Control óptimo de la generación y distribución del calor

Se estima que más del 90% de los sistemas de control que funcionan actualmente en las industrias alimentaria y química no funcionan de forma óptima. En particular, no proporcionan el nivel y la calidad de control requeridos para los procesos de generación y distribución de calor. Esto se traduce en un aumento del consumo de energía, un mayor impacto medioambiental y un tiempo de inactividad excesivo de la producción. El controlador PID, la solución de control industrial más utilizada, rara vez ofrece un alto rendimiento debido a un ajuste incorrecto o a una estructura de control ineficiente.

«Una forma de mejorar la eficiencia de los procesos industriales es mediante un control eficaz de los sistemas de distribución e intercambio de calor, que suelen ser componentes clave de las instalaciones industriales», destaca Michał Frątczak, doctor en ingeniería, de la Universidad de Tecnología de Silesia.

Durante todo el proyecto se emplean métodos avanzados de modelado y simulación para los procesos de generación y distribución de calor.

El proyecto de investigación se lleva a cabo utilizando una instalación de distribución e intercambio de calor ubicada en el laboratorio tecnológico del Departamento de Automatización y Robótica de la Facultad de Control Automático, Electrónica e Informática de la Universidad de Tecnología de Silesia. La configuración del laboratorio incluye un calentador de flujo eléctrico con potencia calorífica modulada y un sistema configurable de dos intercambiadores de calor de placas. La instalación está equipada con sensores industriales de temperatura, presión y flujo, así como con válvulas de control que regulan el flujo del líquido a través del calentador y de los dos circuitos del intercambiador de calor. Esta configuración permite simular una subestación térmica con una fuente de calor controlable y un conjunto configurable de consumidores de calor.

El proyecto se ha dividido en cinco etapas. La primera consistió en desarrollar un método para ajustar los parámetros del modelo de proceso y diseñar la arquitectura de las aplicaciones de TI. En la siguiente etapa, el equipo de investigación desarrolló un algoritmo de control junto con un método de reajuste automático que permitía adaptarse a las cambiantes condiciones de producción durante la operación. Luego, los investigadores diseñaron un sistema de control para un calentador de flujo industrial y, posteriormente, desarrollaron el controlador DPB-Bac para regular el flujo de agua en el circuito principal de un intercambiador de calor. Según un modelo de proceso y requiere métodos de ajuste dedicados, el controlador permite un funcionamiento del sistema de alta eficiencia.

System D-ACS pracuje w oparciu o komputery EDGE Siemens lub chamur obliczeniowà.

La tercera fase del proyecto se centró en evaluar el rendimiento del control en los sistemas de generación y distribución de calor. El resultado de esta fase es un sistema automático de control y evaluación del rendimiento implementado como una aplicación en el Plataforma Industrial Edge y conectado a un controlador PLC. Basándose en las variables de proceso medidas, el sistema proporciona a los operadores información sobre la calidad del control.

«El sistema se ha diseñado para que también se pueda utilizar en las instalaciones de control existentes con algoritmos implementados, como los controladores PID, lo que aumenta significativamente la versatilidad y la aplicabilidad práctica de nuestra solución», explica Michał Frątczak, doctor en ingeniería, de la Universidad de Tecnología de Silesia.

La cuarta fase del proyecto, llevada a cabo a mediados de 2024, implicó integrar las soluciones desarrolladas anteriormente y realizar la validación en laboratorio del sistema completo. Esta fase empleó un enfoque de puesta en servicio virtual. Permitió consolidar los métodos desarrollados durante las etapas 1 a 3 mediante la implementación del bloque de funciones de controlador avanzado y su integración con los gemelos digitales creados en Solicitud SIMIT. Como resultado, se desarrolló un sistema de control autónomo unificado, basado en un PLC Siemens S7-1500 y un Ordenador Edge. Su funcionamiento se validó correctamente mediante técnicas de puesta en servicio virtual.

El resultado final del proyecto de investigación se verificará durante la última fase, prevista para el cuarto trimestre de 2024, cuando el sistema se probará en condiciones reales de funcionamiento industrial.

El Módulos de E/S distribuidos SIMATIC ET200eco de Siemens con IP69K la protección utilizada en el proyecto recopila datos de los sensores de campo. Gracias a su capacidad para funcionar fuera de los armarios de control, se pueden instalar directamente junto a los sensores, lo que reduce los requisitos de cableado. Su mayor resistencia a las duras condiciones ambientales los hace especialmente adecuados para aplicaciones en la industria alimentaria y química, en las que el sistema está destinado a funcionar. La compatibilidad con el protocolo IO-Link proporciona una conectividad estandarizada con una amplia gama de dispositivos de campo que puede que ya estén instalados en las instalaciones de los clientes.

La solución también incorpora la aplicación Field Data Enabler PN, que puede leer de forma transparente los datos de los dispositivos IO-Link sin necesidad de modificar el programa del PLC. Esto proporciona un método alternativo de adquisición de datos de proceso dentro del sistema.

«Al utilizar este enfoque, la integración con la instalación real del cliente no requiere interferir con los programas de control, a menudo muy complejos y críticos para la empresa, ni la necesidad de obtener aprobaciones adicionales de los fabricantes de máquinas, lo que puede resultar difícil de conseguir. Este concepto proporciona una base sólida y una gran flexibilidad al sistema, al tiempo que garantiza la estabilidad y el cumplimiento de los estándares de aplicaciones industriales», añade Mirosław Kuligowski, director de desarrollo de ventas de Siemens.

El funcionamiento de todo el sistema se verificó mediante la tecnología de gemelos digitales.

El funcionamiento eficiente de los consumidores de calor tiene un impacto significativo en la mejora del rendimiento energético de todas las instalaciones y también permite reducir los costes de producción en las plantas industriales. La solución desarrollada por el equipo de la Universidad de Tecnología de Silesia, que utiliza controladores programables y una infraestructura de TI adaptada a las necesidades del cliente, puede ayudar a la modernización de muchos sistemas de control que actualmente funcionan de manera subóptima.

«El sistema de control de procesos para la generación y distribución de calor desarrollado en la Universidad de Tecnología de Silesia utiliza tecnologías de la información para un control avanzado, lo que permite optimizar muchos aspectos relacionados con el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono. Como resultado, puede ayudar significativamente a cerrar la brecha entre la realidad industrial y las tecnologías de la Industria 4.0, mientras que el uso de la plataforma Industrial Edge garantiza un funcionamiento continuo y fiable»,
resume Artur Nowocień de Siemens.