Optimale regeling van de warmteopwekking en -distributie

Geschat wordt dat meer dan 90% van de besturingssystemen die momenteel in de voedingsmiddelen- en chemische industrie actief zijn, niet optimaal functioneren. Ze bieden met name niet het vereiste niveau en de vereiste kwaliteit van de controle voor warmteopwekkings- en -distributieprocessen. Dit resulteert in een hoger energieverbruik, een grotere impact op het milieu en overmatige productiestilstand. De PID-controller, de meest gebruikte industriële besturingsoplossing, levert zelden hoge prestaties als gevolg van onjuiste afstemming of een inefficiënte regelstructuur.

„Eén manier om de efficiëntie van industriële processen te verbeteren is door middel van een effectieve regeling van warmtedistributie- en -uitwisselingssystemen, die vaak belangrijke componenten zijn van industriële installaties”, benadrukt Michał Frątczak, PhD Eng., van de Silezische Technische Universiteit.

Gedurende het hele project worden geavanceerde modellerings- en simulatiemethoden gebruikt voor warmteopwekking en -distributie.

Het onderzoeksproject wordt uitgevoerd met behulp van een warmtedistributie- en -uitwisselingsinstallatie in het technologisch laboratorium van het Departement Automatisering en Robotica van de Faculteit Automatische Besturing, Elektronica en Computerwetenschappen van de Silezische Technische Universiteit. De laboratoriumopstelling omvat een elektrische stroomverwarmer met gemoduleerd verwarmingsvermogen en een configureerbaar systeem van twee platenwarmtewisselaars. De faciliteit is uitgerust met industriële temperatuur-, druk- en flowsensoren, evenals regelkleppen die de vloeistofstroom door de verwarming en beide warmtewisselaarcircuits regelen. Deze configuratie maakt de simulatie mogelijk van een thermisch onderstation met een regelbare warmtebron en een configureerbare set warmteverbruikers.

Het project is opgedeeld in vijf fasen. De eerste betrof de ontwikkeling van een methode voor het afstemmen van procesmodelparameters en het ontwerpen van de IT-toepassingsarchitectuur. In de volgende fase ontwikkelde het onderzoeksteam een besturingsalgoritme in combinatie met een automatische herafstemmingsmethode, waardoor aanpassing aan veranderende productieomstandigheden tijdens het gebruik mogelijk was. De onderzoekers ontwierpen vervolgens een regelsysteem voor een industriële doorstroomverwarmer en ontwikkelden vervolgens de DPB-Bac-controller om de waterstroom in het primaire circuit van een warmtewisselaar te regelen. Gebaseerd op een procesmodel en waarvoor speciale afstemmingsmethoden vereist zijn, maakt de controller een zeer efficiënte werking van het systeem mogelijk.

Het D-ACS-systeem werkt bij het opstarten van de EDGE Siemensa computer, of het nu gaat om het openen van een computer.

De derde fase van het project was gericht op de evaluatie van de regelprestaties in systemen voor warmteopwekking en -distributie. Het resultaat van deze fase is een automatisch systeem voor de beoordeling van de controleprestaties dat is geïmplementeerd als toepassing op de Industrial Edge-platform en aangesloten op een PLC-controller. Op basis van gemeten procesvariabelen biedt het systeem operators informatie over de kwaliteit van de controle.

„Het systeem is zo ontworpen dat het ook kan worden gebruikt in bestaande besturingsinstallaties met geïmplementeerde algoritmen zoals PID-controllers, waardoor de veelzijdigheid en praktische toepasbaarheid van onze oplossing aanzienlijk is toegenomen,” legt Michał Frątczak, PhD Eng., van de Silezische Technische Universiteit uit.

De vierde fase van het project, dat medio 2024 werd uitgevoerd, omvatte de integratie van de eerder ontwikkelde oplossingen en de laboratoriumvalidatie van het complete systeem. In deze fase werd gebruik gemaakt van een virtuele inbedrijfstelling. Het maakte de consolidatie mogelijk van de methoden die in de fasen 1-3 zijn ontwikkeld door de implementatie van het geavanceerde controllerfunctieblok en de integratie ervan met digitale tweelingen, gecreëerd in de SIMIT-toepassing. Als gevolg hiervan werd een uniform autonoom besturingssysteem ontwikkeld, gebaseerd op een Siemens S7-1500 PLC en een Edge-computer. De werking ervan werd succesvol gevalideerd met behulp van virtuele inbedrijfstellingstechnieken.

De uiteindelijke resultaten van het onderzoeksproject zullen worden geverifieerd tijdens de laatste fase, die gepland staat voor het vierde kwartaal van 2024, wanneer het systeem zal worden getest onder reële industriële bedrijfsomstandigheden.

De Siemens SIMATIC ET200eco gedistribueerde I/O-modules met IP69K bescherming die in het project wordt gebruikt om gegevens te verzamelen van veldsensoren. Dankzij hun vermogen om schakelkasten buiten te bedienen, kunnen ze direct naast sensoren worden geïnstalleerd, waardoor er minder bekabeling nodig is. Door hun verbeterde weerstand tegen zware omgevingsomstandigheden zijn ze bijzonder geschikt voor toepassingen in de voedingsmiddelen- en chemische industrie, waar het systeem bedoeld is om te werken. Ondersteuning voor het IO-Link-protocol biedt gestandaardiseerde connectiviteit met een breed scala aan veldapparaten die mogelijk al op locatie van klanten zijn geïnstalleerd.

De oplossing bevat ook de Field Data Enabler PN-app, die op transparante wijze gegevens van IO-Link-apparaten kan lezen zonder dat er aanpassingen aan het PLC-programma nodig zijn. Dit biedt een alternatieve methode om procesgegevens binnen het systeem te verkrijgen.

„Door deze aanpak vereist de integratie met de daadwerkelijke installatie van een klant geen interferentie met vaak zeer complexe en bedrijfskritieke besturingsprogramma's, noch de noodzaak om aanvullende goedkeuringen te verkrijgen van machinefabrikanten, wat moeilijk te beveiligen kan zijn. Dit concept biedt een sterke basis en hoge flexibiliteit voor het systeem en zorgt tegelijkertijd voor stabiliteit en naleving van industriële toepassingsnormen,” vult Mirosław Kuligowski, Sales Development Manager bij Siemens, aan.

De werking van het hele systeem werd geverifieerd met behulp van digital twin-technologie.

De efficiënte werking van warmteverbruikers heeft een aanzienlijke invloed op de verbetering van de energieprestaties van complete installaties en maakt ook lagere productiekosten in industriële installaties mogelijk. De oplossing die is ontwikkeld door het team van de Silesian University of Technology, die gebruikmaakt van programmeerbare controllers en een IT-infrastructuur die is afgestemd op de eisen van de klant, kan de modernisering ondersteunen van veel besturingssystemen die momenteel op een suboptimale manier werken.

„Het procescontrolesysteem voor warmteopwekking en -distributie, dat is ontwikkeld aan de Silezische Universiteit voor Technologie, maakt gebruik van IT-technologieën voor geavanceerde controle, waardoor het mogelijk is om veel aspecten met betrekking tot energieverbruik en kooldioxide-emissies te optimaliseren. Als gevolg hiervan kan het aanzienlijk helpen om de kloof tussen de industriële realiteit en Industrie 4.0-technologieën te overbruggen, terwijl het gebruik van het Industrial Edge-platform zorgt voor een continue en betrouwbare werking,”
vat Artur Nowocień van Siemens samen.