Controlo Ótimo da Geração e Distribuição de Calor

Estima-se que mais de 90% dos sistemas de controlo actualmente a operar nas indústrias alimentar e química não têm um desempenho ideal. Em particular, não fornecem o nível exigido e a qualidade de controlo para os processos de geração e distribuição de calor. Isso resulta em aumento do consumo de energia, maior impacto ambiental e tempo de inatividade excessivo da produção. O controlador PID, a solução de controlo industrial mais utilizada, raramente oferece alto desempenho devido a uma afinação inadequada ou a uma estrutura de controlo ineficiente.

“Uma maneira de melhorar a eficiência dos processos industriais é através do controlo eficaz dos sistemas de distribuição e troca de calor, que são frequentemente componentes-chave das instalações industriais”, enfatiza Michał Frątczak, PhD Eng., da Universidade Tecnológica da Silésia.

Métodos avançados de modelação e simulação para processos de geração e distribuição de calor são empregados ao longo do projeto.

O projeto de investigação está a ser realizado com recurso a uma instalação de distribuição e troca de calor localizada no laboratório tecnológico do Departamento de Automação e Robótica da Faculdade de Controlo Automático, Eletrónica e Informática da Universidade Tecnológica da Silésia. A configuração do laboratório inclui um aquecedor de fluxo elétrico com potência de aquecimento modulada e um sistema configurável de dois permutadores de calor a placas. A instalação está equipada com sensores industriais de temperatura, pressão e fluxo, bem como válvulas de controlo que regulam o fluxo de líquido através do aquecedor e ambos os circuitos do permutador de calor. Esta 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 fases. O primeiro envolveu o desenvolvimento de um método para ajustar os parâmetros do modelo de processo e projetar a arquitetura da aplicação de TI. Na fase seguinte, a equipa de investigação desenvolveu um algoritmo de controlo juntamente com um método de reajuste automático, permitindo a adaptação às mudanças nas condições de produção durante a operação. Os investigadores projetaram então um sistema de controlo para um aquecedor de fluxo industrial e posteriormente desenvolveram o controlador DPB-Bac para regular o fluxo de água no circuito primário de um permutador de calor. Com base num modelo de processo e exigindo métodos de afinação dedicados, o controlador permite uma operação do sistema altamente eficiente.

O sistema D-ACS funciona no computador EDGE Siemens com o sistema de segurança e segurança.

A terceira fase do projeto centrou-se na avaliação do desempenho do controlo em sistemas de geração e distribuição de calor. O resultado desta fase é um sistema de avaliação de desempenho de controlo automático implementado como uma aplicação no Plataforma Industrial Edge e ligado a um controlador PLC. Com base nas variáveis de processo medidas, o sistema fornece aos operadores informações sobre a qualidade do controlo.

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

A quarta fase do projeto, realizada em meados de 2024, envolveu a integração das soluções anteriormente desenvolvidas e a realização de validação laboratorial do sistema completo. Esta fase empregou uma abordagem de comissionamento virtual. Permitiu a consolidação dos métodos desenvolvidos durante as fases 1—3 através da implementação do bloco de funções do controlador avançado e a sua integração com gémeos digitais criados no Aplicação SIMIT. Como resultado, foi desenvolvido um sistema de controlo autónomo unificado, baseado num PLC Siemens S7-1500 e um Computador de borda. A sua operação foi validada com sucesso utilizando técnicas de comissionamento virtual.

O resultado final do projeto de investigação será verificado durante a última fase, prevista para o quarto trimestre de 2024, altura em que o sistema será testado em condições reais de funcionamento industrial.

O Módulos de E/S distribuídos Siemens SIMATIC ET200Eco com IP69K a proteção utilizada no projeto recolhe dados de sensores de campo. Graças à sua capacidade de operar fora dos gabinetes de controlo, podem ser instalados diretamente ao lado dos sensores, reduzindo os requisitos de cablagem. A sua maior resistência a condições ambientais adversas torna-os particularmente adequados para aplicações na indústria alimentar e química, onde o sistema se destina a operar. O suporte para o protocolo IO-Link fornece conectividade padronizada com uma ampla gama de dispositivos de campo que podem já estar instalados nas instalações do cliente.

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

“Ao utilizar esta abordagem, a integração com a instalação real de um cliente não requer interferência com programas de controlo frequentemente altamente complexos e críticos para o negócio, nem a necessidade de obter aprovações adicionais dos fabricantes de máquinas, o que pode ser difícil de garantir. Este conceito fornece uma base sólida e alta flexibilidade para o sistema, garantindo estabilidade e conformidade com os padrões de aplicação industrial,” acrescenta Mirosław Kuligowski, Gerente de Desenvolvimento de Vendas da Siemens.

O funcionamento de todo o sistema foi verificado utilizando a tecnologia digital twin.

O funcionamento 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 instalações industriais. A solução desenvolvida pela equipa da Universidade Tecnológica da Silésia, que utiliza controladores programáveis e uma infraestrutura de TI adaptada aos requisitos do cliente, pode suportar a modernização de muitos sistemas de controlo que actualmente operam de forma subóptima.

“O sistema de controlo de processos para geração e distribuição de calor desenvolvido na Universidade Tecnológica da Silésia utiliza tecnologias de TI para controlo avançado, tornando possível otimizar muitos aspetos relacionados com o consumo de energia e as emissões de dióxido de carbono. Como resultado, pode ajudar significativamente a preencher a lacuna entre a realidade industrial e as tecnologias da Indústria 4.0, enquanto a utilização da plataforma Industrial Edge garante uma operação contínua e fiável,”
resume Artur Nowocień da Siemens.