Optimal kontroll av varmeproduksjon og distribusjon

Det anslås at mer enn 90% av kontrollsystemene som for tiden opererer i næringsmiddelindustrien og kjemisk industri ikke fungerer optimalt. Spesielt klarer de ikke å gi det nødvendige nivået og kvaliteten på kontrollen for varmegenerasjons- og distribusjonsprosesser. Dette resulterer i økt energiforbruk, større miljøpåvirkning og overdreven nedetid i produksjonen. PID-kontrolleren, den mest brukte industrielle kontrollløsningen, leverer sjelden høy ytelse på grunn av feil innstilling eller en ineffektiv kontrollstruktur.

«En måte å forbedre effektiviteten til industrielle prosesser er gjennom effektiv kontroll av varmedistribusjons- og utvekslingssystemer, som ofte er sentrale komponenter i industrielle installasjoner,» understreker Michał Frątczak, PhD Eng., fra Schlesien University of Technology.

Avanserte modellerings- og simuleringsmetoder for varmeproduksjon og distribusjonsprosesser brukes gjennom hele prosjektet.

Forskningsprosjektet gjennomføres ved hjelp av en varmedistribusjons- og utvekslingsinstallasjon lokalisert i det teknologiske laboratoriet ved Institutt for automatisering og robotikk ved Fakultet for automatisk kontroll, elektronikk og informatikk ved Schlesien University of Technology. Laboratorieoppsettet inkluderer en elektrisk strømningsvarmer med modulert varmekraft og et konfigurerbart system med to platevarmevekslere. Anlegget er utstyrt med industrielle temperatur-, trykk- og strømningssensorer, samt reguleringsventiler som regulerer væskestrømmen gjennom varmeapparatet og begge varmevekslerkretsene. Denne konfigurasjonen muliggjør simulering av en termisk transformatorstasjon med en kontrollerbar varmekilde og et konfigurerbart sett med varmeforbrukere.

Prosjektet er delt inn i fem etapper. Den første involverte utvikling av en metode for innstilling av prosessmodellparametere og utforming av IT-applikasjonsarkitekturen. I neste trinn utviklet forskerteamet en kontrollalgoritme sammen med en automatisk retuningsmetode, noe som muliggjør tilpasning til endrede produksjonsforhold under drift. Forskerne designet deretter et kontrollsystem for en industriell strømningsvarmer og utviklet deretter DPB-Bac-kontrolleren for å regulere vannstrømmen i primærkretsen til en varmeveksler. Basert på en prosessmodell og krever dedikerte innstillingsmetoder, muliggjør kontrolleren svært effektiv systemdrift.

D-ACS-systemet fungerer i drift av EDGE Siemens-datamaskinen eller skjæringen.

Den tredje fasen av prosjektet fokuserte på å evaluere styreytelse i varmegenerasjons- og distribusjonssystemer. Resultatet av denne fasen er et automatisk kontrollprestasjonsvurderingssystem implementert som en applikasjon på Industrial Edge-plattform og koblet til en PLC-kontroller. Basert på målte prosessvariabler gir systemet operatørene informasjon om kontrollkvalitet.

«Systemet er designet slik at det også kan brukes i eksisterende styringsinstallasjoner med implementerte algoritmer som PID-kontrollere, noe som øker allsidigheten og den praktiske anvendeligheten til løsningen vår betydelig,» forklarer Michał Frątczak, PhD Eng., fra Schlesian University of Technology.

Den fjerde fasen av prosjektet, som ble gjennomført i midten av 2024, innebar integrering av tidligere utviklede løsninger og gjennomføring av laboratorievalidering av hele systemet. Denne fasen benyttet en virtuell idriftsettelsestilnærming. Det muliggjorde konsolidering av metodene utviklet i trinn 1—3 gjennom implementering av den avanserte kontrollerfunksjonsblokken og dens integrasjon med digitale tvillinger opprettet i SIMIT applikasjon. Som et resultat ble et enhetlig autonomt kontrollsystem utviklet, basert på en Siemens S7-1500 PLC og en Edge-datamaskin. Driften ble vellykket validert ved hjelp av virtuelle igangkjøringsteknikker.

Det endelige resultatet av forskningsprosjektet vil bli verifisert i løpet av den siste fasen, planlagt til fjerde kvartal 2024, da systemet skal testes under reelle industrielle driftsforhold.

De Siemens SIMATIC ET200Eco distribuerte I/O-moduler med IP69K beskyttelse som brukes i prosjektet samler inn data fra feltsensorer. Takket være deres evne til å operere utenfor kontrollskap, kan de installeres rett ved siden av sensorer, noe som reduserer kablingskravene. Deres forbedrede motstand mot tøffe miljøforhold gjør dem spesielt egnet for næringsmiddelindustri og kjemisk industri, der systemet er ment å fungere. Støtte for IO-Link-protokollen gir standardisert tilkobling med et bredt spekter av feltenheter som kanskje allerede er installert på kundenes anlegg.

Løsningen inneholder også Field Data Enabler PN App, som gjennomsiktig kan lese data fra IO-Link-enheter uten å kreve endringer i PLS-programmet. Dette tilveiebringer en alternativ metode for innhenting av prosessdata i systemet.

«Ved å bruke denne tilnærmingen krever integrasjon med kundens faktiske installasjon ikke forstyrrelser i ofte svært komplekse og forretningskritiske kontrollprogrammer, og heller ikke behovet for å innhente ytterligere godkjenninger fra maskinprodusenter, noe som kan være vanskelig å sikre. Dette konseptet gir et sterkt fundament og høy fleksibilitet for systemet, samtidig som det sikrer stabilitet og samsvar med industrielle applikasjonsstandarder. legger til Mirosław Kuligowski, salgsutviklingssjef i Siemens.

Driften av hele systemet ble verifisert ved hjelp av digital tvillingteknologi.

Effektiv drift av varmeforbrukere har en betydelig innvirkning på å forbedre energiytelsen til hele installasjoner og muliggjør også lavere produksjonskostnader i industrianlegg. Løsningen utviklet av teamet ved Schlesien University of Technology, som bruker programmerbare kontrollere og en IT-infrastruktur skreddersydd til kundens behov, kan støtte moderniseringen av mange kontrollsystemer som i dag opererer på en suboptimal måte.

«Prosessstyringssystemet for varmeproduksjon og distribusjon utviklet ved Schlesien University of Technology bruker IT-teknologier for avansert kontroll, noe som gjør det mulig å optimalisere mange aspekter knyttet til energiforbruk og karbondioksidutslipp. Som et resultat kan det bidra betydelig til å bygge bro over gapet mellom industriell virkelighet og Industry 4.0-teknologier, mens bruken av Industrial Edge-plattformen sikrer kontinuerlig og pålitelig drift,»
oppsummerer Artur Nowocień fra Siemens.