熱の生成と分配の最適な制御

食品・化学産業で現在稼働している制御システムの90％以上が最適に機能していないと推定されています。特に、熱の生成と分配プロセスに必要なレベルと品質の制御を提供できていません。その結果、エネルギー消費量が増加し、環境への影響が大きくなり、生産のダウンタイムが長引いてしまいます。最も一般的に使用されている産業用制御ソリューションであるPIDコントローラーは、チューニングが不適切だったり、制御構造が非効率だったりして、高いパフォーマンスを発揮することはめったにありません。

「産業プロセスの効率を向上させる1つの方法は、多くの場合、産業設備の主要コンポーネントである熱分配および交換システムを効果的に制御することです」と、シレジア工科大学の工学博士であるMichałFrątczakは強調します。

プロジェクト全体を通して、発熱と分配プロセスの高度なモデリングとシミュレーションの方法が採用されています。

研究プロジェクトは、シレジア工科大学自動制御、電子およびコンピュータサイエンス学部の自動化およびロボット学科の技術研究室にある熱分配および交換設備を使用して実施されています。実験室のセットアップには、変調された暖房力を備えた電気フローヒーターと、2枚のプレート式熱交換器からなる構成可能なシステムが含まれます。この施設には、工業用温度、圧力、流量センサーのほか、ヒーターと両方の熱交換器回路を通る液体の流れを調整する制御バルブが装備されています。この構成により、制御可能な熱源と構成可能な熱消費装置を備えた熱変電所のシミュレーションが可能になります。

プロジェクトは5つの段階に分かれています。1つ目は、プロセスモデルのパラメータを調整する方法の開発と、ITアプリケーションアーキテクチャの設計でした。次の段階で、研究チームは、運転中の生産条件の変化に適応できるように、自動再調整法とともに制御アルゴリズムを開発しました。その後、研究者たちは産業用フローヒーターの制御システムを設計し、続いて熱交換器の一次回路の水の流れを調整するDPB-Bacコントローラーを開発しました。プロセスモデルに基づいており、専用のチューニング方法が必要なため、コントローラーは非常に効率的なシステム運用を可能にします。

システムD-ACSは、シーメンスのコンピューターEDGEまたはリモートコンピューターで動作します。

プロジェクトの第3段階では、熱生成および配電システムの制御性能の評価に重点が置かれました。このフェーズの結果、自動制御性能評価システムがアプリケーションとして実装されます Industrial Edge・プラットフォーム そしてPLCコントローラーに接続されています。測定されたプロセス変数に基づいて、システムは管理品質に関する情報をオペレーターに提供します。

「このシステムは、PIDコントローラーなどのアルゴリズムを実装した既存の制御設備でも使用できるように設計されており、当社のソリューションの汎用性と実用性が大幅に向上しています。」 と、シレジア工科大学のMichałFrątczak博士は説明します。

2024年半ばに実施されたプロジェクトの第4段階では、以前に開発されたソリューションを統合し、システム全体の実験室検証を行いました。このフェーズでは、バーチャルコミッショニングアプローチを採用しました。これにより、アドバンストコントローラーの機能ブロックを実装し、ステージ1〜3で作成されたデジタルツインとの統合を通じて、ステージ1〜3で開発された方法を統合することができました SIMIT アプリケーション。その結果、Siemens S7-1500 PLCと エッジコンピューター。その動作は、仮想試運転技術を使用して正常に検証されました。

研究プロジェクトの最終結果は、2024年の第4四半期に予定されている最終段階で検証されます。この段階では、システムが実際の産業稼働条件下でテストされます。

ザ・ IP69KのSiemens SIMATIC ET200eco分散型入出力モジュール プロジェクトで使用される保護装置は、フィールドセンサーからデータを収集します。制御キャビネットの外で操作できるため、センサーのすぐ隣に設置でき、必要なケーブルを減らすことができます。厳しい環境条件に対する耐性が強化されているため、システムの運用を目的とする食品および化学産業の用途に特に適しています。IO-Linkプロトコルのサポートにより、顧客のサイトにすでに設置されている可能性のあるさまざまなフィールドデバイスとの標準化された接続が可能になります。

このソリューションには、PLCプログラムを変更せずにIO-Linkデバイスからデータを透過的に読み取ることができるField Data Enabler PNアプリも組み込まれています。これは、システム内のプロセスデータを取得する別の方法を提供します。

「このアプローチを使用すると、顧客の実際の設備と統合するために、非常に複雑でビジネスクリティカルな制御プログラムに干渉したり、確保が難しい機械メーカーから追加の承認を得る必要がなくなります。このコンセプトは、システムの強固な基盤と高い柔軟性を提供すると同時に、安定性と産業アプリケーション標準への準拠を保証します。」 Siemens セールス開発マネージャー、ミロスワフ・クリゴウスキーは付け加えます。

システム全体の動作は、デジタルツイン技術を使用して検証されました。

熱コンシューマーの効率的な運用は、設備全体のエネルギー性能の向上に大きな影響を与え、産業プラントの生産コストの削減にも役立ちます。シレジア工科大学のチームが開発したソリューションは、プログラマブルコントローラーと顧客の要件に合わせたITインフラストラクチャを使用しているため、現在最適とは言えない方法で運用されている多くの制御システムの近代化をサポートできます。

「シレジア工科大学で開発された熱生成と分配のプロセス制御システムは、IT技術を使用して高度な制御を行い、エネルギー消費と二酸化炭素排出に関連する多くの側面を最適化することができます。その結果、産業の現実とインダストリー4.0テクノロジーの間のギャップを埋めるのに大いに役立ちます。また、Industrial Edge プラットフォームを使用することで、継続的で信頼性の高い運用が保証されます。」
Siemens Artur Nowocieńを要約しています。