Control óptimo de generación y distribución de calor

Se estima que más del 90% de los sistemas de control que actualmente operan en las industrias alimentaria y química no funcionan de manera óptima. En particular, no proporcionan el nivel y la calidad de control requeridos para los procesos de generación y distribución de calor. Esto da como resultado un mayor consumo de energía, un mayor impacto ambiental 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 una sintonización inadecuada o una estructura de control ineficiente.

“Una manera de mejorar la eficiencia de los procesos industriales es a través del control efectivo de los sistemas de distribución e intercambio de calor, que a menudo son componentes clave de las instalaciones industriales”, enfatiza Michał Frątczak, PhD Eng., de la Universidad Tecnológica de Silesia.

A lo largo del proyecto se emplean métodos avanzados de modelado y simulación para los procesos de generación y distribución de calor.

El proyecto de investigación se está llevando 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 Tecnológica de Silesia. La configuración del laboratorio incluye un calentador de flujo eléctrico con potencia de calentamiento 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 válvulas de control que regulan el flujo de líquido a través del calentador y ambos circuitos del intercambiador de calor. Esta configuración permite la simulación de 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. El primero consistió en desarrollar un método para ajustar los parámetros del modelo de proceso y diseñar la arquitectura de la aplicación de TI. En la siguiente etapa, el equipo de investigación desarrolló un algoritmo de control junto con un método de reajuste automático, permitiendo la adaptación a las condiciones cambiantes 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 primario de un intercambiador de calor. Basado en un modelo de proceso y que requiere métodos de ajuste dedicados, el controlador permite una operación del sistema altamente eficiente.

El sistema D-ACS funciona con la unidad de equipo EDGE Siemense o el sistema de almacenamiento de seguridad.

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

“El sistema ha sido diseñado para que también se pueda usar en instalaciones de control existentes con algoritmos implementados como controladores PID, lo que aumenta significativamente la versatilidad y la aplicabilidad práctica de nuestra solución,” explica Michał Frątczak, PhD Ing., de la Universidad Tecnológica de Silesia.

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

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

El Módulos de E/S distribuidas Siemens SIMATIC ET200Eco con IP69K La protección utilizada en el proyecto recopila datos de sensores de campo. Gracias a su capacidad para operar fuera de los gabinetes de control, se pueden instalar directamente junto a los sensores, lo que reduce los requisitos de cableado. Su resistencia mejorada a las condiciones ambientales adversas los hace particularmente adecuados para aplicaciones de la industria alimentaria y química, donde el sistema está diseñado para operar. El soporte para el protocolo IO-Link proporciona conectividad estandarizada con una amplia gama de dispositivos de campo que pueden estar ya instalados en los sitios del cliente.

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

“Al usar este enfoque, la integración con la instalación real de un cliente no requiere interferencia con programas de control a menudo altamente complejos y críticos para el negocio, ni la necesidad de obtener aprobaciones adicionales de los fabricantes de máquinas, lo que puede ser difícil de asegurar. Este concepto proporciona una base sólida y una alta flexibilidad para el sistema, al tiempo que garantiza la estabilidad y el cumplimiento de los estándares de aplicación industrial”. agrega Mirosław Kuligowski, Gerente de Desarrollo de Ventas en Siemens.

El funcionamiento de todo el sistema se verificó utilizando tecnología gemela digital.

La operación eficiente de los consumidores de calor tiene un impacto significativo en la mejora del rendimiento energético de instalaciones completas y también permite reducir los costos de producción en las plantas industriales. La solución desarrollada por el equipo de la Universidad Tecnológica de Silesia, que utiliza controladores programables y una infraestructura de TI adaptada a los requisitos del cliente, puede soportar la modernización de muchos sistemas de control que actualmente operan de manera subóptima.

“El sistema de control de procesos para la generación y distribución de calor desarrollado en la Universidad Tecnológica de Silesia utiliza tecnologías de TI 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 confiable”.
resume Artur Nowocień de Siemens.