Βέλτιστος έλεγχος παραγωγής και διανομής θερμότητας

Εκτιμάται ότι περισσότερο από το 90% των συστημάτων ελέγχου που λειτουργούν επί του παρόντος στις βιομηχανίες τροφίμων και χημικών δεν αποδίδουν βέλτιστα. Συγκεκριμένα, δεν παρέχουν το απαιτούμενο επίπεδο και ποιότητα ελέγχου για τις διαδικασίες παραγωγής και διανομής θερμότητας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη κατανάλωση ενέργειας, μεγαλύτερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις και υπερβολικό χρόνο διακοπής παραγωγής. Ο ελεγκτής PID, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη λύση βιομηχανικού ελέγχου, σπάνια παρέχει υψηλή απόδοση λόγω ακατάλληλου συντονισμού ή αναποτελεσματικής δομής ελέγχου.

«Ένας τρόπος βελτίωσης της αποτελεσματικότητας των βιομηχανικών διεργασιών είναι μέσω του αποτελεσματικού ελέγχου των συστημάτων διανομής και ανταλλαγής θερμότητας, τα οποία είναι συχνά βασικά συστατικά των βιομηχανικών εγκαταστάσεων», τονίζει ο Michał Frątczak, PhD Eng., από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Σιλεσίας.

Προηγμένες μέθοδοι μοντελοποίησης και προσομοίωσης για διαδικασίες παραγωγής και διανομής θερμότητας χρησιμοποιούνται σε όλο το έργο.

Το ερευνητικό έργο πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μια εγκατάσταση διανομής και ανταλλαγής θερμότητας που βρίσκεται στο τεχνολογικό εργαστήριο του Τμήματος Αυτοματισμού και Ρομποτικής στη Σχολή Αυτόματου Ελέγχου, Ηλεκτρονικής και Επιστήμης Υπολογιστών του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Σιλεσίας. Η εργαστηριακή εγκατάσταση περιλαμβάνει έναν ηλεκτρικό θερμαντήρα ροής με διαμορφωμένη ισχύ θέρμανσης και ένα διαμορφώσιμο σύστημα δύο εναλλάκτων θερμότητας πλάκας. Η εγκατάσταση είναι εξοπλισμένη με βιομηχανικούς αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης και ροής, καθώς και βαλβίδες ελέγχου που ρυθμίζουν τη ροή υγρού μέσω του θερμαντήρα και των δύο κυκλωμάτων εναλλάκτη θερμότητας. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει την προσομοίωση ενός θερμικού υποσταθμού με ελεγχόμενη πηγή θερμότητας και ένα διαμορφώσιμο σύνολο καταναλωτών θερμότητας.

Το έργο έχει χωριστεί σε πέντε στάδια. Το πρώτο αφορούσε την ανάπτυξη μιας μεθόδου για τον συντονισμό των παραμέτρων του μοντέλου διαδικασίας και το σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής εφαρμογών πληροφορικής. Στο επόμενο στάδιο, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε έναν αλγόριθμο ελέγχου μαζί με μια μέθοδο αυτόματης επαναπροσαρμογής, επιτρέποντας την προσαρμογή στις μεταβαλλόμενες συνθήκες παραγωγής κατά τη λειτουργία. Στη συνέχεια, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα σύστημα ελέγχου για έναν βιομηχανικό θερμαντήρα ροής και στη συνέχεια ανέπτυξαν τον ελεγκτή DPB-Bac για τη ρύθμιση της ροής του νερού στο πρωτεύον κύκλωμα ενός εναλλάκτη θερμότητας. Με βάση ένα μοντέλο διεργασίας και απαιτώντας ειδικές μεθόδους συντονισμού, ο ελεγκτής επιτρέπει εξαιρετικά αποτελεσματική λειτουργία του συστήματος.

Το σύστημα D-ACS λειτουργεί σε λειτουργία με τον υπολογιστή EDGE Siemens ή το χρωματοειδές.

Το τρίτο στάδιο του έργου επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση της απόδοσης ελέγχου σε συστήματα παραγωγής και διανομής θερμότητας. Το αποτέλεσμα αυτής της φάσης είναι ένα σύστημα αυτόματης αξιολόγησης της απόδοσης ελέγχου που εφαρμόζεται ως εφαρμογή στο Πλατφόρμα Industrial Edge και συνδέεται με έναν ελεγκτή PLC. Με βάση τις μετρούμενες μεταβλητές διεργασίας, το σύστημα παρέχει στους χειριστές πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα ελέγχου.

«Το σύστημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις ελέγχου με εφαρμοσμένους αλγόριθμους όπως ελεγκτές PID, αυξάνοντας σημαντικά την ευελιξία και την πρακτική εφαρμογή της λύσης μας». εξηγεί ο Michał Frątczak, PhD Eng., από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Σιλεσίας.

Το τέταρτο στάδιο του έργου, που πραγματοποιήθηκε στα μέσα του 2024, περιελάμβανε την ενσωμάτωση των προηγουμένως αναπτυγμένων λύσεων και την εκτέλεση εργαστηριακής επικύρωσης του πλήρους συστήματος. Αυτή η φάση χρησιμοποίησε μια εικονική προσέγγιση θέσης σε λειτουργία. Επιτρέπει την ενοποίηση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν στα στάδια 1-3 μέσω της εφαρμογής του προηγμένου μπλοκ λειτουργιών ελεγκτή και της ενσωμάτωσής του με ψηφιακά δίδυμα που δημιουργήθηκαν στο Εφαρμογή SIMIT. Ως αποτέλεσμα, αναπτύχθηκε ένα ενοποιημένο αυτόνομο σύστημα ελέγχου, βασισμένο σε ένα PLC Siemens S7-1500 και ένα Υπολογιστής Edge. Η λειτουργία του επικυρώθηκε με επιτυχία χρησιμοποιώντας τεχνικές εικονικής θέσης σε λειτουργία.

Το τελικό αποτέλεσμα του ερευνητικού έργου θα επαληθευτεί κατά το τελευταίο στάδιο, που έχει προγραμματιστεί για το τέταρτο τρίμηνο του 2024, όταν το σύστημα θα δοκιμαστεί υπό πραγματικές βιομηχανικές συνθήκες λειτουργίας.

Η Διανεμημένες μονάδες εισόδου/εξόδου της Siemens SIMATIC ET200Eco με IP69K η προστασία που χρησιμοποιείται στο έργο συλλέγει δεδομένα από αισθητήρες πεδίου. Χάρη στην ικανότητά τους να λειτουργούν έξω από τα ερμάρια ελέγχου, μπορούν να εγκατασταθούν απευθείας δίπλα σε αισθητήρες, μειώνοντας τις απαιτήσεις καλωδίωσης. Η αυξημένη αντοχή τους σε σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες τα καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και χημικών, όπου το σύστημα προορίζεται να λειτουργήσει. Η υποστήριξη για το πρωτόκολλο IO-Link παρέχει τυποποιημένη συνδεσιμότητα με ένα ευρύ φάσμα συσκευών πεδίου που ενδέχεται να έχουν ήδη εγκατασταθεί σε τοποθεσίες πελατών.

Η λύση ενσωματώνει επίσης την εφαρμογή Field Data Enabler PN, η οποία μπορεί να διαβάσει με διαφάνεια δεδομένα από συσκευές IO-Link χωρίς να απαιτούνται τροποποιήσεις στο πρόγραμμα PLC. Αυτό παρέχει μια εναλλακτική μέθοδο απόκτησης δεδομένων διεργασίας εντός του συστήματος.

«Με τη χρήση αυτής της προσέγγισης, η ενσωμάτωση με την πραγματική εγκατάσταση ενός πελάτη δεν απαιτεί παρεμβολές σε συχνά εξαιρετικά πολύπλοκα και κρίσιμα για την επιχείρηση προγράμματα ελέγχου, ούτε την ανάγκη απόκτησης πρόσθετων εγκρίσεων από κατασκευαστές μηχανημάτων, κάτι που μπορεί να είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί. Αυτή η ιδέα παρέχει μια ισχυρή βάση και υψηλή ευελιξία για το σύστημα, διασφαλίζοντας παράλληλα τη σταθερότητα και τη συμμόρφωση με τα πρότυπα βιομηχανικής εφαρμογής». προσθέτει ο Mirosław Kuligowski, Διευθυντής Ανάπτυξης Πωλήσεων στη Siemens.

Η λειτουργία ολόκληρου του συστήματος επαληθεύτηκε χρησιμοποιώντας ψηφιακή τεχνολογία δίδυμων.

Η αποτελεσματική λειτουργία των καταναλωτών θερμότητας έχει σημαντικό αντίκτυπο στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης ολόκληρων εγκαταστάσεων και επιτρέπει επίσης χαμηλότερο κόστος παραγωγής σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Η λύση που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Σιλεσίας, η οποία χρησιμοποιεί προγραμματιζόμενους ελεγκτές και μια υποδομή πληροφορικής προσαρμοσμένη στις απαιτήσεις των πελατών, μπορεί να υποστηρίξει τον εκσυγχρονισμό πολλών συστημάτων ελέγχου που σήμερα λειτουργούν με μη βέλτιστο τρόπο.

«Το σύστημα ελέγχου διεργασιών παραγωγής και διανομής θερμότητας που αναπτύχθηκε στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Σιλεσίας χρησιμοποιεί τεχνολογίες πληροφορικής για προηγμένο έλεγχο, καθιστώντας δυνατή τη βελτιστοποίηση πολλών πτυχών που σχετίζονται με την κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της βιομηχανικής πραγματικότητας και των τεχνολογιών Industry 4.0, ενώ η χρήση της πλατφόρμας Industrial Edge εξασφαλίζει συνεχή και αξιόπιστη λειτουργία».
συνοψίζει ο Artur Nowocień από τη Siemens.