東部市政水務局（EMWD）為居住和工作在加州河濱縣558平方英里範圍內的近一百萬人提供服務。 作為該州第六大零售水務機構，其使命是提供「安全、可靠、經濟且環境永續的供水、污水處理和再生水服務」。
「我們始終努力生產最高品質的水，」營運與維護助理總經理Matthew Melendrez工程師表示，「並盡可能以最經濟的方式為客戶提供服務，以幫助降低他們的成本。」
但人口增長和服務區域擴大對該區提出了更高的需求。其四座再生處理廠目前每天處理約4800萬加侖的污水，去除雜質。
「我們試圖去除的兩個主要物質是有機物和氨，」Melendrez指出。「如果我們不清理這些物質，它們會對環境產生很大影響。」
一個具有挑戰性且耗能的控制過程
曝氣是污水處理的關鍵步驟，也是最耗能的步驟之一。EMWD處理廠將近一半的電費用於溶解氧來生物降解廢物。
「該行業長期以來一直在曝氣控制和尋找更好的池體操作方式方面遇到困難，」Melendrez解釋道。「過程參數幾乎每分鐘都在變化，因為流量以及氨和有機物的體積快速波動，這使得傳統PID設定點很難達到其溶解氧（DO）目標。」
設定目標過高需要增加電力來提供不必要的空氣。設定過低會抑制氨氧化，然後需要消毒和更大量的氯。
「我們通常使用簡單的PID控制系統，隨著DO上升或下降緩慢開啟和關閉空氣閥門。一切都是反應性和基於回饋的，操作員通常每天都要介入進行手動調整，」Melendrez說。「但從調整到看到結果之間存在滯後，因為水槽很大，而且條件持續變化。所有這些都使得常規PID難以處理，這也是為什麼這是提升效率的最大機會之一。」
更好的曝氣性能也會對下游過程產生正面影響，處理廠可以改善消毒並降低化學品成本。
人工智慧與機器學習解決方案
EMWD聯繫了其長期技術供應商之一Rockwell Automation，開發並測試一個人工智慧（AI）應用程式，該應用能學習曝氣操作的當前狀態，並在最少人員介入下，隨著條件變化最佳化調整PID響應。
EMWD與Rockwell Automation Water Wastewater、 Solutions & Services及高級分析團隊合作，在其San Jacinto Valley再生設施試點AI驅動的控制系統，該設施每天處理700萬加侖的水。工廠人員在現有自動化網路上安裝了Allen-Bradley CompactLogix™ 5480控制器，使其能根據需要與其他流程介接。
「由於我們已經使用Rockwell Automation進行控制，這似乎是一個能與我們系統其餘部分良好整合的好解決方案。安裝和實施都很直接，只需少量程式設計，未來我們也能將該單元和AI應用於其他流程，而無需增加模組，」Melendrez說。「Rockwell Automation讓一切變得簡單，團隊合作非常順利。」
兩個Logix核心連接至控制系統，另外兩個處理器執行Rockwell Automation AI軟體。AI透過持續監控並更新PID響應來控制送入曝氣池的空氣量。這些數據隨後用於在DO偏離設定點太遠前調整空氣閥門與供氧量。
「透過機器學習，Rockwell Automation資料科學家確定污水流量和氨負荷對氧氣效能影響最大，」Melendrez解釋道。「他們建立了一個模型，能夠相當準確地預測任何給定流量和負荷下的DO需求，並遠端程式設計AI軟體。」
EMWD先運行一個月的經典PID控制，再運行一個月的AI驅動控制以比較結果。
顯著的效能提升
採用AI驅動控制後，EMWD將送入曝氣池的空氣量減少高達31%。該廠不僅能更精確地將DO維持在設定點附近，還能降低DO目標。更佳的DO控制也提升了出流水質，減少氨滲出，降低消毒劑需求。
「看到系統從需要人員經常介入的狀態，轉變為完全自動化並在效能、經濟效益及碳足跡方面帶來顯著改善，令人振奮，」Melendrez分享道。
他估計，改善後的DO控制將使工廠每日減少960kWh電力消耗，年節省USD42000。此外，能降低DO設定點將進一步帶來每日1370kWh的電力節省，年節省USD60000。
EMWD的Rockwell Automation Water Wastewater客戶經理Myan Bourdon對該應用在業界的前景感到興奮。她表示：「我們期待與EMWD及其他水務污水處理業者共同探索人工智慧與機器學習如何提升營運的永續性與生產力。」
EMWD持續使用AI驅動控制系統，並希望與Rockwell Automation合作，將其應用擴展至區內其他曝氣池。展望未來，Melendrez也看好將AI解決方案應用於消毒流程的機會。