Online-mittausdatan automatisoitu laadunvalvonta ja korjaus hajautetussa prosessiautomaatiojärjestelmässä

The Viikinmäki wastewater treatment plant (WWTP) is operated by the Helsinki Region Environmental Services Authority (HSY) and is the largest of its kind in the Nordic countries, processing roughly 100 million cubic metres of wastewater yearly. Because treated wastewater is discharged into the sea, environmental permits impose limits on its composition and the removal efficiency of nutrients in the water. Measurement errors have a detrimental effect on resource consumption, the quality of treated wastewater, and on the environmental impact on local waters. The environment in the wastewater treatment process poses challenges to measurement instrumentation due to the extreme environment they are subjected to. Process disturbances previously occurred in Viikinmäki could have been identified more rapidly, if the measurement data was subjected to automated quality control procedures. In this thesis, quality control methods and a user interface were developed and implemented into the distributed control system of Viikinmäki WWTP to assess measurement data quality and reliability, based on measurement-specific indicators. These indicators included the behaviour of the measurements themselves (e.g., freezing to a certain value), comparisons between parallel or comparable sensors, the water balance of the treatment process, and estimated measurement values computed from dependent variables via linear regression. Numerous short- and long-term anomalies were detected by the data validation procedures over the testing period, ranging from total sensor failure to precision degradation over time. Additionally, the implementation highlighted several situations where the measurement of a water treatment line behaved abnormally compared to other treatment lines, indicating possible process anomalies. The results showed that the data quality control tool has potential to help process operators identify sensor faults and possibly process anomalies faster, helping to minimize the effects on the treatment process.Viikinmäen jätevedenpuhdistamo on Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymän operoima laitos, joka on suurin laatuaan Pohjoismaissa noin 100 miljoonan kuutiometrin vuosittaisella virtaamallaan. Puhdistamolle myönnetty ympäristölupa asettaa tiukat rajat käsitellyn jäteveden koostumukselle ja haitta-aineiden poistotehokkuudelle, sillä puhdistettu jätevesi johdetaan Itämereen käsittelyn jälkeen. Mittaushäiriöillä on haitallinen vaikutus resurssien kulutukseen, käsitellyn jäteveden laatuun ja jäteveden vesistöille aiheuttamiin ympäristövaikutuksiin. Jätevedenpuhdistusprosessi on haastava kohde mittausinstrumentoinnin näkökulmasta, sillä olosuhteet prosessissa ovat erittäin epäedulliset niiden toiminnan kannalta. Viikinmäessä aiemmin tapahtuneet prosessihäiriöt olisi voitu havaita nopeammin, jos mittausdatan laatua olisi valvottu automaattisesti. Tässä työssä suunniteltiin ja toteutettiin Viikinmäen jätevedenpuhdistamon hajautettuun prosessiautomaatiojärjestelmään laadunvalvontalaskenta sekä käyttöliittymä, joiden tarkoituksena oli arvioida mittausdatan laatua ja sen luotettavuutta mittauskohtaisesti määriteltyjen indikaattorien perusteella. Näihin indikaattoreihin lukeutuivat muun muassa mittausten itsensä käytös, kuten pitkäksi aikaa samaan arvoon jäätyneet mittaukset, vertailut rinnakkaisten tai vertailukelpoisten mittausten välillä, puhdistusprosessin vesitase sekä lineaarisen regression avulla lasketut arvot tietyille mittaussuureille. Mittausdatan laadunvalvontalaskenta havaitsi useita lyhyt- ja pitkäaikaisia poikkeamia testausjakson ajalta. Näitä poikkeamia olivat muun muassa äkilliset sensorin rikkoutumiset ja sensorin tarkkuuden heikentyminen hitaasti pitkällä aikavälillä. Lisäksi laadunvalvontatyökalu havaitsi useita tilanteita, joissa yksittäisen käsittelylinjan mittauksen toiminta poikkesi systemaattisesti muista linjoista, indikoiden mahdollista prosessihäiriötä. Tulokset osoittivat, että mittausdatan laadunvalvontatyökalu voi auttaa prosessin operaattoreita havaitsemaan poikkeamia nopeammin, minimoiden niiden puhdistusprosessiin aiheuttamat haittavaikutukset