Gemelo digital centrifugadora de fango
La utilización de gemelos digitales para simular el comportamiento de un proceso, en situaciones poco habituales, puede resultar de gran utilidad en procesos donde no es sencillo realizar muchas pruebas. Se ha desarrollado el gemelo digital de una máquina para centrifugar fango, que separa la parte sólida del agua que posteriormente se tratará para su uso en aplicaciones de riego.
Antecedentes
Los Gemelos Digitales (GD) son representaciones virtuales y dinámicas de sistemas, productos o servicios que permiten simular, con mayor o menor grado de detalle, el comportamiento de estos incluso antes de existir físicamente. Para crear estas representaciones virtuales se debe establecer en un lenguaje comprensible a nivel computacional la relación causa-efecto entre los elementos fundamentales del sistema a reproducir. La forma de establecer estas relaciones puede ser diversa en función de si se trata de un proceso que no existe o uno ya existente.
Este proyecto se plantea en una estación depuradora de aguas residuales (EDAR), cuyo proceso principal es la separación de sólidos del fango de entrada mediante centrifugado, y el tratamiento posterior del líquido para su reutilización como agua de riego. El objetivo es conocer la respuesta del proceso de depuración ante el aumento de la cantidad de materia sólida en el fango de entrada, y las cantidades de polielectrolito (aglomerante) que hacen más eficiente el proceso
La empresa dispone de un sistema de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) que permite la visualización, en tiempo real, de algunas de las variables más relevantes que afectan a la depuración de lodos. Se dispone de algunos sensores instalados, que vuelcan los datos en un controlador lógico programable (PLC), el cual a su vez se comunica con el software SCADA para presentar dichos datos en la pantalla de control.
Como variable de salida se encuentran el peso del residuo sólido, y la calidad del líquido escurrido, valores que se miden puntualmente en laboratorio al menos una vez al día.
Además, se están midiendo algunas variables de funcionamiento de la máquina centrífuga, tales como la temperatura de los rodamientos del tambor.
Resultados – Innovación
A partir de la extracción de datos del proceso mediante sensores, y su posterior análisis, se ha creado el gemelo digital del proceso, que permite tanto la visualización de las variables de funcionamiento en tiempo real, como visualizar situaciones simuladas.
Se crea el modelo digital con una arquitectura de seis capas (física, extracción y almacenamiento de datos (local), comunicaciones, almacenamiento (cloud), análisis y visualización e interacción) que permite reproducir su funcionamiento en modo SCADA o en modo SIMULACIÓN
La adquisición de datos se realiza mediante la instalación de sensores externos adicionales: sensores de vibración para los rodamientos, sensores de temperatura para ambos rodamientos, analizador de red para evaluar el consumo y una sonda de sólidos en suspensión para medir la concentración de fango en la entrada.
El tratamiento de datos e implementación de los sistemas de analítica predictiva se ha realizado a través de un servidor cloud. Para el análisis predictivo se ha utilizado Tensorflow, una librería de Pyhton que implementa distintos algoritmos de aprendizaje automático. Se ha hecho uso de la tecnología transfer learning para la reducción de los tiempos de entrenamiento.
Para la visualización del proceso y la realización de simulaciones se desarrolló interfaz HMI basada en realidad virtual, aunque una vez finalizado el proyecto se ha concluido que este tipo de interfaces no son las más adecuadas en un entorno industrial, ya que se pierde contacto con el entorno real y puede resultar incluso peligroso. Se considera más adecuado el uso de una interfaz más tradicional, en una pantalla táctil por ejemplo, que permite interaccionar con el simulador pero sin perder de vista el entorno real.
Impacto
Con este proyecto se ha desarrollado una metodología para generar gemelos digitales en procesos de depuración de aguas residuales, con algunas limitaciones que se describirán seguidamente.
Hasta la fecha, la EDAR únicamente puede realizar pruebas mediante la alteración real del proceso de depuración, con todos los inconvenientes que esto supone.
En la medida en que se vayan perfeccionando los resultados del simulador, se dispone de una herramienta que permite optimizar este tipo de proceso en cuanto a consumo de fungibles, por ejemplo, sin necesidad de realizar pruebas de forma continua.
Incluso se puede predecir, para determinadas condiciones de funcionamiento, cuál va a ser el resultado del proceso o cómo reaccionará la máquina centrifugadora en caso de que se modifiquen las características del fango de entrada. De alguna forma, este conocimiento puede ayudar a prevenir funcionamientos anómalos de la máquina o del proceso, pudiéndose generar un manual de actuación ante diversas situaciones poco habituales.
Entidades colaboradoras
Instituto Tecnológico Metalmecánico, Mueble, Madera y Embalaje – AIDIMME https://www.aidimme.es
Empresa de depuración de aguas
Entidades financiadoras
IVACE (IMDEEA/2021/52)
