Contrôle optimal de la production et de la distribution de chaleur

On estime que plus de 90 % des systèmes de contrôle fonctionnant actuellement dans les industries alimentaires et chimiques ne fonctionnent pas de manière optimale. En particulier, ils ne parviennent pas à fournir le niveau et la qualité de contrôle requis pour les processus de production et de distribution de chaleur. Cela se traduit par une consommation d'énergie accrue, un impact environnemental plus important et des temps d'arrêt excessifs de la production. Le contrôleur PID, la solution de contrôle industriel la plus couramment utilisée, offre rarement des performances élevées en raison d'un réglage inapproprié ou d'une structure de contrôle inefficace.

« Une façon d'améliorer l'efficacité des processus industriels consiste à contrôler efficacement les systèmes de distribution et d'échange de chaleur, qui sont souvent des composants clés des installations industrielles », souligne Michał Frątczak, PhD ing., de l'Université de technologie de Silésie.

Des méthodes avancées de modélisation et de simulation pour les processus de production et de distribution de chaleur sont utilisées tout au long du projet.

Le projet de recherche est réalisé à l'aide d'une installation de distribution et d'échange de chaleur située dans le laboratoire technologique du Département d'Automatisation et de Robotique de la Faculté de Contrôle Automatique, Electronique et Informatique de l'Université Silésienne de Technologie. La configuration du laboratoire comprend un chauffe-eau électrique à puissance de chauffage modulée et un système configurable d'échangeurs de chaleur à deux plaques. L'installation est équipée de capteurs industriels de température, de pression et de débit, ainsi que de vannes de régulation qui régulent le débit de liquide à travers le chauffage et les deux circuits d'échangeur de chaleur. Cette configuration permet la simulation d'une sous-station thermique avec une source de chaleur contrôlable et un ensemble configurable de consommateurs de chaleur.

Le projet a été divisé en cinq étapes. La première consistait à développer une méthode pour ajuster les paramètres du modèle de processus et concevoir l'architecture des applications informatiques. Dans l'étape suivante, l'équipe de recherche a développé un algorithme de contrôle ainsi qu'une méthode de retunage automatique, permettant l'adaptation aux conditions changeantes de production pendant le fonctionnement. Les chercheurs ont ensuite conçu un système de contrôle pour un chauffe-débit industriel et ont ensuite développé le contrôleur DPB-BAc pour réguler le débit d'eau dans le circuit primaire d'un échangeur de chaleur. Basé sur un modèle de processus et nécessitant des méthodes de réglage dédiées, le contrôleur permet un fonctionnement très efficace du système.

Le système D-ACS fonctionne à l'aide de l'ordinateur EDGE Siemensa, un système de sécurité fermé.

La troisième étape du projet s'est concentrée sur l'évaluation des performances de contrôle dans les systèmes de production et de distribution de chaleur. Le résultat de cette phase est un système d'évaluation de la performance du contrôle automatique mis en œuvre en tant qu'application sur le Plateforme Industrial Edge et connecté à un contrôleur PLC. Basé sur des variables de processus mesurées, le système fournit aux opérateurs des informations sur la qualité du contrôle.

« Le système a été conçu pour qu'il puisse également être utilisé dans les installations de contrôle existantes avec des algorithmes implémentés tels que les contrôleurs PID, ce qui augmente considérablement la polyvalence et l'applicabilité pratique de notre solution, » explique Michał Frątczak, PhD ing., de l'Université de technologie de Silésie.

La quatrième étape du projet, réalisée à la mi-2024, a consisté à intégrer les solutions précédemment développées et à effectuer la validation en laboratoire du système complet. Cette phase a utilisé une approche de mise en service virtuelle. Il a permis la consolidation des méthodes développées au cours des étapes 1 à 3 grâce à la mise en œuvre du bloc de fonction contrôleur avancé et son intégration avec des jumeaux numériques créés dans le Application SIMIT. En conséquence, un système de contrôle autonome unifié a été développé, basé sur un PLC Siemens S7-1500 et un Ordinateur Edge. Son fonctionnement a été validé avec succès à l'aide de techniques de mise en service virtuelles.

Le résultat final du projet de recherche sera vérifié lors de la dernière étape, prévue pour le quatrième trimestre de 2024, lorsque le système sera testé dans des conditions industrielles réelles.

Le Modules d'E/S distribués Siemens SIMATIC ET200eco avec IP69K la protection utilisée dans le projet collecte des données à partir de capteurs de terrain. Grâce à leur capacité à fonctionner à l'extérieur des armoires de commande, ils peuvent être installés directement à côté des capteurs, ce qui réduit les exigences en matière de câblage. Leur résistance accrue aux conditions environnementales difficiles les rend particulièrement adaptés aux applications de l'industrie alimentaire et chimique, où le système est destiné à fonctionner. La prise en charge du protocole IO-Link fournit une connectivité standardisée avec une large gamme d'appareils de terrain qui peuvent déjà être installés sur les sites des clients.

La solution intègre également l'application Field Data Enabler PN, qui peut lire de manière transparente les données des appareils IO-Link sans nécessiter de modifications au programme PLC. Cela fournit une autre méthode d'acquisition des données de processus dans le système.

« En utilisant cette approche, l'intégration avec l'installation réelle d'un client ne nécessite pas d'interférence avec des programmes de contrôle souvent très complexes et critiques pour l'entreprise, ni la nécessité d'obtenir des approbations supplémentaires des fabricants de machines, ce qui peut être difficile à obtenir. Ce concept fournit une base solide et une grande flexibilité pour le système tout en assurant la stabilité et la conformité aux normes d'application industrielle, » ajoute Mirosław Kuligowski, directeur du développement des ventes chez Siemens.

Le fonctionnement de l'ensemble du système a été vérifié à l'aide de la technologie numérique jumelée.

Le fonctionnement efficace des consommateurs de chaleur a un impact significatif sur l'amélioration de la performance énergétique des installations entières et permet également de réduire les coûts de production dans les installations industrielles. La solution développée par l'équipe de la Silesian University of Technology, qui utilise des contrôleurs programmables et une infrastructure informatique adaptée aux besoins des clients, peut soutenir la modernisation de nombreux systèmes de contrôle qui fonctionnent actuellement de manière sous-optimale.

« Le système de contrôle de processus pour la génération et la distribution de chaleur développé à l'Université de Technologie de Silesie utilise des technologies informatiques pour un contrôle avancé, permettant d'optimiser de nombreux aspects liés à la consommation d'énergie et aux émissions de dioxyde de carbone. En conséquence, cela peut contribuer de manière significative à combler le fossé entre la réalité industrielle et les technologies de l'industrie 4.0, tandis que l'utilisation de la plateforme Industrial Edge assure un fonctionnement continu et fiable, »
résume Artur Nowocień de Siemens.