ES2565819T3 - Método y configuración de dispositivo para el control automático de la dosificación de productos químicos - Google Patents

Método y configuración de dispositivo para el control automático de la dosificación de productos químicos Download PDF

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Abstract

Un método para el control automático de la dosificación de uno o más productos químicos en un sistema de tratamiento de líquidos, en el que las propiedades del líquido se utilizan para modificar la superficie de control de un controlador de ecuación lingüística (LE) de forma adaptativa para controlar la dosificación de uno o más productos químicos al líquido mediante uno o más controladores, caracterizado por que la adaptación se lleva a cabo mediante un modelo de adaptación predefinido.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y configuracion de dispositivo para el control automatico de la dosificacion de productos qmmicos Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para el control automatico de la dosificacion de productos quimicos en un sistema de tratamiento de liquidos, particularmente para el control automatico de la dosificacion de productos quimicos para el tratamiento del agua, aguas residuales y aguas industriales.
La presente invencion se refiere tambien a una configuracion de dispositivo para el control automatico de la dosificacion de productos quimicos en un sistema de tratamiento de liquidos.
Antecedentes de la invencion
Varios fenomenos a corto y largo plazo que aparecen en procesos de tratamiento de liquidos afectan a la dosificacion de productos quimicos para el tratamiento de liquidos. Frecuentemente hay grandes variaciones en la cantidad de liquido que se va a tratar. Por ejemplo, el consumo de agua industrial o de agua corriente y la cantidad de agua residual varian mucho dependiendo de la capacidad de la planta, horario, estacion, clima, etc. La calidad del agua de entrada, por ejemplo, turbidez, solidos en suspension, pH, fosforo, temperatura, varian tambien rapidamente algunas veces.
Actualmente, los productos quimicos se dosifican a menudo sobre la base del caudal de entrada en las plantas de tratamiento de liquidos. Esto no garantiza la eficacia del tratamiento, si la calidad del liquido cambia mucho. Esto conduce facilmente a dosificar en exceso o por defecto los productos liquidos dependiendo de la calidad del liquido. Muchos fenomenos complejos, tales como la coagulacion y la floculacion tienen lugar en el tratamiento de liquidos. El efecto de los productos quimicos sobre el resultado del tratamiento no es lineal.
La dosificacion mediante alimentacion directa sobre la base del caudal de entrada no garantiza resultados de tratamiento suficientes debido a que la calidad del liquido esta cambiando. El control de la retroalimentacion con un controlador PID (proporcional, integral y derivado) proporciona una mejora si las fluctuaciones son bastante pequenas. Las variaciones en las condiciones de funcionamiento requieren la adaptacion de los controladores. Se puede llevar a cabo una adaptacion gradual de los parametros PID con una mejor programacion, pero esta limitado a una estructura de control fija. Se puede realizar una estructura de control flexible mediante estrategias de conmutacion. Sin embargo, tanto la mejora en la programacion como las estrategias de conmutacion requieren una logica compleja para su adaptacion a sistemas multivariables. Analogamente tambien es dificil conseguir un funcionamiento suave y fiable. Los parametros PID pueden tambien ajustarse en linea, por ejemplo, mediante controladores PID autoajustables.
Se describe un ejemplo de control PID autoajustable disenado de forma adaptativa en el documento WO 0198845 y se puede caracterizar mediante valores parametricos derivados de la interpolation de los parametros de modelizacion del proceso. Los parametros caracterizan cada uno de los modelos. Se selecciona un valor del parametro entre un conjunto de valores de initialization predeterminados. Para cada valor de parametro denominado, se calcula lo que se denomina el valor Norm acumulado (que se deriva de un error cuadratico del modelo calculado para los modelos) a medida que se llevan a cabo evaluaciones repetidas de los modelos. Para cada parametro, se calcula tambien un valor parametrico adaptativo (un promedio ponderado de los valores de inicializacion). El conjunto de valores parametricos adaptativos de proceso se usa a continuacion para redisenar un controlador de proceso. El controlador parametrizado se aplica al control PID adaptativo de alimentacion directa/retroalimentacion.
Los controladores PID autoajustables son eficaces para adaptarse solamente a cambios lentos en las condiciones de funcionamiento, y dicho mecanismo de adaptacion es bastante lento. Las perturbaciones durante la adaptacion pueden producir graves problemas. Las limitaciones se vuelven mas importantes en sistemas multivariables.
El control difuso adaptativo es menos sensible a las perturbaciones que el controlador PID autoajustable. Se describe un ejemplo de sistema de control de logica difusa multirregional en el documento US 6041320. El sistema utiliza una variable auxiliar del proceso para determinar en cuales de las diversas regiones de diferente ganancia esta funcionando un proceso no lineal. El area de funcionamiento de un proceso se divide por adelantado en diferentes regiones. Cada region tiene su propio controlador, que se implementa mediante un conjunto lineal de funciones y reglas de pertenencia. Las variables auxiliares de cada una de las reglas se utilizan en la selection de la region adecuada. La solution se convierte en poco practica con un numero creciente de regiones y variables de proceso auxiliares ya que cada region tiene su propio controlador. Esto conduce a un gran numero de parametros y a dificultades para generalizar el sistema de control a nuevas aplicaciones.
Todas estas metodologias conducen a estructuras de control extremadamente complicadas que contienen multiples parametros interactivos y dependientes que son dificiles de manipular. La logica de la adaptacion se vuelve
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complicada a medida que aumenta el numero de parametros manipulables. En determinadas condiciones de proceso, el funcionamiento de diferentes controladores puede presentarse con superficies de control bastante similares. Sin embargo, es esencial la forma en que se lleva a cabo el mecanismo de adaptacion. Es necesaria una estructura adaptativa compacta en condiciones de funcionamiento cambiantes y la implementacion de controladores en nuevos procesos. Los presentes inventores han publicado una conferencia que se refiere al estado general de la tecnica (Esko Juuso, Katja Virret y Marjatta Piironen "Intelligent methods in dosing control of water treatment", en: Proceedings of Workshop on Applications in Chemical and Biochemical Industry, ERUDIT, 15 de septiembre de 1999). El articulo describe un experimento de modelizacion preliminar para el tratamiento del agua mediante un metodo de ecuacion linguistica (EL) pero no el control basado en la EL para el tratamiento del agua. En el articulo se menciona que el controlador EL puede ser adaptativo, analogamente a cualquier otro controlador.
La presente invention se basa en un nuevo enfoque, donde el control de la dosificacion se basa en un sistema de control compacto con caracteristicas adaptativas y no lineales. Una adaptacion suave y veloz a las variaciones rapidas aumenta el rendimiento del control de la dosificacion. Los controladores EL adaptativos puede funcionar en un amplio intervalo de condiciones de proceso ya que la adaptacion se basa en la detection por adelantado del estado del proceso. Los enfoques adaptativos predefinidos resueltos por el metodo inventivo para el control de la dosificacion no requieren la identification laboriosa de modelos o parametros. Un conjunto de parametros compacto es tambien beneficioso para el ajuste de los controladores EL. En la presente invencion, el numero de parametros es pequeno en comparacion con los actuales controles adaptativos conocidos en la materia, y todos los parametros son comprensibles proporcionando una vision del funcionamiento del proceso.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona un metodo y un dispositivo o una configuration de dispositivo para el control de la dosificacion de productos quimicos. Esto se lleva a cabo utilizando las propiedades del liquido para modificar la superficie de control de un controlador de ecuacion linguistica (EL) de forma adaptativa por medio de un modelo de adaptacion predefinido, por ejemplo, un modelo desarrollado antes del uso del control, para controlar la dosificacion de uno o mas productos quimicos al liquido mediante uno o mas de dichos controladores. El controlador de ecuacion linguistica (EL) manipula siempre condiciones de funcionamiento no lineales. Las caracteristicas no lineales se modifican con transformaciones no lineales. La adaptacion amplia adicionalmente el intervalo de funcionamiento de los controladores sin cambiar la estructura de control que comprende controladores EL y modelos de adaptacion. Por tanto, los controladores EL adaptativos pueden funcionar en intervalos amplios de condiciones de proceso.
Es una caracteristica de la invencion que se reivindica en las reivindicaciones independientes. Algunas de las realizaciones preferidas se reivindican en las reivindicaciones dependientes.
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un nuevo metodo para el control de la dosificacion de productos quimicos.
Es otro objeto de la presente invencion proporcionar un nuevo dispositivo y una configuracion de dispositivo para el control de la dosificacion de productos quimicos.
Es otro objeto mas de la presente invencion proporcionar un nuevo metodo para el control de la dosificacion de productos quimicos en situaciones donde el entorno, tal como la calidad o el caudal del liquido, esta cambiando rapidamente.
Es otro objeto mas de la presente invencion proporcionar un nuevo metodo para controlar la dosificacion de productos quimicos en el tratamiento del agua.
En la presente invencion, la cantidad de uno o mas productos quimicos se vigila y controla con controladores multivariables adaptativos no lineales sobre la base de medidas realizadas el sistema de tratamiento de liquidos. Preferentemente, el sistema de tratamiento de liquidos se refiere a aplicaciones de tratamiento de agua o de aguas residuales. Los controladores basicos, que son preferentemente controladores de alimentation directa y/o de retroalimentacion, se pueden combinar en diferentes estrategias de control. Por ejemplo, el controlador de alimentacion directa predice los cambios en el proceso y puede optimizar el consumo de productos quimicos. Se puede llevar a cabo el ajuste fino de la dosificacion de productos quimicos mediante el controlador de retroalimentacion. Los controladores funcionan adaptativamente en amplios intervalos de las condiciones de proceso. El cambio de un area de funcionamiento a otra se lleva a cabo mediante el modelo de adaptacion. La seleccion del sistema de control adecuado depende de los requisitos del proceso: un unico controlador de retroalimentacion o de alimentacion directa puede ser suficiente; en el otro extremo, se puede incluir un controlador de cascada para adaptar el punto de consigna a condiciones de funcionamiento especiales. Preferentemente, cada tarea de control puede realizarse como un unico controlador que comprende un controlador EL y un modelo de adaptacion.
Las medidas pueden ser medidas directas o indirectas en tiempo real o fuera de linea. Se obtienen medidas directas mediante instrumentos en linea, que miden propiedades tales como la turbidez, solidos en suspension,
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conductividad, demanda cationica, etc. Las medidas indirectas (denominadas tambien sensores blandos) se calculan a partir de medidas en linea y/o fuera de lmea mediante, por ejemplo, el modelo EL o el modelo de regresion. Las medidas indirectas pueden sustituir instrumentos caros o inexistentes en linea midiendo las propiedades del liquido. Estas medidas pueden utilizarse en modo predictivo indicando el cambio del area de funcionamiento.
En una realizacion, la configuracion del dispositivo para el control de la dosificacion automatica de productos quimicos en el tratamiento de liquidos comprende uno o mas modelos y controladores de adaptacion, y se usa un indice que describe las propiedades del liquido para modificar la superficie de control de un controlador de ecuacion linguistica (EL), y la adaptacion se define con un modelo de ecuacion linguistica, para controlar la dosificacion de productos quimicos mediante uno o mas controladores.
En otra realizacion, la configuracion del dispositivo para el control de la dosificacion automatica de productos quimicos para el tratamiento de liquidos comprende tambien un analizador inteligente para vigilar el proceso. El analizador inteligente es un modulo de software o dispositivo implementado que representa la medida de las rutinas de gestion.
En otra realizacion, el sistema comprende tambien medios registradores de datos y medios de conexion con la red de datos (por ejemplo, internet o LAN) para seguimiento de los controladores, vigilancia, control y optimization del proceso, y la actualization de los programas o medios para conectar con la red telefonica. En otra realizacion adicional, el sistema se configura para enviar un mensaje de alarma a un sistema remoto, por ejemplo, a un telefono movil, correo electronico, terminal remoto o cualquier otro sistema adecuado, cuando sea necesario, por ejemplo, si aparece un problema o para la solucion de problemas. En otra realizacion adicional, el sistema de adaptacion se basa en un funcionamiento remoto, llevado a cabo, por ejemplo, utilizando una red de datos. Los parametros de los modelos y controladores de adaptacion se pueden evaluar y actualizarse cuando sea necesario en un ordenador remoto. Los parametros nuevos se envian mediante la red de datos a un sistema controlador que comprende por ejemplo una comprobacion rutinaria para evaluar la exactitud de los parametros.
El metodo de acuerdo con la invention tambien se puede usar para el control de la dosificacion de productos quimicos en aplicaciones de retention, control de depositos, y prevention de espumas. La retention se refiere a la eficacia con la cual pequenas particulas (o aditivos) permanecen en el papel durante su formation en lugar de permanecer en el agua blanca. Los depositos se refieren a la acumulacion de material, que procede del agua o de las particulas en suspension, sobre superficies humedecidas en un sistema de maquina de papel o sobre cartoncillo. El metodo optimiza la eficacia del tratamiento quimico y la cantidad de productos quimicos. Ademas, los residuos se minimizan en las aplicaciones. Como resultado, disminuyen los costes del proceso.
El objetivo de la propia eficacia del tratamiento quimico depende de los requisitos del proceso. El tratamiento puede afectar ademas a la productividad de los procesos y a la calidad del producto. La dosis en exceso de productos quimicos puede producir un producto inaceptable en el proceso. El objetivo es anadir la cantidad de producto o productos quimicos que sean necesarios para optimizar el proceso y evitar problemas.
Los productos quimicos que se van a usar en el metodo de la presente invencion pueden ser cualesquiera productos quimicos adecuados para el proceso de tratamiento de liquidos utilizado. Algunos ejemplos de dichos productos quimicos son, pero no de forma limitativa, coagulantes, floculantes, oxidantes, reductores, adsorbentes, agentes dispersantes, antiespumantes y biocidas.
A continuation, se describira la invencion en detalle. La description se referira a los siguientes dibujos.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 muestra un dibujo esquematico de un indicador de la calidad del agua para el caso de ejemplo.
La Figura 2 es una grafica que representa el indice de pureza y la demanda cationica escalada.
La Figura 3 muestra un dibujo esquematico de un controlador de retroalimentacion donde los coeficientes C1-C3 son parametros de ajuste. VR significa valores reales y EL significa niveles linguisticos en el intervalo de [-2, 2].
La Figura 4 muestra un dibujo esquematico de un controlador de retroalimentacion adaptativo basado en la calidad del agua de entrada de acuerdo con el sensor blando en una aplicacion de tratamiento de aguas.
La Figura 5 muestra un dibujo esquematico de un modelo adaptativo generico.
La Figura 6 muestra un dibujo esquematico de un controlador de alimentation directa generico.
La Figura 7 muestra un dibujo esquematico de un controlador de alimentacion directa basado en la calidad del agua de entrada en una aplicacion de tratamiento de aguas.
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La Figura 8 muestra un dibujo esquematico del simulador dinamico desarrollado para la unidad de purificacion de agua.
La Figura 9a es una grafica que representa la fluctuacion de la calidad del agua durante en el ensayo de la planta el 17 de febrero de 2003 en el que la alimentacion de agua de entrada es constante.
La Figura 9b es una grafica que representa el rendimiento del nuevo controlador EL en la planta objeto de ensayo el 17 de febrero de 2003.
La Figura 9c es una grafica que representa las turbideces simuladas y medidas con los datos del ensayo del 17 de febrero de 2003.
La Figura 10a es una grafica que representa la situacion cuando la calidad del agua va empeorando y la alimentacion del agua de entrada es constante.
La Figura 10b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de un controlador de retroalimentacion comercial actual en la planta.
La Figura 10c es una grafica que representa las turbideces simuladas y medidas con los datos del ensayo del 10 de marzo de 2003.
La Figura 10d es una grafica que representa el rendimiento simulado del nuevo controlador de retroalimentacion EL en la fecha del 10 de marzo de 2003.
La Figura 11a es una grafica que representa la situacion cuando la calidad del agua mejora y la alimentacion del agua de entrada es constante durante el ensayo de fecha 21-22 de mayo de 2003.
La Figura 11b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de controladores de alimentacion directa y de retroalimentacion en fecha 21-22 de mayo de 2003.
La Figura 11c es una grafica que representa las turbideces medidas y simuladas en la fecha del 21-22 de mayo de 2003.
La Figura 11d es una grafica que representa el rendimiento simulado de los nuevos controladores de retroalimentacion y alimentacion directa EL en la fecha del 21-22 de mayo de 2003.
La Figura 12a es una grafica que representa la situacion en que la cantidad del agua tratada se reduce a la mitad durante el ensayo de fecha 13 de marzo de 2003.
La Figura 12b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de los nuevos controladores de retroalimentacion y alimentacion directa EL en fecha 13 de marzo de 2003.
La Figura 12c es una grafica que representa las turbideces medidas y simuladas en la fecha del 13 de marzo de 2003.
La Figura 13a es una grafica que representa la situacion en que la cantidad del agua tratada se duplica y la calidad del agua es mas bien constante.
La Figura 13b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de un controlador de retroalimentacion comercial actual en fecha 10-11 de marzo de 2003.
La Figura 13c es una grafica que representa las turbideces medidas y simuladas en la fecha del 10-11 de marzo de 2003.
La Figura 13d es una grafica que representa el rendimiento simulado del nuevo controlador de retroalimentacion EL sometido a ensayo en la fecha 10-11 de marzo de 2003.
La Figura 14a es una grafica que representa la situacion en que la cantidad del agua tratada se reduce a la mitad.
La Figura 14b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de los controladores de alimentacion directa y retroalimentacion comerciales actuales en fecha 4 de junio de 2003.
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La Figura 14c es una grafica que representa las turbideces medidas y simuladas en la fecha del 4 de junio de 2003.
La Figura 14d es una grafica que representa el rendimiento simulado de los nuevos controladores de retroalimentacion y alimentacion directa EL con fecha del 4 de junio de 2003.
La Figura 15a es una grafica que representa la calidad y la cantidad de agua de entrada en fecha 2-3 de junio de 2003.
La Figura 15b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento de los controladores de alimentacion directa y retroalimentacion comerciales actuales en fecha 2-3 de junio de 2003.
La Figura 16a es una grafica que representa la calidad y la cantidad de agua de entrada en fecha 1-2 de mayo de 2003.
La Figura 16b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento del controlador de retroalimentacion comercial actual en fecha 1-2 de mayo de 2003.
La Figura 17a es una grafica que representa la calidad y la cantidad de agua de entrada en fecha 5-6 de febrero de 2003.
La Figura 17b es una grafica que representa los resultados de un ensayo en el que se realizo una prueba del comportamiento del controlador de retroalimentacion comercial actual en fecha 5-6 de mayo de 2003.
Definiciones
Como se usa en el presente documento la expresion, "la calidad del liquido" describe las propiedades del liquido, que pueden ser medidas fisicas o quimicas en linea y/o analisis en linea o valores calculados, por ejemplo, a partir de una o mas medidas en linea/fuera de linea y/o el analisis del liquido, condiciones de proceso, consumo de productos quimicos, resultado del tratamiento y el objetivo de la eficacia del tratamiento. Los ejemplos de tipos especificos de estos tipos de propiedades calculadas son el indice de calidad y el indice de pureza, que se explican a continuacion. Las propiedades fisicas o quimicas pueden ser, por ejemplo, turbidez, conductividad, demanda cationica, pH, cantidad de solidos en suspension, sustancias extractivas o fosforo. La calidad del liquido puede expresarse como un indice o factor, que puede estar en forma numerica o linguistica.
Como se usa en el presente documento, el termino "indice de calidad" (IC) describe la calidad relativa del liquido que se va a tratar con productos quimicos. Ademas, el indice de calidad describe la cantidad de producto(s) quimico(s) necesario(s) para obtener el rendimiento de proceso deseado. El indice de calidad se puede utilizar en el control de alimentacion directa. Ademas, el indice de calidad ayuda a detectar el estado del proceso.
Como se usa en el presente documento, el termino "indice de pureza" (IP) es un tipo de indice de calidad, que describe el nivel de pureza relativo del liquido que entra en la unidad de tratamiento de liquidos. El indice de pureza describe la necesidad de productos quimicos para obtener el nivel deseado de pureza en el liquido saliente. Las medidas en linea normales conocidas en la tecnica tales como las medidas de los solidos en suspension no describen suficientemente bien el nivel de producto(s) quimico(s) necesario(s). El indice de pureza se correlaciona, por ejemplo, con las concentraciones de hemicelulosas solubles y sustancias extractivas. Estas concentraciones no se pueden observar en la medida de los solidos en suspension en linea del liquido entrante.
Como se usa en el presente documento, el termino "liquido" define cualquier sustancia que contiene una cantidad suficiente de fase liquida a utilizar en un metodo de la presente invencion. El liquido puede ser, por ejemplo, un liquido o suspension sustancialmente puro que contiene parficulas inorganicas y/o particulas organicas u otras sustancias, o algo entre estas dos opciones. Los ejemplos de liquidos son, pero no de forma limitativa, agua, agua residual, agua industrial, fangos o solidos en suspension, suspension de pulpa o cualquier otro liquido, tal como un disolvente u otro producto quimico.
Como se usa en el presente documento, el termino "tratamiento de liquidos" significa tratamiento del liquido mediante uno o mas productos quimicos, que se dosifican preferentemente de forma optima para alcanzar la eficacia requerida. Los procesos que siguen al proceso de tratamiento o la calidad del producto o las autoridades proporcionan los objetivos o los limites de la eficacia del tratamiento quimico. La dosificacion en exceso o la dosificacion por defecto de los productos quimicos se evitan mediante las acciones de control adecuadas. El tratamiento de liquidos puede incluir varias etapas de proceso, por ejemplo, coagulacion, floculacion, oxidacion, reduccion, adsorcion, absorcion, prevencion de espumas, control de depositos y/o separaciones.
La coagulacion es la desestabilizacion de las parficulas coloidales provocada por la adicion de un reactivo quimico conocido como coagulante. Las parficulas finas de una suspension chocan entre si y quedan adheridas.
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Usualmente, las particulas se atraen entre si mediante movimientos brownianos o mediante flujo (Water Treatment Handbook, Vol 1 y Vol 2, 1991, Degremont).
El coagulante es un producto quimico inorganico (anionico/cationico) u organico (polielectrolito), que neutraliza la carga superficial negativa o positiva (desestabilizacion) de las impurezas, tales como particulas coloidales. (Water Treatment Handbook, Vol 1 y Vol 2, 1991, Degremont).
La floculacion se refiere a la accion de polimeros en la formacion de puentes entre particulas en suspension o trabajando mediante modelos de parches, que producen fuertes aglomeraciones, relativamente irreversibles.
El reactivo denominado floculante o auxiliar floculante puede promover la formacion del floculo. El floculante puede ser un polimero inorganico (tal como silice activada), un polimero natural (almidon, alginato) o polimeros sinteticos (Water Treatment Handbook, Vol 1 y Vol 2, 1991, Degremont, Water Quality and Treatment, A Handbook of Community Water Supplies).
El oxidante puede ser cualquier agente oxidante conocido en la materia. Usualmente, el oxidante es un compuesto que produce espontaneamente oxigeno, por ejemplo, tanto a temperatura ambiente como con un calentamiento suave. Se usan generalmente oxidantes en el blanqueamiento y como parte de biocidas. Son ejemplos el peroxido de hidrogeno y el acido peracetico. El adsorbente es una sustancia que tiene la capacidad de condensar o mantener moleculas o iones que proceden de una solucion acuosa y permanecer en superficie. La bentonita es un ejemplo.
El agente dispersante es una sustancia tal como fosfato o acrilato que consigue que las particulas finamente divididas se separen y queden separadas entre si respecto a las otras en la suspension.
Los biocidas son aditivos quimicos disenados para inhibir el crecimiento de un microorganismo o destruir microorganismos, tales como bacterias u hongos perjudiciales formadores de limos. Los biocidas se usan generalmente en aplicaciones de control de depositos.
El antiespumante (agente antiespumante) es una sustancia utilizada para reducir la espuma debida a gases, materiales nitrogenados o proteinas, que pueden interferir con el procesamiento. Los ejemplos son alcoholes grasos de cadena larga, fosfatos organicos, fluido de silicona, etc.
Como se usa en el presente documento "controlador de retroalimentacion" denota cualquier controlador de retroalimentacion conocido en la materia. En general, el control por retroalimentacion es una operacion que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y el punto de consigna (o un estado deseado que varia arbitrariamente) produciendo la senal de accionamiento de tal manera que la salida regrese al valor deseado. Un sistema de control por retroalimentacion es un sistema que tiende a mantener una relacion prescrita entre la salida y el valor de referencia mediante su comparacion, y que usa la diferencia como medio de control. (Stephanopoulos: Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice, 1984, Prentice-Hall, p. 241-248)
Como se usa en el presente documento, controlador "de alimentacion directa" denota cualquier controlador de alimentacion directa conocido en la materia. En general, el control de alimentacion directa significa el control de los efectos de perturbaciones o los cambios de proceso medibles directamente que compensan aproximadamente sus impactos en el proceso de salida antes de que se materialicen. Esto es ventajoso especialmente en sistemas lentos, ya que, en un sistema de control por alimentacion directa usual, la accion correctora comienza solamente despues que la salida se haya visto afectada. (Stephanopoulos: Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice, 1984, Prentice-Hall, p. 411-427). El controlador de alimentacion directa puede optimizar tambien la relacion del consumo de productos quimicos cuando se usan dos o mas productos quimicos.
Un sistema de control, que puede ajustar sus parametros automaticamente de tal manera que compense las variaciones en las caracteristicas del proceso que controla, por ejemplo, los cambios de funcionamiento en estado estacionario deseados, se denominan adaptativos. En procesos no estacionarios, las caracteristicas cambian con el tiempo. El rendimiento optimo se mantiene ajustando parametros sobre la base de un criterio adicional. (Stephanopoulos: Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice, 1984, Prentice-Hall, p. 431438). En los sistemas de la presente invencion, la adaptation se lleva a cabo mediante el modelo de adaptation.
Como se usa en el presente documento, el termino "modelo de adaptacion" define el subsistema que modifica la superficie de control cambiando las condiciones de funcionamiento, que se definen por ejemplo mediante el indice de calidad, por ejemplo, el indice de pureza, y los requisitos del proceso, por ejemplo, el punto de consigna. Como se usa en el presente documento, el termino "adaptacion" incluye tambien procedimientos de modification predefinidos de los parametros del controlador, es decir, no se necesita el autoajuste en linea. La adaptacion se puede llevar a cabo por ejemplo con modelos de ecuacion linguistica (EL), que son especialmente ventajosos en sistemas complejos. La tecnica EL puede combinar datos y conocimientos para representar interacciones no lineales entre variables en forma de un modelo que es fenologicamente comprensible. Los controladores EL adaptativos funcionan en un amplio intervalo de condiciones de proceso. La adaptacion se basa en la detection del estado de
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proceso. Para sistemas sencillos, el modelo de ecuacion linguistica puede sustituirse por ejemplo por sistemas difusos o tecnicas de modelizacion convencionales.
Como se usa en el presente documento, sistema de control en "cascada" denota cualquier sistema de control en cascada conocido en la materia. El sistema de control en cascada es un sistema de control de bucle multiple donde un controlador maestro controla la variable primaria ajustando el punto de consigna de un controlador de variable secundaria relacionado (controlador esclavo). La variable secundaria afecta posteriormente a la variable primaria durante la totalidad del proceso. Las perturbaciones que surgen del bucle secundario se corrigen mediante el controlador secundario antes de que puedan afectar el valor de salida del controlador primario. Normalmente, solamente hay un unico controlador maestro y solamente un unico controlador esclavo, pero algunas aplicaciones se benefician del uso de mas de un controlador esclavo. (Stephanopoulos: Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice, 1984, Prentice-Hall, p. 395-402).
Como se usa en el presente documento "analizador inteligente" denota un modulo de software o dispositivo implementado que representa la medida de las rutinas de manipulacion, por ejemplo, medidas indirectas, analizadores de tendencias y deteccion de las condiciones de funcionamiento. Se pueden usar analizadores inteligentes junto con controladores.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se basa en un controlador de ecuacion linguistica no lineal (EL) cuya superficie de control esta modificada adaptativamente utilizando la information obtenida a partir de las propiedades del liquido y los requisitos del proceso por medio de un modelo de adaptation predefinido. El sistema de control comprende uno o mas controladores de retroalimentacion y/o de alimentation directa para controlar la dosificacion de los productos quimicos, modelos de adaptacion para llevar a cabo la adaptacion y, opcionalmente, analizadores inteligentes. Se puede usar un controlador en cascada para condiciones de funcionamiento especiales cuando se necesitan cambiar tambien los requisitos del proceso.
La invencion actual puede aplicarse a varias aplicaciones de dosificacion de uno o mas productos quimicos en sistemas liquidos tales como, pero sin limitation, tratamiento del agua, aguas residuales y aguas industriales, tratamiento de fangos (deshidratacion, espesamiento), retention y control de depositos. En estos sistemas liquidos, los productos quimicos se controlan mediante medidas que proporcionan respuesta a la dosificacion quimica. El liquido puede ser, por ejemplo, pero sin limitacion, agua, agua residual, agua industrial, fango, suspension, suspension de pulpa liquida o cualquier otro liquido, tal como cualquier otro disolvente o producto quimico.
Ecuaciones linguisticas
El metodo utilizado en la presente invencion es un metodo de ecuacion linguistica (EL) que es una herramienta comprehensible para la modelizacion no lineal y aplicaciones de control. La ecuacion linguistica (EL) contiene dos partes: las interacciones se gestionan con ecuaciones lineales, y la no linealidad se tiene en cuenta mediante definiciones de miembros. El modelo EL general puede presentarse de la siguiente forma.
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en la que la matriz X define los niveles linguisticos de las variables y la matriz A define la direction y la fuerza de las interacciones entre variables. El termino B de sesgo se puede usar para desplazar el modelo desde el origen. Se pueden tener en cuenta diferentes puntos de funcionamiento mediante las caracteristicas adaptativas. La FuzzEqu Toolbox del entorno Matlab proporciona rutinas para el desarrollo de modelos EL a partir de datos reales o basados en el conocimiento de los expertos. Este instrumento incluye la generation automatica de sistemas, tecnicas basadas en modelos y tecnicas de adaptacion (Juuso, 1999, Fuzzy control in Process Industry: The Linguistic equation approach. En: Verbruggen, H. B., Zimmermann, H.-J., Babuska, R., editores, Fuzzy Algorithms for Control, International Series in intelligent Technologies, pp. 243-300. Kluwer, Boston, USA).
Los niveles linguisticos de las variables de entrada se determinan por medio de definiciones de miembros. Estas definiciones escalan los valores reales de las variables hasta los niveles linguisticos en el intervalo de [-2 - +2]. Las definiciones de miembros comprenden dos funciones que aumentan de forma monotona. La primera funcion determina los valores linguisticos entre -2 y 0, y la segunda funcion determina los valores linguisticos entre 0 y 2. Como ejemplo, estas funciones pueden consistir en dos polinomios de segundo orden. Se usaron polinomios de segundo orden en los ejemplos comparativos. Las definiciones de los miembros pueden definirse tambien utilizando procesos expertos. (Jarvensivu et.al, 2001 Intelligent control of a rotary kiln fired with producer gas generated from biomass. Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol. 14, p. 629-653., Juuso, E.K. (2004). Integration of intelligent systems in development of smart adaptive systems. International Journal of Approximate Reasoning, 35, 307-337)
En el caso de definiciones de miembros polinomicas, el nivel linguistico de la variable de entrada j se calcula de acuerdo con la ecuacion 2.
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■ 2 p ~bj +tJ
ara Xj > max(xy)
'bf-Aafa-Xj)
** + J *-> 1 1
In)
lb]2 -4a)(Cj -Xj)
2 a~j - 2 para x} < min(x;)
para Cj < Xj < max(xj) para min(Xy) < Xj <Cj
imagen2
oT b~ b+
en la que UJ *ui *aj y son coeficientes de los polinomios, c,es el valor real que corresponde al valor linguistico 0 y Xj es el valor real. Los valores minimo y maximo de los datos reales son el min(Xj) y max(Xj) que corresponden a los valores linguisticos -2 y 2. Despues, el nivel linguistico del modelo de salida (Xsawa) se calcula de acuerdo con la ecuacion 1, se convierte al valor real de la salida (Xsai/da) utilizando la siguiente ecuacion:
_J asalida^salida salida ^salida + Csalida Para Xsalidd < ®
asalida-^salida + ^solidd^ salida Csa!ida Para ^iatidd ^ ®
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- t- +
donde ■ra,.Wn5 sallclc' y salida son coeficientes de los polinomios y el valor real Csa//da corresponde al valor
linguistico 0.
El ejemplo de la purificacion del agua
A continuation, la presente invention se describe con ejemplos donde se usa el metodo de acuerdo con la invention en la purificacion de agua en un proceso industrial. Se pretende que los siguientes ejemplos sean ilustrativos y se proporcionan para esclarecer la invencion y no deben considerarse como limitantes.
En una realization de la presente invencion, una unidad de purificacion se conecta a una circulation de agua interna en una industria forestal. La unidad se usa para eliminar los solidos en suspension y las sustancias extractivas del agua de proceso para reutilizar el agua en el proceso. El agua de proceso de entrada contiene generalmente muchos solidos en suspension, sustancias extractivas y sustancias anionicas. Las sustancias anionicas son principalmente solubles en agua, de forma que no pueden eliminarse mediante precipitation. Sin embargo, estas sustancias consumen productos quimicos para neutralizar la carga cationica. La calidad del agua de entrada a la flotation puede fluctuar en un amplio intervalo dependiendo de las condiciones de proceso. La circulacion del agua interna tiene tambien efectos sobre la calidad del agua de entrada.
Se alimentaron dos productos quimicos al agua de entrada antes del deposito. El coagulante neutraliza la carga de la superficie de las particulas. Esto permite que las particulas y los coloides puedan coalescer y formar pequenos floculos. El floculante forma puentes entre los floculos y aumenta el tamano del floculo. Parte del efluente clarificado se recircula, se presuriza, y se satura con aire. El agua recirculada se alimenta al deposito de flotacion a traves del dispositivo de liberation de presion. En el dispositivo, el aire se libera del agua a la presion atmosferica y se forman microburbujas. En la zona de reaction del deposito, las burbujas de aire se adhieren a los floculos. En la zona de separation, los aglomerados de burbujas-floculos flotan hacia la superficie, donde se eliminan mediante rascado metalico.
Algunas propiedades del agua se miden continuamente a partir del proceso. La concentration de solidos en suspension, conductividad, la temperatura y el caudal del agua de entrada se miden mediante sensores en linea. Ademas, un sensor blando en linea estima la calidad proporcional del agua de entrada. La turbidez y el pH se miden en el agua de salida. Las medidas de los solidos en suspension y la turbidez se basan en la intensidad de la luz retrodispersada a diferentes longitudes de onda desde las particulas y los coloides.
Se desarrollo el simulador dinamico para la unidad de purificacion. El principal objetivo del simulador era crear un entorno para desarrollar, someter a ensayo y ajustar los controladores y crear una herramienta para analizar el funcionamiento del proceso. El simulador incluye un modelo de ecuacion linguistica dinamico (EL) para el deposito de flotacion, controladores para dos productos quimicos y un indicador de la calidad del agua (Ainali I., Piironen M., Juuso E. (2002) Intelligent Water Quality Indicator for Chemical Water Treatment Unit. In Proceedings of SIMS 2002 - 43rd Conference on Simulation and Modeling, Oulu, Finlandia, 26-27 de septiembre). El simulador se construyo en Matlab Simulink.
El producto quimico de action rapida, el floculante, esta controlado por el controlador de retroalimentacion EL de tipo PI con un modelo de adaptacion. El cambio del control se calcula sobre la base del error y el cambio del error entre el punto de consigna de la turbidez y la turbidez medida. Los coagulantes que tienen efecto mas lento se controlan
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por el control de alimentacion directa basado en conocimientos. Otras alternativas de control del coagulante son el modelo EL en estado estacionario y un valor constante.
Modelo EL para la unidad de purificacion de agua
En general, se genera un modelo EL para la purificacion de agua a partir de los datos en linea. Las tecnicas de diseno experimental son medios eficaces para recoger datos en linea fiables. No es necesaria la modelizacion del proceso para la implementacion de controladores, pero puede facilitar el ajuste y el ensayo del sistema de control por adelantado.
En un caso de ejemplo, se utilizo un diseno compuesto central para el desarrollo de los modelos y a fin de evaluar el efecto de la dosificacion de productos quimicos en los resultados del tratamiento. Los productos quimicos se sometieron a ensayo en un amplio intervalo para encontrar los efectos reales de las variables. Se ensayaron las variables a cinco niveles diferentes para evaluar los efectos no lineales. La cantidad de experimentos (9) es moderada en comparacion con el diseno completo de factores de nivel cinco (25 experimentos).
Las variables de entrada del modelo son la concentracion de los solidos en suspension (55), el valor previo de la turbidez (turbin) y la cantidad de productos quimicos (coag, floc). La variable de salida es la turbidez (turbout). El coeficiente de interaccion de la variable j es aj. Las variables de entrada se escalan a los valores linguisticos mediante la ecuacion 2. El nivel linguistico de la turbidez de salida (Y) viene dado por la ecuacion 4.
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Este modelo basico preve la turbidez de salida bastante bien, cuando la calidad de agua de entrada es normal y estable. La falta de precision del modelo aumenta cuando la calidad del agua de entrada cambia mucho, por ejemplo, debido a los cambios de concentracion de sustancias anionicas en el agua de entrada. Estos cambios de concentracion no pueden siempre observarse con las medidas en linea usuales.
Se ha desarrollado un modelo multidinamico para evitar que se produzcan estos problemas en la precision del modelo basico. El modelo multidinamico comprende submodelos de diferentes condiciones de funcionamiento. Las estructuras de los submodelos son las mismas que las del modelo basico. Se incluye la misma matriz de interaccion en todos los submodelos. Esto es muy razonable porque las direcciones de las interacciones no varian considerablemente entre diferentes puntos de funcionamiento. Las diferencias entre los modelos se tratan con definiciones de miembros. El indicador de la calidad del agua selecciona un submodelo adecuado para cada condition de funcionamiento. El modelo multidinamico se usa cuando los controladores se desarrollan y ajustan en el simulador. El modelo multidinamico no se usa en el calculo del indice de calidad para el control.
El indice de calidad
El indice de calidad es un valor calculado que describe la calidad del agua de entrada. Generalmente, la calidad del agua de entrada cambia mucho en la unidad de tratamiento debido a los cambios de concentracion de las impurezas. Estos cambios de concentracion no pueden siempre observarse con las medidas en linea usuales. En estas situaciones, se usa el indice de calidad para vigilar la calidad del agua.
En general, un sensor blando basado en el modelo calcula el indice de calidad sobre la base de medidas y/o analisis en linea/fuera de linea, condiciones de proceso, el consumo de productos quimicos y/o el resultado de la purificacion. El modelo puede ser cualquier modelo conocido tal como un modelo mecanicista, el modelo de regresion o el modelo EL. Las medidas y el analisis tales como las propiedades fisicas o quimicas del liquido, caudales de liquidos y de productos quimicos son entradas del modelo. El modelo da como resultado una nueva propiedad que describe el nivel de producto quimico necesario.
En el ejemplo del caso, un indicador de la calidad del agua calcula el indice de pureza del agua de entrada. Un modelo basico para la unidad de purificacion es un nucleo del indicador de la calidad del agua. El indicador contiene tres etapas: el modelo basico, el calculo del error entre la turbidez de saluda medida (en linea) y la turbidez prevista y el escalado del error entre -2 y 2 (Figura 1). Si el error es positivo, la calidad del agua es menos pura que el valor promedio. Si el error es negativo, la calidad del agua es mas pura que el promedio. La calidad del agua promedio (normal) se ha definido utilizando datos en linea durante un periodo largo (un mes).
El indicador de la calidad del agua calcula el indice de pureza del agua de entrada en el intervalo de -2 a 2, que corresponde a las propiedades de extremadamente impura, impura, normal y pura a extremadamente pura. La demanda cationica del agua de entrada se correlaciona fuertemente con el indice de pureza del agua de entrada. La Figura 2 muestra que la demanda cationica esta disminuyendo y el agua de entrada se esta purificando (el indice de pureza aumenta desde impura a extremadamente pura) al mismo tiempo. De acuerdo con el analisis del laboratorio,
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la demanda cationica caracteriza principalmente la concentracion de las hemicelulosas anionicas. La demanda cationica se analizo a partir de muestras por medio del instrumento de laboratorio Mutec.
El controlador de alimentacion directa
El controlador de alimentacion directa tiene en cuenta por adelantado los cambios de proceso. Puede tambien optimizar consumos de productos qmmicos. Las variables de entrada del controlador son, por ejemplo, medidas directas y/o calculadas indirectas, que describen la calidad del agua de entrada y la necesidad de la dosificacion de producto quimico.
El controlador puede ser un modelo EL estatico o un controlador basado en conocimiento que es una forma simplificada del modelo EL estatico. El controlador basado en el modelo EL estatico puede expresarse en la siguiente ecuacion, donde Y es el valor lingutstico de la dosificacion quimica, ai es un coeficiente de interaccion y Xi es el valor lingmstico de las variables de entrada i, i=1 ...n.
? = --'-(a,Xl+a2X2+... + a„X„) (5)
an+1
El escalado entre valores reales y linguisticos se lleva a cabo mediante definiciones de miembros. Las dosificaciones quimicas adecuadas se pueden definir en las definiciones de miembros.
Si el numero de variables de entrada es pequeno y el efecto de las variables sobre las variables de salida es lineal, el modelo EL estatico puede simplificarse de tal manera que el escalado entre los valores real y linguistico no es necesario. Este tipo de controlador EL es lo que se denomina un controlador basado en el conocimiento (Figura 6). Se puede expresar en la siguiente ecuacion, donde y es el valor de la dosificacion quimica, ybasica es una dosificacion basica normal, Xi es el valor de una variable de entrada y Wi es el coeficiente ponderado de una variable de entrada i, i=1 ...n.
y = yb*s,c,+wlxi+-wnxn (6)
En un caso de ejemplo, el producto quimico que tiene un efecto lento se dosifica mediante alimentacion directa. El punto de consigna normal, xtsp, se consigue mediante la dosificacion basica cuando el agua de entrada es normal (el indice de pureza es 0). En el controlador basado en conocimiento, las diferencias en las condiciones de funcionamiento se gestionan con el indice de pureza del agua de entrada, xpi, y la diferencia entre el punto de consigna, xsp y el punto de consigna normal xtsp (Figura 7).
y = ybasica "*■ WPIXPI WSp (%Sp — XTSP ) (y~)
El controlador EL de alimentacion directa
El ajuste fino de la dosificacion quimica se lleva a cabo mediante el controlador de retroalimentacion EL de tipo PI. El cambio del control se calcula sobre la base del error y el cambio del error entre el punto de consigna de la turbidez y la turbidez medida (Figura 3).
Las variables de entrada del controlador EL de retroalimentacion son un valor del punto de consigna y una medida del agua de salida, por ejemplo, la turbidez. Esta medida debe describir el resultado del tratamiento de la unidad de purificacion. Debe tambien proporcionar la respuesta para el cambio de las dosificaciones quimicas.
El controlador EL puede expresarse en la siguiente ecuacion, donde Y es un valor linguistico, y es un valor real y ci son parametros de ajuste i, i=1, 2, 3. El escalado entre valores reales y linguisticos se lleva a cabo mediante definiciones de miembros.
cambio de control
^3 (^1 ^error ^2*^ cambio de error
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El controlador EL adaptativo
Un controlador EL adaptativo contiene el controlador EL y un modelo de adaptacion. El rendimiento del modelo de
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adaptacion se basa en la deteccion del estado del proceso mediante un modelo de adaptacion. El modelo adaptativo modifica la superficie de control de acuerdo con este conocimiento. El controlador EL ya gestiona las condiciones de funcionamiento no lineales. La adaptacion amplia adicionalmente el intervalo de funcionamiento del controlador sin cambiar el controlador. Por tanto, el controlador EL adaptativo puede funcionar en intervalos amplios de condiciones de proceso. Cada controlador de retroalimentacion y de alimentacion directa puede tener su propio modelo de adaptacion.
El modelo de adaptacion se basa en el modelo EL (Figura 5). Las variables de entrada son medidas directas y/o calculadas indirectas, que determinan el area de funcionamiento del proceso. La ecuacion calcula un coeficiente de adaptacion, que se multiplica con el cambio de control. El modelo EL de adaptacion puede expresarse en la siguiente ecuacion, donde Y es el valor linguistico del coeficiente de adaptacion, ai es un coeficiente de interaccion entre las variables y X, es el valor linguistico de las variables de entrada i, i=1 ...n.
r = -— (alXl+a2X2+... + a,Xj (10)
an+l
El escalado entre valores reales y linguisticos se lleva a cabo mediante definiciones de miembros.
En un caso de ejemplo, el coeficiente de adaptacion (Yc) se calcula mediante el modelo EL sobre la base del indice de pureza (Xpind) y el punto de consigna de la turbidez (Xsp) (Figura 4).
imagen5
El controlador de retroalimentacion con caracteristicas de adaptacion, que se usa en la realizacion preferida de la invention, se acomoda mucho mejor a las situaciones dinamicas que un controlador EL de retroalimentacion basico.
Cuando la calidad del agua es pura, el coeficiente de adaptacion disminuye el cambio del control a fin de evitar la oscilacion de la turbidez. Cuando la calidad del agua es impura, el coeficiente de adaptacion aumenta el cambio del control a fin de acelerar las acciones de control.
Metodos de ajuste
El ajuste de los parametros de control se lleva a cabo generalmente cuando se implementa el sistema de control. No es necesario ajustar los controladores en linea porque el principio de funcionamiento de los controladores EL es diferente al autoajuste del controlador PID, es decir, la modification de los parametros del controlador se basa en medidas directas o indirectas (sensores blandos, analizadores inteligentes) de una manera predefinida, por ejemplo, modelos de proceso o conocimiento heuristicos. El ajuste por adelantado facilita un funcionamiento rapido en el cambio de las condiciones de funcionamiento.
El ajuste y el ensayo de controladores es mas facil y rapido de hacer en el simulador en el caso de sistemas de control complicados. El simulador contiene un modelo de proceso dinamico y los controladores. Se utiliza un diseno generalmente experimental en el desarrollo del modelo, ya que los modelos se basan a menudo en datos.
El ajuste y el ensayo de controladores puede tambien llevarse a cabo en el proceso si los sistemas de control son sencillos, por ejemplo el controlador EL de retroalimentacion solo sin una caracteristica adaptativa predefinida.
En todas estas situaciones, se pueden usar de forma eficaz metodos basados en, por ejemplo, algoritmos de busqueda aleatorios (por ejemplo, algoritmo de quimiotaxias, algoritmo genetico) o de busqueda exhaustiva para ajustar los controladores en el proceso o en el simulador. Se puede usar tambien el metodo de ensayo y error para ajustar los controladores, por ejemplo, cuando el sistema de control es sencillo.
Control en cascada
Los sistemas controladores en cascada pueden necesitarse para recuperar o evitar problemas que se producen en algunos casos especiales. Como los controladores EL de retroalimentacion mantienen las variables controladas eficazmente en limites aceptables, el punto de consigna debe ajustarse a los requisitos de otros subprocesos, por ejemplo, las propiedades del liquido tratado deben estar comprendidas en limites especificos. Se puede usar tambien el control en cascada para la optimization del nivel de tratamiento junto con el proceso global. La cascada mejora el control de la retroalimentacion y de la alimentacion directa.
Ejemplos
Comparacion de ejemplos de ensayo
Se realizaron ensayos comparativos entre controladores PID de autoajuste comerciales y los nuevos controladores
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EL adaptativos de la presente invencion durante la primavera de 2003 en una unidad de purificacion de agua. La unidad se conecto a una circulacion de agua interna en una industria forestal. El agua del proceso de entrada contiene solidos en suspension, hemicelulosas, sustancias extractivas y sustancias inorganicas. La calidad del agua de entrada a la unidad de purificacion puede fluctuar en un amplio intervalo dependiendo de las condiciones de proceso. La circulacion del agua interna tiene tambien efectos sobre la calidad del agua de entrada. La unidad se usa para eliminar los solidos en suspension y las sustancias coloidales del agua de proceso. En los siguientes ensayos, la concentracion de los solidos en suspension en el agua de entrada, el caudal del agua de entrada y la turbidez del agua a la salida se midieron mediante sensores en linea. Las medidas de los solidos en suspension y la turbidez se basan en la intensidad de la luz retrodispersada a diferentes longitudes de onda (600 y 900 nm) desde las particulas y los coloides.
Se alimentaron dos polielectrolitos (Cheml, Chem2) al agua de entrada antes de la etapa de separacion. Cheml, que es un coagulante, neutraliza la carga sobre la superficie de las particulas. Esto permite que las particulas y los coloides puedan coalescer y formar pequenos floculos. Chem2, que es un floculante, forma puentes entre floculos y aumenta el tamano del floculo. Los floculos se eliminan del agua en la etapa de separacion. El resultado de la purificacion se sigue mediante un sensor en linea de la turbidez de salida. Los productos quimicos se han dosificado tanto mediante controladores PID de autoajuste como mediante controladores EL adaptativos nuevos de acuerdo con la presente invencion en la planta en ese momento.
La base del controlador comercial utilizado como comparador es un controlador PID de autoajuste disenado exclusivamente para el control de polimeros. La variable de control primaria se mide usualmente con sensores de turbidez o de solidos en suspension en linea. El rendimiento del controlador esta ocasionalmente limitado por las variaciones rapidas en las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, cambios rapidos de turbidez) si el mecanismo de adaptacion no puede trabajar adecuadamente.
Los controladores comerciales y los nuevos controladores de la presente invencion se sometieron a ensayo por separado en la planta. No se pueden repetir exactamente condiciones de funcionamiento similares para los controladores debido a la compleja circulacion del agua interna. Algunos subprocesos tienen tambien un gran efecto sobre la cantidad y la calidad del agua. Por tanto, se han usado tambien simulaciones del proceso con nuevos controladores para la comparacion del rendimiento. El simulador desarrollado para la unidad de purificacion incluye un modelo de ecuacion linguistica dinamico (EL) para la unidad de purificacion, dos controladores para la dosificacion de productos quimicos y un sensor blando que describe la calidad relativa del agua de entrada (Figura 8). El modelo calcula la turbidez de salida sobre la base de dosificaciones quimicas, solidos en suspension en el agua de entrada y caudal del agua de entrada. Se ha ensayado el modelo dinamico con datos en linea recogidos de la planta. De acuerdo con estos ensayos, los modelos dinamicos generados proporcionan una buena prediccion de la turbidez de salida (Figuras 9c, 10c, 11c, 12c, 13c y 14c). El indicador de la calidad del agua es un modelo basado en un sensor blando. Calcula el indice de pureza del agua de entrada en el intervalo de -2 a 2, que corresponde a las propiedades del agua desde extremadamente impura, impura, normal, y pura a extremadamente pura.
Normalmente, la calidad y la cantidad del agua de entrada pueden cambiar bastante en un amplio intervalo. Muy frecuentemente, los cambios son muy rapidos. Mantener el resultado de la purificacion estable en situaciones dinamicas es un importante desafio para los controladores. En los siguientes ejemplos, el rendimiento de los controladores comerciales y el de los nuevos controladores EL adaptativos de la presente invencion se comparan entre si cambiando las condiciones de funcionamiento.
Definiciones de parametros en las Figuras de los ensayos comparativos
"Flujo de entrada" (%) describe la cantidad relativa de agua de entrada. El valor del 100 % corresponde a la capacidad maxima de la unidad de purificacion.
indice de pureza" describe la calidad del agua de entrada en el intervalo -2 y 2 (desde agua extremadamente impura a agua extremadamente pura).
"Turbidez" (NTU) describe la cantidad de sustancias coloidales en el agua de salida.
"Punto de consigna" (NTU) describe la turbidez de salida deseada.
"Dosificacion escalonada" describe cantidades relativas de productos quimicos. El valor 1 corresponde a la cantidad maxima de productos quimicos.
Ejemplo 1. Cambio den la calidad del agua de entrada
Ejemplo 1a. Comportamiento del nuevo controlador de retroalimentacion adaptativo de acuerdo con la invencion cuando la calidad del agua esta cambiando.
El nuevo controlador de retroalimentacion adaptativo LE puede reaccionar al cambio en la calidad del agua
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rapidamente, y puede mantener el valor del punto de consigna. No existe desplazamiento entre el valor medido y la turbidez del punto de consigna. El cambio en la calidad del agua de entrada tiene un efecto inmediato sobre la dosificacion qmmica porque el controlador de retroalimentacion reacciona rapidamente al error entre la turbidez y el punto de consigna.
En el ejemplo, el indice de pureza varia entre 1 y 1,6 (Figura 9a). Cuando el agua se esta volviendo, en primer lugar, ligeramente mas pura, la dosis quimica disminuye inmediatamente (mdice de pureza de 1,2 a 1,6). Cuando las impurezas del agua comienzan a aumentar ligeramente (indice de pureza de 1,6 a 1,0). El controlador de retroalimentacion aumenta el producto quimico y puede mantener el valor del punto de consigna (Figura 9b).
Ejemplo 1b. Comportamiento del controlador comercial cuando la calidad del agua esta cambiando.
El controlador de retroalimentacion comercial no puede mantener siempre el valor del punto de consigna cuando la calidad del agua de entrada comienza a cambiar, especialmente si el cambio es rapido. El controlador comienza a aumentar o disminuir el aporte de producto quimico demasiado lentamente. Como resultado, el error entre la turbidez medida y la de consigna puede ser significativo. Frecuentemente puede quedar una desviacion constante del valor del punto de consigna.
En el ejemplo, el agua de entrada es muy pura durante 5 horas (el indice de pureza es 2, muy pura) (Figura 10a). Despues, la calidad del agua se va volviendo impura, y se acerca al nivel normal de calidad del agua (el indice de pureza disminuye de 2 a 0). La Figura 10b muestra que el controlador de retroalimentacion comercial mantiene el punto de consigna cuando la calidad del agua es estable. Durante el cambio, el controlador aumenta demasiado lentamente la dosis del producto quimico. Como resultado, la dosis de producto quimico no es suficiente para mantener la turbidez de salida en el valor del punto de consigna.
De acuerdo con los resultados de la simulacion, el nuevo controlador de retroalimentacion adaptativo puede reaccionar al cambio en la calidad del agua mucho mas rapidamente y mantener el valor del punto de consigna (sin diferencia entre la turbidez medida y la de consigna, Figura 10d). La Figura 10c muestra que el modelo dinamico puede predecir la turbidez de salida bien durante esta prueba.
Ejemplo 1c. Comportamiento del controlador de alimentacion directa y de los controladores de retroalimentacion comerciales cuando la calidad del agua esta cambiando.
El controlador de alimentacion directa y los controladores de retroalimentacion comerciales pueden mantener bien el punto de consigna cuando la calidad del agua de entrada es estable. La turbidez se puede desviar del punto de consigna bastante cuando la calidad del agua cambia, como se puede observar en las Figuras 11a y 11b. De acuerdo con los resultados de la simulacion, los nuevos controladores pueden acercarse suavemente al punto de consigna en las mismas situaciones (Figura 11 d). La Figura 11c muestra que el modelo de simulacion es fiable y predice bien la turbidez medida.
Al principio, la calidad del agua de entrada es normal (el indice de pureza es 0). Pequenos picos en el indice de pureza (por ejemplo, de 0,5 a 0, de 0,5 a -0,25, de 0,8 a 0,1) conducen a picos de turbidez con los controladores comerciales, pero no con los nuevos controladores. Cuando el agua de entrada se vuelve mas pura (indice de pureza de -0,25 a 1), los controladores comerciales no pueden reaccionar suficientemente rapido a los cambios de turbidez. Los nuevos controladores funcionan mejor en esta situacion, de acuerdo con las simulaciones. Los nuevos controladores se acercan al punto de consigna mas rapidamente, y la desviacion desde el punto de consigna es menor. Ademas, los controladores comerciales ocasionan frecuentemente desviaciones del punto de consigna durante pequenas desviaciones en ciclos largos del nivel de impurezas al final del ensayo (el indice de pureza disminuye de 1 a las 08.00 hasta 0,7 a las 18.00). Esta desviacion no se observo con los nuevos controladores.
Ejemplo 2. La cantidad de agua esta cambiando
Ejemplo 2a. Comportamiento de ambos nuevos controladores cuando la cantidad de agua esta cambiando (mitad de la alimentacion de agua)
Los nuevos controladores pueden reaccionar a la disminucion a la mitad del flujo de entrada bastante bien (Figura 12a). Los controladores pueden mantener el valor del punto de consigna y no existe diferencia entre la turbidez medida y la de consigna como puede observarse en la Figura 12b.
En el ejemplo, el punto de consigna de la turbidez se disminuye a la vez que el flujo de entrada disminuye a la mitad debido a las demandas del proceso (optimization del flujo de fango). Antes del cambio, los controladores mantienen el punto de consigna muy bien. Durante el cambio del caudal, la dosis del Chem1 aumenta temporalmente a bastante alto porque la bomba quimica reacciona lentamente al cambio en el caudal de agua. Como resultado, la turbidez de salida tambien disminuye temporalmente. De lo contrario, la turbidez de salida sigue bien el punto de consigna.
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Ejemplo 2b. Comportamiento del controlador de retroalimentacion comercial cuando la cantidad de agua esta cambiando (doble de la cantidad de agua)
El cambio en la alimentacion de agua perturba el funcionamiento de la unidad de purificacion. La duplicacion de la alimentacion de agua es mas exigente para los controladores que su disminucion a la mitad, ya que la cantidad de agua aumenta en pocos minutos. Esto ocasiona una punta rapida en la turbidez de salida debido a la gran cantidad de agua a purificar. Ni los controladores comerciales, ni los controladores nuevos, pueden resolver completamente esta punta.
En el ejemplo, el controlador de retroalimentacion comercial dosifica el producto quimico (Chem2) durante la duplicacion de la alimentacion de agua (Figura 13a). Durante el cambio, el controlador de retroalimentacion reacciona demasiado debilmente a la punta de turbidez. Como resultado, la turbidez aumenta bastante (475 NTU). La Figura 13b muestra que el controlador de retroalimentacion comercial aumenta la dosis de producto quimico demasiado lentamente despues del cambio, por lo que permanece una diferencia entre la turbidez del punto de consigna y la medida.
De acuerdo con las simulaciones, el nuevo controlador de realimentacion esta funcionando mejor en esta situacion (Figura 13d). El controlador reacciona con mas fuerza a la punta de turbidez. Como resultado, la turbidez aumenta solamente hasta el valor de 350 NTU durante el cambio. Tras el cambio, el controlador de realimentacion mantiene el punto de consigna muy bien.
Ejemplo 2c. Comportamiento de ambos controladores comerciales cuando la cantidad de agua esta cambiando (mitad de la alimentacion de agua)
La disminucion a la mitad de la alimentacion de agua no perturba el funcionamiento de la unidad de purificacion tanto como la duplicacion de la alimentacion de agua. Por tanto, esta situacion deberia ser mas sencilla para los controladores. Cuando ambos controladores de retroalimentacion y alimentacion directa comerciales dosifican los productos quimicos durante el cambio en la alimentacion de agua, los cambios en la turbidez se resuelven mediante el controlador de alimentacion directa. Como resultado, la turbidez se puede desviar bastante de los valores del punto de consigna.
En el ejemplo, ambos controladores comerciales dosifican los productos quimicos. Durante la disminucion a la mitad de la alimentacion de agua, el controlador de alimentacion directa disminuye la turbidez (Figura 14a y 14b). Cheml actua sobre la turbidez mas lentamente que Chem2. Este es el modito por el que la turbidez disminuye por debajo del punto de consigna. Despues del cambio, los controladores mantienen el punto de consigna momentaneamente. Cuando el agua comienza a volverse impura, los controladores no reaccionan al aumento de turbidez. Como resultado, la diferencia entre la turbidez y el valor del punto de consigna se mantiene. El nuevo controlador de alimentacion directa reacciona al cambio de turbidez (Figura 14d). Como resultado, la turbidez no disminuye tanto como con los controladores comerciales. El controlador de alimentacion directa reacciona al cambio en la calidad del agua.
Ejemplo 3. Perturbaciones durante el uso del funcionamiento de los controladores comerciales
A veces pueden aparecer perturbaciones en el comportamiento del controlador de alimentacion directa y de los controladores de retroalimentacion comerciales, especialmente cuando la unidad de purificacion arranca o el caudal de entrada varia. En estos ejemplos, las dosis de los productos quimicos pueden permanecer en el limite inferior o superior.
Ejemplo 3a. El caudal de producto quimico permanece en el limite inferior.
La dosis de Chem1 queda en el limite inferior durante el arranque de la unidad de purificacion (Figura 15b). El controlador de retroalimentacion puede mantener el punto de consigna cuando el caudal de entrada de agua es bajo (aproximadamente un 40 %). Cuando el caudal de agua de entrada se duplica, la calidad del agua se va volviendo mas impura (Figura 15a). El controlador de alimentacion directa no puede mantener, en solitario, la turbidez del punto de consigna. La turbidez aumento por encima del punto de consigna debido a la baja dosificacion de Chem1.
Ejemplo 3b. El caudal de producto quimico permanece en el limite superior.
La dosis de Chem2 queda en el limite superior durante el arranque de la unidad de purificacion (Figura 16a y Figura 16b). Como resultado, el controlador de retroalimentacion no puede disminuir la dosis. Por tanto, la turbidez de salida estaba por debajo del punto de consigna. La perturbacion se resolvio manualmente disminuyendo la dosis de Chem2.
Ejemplo 3c. El caudal de producto quimico permanece en el limite inferior.
La Figura 17b muestra que la dosis de Chem2 permanece en el limite inferior cuando la cantidad de agua de entrada
disminuye a la mitad en pocos minutos (Figura 17a). Temporalmente, la turbidez del agua disminuye por debajo del punto de consigna. El controlador disminuye la cantidad de producto quimico, pero por algun motivo, la dosis sigue estando en el limite inferior durante varias horas, aunque la turbidez aumenta incluso por encima del punto de consigna. La cantidad de Chem2 es tan pequena que la eficacia de purificacion disminuye y la turbidez aumenta por 5 encima del punto de consigna. Sin embargo, el controlador no aumenta la cantidad de Chem2. Esta perturbacion en el controlador de alimentacion directa se resolvio manualmente aumentando la dosis de Chem2 temporalmente. La presente invencion se ha descrito con mayor enfasis sobre algunas de las realizaciones y aplicaciones preferidas. Sin embargo, sera evidente para los expertos en la materia que se pueden preparar y utilizar variaciones en las realizaciones preferidas, y que la invencion se puede llevar a la practica de otra forma que la descrita 10 especificamente en el presente documento dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (35)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para el control automatico de la dosificacion de uno o mas productos qmmicos en un sistema de tratamiento de liquidos, en el que las propiedades del Kquido se utilizan para modificar la superficie de control de un controlador de ecuacion lingu^stica (LE) de forma adaptativa para controlar la dosificacion de uno o mas productos quimicos al liquido mediante uno o mas controladores, caracterizado por que la adaptacion se lleva a cabo mediante un modelo de adaptacion predefinido.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha ecuacion linguistica es una ecuacion linguistica dinamica.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha ecuacion linguistica es una ecuacion linguistica estatica.
  4. 4. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que dicha ecuacion linguistica es una ecuacion linguistica no lineal.
  5. 5. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos uno de dichos controladores es un controlador de retroalimentacion.
  6. 6. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos uno de dichos controladores es un controlador de alimentacion directa.
  7. 7. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el ajuste del controlador comprende uno o mas controladores en cascada.
  8. 8. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dichas propiedades del liquido se describen mediante un indice de calidad.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 8, caracterizado por que dicho indice de calidad es un indice de pureza.
  10. 10. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho liquido es agua.
  11. 11. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho sistema de tratamiento de liquidos es un sistema de depuracion de agua.
  12. 12. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dichos productos quimicos son coagulantes, floculantes, oxidantes, reductores, adsorbentes, agentes dispersantes, biocidas o antiespumantes o combinaciones de los mismos.
  13. 13. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dichas propiedades del liquido se definen a partir del liquido de entrada.
  14. 14. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dichas propiedades del liquido se definen a partir del liquido de salida.
  15. 15. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha adaptacion se realiza mediante el modelo EL.
  16. 16. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1-15, caracterizado por que dicha adaptacion se realiza mediante un modelo difuso.
  17. 17. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha adaptacion esta basada en una operation remota.
  18. 18. Una disposition de dispositivos para el control automatico de la dosificacion de productos quimicos en un sistema de tratamiento de liquidos en la que las propiedades del liquido estan dispuestas para modificar de forma adaptativa la superficie de control de un controlador de ecuacion linguistica (EL), para controlar la dosificacion de productos quimicos mediante uno o mas controladores, caracterizada por que la adaptacion esta dispuesta para llevarse a cabo mediante uno o mas modelos de adaptacion predefinidos.
  19. 19. La disposicion de dispositivos de la reivindicacion 18, caracterizada por que dicha ecuacion linguistica es una ecuacion linguistica dinamica.
  20. 20. La disposicion de dispositivos de la reivindicacion 18, caracterizada por que dicha ecuacion linguistica es una ecuacion linguistica estatica.
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  21. 21. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-20, caracterizada por que dicha ecuacion linginstica es una ecuacion linginstica no lineal.
  22. 22. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-21, caracterizada por que al menos uno de dichos controladores es un controlador de retroalimentacion.
  23. 23. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-22, caracterizada por que al menos uno de dichos controladores es un controlador de alimentacion directa.
  24. 24. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-23, caracterizada por que el ajuste del controlador comprende uno o mas controladores en cascada.
  25. 25. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-24, caracterizada por que dichas propiedades del liquido se describen mediante un indice de calidad.
  26. 26. La disposicion de dispositivos de la reivindicacion 25, caracterizada por que dicho indice de calidad es un indice de pureza.
  27. 27. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-26, caracterizada por que dicho liquido es agua.
  28. 28. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-27, caracterizada por que dicho sistema de tratamiento de liquidos es un sistema de depuracion del agua.
  29. 29. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-28, caracterizada por que dichos productos quimicos son coagulantes, floculantes, oxidantes, reductores, adsorbentes, agentes dispersantes, biocidas o antiespumantes o combinaciones de los mismos.
  30. 30. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-29, caracterizada por que dichas propiedades del liquido se definen a partir del liquido de entrada.
  31. 31. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-30, caracterizado por que dichas propiedades del liquido se definen a partir del liquido de salida.
  32. 32. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-31, caracterizada por que dicha adaptacion esta dispuesta para su realizacion con el modelo EL.
  33. 33. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-31, caracterizada por que dicha adaptacion esta dispuesta para su realizacion con un modelo difuso.
  34. 34. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-33, caracterizada por que dicha adaptacion esta basada en una operacion remota.
  35. 35. La disposicion de dispositivos de cualquiera de las reivindicaciones 18-34, caracterizada por que comprende ademas un analizador inteligente.
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