Optimalno upravljanje proizvodnje in distribucije toplote

Ocenjuje se, da več kot 90% nadzornih sistemov, ki trenutno delujejo v živilski in kemični industriji, ne deluje optimalno. Zlasti ne zagotavljajo zahtevane ravni in kakovosti nadzora postopkov proizvodnje in distribucije toplote. Posledica tega je povečana poraba energije, večji vpliv na okolje in prekomerni izpad proizvodnje. PID krmilnik, najpogosteje uporabljena rešitev za industrijsko krmiljenje, redko zagotavlja visoko zmogljivost zaradi nepravilne nastavitve ali neučinkovite krmilne strukture.

»Eden od načinov za izboljšanje učinkovitosti industrijskih procesov je učinkovit nadzor sistemov za distribucijo in izmenjavo toplote, ki so pogosto ključni sestavni deli industrijskih naprav,« poudarja Michał Frątczak, dr. inž., s Šlezijske tehnološke univerze.

V celotnem projektu se uporabljajo napredne metode modeliranja in simulacije procesov proizvodnje in distribucije toplote.

Raziskovalni projekt se izvaja z uporabo naprave za distribucijo in izmenjavo toplote, ki se nahaja v tehnološkem laboratoriju Oddelka za avtomatizacijo in robotiko Fakultete za avtomatizacijo, elektroniko in računalništvo Šlezijske tehnološke univerze. Laboratorijska postavitev vključuje električni pretočni grelec z modulirano ogrevalno močjo in nastavljiv sistem dveh ploščnih toplotnih izmenjevalnikov. Objekt je opremljen z industrijskimi senzorji temperature, tlaka in pretoka ter krmilnimi ventili, ki uravnavajo pretok tekočine skozi grelec in oba tokokroga toplotnega izmenjevalnika. Ta konfiguracija omogoča simulacijo toplotne postaje z nadzorovanim virom toplote in nastavljivim naborom porabnikov toplote.

Projekt je razdeljen na pet stopenj. Prva je vključevala razvoj metode za nastavitev parametrov procesnega modela in oblikovanje arhitekture aplikacij IT. V naslednji fazi je raziskovalna skupina razvila krmilni algoritem skupaj z metodo samodejnega ponovnega prilagajanja, ki omogoča prilagajanje spreminjajočim se proizvodnim pogojem med delovanjem. Raziskovalci so nato zasnovali krmilni sistem za industrijski pretočni grelec in nato razvili krmilnik DPB-Bac za uravnavanje pretoka vode v primarnem krogu toplotnega izmenjevalnika. Krmilnik, ki temelji na procesnem modelu in zahteva namenske metode uglaševanja, omogoča zelo učinkovito delovanje sistema.

Sistem D-ACS deluje na podlagi računalnika EDGE Siemens ali kalkulatorja.

Tretja faza projekta se je osredotočila na ocenjevanje nadzorne učinkovitosti v sistemih za proizvodnjo in distribucijo toplote. Rezultat te faze je sistem samodejnega ocenjevanja učinkovitosti nadzora, ki se izvaja kot aplikacija na Platforma Industrial Edge in priključen na PLC krmilnik. Na podlagi izmerjenih procesnih spremenljivk sistem operaterjem zagotavlja informacije o kakovosti nadzora.

»Sistem je zasnovan tako, da ga je mogoče uporabljati tudi v obstoječih krmilnih napravah z implementiranimi algoritmi, kot so PID krmilniki, kar bistveno poveča vsestranskost in praktično uporabnost naše rešitve,« pojasnjuje Michał Frątczak, dr. inž., s Šlezijske tehnološke univerze.

Četrta faza projekta, izvedena sredi leta 2024, je vključevala integracijo prej razvitih rešitev in izvedbo laboratorijske validacije celotnega sistema. Ta faza je uporabljala pristop virtualnega zagona. Omogočil je konsolidacijo metod, razvitih v stopnjah 1—3, z implementacijo naprednega bloka krmilnikov in njegovo integracijo z digitalnimi dvojčki, ustvarjenimi v Aplikacija SIMIT. Posledično je bil razvit enoten avtonomni nadzorni sistem, ki temelji na PLC Siemens S7-1500 in Edge računalnik. Njegovo delovanje je bilo uspešno potrjeno s tehnikami virtualnega zagona.

Končni izid raziskovalnega projekta bo preverjen v zadnji fazi, predvideni za četrto četrtletje leta 2024, ko bo sistem testiran v realnih industrijskih pogojih delovanja.

Siemens SIMATIC ET200eco distribuirani I/O moduli z IP69K zaščita, uporabljena v projektu, zbirajo podatke iz terenskih senzorjev. Zahvaljujoč njihovi sposobnosti delovanja zunanjih nadzornih omar jih je mogoče namestiti neposredno poleg senzorjev, kar zmanjšuje zahteve glede kablov. Zaradi večje odpornosti na težke okoljske razmere so še posebej primerni za uporabo v živilski in kemični industriji, kjer je sistem namenjen delovanju. Podpora protokolu IO-Link zagotavlja standardizirano povezljivost s široko paleto terenskih naprav, ki so morda že nameščene na spletnih mestih strank.

Rešitev vključuje tudi aplikacijo Field Data Enabler PN, ki lahko pregledno bere podatke iz naprav IO-Link, ne da bi zahtevala spremembe programa PLC. To zagotavlja alternativno metodo pridobivanja procesnih podatkov znotraj sistema.

»Z uporabo tega pristopa integracija s strankovo dejansko namestitvijo ne zahteva motenj v pogosto zelo zapletene in poslovno kritične nadzorne programe niti potrebe po pridobivanju dodatnih odobritev proizvajalcev strojev, ki jih je težko zagotoviti. Ta koncept zagotavlja močne temelje in visoko prilagodljivost sistema, hkrati pa zagotavlja stabilnost in skladnost s standardi industrijske uporabe,« dodaja Mirosław Kuligowski, vodja razvoja prodaje pri Siemens.

Delovanje celotnega sistema je bilo preverjeno z uporabo digitalne dvojne tehnologije.

Učinkovito delovanje odjemalcev toplote pomembno vpliva na izboljšanje energetske učinkovitosti celotnih naprav in omogoča nižje proizvodne stroške v industrijskih obratih. Rešitev, ki jo je razvila ekipa na Šlezijski tehnološki univerzi, ki uporablja programabilne krmilnike in IT infrastrukturo, prilagojeno zahtevam kupcev, lahko podpira posodobitev številnih nadzornih sistemov, ki trenutno delujejo na neoptimalen način.

»Sistem za nadzor procesov za proizvodnjo in distribucijo toplote, razvit na Šlezijski tehnološki univerzi, uporablja IT tehnologije za napredno upravljanje, kar omogoča optimizacijo številnih vidikov, povezanih s porabo energije in emisijami ogljikovega dioksida. Posledično lahko bistveno pomaga premostiti vrzel med industrijsko resničnostjo in tehnologijami Industrije 4.0, medtem ko uporaba platforme Industrial Edge zagotavlja neprekinjeno in zanesljivo delovanje,«
povzema Artur Nowocień iz Siemens.