Оптимальное управление производством и распределением тепла

По оценкам, более 90% систем управления, работающих в настоящее время в пищевой и химической промышленности, работают неоптимально. В частности, они не обеспечивают требуемого уровня и качества управления процессами производства и распределения тепла. Это приводит к увеличению потребления энергии, усилению воздействия на окружающую среду и чрезмерному простою производства. ПИД-регулятор, наиболее часто используемое промышленное решение для управления, редко обеспечивает высокую производительность из-за неправильной настройки или неэффективной структуры управления.

«Одним из способов повышения эффективности промышленных процессов является эффективное управление системами распределения и теплообмена, которые часто являются ключевыми компонентами промышленных установок», — подчеркивает доктор технических наук Михал Фронтчак из Силезского технологического университета.

На протяжении всего проекта используются передовые методы моделирования и моделирования процессов генерации и распределения тепла.

Исследовательский проект выполняется с использованием теплораспределительной и обменной установки, расположенной в технологической лаборатории кафедры автоматизации и робототехники факультета автоматического управления, электроники и компьютерных наук Силезского технологического университета. Лабораторная установка включает электрический проточный нагреватель с модулированной мощностью нагрева и конфигурируемую систему из двух пластинчатых теплообменников. Объект оснащен промышленными датчиками температуры, давления и расхода, а также регулирующими клапанами, регулирующими расход жидкости через нагреватель и оба контура теплообменника. Эта конфигурация позволяет моделировать тепловую подстанцию с управляемым источником тепла и конфигурируемым набором потребителей тепла.

Проект разделен на пять этапов. Первая из них заключалась в разработке метода настройки параметров модели процесса и проектировании архитектуры ИТ-приложения. На следующем этапе исследовательская группа разработала алгоритм управления вместе с методом автоматической перенастройки, позволяющий адаптироваться к меняющимся производственным условиям во время работы. Затем исследователи разработали систему управления промышленным проточным нагревателем, а затем разработали контроллер DPB-Bac для регулирования потока воды в первичном контуре теплообменника. Основанный на модели процесса и требующий специальных методов настройки, контроллер обеспечивает высокоэффективную работу системы.

Система D-ACS работает на компьютерах EDGE Siemens или их облицовке.

Третий этап проекта был посвящен оценке эффективности управления в системах производства и распределения тепла. Результатом этого этапа является автоматическая система оценки эффективности управления, внедренная в виде приложения на Платформа Industrial Edge и подключен к контроллеру PLC. На основе измеренных технологических переменных система предоставляет операторам информацию о качестве контроля.

«Система спроектирована таким образом, чтобы ее также можно было использовать в существующих системах управления с реализованными алгоритмами, такими как ПИД-регуляторы, что значительно повышает универсальность и практическую применимость нашего решения», объясняет Михал Фронтчак, доктор технических наук, из Силезского технологического университета.

Четвертый этап проекта, проведенный в середине 2024 года, включал интеграцию ранее разработанных решений и лабораторную проверку всей системы. На этом этапе использовался виртуальный ввод в эксплуатацию. Это позволило объединить методы, разработанные на этапах 1—3, за счет внедрения усовершенствованного функционального блока контроллера и его интеграции с цифровыми двойниками, созданными в Приложение SIMIT. В результате была разработана унифицированная автономная система управления на основе ПЛК Siemens S7-1500 и Периферийный компьютер. Его работа была успешно проверена с использованием технологий виртуального ввода в эксплуатацию.

Окончательные результаты исследовательского проекта будут проверены на последнем этапе, запланированном на четвертый квартал 2024 года, когда система будет протестирована в реальных промышленных условиях эксплуатации.

The Модули распределенного ввода-вывода Siemens SIMATIC ET200eco со степенью защиты IP69K защита, используемая в проекте, собирает данные с полевых датчиков. Благодаря возможности работать вне шкафов управления их можно устанавливать непосредственно рядом с датчиками, что снижает требования к кабелям. Их повышенная устойчивость к суровым условиям окружающей среды делает их особенно подходящими для применения в пищевой и химической промышленности, где система предназначена для работы. Поддержка протокола IO-Link обеспечивает стандартизированное подключение к широкому спектру полевых устройств, которые, возможно, уже установлены на объектах клиентов.

Решение также включает приложение Field Data Enabler PN, которое может прозрачно считывать данные с устройств IO-Link без необходимости внесения изменений в программу ПЛК. Это обеспечивает альтернативный метод сбора технологических данных в системе.

«При использовании этого подхода интеграция с реальной установкой заказчика не требует вмешательства в часто очень сложные и критически важные для бизнеса программы управления, а также получения дополнительных разрешений от производителей оборудования, которые может быть трудно получить. Эта концепция обеспечивает прочную основу и высокую гибкость системы, обеспечивая при этом стабильность и соответствие стандартам промышленного применения», добавляет Мирослав Кулиговский, менеджер по развитию продаж Siemens.

Работа всей системы была проверена с использованием технологии цифрового двойника.

Эффективная работа потребителей тепла оказывает значительное влияние на повышение энергетических характеристик целых установок, а также позволяет снизить производственные затраты на промышленных предприятиях. Решение, разработанное командой Силезского технологического университета, в котором используются программируемые контроллеры и ИТ-инфраструктура, адаптированная к требованиям клиентов, может способствовать модернизации многих систем управления, которые в настоящее время работают неоптимально.

«Система управления технологическими процессами производства и распределения тепла, разработанная в Силезском технологическом университете, использует ИТ-технологии для расширенного управления, что позволяет оптимизировать многие аспекты, связанные с потреблением энергии и выбросами углекислого газа. В результате это может значительно помочь преодолеть разрыв между промышленной реальностью и технологиями Индустрии 4.0, а использование платформы Industrial Edge обеспечивает непрерывную и надежную работу»,
резюмирует Артур Новоцен из Siemens.