Оптимален контрол на производството и разпределението на топлината

Смята се, че повече от 90% от системите за контрол, работещи в момента в хранително-вкусовата и химическата промишленост, не работят оптимално. По-специално те не успяват да осигурят необходимото ниво и качество на контрол за процесите на производство и разпределение на топлинна енергия. Това води до повишено потребление на енергия, по-голямо въздействие върху околната среда и прекомерни прекъсвания на производството. PID контролерът, най-често използваното решение за промишлено управление, рядко осигурява висока производителност поради неправилна настройка или неефективна структура за управление.

„Един от начините за подобряване на ефективността на промишлените процеси е чрез ефективен контрол на системите за разпределение и обмен на топлина, които често са ключови компоненти на индустриалните инсталации“, подчертава Михал Фратчак, д-р инж., от Силезийския технологичен университет.

По време на проекта се използват усъвършенствани методи за моделиране и симулация на процесите на производство и разпределение на топлина.

Изследователският проект се осъществява с помощта на инсталация за разпределение и обмен на топлина, разположена в технологичната лаборатория на катедра „Автоматика и роботика“ към Факултета по автоматично управление, електроника и компютърни науки на Силезийския технологичен университет. Лабораторната настройка включва електрически поточен нагревател с модулирана отоплителна мощност и конфигурируема система от два плочови топлообменника. Съоръжението е оборудвано с индустриални сензори за температура, налягане и поток, както и с контролни клапани, които регулират течния поток през нагревателя и двете вериги на топлообменника. Тази конфигурация позволява симулация на термична подстанция с контролируем източник на топлина и конфигурируем набор от консуматори на топлина.

Проектът е разделен на пет етапа. Първият включваше разработването на метод за настройка на параметрите на процесния модел и проектиране на архитектурата на ИТ приложения. В следващия етап изследователският екип разработи алгоритъм за управление заедно с метод за автоматично възстановяване, позволяващ адаптиране към променящите се производствени условия по време на работа. След това изследователите проектираха система за управление на индустриален нагревател на потока и впоследствие разработиха контролера DPB-Bac за регулиране на водния поток в първичната верига на топлообменника. Въз основа на процесен модел и изискващ специални методи за настройка, контролерът позволява високоефективна работа на системата.

Системата D-ACS работи въз основа на компютъра EDGE Siemens или изчисления.

Третият етап от проекта се фокусира върху оценката на контролните характеристики в системите за производство и разпределение на топлинна енергия. Резултатът от тази фаза е система за автоматична оценка на ефективността на контрола, внедрена като приложение върху Индустриална платформа Edge и свързан към PLC контролер. Въз основа на измерените променливи на процеса системата предоставя на операторите информация за качеството на контрола.

„Системата е проектирана така, че да може да се използва и в съществуващи контролни инсталации с внедрени алгоритми като PID контролери, което значително увеличава гъвкавостта и практическата приложимост на нашето решение,“ обяснява Михал Фратчак, д-р инж., от Силезийския технологичен университет.

Четвъртият етап от проекта, осъществен в средата на 2024 г., включваше интегриране на предварително разработените решения и извършване на лабораторно валидиране на цялата система. Тази фаза използва подход за виртуално въвеждане в експлоатация. Той позволи консолидирането на методите, разработени по време на етапи 1—3 чрез внедряването на усъвършенстваната функция на контролера и неговата интеграция с цифрови близнаци, създадени в Приложение SIMIT. В резултат на това е разработена единна система за автономно управление, базирана на Siemens S7-1500 PLC и Edge компютър. Работата му беше успешно валидирана с помощта на техники за виртуално пускане в експлоатация.

Крайният резултат от изследователския проект ще бъде проверен по време на последния етап, насрочен за четвъртото тримесечие на 2024 г., когато системата ще бъде тествана при реални промишлени експлоатационни условия.

Разпределени I/O модули на Siemens SIMATIC ET200eco с IP69K защитата, използвана в проекта, събира данни от полеви сензори. Благодарение на способността си да работят извън контролните шкафове, те могат да бъдат инсталирани директно до сензори, намалявайки изискванията за окабеляване. Тяхната повишена устойчивост на тежки условия на околната среда ги прави особено подходящи за приложения в хранителната и химическата промишленост, където системата е предназначена да работи. Поддръжката на протокола IO-Link осигурява стандартизирана свързаност с широка гама от полеви устройства, които може вече да са инсталирани на сайтовете на клиентите.

Решението включва и приложението Field Data Enabler PN, което може прозрачно да чете данни от IO-Link устройства, без да изисква модификации на PLC програмата. Това осигурява алтернативен метод за придобиване на процесни данни в системата.

„Използвайки този подход, интеграцията с действителната инсталация на клиента не изисква намеса в често изключително сложни и критични за бизнеса програми за управление, нито необходимостта от получаване на допълнителни одобрения от производителите на машини, които могат да бъдат трудни за осигуряване. Тази концепция осигурява здрава основа и висока гъвкавост на системата, като същевременно гарантира стабилност и съответствие със стандартите за промишлено приложение. добавя Мирослав Кулиговски, мениджър развитие на продажбите в Siemens.

Работата на цялата система беше проверена с помощта на цифрова близначка технология.

Ефективната работа на потребителите на топлинна енергия оказва значително влияние върху подобряването на енергийните характеристики на цели инсталации, а също така дава възможност за по-ниски производствени разходи в промишлените предприятия. Решението, разработено от екипа на Силезийския технологичен университет, което използва програмируеми контролери и ИТ инфраструктура, съобразена с изискванията на клиентите, може да подпомогне модернизацията на много системи за управление, които в момента работят по неоптимален начин.

„Системата за контрол на процесите за производство и разпределение на топлина, разработена в Силезийския технологичен университет, използва ИТ технологии за усъвършенстван контрол, което прави възможно оптимизирането на много аспекти, свързани с потреблението на енергия и емисиите на въглероден диоксид. В резултат на това тя може значително да помогне за преодоляване на пропастта между индустриалната реалност и технологиите на Индустрия 4.0, докато използването на платформата Industrial Edge гарантира непрекъсната и надеждна работа.
обобщава Артур Новоциен от Siemens.