Controlul optim al generării și distribuției căldurii

Se estimează că peste 90% din sistemele de control care funcționează în prezent în industria alimentară și chimică nu funcționează optim. În special, acestea nu reușesc să asigure nivelul necesar și calitatea controlului pentru procesele de generare și distribuție a căldurii. Acest lucru are ca rezultat un consum crescut de energie, un impact mai mare asupra mediului și întreruperi excesive de producție. Controlerul PID, cea mai frecvent utilizată soluție de control industrial, oferă rareori performanțe ridicate datorită reglării necorespunzătoare sau a unei structuri de control ineficiente.

„O modalitate de a îmbunătăți eficiența proceselor industriale este prin controlul eficient al sistemelor de distribuție și schimb de căldură, care sunt adesea componente cheie ale instalațiilor industriale”, subliniază Michał Frątczak, dr. ing., de la Universitatea de Tehnologie din Silezia.

Pe tot parcursul proiectului sunt utilizate metode avansate de modelare și simulare pentru procesele de generare și distribuție a căldurii.

Proiectul de cercetare se desfășoară folosind o instalație de distribuție și schimb de căldură situată în laboratorul tehnologic al Departamentului de Automatizare și Robotică din cadrul Facultății de Control Automat, Electronică și Informatică a Universității de Tehnologie din Silezia. Configurația de laborator include un încălzitor electric cu debit electric cu putere de încălzire modulată și un sistem configurabil de două schimbătoare de căldură cu plăci. Instalația este echipată cu senzori industriali de temperatură, presiune și debit, precum și supape de control care reglează fluxul de lichid prin încălzitor și ambele circuite ale schimbătorului de căldură. Această configurație permite simularea unei stații termice cu o sursă de căldură controlată și un set configurabil de consumatori de căldură.

Proiectul a fost împărțit în cinci etape. Primul a implicat dezvoltarea unei metode de reglare a parametrilor modelului de proces și proiectarea arhitecturii aplicației IT. În următoarea etapă, echipa de cercetare a dezvoltat un algoritm de control împreună cu o metodă automată de reajustare, permițând adaptarea la condițiile de producție în schimbare în timpul funcționării. Cercetătorii au proiectat apoi un sistem de control pentru un încălzitor de debit industrial și ulterior au dezvoltat controlerul DPB-Bac pentru a regla debitul de apă în circuitul primar al unui schimbător de căldură. Bazat pe un model de proces și care necesită metode dedicate de reglare, controlerul permite funcționarea extrem de eficientă a sistemului.

Sistemul D-ACS funcționează pe un computer EDGE Siemensa sau să fie blocat.

A treia etapă a proiectului s-a concentrat pe evaluarea performanței de control în sistemele de generare și distribuție a căldurii. Rezultatul acestei faze este un sistem automat de evaluare a performanței controlului implementat ca aplicație pe Platforma Industrial Edge și conectat la un controler PLC. Pe baza variabilelor de proces măsurate, sistemul oferă operatorilor informații despre calitatea controlului.

„Sistemul a fost proiectat astfel încât să poată fi utilizat și în instalațiile de control existente cu algoritmi implementați, cum ar fi controlerele PID, sporind semnificativ versatilitatea și aplicabilitatea practică a soluției noastre.” explică Michał Frątczak, dr. ing., de la Universitatea de Tehnologie din Silezia.

A patra etapă a proiectului, realizată la mijlocul anului 2024, a implicat integrarea soluțiilor dezvoltate anterior și efectuarea validării de laborator a sistemului complet. Această fază a folosit o abordare virtuală de punere în funcțiune. A permis consolidarea metodelor dezvoltate în etapele 1-3 prin implementarea blocului funcțional avansat al controlerului și integrarea acestuia cu gemeni digitali creați în Aplicația SIMIT. Ca rezultat, a fost dezvoltat un sistem de control autonom unificat, bazat pe un PLC Siemens S7-1500 și un Computerul Edge. Funcționarea sa a fost validată cu succes folosind tehnici virtuale de punere în funcțiune.

Rezultatul final al proiectului de cercetare va fi verificat în ultima etapă, programată pentru al patrulea trimestru al anului 2024, când sistemul va fi testat în condiții reale de funcționare industrială.

La Module I/O distribuite Siemens SIMATIC ET200eco cu IP69K protecția utilizată în proiect colectează date de la senzorii de câmp. Datorită capacității lor de a opera în afara dulapurilor de comandă, acestea pot fi instalate direct lângă senzori, reducând cerințele de cablare. Rezistența lor sporită la condiții dure de mediu le face deosebit de potrivite pentru aplicațiile din industria alimentară și chimică, unde sistemul este destinat să funcționeze. Suportul pentru protocolul IO-Link oferă conectivitate standardizată cu o gamă largă de dispozitive de teren care pot fi deja instalate la site-urile clienților.

Soluția include, de asemenea, aplicația Field Data Enabler PN, care poate citi în mod transparent datele de pe dispozitivele IO-Link fără a necesita modificări ale programului PLC. Aceasta oferă o metodă alternativă de obținere a datelor de proces în cadrul sistemului.

„Prin utilizarea acestei abordări, integrarea cu instalația reală a unui client nu necesită interferențe cu programe de control adesea extrem de complexe și critice pentru afaceri și nici necesitatea obținerii aprobărilor suplimentare de la producătorii de mașini, care pot fi dificil de asigurat. Acest concept oferă o bază solidă și o flexibilitate ridicată pentru sistem, asigurând în același timp stabilitatea și conformitatea cu standardele de aplicare industrială”. adaugă Mirosław Kuligowski, Manager Dezvoltare Vânzări la Siemens.

Funcționarea întregului sistem a fost verificată folosind tehnologia digitală twin.

Funcționarea eficientă a consumatorilor de căldură are un impact semnificativ asupra îmbunătățirii performanței energetice a instalațiilor întregi și permite, de asemenea, reducerea costurilor de producție în instalațiile industriale. Soluția dezvoltată de echipa de la Universitatea de Tehnologie din Silezia, care utilizează controlere programabile și o infrastructură IT adaptată cerințelor clienților, poate sprijini modernizarea multor sisteme de control care funcționează în prezent într-o manieră suboptimă.

„Sistemul de control al proceselor pentru generarea și distribuția căldurii dezvoltat la Universitatea de Tehnologie din Silezia utilizează tehnologii IT pentru controlul avansat, făcând posibilă optimizarea multor aspecte legate de consumul de energie și emisiile de dioxid de carbon. Drept urmare, poate contribui semnificativ la reducerea decalajului dintre realitatea industrială și tehnologiile Industry 4.0, în timp ce utilizarea platformei Industrial Edge asigură o funcționare continuă și fiabilă”.
rezumă Artur Nowocień de la Siemens.