Optymalne sterowanie procesami wytwarzania i dystrybucji ciepła w przemyśle

Szacuje się, że obecnie ponad 90% układów sterowania pracujących w przemyśle spożywczym i chemicznym nie działa w sposób optymalny. Przede wszystkim nie jest w nich zapewniany właściwy poziom i jakość regulacji procesami wytwarzania i dystrybucji ciepła. Przyczynia się to m.in. do zwiększonego zużycia energii, zanieczyszczenia środowiska naturalnego oraz nadmiernej liczby przestojów w cyklu produkcyjnym. Najczęściej wykorzystywany w przemysłowych układach regulator PID bardzo rzadko zapewnia wysoką jakość działania ze względu na niepoprawne strojenie lub nieefektywną strukturę układu regulacji.

„Jednym ze sposobów poprawy efektywności działania przemysłowych procesów technologicznych jest efektywne sterowanie układami dystrybucji i wymiany ciepła, które stanowią bardzo często kluczowy element instalacji przemysłowych” – podkreśla dr inż. Michał Frątczak z Politechniki Śląskiej.

W projekcie wykorzystywane są zaawansowane metody modelowania i symulacji procesów wytwarzania i dystrybucji ciepła.

Projekt badawczy realizowany jest z wykorzystaniem instalacji dystrybucji i wymiany ciepła, znajdującej się w laboratorium technologicznym Katedry Automatyki i Robotyki na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej. W skład elementów instalacji laboratoryjnej wchodzi elektryczny piec przepływowy sterowany modulowaną mocą grzałki oraz konfigurowalny układ dwóch płytowych wymienników ciepła. Aparatura badawcza została także wyposażona w przemysłowe czujniki temperatury, ciśnienia i przepływu oraz w zawory regulacyjne pozwalające na ustalanie przepływów cieczy przez piec i przez obwody obu wymienników. Tak wykonana instalacja pozwala realizować model węzła cieplnego ze sterowanym źródłem ciepła oraz konfigurowalnym układem odbiorników ciepła.

Projekt został podzielony na pięć etapów. Pierwszy z nich polegał na opracowaniu metody strojenia parametrów modelu procesu oraz przygotowaniu architektury aplikacji IT. W kolejnym, zespół badawczy opracował algorytm regulacji wraz z metodą automatycznego przestrojenia w cyklu pracy, w zależności od zmian warunków produkcyjnych. W ramach badań przygotowano układ regulacji dla przepływowego pieca przemysłowego, a następnie przystąpiono do skonstruowania regulatora dpB-BAC sterującego przepływem wody w obiegu po stronie pierwotnej wymiennika ciepła. Bazuje on na modelu procesu i wymaga specjalnych metod strojenia, ale daje dzięki temu możliwość efektywnego sterowania układem.

System D-ACS pracuje w oparciu o komputery EDGE Siemensa lub chmurę obliczeniową.

Trzeci etap projektu skoncentrowany był na ocenie jakości regulacji w układach wytwarzania i dystrybucji ciepła. Finalnym wynikiem tej części prac jest system automatycznej oceny jakości działania układu regulacji funkcjonującego w postaci aplikacji na platformie Industrial Edge i połączonego ze sterownikiem PLC. Układ sterowania, na podstawie pomiarów wielkości fizycznych, informuje operatorów o jakości regulacji.

„Tak zaprojektowany system może być wykorzystywany w już działających układach sterowania z zaimplementowanymi algorytmami regulacji np. PID, co znacznie zwiększa wszechstronność i możliwości praktycznego zastosowania wypracowanego przez nas rozwiązania” – wyjaśnia dr inż. Michał Frątczak.

W kolejnym, czwartym już kroku prac badawczych, realizowanym w połowie 2024 roku nastąpiła integracja przygotowanych wcześniej rozwiązań oraz laboratoryjna weryfikacja pełnego systemu. Wykorzystano w nim technikę wirtualnego uruchomienia. Etap ten pozwolił na konsolidację metod opracowanych w fazach 1-3 i polegał na implementacji bloku funkcyjnego zaawansowanego regulatora oraz połączenia jego działania z wirtualnymi bliźniakami zaimplementowanymi w aplikacji SIMIT. W ten sposób stworzony został jednolity, autonomiczny system sterowania oparty o sterownik Siemens S7-1500 oraz komputer Edge, którego działanie zostało potwierdzone z wykorzystaniem techniki wirtualnego uruchomienia.

Ostateczny wynik prac badawczych zweryfikuje finalny etap projektu, zaplanowany na czwarty kwartał 2024. Polegać on będzie na sprawdzeniu działania systemu w warunkach przemysłowych.

Zastosowane w projekcie rozproszone moduły Siemensa, SIMATIC ET200eco, o stopniu ochrony IP69K zbierają dane z czujników. Dzięki możliwości użycia ich poza szafą sterowniczą mogą być instalowane bezpośrednio przy sensorach, co ogranicza prowadzenie dużej ilości przewodów, a dodatkowa odporność na wymagające warunki środowiskowe sprawdza się w obiektach występujących w branży spożywczej i chemicznej, w której system będzie pracował. Obsługa w modułach protokołu IO-Link zapewnia ustandaryzowane połączenie z różnego typu urządzeniami polowymi, które mogą być zainstalowane u klientów.

W rozwiązaniu wykorzystano również oprogramowanie Field Data Enabler PN App, które w transparentny sposób, bez ingerencji w program sterownika PLC potrafi odczytać dane z urządzeń IO-Link. Jest to alternatywny sposób zbierania danych obiektowych w systemie.

„Dzięki jego zastosowaniu podczas integracji układu z rzeczywistym obiektem klienta nie ma konieczności ingerowania w często bardzo rozbudowany i odpowiedzialny proces sterowania obiektem czy pozyskiwania dodatkowych zgód producenta specyficznej maszyny, co często może być trudne do osiągnięcia. Takie podejście zapewnia dobre fundamenty i wysoką elastyczność budowanego systemu, a zarazem stabilność i zgodność ze wszystkimi standardami aplikacji przemysłowych” – dodaje Mirosław Kuligowski, kierownik ds. rozwoju sprzedaży w Siemens.

Działanie całego układu weryfikowane było z wykorzystaniem technologii cyfrowego bliźniaka systemu.

Efektywna praca odbiorników ciepła w znaczący sposób wpływa na poprawę wydajności energetycznej całych instalacji, a także umożliwia uzyskanie niższych kosztów produkcji w zakładach przemysłowych. Stworzone przez zespół Politechniki Śląskiej rozwiązanie wykorzystujące sterowniki programowalne i infrastrukturę IT dostosowaną do wymogów klienta może umożliwić modernizację wielu układów sterowania działających obecnie w sposób nieoptymalny.

„Opracowany na Politechnice Śląskiej system sterowania procesami wytwarzania i dystrybucji ciepła wykorzystujący technologię IT do zaawansowanej regulacji pozwala optymalizować wiele aspektów związanych choćby ze zużyciem energii czy emisji dwutlenku węgla. Dzięki temu może znacząco przyczynić się do wypełnienia luki między rzeczywistością przemysłową, a technologiami z obszaru Przemysłu 4.0, a wykorzystanie platformy Industrial Edge pozwoli na ciągłą i niezawodną pracę”
– podsumowuje Artur Nowocień z Siemensa.