Optimal styrning av värmeproduktion och distribution

Det uppskattas att mer än 90% av de styrsystem som för närvarande fungerar inom livsmedels- och kemikalieindustrin inte fungerar optimalt. I synnerhet misslyckas de med att tillhandahålla den nivå och kvalitet som krävs för värmegenererings- och distributionsprocesser. Detta resulterar i ökad energiförbrukning, större miljöpåverkan och överdrivna driftstopp. PID-styrenheten, den vanligaste industriella styrlösningen, levererar sällan hög prestanda på grund av felaktig inställning eller en ineffektiv styrstruktur.

”Ett sätt att förbättra effektiviteten i industriella processer är genom effektiv kontroll av värmefördelnings- och utbytessystem, som ofta är viktiga komponenter i industriella installationer”, betonar Michał Frątczak, PhD Eng., från Schlesian University of Technology.

Avancerade modellerings- och simuleringsmetoder för värmegenererings- och distributionsprocesser används under hela projektet.

Forskningsprojektet genomförs med hjälp av en värmefördelnings- och utbytesinstallation belägen i det tekniska laboratoriet vid Institutionen för automatisering och robotik vid fakulteten för automatisk styrning, elektronik och datavetenskap vid Schlesiens tekniska universitet. Laboratorieinstallationen inkluderar en elektrisk flödesvärmare med modulerad värmeeffekt och ett konfigurerbart system med två plattvärmeväxlare. Anläggningen är utrustad med industriella temperatur-, tryck- och flödesgivare samt reglerventiler som reglerar vätskeflödet genom värmaren och båda värmeväxlarkretsarna. Denna konfiguration möjliggör simulering av en termisk transformatorstation med en kontrollerbar värmekälla och en konfigurerbar uppsättning värmekonsumenter.

Projektet har delats upp i fem etapper. Den första handlade om att utveckla en metod för att ställa in processmodellparametrar och designa IT-applikationsarkitekturen. I nästa steg utvecklade forskargruppen en kontrollalgoritm tillsammans med en automatisk ominställningsmetod, vilket möjliggjorde anpassning till förändrade produktionsförhållanden under drift. Forskarna konstruerade sedan ett styrsystem för en industriell flödesvärmare och utvecklade därefter DPB-Bac-regulatorn för att reglera vattenflödet i primärkretsen i en värmeväxlare. Baserat på en processmodell och kräver dedikerade inställningsmetoder möjliggör styrenheten mycket effektiv systemdrift.

D-ACS-systemet arbetar med EDGE Siemens-datorn eller den blockerade skärmen.

Den tredje etappen av projektet fokuserade på utvärdering av kontrollprestanda i värmegenererings- och distributionssystem. Resultatet av denna fas är ett automatiskt kontrollprestationsbedömningssystem implementerat som en applikation på Industrial Edge-plattformen och ansluten till en PLC-styrenhet. Baserat på uppmätta processvariabler ger systemet operatörerna information om kontrollkvalitet.

”Systemet har utformats så att det även kan användas i befintliga styrinstallationer med implementerade algoritmer som PID-styrenheter, vilket avsevärt ökar mångsidigheten och praktiska användbarheten av vår lösning.” förklarar Michał Frątczak, PhD Eng., från Schlesiens tekniska universitet.

Den fjärde etappen av projektet, som genomfördes i mitten av 2024, innebar att integrera de tidigare utvecklade lösningarna och utföra laboratorievalidering av hela systemet. Denna fas använde en virtuell driftsättningsmetod. Det möjliggjorde konsolidering av de metoder som utvecklats under steg 1—3 genom implementeringen av det avancerade styrenhetsfunktionsblocket och dess integration med digitala tvillingar skapade i SIMIT-ansökan. Som ett resultat utvecklades ett enhetligt autonomt styrsystem baserat på en Siemens S7-1500 PLC och en Edge-dator. Dess drift validerades framgångsrikt med hjälp av virtuella idrifttagningstekniker.

Slutresultatet av forskningsprojektet kommer att verifieras under den sista etappen, planerad till fjärde kvartalet 2024, då systemet kommer att testas under verkliga industriella driftsförhållanden.

Den Siemens SIMATIC ET200eco distribuerade I/O-moduler med IP69K skydd som används i projektet samlar in data från fältsensorer. Tack vare deras förmåga att arbeta utanför kontrollskåp kan de installeras direkt bredvid sensorer, vilket minskar kabelkraven. Deras förbättrade motståndskraft mot hårda miljöförhållanden gör dem särskilt lämpliga för livsmedels- och kemisk industri, där systemet är avsett att fungera. Stöd för IO-Link-protokollet ger standardiserad anslutning till ett brett utbud av fältenheter som redan kan installeras på kundplatser.

Lösningen innehåller också Field Data Enabler PN App, som transparent kan läsa data från IO-Link-enheter utan att behöva modifiera PLC-programmet. Detta ger en alternativ metod för att samla in processdata i systemet.

”Genom att använda detta tillvägagångssätt kräver integrationen med kundens faktiska installation inte störningar i ofta mycket komplexa och affärskritiska styrprogram eller behovet av att erhålla ytterligare godkännanden från maskintillverkare, vilket kan vara svårt att säkra. Detta koncept ger en stark grund och hög flexibilitet för systemet samtidigt som stabilitet och överensstämmelse med industriella tillämpningsstandarder säkerställs. tillägger Mirosław Kuligowski, försäljningsutvecklingschef på Siemens.

Driften av hela systemet verifierades med hjälp av digital tvillingteknik.

Effektiv drift av värmekonsumenter har en betydande inverkan på att förbättra energiprestandan för hela anläggningar och möjliggör också lägre produktionskostnader i industrianläggningar. Lösningen som utvecklats av teamet vid Schlesiens tekniska universitet, som använder programmerbara styrenheter och en IT-infrastruktur skräddarsydd för kundernas krav, kan stödja moderniseringen av många styrsystem som för närvarande fungerar på ett suboptimalt sätt.

”Processkontrollsystemet för värmeproduktion och distribution som utvecklats vid Schlesiens tekniska universitet använder IT-teknik för avancerad styrning, vilket gör det möjligt att optimera många aspekter relaterade till energiförbrukning och koldioxidutsläpp. Som ett resultat kan det avsevärt bidra till att överbrygga klyftan mellan industriell verklighet och Industry 4.0-teknik, samtidigt som användningen av Industrial Edge-plattformen säkerställer kontinuerlig och pålitlig drift.
sammanfattar Artur Nowocień från Siemens.