Contrôle optimal de la production et de la distribution de chaleur

On estime que plus de 90 % des systèmes de contrôle actuellement utilisés dans les industries alimentaire et chimique ne fonctionnent pas de manière optimale. En particulier, ils ne fournissent pas le niveau et la qualité de contrôle requis pour les processus de production et de distribution de chaleur. Cela se traduit par une augmentation de la consommation d'énergie, un impact environnemental accru et des arrêts de production excessifs. Le régulateur PID, la solution de contrôle industrielle la plus couramment utilisée, offre rarement de hautes performances en raison d'un réglage incorrect ou d'une structure de contrôle inefficace.

« L'un des moyens d'améliorer l'efficacité des processus industriels est de contrôler efficacement les systèmes de distribution et d'échange de chaleur, qui sont souvent des composants clés des installations industrielles », souligne Michał Frątczak, doctorant en ingénierie, 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, d'électronique et d'informatique de l'université de technologie de Silésie. La configuration du laboratoire comprend un chauffe-eau électrique à puissance de chauffage modulée et un système configurable de deux échangeurs de chaleur à 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 réchauffeur et les deux circuits de l'échangeur de chaleur. Cette configuration permet de simuler un poste thermique doté d'une source de chaleur contrôlable et d'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 des modèles de processus et à concevoir l'architecture des applications informatiques. Au cours de l'étape suivante, l'équipe de recherche a développé un algorithme de contrôle ainsi qu'une méthode de réglage automatique, permettant de s'adapter à l'évolution des conditions de production en cours de fonctionnement. Les chercheurs ont ensuite conçu un système de régulation pour un chauffe-eau industriel, puis ont développé le régulateur DPB-Bac pour réguler le débit d'eau dans le circuit principal 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.

System D-ACS pracuje w oparciu o komputery EDGE Siemens lub chmurä obliczeniową.

La troisième étape du projet était axée sur l'évaluation des performances de régulation des systèmes de production et de distribution de chaleur. Le résultat de cette phase est un système automatique d'évaluation des performances de contrôle mis en œuvre sous forme d'application sur le Plateforme Industrial Edge et connecté à un contrôleur PLC. Sur la base de variables de processus mesurées, le système fournit aux opérateurs des informations sur le contrôle de la qualité.

« Le système a été conçu pour pouvoir également être utilisé dans des installations de contrôle existantes à l'aide d'algorithmes implémentés tels que des régulateurs PID, ce qui augmente considérablement la polyvalence et l'applicabilité pratique de notre solution, » explique Michał Frątczak, ingénieur titulaire d'un doctorat, de l'université technologique de Silésie.

La quatrième étape du projet, réalisée mi-2024, a consisté à intégrer les solutions précédemment développées et à valider en laboratoire l'ensemble du système. Cette phase a utilisé une approche de mise en service virtuelle. Cela a permis de consolider les méthodes développées au cours des étapes 1 à 3 grâce à la mise en œuvre du bloc fonctionnel avancé du contrôleur et à son intégration aux jumeaux numériques créés dans le Application SIMIT. Un système de contrôle autonome unifié a donc été développé, basé sur un automate 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 2024, lorsque le système sera testé dans des conditions de fonctionnement industrielles réelles.

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

La solution intègre également l'application Field Data Enabler PN, qui permet de lire de manière transparente les données des appareils IO-Link sans modifier le programme PLC. Cela fournit une méthode alternative pour acquérir les données de processus au sein du système.

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

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

Le fonctionnement efficace des consommateurs de chaleur a un impact significatif sur l'amélioration de la performance énergétique de l'ensemble des installations et permet également de réduire les coûts de production dans les installations industrielles. La solution développée par l'équipe de l'université de technologie de Silésie, qui utilise des contrôleurs programmables et une infrastructure informatique adaptée aux besoins des clients, peut contribuer à la modernisation de nombreux systèmes de contrôle qui ne fonctionnent actuellement pas de manière optimale.

« Le système de contrôle des processus pour la production et la distribution de chaleur développé à l'université de technologie de Silésie utilise des technologies informatiques pour un contrôle avancé, ce qui permet d'optimiser de nombreux aspects liés à la consommation d'énergie et aux émissions de dioxyde de carbone. Par conséquent, 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 garantit un fonctionnement continu et fiable, »
résume Artur Nowocień de Siemens.