Automatické řízení chemické oxidace pro účel sanací lokalit kontaminovaných kyanidy Helena Burešová 1, Zbyněk Křivánek 2, Marek Musil 2, Zdeněk Formánek 1, Vladimír Kočí 3 1 GIS-GEOINDUSTRY, s. r. o., Tleskačova 1329/16, 323 00 Plzeň e-mail: buresova@geoindustry.cz 2 České centrum pro vědu a společnost z.s.p.o., Radlická 28/663, 150 00 Praha 5 3 Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28 Praha 6 Souhrn V rámci projektu TAČR s názvem Komplexní řešení pro sanace lokalit kontaminovaných kyanidy byl vytvořen systém měření některých vstupních a výstupních parametrů upravované vody, telemetrické sledování činnosti zařízení a nastavování jeho funkčních parametrů. Výsledkem je software pro kontrolu technologie na lokalitě a její automatické řízení. Úkol byl řešen za použití modulové stavebnice průmyslového vestavného počítače, který umožňuje sběr dat pomocí desek periferií specifických pro danou aplikaci sběr dat z analogových čidel (analogově digitální převodník) a obecných digitálních vstupů (stav zařízení, impulsní čítač). Obslužný software je založen na operačním systému pro vestavěné aplikace s nástavbou pro sběr senzorových dat. Klíčová slova: automatické řízení, chemická oxidace, sanace kontaminovaných lokalit 1 Úvod Kyanidy ve vodách mohou být účinně rozkládány pomocí tzv. pokročilých oxidačních procesů (advanced oxidation processes AOP). Jedním z typů AOP je kombinace UV záření a chemické oxidace peroxidem vodíku (H 2 O 2 ). V rámci projektu TAČR s názvem Komplexní řešení pro sanace lokalit kontaminovaných kyanidy bylo sestrojeno oxidačního zařízení k rozkladu kyanidů pomocí H 2 O 2 a UV. Nejdříve byly parametry technologie optimalizovány v laboratorních podmínkách, ve druhé části práce pak byly provedeny ověřovací testy zařízení v poloprovozním měřítku. K poloprovoznímu testování zařízení byla vybrána lokalita průmyslového areálu v ČR, na níž se nachází podzemní voda silně kontaminovaná kyanidy. Oxidační zařízení je uvedeno na zjednodušeném schématu na obrázku 1. Jedním z cílů projektu bylo vytvoření systému měření některých vstupních a výstupních parametrů upravované vody, telemetrického sledování činnosti zařízení a nastavování jeho funkčních parametrů. Výsledkem je software pro kontrolu technologie na lokalitě a její automatické řízení.
Obrázek 1: Schéma oxidačního zařízení. 1 čerpání z vrtu, 2 dávkování NaOH, 3 míchací nádrž na rovnání ph, 4 čerpadlo, 5 dávkování H2O2, 6 UV reaktory, 7 reakční nádrž, 8 odtok do recipientu 2 Řídící systém 2.1 Základní zapojení Měřící a vizualizační systém sestává z měřících sond ph a oxidačně-redukčního potenciálu na vstupu, měřících sond ph a oxidačně-redukčního potenciálu na výstupu, bezpotenciálového kontaktu připojeného na impulsní vodoměr kontaminované vody, kontaktu dávkovače peroxidu vodíku, bezpotenciálového kontaktu řídících jednotek jednotlivých lamp UV a vlastní procesní a zobrazovací jednotky datového koncentrátoru. 2.1.1 Zobrazovací a řídící jednotka Hlavní implementované sdružené funkce zobrazovací jednotky: Sběr dat z jednotlivých senzorů Dočasné uložení sbíraných dat i interní paměti flash a trvalé na microsd kartu ve formátu csv. Prezentace dat na displeji v uživatelský přehledné formě, možnost přepínaní jednotlivých pohledů na data, časový graf dat, časové porovnání souvisejících měření Nezávislé odesílaní dat na internetový server bezdrátovým spojením (GPRS, případně WiFi) a jejich dlouhodobá archivace databázovým serverem Pro realizaci zobrazovací jednotky byl zvolen komponentní počítačový systém MORT (vestavný počítačový systém realizovaný Českým centrem pro vědu a společnost). Systém je sestaven z jednotlivých desek poskytující danou funkcionalitu, které jsou navzájem spojeny do sendvičové konstrukce (nad sebe mechanické spojení) propojené interním datovým vícepinovým konektorem (elektrické spojení).
Obrázek 2: Celkový pohled na monitorovací a řídící jednotku 2.1.2 Software Operační systém Jednotka používá operační systém ChibiOS (operační systém, http://www.chibios.org ) RTOS (real time operating system) pro embedded systémy ve verzi 2.6.2. Operační systém je šířen pod licencí General Public License (GNU všeobecná veřejná licence). Aplikační software Aby bylo možné využít různé typy senzorů a jejich obsluhu unifikovat, využívá aplikace sadu knihoven s jednotným aplikačním interfacem, které se mohou chovat jako přístupový bod k senzoru nebo jako filtr, či konvertor dat. Filtry lze při definici zpracování dat neomezeně řetězit, na počátku řetězce však musí být vždy senzor. Řetězec se definuje pomocí konfiguračního souboru konfiguračních proměnných. Sběr měření je iniciován výhradně uplynutím časového intervalu, který může být pro každý senzor jiný. Pokud má více senzorů požadavek na čtení ve stejný čas, jsou senzory obslouženy postupně, pořadí je dáno umístěním popisu senzoru v konfiguračních proměnných. Případný výběr na základě změřených hodnot (spouštění záznamu měření událostí) je možné zařadit následným filtrem. Získaná data jsou ukládána do interního bufferu a poté rozesílána jednotlivým serverovým aplikacím (hlavní a záložní server) transportním protokolem sensob (senso binary, proprietární protokol navržený pro přenos malých objemů různorodých dat pomocí pomalé a nespolehlivé linky). Serverový přijímač může být lokální běžící přímo v zobrazovací jednotce nebo umístěný v internetu databázový plnič nebo aplikace pvserveru běžící na serveru. Rozesílání dat běží v samostatném programovém vlákně a je tedy nezávislé na vlastním sběru dat. Cílem rozesílaní je obecná unifikovaná fronta dat, jejíž zpracování je specifické podle určení:
display data ve frontě jsou zobrazována lokálně na displeji jednotky podle předpisu (soubor.svg, viz dále, se specifickými objekty) send data jsou odesílána na server ve specifickou dobu (viz konfigurační proměnné). Mezi jednotlivými odesílacími relacemi jsou data uložena do interní flash paměti a nejsou tak ztracena ani v případě restartu systému. Paměť může obsahovat až 1000 záznamů senda stejné jako send, ale data jsou posílána na alternativní server. Může sloužit jako záloha při nefunkčnosti primárního serveru nebo jako prosté kopírování dat history krátká historie měřených dat. Zobrazuje se v případě vyvolání grafu měřených dat. Data jsou uložena v separátní části datové flash, při jejím zaplnění jsou přepisována nejstarší data store data jsou zapisována na vloženou mikrosd kartu ve formátu CSV (čárkou oddělené hodnoty). Obrázek 3: Schéma toku dat v jednotce monitorovacího a řídícího systému 3 Uživatelský software 3.1 Celkové schéma Na obrázku 4 je celkové schéma zařízení na oxidaci kyanidů. Postup znečištěné vody je zleva doprava. SB-01 je vlastní zobrazovací a řídící jednotka, SB-02 je rozvaděč 230V. Další hydraulické a elektrické prvky jsou popsány v legendě a dále v textu. 3.2 Funkce 3.2.1 Přehled měřených veličin WL-01 hladina vody v čerpacím vrtu C-01 ph, RedOx vstupní vody FM-1 průtok vstupní vody WL-2 hladina vody v akumulační nádrži AKU-01
C-02 ph, RedOx vody po úpravě ph FM-2 průtok vody na vstupu UV reaktoru SB UV-A, SB UV-B monitorování provozu UV lamp WL-3 hladina vody v akumulační nádrži AKU-02 C-03 ph, RedOx výstupní vody T-1 teplota okolí RL-1 hladina NaOH v zásobníku RL-2 hladina H 2 O 2 v zásobníku Obrázek 4: Celkové schéma oxidačního zařízení 3.2.2 Ručně zadávané hodnoty velikost vstřiku NaOH velikost vstřiku H 2 O 2 Vzhledem k tomu, že obě dávkovací čerpadla mají DP-01 a DP-02 mají mechanické nastavení velikosti vstřiku, je nutno obě hodnoty zadat do zobrazovací a řídící jednotky (SB-O1) pomocí výběru v menu a ovládacích tlačítek. Nastavené hodnoty se používají pro přepočet počtu impulzů na skutečný průtok dávkovaného činidla. 3.2.3 Přehled ovládaných výstupů dávkování NaOH upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku NaOH při daném průtoku vody
dávkování H 2 O 2 upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku H 2 O 2 při daném průtoku vody havarijní zastavení havarijní zastavení a vypuštění vody ze systému. Dávkování reagentů Funkce dávkování reagentů musí být vždy zadána pro každou lokalitu samostatně, protože tato funkce je silně závislá na konkrétních podmínkách lokality a na konkrétním typu vody, takže je napevno předepsána uživatelem na základě předběžných testů. Tato funkce se vkládá do zobrazovací a řídící jednotky formou upgrade softwaru. Dávkování NaOH V závislosti na naměřených vstupních hodnotách ph a RedOx a manuálně zadané velikosti vstřiku NaOH je podle vložené funkce určeno množství NaOH na jednotku množství vody. Množství NaOH je definováno jako doba funkce / počtu vstřiků NaOH. Pokud je určená doba vstřikování delší než interval mezi impulsy označujícími jednotku množství vody, je generováno upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku NaOH / průtoku vody. Dávkování H 2 O 2 V závislosti na naměřených hodnotách ph a RedOx po redukci ph a manuálně zadané velikosti vstřiku H 2 O 2 je podle vložené funkce určeno množství H 2 O 2 na jednotku množství vody. Množství H 2 O 2 je definováno jako doba funkce / počtu vstřiků NaOH. Pokud je určená doba vstřikování delší než interval mezi impulsy označujícími jednotku množství vody, je generováno upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku H 2 O 2 / průtoku vody. Havarijní zastavení K havarijnímu zastavení může dojít v následujících případech: dlouhotrvající upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku NaOH / průtoku vody dlouhotrvající upozornění na nevyhovující nastavení velikosti vstřiku H 2 O 2 / průtoku vody vyčerpání zásoby NaOH vyčerpání zásoby H 2 O 2 naměřené hodnoty ph a RedOx jsou mimo povolený rozsah. Havarijní zastavení a vypuštění vody ze systému V případě poklesu teploty pod 0 C dojde k havarijnímu zastavení systému a vypuštění vody pomocí elektromagnetických ventilů ze všech částí zpět do zdrojového vrtu. Následné spuštění je nutno provést obsluhou. 4 Závěr Byla navržena a ověřena celková funkčnost software zařízení na oxidaci kyanidů. Ověřování funkce, testování a vylepšování bude pokračovat v roce 2015 v projektovém bloku s názvem Vytvoření komplexního nástroje pro management lokalit kontaminovaných kyanidy. Poděkování Práce vznikla s finanční podporou programu Alfa Technické agentury České republiky, v rámci projektu TA03021286 Komplexní řešení pro sanace lokalit kontaminovaných kyanidy.