Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2015...
130
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2015 – 2016 Ontwikkelen van een, op LabVIEW ® gebaseerd, sturingsprogramma voor een actief slib pilootreactor Koen Huyghe Promotor: Prof. dr. ir. Stijn Van Hulle Promotor/Tutor: Ing. Joël Hogie Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de industriële wetenschappen: chemie
Transcript of Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2015...
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2015 – 2016
Ontwikkelen van een, op LabVIEW® gebaseerd, sturingsprogramma voor een actief slib pilootreactor
Koen Huyghe
Promotor: Prof. dr. ir. Stijn Van Hulle
Promotor/Tutor: Ing. Joël Hogie
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master in de industriële wetenschappen: chemie
I
AUTEURSRECHT
De auteur, de promotoren en de tutor geven de toelating deze masterproef voor
consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk
ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met de
verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze
masterproef.
Kortrijk, juni 2016
De auteur,
Koen Huyghe
De promotor, De promotor/tutor,
Stijn Van Hulle Joël Hogie
II
INHOUDSTAFEL
Auteursrecht .............................................................................................................. I
Inhoudstafel ............................................................................................................. II
Woord vooraf .............................................................................................................V
Lijst van afkortingen en symbolen ............................................................................. VI
Lijst van tabellen ..................................................................................................... VII
Lijst van figuren ..................................................................................................... VIII
Abstract (Nederlands) ............................................................................................. XIII
Abstract (English) ................................................................................................... XIV
Inleiding .................................................................................................................... 1
Hoodstuk 1: Literatuurstudie ................................................................................... 2
1. Inleiding .......................................................................................................... 2
2. Conventioneel actief slibproces .......................................................................... 3
2.1 Algemeen principe ..................................................................................... 3
2.2 Nutriëntenverwijdering ............................................................................... 4
3. Membraanbioreactor ....................................................................................... 10
3.1 Inleiding ................................................................................................. 10
3.2 Membraanmodule .................................................................................... 11
3.3 Configuratie ............................................................................................ 12
Hoodstuk 2: Materiaal en Methoden ...................................................................... 15
1. Inleiding ........................................................................................................ 15
2. Opbouw van een actief slib pilootreactor .......................................................... 16
III
2.1 Algemeen overzicht .................................................................................. 16
2.2 Sensoren................................................................................................. 21
2.3 Programmable Logic Controller ................................................................. 30
2.4 Overige elementen ................................................................................... 32
3. Phoenix Contact ............................................................................................. 40
3.1 PC WorX ................................................................................................. 40
3.2 PC WorX installeren en opstarten .............................................................. 43
3.3 Aan de slag met PCWorX .......................................................................... 44
4. Ole for Process Control (OPC) .......................................................................... 54
4.1 Inleiding ................................................................................................. 54
4.2 PHOENIXCONTACT.AX-SERVER.21 ............................................................ 55
5. LabVIEW ....................................................................................................... 59
5.1 Inleiding ................................................................................................. 59
5.2 LabVIEW installeren en opstarten .............................................................. 60
5.3 Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module .................................... 61
5.4 Aan de slag met LabVIEW ........................................................................ 65
Hoodstuk 3: Resultaten en Discussie ..................................................................... 75
1. Vereisten ....................................................................................................... 75
2. Ontwerp ........................................................................................................ 75
2.1 Niveauregeling ........................................................................................ 75
2.2 Temperatuurregeling ................................................................................ 77
2.3 Zuurstofregeling ...................................................................................... 78
2.4 Zuurtegraadregeling ................................................................................. 79
2.5 Werkmethode .......................................................................................... 81
2.6 Opslag van gegevens ............................................................................... 83
IV
2.7 Vlottend gemiddelde ................................................................................ 85
3. Implementatie ............................................................................................... 86
3.1 Front Panel ............................................................................................. 86
3.2 Block Diagram ......................................................................................... 88
4. Testen ........................................................................................................... 90
4.1 Testen op basis van water ........................................................................ 90
4.2 Testen op basis van 0,01 m% CaCO3 oplossing .......................................... 93
Besluit ..................................................................................................................... 95
1. Algemeen ...................................................................................................... 95
2. Aanbevelingen voor toekomstig onderzoek ....................................................... 95
Referenties .............................................................................................................. 97
Bijlage ..................................................................................................................... 99
Bijlage 1: kalibratievoorschrift zuurstof-transmitter ................................................ 100
Bijlage 2: kalibratievoorschrift pH-transmitter ........................................................ 101
Bijlage 3: ontwerp “weergave van de totale looptijd” ............................................. 103
Bijlage 4: ontwerp “timerfunctie” .......................................................................... 103
V
WOORD VOORAF
De realisatie van deze thesis zou niet mogelijk zijn geweest zonder de hulp van een aantal
personen en daarom wil ik van de gelegenheid gebruik maken om hen te bedanken.
In de eerste plaats gaat mijn grootste dank uit naar mijn twee promotoren Dhr. Joël
Hogie en Dhr. Stijn Van Hulle, voor hun begeleiding en goede raad tijdens de realisatie
van deze thesis gedurende het afgelopen jaar.
Voor de informatie omtrent de programmatie van de PLC en de configuratie van de OPC
server bedank ik graag Dhr. Dieter Vandenhoeke. Dhr. Sergei Gusev wil ik ook bedanken
om me op weg te helpen met het grafisch programmeerprogramma LabVIEW.
Tenslotte wil ik ook nog mijn ouders bedanken omdat ze me de kans hebben gegeven om
deze studies aan te vatten en voor de steun die ik gedurende deze periode van hen
kreeg.
VI
LIJST VAN AFKORTINGEN EN SYMBOLEN
DAQ data acquisition
DC gelijkstroom
EPDM ethyleen-propyleen-copolymeer en dieenmonomeer
IEC International Electrotechnical Commission
LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
LAN Local Area Network
mA milliampère
mV millivolt
OEM Original Equipment Manufacturer
OLE Object Linking and Embedding
OPC OLE for Process Control
pH zuurtegraad
PLC Programmable Logic Controller
psi Pound-force per Square Inch
R weerstand
RPM omwentelingen per minuut (rounds per minute)
RWZI rioolwaterzuiveringsinstallatie
V volt
VFA Volatile Fatty Acids
VI Virtual Instrument
VII
LIJST VAN TABELLEN
Tabel 1-1: procesparameters voor het nitrificatieproces ................................................. 8
Tabel 1-2: procesparameter voor het denitrificatieproces ............................................... 8
Tabel 1-3: belangrijkste voor- en nadelen van een membraanbioreactor ....................... 11
Tabel 1-4: belangrijkste kenmerken van externe en interne MBR-systemen ................... 14
Tabel 2-1: de drie werkgebieden van PC WorX ........................................................... 40
Tabel 2-2: beschrijving van enkele knoppen van de knoppenbalk van het Front Pannel en
het Block Diagram .................................................................................................... 68
Tabel 2-3: overzicht van de kleuren van enkele veel gebruikte datatypes ...................... 69
Tabel 2-4: binaire voorstelling van de gemeten grootheid (12 bit resolutie) ................... 70
Tabel 2-5: overzicht van een aantal “Structures” (deel 1) ............................................ 73
Tabel 2-6: overzicht van een aantal “Structures” (deel 2) ............................................ 74
VIII
LIJST VAN FIGUREN
Figuur 1-1: schematische voorstelling van een conventionele waterzuiveringsinstallatie .... 3
Figuur 1-2: schematische voorstelling van een conventioneel actief slibsysteem .............. 3
Figuur 1-3: één-slibsysteem met pre-denitrificatie ......................................................... 6
Figuur 1-4: één-slibsysteem met post-denitrificatie ....................................................... 7
Figuur 1-5: twee-slibsysteem met pre-denitrificatie ....................................................... 7
Figuur 1-6: gemodificeerd Bardenpho proces voor de gezamenlijke verwijdering van COD,
P en N ....................................................................................................................... 9
Figuur 1-7: schematische voorstelling van een drukgedreven membraanproces ............. 10
Figuur 1-8: actief slibmembraanreactor met een intern opgestelde membraanmodule .... 12
Figuur 1-9: actief slibmembraanreactor met een extern opgestelde membraanmodule ... 13
Figuur 2-1: oorspronkelijke membraanbioreactoropstelling .......................................... 16
Figuur 2-2: de huidige opstelling van de actief slib pilootreactor ................................... 17
Figuur 2-3: schematische voorstelling van de actief slib pilootreactor ............................ 18
Figuur 2-4: schematische voorstelling conventioneel actief slibsysteem ......................... 20
Figuur 2-5: schematische voorstelling membraanbioreactor ......................................... 20
Figuur 2-6: polysilicium dunne film druksensor ........................................................... 21
Figuur 2-7: [a] opbouw van een piëzo-resistieve druksensor (links); [b] Wheatstone-brug
(rechts) ................................................................................................................... 22
Figuur 2-8: resistieve temperatuursensor (Pt100)........................................................ 23
Figuur 2-9: meetprincipe van een capacitieve niveaumeter .......................................... 24
Figuur 2-10: opbouw en eigenschappen van 101 Flo-Sen debietmeter .......................... 25
Figuur 2-11: Clark-elektrode voor de bepaling van opgeloste zuurstof ........................... 26
IX
Figuur 2-12: Mycom-O (zuurstoftransmitter) ............................................................... 27
Figuur 2-13: analoge pH-Sensor Orbisint CPS11 .......................................................... 27
Figuur 2-14: Mycom-P (pH transmitter) ...................................................................... 28
Figuur 2-15: tweepuntskalibratiecurve van een pH-elektrode ....................................... 28
Figuur 2-16: Liquisys M (pH/redox transmitter) ........................................................... 29
Figuur 2-17: “ILC 150 ETH” - structuur en opbouw ..................................................... 30
Figuur 2-18: “ILC 150 ETH” controller met analoge en digitale uitbreidingsmodules ....... 31
Figuur 2-19: membraanventiel (Gemü 613) ................................................................ 32
Figuur 2-20: werkingsprincipe van een membraanpomp: pomp in rust (links), zuigwerking
(midden) en perswerking (rechts) .............................................................................. 33
Figuur 2-21: Iwaki Metering Pump (voedingspomp) .................................................... 33
Figuur 2-22: [a] Sandpiper PB ¼ -A type 3 (circulatiepomp); [b] 3/2-weg mini-
magneetventiel ........................................................................................................ 34
Figuur 2-23: werkingsprincipe peristaltische pomp ...................................................... 34
Figuur 2-24: [a] 102FD/R fixed/variable speed DC pump (links); [b] OEM speed control
board (rechts) .......................................................................................................... 35
Figuur 2-25: schakelkast van de bestaande membraanbioreactor ................................. 37
Figuur 2-26: voorkant zelfgebouwde schakelkast ........................................................ 38
Figuur 2-27: achterkant zelfgebouwde schakelkast ...................................................... 39
Figuur 2-28: werkgebied “IEC programming” .............................................................. 41
Figuur 2-29: werkgebied “Bus configuratie” ................................................................ 42
Figuur 2-30: werkgebied “Process data assignment” ................................................... 42
Figuur 2-31: activatie basislicentie PC WorX ............................................................... 43
Figuur 2-32: project templates .................................................................................. 44
Figuur 2-33: situatieschets configuratie PLC’s ............................................................. 45
Figuur 2-34: IP configuratie van de PC ....................................................................... 45
X
Figuur 2-35: activatie communicatie tussen PC en PLC ................................................ 46
Figuur 2-36: testen van de communicatie tussen controller en PC ................................ 46
Figuur 2-37: “Connected Bus” onder het menu “View” ................................................. 47
Figuur 2-38: “Connected Bus” venster ........................................................................ 47
Figuur 2-39: importeren van de INTERBUS modules .................................................... 48
Figuur 2-40: toekennen van de juiste INTERBUS modules............................................ 49
Figuur 2-41: creëren van globale variabelen ............................................................... 50
Figuur 2-42: naamgeving globale variabelen ............................................................... 50
Figuur 2-43: toekennen van de globale variabelen aan de INTERBUS-modules .............. 51
Figuur 2-44: toekennen van de globale variabelen aan de onboad in- en outputmodules 52
Figuur 2-45: openen van het "Variable Properties" venster .......................................... 52
Figuur 2-46: “Variable Properties” venster van een onboard digital output .................... 53
Figuur 2-47: “Project Control Dialog” venster .............................................................. 53
Figuur 2-48: schematische voorstelling communicatie d.m.v. drivers ............................. 54
Figuur 2-49: schematische voorstelling communicatie d.m.v. OPC standaard ................. 55
Figuur 2-50: aanvinken “OPC” in variabelen lijst .......................................................... 56
Figuur 2-51: instellen van het type en IP adres van de PLC .......................................... 56
Figuur 2-52: contact maken met de PhoenixContact.AX-Server.21 ................................ 57
Figuur 2-53: toevoegen van alle Items in de OPC test Client ........................................ 57
Figuur 2-54: overschrijven van een Item Value ........................................................... 58
Figuur 2-55: Front Panel en Block Diagram van het besturingsprogramma van de actief
slib pilootreactor ...................................................................................................... 59
Figuur 2-56: het “Getting Started” scherm van LabVIEW (versie 2015) ......................... 61
Figuur 2-57: schematische voorstelling van de communicatie tussen PLC en LabVIEW via
de OPC technologie .................................................................................................. 61
Figuur 2-58: toevoegen van de OPC client I/O server aan een project .......................... 62
XI
Figuur 2-59: configuratie van de OPC Client I/O Server ............................................... 62
Figuur 2-60: creëren van de “Bound Variables” (deel 1)............................................... 63
Figuur 2-61: creëren van de “Bound Variables” (deel 2)............................................... 63
Figuur 2-62: aanpassen type van de “Bound Shared Variables” .................................... 64
Figuur 2-63: het Project Explorer scherm met de toegevoegde “Bound Shared Variables”
.............................................................................................................................. 64
Figuur 2-64: toevoegen van “Bound Shared Variables” aan een VI ............................... 65
Figuur 2-65: het “Context Help” venster ..................................................................... 65
Figuur 2-66: toevoegen van een Virtual Instrument (VI) aan het project ....................... 66
Figuur 2-67: Controls Palette (links), Functions Palette (midden) en Tools Palete (rechts)
.............................................................................................................................. 67
Figuur 2-68: de kop van het Front Panel (boven) en de kop van het Block Diagram
(onder) ................................................................................................................... 67
Figuur 2-69: binaire voorstelling van de gemeten grootheid (12 bit resolutie) ................ 69
Figuur 2-70: opbouw van de vergelijkingen voor de debietmeter van het effluent en de
druksensoren ........................................................................................................... 70
Figuur 2-71: pH in functie van de analoge meetwaarde ............................................... 71
Figuur 2-72: de zuurstofconcentratie (mg/l) in functie van de analoge meetwaarde ....... 71
Figuur 2-73: omzetten van de analoge meetwaarden met behulp van de functie “Formula”
naar de gemeten grootheid ....................................................................................... 72
Figuur 2-74: binaire voorstelling van output-waarde (16 bit resolutie) ........................... 72
Figuur 3-1: ontwikkelingsproces van het besturingsprogramma .................................... 75
Figuur 3-2: Flowchart niveauregeling ......................................................................... 76
Figuur 3-3: ontwerp oorspronkelijke niveauregeling .................................................... 76
Figuur 3-4: ontwerp finale niveauregeling .................................................................. 77
Figuur 3-5: Flowchart temperatuurregeling ................................................................. 77
Figuur 3-6: ontwerp temperatuurregeling ................................................................... 78
XII
Figuur 3-7: Flowchart zuurstofregeling ....................................................................... 78
Figuur 3-8: ontwerp zuurstofregeling ......................................................................... 79
Figuur 3-9: Flowchart zuurtegraadregeling met zuur ................................................... 79
Figuur 3-10: Flowchart zuurtegraadregeling met base ................................................. 80
Figuur 3-11: ontwerp zuurtegraadregeling .................................................................. 80
Figuur 3-12: Flowchart uitvoeren van membraanfiltratie bij constante druk ................... 81
Figuur 3-13: Flowchart uitvoeren van membraanfiltratie bij constant effluentdebiet ....... 82
Figuur 3-14: ontwerpregeling van de aanstuurbare klep .............................................. 83
Figuur 3-15: ontwerp opslag van gegevens ................................................................ 84
Figuur 3-16: configuratie van de “Set Dynamic Data Attributes” ................................... 84
Figuur 3-17: configuratie van de “Save To Measurement File” ...................................... 85
Figuur 3-18: berekenen van het vlottende gemiddelde van vijf opeenvolgende metingen
met behulp van “Shift Register” ................................................................................. 85
Figuur 3-19: printscreen van het Front Panel .............................................................. 86
Figuur 3-20: het tabbladmenu van de gebruikersinterface ........................................... 87
Figuur 3-21: gebruikersinterface voor de automatische of manuele aansturing van de klep
.............................................................................................................................. 87
Figuur 3-22: printscreen van het Block Diagram .......................................................... 89
Figuur 3-23: cross flow membraanmodule (dimensie: 270 mm x 270 x 50; filtrerend
oppervlak: 0,04 m2).................................................................................................. 90
Figuur 3-24: druk in functie van het openingspercentage van de aanstuurbare klep ....... 91
Figuur 3-25: druk voor en na de membraanmodule i.f.v. de tijd (openingspercentage
klep: 60%) .............................................................................................................. 91
Figuur 3-26: het effluentdebiet i.f.v. de druk bij zuiver water ....................................... 92
Figuur 3-27: het effluentdebiet i.f.v. de druk bij een 0,01 m% CaCO3 mengsel .............. 93
Figuur 3-28: membraanfiltratie van 0,01 m% CaCO3 mengsel; ongefilterd staal (links);
gefilterd staal (rechts) .............................................................................................. 94
XIII
ABSTRACT (NEDERLANDS)
Een veel gebruikte techniek om biodegradeerbare organische verontreinigingen uit
afvalwater te verwijderen is een aerobe biologische waterzuivering op basis van
biologische oxidatie met actief slib. Actief slib is een mengsel van microscopische
organismen die bij voldoende zuurstof de organische verontreinigingen oxideren tot
koolstofdioxide (CO2), water (H2O) en biomassa.
Een conventioneel actief slibsysteem is opgebouwd uit een beluchte biologische tank
waarin de biologische afbraak van de organische verontreinigingen plaatsvindt en een
nabezinktank, waarin het slib van het behandelde afvalwater wordt gescheiden. Wanneer
er niet genoeg ruimte is voor de bouw van de beluchtings- en nabezinktanks, is een
membraanbioreactor een goed alternatief. Een membraanbioreactor is een compacte
afvalwaterzuiveringsinstallatie die de technieken van actief slib en membraanfiltratie voor
de scheiding van het water/slibmengsel met elkaar combineert.
Aerobe biologische afvalwaterzuiveringssystemen zijn tegenwoordig verregaand
geautomatiseerd. Vooraleer een afvalwaterzuiveringsinstallatie wordt opgestart, worden
er op laboschaal met behulp van een pilootopstelling analyses uitgevoerd. Zo wordt o.a.
de biologische afbreekbaarheid van het te behandelen afvalwater getest. Op basis van de
analyseresultaten kan de processturing worden geoptimaliseerd.
In deze thesis werd een, op LabVIEW® gebaseerd, sturingsprogramma voor een actief
slib pilootreactor ontwikkeld. Bij de pilootopstelling kan zowel bezinking in een
nabezinktank als membraanfiltratie als scheidingstechniek van het water/slibmengsel
worden toegepast. Met behulp van diverse sensoren wordt de zuurtegraad, temperatuur,
concentratie aan opgeloste zuurstof en het vloeistofniveau in de biologische tank bepaald.
De sensoren zijn gekoppeld aan een Programmable Logic Unit (PLC). De communicatie
tussen de PLC en LabVIEW® verloopt door middel van de OPC (OLE for Process Control,
waarin OLE staat voor Object Linking and Embedding). Via het sturingsprogramma
worden alle metingen met een bepaalde meetfrequentie geregistreerd en opgeslagen. Op
basis van deze metingen wordt de pilootreactor door LabVIEW® aangestuurd zodat de
gemeten parameters gedurende de waterzuivering nagenoeg constant blijven. In het
sturingsprogramma werd er ook een controlesysteem voor membraanfiltratie voorzien
zodat deze kan verlopen bij een constante druk of een constant effluentdebiet. Na de
programmatie van het sturingsprogramma werd de werking van de volledige
pilootopstelling aan de hand van enkele validatietesten gecontroleerd en uitgetest.
XIV
ABSTRACT (ENGLISH)
An aerobic biological water purification based on biological oxidation with active sludge is
a common technique to remove biodegradable organic components from wastewater.
Active sludge is a mixture of microscopic organisms. If sufficient oxygen is present, these
organisms are able to oxidise organic components into carbon dioxide (CO2), water (H2O)
and biomass.
A conventional active sludge system consists of an aeration tank, which is used for
biological degradation of the organic components, and a sedimentation tank, where the
sludge is separated from the treated wastewater. A membrane bio-reactor can be used as
an alternative if there is not enough space for the construction of the aerationtanks and
secondary clarifiers. A membrane bio-reactor is a compact wastewater purification system
that combines the techniques of active sludge and membrane filtration for the separation
of the water/sludge mixture.
Present aerobic biological wastewater treatment systems are highly automated. Before a
wastewater treatment plant can be started up, some tests with a pilot reactor are needed.
For example the biodegradability of the wastewater can be tested on laboratory scale.
The test results are used to optimise the process control system.
In this thesis a LabVIEW® based control program was developed for an active sludge pilot
reactor. This set-up can use both the secondary clarifier and the membrane filtration
technique for the separation of the water/sludge mixture. The pH, temperature, dissolved
oxygen and the liquid level in the biological tank are measured with the help of various
sensors. The sensors are all linked to a Programmable Logic Unit (PLC). With the help of
the OPC (OLE for Process Control) technology, the PLC and LabVIEW® are able to
communicate with each other. The control program is programmed to record and store all
measurements with a measuring frequency. On the basis of these measurements, the
pilot reactor is controlled by LabVIEW® to ensure that the measured parameters remain
constant during the wastewater purification process. A control system for membrane
filtration was incorporated in the control program so that it can proceed at a constant
pressure or at a constant effluent flowrate. Some validation tests were performed after
the development of the control program in order to test and verify the pilot set up.
1
INLEIDING
Eén van de belangrijkste voorwaarden voor het leven op aarde is de aanwezigheid van
water. Water is niet alleen belangrijk voor het natuurlijk leefmilieu van talloze dieren en
planten, maar het vervult ook tal van maatschappelijke functies. Bij de uitvoering van
activiteiten in de landbouw en visserij, industrie, huishouden, transport en recreatie,
komen verontreinigingen in het water terecht. Deze verontreinigingen brengen
ecologische problemen met zich mee, waardoor het water niet meer geschikt is voor
bepaalde toepassingen zoals drinkwater, proceswater, koelwater, enz.
Rivieren en waterlopen beschikken van nature over een zelfreinigend vermogen. In het
water zijn er tal van micro-organismen (bacteriën, protozoa, enz.) en waterplanten
aanwezig die verontreinigingen uit het water kunnen opnemen. Heterotrofe aerobe micro-
organismen die massaal in het water voorkomen zullen bij de aanwezigheid van
voldoende zuurstof de organische verontreinigingen oxideren tot koolstofdioxide (CO2),
water (H2O) en biomassa. Waterplanten nemen minerale bestanddelen zoals nitraten,
sulfaten en fosfaten als voedingsstoffen op. Het zelfreinigend vermogen van rivieren en
waterlopen is echter niet eindeloos en kan al vlug worden aangetast door het lozen van
bepaalde afvalstoffen. Daarom is het noodzakelijk om afvalwater eerst te zuiveren
vooraleer het geloosd wordt.
De zuivering van huishoudelijk afvalwater in een rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) is
grotendeels gebaseerd op het natuurlijk zelfreinigend vermogen van rivieren en
waterlopen. Dergelijke aerobe biologische zuiveringssystemen zijn tegenwoordig
verregaand geautomatiseerd. Vooraleer een installatie wordt opgestart, worden er op
laboschaal met behulp van een pilootopstelling analyses uitgevoerd. Zo wordt o.a. de
biologische afbreekbaarheid van het te behandelen afvalwater getest. Op basis van de
analyseresultaten kan de processturing worden geoptimaliseerd.
In het laboratorium van de vakgroep Industriële Biologische Wetenschappen binnen de
UGent Campus Kortrijk worden dergelijke pilootopstellingen o.a. gebruikt in het onderzoek
naar de ontwikkeling en toepassing van nanovezelmembranen voor de waterbehandeling
van afvalwater (Daels, 2015). Het doel van deze thesis was om een sturingsprogramma in
LabVIEW® te ontwikkelen voor een bestaande pilootreactor waarmee de verschillende
procesparameters zoals de pH, concentratie aan opgeloste zuurstof, temperatuur, enz.
opgevolgd kunnen worden en indien nodig automatisch bijgeregeld.
2
HOODSTUK 1:
LITERATUURSTUDIE
1. Inleiding
Het actief slibproces is de meest gebruikte biologische zuiveringsmethode van afvalwater.
Tijdens het proces wordt het binnenkomend afvalwater met actief slib gemengd. Actief
slib is een conglomeraat van verschillende soorten micro-organismen zoals bacteriën,
protozoa en rotiferen. Wanneer er voldoende zuurstof aanwezig is, worden organische
verontreinigingen zoals vetten, eiwitten en suikers door de micro-organismen geoxideerd
tot koolstofdioxide (CO2) en water (H2O). Bij deze afbraakprocessen (dissimilatie) komt
energie vrij die nodig is om de verschillende levensprocessen van de micro-organismen te
onderhouden. Zo wordt er een gedeelte van de vrijgekomen energie samen met het
organisch substraat verbruikt voor de vorming van nieuw celmateriaal (assimilatie).
(EMIS, 2010)
Dit biologisch zuiveringsproces wordt o.a. toegepast bij de zuivering van huishoudelijk
afvalwater in een rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI). Figuur 1-1 geeft een
schematische voorstelling weer van de opbouw van een conventionele
waterzuiveringsinstallatie. In een conventionele waterzuiveringsinstallatie wordt
huishoudelijk afvalwater in een tweetal stappen behandeld.
[1] Mechanisch-fysische zuivering (primaire zuivering)
Bij de eerste stap in het zuiveringsproces worden grof vuil en onoplosbare stoffen
(bijv. zand, vetten en oliën) uit het afvalwater verwijderd. Deze primaire zuivering
kan het gebruik van roosters, een vetvanger, een zandvanger, voorbezinktank en
fysico-chemische voorzuiveringstechnieken zoals coagulatie-flocculatie omvatten.
[2] Biologische zuivering (secundaire zuivering)
Bij de tweede stap in het zuiveringsproces worden de overgebleven opgeloste,
colloïdale en fijn zwevende organische deeltjes verwijderd. De biologisch
afbreekbare stoffen worden met behulp van micro-organismen zoveel mogelijk
afgebroken. Anorganische componenten zoals stikstof (N) en fosfor (P) worden ook
tijdens de biologische zuivering verwijderd.
Eventueel kan er een derde stap (tertiaire zuivering) aan de waterzuivering worden
toegevoegd. Tijdens deze stap kunnen colloïdale, niet bezinkbare zwevende stoffen en
micropolluenten uit het afvalwater worden verwijderd. (Metcalf & Eddy, 2003)
3
Figuur 1-1: schematische voorstelling van een conventionele waterzuiveringsinstallatie
2. Conventioneel actief slibproces
2.1 Algemeen principe
Een conventioneel actief slibsysteem (figuur 1-2) is opgebouwd uit twee componenten,
namelijk een beluchtingsbekken en een nabezinktank. In het beluchtingsbekken wordt het
effluent van de primaire zuivering gemengd met actief slib. Om het actief slib onder zo
gunstig mogelijke voorwaarden te laten werken, wordt er met behulp van beluchters
voldoende zuurstof in het afvalwater gebracht. Het actief slib wordt door agitatie met
behulp van mechanische roerders of samengeperste lucht in suspensie gehouden.
Na een bepaalde verblijftijd in het beluchtingsbekken wordt het water/slibmengsel naar
een nabezinktank gevoerd om het actief slib af te scheiden. Een gedeelte van het
bezonken slib wordt teruggevoerd naar het beluchtingsbekken (retourslib), terwijl het
andere gedeelte (spuislib) wordt afgevoerd naar een slibverwerkingsinstallatie.
(Vandecasteele & Block, 2006)
Figuur 1-2: schematische voorstelling van een conventioneel actief slibsysteem
4
Voor een goede werking van het actief slibproces is het zeer belangrijk dat er een goede
bezinking van het biologische slib in de nabezinker plaats vindt. Het bezinkingsproces is
echter een gevoelig proces dat door allerlei factoren kan worden beïnvloed.
Bij slecht bezinkbaar slib bestaat de kans dat het slib gaat uitspoelen. Dit heeft hogere
concentraties aan zwevende stoffen, organische stoffen, nutriënten en metalen in het
effluent tot gevolg. Hierdoor wordt het slibgehalte in het beluchtingsbekken meestal
beperkt tot ongeveer 2 à 6 g/l. (Gruwez, 2012)
De temperatuur van het te behandelen water ligt bij een actief slibsysteem meestal
tussen de 15 en 35°C. Afvalwater dat sterk zuur of basisch is, moet gecorrigeerd worden
tot een optimale zuurtegraad tussen 6,5 en 8,5. Indien de zuurtegraad kleiner is dan pH 6
treedt er remming op van bepaalde bacteriologische processen. Wanneer de zuurtegraad
groter is dan pH 9,5 stopt het iedere bacteriologische omzetting.
Voor een optimale groei van de micro-organismen is het belangrijk dat het afvalwater
biologisch goed afbreekbaar is. De biologische afbreekbaarheid van het afvalwater kan
met behulp van een pilootopstelling op laboschaal worden uitgetest. Actief slibsystemen
zijn over het algemeen ongevoelig, maar er kan inhibitie van het proces optreden door de
aanwezigheid van hoge concentraties aan zouten of specifieke chemicaliën.
Door de lange verblijftijd in de tank, het relatief lage slibgehalte en een groot verreist
oppervlak voor de nabezinking, is de installatie relatief groot. Dit is het grootste nadeel
van een conventioneel actief slibsysteem. (EMIS, 2010)
2.2 Nutriëntenverwijdering
Door gebruik te maken van een actief slibsysteem kunnen organische verbindingen op
een eenvoudige biologische wijze uit het afvalwater worden verwijderd. Om de kwaliteit
van het zuiveringsproces te garanderen, worden parameters zoals het biologisch
zuurstofverbruik (BZV) en het chemisch zuurstofverbruik (CZV) bepaald en opgevolgd.
Wanneer het biologisch en het chemisch zuurstofverbruik voldoet aan bepaalde normen
kan het afvalwater worden geloosd of is het geschikt voor een verdere behandeling.
Het effluent van de zuiveringsinstallatie moet voldoen aan lozingsnormen voor bepaalde
nutriënten zoals stikstof en fosfor. Door het inbouwen van anaerobe en anoxische zones
in het conventioneel actief slibsysteem kunnen geschikte procescondities worden
gecreëerd om naast de verwijdering van organische bestanddelen ook stikstof en fosfor
op een biologische manier te verwijderen.
5
2.2.1 Stikstofverwijdering
Stikstof komt in afvalwater hoofdzakelijk voor onder de vorm van complexe organische
verbindingen (bijv. eiwitten, nucleïnezuren en ureum). De rest van de aanwezige stikstof
komt voor als ammonium en in mindere mate onder de vorm van nitraat.
De verhouding NH3 en NH4+ is pH- en temperatuurafhankelijk. Door het biologisch
nitrificatieproces wordt ammonium geoxideerd tot nitraat, wat kan leiden tot eutrofiëring.
[1] biologische omzetting van ammoniak tot nitraat (nitrificatie)
Nitrificatie is een biologisch proces waarbij ammonium geoxideerd wordt tot nitraat. Het
proces verloopt in twee stappen:
[1] In een eerste stap wordt ammonium door aerobe chemo-autotrofe bacteriën
(Nitrosomas) geoxideerd tot nitriet (NO2-).
NH4++ 1,5 O2 → NO2
- + 2 H+ + H2O + 275 kJ (Nitrosomas) [vgl. 1-1]
[2] Tijdens de tweede stap wordt nitriet door aerobe chemo-autotrofe bacteriën
(Nitrobacter) geoxideerd tot nitraat (NO3-).
NO2- + 0,5 O2 → NO3
- + 75 kJ (Nitrobacter) [vgl. 1-2]
1 g ammoniumstikstof vereist 4,57 g zuurstof om volledig omgezet te worden tot
nitraatstikstof. De energie die bij deze reacties vrijkomt, wordt gebruikt voor de synthese
van nieuw celmateriaal uit CO2. Daar er veel energie is vereist voor de productie van
nieuwe cellen en doordat de vrijgekomen energie relatief beperkt is, zal de celopbrengst
vrij laag zijn. Naast de concentratie aan opgeloste zuurstof spelen ook de zuurtegraad en
de temperatuur een belangrijke rol in het nitrificatieproces. (Ahmed, 2012)
[2] Biologische verwijdering van nitraat (denitrificatie)
Heterotrofe aerobe bacteriën halen hun energie uit de overdacht van elektronen van
organische verbindingen naar zuurstof. Bij dit proces vervult zuurstof de rol van
elektronenacceptor. Bij een zeer laag gehalte aan opgeloste zuurstof (anoxisch milieu) zijn
een aantal bacteriën (Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter,…) in staat om nitraat als
elektronenacceptor te gebruiken. Bij dit proces wordt nitraat gereduceerd tot stikstofgas
en de energie die hierbij vrijkomt wordt voor de celgroei gebruikt. (Ahmed, 2012)
De reductie van nitraat tot stikstofgas gebeurt stapsgewijs:
[1] NO3- + 2 H+ + 2 e- → NO2
- + H2O + energie [vgl. 1-3]
[2] NO2- + 3 e- + 4 H+ → ½ N2 + 2 H2O + energie [vgl. 1-4]
Bij de reductiereacties worden de elektronen geleverd door de oxidatie van organisch
substraat.
[3] <CH2O> + H2O → CO2 + 4 H+ + 4e- [vgl. 1-5]
6
[3] Aanpassing van het conventioneel actief slibproces
Om een volledige verwijdering van stikstof te bekomen, moet zowel het nitrificatie- als
denitrificatieproces in het conventioneel actief slibproces worden geïmplementeerd. De
configuratie kan op verschillende manieren gebeuren.
Een eerste mogelijke configuratie is een één-slibsysteem. Bij dit systeem wordt de afbraak
van de organische verontreinigingen, nitrificatie en denitrificatie uitgevoerd door
éénzelfde slibmassa die achtereenvolgens aerobe en anoxische zones doorloopt of
omgekeerd. Bij pre-denitrificatie (figuur 1-3) wordt het afvalwater eerst in het
denitrificatiebekken gepompt waarbij het aanwezige nitraat onder zuurstofarme
(anoxische) omstandigheden wordt omgezet in stikstofgas. Een gedeelte van het
organisch substraat wordt hier als koolstofbron gebruikt. Vervolgens stroomt het
afvalwater naar een beluchtingsbekken waar bacteriën de overige organische
componenten onder aerobe omstandigheden omzetten tot CO2, H2O en biomassa. In het
beluchtingsbekken vindt ook de oxidatie van ammonium tot nitraat plaats (nitrificatie).
Het water/slibmengsel stroomt ten slotte naar een nabezinktank waar de scheiding van
het slib van het gezuiverd afvalwater plaatsvindt. Een gedeelte van het slib (retourslib)
wordt terug naar het denitrificatiebekken gepompt. Via deze recirculatiestroom worden
niet alleen bacteriën, maar ook de nitraatstikstof die tijdens het nitrificatieproces werd
gevormd, terug in het denitrificatiebekken gebracht. Door middel van een nitraat-
retourstroom wordt een deel van het nitraat, dat gevormd wordt in de aerobe reactor,
naar de anoxische reactor gebracht. Het verwijderingsrendement van stikstof is
afhankelijk van deze twee recirculatiestromen. (Gruwez, 2012) (Shi et al., 2008)
Figuur 1-3: één-slibsysteem met pre-denitrificatie
7
Bij post-denitrificatie (figuur 1-4) wordt de anoxische zone na de aerobe zone geplaatst.
Aangezien het organische materiaal (koolstofbron) tijdens het biologisch oxidatief proces
uit het water werd verwijderd, moet er een deel van het influent als koolstofbron aan de
anoxische zone worden toegevoegd. Als alternatief kan ook een extra koolstofbron (bijv.
methanol) worden toegevoegd.
Figuur 1-4: één-slibsysteem met post-denitrificatie
Bij twee-slibsystemen wordt het nitrificatie- en denitrificatieproces in afzonderlijke
reactoren uitgevoerd met specifieke bacteriën. Twee-slibsystemen zijn ingewikkelder dan
één-slibsystemen, maar ze zijn beter bestuurbaar omdat elke stap in het proces kan
worden geoptimaliseerd. Figuur 1-5 geeft een schematische voorstelling weer van een
twee-slibsysteem met pre-denitrificatie. (Vandecasteele & Block, 2006)
Figuur 1-5: twee-slibsysteem met pre-denitrificatie
De procesparameters om een goede nitrificatie- en denitrificatieproces te garanderen,
worden in tabel 1-1 en tabel 1-2 weergegeven. (EMIS, 2010)
8
Tabel 1-1: procesparameters voor het nitrificatieproces
procesparameter nitrificatieproces
concentratie aan opgeloste
zuurstof minimaal 2 mg/l
temperatuur
tussen de 10 à 40°C (optimaal rond 30°C;
nitrificatieproces verloopt moeizaam bij te lage
temperatuur)
pH
pH neutraal (optimaal bij pH 7,5; bij pH-waarden lager
dan 7,0 wordt het nitrificatieproces geremd)
wegens het verzurend karakter van het
nitrificatieproces moet de pH worden bijgeregeld
rekening houdend dat het denitrificatieproces reeds
zorgt voor een gedeeltelijke pH stijging
slibrententie minstens 10 dagen (door de trage groei van
Nitrosomonas en Nitrobacter)
andere
bij bepaalde concentraties aan ammoniak (NH3) en
salpeterigzuur (HNO2) kan er inhibitie van het
nitrificatieproces optreden
Tabel 1-2: procesparameter voor het denitrificatieproces
procesparameter denitrificatieproces
concentratie aan opgeloste
zuurstof lager dan 0,5 mg/l
temperatuur tussen de 5 à 60°C (niet gevoelig voor
temperatuurschommelingen)
pH tussen de 6 à 8 (niet gevoelig voor pH
schommelingen)
andere
voor een goede werking van het denitrificatieproces
moet er voldoende organisch substraat (koolstofbron)
aanwezig zijn
hoge concentraties aan zouten of chemicaliën kunnen
het proces negatief beïnvloeden
9
2.2.2 Fosforverwijdering
Fosfor komt in afvalwater voor in minerale (fosfaat) en organische vorm. Om eutrofiëring
tegen te houden, moet de concentratie aan fosfaat in oppervlaktewater onder een
bepaalde grenswaarde worden gehouden.
[1] Chemische fosfaatverwijdering
Meestal wordt fosfaat verwijderd door middel van chemische precipitatie met behulp van
ijzer- of aluminiumzouten (Al2(SO4)3; FeCl3). Bij actief slibsystemen wordt het coagulans in
het beluchtingsbekken toegevoegd, zodat neerslagvorming (vergelijking 1-6) en
flocculatie samen met de biologische zuivering optreden.
Al2(SO4)3 + 2 PO43- → 2 AlPO4 ↓ + 3 SO4
- [vgl. 1-6]
[2] Biologische fosfaatverwijdering
Hoewel de verwijdering van fosfor meestal op een chemische manier gebeurt, kan dit
nutriënt ook op een biologische manier verwijderd worden. Bepaalde micro-organismen
(bijv. Acinetobacter; fosfaataccumulerende bacteriën) zijn in staat om fosfaat onder de
vorm van polyfosfaat op te stapelen. Deze micro-organismen worden eerst onder strikt
anaerobe omstandigheden (zonder zuurstof) met het afvalwater gemengd. Het is ook
belangrijk dat er tijdens dit proces geen nitraat of nitriet aanwezig is. Tijdens deze stap
staat de Acinetobacter een hoeveelheid fosfaat aan het afvalwater af. Vervolgens wordt
de Acinetobacter in een zuurstofrijk milieu gebracht. Onder deze omstandigheden is de
Acinetobacter in staat om het fosfaat die in de vorige stap werd afgegeven plus nog een
extra hoeveelheid fosfaat (“Luxury uptake”) terug op te slaan. Op deze manier wordt
fosfaat in het actief slib opgeslagen. (Vandecasteele & Block, 2006)
Om zowel de organische verontreinigingen en de stikstof- en fosforverbindingen te
verwijderen zijn er verschillende configuraties mogelijk. Een mogelijke configuratie die
gebruikt kan worden, is het Bardenpho proces (figuur 1-6). Bij de afgifte van fosfor zijn er
verbindingen nodig die gemakkelijk afbreekbaar zijn (bijv. VFA’s). Daarom is het
belangrijk dat de anaerobe zone zich steeds vooraan in het proces bevindt. Deze
verbindingen kunnen ook tijdens een anoxisch of aeroob proces afgebroken worden.
(Emara et al., 2014)
Figuur 1-6: gemodificeerd Bardenpho proces voor de gezamenlijke verwijdering van COD, P en N
10
3. Membraanbioreactor
3.1 Inleiding
Om in een actief slibsysteem al het biologische slib van het effluent te scheiden en
tegelijkertijd de vereiste oppervlaktes voor de bouw van de biologische
zuiveringsinstallatie te verminderen, werd er de laatste jaren meer en meer onderzoek
verricht naar de mogelijkheid om de op gravitatie gebaseerde scheidingstechniek te
vervangen door een membraanproces.
Bij een membraanproces vervult een membraan de rol van een selectieve barrière die
toelaat om bepaalde stoffen uit het water af te scheiden. Het proces kan worden
ingedeeld volgens de drijvende kracht die zorgt voor het transport van water of opgeloste
componenten doorheen het membraan:
[1] een drukverschil over het membraan (drukgedreven processen)
[2] een concentratieverschil (dialyse)
[3] een elektrisch potentiaalverschil (elektrodialyse)
[4] een verschil in partieeldruk (pervaporatie)
Bij de zuivering van afvalwater wordt meestal gebruik gemaakt van drukgedreven
processen (figuur 1-7). De voedingsstroom wordt opgesplitst in een permeaatstroom (de
gezuiverde waterstroom) en een concentraat- of retentaatstroom. De flux wordt
gedefinieerd als de hoeveelheid permeaat per eenheid van membraanoppervlakte en per
tijdseenheid (l/m2.h). De permeabiliteit van een membraan geeft de flux per bar
drukverschil weer (l/m2.h.bar).
Figuur 1-7: schematische voorstelling van een drukgedreven membraanproces
11
De drukval over het membraan, tussen de actief slibzijde en de permeaatzijde, is de
drijvende kracht die zorgt voor het transport van water doorheen het membraan. Deze
drukval wordt aangeduid als de transmembraandruk (TMP) en kan met vergelijking 1-7
worden bepaald. (Daels et al.,2010)
TMP = [Pin + PUIT]/2 – Pperm [vgl. 1-7]
met TMP = transmembraandruk
Pin = druk aan de ingang van de module
Puit= druk aan de uitgang van de module
Pperm = druk aan de permeaatzijde
De belangrijkste voor-en nadelen van een membraanbioreactor ten opzichte van een
conventioneel actief slibsysteem worden door tabel 1-3 weergegeven. (EMIS, 2010)
Tabel 1-3: belangrijkste voor- en nadelen van een membraanbioreactor
voordelen nadelen
zeer compacte zuiveringsinstallatie hoge membraankosten
modulair systeem uitgebreide voorbehandeling van
het influent vereist
uitstekende effluentkwaliteit hoge energiekosten
beperkte slibproductie membraanvervuiling
3.2 Membraanmodule
Het kloppend hart van een membraanbioreactor is de membraanmodule. De
membraanmodule kan opgebouwd zijn uit een set van buizen, capillairen, vezels of platen
die in de te zuiveren afvalstroom worden gemonteerd. Het zijn voornamelijk tubulaire
membranen, hollevezelmembranen en vlakkeplaatmembranen die voor MBR-toepassingen
worden gebruikt.
Membraanmodules die specifiek voor MBR-toepassingen worden gebruikt, onderscheiden
zich van de klassieke modules omdat ze gebruikt kunnen worden in afvalstromen met een
hoog drogestofgehalte zonder dat daarbij snel verstopping van het membraan optreedt.
Bij de MBR-technologie wordt er vnl. gebruik gemaakt van micro- en ultrafiltratie
membranen. Deze hebben een respectievelijke gemiddelde poriëndiameter van
12
0,1 à 2,0 µm (microfiltratie) en 0,01 à 0,2 µm (ultrafiltratie). Asymmetrische membranen
vervaardigd uit polyethersulfon (PES) of polyvinylideendifluoride (PVDF) zijn het meest
geschikt voor de verwijdering van colloïden, zwevende stoffen en micro-organismen.
(Gruwez, 2012)
3.3 Configuratie
De membraanmodule van een membraanbioreactor kan op twee manieren geconfigureerd
worden: via een intern systeem of een extern systeem.
Bij een intern systeem (figuur 1-8) wordt het membraan in het beluchtingsbekken van het
actief slibsysteem ondergedompeld. Hierdoor wordt er ook wel eens gesproken over een
submerged systeem. De voedingsstroom bevindt zich aan de buitenzijde van het
membraan. Als drijvende kracht voor het filtratieproces wordt er gebruik gemaakt van de
hydraulische druk die door de bovenstaande vloeistof op de membraanmodule wordt
uitgeoefend. Hierdoor stroomt het permeaat van de buitenzijde naar de binnenzijde van
het membraan (outside-inprincipe). Door een lichte onderdruk aan de permeaatzijde aan
te brengen kan de flux verhoogd worden.
Het submerged systeem kan onderverdeeld worden in een internal of een external
submerged systeem. Bij een internal submerged systeem wordt de membraanmodule in
de beluchtingstank bevestigd, terwijl bij een external submerged systeem de module
opgesteld wordt in een afzonderlijke membraantank die rechtstreeks in verbinding staat
met het beluchtingsbekken. De voorkeur gaat uit naar de laatste configuratie. Via deze
configuratie kan het membraan op een eenvoudige manier chemisch gereinigd worden.
Bij het toepassen van submerged systemen worden vooral hollevezel- en
vlakkeplaatmembranen gebruikt. In beide configuraties wordt membraanvervuiling
voorkomen via intensieve beluchting. Hierbij zorgen grove bellen voor turbulentie langs
het membraanoppervlak waardoor slibafzetting beperkt wordt. (Gruwez, 2012)
(Hai et al., 2014)
Figuur 1-8: actief slibmembraanreactor met een intern opgestelde membraanmodule
13
Bij een extern systeem (figuur 1-9) bevindt het membraan zich aan de buitenkant van het
beluchtingsbekken. Hierdoor wordt er ook wel eens gesproken over een sidestream
systeem. Bij een extern systeem wordt het afvalwater met behulp van een pomp
doorheen de membraanmodule gepompt. Hierdoor wordt het permeaat van binnen naar
buiten doorheen de membraanwand geperst (inside-outprincipe). Bij externe systemen
worden voornamelijk tubulaire en vlakkeplaatmembranen gebruikt.
Meestal wordt bij een extern systeem het cross-flowprincipe toegepast. Hierbij staat de
stroomrichting van het afvalwater (langs het membraan) loodrecht op de stroomrichting
van het gezuiverde water (doorheen het membraan). Een hogere cross-flowsnelheid zal
resulteren in een hogere flux. Door het hoge energieverbruik wordt dit zelden toegepast.
Het cross-flowprincipe kan gebruikt worden om fouling tegen te gaan. Door een hoge
vloeistofsnelheid, eventueel gecombineerd met luchttoevoer, kan vervuiling van het
membraan beperkt worden. Een te hoge cross-flowsnelheid kan echter de structuur van
het actief slib kapot maken zodat de membranen sneller verstoppen. (Gruwez, 2012)
(Hai et al., 2014)
Figuur 1-9: actief slibmembraanreactor met een extern opgestelde membraanmodule
14
Tabel 1-4 geeft een samenvatting weer van de belangrijkste kenmerken van externe en
interne MBR-systemen. (Gruwez, 2012)
Tabel 1-4: belangrijkste kenmerken van externe en interne MBR-systemen
kenmerk extern MBR-systeem intern MBR-systeem
scheiding slib-water buiten bioreactor in bioreactor
type filtratie inside-out outside-in
membraantype tubulaire en vlakke
platen
holle vezels en vlakke
platen
transmembraandruk 0,3 à 1,0 bar 0,2 à 0,5 bar
flux 100 l/m2.h 20 l/m2.h
langsstroomsnelheid 1 à 3 m/s 0,5 m/s
maximum droge stofgehalte 30 g/l 20 g/l
energieverbruik 2 à 5 kWh/m3 0,2 à 0,5 kWh/m3
15
HOODSTUK 2:
MATERIAAL EN METHODEN
1. Inleiding
De computer is niet meer weg te denken uit het dagelijkse leven van ingenieurs en
wetenschappers. Sinds het ontstaan van de computer bestaat de mogelijkheid om hieraan
meetinstrumenten te koppelen om op deze manier meetgegevens sneller en beter te
kunnen opslaan, verwerken en visualiseren. Door deze koppeling is het ook mogelijk om
op een eenvoudige manier geautomatiseerde meetsystemen te bouwen.
Het doel van deze thesis was hoofdzakelijk om een, op LabVIEW gebaseerd,
sturingsprogramma voor een bestaand membraanbioreactoropstelling te ontwikkelen.
Vooraleer er gestart kon worden met de ontwikkeling van het sturingsprogramma werden
nog enkele elementen van de bestaande opstelling aangepast. Er werd ook een
controlesysteem voor de zuurstof en zuurtegraad aan de reactor toegevoegd.
De grootste vraag die bij de start van deze thesis werd gesteld, was welke mogelijkheden
bestaan er om de meetsignalen in LabVIEW in te lezen en bepaalde elementen met
behulp van LabVIEW aan te sturen. Een eerste mogelijkheid was het gebruik van Data-
acquisitie (DAQ) kaarten. Het grootste nadeel was dat het bestaande elektrische circuit
bijna volledig omgebouwd moest worden. Daarom werd er gezocht naar mogelijkheden
om de PLC waarmee de besturing van de opstelling vroeger verliep te hergebruiken. De
oplossing kwam er onder de vorm van de OPC technologie.
Het deel “materiaal en methoden” is uit drie delen opgebouwd. Eerst en vooral wordt er
een overzicht gegeven over de opbouw en werking van de membraanbioreactor. In een
tweede deel wordt de configuratie en programmatie van de Phoenix Contact PLC’s
behandeld. En als laatste wordt er nog een klein woordje uitleg gegeven over de opbouw
en werking van LabVIEW, het grafisch programmeerprogramma waarmee het
sturingsprogramma gerealiseerd werd.
16
2. Opbouw van een actief slib pilootreactor
2.1 Algemeen overzicht
Er werd vertrokken vanuit een bestaande membraanbioreactoropstelling, die gebouwd
werd door PCA nv. Figuur 2-1 geeft een afbeelding weer van hoe de membraanbioreactor
er oorspronkelijk uitzag. Merk op dat voor de start van deze thesis de regelbare klep al
eens vervangen werd en dat er aanpassingen waren gebeurd aan de membraanmodule.
Figuur 2-1: oorspronkelijke membraanbioreactoropstelling
Tijdens de praktische uitvoering van deze thesis werd er beslist om een zuurstof- en
zuurtegraadmeter met bijhorende regelkringen aan de opstelling toe te voegen. Deze
elementen werden hoofdzakelijk uit een oude proefopstelling, die een actief slibbekken
voorstelde, gerecupereerd. Ook werd er een bezinktank aan de opstelling toegevoegd. Dit
biedt de mogelijkheid dat er gekozen kan worden uit twee technieken voor de scheiding
van het water/slibmengsel nl. door bezinking in een nabezinktank (conventioneel actief
slibsysteem) of door middel van membraanfiltratie (membraanbioreactor). Het
eindresultaat wordt door figuur 2-2 weergegeven. Figuur 2-3 geeft een schematische
voorstelling van de actief slib pilootreactor weer.
17
Figuur 2-2: de huidige opstelling van de actief slib pilootreactor
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8] [11]
[12]
[14]
[13]
[9] [10]
[15]
[16]
[17]
[18]
18
Figuur 2-3: schematische voorstelling van de actief slib pilootreactor
19
De belangrijkste elementen van de actief slib pilootreactor zijn:
[1] de reactortank (volume 50 liter)
[2] roerwerk
[3] temperatuursonde (zie 2.2.2 Temperatuursensor)
[4] niveausensor (zie 2.2.3 Niveaumeter)
[5] verwarmmantel
[6] voedingspomp (zie 2.4.2 Membraanpompen)
[7] circulatiepomp (zie 2.4.2 Membraanpompen)
[8] cross-flow membraanmodule
[9] bezinktank
[10] druksensor voor membraan (zie 2.2.1 Druk transducer)
[11] druksensor na membraan (zie 2.2.1 Druk transducer)
[12] debietmeter voor membraan (zie 2.2.4 Debietmeter)
[13] debietmeter na membraan (zie 2.2.4 Debietmeter)
[14] aanstuurbare klep (zie 2.4.1 Aanstuurbare klep)
[15] zuurstof-transmitter (zie 2.2.5 Zuurstofsensor)
pH/redox-transmitter (zie 2.2.6 pH/redox meting)
[16] peristaltische pomp (4RPM en 65 RPM) (zie 2.4.3 Peristaltische pomp)
[17] zuurstofpomp met zuurstofsteen
[18] kraantje voor staalname slib
De opstelling bevat een reactor [1] met een volume van 50 liter. Een roerwerk [2], die
aangedreven wordt door een elektromotor, zorgt voor een goede menging van het
water/slibmengsel. De temperatuur [3] in de reactor wordt constant gehouden door
middel van een verwarmingsmantel [5]. Via een pomp [6] wordt de voeding (influent),
waarvan het debiet instelbaar is, aan de reactor toegevoegd.
De pH en de concentratie aan opgeloste zuurstof [15] in de reactor wordt opgevolgd en
constant gehouden. Het bijregelen van de pH wordt gerealiseerd door het toevoegen van
een zuur (of base) door middel van een peristaltische pomp (4RPM) [16]. Het bijregelen
van de hoeveelheid opgeloste zuurstof wordt gerealiseerd door een zuurstofpomp met
bijhorend zuurstofsteentje [17].
De reactor is ook voorzien van een staalnamepunt [18] voor het slib. Dit om o.a. de
slibparameters (Total Suspended Solids, Slib Volume Index, …) te kunnen opvolgen.
20
Bij de actief slib pilootreactor kan de scheiding van het water/slibmengsel op twee
manieren gebeuren:
[1] Bij een conventioneel actief slibsysteem (figuur 2-4) gebeurt de scheiding van het
water/slibmengsel in de nabezinktank. Om het slibgehalte in de reactor op peil te
houden, wordt het slib (retourslib) van de nabezinktank via een pomp [7]
teruggevoerd naar de reactor.
Figuur 2-4: schematische voorstelling conventioneel actief slibsysteem
[2] Een membraanbioreactor (figuur 2-5) is een compacte afvalwaterzuiverings-
installatie die de technieken van actief slib en membraanfiltratie met elkaar
combineert. Bij deze techniek wordt het water/slibmengsel met behulp van een
pomp [7] over de cross-flow module gepompt.
Een gedeelte van het water wordt door het membraan geduwd (permeaat), terwijl
het grootse deel van het water/slib mengsel als retentaat terug in de reactor
wordt gepompt. Indien het debiet aan permeaat te klein is, dient de aanstuurbare
klep [14] geregeld te worden zodat er meer drukopbouw in de leiding komt. Zo
kan er meer water doorheen het membraan worden geperst. Indien het debiet
aan permeaat te groot is, zal de klep meer worden geopend.
Figuur 2-5: schematische voorstelling membraanbioreactor
21
2.2 Sensoren
Sensoren zijn als het ware de zintuigen van de pilootreactor. Ze vormen de schakel tussen
de werkelijke wereld van de techniek, fysica, chemie, … en de elektronische wereld van
de informatica en dataverwerking. Sensoren zijn te verdelen in twee groepen: digitale- en
analoge sensoren.
Een digitale sensor genereert een aan/uit-signaal (binair signaal: “0” of “1”). Bij dit type
sensoren gaat het vooral om het bepalen of het detecteren van de aanwezigheid van een
voorwerp of de toestand waarin het voorwerp zich bevindt. De meest gebruikte sensoren
naast de klassieke drukknoppen of eindeloopschakelaars zijn de inductieve, capacitieve en
optische naderingsschakelaars.
Analoge sensoren hebben betrekking tot het opnemen van bepaalde fysische grootheden
(analoge signalen). Hierbij wordt een waarde, bijvoorbeeld een druk of een temperatuur,
binnen een bepaald meetbereik vastgesteld. De sensor zet vervolgens de gemeten
grootheid om in een elektrische signaal (bijv. 0-10 V of 4-20 mA). Aangezien de sensor
het signaal kan omzetten naar een ander type signaal (bijv. een thermisch signaal naar
een elektrisch signaal) wordt er meestal gesproken van een transducer of omzetter.
Enkele voorbeelden van analoge sensoren zijn temperatuursensoren, druksensoren en
debietmeters.
2.2.1 Druk transducer
In de opstelling zijn er twee druksensoren gemonteerd: de eerste bevindt zich net voor en
de tweede net na de membraanmodule. Figuur 2-6 geeft een afbeelding weer van de
gebruikte druksensor (Cole Parmer catalogusnummer 68900-68) met zijn voornaamste
eigenschappen.
Figuur 2-6: polysilicium dunne film druksensor
22
De gebruikte druksensor behoort tot de categorie van piëzo-resistieve of halfgeleider
druksensoren. Dit type sensor maakt gebruik van het piëzo-resistief effect. Wanneer er
een druk op het halfgeleidermateriaal wordt uitgeoefend, ontstaat er een verschuiving
van atomen, die gepaard gaat met een verandering van de elektrische weerstand. Bij
halfgeleiders is het piëzo-resistief effect honderd keer sterker dan de verandering van de
elektrische weerstand ten gevolge van de mechanische vervorming.
Figuur 2-7 [a] geeft de opbouw van dergelijke sensor weer. De kern van een piëzo-
resistieve druksensor bestaat uit een siliciumchip die opgebouwd is uit een silicium-
membraan waarin vier halfgeleiderweerstanden geïntegreerd zitten. De vier
halfgeleiderweerstanden vormen samen een Wheatstone-brug. Omdat de chip heel
gevoelig is voor invloeden van buitenaf wordt deze omsloten door een roestvrijstalen
behuizing, die is afgedicht met een dun, plat rvs-membraan. De vrije ruimte tussen het
siliciummembraan en het rvs-membraan is gevuld met synthetische olie, die dienst doet
als transmissievloeistof.
Figuur 2-7: [a] opbouw van een piëzo-resistieve druksensor (links); [b] Wheatstone-brug (rechts)
Met behulp van een Wheatstone-brug kan de verandering van de elektrische weerstand
omgezet worden in een elektrisch signaal. Het principe van de Wheatstone-brug wordt
weergegeven in figuur 2-7 [b]. Wanneer er geen weerstandsverandering plaatsvindt, is de
verhouding tussen R1 en R2 gelijk aan de verhouding tussen R3 en R4. Indien er wel een
weerstandsverandering plaatsvindt, zijn beide verhoudingen niet meer aan elkaar gelijk
en wordt een spanning aan de uitgang gemeten. De gemeten spanning komt overeen met
een bepaalde drukwaarde.
23
2.2.2 Temperatuursensor
Op het deksel van de bioreactor staat een temperatuursensor door de Duitse fabrikant
JUMO gemonteerd. De sensor behoort tot de categorie van resistieve
temperatuursensoren. De weerstandswaarde van zuivere metalen is afhankelijk van de
temperatuur. Dit verband wordt weergegeven in vergelijking 2-1. De elektrische
weerstand van zuivere metalen wordt groter bij een stijgende temperatuur.
𝑅(𝑇) = 𝑅0. (1 + 𝛼. 𝑇 + 𝛽. 𝑇2 + ⋯ ) [vgl. 2-1]
met - R(T): de weerstand bij een bepaalde temperatuur T(°C)
- R0: de weerstand bij 0°C
- α en β: weerstandstemperatuurcoëfficiënten (materiaalafhankelijk)
De resistieve temperatuursensor die bij de opstelling gebruikt wordt, is de Pt100. De
temperatuursensor Pt100 geeft aan dat het weerstandselement van de sensor
vervaardigd is uit platina en een weerstand R0 heeft van 100 Ω bij 0°C. Bij de constructie
wordt een platinadraad gewonden om een keramiekplaatje en het geheel wordt
gemonteerd in een aluminium beschermhuis. Figuur 2-8 geeft een gelijkaardige
uitvoeringsvorm weer van de gebruikte Pt100 temperatuursensor.
Figuur 2-8: resistieve temperatuursensor (Pt100)
2.2.3 Niveaumeter
Om het vloeistofniveau van de reactor te controleren wordt gebruik gemaakt van een
capacitieve naderingssensor van de fabrikant TURCK (modelnummer BC10-QF5.5-AP6X2).
Dergelijke niveausensoren zijn uiterst geschikt voor de detectie van zowel vaste stoffen
als vloeistoffen. Merk op dat kleverige vloeistoffen het detectievermogen van capacitieve
sensoren kunnen verstoren. Figuur 2-9 geeft een afbeelding weer van de gebruikte
niveaumeter en het meetprincipe.
24
Het meetprincipe is gebaseerd op de capaciteitsverandering van een condensator. Een
condensator is een elektrisch component die in staat is om elektrische energie op te
slaan. Dit vermogen wordt de capaciteit van de condensator genoemd en kan beschreven
worden met behulp van vergelijking 2-2.
𝐶 =𝜀𝑟 . 𝐴
𝑑⁄ [vgl. 2-2]
met - C: de capaciteit van de condensator (uitgedrukt in Farad)
- εr: diëlektrische permittiviteit (diëlektrische constante) van de tussenstof
- A: oppervlakte van de elektrode
- 1/d: afstand tussen de elektrodes
Een condensator is opgebouwd uit twee elektroden, die zich dicht bij elkaar bevinden en
gescheiden zijn door een niet-geleidende tussenstof, het diëlektricum.
Een capacitieve sensor maakt gebruik van een hoogfrequente oscillator (RC-oscillator) die
via een condensator een elektrisch veld aan de actieve kop van de sensor genereert. De
condensator kan gezien worden als een open-condensator. In rusttoestand speelt de lucht
de rol van diëlektricum. Wanneer de vloeistof de actieve zone van de sensor nadert,
verandert de capaciteit van de condensator (door verandering van de diëlektrische
permittiviteit εr). Deze verandering leidt tot een wijziging van de versterking in het
oscillatorcircuit. Zolang de versterking een bepaalde schakeldrempel overschrijdt, blijft de
schakelaar geactiveerd.
Figuur 2-9: meetprincipe van een capacitieve niveaumeter
25
2.2.4 Debietmeter
In de opstelling werden er twee debietmeters van de fabrikant McMillan (101 Flo-Sen)
gemonteerd. Een eerste debietmeter bevindt zich net voor de membraanmodule en wordt
gebruikt om het circulatiedebiet op te meten. De tweede debietmeter bevindt zich net na
de membraanmodule en wordt gebruikt om het debiet van het effluent op te meten.
Figuur 2-10 geeft een afbeelding weer van de opbouw van de gebruikte debietmeters met
hun voornaamste eigenschappen. De debietmeters behoren tot de categorie van de
turbine stromingssensoren.
Figuur 2-10: opbouw en eigenschappen van 101 Flo-Sen debietmeter
Wanneer er een vloeistof doorheen de debietmeter stroomt begint een micro-turbine wiel
te draaien. De snelheid waarmee het wiel draait is evenredig met de stroomsnelheid van
de vloeistof. Een infrarode LED straalt een infrarode lichtstraal uit die invalt op een
bepaalde kant van het turbinewiel, die is opgedeeld in witte en zwarte secties die elkaar
afwisselen. De witte secties van het wiel reflecteren de infrarode lichtstraal terwijl de
zwarte secties de lichtstraal absorberen. De gereflecteerde lichtstraal wordt gedetecteerd
door een fototransistor en omgezet in elektrische pulsen.
26
De frequentie van de elektrische pulsen is evenredig met de draaisnelheid van het
turbinewiel. Deze pulsen worden vervolgens in een elektrisch circuit omgezet naar een
analoog meetsignaal.
2.2.5 Zuurstofsensor
De opgeloste zuurstof in de reactor wordt ampèrometrisch bepaald. Bij ampèrometrie
wordt de elektrische stroom gemeten tussen een elektrodepaar dat een elektrolysereactie
aanstuurt. De gebruikte zuurstofsonde staat beter gekend als de Clark-elektrode.
Figuur 2-11 geeft een afbeelding weer van een gelijkaardige zuurstofsonde die bij de
opstelling gebruikt wordt alsook een schematische voorstelling van het meetprincipe.
Zuurstof diffundeert door het membraan in de elektrode en wordt gereduceerd aan de
vergulde Pt-kathode die op -0,75 V staat ten opzichte van de Ag/AgCl-referentieelektrode.
Figuur 2-11: Clark-elektrode voor de bepaling van opgeloste zuurstof
De zuurstofsonde is aangesloten op een bijhorende transmitter. De gebruikte transmitter
met bijhorende gegevens wordt afgebeeld in figuur 2-12. Zowel de zuurstofsonde als de
transmitter zijn afkomstig van de Zwitserse fabrikant Endress+Hauser. De transmitter zet
het gemeten signaal om in een analoog signaal, die wordt doorgestuurd naar de PLC. Ook
is er op het toestel een display aanwezig waarop de gemeten zuurstofwaarde wordt
weergegeven. Vooraleer een zuurstofmeting wordt uitgevoerd, is het noodzakelijk om een
kalibratie uit te voeren. Tijdens de kalibratie past de zuurstofsensor zich aan de
temperatuur van de omgevingslucht aan. Het kalibratievoorschrift kan terug gevonden
worden in bijlage 1.
27
Figuur 2-12: Mycom-O (zuurstoftransmitter)
2.2.6 pH/redox meting
De zuurtegraad in de reactor wordt door middel van potentiometrie bepaald. Bij de pH-
meting wordt het potentiaalverschil gemeten tussen een glaselektrode en een
zilver/zilverchloride-elektrode. De glaselektrode is een ion-selectieve elektrode en reageert
dus heel specifiek op één welbepaald ion nl. het hydroxonium-ion (H3O+). De potentiaal
van de zilver/zilverchloride-elektrode ligt vast (referentie-elektrode). De potentiaal van de
glaselektrode is afhankelijk van de concentratie aan hydroxonium-ionen in de oplossing
waarin de pH-elektrode is ondergedompeld. Figuur 2-13 geeft een afbeelding weer van de
pH-elektrode die bij de opstelling wordt gebruikt. De gebruikte elektrode is een typische
pH-combinatie-elektrode die de glas- en referentie-elektrode in 1 huls combineert.
Figuur 2-13: analoge pH-Sensor Orbisint CPS11
28
De pH-elektrode is aangesloten op een bijhorende transmitter. De gebruikte transmitter
en bijhorende gegevens wordt afgebeeld in figuur 2-14. Zowel de pH-elektrode als de
transmitter zijn afkomstig van de Zwitserse fabrikant Endress+Hauser. De transmitter zet
het gemeten signaal om in een analoog signaal, die doorgestuurd wordt naar de PLC.
Figuur 2-14: Mycom-P (pH transmitter)
Vooraleer er een pH-meting wordt uitgevoerd, is het noodzakelijk om een kalibratie uit te
voeren. Het kalibratievoorschrift kan in bijlage 2 worden gevonden. De pH-elektrode
wordt gekalibreerd met twee of meerdere pH-buffers (gekende pH waarde). Deze buffers
worden zodanig gekozen zodat de pH van de onbekende vloeistof binnen het bereik van
deze standaarden ligt. Tijdens het kalibratieproces wordt de spanning van de elektrode in
elke buffer gemeten. Indien de kalibratiepunten worden uitgezet, wordt een
kalibratiecurve zoals in figuur 2-15 bekomen. De helling van de bekomen lijn is E/pH en
is voor een ideale elektrode gelijk aan 59,16 mV per pH-eenheid.
Figuur 2-15: tweepuntskalibratiecurve van een pH-elektrode
29
Naast de pH transmitter die in figuur 2-14 wordt weergegeven, werd er nog een tweede
pH transmitter bij de opstelling gemonteerd. Deze tweede transmitter kan naast de
zuurtegraad ook het Oxidatie Reductie Potentiaal (ORP) of redox bepalen. De bepaling
van het oxidatie reductie potentiaal (uitgedrukt in mV) verloopt op een analoge manier
zoals de pH bepaling. Enkel de sensor is opgebouwd uit andere elektroden. Figuur 2-16
geeft een afbeelding weer van de pH/redox transmitter met bijhorende gegevens.
Figuur 2-16: Liquisys M (pH/redox transmitter)
30
2.3 Programmable Logic Controller
De Programmable Logic Controller (PLC, Programmeerbare Logische Eenheid) vormt het
kloppend hart van de actief slib pilootreactor. Met behulp van een PLC kan de werking
van de pilootreactor worden geregeld. De PLC is een elektronisch apparaat waarin een
microprocessor aanwezig is. Op basis van informatie die het toestel aan zijn ingangen
ontvangt, worden een aantal uitgangen aangestuurd.
De werking van een PLC kan misschien het best uitgelegd worden aan de hand van een
voorbeeld. Met behulp van een temperatuursensor wordt de temperatuur in de reactor
bepaald. De sensor stuurt een analoog signaal naar een analoge ingang van de PLC. Na
het ontvangen van deze informatie doorloopt de PLC een programma waarbij het analoog
signaal, die overeenkomt met de gemeten temperatuur, vergeleken wordt met een
wenswaarde. Wanneer de gemeten temperatuur kleiner is dan de wenswaarde, wordt de
verwarmingsmantel ingeschakeld.
In de schakelkast van de pilootreactor was er reeds een PLC geïnstalleerd. Het gaat hier
over het type “ILC 150 ETH” van de Duitse fabrikant Phoenix Contact. Bij de uitbreiding
van de pilootreactor met een controlesysteem voor de zuurstof en zuurtegraad, werd er
een tweede PLC van hetzelfde type aan de opstelling toegevoegd. De structuur en
opbouw van het gebruikte PLC type wordt in figuur 2-17 weergegeven. De technische
documentatie kan via de officiële website van Phoenix Contact worden gedownload.
Figuur 2-17: “ILC 150 ETH” - structuur en opbouw
Op figuur 2-17 geven [7] en [8] de geïntegreerde digitale in- en outputmodules weer.
Standaard beschikt de “ILC 150 ETH” controller over acht 24 V DC ingangen (digitale
input) en vier 24 V DC uitgangen (digitale output). De controller kan verder uitgebreid
worden met extra digitale en analoge in- en outputmodules. De communicatie tussen de
controller en de extra modules verloopt via INTERBUS technologie (een serieel
31
bussysteem). Figuur 2-18 geeft een afbeelding van de PLC weer, die in de schakelkast
van de bestaande opstelling werd gebouwd. Merk op dat aan de hand van de kleurencode
het mogelijk is te achterhalen over welke soort module het gaat. Via de officiële website
van Phoenix Contact kunnen de technische fiches van deze uitbreidingsmodules worden
terug gevonden. In deze fiches staat o.a. hoe elementen zoals sensoren op deze modules
kunnen aangesloten worden.
Figuur 2-18: “ILC 150 ETH” controller met analoge en digitale uitbreidingsmodules
Met behulp van de digitale modules wordt een bepaalde toestand (één bit “0” of “1”)
ingelezen of uitgestuurd. De input/outputspanning van een “0” signaal bedraagt 0 V DC
en van een “1” signaal 24 V DC. De digitale modules beschikken ook over signaal-leds.
Per in- of uitgang is er een led om de toestand weer te geven.
Met behulp van analoge inputmodules kan een analoog signaal afkomstig van een sensor
(variatie van 0 tot 10V, 4-20 mA of 0-20 mA) ingelezen worden. Via een analoog-
digitaalomzetter (AD converter) wordt het signaal omgezet in een binair getal dat verder
door de PLC wordt behandeld. Met analoge outputmodules kan de PLC ook analoge
signalen gaan uitsturen bijv. een stroomsignaal (tussen 4 en 20mA) om een regelklep op
een bepaalde stand te plaatsen.
De “ILC 150 ETH” controller beschikt over een Ethernet interface (figuur 2-17 [5]). Met
behulp van een ethernet-kabel kan op een eenvoudige manier verbinding worden
gemaakt tussen de PLC en een PC. De twee PLC’s zijn met behulp van een Ethernet
Switch (Linksys SE2500) in een netwerk geplaatst, waardoor het voor de PC mogelijk is
om met beide PLC’s tegelijk te communiceren.
32
2.4 Overige elementen
2.4.1 Aanstuurbare klep
Bij membraanfiltratie als scheidingstechniek voor het water/slibmengsel, wordt met
behulp van een pomp het mengsel over de cross-flow module gepompt. De membraan-
filtratie kan verlopen bij een constante druk of een constant effluentdebiet. Met behulp
van een aanstuurbare klep kan ervoor gezorgd worden dat de druk of het effluentdebiet
tijdens een experiment constant gehouden wordt.
Figuur 2-19 geeft een afbeelding van de aanstuurbare klep (Gemü 613) weer, die is
ingebouwd in de opstelling. Met behulp van een Programmable Logic Controller (PLC) kan
het membraanventiel worden aangestuurd. Dit gebeurt met een analoog signaal
(4 – 20 mA). Bij 4 mA is de klep volledig gesloten en bij 20 mA volledig geopend.
Figuur 2-19: membraanventiel (Gemü 613)
2.4.2 Membraanpompen
Zowel de voedingspomp als de circulatiepomp zijn membraanpompen. De
membraanpomp behoort tot de groep van de verdringerpompen. Het werkingsprincipe
van de membraanpomp wordt weergegeven in figuur 2-20.
Een soepel membraan wordt door een zuiger op en neer bewogen. Zo ontstaat er een
volumeverandering die gebruikt wordt om de vloeistof te verpompen. Wanneer het
membraan een opwaartse beweging maakt, wordt het volume groter en wordt er vloeistof
aangezogen. Maakt het membraan een neerwaartse beweging, dan wordt het volume
kleiner en wordt de vloeistof weggepompt.
33
Figuur 2-20: werkingsprincipe van een membraanpomp: pomp in rust (links), zuigwerking (midden) en perswerking (rechts)
Het verschil tussen de voedingspomp en de circulatiepomp is de manier waarop het
membraan wordt aangedreven. Bij de voedingspomp wordt de aandrijving verzorgd door
een elektromagnetische kracht terwijl de circulatiepomp zijn energie uit perslucht haalt.
Figuur 2-21 geeft een afbeelding van de gebruikte voedingspomp weer. Het debiet van
deze pomp kan geregeld worden door de slaglengte (stroke length) en/of de
slagfrenquentie (stroke rate) aan te passen. Om het debiet te regelen wordt de slaglengte
ingesteld op 100% en wordt de slagfrequentie (1 – 180 spm) aangepast tot ongeveer het
juiste debiet wordt verkregen. Om het debiet nauwkeuriger bij te regelen, kan de
slaglengte worden aangepast.
Figuur 2-21: Iwaki Metering Pump (voedingspomp)
34
Figuur 2-22 [a] geeft een afbeelding weer van de gebruikte circulatiepomp. De
circulatiepomp kan in- of uitgeschakeld worden met behulp van een 3/2-weg mini-
magneetventiel (Bürkert 134154 230 V/50 Hz). Figuur 2-22 [b] geeft een afbeelding weer
van het gebruikte magneetventiel met bijhorende gegevens.
Om het circulatiedebiet te regelen kan de persluchtdruk verhoogd of verlaagd worden. De
maximale persluchtdruk waarbij de pomp kan werken, bedraagt 100 psi (≈6,8 bar).
Figuur 2-22: [a] Sandpiper PB ¼ -A type 3 (circulatiepomp); [b] 3/2-weg mini-magneetventiel
2.4.3 Peristaltische pomp
Tijdens de praktische uitvoering van deze thesis werden er in de opstelling ook twee
peristaltische pompen gemonteerd. De werking van de peristaltische pomp (ook weleens
slangenpomp genoemd) is gebaseerd op de verplaatsing van de vloeistof doorheen een
slang, door deze afwisselend in te drukken en los te laten. Het werkingsprincipe wordt
afgebeeld in figuur 2-23.
Figuur 2-23: werkingsprincipe peristaltische pomp
Een gladde, flexibele slang ligt in het pomphuis waar centraal een rotor met twee of meer
schoenen of rollen is gemonteerd. Door de ronddraaiende rotor wordt de pompslang
gesloten en wordt vervolgens de vloeistof in een voorwaartse richting doorheen de slang
verplaatst. Wanneer de rol de slang loslaat, opent de slang zich weer en ontstaat er een
35
onderdruk. Deze onderdruk zorgt ervoor dat er nieuwe vloeistof in de slang wordt
gezogen.
Figuur 2-24 [a] geeft een afbeelding weer van de gebruikte slangenpomp. In de opstelling
zijn er twee peristaltische pompen met een verschillende snelheid gemonteerd. De
slangenpomp die gebruikt wordt om de pH bij te regelen heeft een snelheid van 4 RPM.
De tweede slangenpomp heeft een snelheid van 65 RPM. Beide pompen worden gevoed
door een 12 V DC adapter. Met behulp van een OEM speed control board dat wordt
weergegeven in figuur 2-24 [b], kan eventueel de snelheid van de slangenpompen
geregeld worden.
Figuur 2-24: [a] 102FD/R fixed/variable speed DC pump (links); [b] OEM speed control board (rechts)
36
2.4.4 Schakelkast
Er werd vertrokken vanuit een bestaande membraanbioreactoropstelling, die gebouwd
werd door PCA nv. Figuur 2-25 geeft een afbeelding van de schakelkast van deze
opstelling weer. Het is niet de bedoeling om in deze thesis een volledige beschrijving van
de opbouw van deze schakelkast weer te geven. Over enkele componenten van de
schakelkast wordt uitleg gegeven, omdat deze van belang zijn om sommige aspecten
omtrent de werking van de opstelling beter te begrijpen.
Helemaal bovenin de schakelkast kan de PLC [1] teruggevonden worden. De sensoren
zijn op de analoge en digitale inputmodules van de PLC aangesloten. Sommige sensoren
bijv. de druksensoren vereisen een spanningsbron om te kunnen werken. Hierdoor zitten
er in de schakelkast twee voedingsbronnen (Siemens LOGO!Power)[3] ingebouwd. Beide
voedingsbronnen vereisen een input van 100-240 V AC (netspanning [5]). De ene
voedingsbron levert een output van 12 V DC 1,9 A en de andere heeft een output van
24 V DC 4A. De voedingsbron die 24 V DC levert, wordt o.a. ook gebruikt om de PLC te
voeden.
Met behulp van de digitale outputmodules van de PLC kunnen de actoren worden
aangestuurd. De actoren bestaan uit drie contactoren [6], die de verwarmingsmantel,
roerder en voedingspomp bedienen alsook een magneetventiel, die de circulatiepomp
bedient. De interface tussen de elektronica in de PLC en de actoren werd gerealiseerd
met behulp van interfacerelais [2]. Interfacerelais zijn ideaal om via een PLC een groot
vermogen in of uit te schakelen. De relais wordt met 24 V DC bekrachtigd en kan dus via
een digitale uitgang van de PLC aangestuurd worden. De relais kan vervolgens op zijn
beurt een contactor inschakelen via de 230 V AC stuurspanning. Een ander voordeel van
het gebruik van interfacerelais is dat deze voor een galvanische scheiding1 zorgen tussen
de actoren en de PLC. Door deze galvanische scheiding is de kans klein dat de uitgang
van een PLC wordt beschadigd.
In de schakelkast is er ook een veiligheidsrelais [4] ingebouwd. Wanneer de
noodstopschakelaar wordt ingedrukt, zorgt de veiligheidsrelais ervoor dat de werking van
de pilootreactor in noodgevallen direct kan worden gestopt. Wanneer de pilootreactor na
de noodstop heropgestart wordt, mag er niet vergeten worden om de veiligheidsrelais te
resetten met de resetknop. Indien dit niet gebeurt, kunnen de verwarmingsmantel, de
voedingspomp en roerder niet meer ingeschakeld worden. Ook wanneer de netspanning
van de membraanbioreactor onderbroken wordt, is het noodzakelijk om bij de heropstart
de veiligheidsrelais te resetten.
1 Een galvanische scheiding is een scheiding tussen twee stroomvoerende elektrische circuits.
37
Figuur 2-25: schakelkast van de bestaande membraanbioreactor
[1] [2]
[4]
[3]
[6]
[2]
[6]
[5]
30K 1 = relais voedingspomp
30K 4 = relais roerwerk
30K 5 = relais verwarmingsmantel
30K 8 = relais circulatiepomp
3F1= zekering voedingspomp
6K2 = contactor voedingspomp
3Q3 = motorbeveiliging roerder
6K3 = contactor roerder
3F5 = zekering verwarmingsmantel
6K4 = contactor verwarmingsmantel
38
In het elektrische circuit van de voedingspomp, verwarmingsmantel en roerder zijn er
automatische zekeringen en een motorbeveiliging [6] opgenomen. De twee zekeringen en
de motorbeveiliging zijn verbonden met de geïntegreerd digitale inputmodule van de PLC.
Wanneer er een zekering doorslaat (bijv. door kortsluiting) wordt het digitaal signaal aan
de ingang van de PLC gewijzigd (van “1” naar “0”). Op deze manier worden eventuele
defecten gesignaleerd en kan er op een veilige manier gehandeld worden.
Bij de praktische uitvoering van deze thesis werd er beslist om aan de bestaande
opstelling een zuurstof- en zuurtegraadmeter met bijhorende regelkringen toe te voegen.
Om praktische redenen werden de onderdelen niet in de bestaande schakelkast
ingebouwd. Hiervoor werd er een tweede “kleine” schakelkast gebouwd die bovenop de
bestaande kast geplaatst werd. Het eindresultaat van de zelfgebouwde schakelkast wordt
door figuur 2-26 en figuur 2-27 weergegeven.
De sensoren zijn aangesloten op een analoge inputmodule (uitbreidingsmodule). Met
behulp van de geïntegreerde digitale uitgangen van de PLC kan de zuurstofpomp en de
slangenpompen worden in- of uitgeschakeld. De interface tussen beide elementen wordt
hier opnieuw verzorgd door middel van interfacerelais.
Figuur 2-26: voorkant zelfgebouwde schakelkast
39
Figuur 2-27: achterkant zelfgebouwde schakelkast
40
3. Phoenix Contact
3.1 PC WorX
Vooraleer er gestart kon worden met het programmeren van het sturingsprogramma voor
de membraanbioreactor in LabVIEW, moesten de twee Phoenix Contact PLC’s
geconfigureerd en geprogrammeerd worden. De programmatie van de PLC’s gebeurde
met behulp van het softwarepakket PC Worx.
PC WorX is een uniforme engineeringssoftware die gebruikt wordt voor
het overzichtelijk en gestructureerd programmeren van de besturingen
van Phoenix Contact volgens de IEC 61131-3 normering. Conform aan
deze normering wordt een volledige scheiding nagestreefd tussen de
hardware en de software (hardware-onafhankelijke opbouw).
Daarom worden drie werkgebieden gedefinieerd die in tabel 2-1 worden weergegeven. In
het programma kan gemakkelijk gewisseld worden tussen de verschillende werkgebieden
door middel van de drie iconen die terug te vinden zijn in de toolbar.
Tabel 2-1: de drie werkgebieden van PC WorX
naam werkgebied functie icoon
IEC programming Workspace het werkgebied waar het programma in
geschreven wordt
Proces Data Workspace het werkgebied waar een softwarevariabele
gelinkt wordt aan een fysisch I/O-item
Bus Configuration Workspace Het werkgebied waar de hardware-configuratie
wordt opgebouwd
41
3.1.1 Werkgebied “IEC programming”
Het werkgebied “IEC programming” wordt in figuur 2-28 weergegeven. In dit werkgebied
zijn volgende vensters zeer belangrijk:
[1] Project tree window (links) (shortcut key: <shift> F8)
[2] Programmeervenster (midden)
[3] Edit wizard (rechts) (shortcut key: <shift> F2)
Extra vensters kunnen aan dit werkgebied toegevoegd of verwijderd worden. Indien een
window niet getoond of afgesloten werd, kan dit altijd terug geactiveerd worden door in
de menubalk “View” aan te klikken en vervolgens het gewenste venster te kiezen.
Figuur 2-28: werkgebied “IEC programming”
3.1.2 Werkgebied “Bus configuratie”
In figuur 2-29 wordt het “Bus configuratie” werkgebied afgebeeld. In dit werkgebied zijn
alle details omtrent de hardware terug te vinden. In het “Device Details” window staan de
algemene eigenschappen van het project vermeld.
Door een hardwaremodule in het venster “Bus Structure” aan te klikken, kan voor deze
hardwaremodule in het window “Device Details” alle belangrijke eigenschappen,
instellingen en data sheets onder verschillende tabbladen terug gevonden worden.
42
Figuur 2-29: werkgebied “Bus configuratie”
3.1.3 Werkgebied “Process data Assignment”
Figuur 2-30 geeft het werkgebied “Proces Data Assignment” weer. In dit werkgebied
worden de gedefinieerde variabelen vanuit de software gekoppeld aan de in- en
uitgangen van de analoge en digitale modules vanuit de hardware configuratie.
Figuur 2-30: werkgebied “Process data assignment”
43
3.2 PC WorX installeren en opstarten
Het softwarepakket kan via de officiële website van Phoenix Contact gedownload worden.
Om naar het Phoenix Contact downloadcentrum te gaan kan gebruik worden gemaakt van
onderstaande URL:
http://www.phoenixcontact.net/download/
In het downloadcentrum kan naar dit softwarepakket gezocht worden door het
producttype “AX SW SUITE DEMO” of het order nummer “2985660” als zoekterm te
gebruiken. Om de recentste software te downloaden kan er bij “Filter option” gekozen
worden voor “Demo Software”. In het kader van deze thesis werd hoofdzakelijk de
recentste versie van het softwarepakket gebruikt die op dat moment beschikbaar was nl.
“AX_SW_Suite_2015_182.zip”.
Het kan gebeuren dat een recente versie van het softwarepakket niet compatibel is met
de PLC omdat die te verouderd is. Dit was het geval met de tweede PLC van de zelf
gebouwde schakelkast. Om deze PLC toch te kunnen programmeren werd er gebruik
gemaakt van een oudere versie van PCWorX (“AX_SW_Suite_2007_130.zip”). Om oudere
versies terug te vinden, moet er bij “Filter option” gekozen worden voor “Demo Software
(revisions)”.
Na een succesvolle installatie van het softwarepakket en het heropstarten van de
computer kan PC WorX voor de eerste keer opgestart worden. Wanneer PC WorX voor de
eerste keer geopend wordt, zal het programma echter opgestart worden in demo mode
met beperkte mogelijkheden.
Om een basislicentie van PC Worx te activeren, moet “Register” onder het menu “?”
geselecteerd worden zoals figuur 2-31 weergeeft. Vervolgens verschijnt er een venster
waar een registratiecode kan ingevoerd worden. De registratiecode wordt pas
geactiveerd bij het heropstarten van PC WorX.
Figuur 2-31: activatie basislicentie PC WorX
44
3.3 Aan de slag met PCWorX
3.3.1 Nieuw project openen
Om een nieuw project via een template aan te maken, wordt “New Project” onder het
menu “File” geselecteerd. Zoals weergegeven in figuur 2-32, wordt vervolgens de
structuur van het project en de keuzemogelijkheid van een controller voorbereid.
Vervolgens wordt de gewenste controller geselecteerd (in dit geval “ILC 150 ETH Rev.
>01/3.90”) en met OK bevestigd.
Figuur 2-32: project templates
Na de aanmaak van het nieuw project is het best om het project op te slaan vooraleer
verder te gaan met het programmeren van de PLC. Selecteer “Save Project As…” onder
het menu “File”. Kies een projectnaam en sla het project op via “Save”. Ieder project
wordt opgeslagen als een “*.mwt” bestand en een folder met dezelfde naam. Het is ook
mogelijk om het project te zippen tot een “*.zwt” bestand.
3.3.2 Projectinformatie aanpassen
Bij de start van een nieuw project wordt eerst overgeschakeld naar het werkgebied “Bus
configuration”. Hier wordt alle projectinformatie weergegeven. Tijdens het aanmaken van
het project kent PC WorX automatisch een IP range toe voor een lokaal netwerk
(192.168.0.2 tot 192.168.0.254). Indien een ander adres wordt gebruikt, moet het start-
en eindadres aangepast worden. Indien nodig kan ook het Subnet Mask worden
aangepast.
Figuur 2-33 geeft een situatieschets weer hoe de twee PLC’s van de opstelling werden
geconfigureerd.
45
Figuur 2-33: situatieschets configuratie PLC’s
Het is belangrijk om eerst de netwerkinstellingen van de PC te controleren. Het IP-adres
van de PC kan via het programma “Opdrachtprompt” opgevraagd worden. Hiervoor wordt
in het programma “Opdrachtprompt” het commando “ipconfig” gebruikt.
Indien nodig kunnen de PC instellingen aangepast worden via de eigenschappen voor
LAN-verbinding. Zoals aangegeven in figuur 2-34, wordt dan het internet-protocol versie 4
(TCP/ IPv4) geselecteerd, gevolgd door het klikken op de knop “Eigenschappen”. In dit
venster kan gekozen worden om een vast IP-adres in te stellen. Het IP adres en Subnet
Mask kunnen nu worden ingevuld zoals opgegeven in figuur 2-33.
Figuur 2-34: IP configuratie van de PC
46
Na het instellen van een vast IP-adres op de PC, wordt het IP-adres van de controller
ingesteld. Bij de uitvoering van deze thesis waren er al IP-adressen aan de controllers
toegekend. Het IP-adres kan altijd opgevraagd en gewijzigd worden via de BootP Server.
Wanneer het juiste IP-adres bij de controller en op de PC ingesteld staat, kan de
communicatie geactiveerd worden. Hiervoor wordt de ILC 150 ETH aangeklikt in het
window “Bus Structure”, dat links terug te vinden is in figuur 2-35. Vervolgens wordt in
het window “Device Details” het tabblad “Communication” gekozen.
Figuur 2-35: activatie communicatie tussen PC en PLC
Zoals afgebeeld in figuur 2-36 kan na invullen van het IP-adres van de controller, de
communicatie worden getest. Dit gebeurt via de knop “Test”. Bij een geslaagde
communicatie, zal na enkele seconden de indicatiebar groen oplichten. Via de knop
“Apply” kan de communicatie worden bevestigd.
Figuur 2-36: testen van de communicatie tussen controller en PC
47
3.3.3 De INTERBUS configuratie
Wanneer het communicatie pad tussen de controller en de PC actief is, kan het INTERBUS
systeem automatisch ingelezen worden. Het INTERBUS systeem bestaat uit de digitale en
analoge in- en outputmodules, die verbonden zijn met de controller.
Om het INTERBUS systeem in te lezen, moet zoals weergeven in figuur 2-37, via het
“View” menu het commando “Connected Bus” geselecteerd worden.
Figuur 2-37: “Connected Bus” onder het menu “View”
Zoals weergegeven in figuur 2-38, wordt in het venster “Connected Bus” (venster links
onder) de controller geselecteerd waarvan het INTERBUS systeem moet worden
ingelezen.
Figuur 2-38: “Connected Bus” venster
48
De INTERBUS modules worden nu automatisch ingelezen. Eens ingelezen, kunnen de
modules een voor een toegevoegd worden aan het project. Klik hiervoor, zoals afgebeeld
in figuur 2-39, met de rechtermuisknop op een module en kies vervolgens “Import to
Project” gevolgd door “With Device Description”.
Figuur 2-39: importeren van de INTERBUS modules
Zoals weergeven in figuur 2-40 wordt nu het venster “Select Device” geactiveerd. Dit
venster toont alle modules die overeenstemmen met de ID code van de geconnecteerde
module. Uit deze lijst moet de module geselecteerd worden die overeenstemt met de
module die aangesloten is op de controller. Wanneer de juiste module geselecteerd is,
kan er bevestigd worden met “OK”. Bovenstaande stappen worden nu herhaald tot alle
modules aan het project zijn toegevoegd.
De INTERBUS modules die in het kader van deze thesis gebruikt zijn:
Voor ILC 150 ETH: #1 IB IL 24 DI (digitale input module)
#2 IB IL 24 DO (digitale output module)
#3 IB IL AI 2/SF (analoge input module)
#4 IB IL AI 2/SF (analoge input module)
#5 IB IL AI 2/SF (analoge input module)
#6 IB IL AO 1/SF (analoge output module)
Voor ILC 150 ETH(2): #1 IB IL AI 4 EF-PAC (analoge input module)
49
Figuur 2-40: toekennen van de juiste INTERBUS modules
Wanneer alle modules geïmporteerd zijn, wordt “offline” in het “Connected Bus” venster
geselecteerd, gevolgd met het afsluiten van het venster.
3.3.4 Definiëren en toekennen van de globale variabelen
In een volgende stap wordt in de PLC geprogrammeerd welke input elementen (bijv.
sensoren) en output elementen (bijv. zuurstofpomp, regelbare klep) verbonden zijn met
de INTERBUS modules. Hiervoor moet eerst voor elk element een globale variabele
worden aangemaakt.
De werkwijze hiervoor wordt afgebeeld in figuur 2-41. Eerst wordt er in het “Project tree
window” van het “IEC programming” werkgebied dubbelgeklikt op “Global_Variables*”. In
het venster dat verschijnt wordt met de rechtermuisknop geklikt op “Default” en wordt er
gekozen voor “Insert Group”. Op deze manier wordt er een nieuwe groep aangemaakt,
waaraan de aangemaakte globale variabelen toegevoegd worden. Indien gewenst kan de
naam van de groep worden aangepast. Om de globale variabelen aan deze groep toe te
voegen, wordt er met de rechtermuisknop op de nieuwe groep geklikt en wordt er
gekozen voor “Insert variable”.
Na de aanmaak van een nieuwe globale variabele moet enkel nog de naam en het type
aangepast worden. In het kader van deze thesis werden er slechts twee data types
gebruikt nl. “BOOL” (voor digitale signalen) en “WORD” (voor analoge signalen).
50
Figuur 2-41: creëren van globale variabelen
De naamgeving van de globale variabelen gebeurt volgens een vast patroon. De manier
waarop de naamgeving gebeurt, wordt weergegeven in figuur 2-42. Bij de keuze van de
naam moet gelet worden dat de naam een duidelijke taak omschrijft en steeds begint met
een hoofdletter. Worden bovenstaande afspraken toegepast voor de naamgeving van bijv.
de globale variabele die de zuurstofpomp vertegenwoordigd dan wordt
OUT_xZuurstofpomp de naam van deze variabele.
Figuur 2-42: naamgeving globale variabelen
51
Wanneer alle globale variabelen zijn aangemaakt, kan er overgeschakeld worden naar het
werkgebied “Process data assignment”. In dit werkgebied worden de globale variabelen
aan een INTERBUS module toegekend. Zoals weergegeven in figuur 2-34, kunnen alle
aangemaakte variabelen in het “Symbols/Variables” venster terug gevonden worden, door
op de map te klikken, die in een vorige stap werd aangemaakt. Om de globale variabele
aan een INTERBUS module toe te kennen, wordt de gewenste variabele gesleept naar de
module waar het element, waarvoor de variabele staat, mee verbonden is. Wanneer een
globale variabele aan een verkeerde INTERBUS module wordt toegekend, kan de
koppeling ongedaan worden gemaakt door rechts op de variabele te klikken en
vervolgens te kiezen voor “Disconnect”.
Figuur 2-43: toekennen van de globale variabelen aan de INTERBUS-modules
Er wordt ook gebruik gemaakt van de geïntegreerde digitale in- en outputmodules van de
PLC’s. De toekenning van de globale variabelen aan deze modules gebeurt echter op een
andere manier. In het programmeervenster van het werkgebied “IEC programming”
wordt een kort stukje code geprogrammeerd.
Zoals afgebeeld in figuur 2-44, wordt in het “Project Tree Window” het werkblad “Main”
(terug te vinden onder de map “Logical POU’s”) geopend. In het programmeervenster
wordt een stukje code getypt, waarna enkel nog de globale variabelen voor het werkblad
“Main” moeten gedefinieerd en toegevoegd worden. Zoals weergegeven in figuur 2-45,
gebeurt dit door rechts te klikken op een stukje code, die een variabele voorstelt, en
vervolgens voor “Variabele…” te kiezen. Hiermee wordt het venster “Variable Properties”
geopend. Figuur 2-46 geeft het “Variable Properties” venster van een onboard digitale
output weer.
52
Omdat er gestart werd met een nieuw project via een template, waren de globale
variabelen die de onboard in- en outputmodules voorstelden, standaard al gedefinieerd.
Hierdoor moest er niets meer in het “Variable Properties” venster gewijzigd worden. Door
op “OK” te klikken werden de variabelen aan het werkblad “Main” toegevoegd. Omdat
overige globale variabelen in de vorige stap bij “Global_Variables*” correct gedefinieerd
werden, moest er ook niets meer gewijzigd worden in het “Variable Properties” venster en
konden die onmiddellijk aan het werkblad worden toegevoegd door met “OK” te
bevestigen.
Figuur 2-44: toekennen van de globale variabelen aan de onboad in- en outputmodules
Figuur 2-45: openen van het "Variable Properties" venster
53
Figuur 2-46: “Variable Properties” venster van een onboard digital output
3.3.5 Compileren en downloaden
Het project bevat nu alle informatie omtrent de busconfiguraties en er is een actieve
communicatie tussen de PC en PLC. Het project wordt in een laatste stap gecompileerd
(gebouwd) en gedownload naar het geheugen van de PLC. Om het project te bouwen
wordt op het pictogram “make” gedrukt die terug te vinden is in de toolbar van het “IEC
programming” werkgebied. Om het project te downloaden naar het geheugen van de PLC
wordt het “Project Control Dialog” via een knop in de toolbar geactiveerd. Figuur 2-47
geeft een afbeelding weer van het “Project Control Dialog” venster. Om het project te
downloaden naar de PLC moet de PLC eerst gestopt worden door op de knop “Stop” te
klikken gevolgd door “Download”. Wanneer het programma naar de PLC is gedownload
verschijnt er een bevestiging en kan de PLC terug gestart worden door op de knop “Cold”
te drukken.
Figuur 2-47: “Project Control Dialog” venster
54
4. Ole for Process Control (OPC)
4.1 Inleiding
De OPC technologie is momenteel de standaard voor de uitwisseling van gegevens tussen
industriële automatiseringssystemen. De afkorting OPC staat voor OLE for Process
Control . Data wordt uitgewisseld op basis van OLE (Object Linking and Embedding). OLE
is een techniek, ontwikkeld door Microsoft, die zorgt voor de communicatie tussen
verschillende applicaties binnen Windows. De OPC standaard is ontwikkeld door zo’n 270
leveranciers van hardware en software (Siemens, Phoenix Contact, …) in samenwerking
met Microsoft. Deze leveranciers zijn verenigd in een organisatie die bekend staat als de
OPC Foundation.
Voor het bestaan van de OPC technologie werd de communicatie met procesbesturings-
systemen (PLC, DCS, …) gerealiseerd door middel van drivers. Dit principe wordt in figuur
2-48 geïllustreerd. Het probleem van dergelijke drivers is dat deze ontwikkeld worden
voor specifieke systeemcombinaties. Telkens wanneer er een extra software- of
hardwarecomponent wordt toegevoegd, is er opnieuw nood aan een nieuwe driver. Het
resultaat is dat de pc op den duur een kluwen van drivers wordt die al of niet met elkaar
in conflict gaan.
Figuur 2-48: schematische voorstelling communicatie d.m.v. drivers
Het uitgangspunt van de OPC standaard was dan ook om de hoeveelheid drivers te
reduceren en zo het totale systeem transparanter en performanter te maken. Aangezien
de technologie gebaseerd is op COM (Component Object Model), zal het geheel
functioneren in een client-server architectuur. Het client-server architectuur is een model
waarin twee programma’s met elkaar gaan communiceren en data uitwisselen.
Figuur 2-49 geeft een schematische voorstelling van dit werkingsprincipe weer.
55
Figuur 2-49: schematische voorstelling communicatie d.m.v. OPC standaard
De driver die oorspronkelijk instond voor de communicatie met het procesbesturings-
systeem wordt vervangen door de OPC Server. Deze software wordt geleverd door de
hardwarefabrikant en communiceert volgens een producteigen protocol met het toestel.
De naam OPC Client wordt gebruikt voor elke software applicatie die het initiatief neemt
bij het opzetten van een verbinding met een OPC Server. In een eerste fase zal de OPC
Server in een passieve toestand wachten. Wanneer een (eerste) OPC Client verbinding
maakt, wordt de server actief en staat het in voor het lezen en schrijven van data van en
naar het toestel.
4.2 PHOENIXCONTACT.AX-SERVER.21
4.2.1 Configuratie PLC
Om OPC toegang te hebben tot een Phoenix Contact PLC, dienen de beschikbare
variabelen tijdens het programmeren van de PLC ingesteld te worden. Dit gebeurt door
“OPC” aan te vinken in de variabelenlijst (globaal of lokaal). Zoals aangegeven door
figuur 2-50, kan de variabelenlijst terug gevonden worden in het “project tree window”
van de IEC programming Workspace. Wanneer alle nodige variabelen geselecteerd zijn,
dient het project opnieuw gecompileerd en gedownload te worden naar de PLC. Na dit
voorbereidend werk kan de OPC Server effectief geconfigureerd worden.
56
Figuur 2-50: aanvinken “OPC” in variabelen lijst
4.2.2 OPC configurator
In de OPC Configurator kunnen in één en hetzelfde project meerdere
PLC’s aangesproken worden. In het kader van deze thesis zal er met
twee resources (twee PLC’s) worden gewerkt. Aangezien een nieuw
project altijd een default resource bevat die niet geconfigureerd is,
wordt hiervan de naam aangepast door er met de rechtermuisknop op
te klikken en te kiezen voor “Rename Resource”. Om een tweede resource toe te voegen
moet er met de rechtermuisknop geklikt worden op “OpcProject” en vervolgens wordt er
gekozen voor “New Resource …”. Zoals weergegeven in figuur 2-51, gebeuren er voor
elke resource twee instellingen nl. het ingeven van het type en het IP adres van de PLC.
Eenmaal deze gegevens ingesteld zijn, is de configuratie voltooid en mag deze software
worden afgesloten.
Figuur 2-51: instellen van het type en IP adres van de PLC
57
4.2.3 OPC Test Client
In het software pakket biedt Phoenix Contact ook een OPC Test Client
aan. De OPC Test Client is heel eenvoudig in gebruik, maar biedt niet
zoveel mogelijkheden. Eenmaal opgestart is de eerste stap connectie
maken met de OPC Server. Dit gebeurt door in het menu op “server” te
klikken en vervolgens te kiezen voor “Connect”. Er wordt nu contact
gemaakt met de PhoenixContact.AX-Server.21, die vervolgens opstart en meldt dat het
over een demoversie gaat (figuur 2-52). OPC Servers vereisen immers een licentie en zijn
bijgevolg niet gratis. Dit is een nadeel bij het gebruik van de OPC technologie.
Figuur 2-52: contact maken met de PhoenixContact.AX-Server.21
Nadat er connectie is met de OPC Server kunnen alle elementen uit de address space
worden ingeladen. Dit gebeurt door in het menu te klikken op “Group” en vervolgens te
kiezen voor “Add all items” (figuur 2-53). In het venster verschijnen nu alle variabelen die
de PLC beschikbaar stelt via de OPC server.
Figuur 2-53: toevoegen van alle Items in de OPC test Client
58
Onder de kolom “Value” worden de recentste waarden voor alle items getoond. Via het
menu “Group” kan dit beeld gerefresht worden. Ook kan de “Value” van verscheidene
items worden overschreven (figuur 2-54). Dit kan o.a. gebruikt worden om manueel
verschillende output elementen (bijvoorbeeld zuurstofpomp, regelbare klep) aan te
sturen. Om een waarde van een item te overschrijven moet deze eerst geselecteerd
worden en moet er geklikt worden op het menu “Item” om vervolgens te kiezen voor
“Write value …”. Bijvoorbeeld bij het overschrijven van een value die hoort bij een digitale
output zoals OUT_xZuurstofpomp kan er gekozen worden voor waarde “0” (uit) of
“1” (aan). Bij het overschrijven van een value die hoort bij een analoge output zoals
OUT_wDebietregeling kan een getal tussen “0” (klep 0% open) en “65 535” (klep 100%
open) worden gekozen.
Figuur 2-54: overschrijven van een Item Value
59
5. LabVIEW
5.1 Inleiding
LabVIEW, ontwikkeld door National Instruments, is een grafische-
programmeeromgeving die gericht is op de aansturing en uitlezing van
meetinstrumenten en op de verwerking en presentatie van
meetgegevens. De naam staat voor Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench.
De basis van LabVIEW is een Virtual Instrument (VI). De onderdelen krijgen deze
benaming omdat hun werking en uitzicht fysische instrumenten nabootsen. Deze virtuele
instrumenten bestaan uit twee delen:
[1] een buitenkant voor invoer (bijv. instelknoppen) en uitvoer (bijv. een scherm om
signalen te tonen).
[2] een binnenkant waarin de schakeling zit om invoer te lezen, signalen te verwerken
en uitvoer te maken.
Die buiten- en binnenkant van een VI worden in LabVIEW weergegeven door twee
vensters:
[1] het Front Panel (de buitenkant) die de in- en uitvoermogelijkheden weergeeft
[2] het Block Diagram (de binnenkant) die de programmatie weergeeft
De verbinding tussen het Front Panel en Block Diagram wordt door Labview zelf verzorgd.
Figuur 2-55 toont het Front Panel en Block Diagram van het besturingsprogramma die in
het kader van deze thesis werd ontwikkeld.
Figuur 2-55: Front Panel en Block Diagram van het besturingsprogramma van de actief slib pilootreactor
60
LabVIEW maakt gebruik van de grafische programmeertaal “G”. Grafisch programmeren
wil zeggen dat de gebruiker geen codes hoeft te schrijven, maar dat een programma op
het Block Diagram wordt gemaakt door functiesymbolen (Icons) op het Block Diagram toe
te voegen en met elkaar te verbinden door middel van draden (Wires). De verbinding
tussen Front Panel en Block Diagram wordt gemaakt door in- en uitvoerelementen
(Terminals) op het Front Panel te plaatsen. Deze worden door LabVIEW meteen op het
Block Diagram geplaatst en zo in het programma geïntegreerd.
Een groot voordeel van LabVIEW ten opzichte van klassieke programmeertalen is dat de
gebruiker geen aandacht hoeft te besteden aan het programmeren van een
gebruikersinterface. Vrijwel alle bedieningselementen zoals schakelaars, knoppen, … die
op apparaten kunnen voorkomen zijn in LabVIEW aanwezig en kunnen gemakkelijk op het
Front Panel worden geplaatst. Verder heeft de gebruiker bij het maken van een
programma op het Block Diagram een zeer uitgebreide bibliotheek aan functies ter
beschikking.
Aangezien een LabVIEW programma niet bestaat uit codes die na elkaar uitgevoerd
worden, wordt de uitvoeringsvolgorde van een VI op een andere manier bepaald. Functies
op het Block Diagram worden pas uitgevoerd wanneer alle gegevens op de draden aan de
ingang aanwezig zijn. Dit systeem wordt “data-dependent execution” genoemd en
programmeertalen die op deze manier werken heten “data-flow languages”. Omdat het in
sommige gevallen toch nodig is om expliciet een volgorde op te leggen, zijn er in
LabVIEW speciale functies aanwezig om dat te kunnen verwezenlijken.
5.2 LabVIEW installeren en opstarten
Het softwarepakket kan via de officiële website van National Instruments gedownload
worden. Om naar het downloadcentrum te gaan, kan gebruik worden gemaakt van
onderstaande URL.
http://www.ni.com/download-labview/
Bij de praktische uitvoering van deze thesis werd de meest recentste versie van LabVIEW
geïnstalleerd nl. LabVIEW 2015. Merk op dat er naast de installatie van LabVIEW ook nog
een add-on Module gedownload en geïnstalleerd moet worden. De “Datalogging and
Supervisory Control (DSC)” verzorgt de communicatie tussen LabVIEW en de OPC server.
De add-on module kan ook via de officiële website van National Instruments gedownload
worden.
Na installatie en het starten van LabVIEW verschijnt het “Getting Started” venster
(figuur 2-56). Vervolgens wordt er in het keuzemenu “Create Project” gekozen voor
“Blank Project”.
61
Figuur 2-56: het “Getting Started” scherm van LabVIEW (versie 2015)
5.3 Datalogging and Supervisory Control (DSC)
Module
De add-on module “Datalogging and Supervisory Control (DSC)” voorziet de OPC Client
I/O server die nodig is voor de communicatie tussen LabVIEW en de OPC server van
Phoenix Contact . Het werkingsprincipe wordt door figuur 2-57 schematisch voorgesteld.
Binnen de “Shared Variable Engine” zorgt de OPC Client I/O server ervoor dat de globale
variabelen, die beschikbaar zijn via de OPC server (OPC Tag), gekoppeld worden aan
“Bound Shared Variables”. Deze “Bound Shared Variables” zorgen er op hun beurt voor
dat LabVIEW op een eenvoudige wijze data kan lezen of wegschrijven naar de OPC Tags.
Figuur 2-57: schematische voorstelling van de communicatie tussen PLC en LabVIEW via de OPC technologie
Na het aanmaken van een blanco project verschijnt het “Project Explorer” venster. In dit
blanco project wordt eerst de OPC client I/O server toegevoegd. Dit gebeurt door met de
rechtermuisknop op “My Computer” te klikken en vervolgens te kiezen voor “New”
gevolgd door “I/O Server”. In het venster “Create New I/O Server” wordt “OPC Client”
geselecteerd (figuur 2-58).
62
Figuur 2-58: toevoegen van de OPC client I/O server aan een project
In het volgende venster wordt de OPC Client I/O Server geconfigureerd. Hiervoor wordt
“PhoenixContact.AX-Server.21” geselecteerd en in het invulvakje voor “Update rate (ms)”
1000 ingevuld (figuur 2-59). Dit laatste betekent dat om de 1000 ms de waarden van de
“Bound Shared Variables” vernieuwd worden met de waarden afkomstig van de OPC
Tags.
Figuur 2-59: configuratie van de OPC Client I/O Server
63
Na de toevoeging van de OPC Client I/O Server kunnen de “Bound Shared Variables”
gecreëerd worden. Dit gebeurt door rechts te klikken op de OPC Client I/O Server en te
kiezen voor “Create Bound Variables …” (figuur 2-60).
Figuur 2-60: creëren van de “Bound Variables” (deel 1)
In het volgend venster kunnen de twee geconfigureerde PLC’s worden terug gevonden.
Wanneer de menu’s van de twee PLC’s geopend worden verschijnen alle globale
variabelen die beschikbaar zijn via de OPC server.
Alle variabelen die nodig zijn voor de opbouw van het besturingsprogramma kunnen aan
het project toegevoegd worden door deze te selecteren en op “Add >>” te drukken
(figuur 2-61). Wanneer alle elementen zijn toegevoegd, wordt er bevestigd met “OK”.
Figuur 2-61: creëren van de “Bound Variables” (deel 2)
64
Het volgend venster dat verschijnt is een opsomming van alle “Bound Shared Variables”
met bijhorende informatie die gecreëerd zullen worden. In dit venster moet aangegeven
worden of de variabelen van het type “read only” of “write only” zijn. Alle variabelen die
een input vertegenwoordigen zijn van het type “read only” en alle variabelen die een
output vertegenwoordigen zijn van het type “write only”. Het aanpassen gebeurt door in
de kolom “Network-Published Access Type” het type voor elke variabele aan te passen
(figuur 2-62).
Figuur 2-62: aanpassen type van de “Bound Shared Variables”
Na het bevestigen met de knop “Done” worden alle Bound Variables gecreëerd en
toegevoegd aan het “Project Explorer” scherm (figuur 2-63).
Figuur 2-63: het Project Explorer scherm met de toegevoegde “Bound Shared Variables”
65
Wanneer het besturingsprogramma geprogrammeerd wordt, kunnen de Bound Variables
gemakkelijk aan de VI worden toegevoegd door de gewenste Bound Variable in het
“Project Explorer” scherm te selecteren en te slepen op het “Block Diagram” venster
(figuur 2-64).
Figuur 2-64: toevoegen van “Bound Shared Variables” aan een VI
5.4 Aan de slag met LabVIEW
In het volgende deel van deze thesis (Hoofdstuk 3: resultaten en conclusies) wordt de
opbouw en werking van het besturingsprogramma besproken. Het is echter onmogelijk
om van elk gebruikt invoer/uitvoerelement, functie, enz. een beschrijving in deze thesis
weer te geven. Om toch de opbouw van het programma goed te begrijpen volgt
hieronder nog een omschrijving van enkele belangrijke aspecten en functies die bij het
programmeren werden gebruikt.
Indien de gebruiker van het programma van een bepaald element wat meer informatie
wenst, kan er gebruik gemaakt worden van “Context Help” (figuur 2-65). Deze handige
helpfunctie is onder het menu “Help” terug te vinden. Bij het activeren van deze functie
verschijnt het “Context Help” venster waarin, van zodra een bepaald element wordt
aangeklikt, de nodige informatie verschijnt.
Figuur 2-65: het “Context Help” venster
66
5.4.1 LabVIEW programmeeromgeving
Na de aanmaak van de “Bound Shared Variables” kan een Virtual Instrument (VI) aan het
project worden toegevoegd. Dit gebeurt op de manier die weergegeven wordt in
figuur 2-66. Na het aanmaken van een nieuwe VI verschijnt er een leeg Front Panel met
een bijhorend Block Diagram. Voor er gestart wordt met het programmeren, wordt de
nieuw aangemaakt VI best eerst opgeslagen. Hiervoor wordt in het menu op “File” geklikt
en vervolgens op Save. Front Panel en Block Diagram zijn gekoppeld aan elkaar en
worden dus automatisch allebei opgeslagen.
Figuur 2-66: toevoegen van een Virtual Instrument (VI) aan het project
De LabVIEW programmeeromgeving bestaat uit de volgende componenten:
[1] De Front Panel en Block Diagram vensters
[2] Het Controls pop-up venster of Controls Pallette
[3] Het Functions pop-up venster of Functions Palette
[4] Het Tools pop-up venster of Tools Palette
Het “Front Panel” dient om tijdens de werking van de VI invoer te geven of te wijzigen
(Controls; bijvoorbeeld het veranderen van schakelaarstanden) en om uitvoer zichtbaar te
maken (Indicators; bijvoorbeeld onder de vorm van een grafiek).
Het “Block Diagram” bevat het programma dat gegevens van de invoer leest, verwerkt en
de resultaten toont via de uitvoer. Tijdens de programmatie van een VI worden
draadverbindingen (Wires) aangebracht tussen functiesymbolen (Icons) afkomstig van het
Functions venster en in- en uitvoerelementen (Terminals) afkomstig van het Front Panel.
Er kan gemakkelijk gewisseld worden tussen het Front Panel en Block Diagram door de
sneltoets “ctrl-E” te gebruiken.
Het “Controls Palette” kan in het Front Panel opgeroepen worden door het menu “View”
aan te klikken en vervolgens “Controls Palette” te kiezen. Het Controls pop-up venster
(figuur 2-67) bevat een menu met submenu’s die verschillende elementen zoals
schakelaars, numerieke indicatoren, grafieken bevatten die gebruikt kunnen worden op
het Front Panel.
67
Het “Functions Palette” kan in het Block Diagram opgeroepen worden via het menu
“View” aan te klikken en vervolgens “Functions Palette” te kiezen. Het Functions pop-up
venster (figuur 2-67) werkt analoog zoals het Controls Palette, maar dan in combinatie
met het Block Diagram. Het is een menu met submenu’s die de functies bevatten, die
gebruikt kunnen worden op het Block Diagram.
Het Tools Palette (figuur 2-67) is een menu om een tool voor een bepaalde bewerking te
selecteren (bijv. “Wiring Tool” om de verschillende elementen op het Block Diagram door
Wires met elkaar te verbinden, “Positioning Tool”, …) en kan in zowel het Front Panel als
het Block Diagram worden opgeroepen door het menu “View” aan te klikken en te kiezen
voor “Tools Palette”.
Figuur 2-67: Controls Palette (links), Functions Palette (midden)
en Tools Palete (rechts)
Het Front Panel en het Block Diagram venster bevatten naast de titel- en menubalk ook
nog een knoppenbalk (figuur 2-68). De belangrijkste knoppen worden in tabel 2-2
beschreven.
Figuur 2-68: de kop van het Front Panel (boven) en de kop van het Block Diagram (onder)
68
Tabel 2-2: beschrijving van enkele knoppen van de knoppenbalk van het Front Panel en het Block Diagram
Run
Deze knop wordt gebruikt om een VI eenmalig uit te voeren.
Continuous Run
Met deze knop kan een VI continu uitgevoerd worden.
Broken Run
Soms is de Run knop vervangen door de Broken Run knop. In dat geval zit er een fout
in de VI, waardoor deze niet kan worden uitgevoerd. Door op de knop te drukken
verschijnt een venster met foutmeldingen. Deze foutmeldingen worden gegenereerd
bij het compileren van de VI.
Stop
Deze knop verschijnt alleen als de VI loopt. Hiermee kan de VI gestopt worden.
Highlight Execution
Een zeer handige knop voor het opsporen van fouten. Hiermee worden de waarden
gevisualiseerd die tijdens het uitvoeren van een VI over de draden lopen. Merk op dat
de uitvoering van de VI hierdoor wel wordt vertraagd. Door nog één keer te klikken op
het pictogram wordt de functie terug uitgeschakeld en wordt de VI weer op normale
snelheid uitgevoerd.
5.4.2 LabVIEW datatypes
Bij het grafisch programmeren in LabVIEW valt het al snel op dat de “Wires” en
“Terminals” een verschillende kleur kunnen hebben. Deze kleur is afhankelijk van het
datatype. Tabel 2-3 geeft een overzicht van enkele veel gebruikte datatypes met hun
overeenkomstige kleuren. Er bestaan conversiefuncties die data van een bepaald datatype
in een ander kunnen omzetten (bijv. van “Integer” naar “Floating Point”). Wanneer er
toch aan de ingang van een functie een verkeerde datatype wordt gekoppeld, dan zal de
verbindingsdraad veranderen in een zwarte stippellijn.
69
Tabel 2-3: overzicht van de kleuren van enkele veel gebruikte datatypes
datatype kleur
Integer (geheel getal)
Floating Point (decimaal getal)
Boolean (“True” (=1) of “False” (=0))
String (tekst)
Error
5.4.3 Analoge signaalverwerking
Met behulp van sensoren wordt een bepaalde grootheid zoals de temperatuur, druk,
debiet, enz. opgemeten. De gemeten grootheid wordt onder de vorm van een analoog
signaal (bijvoorbeeld 4 tot 20 mA of 0 tot 10 V) aan de analoge-ingangsmodules
aangeboden. Het analoog signaal wordt in de analoge-ingangsmodules omgezet in een
binaire waarde. Zoals aangegeven in figuur 2-69 en tabel 2-4 wordt de analoge
inputrange vertaald naar een waarde tussen 0 en 30 000. Het zijn deze binaire waarden
die via de “Shared Bound Variables” in LabVIEW worden binnengebracht.
Figuur 2-69: binaire voorstelling van de gemeten grootheid (12 bit resolutie)
70
Tabel 2-4: binaire voorstelling van de gemeten grootheid (12 bit resolutie)
Voor de debietmeters, temperatuur- en druksensoren wordt het verband tussen de
gemeten grootheid en de analoge waarde door vergelijkingen 2-3; 2-4; 2-5 en 2-6
weergegeven. De opbouw van de vergelijkingen wordt met behulp van figuur 2-70
verduidelijkt.
Figuur 2-70: opbouw van de vergelijkingen voor de debietmeter van het effluent en de druksensoren
𝑑𝑒𝑏𝑖𝑒𝑡 [𝑚𝑙
𝑚𝑖𝑛] (𝑒𝑓𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡) = ((
𝑎𝑛𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒15 000
⁄ ) × 87) + 13 [vgl. 2-3]
𝑑𝑒𝑏𝑖𝑒𝑡 [𝑚𝑙
𝑚𝑖𝑛] (𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑒) = ((
𝑎𝑛𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒15 000⁄ ) × 4 500) + 500 [vgl. 2-4]
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑢𝑟 [°𝐶] = ((𝑎𝑛𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒
30 000⁄ ) × 60) − 12 [vgl. 2-5]
𝑑𝑟𝑢𝑘 [𝑏𝑎𝑟] = ((𝑎𝑛𝑎𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒
12 000⁄ ) × 13,788) − 3,447 [vgl. 2-6]
71
Door gebrek aan informatie omtrent de configuratie van de pH- en zuurstoftransmitter
werd het verband tussen de gemeten grootheid en de analoge waarde op een andere
manier bepaald.
Voor de pH-transmitter werd de pH sonde, na kalibratie, in drie pH-buffers (pH 4,7 en 10)
ondergedompeld. Wanneer de gemeten pH-waarde, die op het displayscherm werd
weergegeven, stabiel was, werd met behulp van LabVIEW elke seconde gedurende 1
minuut de analoge waarde bepaald. Het gemiddelde van deze meetwaarden werd met de
overeenkomstige pH-waarde uitgezet in een grafiek. In figuur 2-71 kan het verband
tussen de analoge meetwaarden en de gemeten grootheid worden teruggevonden.
Figuur 2-71: pH in functie van de analoge meetwaarde
Voor de zuurstoftransmitter werd de zuurstofsensor in een beker met water
ondergedompeld en gekalibreerd (aanpassen van de sensor aan de omgevings-
temperatuur). Wanneer de gemeten zuurstofconcentratie, die op het displayscherm werd
weergegeven, stabiel was, werd met behulp van LabVIEW elke seconde gedurende 1
minuut de analoge waarde bepaald. Het water werd dan geleidelijk zuurstofvrij gemaakt
door kleine dosissen natriumsulfiet toe te voegen. Per toegevoegde dosis werd er
gewacht tot de zuurstof-concentratie op het displayscherm stabiel was en werd er
opnieuw met behulp van LabVIEW elke seconde gedurende 1 minuut de analoge waarde
bepaald. Het gemiddelde van deze meetwaarden werd met de overeenkomstige
zuurstofconcentratie uitgezet in een grafiek. In figuur 2-72 kan het verband tussen de
analoge meetwaarden en de gemeten grootheid worden teruggevonden.
Figuur 2-72: de zuurstofconcentratie (mg/l) in functie van de analoge meetwaarde
y = 0,0006x - 3,4453 R² = 0,9999
0
2
4
6
8
10
12
0 5000 10000 15000 20000 25000
pH
analoge meetwaarde
y = 0,0009x - 4,9926 R² = 1
0
2
4
6
8
10
0 5000 10000 15000 20000
zuu
rsto
fco
nce
ntr
ati
e (m
g/l)
analoge meetwaarde
72
In LabVIEW kunnen de analoge meetwaarden met behulp van de functie “Formula” op
een eenvoudige manier naar de gemeten grootheid worden omgezet (figuur 2-73).
Figuur 2-73: omzetten van de analoge meetwaarden met behulp van de functie “Formula” naar de gemeten grootheid
Om de aanstuurbare klep te regelen moet een binaire waarde aan de analoge-
uitgangsmodule worden aangeboden. Deze waarde zal door de analoge uitgangsmodule
worden omgezet in een analoog signaal (4 tot 20 mA). Zoals aangegeven in figuur 2-74
wordt de analoge outputrange vertaald naar een waarde tussen 0 en 65 535. Bijvoorbeeld
wanneer de klep voor 50% geopend moet worden, wordt de waarde 65 535 x 50% =
32 768 aan de “Shared Bound Variables” van de aanstuurbare klep doorgegeven. De
analoge outputmodule zal deze waarde omzetten naar een analoog signaal in dit geval 12
mA die gebruikt zal worden om de klep voor de helft te openen.
Figuur 2-74: binaire voorstelling van output-waarde (16 bit resolutie)
73
5.4.4 LabVIEW structuren
Zoals reeds vermeld in de “Inleiding” is LabVIEW een data-flow gestuurde taal. De
functies op het Block Diagram worden pas uitgevoerd wanneer alle gegevens op de
draden van de ingang aanwezig zijn. Als gevolg hiervan kunnen delen van een VI
onafhankelijk van elkaar worden uitgevoerd. De functie die als eerste alle invoerwaarden
aan zijn ingangen heeft, wordt ook als eerste uitgevoerd. Welke functie als eerste wordt
uitgevoerd is moeilijk te voorspellen. Soms is er in een programma ook de noodzaak om
sommige handelingen meerdere malen te doorlopen. Om al deze problemen op te lossen
beschikt LabVIEW over “Structures”. Deze structuren kunnen terug gevonden worden in
het Functions Palette venster door onder het menu “Programming” het submenu
“Structures” aan te klikken. De belangrijkste “Structures” worden in tabel 2-5 en tabel 2-6
weergegeven.
Tabel 2-5: overzicht van een aantal “Structures” (deel 1)
afbeelding omschrijving
“While Loop”
Met behulp van een “While Loop” kunnen handelingen meerdere malen
in een programma worden doorlopen. Het vierkantje met de “i” is de
Loop Counter. Iedere keer dat de loop doorlopen wordt, wordt de teller
met één verhoogd. Het vierkantje met de rode stip is de “Loop
Condition”. Hieraan kan een “Stop” knop gekoppeld worden. Zolang de
“Stop” niet ingedrukt wordt, geeft deze de conditie “False” door aan de
Loop Condition en wordt de loop verder uitgevoerd. Wordt de “Stop”
knop ingedrukt, dan wordt de waarde “True” aangeboden en wordt de
loop afgebroken.
LabVIEW probeert alle instructies binnen een “While Loop” zo snel
mogelijk uit te voeren (om de 1-10 milliseconde). Om een loop te laten
uitvoeren met een bepaalde vertraging (om de 1 seconde), wordt er
gebruik gemaakt van de Timing functie “Wait Until Next ms Multiple”.
Deze functie kan terug gevonden worden in het Functions Palette venster
door onder het menu “Programming” het submenu “Timing” aan te
klikken.
74
Tabel 2-6: overzicht van een aantal “Structures” (deel 2)
afbeelding omschrijving
“Case Structure”
Wanneer een “Case Structure” op het Block Diagram wordt geplaatst
bevat deze een enkele terminal met daarin een vraagteken (een “Case
selector”). Aan de terminal kan een booleaanse waarde of een numerieke
waarde gekoppeld worden. De waarde die aan de terminal gekoppeld is,
gaat bepalen welke “Case” zal worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld wanneer
de boolean waarde aan de terminal “True” is gekoppeld, worden de
functies binnen het True-kader uitgevoerd.
“For Loop”
De werking van een “For Loop” is analoog aan een “While Loop”. Bij de
“For Loop” ontbreekt de loop conditie, maar het aantal iteraties kan op
voorhand worden opgegeven. De loop begint bij 0 en loopt tot N-1 keer.
Bij de “For Loop” kan er ook gewerkt worden met “Shift Registers”. Een
“Shift Register” wordt gecreëerd door rechts te klikken op de zijkant van
de loop en de optie “Add Shift Register” te selecteren. Met behulp van
een “Shift Register” kan een variabele van de ene iteratie van de loop
naar de volgende iteratie worden overgedragen.
“Flat Sequence”
Met behulp van een “Flat Sequence” kunnen bepaalde handelingen in
een specifieke volgorde worden uitgevoerd. Aan de “Flat Sequence”
kunnen er meerdere subdiagrammen worden toegevoegd door rechts op
de structuur te klikken en de optie “Add Frame Before” of “Add Frame
After” te selecteren. De verschillende subdiagrammen worden van links
naar rechts uitgevoerd. Er kan pas naar een volgend subdiagram worden
overgaan wanneer alle data beschikbaar is op de draden die met dat
subdiagram verbonden zijn.
75
HOODSTUK 3:
RESULTATEN EN DISCUSSIE
In het onderdeel “resultaten en discussie” wordt de opbouw en structuur van het
besturingsprogramma besproken. Het ontwikkelingsproces (figuur 3-1)van het
besturingsprogramma kon opgedeeld worden in een viertal fases.
Figuur 3-1: ontwikkelingsproces van het besturingsprogramma
1. Vereisten
Tijdens de eerste fase werden de vereiste functionaliteiten van het programma bekeken.
Hierbij werd de vraag gesteld hoe het besturingsprogramma gebruikt zou worden, welke
processen er allemaal geregeld moesten worden en welke gegevens hiervoor moesten
ingevoerd en weergegeven worden.
Op basis van deze vereisten werd er in de volgende fase (ontwerp) voor elk te regelen
proces een flowchart opgesteld. Aan de hand van de opgestelde flowchart werd er
vervolgens van de regelkring in LabVIEW een ontwerp gemaakt.
2. Ontwerp
2.1 Niveauregeling
Figuur 3-2 geeft de flowchart voor de niveauregeling van de vloeistof in de reactor weer.
De niveau-regeling was gebaseerd op een aan/uit-regeling met hysterese en werd
oorspronkelijk gerealiseerd met behulp van twee niveausensoren die tegen de
reactorwand werden gemonteerd.
Bij de niveauregeling fluctueert het niveau van de vloeistof in de reactor tussen een
minimum- en een maximumniveau. Voor de start van een experiment wordt de reactor
gevuld tot aan het maximumniveau. Tijdens het experiment zal het niveau in de reactor
geleidelijk aan dalen, omdat het gezuiverde afvalwater (effluent) uit het systeem
76
verdwijnt. Wanneer het niveau gedaald is tot aan het minimumniveau zal de
voedingspomp automatisch ingeschakeld worden. Met behulp van de voedingspomp zal
de reactor terug tot aan het maximumniveau worden bijgevuld, waarna de voedingspomp
bij het bereiken van het maximumniveau terug wordt uitgeschakeld.
Figuur 3-2: Flowchart niveauregeling
Figuur 3-3 geeft het ontwerp van deze niveauregeling in LabVIEW weer. De
niveauregeling werd hoofdzakelijk gerealiseerd met de logische operatoren “AND” (en;
symbool ), “OR” (of; symbool ) en “NOT” (niet; symbool ). In deze regeling kan er
ook een “Feedback Node” terug gevonden worden. Met behulp van een “Feedback Node”
wordt een bepaalde waarde tijdens een iteratie bewaard en doorgegeven naar een
volgende iteratie.
Figuur 3-3: ontwerp oorspronkelijke niveauregeling
Tijdens de praktische uitvoering van de thesis begaf de niveausensor die het maximum-
niveau aanduidde. Met behulp van de overgebleven niveausensor werd er een nieuwe
niveauregeling (figuur 3-4) gemaakt. De nieuwe niveauregeling maakt gebruik van de
“Elapsed Time” functie. De voedingspomp pompt tot het gewenste niveau wordt bereikt.
77
De pomp blijft daarna nog 15 seconden door pompen, waarna deze automatisch wordt
uitgeschakeld.
Figuur 3-4: ontwerp finale niveauregeling
2.2 Temperatuurregeling
Figuur 3-5 geeft de flowchart voor de temperatuurregeling van de vloeistof in de reactor
weer. De temperatuurregeling is gebaseerd op een aan/uit-regeling met hysterese. Bij
deze regeling zal de temperatuur van de vloeistof in de reactor fluctueren rond een
bepaalde wenswaarde, tussen een minimum- en een maximumtemperatuur.
Figuur 3-5: Flowchart temperatuurregeling
De temperatuur van de vloeistof wordt met behulp van een temperatuursensor (Pt100)
bepaald. De gemeten waarde wordt vergeleken met een opgegeven wenswaarde (x °C).
Wanneer de gemeten waarde gedaald is tot onder de minimumtemperatuur (x - ∆x °C),
wordt het verwarmingselement ingeschakeld. Bij het bereiken van de maximum-
temperatuur (x + ∆x °C), wordt het verwarmingselement terug uitgeschakeld. Het
ontwerp van deze regelkring in LabVIEW wordt in figuur 3-6 weergegeven.
78
Figuur 3-6: ontwerp temperatuurregeling
2.3 Zuurstofregeling
Figuur 3-7 geeft de flowchart voor de regeling van de concentratie opgeloste zuurstof van
de vloeistof in de reactor weer. De zuurstofregeling is gebaseerd op een aan/uit-regeling
met hysterese. Bij deze regeling zal de concentratie aan opgeloste zuurstof van de
vloeistof in de reactor fluctueren rond een bepaalde wenswaarde, tussen een minimum-
en een maximumconcentratie aan opgeloste zuurstof.
Figuur 3-7: Flowchart zuurstofregeling
De zuurstofconcentratie wordt met behulp van een zuurstofsensor bepaald. De gemeten
waarde wordt vergeleken met een opgegeven wenswaarde (x mg/l). Wanneer de
gemeten waarde gedaald is tot onder de minimumconcentratie (x - ∆x mg/l), wordt een
zuurstofpompje ingeschakeld. Bij het bereiken van de maximumconcentratie
79
(x + ∆x mg/l), wordt het zuurstofpompje terug uitgeschakeld. Het ontwerp van deze
regelkring in LabVIEW wordt in figuur 3-8 weergegeven.
Figuur 3-8: ontwerp zuurstofregeling
2.4 Zuurtegraadregeling
Figuur 3-9 en figuur 3-10 geven de flowcharts van de regeling van de zuurtegraad met
zuur of base van de vloeistof in de reactor weer. De zuurtegraadregeling is gebaseerd op
een aan/uit-regeling met hysterese. Bij deze regeling zal de zuurtegraad van de vloeistof
in de reactor fluctueren rond een bepaalde wenswaarde, tussen een minimum- en een
maximumzuurtegraad.
Figuur 3-9: Flowchart zuurtegraadregeling met zuur
80
Figuur 3-10: Flowchart zuurtegraadregeling met base
De zuurtegraad wordt met behulp van een pH-sensor bepaald. Afhankelijk van het te
behandelen afvalwater (alkalisch of zuur milieu) moet de zuurtegraad van de vloeistof
met een zuur of een base worden bijgeregeld. Met behulp van een “Case structuur” zal er
de mogelijkheid bestaan om te kiezen tussen een pH-regeling met een zuur of een pH-
regeling met een base.
De gemeten waarde wordt vergeleken met een opgegeven wenswaarde (x). Bij de pH-
regeling met een zuur wordt de peristaltische pomp (4 RPM) ingeschakeld wanneer de
gemeten zuurtegraad gestegen is tot boven de maximumzuurtegraad (x + ∆x). Door het
toevoegen van zuur zal de zuurtegraad geleidelijk aan terug dalen tot een
minimumzuurtegraad (x - ∆x). Bij het bereiken van de minimumzuurtegraad wordt de
peristaltische pomp (4 RPM) terug uitgeschakeld. Het ontwerp van deze regelkring in
LabVIEW wordt in figuur 3-11 weergegeven.
Figuur 3-11: ontwerp zuurtegraadregeling
81
2.5 Werkmethode
Bij de actief slib pilootreactor zijn er twee scheidingstechnieken voor het water/ slib-
mengsel beschikbaar:
[1] Bij membraanfiltratie wordt met behulp van een pomp het mengsel over de cross-
flow module gepompt. De membraanfiltratie kan hierbij verlopen bij een constante
druk of een constant effluentdebiet. Met behulp van een aanstuurbare klep kan
ervoor gezorgd worden dat de druk of het effluentdebiet tijdens een experiment
constant blijft. Figuur 3-12 en figuur 3-13 geven de flowcharts voor de werking bij
constante druk en constant effluentdebiet weer.
[2] Bij bezinking met de nabezinker moet er ook de mogelijkheid bestaan om de klep
manueel op een bepaalde openingstand te plaatsen. Met behulp van de
aanstuurbare klep kan namelijk het debiet van het retourslib worden bijgeregeld.
Figuur 3-12: Flowchart uitvoeren van membraanfiltratie bij constante druk
82
Figuur 3-13: Flowchart uitvoeren van membraanfiltratie bij constant effluentdebiet
Het ontwerp van deze regelkring in LabVIEW wordt door figuur 3-14 weergegeven. De
keuze tussen het werken bij constante druk, constant effluentdebiet of manueel openen
of sluiten van de aanstuurbare klep wordt door een “Case Structure” gerealiseerd.
Standaard zal de klep manueel aangestuurd worden door een percentage in een
invulvakje in te vullen. Met behulp van twee knoppen kan er overgeschakeld worden naar
het werken bij een constante druk of een constant effluentdebiet.
Wanneer er gewerkt wordt bij een constante druk, zal de klep aangestuurd worden op
basis van de druk die gemeten wordt door de druksensor na het membraan. De gemeten
waarde (x bar) wordt vergeleken met een bepaalde wenswaarde. Bij deze regeling zal de
druk fluctueren rond een bepaalde wenswaarde, tussen een minimum- en een
maximumdruk. Wanneer de gemeten druk hoger is dan de maximumdruk (x + ∆x bar) zal
de klep geopend worden en wanneer die lager is dan de minimumdruk (x - ∆x bar) zal de
klep gesloten worden.
Het openen of sluiten van de klep gebeurt in stapjes. Telkens wanneer de “Loop”
doorlopen wordt, wordt de klep afhankelijk van de verwerking van de meetgegevens iets
meer geopend of gesloten (bijvoorbeeld 0,1% per seconde). De stapgrootte mag zeker
niet te groot worden genomen, omdat het systeem enige tijd nodig heeft om een
effectieve druk- of debietwijziging te registreren.
83
Figuur 3-14: ontwerpregeling van de aanstuurbare klep
In de ontwerpregeling van de aanstuurbare klep bevindt zich aan de rechterkant nog een
tweede “Case Structure”. Deze structuur is ingebouwd ter beveiliging van de opstelling.
Wanneer de klep gesloten wordt, kan de druk bij een bepaalde openingstand te hoog
oplopen waardoor elementen van de pilootreactor zoals de membraanmodule en leidingen
beschadigd kunnen worden. Met behulp van invoervakjes op het Front Panel kan er
opgegeven worden wat de maximale- en minimale openingstand van de aanstuurbare
klep is.
2.6 Opslag van gegevens
Een ander belangrijk onderdeel van het sturingsprogramma is de opslag van de
meetgegevens. Het ontwerp van de opslagfunctie wordt door figuur 3-15 afgebeeld. Met
behulp van de functie “Set Dynamic Data Attributes” wordt er aan elke meetwaarde een
tag (naam) en het tijdstip van meting meegegeven (figuur 3-16). Via de functie “Merge
Signals” worden alle meetsignalen gebundeld en kunnen die vervolgens in de functie
“Write To Measurement File” worden binnengebracht.
Door dubbel op de functie “Write To Measurement File” te klikken verschijnt er een
venster waarmee de functie geconfigureerd kan worden (figuur 3-17). In dit venster kan
o.a. het bestandstype, de bestandsnaam en de opslaglocatie van de file ingevoerd
worden. Als bestandstype wordt “*.TDMS” gebruikt. Dit bestandstype werd door LabVIEW
ontwikkeld en kan geopend worden met Excel. Om een TDMS bestand te openen moet
LabVIEW op de PC geïnstalleerd zijn. Indien dit niet het geval is, kan door de installatie
van de TDMS add-on module voor Excel dit bestandstype toch worden geopend. Deze
add-on module kan via de officiële website van “National Instruments” gedownload
worden.
84
Als laatste werd er in het ontwerp ook nog een optie voorzien waarin de “Sample Rate”
(opslagfrequentie van de meetgegevens) ingesteld kan worden. Deze maakt gebruikt van
de “Loop Counter” (afkomstig van de “While Loop”) en van de functies “Quotient &
Reminder” en “Equal To 0?”. Telkens als de waarde van de “Loop Counter” een veelvoud
is van de opgegeven “Sample Rate” wordt de Booleaanse waarde “True” aan de “Write To
Measurement Functie” aangeboden. Pas bij de waarde “True” worden de meetgegevens
van die iteratie aan het bestand toegevoegd.
Figuur 3-15: ontwerp opslag van gegevens
Figuur 3-16: configuratie van de “Set Dynamic Data Attributes”
85
Figuur 3-17: configuratie van de “Save To Measurement File”
2.7 Vlottend gemiddelde
Bij een regelkring is de aanstuurwaarde voor een bepaald uitvoerelement gebaseerd op
een gemeten grootheid. Wanneer er bij metingen storingen optreden, bestaat de kans dat
de regelkring onstabiel wordt en kan een uitvoerelement verkeerd aangestuurd worden.
Dit was o.a. het geval bij de drukmeting. De gebruikte circulatiepomp veroorzaakte nl. bij
iedere pompslag een drukpiek. Voor een stabiele regeling werden deze storingen wat
opgevangen door de aanstuurwaarde te baseren op het vlottend gemiddelde van vijf
opeenvolgende metingen. Dit werd gerealiseerd met behulp van de structuur “Shift
Register” (figuur 3-18). Bij alle regelkringen werd dit principe toegevoegd.
Figuur 3-18: berekenen van het vlottende gemiddelde van vijf opeenvolgende metingen met behulp van “Shift Register”
86
3. Implementatie
Op basis van de ontwerpen van de regelkringen in LabVIEW werd het besturings-
programma samengesteld. Door de voorafgaande vereistenstudie en het conceptueel
ontwerp was het zo makkelijker om het besturingsprogramma op een gestructureerde
wijze te programmeren. Zoals eerder vermeld zal het programma bestaan uit twee delen
nl. het Front Panel en het Block Diagram.
3.1 Front Panel
Figuur 3-19 geeft een printscreen van het Front Panel van het besturingsprogramma
weer. Het Front Panel kan in drie delen worden opgesplitst.
Figuur 3-19: printscreen van het Front Panel
Het gedeelte aan de linkerkant van de interface bevat alle knoppen, invulvakjes, en
indicatorvakjes van de regelkringen. Met behulp van aan/uit knoppen kunnen de
circulatiepomp, roerder, slangenpomp (65RPM) het pH controlesysteem in- of
uitgeschakeld worden. In de invulvakjes kunnen de wenswaarden van onderstaande
processen worden ingevuld:
[1] de sample rate [s] (standaardwaarde 300 s)
[2] de gewenste temperatuur [°C] (standaardwaarde 20°C)
[3] de gewenste zuurstofconcentratie [mg/l] (standaardwaarde 3 mg/l)
[4] de gewenste zuurtegraad [pH] (standaardwaarde pH 7,5)
87
Om een standaardwaarde aan te maken, wordt in het invulvakje de gewenste waarde
ingevuld en vervolgens wordt er rechts op het invoervakje geklikt, gevolgd door “Data
Operations” en “Make Current Value Default”. Met behulp van indicatorlampjes wordt de
aan/uit status van de outputelementen en zekeringen van het verwarmingselement en
voedingspomp alsook de roerbeveiliging weergegeven.
In de rechterbovenhoek van de gebruikersinterface bevindt zich het tabbladmenu. In het
tabblad “Algemeen” van het tabbladmenu (figuur 3-20) kan, indien gewenst een
timerfunctie worden geactiveerd. Op deze manier wordt de opstelling na een opgegeven
runtijd automatisch uitgeschakeld. Ook wordt tijdens een run, de totale runtijd
weergegeven. Onder “Filename” kan de naam en de bestandslocatie van het “*.TDMS”
bestand worden opgegeven. Met behulp van de onderste twee indicatievensters kunnen
eventuele problemen met de OPC server worden gemeld. Onder het tabblad “Instellingen”
kunnen de marges van de aan/uitregelkringen worden geregeld. In de overige tabbladen
worden de meetresultaten grafisch in de tijd weergegeven.
Figuur 3-20: het tabbladmenu van de gebruikersinterface
In de rechterbenedenhoek (figuur 3-21) kan er aangegeven worden hoe de klep
aangestuurd moet worden. Dit gebeurt standaard manueel door een kleppercentage in te
vullen. Wanneer een van de twee knoppen wordt ingedrukt, gebeurt het aansturen van
de klep automatisch op basis van de opgegeven wenswaarde. Ook worden de gemeten
drukken en debieten in indicatorvakjes weergegeven.
Figuur 3-21: gebruikersinterface voor de automatische of manuele aansturing van de
klep
88
3.2 Block Diagram
Figuur 3-22 geeft een printscreen van het Block Diagram weer. Tijdens de ontwerpfase
werd er beslist om het programma via een duidelijke structuur op te bouwen. Het
programma werd hierdoor met behulp van een “Flat Sequence” in vijf opeenvolgende
delen opgesplitst:
[1] In deze stap worden alle invoerelementen ingelezen. Dit is o.a. de analoge en
digitale input die door de “Shared Bound Variables” geleverd worden. Ook de
“Controls” (invoerelementen) die zich op het Front Panel bevinden worden in deze
stap ingelezen.
[2] Hier gebeurt de berekening van het vlottend gemiddelde van de analoge
meetwaarden en het omrekenen ervan naar de gemeten grootheid.
[3] Deze stap bevat alle regelkringen die tijdens de ontwerpfase ontwikkeld werden.
[4] Op basis van de resultaten van de regelcircuits van de vorige stap worden de
“Shared Bound Variables” die een output vertegenwoordigen, aangestuurd. Ook
worden de bekomen resultaten aan de “Indicators” (uitvoerelementen zoals
grafieken, indicatorvakjes, enz.) van het Front Panel toegekend.
[5] In de laatste stap worden de metingen op basis van de ingestelde “Sample Rate”
naar een “*.TDMS” bestand weggeschreven.
Merk op dat er op het einde van de derde stap nog een drietal “Case Structures” aan het
Block Diagram zijn toegevoegd. Deze “Case Structures” zijn verantwoordelijk voor
onderstaande functies van het programma:
[1] Wanneer de “Stop” knop wordt ingedrukt of wanneer de runtime verstreken is,
worden alle outputelementen uitgeschakeld en wordt het programma dan pas
beëindigd.
[2] Wanneer er zich een error voordoet bij de OPC server, worden de regelkringen
onderbroken zodat de outputelementen voor de veiligheid niet foutief worden
aangestuurd.
[3] Bij het starten van het programma worden de outputelementen pas na 20
seconden aangestuurd. Gedurende de eerste 20 seconden wordt het vlottend
gemiddelde van de gemeten grootheden berekend.
Omdat de timerfunctie en de weergave van de totale looptijd van het programma niet
echt bijdragen tot het regelen en het besturen van de actief slib pilootreactor, worden
deze hier niet verder besproken. Ter volledigheid wordt het ontwerp van deze elementen
opgenomen in bijlage 3 en bijlage 4.
89
Figuur 3-22: printscreen van het Block Diagram
[1] [2] [3] [4] [5]
90
4. Testen
In de laatste fase van het ontwikkelingsproces werd het programma uitgetest en werd er
gekeken of de implementatie aan de vooraf gedefinieerde vereisten voldeed. Waar nodig
werd het programma bijgestuurd en aangepast.
4.1 Testen op basis van water
Tijdens een eerste reeks testen werd het sturingsprogramma en de verschillende
onderdelen van de pilootreactor uitgetest. Hiervoor werd de reactortank gevuld met 50
liter water. Op de gebruikte persluchtkraan was er geen manometer gemonteerd waarop
de persluchtdruk kon worden afgelezen. De perslucht werd geregeld tot de circulatiepomp
een debiet leverde van ongeveer 5 000 ml/min.
Er werd o.a. nagegaan wat de maximale druk is die bij membraanfiltratie gebruikt kan
worden zonder dat het schade aan de pilootreactor veroorzaakt. De druk werd
opgebouwd door de aanstuurbare klep geleidelijk aan te sluiten. Uit deze test bleek al
snel dat de membraanmodule (figuur 3-23) niet waterdicht was. Om dit probleem op te
lossen werd er een dichting uit vijverfolie (EPDM) gemaakt die tussen de twee helften van
de membraanmodule werd geplaatst.
Figuur 3-23: cross flow membraanmodule (dimensie: 270 mm x 270 x 50; filtrerend oppervlak: 0,04 m2)
Bij het herhalen van deze test kon geconcludeerd worden dat er maximaal gewerkt kan
worden bij 0,8 bar. Bij deze druk begint het venster van de membraanmodule al lichtjes
te vervormen. Figuur 3-24 geeft de druk aan de uitgang van de membraanmodule weer in
functie van het openingspercentage van de aanstuurbare klep. De druk begint
exponentieel toe te nemen wanneer het openingspercentage van de klep bij 60% verder
afneemt.
91
Op basis van al deze gegevens werd in het besturingsprogramma ingegeven dat de klep
bij membraanfiltratie minimaal 40% geopend moet zijn om schade aan de opstelling te
voorkomen.
Figuur 3-24: druk in functie van het openingspercentage van de aanstuurbare klep
Bij een tweede test werd de regelkring uitgetest die gebruikt zal worden bij de uitvoering
van membraanfiltratie bij constante druk of constant effluentdebiet. Wanneer de
membraanfiltratie bij constante druk wordt gebruikt, wordt de klep op basis van de
transmembraandruk (gemiddelde van de druk voor en na de membraanmodule)
aangestuurd. Figuur 3-25 geeft de druk voor en na de membraanmodule in functie van de
tijd weer.
Figuur 3-25: druk voor en na de membraanmodule i.f.v. de tijd
(openingspercentage klep: 60%)
y = 1E+06x-3,971 R² = 0,967
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 20 40 60 80 100 120
dru
k (b
ar)
openingspercentage klep (%)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
100 150 200 250 300 350 400 450 500
dru
k (b
ar)
Tijd (min)
druk voor
druk na
92
Uit figuur 3-25 blijkt dat de druk die aan de ingang van de membraanmodule werd
gemeten, fluctueerde. Deze drukschommelingen werden door de circulatiepomp
veroorzaakt. Door deze schommelingen kon er geen stabiele regeling op basis van de
transmembraandruk worden bereikt. Hierdoor werd er beslist om het regelsysteem enkel
te baseren op de druk die gemeten werd aan de uitgang van de membraanmodule.
Als laatste test werd de membraanmodule gecontroleerd op inwendige lekken. Het debiet
van zuiver water doorheen een poreus membraan is echter recht evenredig met de
aangelegde druk. Wanneer het effluentdebiet bij een geringe toename in druk
exponentieel begint te stijgen, kan dit wijzen op de aanwezigheid van lekken binnen de
membraanmodule. Bij dit experiment werd het effluentdebiet met behulp van een
maatcilinder bij verschillende drukken opgemeten. Bij de membraanfiltratie werd er
gebruik gemaakt van een PVDF microfiltratiemembraan (vlakkeplaatmembraan)
De resultaten worden grafisch weergegeven in figuur 3-26. Aangezien hier een recht
evenredig verband wordt gevonden tussen het effluentdebiet en de druk, kan er besloten
worden dat er geen grote lekken binnen de membraanmodule aanwezig zijn. Toch
bestaat nog altijd de kans op de aanwezigheid van kleine lekken (bijv. scheurtje in het
membraan). Om een volledige zekerheid te hebben dat er geen lekken binnen de
membraanmodule aanwezig zijn, kan er een membraanfiltratie worden uitgevoerd met
CaCO3-oplossing. (zie 4.2 Testen op basis van 0,01 m% CaCO3 oplossing)
Figuur 3-26: het effluentdebiet i.f.v. de druk bij zuiver water
y = 67,446x + 12,925 R² = 0,9957
0
10
20
30
40
50
60
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
eff
luen
tdeb
iet (
ml/
min
)
druk (bar)
93
4.2 Testen op basis van 0,01 m% CaCO3 oplossing
Om te testen hoe sterk het gebruikte membraan was en om te weten of het bij een
bepaalde druk al dan niet zal scheuren werd er een membraanfiltratie van een 0,01 m%
CaCO3 oplossing uitgevoerd.
Bij dit experiment werd er 5 g CaCO3 (98 + % pure, heavy powder) aan de reactor met
een inhoud van 50 liter water toegevoegd. De membraanfiltratie werd met een PVDF
microfiltratiemembraan (vlakkeplaatmembraan) uitgevoerd. Geleidelijk aan werd met
behulp van de aanstuurbare klep de druk opgedreven. In figuur 3-27 wordt het
effluentdebiet in functie van de druk grafisch weergegeven.
Figuur 3-27: het effluentdebiet i.f.v. de druk bij een 0,01 m% CaCO3 mengsel
Bij de maximum toelaatbare druk voor het systeem (0,609 bar bij een openings-
percentage van 40%) werd het effluent op regelmatige tijdstippen in een maatcilinder
opgevangen (figuur 3-28). Telkens werd er visueel waargenomen dat het gefilterde staal
geen CaCO3 meer bevat. Wanneer er toch CaCO3 in het effluent zou aanwezig zijn, kan dit
wijzen op de aanwezigheid van scheuren in het membraan.
Na een uur daalde het effluentdebiet sterk doordat er fouling van het membraan optrad.
Na de uitvoering van het experiment werd het membraan met een 0,1 M HCl oplossing
gespoeld. Door de reactie van CaCO3 met HCl werd het vastgehouden CaCO3 onder de
vorm van CO2verwijderd.
y = 32,603x + 8,6728 R² = 0,9899
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
effl
uen
tdeb
iet (
ml/
min
)
druk (bar)
94
Figuur 3-28: membraanfiltratie van 0,01 m% CaCO3 mengsel; ongefilterd staal (links); gefilterd staal (rechts)
95
BESLUIT
1. Algemeen
Algemeen kan besloten worden dat het doel van deze thesis werd behaald. Via LabVIEW
werd er een functionerend sturingsprogramma ontwikkeld voor een bestaande
membraanbioreactor. Door gebruik te maken van de OPC technologie in combinatie met
LabVIEW kon de PLC van de pilootreactor hergebruikt worden voor het verzamelen van
de meetgegevens en het aansturen van de verschillende componenten.
De pilootopstelling werd ook nog uitgebreid met een regelsysteem om de concentratie
aan opgeloste zuurstof en de zuurtegraad in de reactortank te bepalen en indien nodig bij
te regelen.
2. Aanbevelingen voor toekomstig onderzoek
De actief slib pilootreactor werd in het kader van de module “Onderzoeksvaardigheden”
(2de semester, academiejaar 2015-2016) door een drietal studenten gebruikt om de
biologische afbreekbaarheid van stortplaatspercolaat te onderzoeken. Bij de opvolging van
dit experiment kon er geconcludeerd worden dat er nog enkele zaken aan de
pilootreactor kunnen worden aangepast om het actief slibproces verder te optimaliseren.
[1] De roerder die momenteel bij de opstelling wordt gebruikt, levert geen goede
menging van het water/slibmengsel op. De as waaraan de roerpropeller is
bevestigd, is veel tekort in vergelijking met de hoogte van de reactortank. Hierdoor
bezinkt reeds een groot gedeelte van het actief slib in het onderste gedeelte van de
reactortank. Hierdoor is het niet mogelijk is om een representatief staal te nemen
die gebruikt kan worden voor de bepaling van enkele slibparameters zoals het Slib
Volume Index en de Total Suspended Solids te bepalen. Dit probleem kan opgelost
worden door de bestaande as te vervangen met een langere as waaraan meerdere
roerbladen bevestigd zijn. Dit systeem zal tegelijk ook het oplossen van de
toegevoerde zuurstof in het systeem bevorderen.
[2] In de pilootopstelling wordt als circulatiepomp gebruik gemaakt van een
membraanpomp die met perslucht wordt aangedreven. Telkens wanneer er een
pompslag plaatsvindt, zorgt dit voor drukschommelingen binnen het systeem.
Wanneer membraanfiltratie uitgevoerd wordt bij constante druk, kunnen deze
drukschommelingen ervoor zorgen dat het regelsysteem onstabiel wordt. Dit
96
probleem kan vermeden worden door een ander type pomp bijv. door een
centrifugaalpomp te gebruiken.
[3] Een ander probleem werd ontdekt wanneer het regelsysteem voor de werking van
de membraanfiltratie bij een constant effluentdebiet met actief slib werd uitgetest.
De debietregeling kon niet toegepast worden omdat het te klein debiet buiten het
meetbereik (13 ml tot 100 ml per minuut) van de debietmeter viel. Er wordt best
eens nagegaan of er debietmeters beschikbaar zijn die een kleiner debiet kunnen
registreren.
[4] Uit de testen met actief slib kon ook geconcludeerd worden dat de gebruikte
niveaumeters voor deze toepassing niet geschikt zijn. Kleverige vloeistoffen kunnen
het detectievermogen van capacitieve sensoren verstoren. Er wordt aangeraden om
deze sensoren te vervangen met een ander type niveausensor (bijv. niveaudetectie
met behulp van vlotters). Het is ook aanbevolen om terug te werken met twee
niveausensoren.
[5] Een laatste verbetering die bij de pilootreactor kan worden aangebracht, is de
installatie van een reinigingssysteem waarmee het membraan automatisch na een
bepaalde tijd wordt gereinigd. De reiniging kan gebeuren door het membraan
gedurende een bepaalde periode met chemicaliën te spoelen. Op voorhand wordt er
best nagegaan welke chemicaliën en in welke concentratie de chemicaliën het
meest geschikt zijn voor de reiniging van de gebruikte membranen.
97
REFERENTIES
[1] DAELS, N. (2015). Ontwikkeling en toepassing van (gefunctionaliseerde)
nanovezelmembranen voor waterbehandeling. Universiteit Gent. Faculteit
Ingenieurswetenschappen en Architectuur, Gent, 157p. (ISBN 978-90-8578-772-3)
[2] Energie- en milieu-informatiesysteem voor het Vlaamse Gewest. (2010). Actief slib
systemen [online]. http://emis.vito.be/nl/techniekfiche/actief-slib-systemen (datum
van opzoeking 22/05/2016)
[3] METCALF & EDDY. (2003). Wastewater Engineering: Treatment and Reuse.
McGraw-Hill, New York.
[4] VANDECASTEELE, C. & BLOCK C. (2006). Milieuproblemen en –technologie.
Uitgeverij LannooCampus, Leuven, 309p. (ISBN 978-90209-6683-1)
[5] GRUWEZ, J. (2012). Wegwijs in de industriële afvalwaterzuivering. Kluwer,
Mechelen, 410p. (ISBN 978-90465-4310-8)
[6] AHMED, Z. (2012). Microbial communities in nutrient-removing membrane
bioreactors: A review. Journal of Environmental Science and Technology, 5(1), 16-
28.
[7] Energie- en milieu-informatiesysteem voor het Vlaamse Gewest. (2010). Biologische
nutriëntverwijdering [online]. http://emis.vito.be/nl/techniekfiche/biologische-
nutriëntverwijdering (datum van opzoeking 22/05/2016)
[8] SHI, C.Y.; LONG, W.Y.; MENG, A.C. & RAAJEEVAN, K.S. (2008). Biological Nitrogen
Removal Activated Sludge Process in Warm Climates. IWA Publishing, London,
168p. (978-18433-9187-6)
[9] DAELS, N.; DECOSTERE, B.; DE VRIEZE, S.; VAN CAMP, T.; WESTBROEL, P.; DE
CLERCK, K. & VAN HULLE, S. (2010). Gevorderde waterfiltratie met behulp van
nanovezels. Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, Gent, 141p. (ISBN
978-90-813552-1-6)
[10] Energie- en milieu-informatiesysteem voor het Vlaamse Gewest. (2010).
Membraanbioreactor [online]. http://emis.vito.be/nl/techniekfiche/
membraanbioreactor (datum van opzoeking 22/05/2016)
98
[11] HAI, F.I.; YAMAMOTO, K. & LEE, C.H. (2014). Membrane Biological Reactors:
Theory, Modeling, Design, Management and Applications to Wastewater Reuse. IWA
Publishing, London, 1000p. (ISBN 978-17804-0065-5)
[12] EMARA, M.M. (2014). Biological Aspects of the Wastewater Treatment Plant “Mahala
Marhoom” in Egypt and Modified with Bardenpho Processes. Nature and Science,
12(10), 41-51.
99
BIJLAGE
100
Bijlage 1: kalibratievoorschrift zuurstof-transmitter
[1] Bedieningspaneel van de zuurstof-transmitter
[2] Kalibratievoorschrift
Afhankelijk van de keuze in matrixveld V1 / H1 (omschakeling mg/l ↔ % SAT)
wordt de zuurstofmeetwaarde in concentratie-eenheden (mg/l) of in
%-verzadigingseenheden weergegeven. Om de transmitter te kalibreren wordt als
volgt te werk gegaan:
Kalibratiemenu vrijgeven door de toegangscode 1111 in te geven in het
matrixveld V8 / H9
Activeren van de kalibratiefunctie door op [E] te drukken na het ingeven van
600 met de toetsen [→],[↑+],[↓-] in het matrixveld V1 / H0.
De HOLD-functie wordt geactiveerd, indien deze in veld V1 / H9 werd
geselecteerd (niet verplicht). Er wordt per seconde afgeteld van “600” naar “0”.
Gedurende deze periode past de zuurstofsensor zich aan de temperatuur van
de omgevingslucht aan.
Gedurende de kalibratie kunnen we het sensorsignaal controleren door op de
toets [→] te drukken. Na ongeveer 500 seconden moet het sensorsignaal
stabiel zijn en binnen het waardenbereik 180 t.e.m. 300 liggen.
Wanneer de tellerstand “0” is bereikt en de kalibratie goed is verlopen word de
“CAL”-pijl uitgeschakeld. Met de toetsen V en H kan overgeschakeld worden
naar de meting.
101
Bijlage 2: kalibratievoorschrift pH-transmitter
[3] Bedieningspaneel van de pH-transmitter
[4] Kalibratievoorschrift
Er bestaan twee kalibratiemethodes: manueel kalibreren en automatisch kalibreren. Bij
voorkeur zal de manuele kalibratie uitgevoerd worden.
a) Manueel kalibreren
Als in matrixveld V1 / H5 het cijfer 0 is vastgelegd, betekent dat de keuze voor een
manuele kalibratie. Dit houdt in dat tijdens de kalibratie een actuele meetwaarde
wordt aangegeven en de juiste waarde van de buffer op dat moment dient te
worden ingevoerd
Bij de manuele kalibratie is elke buffer tussen 0 en 14 toelaatbaar en is het niet
belangrijk welke buffer het eerst wordt aangelegd. Het minimale verschil tussen
bufferwaarde 1 en 2 moet echter 2 pH bedragen.
Procedure manueel kalibreren:
Niveau 2 vrijgeven door de toegangscode 2222 in te geven in het matrixveld
V8 / H9.
In matrixveld V1 / H5 met de toetsen [→],[↑+],[↓-] het cijfer 0 ingeven en
bevestigen met [E].
Kalibratiemenu vrijgeven door de toegangscode 1111 in te geven in het
matrixveld V8 / H9.
102
Activeren van de kalibratiefunctie door op [E] te drukken in het matrixveld
V1 / H0.
Dompel de sensor onder in bufferoplossing 1.
Start de kalibratie met bufferoplossing 1 door op [→] te drukken.
Stel de bufferoplossing 1 in met de toetsen [→],[↑+],[↓-] en bevestig met [E].
Dompel de sensor onder in bufferoplossing 2.
Stel de bufferoplossing 2 in met de toetsen [→],[↑+],[↓-] en bevestig met [E].
Om de kalibratie te herhalen druk de toetsten [E] en [→] achtereenvolgens in,
om over te gaan naar een meting druk de toetsen V en H gelijktijdig in.
b) Automatisch kalibreren
Als in matrixveld V1 / H5 het cijfer 1 is vastgelegd, betekent dat de keuze voor een
automatische kalibratie. Bij de automatische kalibratie is elk buffer tussen 0 en 14
pH toelaatbaar, enkel de volgorde waarin de buffers worden aangelegd ligt vast.
Procedure automatisch kalibreren:
Niveau 2 vrijgeven door de toegangscode 2222 in te geven in het matrixveld
V8 / H9.
In matrixveld V1 / H5 met de toetsen [→],[↑+],[↓-] het cijfer 1 ingeven en
bevestigen met [E].
Kalibratiemenu vrijgeven door de toegangscode 1111 in te geven in het
matrixveld V8 / H9.
Activeren van de kalibratiefunctie door op [E] te drukken in het matrixveld
V1 / H0.
Dompel de sensor onder in bufferoplossing 1.
Start de kalibratie met bufferoplossing 1 door op [→] te drukken.
De pijl CAL.1 knippert tot de meetwaarde stabiel is, indien er geen stabiliteit
bekomen wordt, kan de kalibratie herhaald worden door op [→] te drukken
ofwel de kalibratie te beëindigen door V en H gelijktijdig in te drukken.
Dompel de sensor onder in bufferoplossing 2.
Start de kalibratie met bufferoplossing 2 door op [→] te drukken.
De pijl CAL.2 knippert totdat de meetwaarde stabiel is, indien er geen stabiliteit
bekomen wordt, kan de kalibratie herhaald worden door op [→] te drukken
ofwel de kalibratie te beëindigen door V en H gelijktijdig in te drukken.
103
Bijlage 3: ontwerp “weergave van de totale looptijd”
Bijlage 4: ontwerp “timerfunctie”
