Zrównoważone i efektywne

Nic nie może działać bez energii. Dlatego tak ważne jest pozyskiwanie jej ze źródeł zrównoważonych ekologicznie oraz zapewnienie jej maksymalnej efektywności. Koncepcje sterowania modelowego umożliwiają obecnie lepsze wykorzystanie urządzeń w małych i średnich instalacjach spalania biomasy.

Energia jest jednym z najcenniejszych dóbr, a w ostatnich miesiącach mogliśmy się przekonać, jak bardzo zależy od niej nasze codzienne życie. Poszukując rozwiązania problemu rosnących kosztów i uzależnienia od paliw kopalnych kierujemy naszą uwagę w stronę energii odnawialnej. Zrównoważona ekologicznie energia nie tylko chroni nasze środowisko, ale jest też łatwo dostępna w różnych formach na całym świecie.

Oprócz trzech głównych jej źródeł – wiatru, wody i słońca – przyjaznym dla środowiska sposobem wytwarzania energii jest spalanie biomasy. Jednym z największych problemów operatorów elektrowni wykorzystujących biomasę jest efektywność: jaka część tego, co trafia do procesu, opuszcza go w postaci użytecznej energii? Operatorzy są ponadto zobowiązani do zmniejszania ilości zanieczyszczeń emitowanych przez ich zakłady. Warunkiem osiągnięcia obu tych celów jest idealne dostosowanie procesu spalania do wykorzystywanych materiałów.

Tym właśnie zajmuje się austriacka firma Seamtec specjalizująca się w dziedzinie innowacyjnych technologii sterowania. „Pomagamy operatorom ciepłowni optymalizować ich systemy i poprawiać wydajność” – wyjaśnia założyciel i dyrektor generalny Seamtec, Peter Reiter. „Osiągamy to dzięki holistycznemu podejściu, które obejmuje instalację elektryczną i system sterowania, kocioł, a także kontrolę procesu spalania i sieci zasilającej. Ponadto integrujemy systemy konsumenckie z siecią zasilającą za pomocą niestandardowej technologii telesterowania.”

Zwłaszcza w mniejszych instalacjach wykorzystujących biomasę konwencjonalne podejście nadal polega na regulacji parametrów, takich jak ciśnienie i temperatura, za pomocą regulatorów proporcjonalno-różniczkująco-całkujących (PID). Ich wykorzystanie do ustawiania parametrów w dużym stopniu opiera się na przyjętych założeniach i stosowaniu ogólnych zdroworozsądkowych zasad. „W rezultacie powstają pętle sterowania, które są zasadniczo stabilne, ale nieoptymalne” – wyjaśnia Reiter. „Na proces spalania wpływa wiele różnych współzależnych zmiennych. Nie ma sposobu, aby odzwierciedlić tę złożoność za pomocą regulatora PID”.

Poszukując nowych rozwiązań, które pozwoliłyby jeszcze bardziej zwiększyć efektywność małych i średnich instalacji spalania biomasy, firma Seamtec zainspirowała się przykładem ich większych odpowiedników. „Tam sterowanie modelowe jest już stosowane z dużym powodzeniem” – zapewnia Reiter.

W systemie o wielu zmiennych, takim jak instalacja spalania, klasyczne regulatory PID dają w najlepszym razie mierne wyniki. „Rzeczywiste wartości podlegają silnym wahaniom i mogą znacznie odbiegać od pożądanych wartości docelowych” – wyjaśnia Reiter. „Zmusza to do ustalania bardzo konserwatywnych wartości docelowych.” W przypadku sterowania modelowego odchylenie między wartościami docelowymi a rzeczywistymi jest bardzo małe. „Można ustawić wartości docelowe znacznie bliżej limitów systemu i sprawić, że cały proces będzie znacznie bardziej efektywny” – twierdzi Reiter.

Wdrożenie sterowania modelowego wymaga zazwyczaj znacznie więcej czasu i wysiłku niż w przypadku rozwiązania z regulatorami PID. Do tej pory mniejsze zakłady nie uzyskiwały na tyle dużego zwrotu z tej dodatkowej inwestycji w zasoby rozwojowe, aby była ona opłacalna. „Naszym celem było znalezienie sposobu na opłacalne wdrożenie sterowania opartego na modelu w mniejszych instalacjach, o mocy od kilkuset kilowatów do kilku megawatów” – wyjaśnia Reiter.

Jako partnera do realizacji tego pomysłu Seamtec wybrał firmę B&R. „Odnieśliśmy wiele sukcesów dzięki naszej bliskiej współpracy z B&R, zapoczątkowanej w 2009 roku. Kiedy po raz pierwszy zwróciliśmy się do nich z tym projektem, szybko stało się jasne, że narzędzie MATLAB/Simulink zintegrowane z ich środowiskiem programistycznym jest dokładnie tym, czego potrzebujemy” – wspomina Reiter. „Od razu wiedzieliśmy, że B&R będzie naszym partnerem z wyboru również w przypadku tego projektu.”

Korzystając z systemu testowego, inżynierowie z obu firm pracowali wspólnie nad koncepcją sterowania dla Seamtec. Reiter wspomina: „Droga do ostatecznego projektu nie zawsze była prosta, ale dzięki wsparciu B&R udało nam się pokonać wszystkie przeszkody, które pojawiły się po drodze. Nasza firma, choć stosunkowo nieduża, otrzymała pierwszorzędne wsparcie, które pozwalało nam w każdym przypadku szybko znaleźć rozwiązanie.”

Rozwiązanie sterowania oparte na MATLAB/Simulink składa się z modułów odpowiednich dla każdego z procesów zachodzących w instalacji spalania biomasy. Inżynierowie Seamtec zaczynają od dokładnego zaznajomienia się z procesem w instalacji i odwzorowania go w sposób maksymalnie zgodny z rzeczywistym przebiegiem w systemie Simulink. Pozwala to zaprojektować dostosowany do danej instalacji algorytm sterowania, który można testować i precyzyjnie regulować w procesie symulacji.

Modułowy system sterowania firmy Seamtec oparty jest na sprzęcie i oprogramowaniu B&R. Narzędzie inżynierskie Automation Studio firmy B&R posiada B&R Simulink Target – zintegrowany interfejs, który umożliwia inżynierom importowanie algorytmu sterowania za pomocą zaledwie kilku kliknięć.

Jedną z największych zalet sterowania modelowego jest możliwość przeprowadzenia wszystkich testów w procesie symulacji, co pozwala wykryć błędy na wczesnym etapie, kiedy ich usunięcie jest tańsze i łatwiejsze. Nie trzeba już przeprowadzać testów na rzeczywistym systemie, ryzykując uszkodzenie drogiego sprzętu. Tę samą metodę można zastosować do precyzyjnego regulowania wszystkich parametrów procesu. Automatyczne generowanie kodu znacznie zmniejsza wysiłek związany z programowaniem.

Firma Seamtec zademonstrowała możliwości sterowania modelowego w przypadku mniejszych instalacji grzewczych – na przykład ciepłowni miejskiej z trzema równoległymi pompami: „Wdrożyliśmy system łączenia pomp, który włącza jedną, dwie lub wszystkie trzy pompy, aby zapewnić ich optymalną pracę” – wyjaśnia Reiter. „Pozwoliło to zmaksymalizować sprawność instalacji w odpowiednim zakresie, przy jednoczesnym zminimalizowaniu strat energii.”

Seamtec dostrzega potencjalne korzyści płynące ze sterowania modelowego również w innych zrównoważonych ekologicznie metodach wytwarzania energii. „Otrzymaliśmy wiele interesujących zapytań z sektora energetyki wodnej” – zauważa Reiter. „To kolejny obszar, w którym sterowanie modelowe byłoby jak najbardziej na miejscu.”

Tematyka zrównoważonego rozwoju i rozwiązań pozwalających na bardziej świadome korzystanie z zasobów jest głównym priorytetem firmy Seamtec od momentu jej założenia w 2009 roku. „Bliskie jest nam wszystko, co dotyczy Ziemii, przyrody, regionu i ludzi. Poprawa ich stanu na drodze zrównoważonego rozwoju wymaga inteligencji i wiedzy specjalistycznej. Wartości te stale motywują nas do poszukiwania sposobów optymalizacji instalacji pod kątem zrównoważonego wytwarzania energii” – podsumowuje Reiter.

Autor: Carola Schwankner, redaktor działu komunikacji korporacyjnej B&R