Controle ideal da geração e distribuição de calor

Estima-se que mais de 90% dos sistemas de controle que operam atualmente nas indústrias alimentícia e química não tenham um desempenho ideal. Em particular, eles não fornecem o nível e a qualidade de controle necessários para os processos de geração e distribuição de calor. Isso resulta em maior consumo de energia, maior impacto ambiental e tempo de inatividade excessivo da produção. O controlador PID, a solução de controle industrial mais usada, raramente oferece alto desempenho devido a um ajuste inadequado ou a uma estrutura de controle ineficiente.

“Uma forma de melhorar a eficiência dos processos industriais é por meio do controle efetivo dos sistemas de distribuição e troca de calor, que geralmente são componentes essenciais das instalações industriais”, enfatiza Michał Frątczak, PhD Eng., da Universidade de Tecnologia da Silésia.

Métodos avançados de modelagem e simulação para processos de geração e distribuição de calor são empregados em todo o projeto.

O projeto de pesquisa está sendo realizado usando uma instalação de distribuição e troca de calor localizada no laboratório tecnológico do Departamento de Automação e Robótica da Faculdade de Controle Automático, Eletrônica e Ciência da Computação da Universidade Tecnológica da Silésia. A configuração do laboratório inclui um aquecedor elétrico de fluxo com potência de aquecimento modulada e um sistema configurável de dois trocadores de calor de placas. A instalação está equipada com sensores industriais de temperatura, pressão e fluxo, bem como válvulas de controle que regulam o fluxo de líquido através do aquecedor e dos dois circuitos do trocador de calor. Essa configuração permite a simulação de uma subestação térmica com uma fonte de calor controlável e um conjunto configurável de consumidores de calor.

O projeto foi dividido em cinco etapas. O primeiro envolveu o desenvolvimento de um método para ajustar os parâmetros do modelo de processo e projetar a arquitetura do aplicativo de TI. Na etapa seguinte, a equipe de pesquisa desenvolveu um algoritmo de controle junto com um método de reajuste automático, permitindo a adaptação às mudanças nas condições de produção durante a operação. Os pesquisadores então projetaram um sistema de controle para um aquecedor de fluxo industrial e, posteriormente, desenvolveram o controlador DPB-Bac para regular o fluxo de água no circuito primário de um trocador de calor. Com base em um modelo de processo e exigindo métodos de ajuste dedicados, o controlador permite uma operação altamente eficiente do sistema.

O sistema D-ACS funciona em um conjunto de computadores EDGE Siemens ou uma sala de jogos.

A terceira etapa do projeto se concentrou na avaliação do desempenho do controle em sistemas de geração e distribuição de calor. O resultado dessa fase é um sistema automático de avaliação de desempenho de controle implementado como um aplicativo no Plataforma Industrial Edge e conectado a um controlador PLC. Com base nas variáveis de processo medidas, o sistema fornece aos operadores informações sobre a qualidade do controle.

“O sistema foi projetado para que também possa ser usado em instalações de controle existentes com algoritmos implementados, como controladores PID, aumentando significativamente a versatilidade e a aplicabilidade prática de nossa solução” explica Michał Frątczak, PhD Eng., da Universidade de Tecnologia da Silésia.

A quarta etapa do projeto, realizada em meados de 2024, envolveu a integração das soluções desenvolvidas anteriormente e a validação laboratorial do sistema completo. Essa fase empregou uma abordagem de comissionamento virtual. Isso permitiu a consolidação dos métodos desenvolvidos durante os estágios 1—3 por meio da implementação do bloco de funções do controlador avançado e sua integração com gêmeos digitais criados no Aplicação SIMIT. Como resultado, um sistema de controle autônomo unificado foi desenvolvido, baseado em um PLC Siemens S7-1500 e um Computador Edge. Sua operação foi validada com sucesso usando técnicas de comissionamento virtual.

O resultado final do projeto de pesquisa será verificado durante a última etapa, prevista para o quarto trimestre de 2024, quando o sistema será testado em condições reais de operação industrial.

O Módulos de E/S distribuídos Siemens SIMATIC ET200ECO com IP69K a proteção usada no projeto coleta dados de sensores de campo. Graças à sua capacidade de operar fora dos gabinetes de controle, eles podem ser instalados diretamente ao lado dos sensores, reduzindo os requisitos de cabeamento. Sua resistência aprimorada a condições ambientais adversas os torna particularmente adequados para aplicações na indústria alimentícia e química, onde o sistema deve operar. O suporte ao protocolo IO-Link fornece conectividade padronizada com uma ampla variedade de dispositivos de campo que podem já estar instalados nas instalações do cliente.

A solução também incorpora o aplicativo Field Data Enabler PN, que pode ler dados de dispositivos IO-Link de forma transparente sem exigir modificações no programa PLC. Isso fornece um método alternativo de aquisição de dados do processo no sistema.

“Ao usar essa abordagem, a integração com a instalação real de um cliente não exige interferência com programas de controle geralmente altamente complexos e essenciais para os negócios, nem a necessidade de obter aprovações adicionais dos fabricantes de máquinas, o que pode ser difícil de proteger. Esse conceito fornece uma base sólida e alta flexibilidade para o sistema, ao mesmo tempo em que garante estabilidade e conformidade com os padrões de aplicação industrial” acrescenta Mirosław Kuligowski, gerente de desenvolvimento de vendas da Siemens.

A operação de todo o sistema foi verificada usando a tecnologia digital twin.

A operação eficiente dos consumidores de calor tem um impacto significativo na melhoria do desempenho energético de instalações inteiras e também permite menores custos de produção em plantas industriais. A solução desenvolvida pela equipe da Universidade de Tecnologia da Silésia, que usa controladores programáveis e uma infraestrutura de TI adaptada aos requisitos do cliente, pode apoiar a modernização de muitos sistemas de controle que atualmente operam de maneira abaixo do ideal.

“O sistema de controle de processo para geração e distribuição de calor desenvolvido na Universidade de Tecnologia da Silésia usa tecnologias de TI para controle avançado, possibilitando a otimização de muitos aspectos relacionados ao consumo de energia e às emissões de dióxido de carbono. Como resultado, ele pode ajudar significativamente a preencher a lacuna entre a realidade industrial e as tecnologias da Indústria 4.0, enquanto o uso da plataforma Industrial Edge garante uma operação contínua e confiável”
resume Artur Nowocień, da Siemens.