения органов управления таким образом, чтобы, с одной стороны, минимизировать расход электроэнергии и утечки воды, и, с другой стороны, не нарушить водоснабжение ни одного объекта в заданной зоне водоснабжения.

Был предложен новый подход к задаче управления системой транспортировки промышленных сточных вод зон крупного города. Данный метод заключается в том, чтобы непрерывно в реальном времени поддерживать динамически изменяемую модель канализационной сети в зоне водоснабжения.

Для этого на зону водоснабжения «накладывается» сеть контрольных точек, в которых размещены датчики концентраций и расходов. Для всех контрольных точек задаются минимально (и максимально) допустимые в этих точках концентрация и расход. Для каждой точки строится своя динамически изменяемая  модель. Поскольку невозможно вести управление насосной станцией, ориентируясь сразу на все контрольные точки, среди этих точек в динамическом режиме выделяется одна «критическая» точка. Это такая точка, которая по данным модели подвержена наибольшей опасности нарушения водоснабжения. По этой точке и ведется управление насосной станцией. А именно: для контроллера регулятора станции задается такая установка концентрации и расхода, которая обеспечивает минимально допустимый уровень давления в критической точке (разумеется, с некоторым запасом).
Модель пересчитывается каждые 15 минут. Соответственно каждые 15 минут может изменяться  критическая  точка. Практика показала, что обычно критическими попеременно являются 2-3 контрольные точки. Но при изменении конфигурации сети (прокладке новых труб, открытии и закрытии задвижек, подключении новых потребителей) критическими могут стать другие точки. Такое происходит сравнительно нечасто, в среднем один раз в 2 - 3 суток. Причем происходит это автоматически, без специального анализа изменений сети.

Теоретические и практические результаты работы использованы при решении задач, связанных с технической эксплуатацией водопроводных и канализационных  сетей, осуществляемой филиалом "Тамбовводоканал" ОАО "Тамбовские коммунальные системы" г. Тамбов. Тестирование виртуальной модели системы управления, включающей комплекс программных модулей: CalsUnset, LabView 7, ArcGIS версии 9.1, для решения задачи управления сточными водами от совокупностей предприятий на региональную станцию биохимической очистки, было осуществлено на примере тамбовского промышленного узла. Были проведены тестовые расчеты потоков распределения промышленных и коммунальных сточных вод с использованием тестовых данных, предоставленных филиалом "Тамбовводоканал"  ОАО "Тамбовские коммунальные системы" г. Тамбов.

 

рис. 3 Виртуальные модели в ArcGIS версии 9.1

Заключение

Осуществлены постановки задач, решаемых на различных этапах разработки системы управления сточными водами промышленного узла, предложены информационные модели: экономического регулирования взаимоотношений между природопользователями на примере предприятий, осуществляющих сброс сточных вод на станцию БХО; управления станцией БХО; управления транспортом сточных вод по системе каналов,  коллекторов и насосных станций. Была предложена структура системы управления вторичными водными ресурсами.

 На базе системного анализа, методов математического моделирования, теории принятия решений развит подход к построению системы управления вторичными водными ресурсами промышленного узла,  включающий совокупность информационных моделей, и позволяющий рассмотреть каждый вариант функционирования промышленного узла с технологических, экологических и социально-экономических позиций, учитывающий комплексную оценку альтернатив при принятии решений.

Была представлена структура процедурной модели системы поддержки принятия управленческих решений при транспортировки промышленных сточных вод, включающая в себя алгоритм принятия решений и определение средних значений входных параметров для элементов системы.

Разработанная виртуальная модель системы управления сточными вода может быть использован в масштабе отдельного промышленного узла, города, населенного пункта. При этом основными покупателями и пользователями данного продукта являются коммунальные системы города, населенного пункта, а также предприятия, входящие в отдельный промышленный узел, и частные компании, ведущие предпринимательскую деятельность в сфере предоставления услуг по регулированию и распределению водных ресурсов.

Экономическая эффективность системы управления в масштабе всего региона осуществляется в результате экономии финансовых ресурсов за счет оптимального управления системой транспортировки сточных вод, а с позиции отдельного предприятия – получение прибыли за счет продажи квот на сброс сточных вод. 

Литература

1.   Васильев А.Н., Немтинов В.А. Система управления вторичными водными ресурсами промышленного // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика 2007». – ЮРГПИ (НПИ), г. Новочеркасск: Оникс+, 2007.- С. 375-376.

2.   Васильев А.Н. Автоматизированная система управления вторичными водными ресурсами промышленного узла и регулирования взаимоотношений между природопользователями в масштабе промышленного узла // Материалы XII  Международной научно-практической конференции-выставки «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий»/ Тамбовский гос. ун-т им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, 2008.- С. 149-153.

3.   Васильев А.Н., Немтинов В.А. Моделирование процессов управления вторичными водными ресурсами промышленного узла // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том. ХХII, №13 (93). У78 – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. –С. 40-44.

4.   Малыгин Е.Н. Информационный анализ и автоматизированное проектирование станции биохимической очистки: Учебное пособие. / Е.Н. Малыгин, Н.С. Попов, В.А. Немтинов. - Тамбовский гос. техн. ун-т, г. Тамбов, 2004.– С. 78-86.