W skład systemów zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków wchodzą obiekty o różnorodnej strukturze, które muszą ze sobą współpracować.
Występujące powiązania między tymi obiektami mają znaczący wpływ na jakość pracy systemu wod-kan, co bezpośrednio przekłada się na jakość wody dostarczanej do odbiorcy oraz jakość zrzucanych do środowiska wód oczyszczonych. Współczesne systemy wod-kan, wykorzystując w szerokim zakresie osiągnięcia automatyki i informatyki, pozwalają na efektywne podniesienie jakości produktu systemu wodociągowego – zarówno wody, jak i ścieków odprowadzanych do środowiska. Występujące problemy na etapie projektowania systemów sterowania oraz ich eksploatacji wymagają przy ich rozwiązywaniu interdyscyplinarnego podejścia, łączącego wiedzę z zakresu inżynierii środowiska oraz automatyki i informatyki. Wszystkie te działania podyktowane są powszechnym kurczeniem się zasobów wód i koniecznością ich zachowania dla przyszłych pokoleń, zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju.
 
Systemy sterowania i regulacji procesów i obiektów
Współczesne systemy zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków mają coraz bardziej złożoną strukturę. Fakt ten wynika głównie z dwóch czynników. Pierwszy z nich stanowią ciągle wzrastające wymagania w odniesieniu do jakości wody przeznaczonej dla celów bytowych, a będące konsekwencją dążenia do ogólnej poprawy jakości życia człowieka, w której woda stanowi składnik szczególny i niezastępowalny. Drugim czynnikiem jest szybkie kurczenie się zasobów wody, zmuszające człowieka do pozyskiwania wody do picia ze źródeł o dużym zanieczyszczeniu, a tym samym wymagających skomplikowanych i uciążliwych procesów oczyszczania i uzdatniania. Jakość wody surowej pobieranej ze środowiska dla celów bytowo-komunalnych jednoznacznie determinuje wybór technologii uzdatniania wody. Podobnie rzecz ma się z procesami oczyszczania ścieków, których złożoność uwarunkowana jest rodzajem zanieczyszczeń oraz ich ładunkiem.
 
Powyższe uwarunkowania technologiczne są głównym elementem prowadzącym do zastosowania w szerokim zakresie układów automatycznej regulacji i sterowania. Poprawne prowadzenie procesów bez udziału wyspecjalizowanych systemów sterowania staje się niezwykle trudne, a często wręcz niemożliwe. Sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej w przypadku, gdy oczekuje się spełnienia dodatkowych wymagań w odniesieniu do tych procesów gwarantujących ich optymalny przebieg (lub bliski optymalnemu).
 
Stosowane są różne rozwiązania układów sterowania złożonymi procesami w systemach zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków. W literaturze1-2 opisano wiele przykładów praktycznej realizacji układów regulacji i sterowania. Obiekty – zarówno nowo powstające, jak i modernizowane po wieloletniej eksploatacji – wyposaża się w nowe rozwiązania wykorzystujące nowoczesne urządzenia automatyki1,3-5.
 
Sterowanie złożonymi procesami
Problematyka sterowania procesami uzdatniania wody oraz oczyszczania ścieków wielokrotnie była prezentowana na łamach miesięcznika „Wodociągi-Kanalizacja” 3,6-7. Poniżej podejmujemy problematykę sterowania całym kompleksem, jaki tworzy system zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków (rys.1). Można wtedy mówić o systemie odnowy, ponieważ produktem finalnym takiego kompleksu jest oczyszczona w oczyszczalni woda zrzucana do środowiska, z którego pobrano wodę surową, poddawaną uzdatnianiu dla celów komunalno-bytowych.
 
Powiązanie obu systemów nie ma charakteru „sztywnego”, co oznacza, że możliwe jest oddzielne potraktowanie systemu zaopatrzenia w wodę oraz systemu oczyszczania ścieków. Ogniwem łączącym oba te systemy są odbiorcy (użytkownicy) wody, na których producenci wody nie mają większego wpływu. W analizowanych systemach występują kolejno uszeregowane jednostkowe procesy, zapewniające zmiany właściwości produktu (wody) w zakresie określonym charakterem danego procesu. Zadaniem technologa jest takie uszeregowanie procesów, aby uzyskać finalnie produkt o określonych cechach fizykochemicznych. Z punktu widzenia teorii sterowania możliwa jest realizacja systemów sterowania poszczególnymi procesami jednostkowymi w celu uzyskania oczekiwanego efektu. Okazuje się jednak, że nawet przy założeniu optymalnych rozwiązań układów sterowania jednostkowych procesów nie ma gwarancji uzyskania optymalnych efektów funkcjonowania całego systemu zaopatrzenia w wodę. Poddając analizie system zaopatrzenia w wodę jako całość, można uzyskać znaczną poprawę finalnych wskaźników jakości wody przy równoczesnej poprawie wskaźników techniczno-ekonomicznych. Takie rozwiązanie wymaga jednak wprowadzenia hierarchicznego (wielopoziomowego) systemu sterowania, którego charakterystykę zawarto w tabeli5,8.
 
Najniższy poziom (poziom 1) obejmuje sterowanie elementami wykonawczymi. Należą do nich głównie pompy, zasuwy, dmuchawy, dozowniki reagentów itp. Sposób sterowania nimi wynika bezpośrednio z realizowanej funkcji i może zostać jednoznacznie zdefiniowany w postaci algorytmu. Algorytm ten winien uwzględniać wszystkie uwarunkowania pracy danego elementu (m.in. zabezpieczenia, alarmy, ograniczenia) wynikające z dokumentacji ruchowej. W rozwiązaniach praktycznych często urządzenia wyposażone są w mikroprocesory zaprogramowane zgodnie z wymaganiami pracy danego urządzenia i mające charakter systemu wbudowanego, związanego na stałe z urządzeniem, którym sterują.
 
Kolejny, wyższy poziom (poziom 2) obejmuje sterowanie grupą maszyn i urządzeń, które są ze sobą powiązane, a ich poprawne działanie pociąga za sobą konieczność zmiany stanu lub charakteru pracy innych urządzeń. Liczy się w tym przypadku nie tylko kolejność działań, ale również właściwe ich uszeregowanie czasowe. Algorytmy sterowania na tym poziomie obejmują wybrane procesy jednostkowe i w tym sensie stanowią pewną całość, a ich modyfikacje dotyczą różnych warunków pracy danego procesu. Jako przykład ilustrujący ten poziom sterowania może posłużyć sterowanie procesem filtracji (np. odżelazianie lub odmanganianie). Filtr może być w stanie pracy – filtrowanie wody – lub w stanie płukania złoża. W obu tych stanach niezbędne jest właściwe sterowanie, obejmujące ustawienia zaworów, pracę pomp, odprowadzanie popłuczyn itp.
 
Poziom 3 – sterowanie operacyjne – odpowiada za pracę całego obiektu (np. stacji uzdatniania wody lub oczyszczalni ścieków). Efekty procesu sterowania na tym poziomie nie są interesujące dla użytkownika wody. Wystarczającą informacją jest dla niego wiedza o źródłach wody surowej (skąd pochodzi woda) oraz jaki jest efekt jej uzdatniania (w skrócie: czy jest dobra). Tak zwane wnętrze systemu nie jest dla niego ciekawe i ma charakter „czarnej skrzynki”, w której zachodzą procesy niezbędne do uzyskania wody o oczekiwanej jakości.
 
W dużych systemach zaopatrzenia w wodę mamy również do czynienia z poziomem zarządzania systemem (poziom 4). Obejmuje on wówczas wiele obiektów wod-kan i zapewnia ich sterowanie z uwzględnieniem wymagań wielu różnych użytkowników wody. Algorytmy sterowania na tym poziomie charakteryzują się tym, że uwzględniają szereg różnych kryteriów jakości sterowania: technicznych, ekonomicznych, środowiskowych i społecznych.
 
Identyfikacja złożonego procesu
Poprawne metodologicznie podejście do sterowania procesami wymaga identyfikacji ich właściwości dynamicznych. Uzyskanie informacji o dynamice obiektów i procesów pozwala zaprojektować efektywne algorytmy sterowania. Pewna część procesów jednostkowych może być opisana w miarę dokładnie – np. pompowanie wody i ścieków, napełnianie zbiorników czy filtracja. Można wówczas mówić o sterowaniu w warunkach pełnej informacji o obiekcie lub procesie. Korzysta się przy tym z opracowanych przez technologów modeli procesów, pozwalających na wstępne badanie ich zachowania w zmieniających się warunkach eksploatacyjnych. Uzyskane na tej drodze doświadczenia pozwalają wydatnie przyspieszyć proces inwestycyjny, a nierzadko uniknąć wielu błędnych decyzji projektowych4,9.
 
W systemach zaopatrzenia w wodę mamy do czynienia również z procesami, dla których uzyskanie dokładnych charakterystyk dynamicznych nie zawsze jest możliwe. Wynika to najczęściej z ich dużej złożoności oraz trudnych do identyfikacji wzajemnych interakcji między procesami występującymi w naturze a wprowadzanymi technologiami pozyskiwania i uzdatniania wody oraz oczyszczania ścieków. Głównym źródłem niepewności na etapie pozyskiwania wody są procesy hydrologiczne i hydrogeologiczne, zachodzące na ujęciach wody. W odniesieniu do procesów oczyszczania ścieków niepewność wynika najczęściej zarówno ze zmieniających się ładunków zanieczyszczeń, jak i z ilości dopływających ścieków. W takim przypadku należy opracować specjalizowane algorytmy sterowania, spełniające swoje funkcje w warunkach niepełnej informacji o procesach sterowanych10-11.
 
Inteligentne elementy pomiarowe i wykonawcze
Bezpośredni kontakt z obiektem sterowanym zapewniają elementy pomiarowe (służące do zbierania informacji z obiektu) oraz wykonawcze (pozwalające na efektywne oddziaływanie na obiekt) – rys.24,12. Zasadniczą cechą współczesnych systemów sterowania w branży wod-kan jest rosnące zastosowanie urządzeń pomiarowych i sterujących nowej generacji, wykorzystujących technologie tzw. systemów wbudowanych (używane określenie „system wbudowany” – lub rzadziej „system osadzony” – jest dosłownym tłumaczeniem pojęcia „Embedded System”). Technologia ta polega na powiązaniu w sposób trwały elementu (czujnika pomiarowego czy urządzenia wykonawczego) z mikroprocesorem wyposażonym w odpowiednie oprogramowanie. Zainstalowane oprogramowanie realizuje wiele funkcji, które w rozwiązaniach tradycyjnych wymagały dodatkowego oprogramowania. Oprogramowanie inteligentnych elementów pomiarowych pozwala na filtrację sygnału pomiarowego, linearyzację charakterystyki czujnika, sprawdzenie wiarygodności pomiaru oraz przetworzenie na sygnał cyfrowy, a także na uzyskanie użytecznego sygnału wyjściowego, proporcjonalnego do mierzonej wielkości fizycznej5.
 
Podobne rozwiązania spotyka się w nowoczesnych urządzeniach wykonawczych. Sygnał sterujący ze sterownika, przekazywany do elementu wykonawczego, zostaje w nim przetworzony na użyteczny sygnał regulujący, umożliwiający zmianę stanu obiektu (procesu) zgodnie z założonym jego zachowaniem. Wypracowanie sygnału sterującego następuje w sterowniku wyposażonym w odpowiedni algorytm sterowania5.
Stosowane rozwiązania inteligentnych urządzeń zdecydowanie ułatwiają projektowanie i realizację systemów sterowania.
 
Algorytmy sterowania
Niezawodna sprzętowa warstwa systemu sterowania jest koniecznym, lecz niewystarczającym warunkiem realizacji sterowania i regulacji w systemach wodociągowo-kanalizacyjnych. Pełną funkcjonalność system osiąga dzięki oprogramowaniu zainstalowanym w sterowniku. Sterownik stanowi „serce” (a raczej „umysł”!) systemu sterowania, w nim bowiem zapisane są w formie algorytmów reguły sterowania obiektem. Ponadto zadaniem każdego układu regulacji jest dążenie do uzyskania założonym celów sterowania, niezależnie od występujących zakłóceń. Oznacza to, że opracowane algorytmy sterowania winny zapewnić wypracowanie takich sygnałów sterujących, które pozwolą na osiągnięcie założonych celów. Odnosząc powyższe uwagi do sformułowanego wcześniej stwierdzenia o różnym poziomie znajomości sterowanego obiektu czy procesu, należy liczyć się z koniecznością opracowania algorytmów w sytuacji niepełnej wiedzy o jego dynamice. Synteza algorytmów sterowania w warunkach pełnej znajomości dynamiki obiektów przebiega zgodnie ze znaną i sprawdzoną metodologią postępowania12.W przypadku niepełnej informacji o sterowanych procesach, na różnych etapach projektowania, stosuje się zaawansowane algorytmy sterowania oraz wykorzystuje się elementy sztucznej inteligencji1,5,8. W procesie syntezy takich algorytmów duże znaczenie ma tzw. wiedza ekspercka, pozyskana z doświadczeń i analiz zachowania danego procesu, nie zawsze możliwa do opisania w sposób sformalizowany. Uzupełniając zatem opis na rys. 2, należy zaznaczyć, że przymiotnik „inteligentny” w istotny sposób odnosi się do sterownika, który wyposażony jest w inteligentne algorytmy sterowania. Poziom nieokreśloności i niepewności wyraźnie wzrasta wraz z analizą wyższych poziomów sterowania (patrz tabela). O ile na niższych poziomach mamy do czynienia ze ściśle określonymi zachowaniami obiektów sterowania, to na poziomie sterowania operacyjnego (poziom 3) i zarządzania (poziom 4) występuje wiele czynników trudnych czy wręcz niemożliwych do przewidzenia. Dodatkowa trudność w syntezie algorytmów sterowania wynika z konieczności uwzględnienia przestrzennego charakteru niektórych elementów systemu, w szczególności sieci wodociągowych i kanalizacyjnych13. Trudności związane z pełną identyfikacją właściwości sieci mogą być w dużej mierze pokonane poprzez wykorzystanie informacji zawartych w GIS-owskich bazach danych (GIS – Geographic Information System).Współpraca algorytmów sterowania z bazami danych GIS stawia jednakże nowe wymagania przed projektantami systemów sterowania oraz personelem obsługującym wdrożony system zintegrowanego sterowania i zarządzania systemem zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków14-15.
 
Przedstawiona problematyka sterowania w systemach wod-kan została potraktowana na pewnym poziomie ogólności, bez wnikania w szczegółowe analizy odnoszące się do wybranych rodzajów systemów zaopatrzenia w wodę i oczyszczania ścieków. Takie podejście podyktowane zostało z jednej strony koniecznością uogólnień wcześniej prezentowanych na łamach miesięcznika szczegółowych treści, a z drugiej – próbą nakreślenia nowych tendencji w podejściu do sterowania tak złożonym systemem. Wiele szczegółowych rozwiązań przedstawiano na specjalistycznych konferencjach branży wod-kan. Wobec licznych prezentacji tych rozwiązań jakakolwiek próba wyselekcjonowania tych najważniejszych czy też najbardziej zaawansowanych zawsze będzie dyskusyjna i, niestety, subiektywna.
 
prof. dr hab. inż. Andrzej Urbaniak, Instytut Informatyki Politechniki Poznańskiej
 
Źródła
  1. Brdyś M., Ewald G.: Sieć SSWN w oczyszczalni ścieków. Wodociągi-Kanalizacja” 2(21-23)/2008.
  2. Bylka H., Dymaczewski Z., Harasymowicz E., Jaroszyński T., Jeż-Walkowiak J., Niedzielski W., Sozański M.M., Urbaniak A.:Wodociągi i kanalizacja w Polsce – tradycja i współczesność.Polska Fundacja Zasobów Wodnych. Poznań-Bydgoszcz 2002.
  3. Kubiak Z., Urbaniak A.: Uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków – automatyka i sterowanie.„Wodociągi-Kanalizacja” 7-8/(77-78)/2010.
  4. Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków pod red. Z.Dymaczewskiego. Wyd. PZITS. Poznań 2011.
  5. Urbaniak A.: Informatyczne narzędzia modelowania i symulacji dla potrzeb sterowania procesami w inżynierii środowiska.[W:] Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J. (red.):Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód. Poznań 2012.
  6. Urbaniak A., Monitorowanie i sterowanie procesami wodociągowymi.„Wodociągi-Kanalizacja” 7/8/2006.
  7. Urbaniak A., Zakrzewski P.:Monitorowanie i sterowanie w systemach kanalizacyjnych.„Wodociągi-Kanalizacja” 7/8/2006.
  8. Tatjewski P.: Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych – struktury i algorytmy. WNT. Warszawa 2002.
  9. Sozański M.M., Urbaniak A.: Technologia i sterowanie procesami chemicznymi w uzdatnianiu wody. Mat. Konf. „Woda – człowiek – środowisko”. Września-Licheń 15-16.04.2010.
  10. Sroczan E., Urbaniak A.: Sterowanie rozmyte w stacjach uzdatniania wody i oczyszczalniach ścieków. [W:] Ochrona zasobów i jakości wód powierzchniowych i podziemnych. Wyd. Ekonomia i Środowisko. Mat. X Międzynar. Konf. Nauk.-Techn. „Problemy gospodarki wodno-ściekowej w regionach rolniczo-przemysłowych”. Augustów 1999.
  11. Sroczan E., Urbaniak A.: Komputerowe sterowanie procesami odnowy środowiska z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji. III Międzynar. Konf. „Komputer w ochronie środowiska”. Mrzeżyno 12-15.09.1999.
  12. Urbaniak A.: Podstawy automatyki. Wyd. Politechniki Poznańskiej. Poznań 2007.
  13. Nowak M., Urbaniak A.: Rozproszone sterowanie i monitorowanie w systemach wodno-kanalizacyjnych. Water Supply and Water Quality. Poznań-Zakopane 2006.
  14. Bałut A., Urbaniak A.: Wykorzystanie technologii GIS do modelowania i analizy sieci wodociągowych. Mat. Konf. Licheń 23-24.04.2009.
  15. Kwietniewski M.: GIS w wodociągach i kanalizacji, PWN, Warszawa 2008.