Conexión de control de procesos, CIP, HVAC y gestión de energía

Nov 10, 2023

Las calderas de hoy tienen economizadores de chimenea para evitar que el calor "suba por la chimenea". En cambio, se captura y se utiliza para otros fines de calefacción, como calefacción de espacios o precalentamiento de agua. Los sistemas de control de calderas de hoy pueden monitorear y enviar datos a otros controles de supervisión. Foto cortesía de Bill Nichols

A medida que la energía se vuelve más costosa y la calidad del producto y la seguridad alimentaria son cada vez más críticas, la integración de la gestión de la energía, la limpieza en el lugar (CIP), los controles ambientales y de procesos se vuelve más práctica y económica, ya que los controles digitales proporcionan la conexión entre estos sistemas, si no directamente, y luego haciéndolos disponibles en el mismo dispositivo para operadores y gerentes.

Este artículo analiza los beneficios potenciales de integrar la gestión de energía, el control de procesos y los sistemas HVAC en un sistema de toda la planta acoplado de forma flexible o estrecha que mejora la calidad del producto y también ahorra energía. Brinda algunos consejos prácticos sobre la integración de estos sistemas y lo que las instalaciones de alimentos o bebidas pueden esperar de esta unión de sistemas.

Para obtener opiniones neutrales sobre el tema, hablé con casas de ingeniería y empresas de A&E, que a menudo son las personas que tienen que hacer que todos estos sistemas dispares funcionen juntos, e incluso si no están conectados digitalmente, los operadores de las instalaciones deben coordinarlos fácilmente.

Por ejemplo, Grey Solutions, una empresa gris, recibió la llamada para integrar las salidas de los sistemas de gestión de edificios (BMS) en los controles de procesos para permitir tendencias e informes en tiempo real de los sistemas de edificios/servicios además de los datos de producción.

CRB ha implementado la medición de energía con respecto al suministro de medidores físicos para el consumo de energía eléctrica, el consumo de gas natural, el consumo de agua, la salida de desechos y el monitoreo de sistemas de servicios públicos mecánicos y de proceso, como vapor, agua enfriada/glicol enfriado y agua caliente para calefacción/glicol caliente. uso.

Los equipos de ingeniería de Stellar tienen experiencia en la integración de sistemas dentro de una instalación o en la conexión de instalaciones entre sí. Al igual que con la mayoría de las casas de ingeniería, son bastante independientes del sistema, por lo que no es probable que presionen los equipos de control de ningún proveedor, ya sea para la automatización de edificios o los controles de procesos.

Fundada en 1979, Spec Engineering, también una empresa gris, ha trabajado con grandes fabricantes de alimentos y alimentos para mascotas y tiene experiencia en la integración de todo tipo de sistemas, desde procesamiento hasta HVAC y CIP y sistemas de manejo de materiales. Este grupo de ingeniería trabaja con la automatización de varios proveedores de hardware.

Si bien ha habido cierto interés en integrar los sistemas de control de procesos con HVAC o BMS, el sistema clave de interés en la integración con los controles de procesos es CIP. Por supuesto, es posible que los sistemas de producción más antiguos no tengan CIP o, si lo tienen, el CIP puede operarse manualmente, lo que significa que los operadores deben recordar cambiar muchas válvulas específicas en la secuencia correcta. Hoy en día, las válvulas inteligentes a prueba de mezcla bajo la dirección del control de proceso y/o el sistema CIP pueden cambiar entre el modo de proceso y el de limpieza en cuestión de segundos, sin errores.

CIP es excelente para la velocidad y la eficiencia, pero la desventaja es que la línea de proceso está inactiva durante el período de tiempo que se usa el CIP, dice Andrew David Hager, ingeniero mecánico senior de BSME, PE, LEED-AP, CRB. Esto puede estar bien para algunos procesadores que tienen la capacidad de desconectar una línea de proceso. Para otros procesadores con operaciones de 24 horas, implementar CIP requerirá una segunda línea de proceso por redundancia o posiblemente una reducción en la salida del producto incluso con múltiples líneas en operación.

El interés en emplear la integración CIP ha existido durante algún tiempo, pero saber cómo integrar la información en las secuencias de control y medir los resultados es lo más importante, dice Brad Smith, director de desarrollo comercial/producto de Stellar. El CIP debe integrarse, ya que puede tener un impacto en las cargas de refrigeración de las instalaciones y provocar una carga falsa de la planta. "También puede mejorar la eficiencia de CIP agregando recuperación de calor residual y precalentamiento de agua potable", agrega Smith.

"Los sistemas CIP utilizan tres servicios públicos principales que tienen entradas de energía: vapor de la caldera, aire del compresor y electricidad del sistema de distribución de energía", dice Jonathan Malakoff, experto en sistemas líquidos en la materia, Spec Engineering. El aire utilizado para los controles de válvula y las posibles purgas de línea es un usuario de capacidad relativamente pequeña, y la electricidad para hacer funcionar las bombas de suministro de patines CIP suele ser un requisito bajo en comparación con el resto del equipo de la planta.

Sin embargo, dependiendo de los otros usuarios simultáneos de la caldera de la planta, los requisitos de vapor a corto plazo para calentar rápidamente grandes lotes de productos químicos de limpieza y enjuagues con agua a altas temperaturas podrían aumentar la demanda, dice Malakoff. Esto ocurre con mayor frecuencia en unidades de calderas más antiguas y pequeñas que pueden haber quedado pequeñas y en sistemas de tuberías de vapor que se han ampliado con el tiempo pero que tienen cabezales y ramales de planta de tamaño insuficiente o ineficientes. Debido a la naturaleza de las operaciones CIP, el programa CIP puede organizarse para que se realice en el segundo o tercer turno en las plantas cuando esos servicios públicos estén menos gravados y sean más costosos de operar. En consecuencia, las consideraciones de CIP pueden tener un efecto positivo en un programa general de administración de energía de la planta.

A medida que los costos de la energía continúan aumentando, los fabricantes de alimentos y bebidas analizan más de cerca estos gastos para obtener una ventaja competitiva crítica, dice Jeff Jendryk, vicepresidente de desarrollo comercial de Spec Engineering. La clave para reducir los gastos relacionados con la energía es comprender de dónde provienen y cuánto se consume. Con esta información, los fabricantes pueden gestionar de forma proactiva sus requisitos, mejorar el rendimiento de los sistemas y reducir costes.

"Actualmente estamos viendo más clientes que desean conocer el uso de servicios públicos por área de proceso principal o equipo, donde antes era más común ver solo el uso total del sitio, o incluso solo las cantidades de apalancamiento de las facturas mensuales", dice Drew Goodall, director de proceso, Soluciones grises. Los medidores de sucursal permiten que los sistemas de control recopilen la utilización de energía a un nivel más detallado y vinculen fácilmente esta información con los datos del sistema o del equipo. "Entonces podemos generar fácilmente informes instantáneos, diarios, semanales o mensuales que comparan el uso de energía por unidad de producción. Esta es una información invaluable para los equipos de operaciones y mantenimiento".

Las cargas de proceso y refrigeración generalmente representan la mayor parte del consumo de energía, por lo que es más sensato que compartan información de carga dinámica, dice Smith de Stellar.

Si bien CIP puede parecer costoso de implementar, a la larga puede pagarse solo. "CIP es un ahorro de tiempo", dice Hager de CRB. Si bien es costoso al principio, puede proporcionar una recuperación rápida con un tiempo de inactividad reducido y menos mano de obra, y puede disminuir los recursos necesarios.

Hager, sin embargo, destaca un punto importante: los sistemas HVAC de la planta durante CIP no funcionan como lo harían en condiciones normales de fabricación. Durante la limpieza y desinfección, los sistemas HVAC se encienden al 100 % de aire exterior para enjuagar las áreas con aire exterior mientras el personal trabaja para limpiar y desinfectar. Esto requiere una cantidad significativa de energía para el sistema HVAC, especialmente cuando se completa el proceso de limpieza y desinfección, y el sistema HVAC tiene que funcionar a plena capacidad para que el entorno del área vuelva a ser un entorno de fabricación controlado.

Entonces, ¿qué aplicaciones pueden beneficiarse de la integración de CIP, HVAC y sistemas ambientales? Goodall de Grey Solutions lo resume: Las aplicaciones con sistemas intensivos de calefacción, refrigeración y otros sistemas de transferencia de aire, en cualquier lugar donde se requiera un intercambio de medios de servicios públicos fuera de la envolvente del edificio, así como cualquier proceso con una utilización rigurosa de agua y aguas residuales, se benefician de la gestión de la energía. e integración de control de procesos. La fabricación de alimentos para mascotas es un gran ejemplo, ya que es un proceso que consume mucha energía para cocinar, enfriar y, a veces, congelar grandes cantidades de productos en períodos cortos de tiempo y luego limpiar todo rápidamente.

Si tiene sistemas más antiguos, debe preguntarse si es práctico actualizar estos sistemas antes de poder integrarlos, ya que probablemente necesitarán sensores, controladores y equipos de E/S asociados. Entonces, ¿cómo haría un estudio de costo-beneficio para determinar el ROI?

Algunos sistemas son simplemente tan antiguos y obsoletos que deben actualizarse de todos modos, dice Smith de Stellar. Sin embargo, si la actualización se basa en su capacidad de integración, entonces se reduce a la cantidad de equipos conectados al sistema y el impacto que tiene en el consumo total de energía. "Personalmente, no soy partidario de la integración gradual, ya que la integración puede volverse compleja y difícil de mantener para las generaciones futuras", dice Smith.

Los sistemas más antiguos se pueden integrar o actualizar hasta cierto punto con respecto a los equipos de línea y los sistemas HVAC, dice Hager de CRB. Las integraciones eventualmente conducirán a un punto de rendimiento decreciente, donde el dinero gastado no justifica la ganancia mínima que se obtiene. Es entonces cuando llega el momento de reemplazar el equipo y/o reemplazar la línea completa (incluso en construcciones nuevas) para aprovechar los avances logrados en nuevas tecnologías, materiales y prácticas.

Suponga que desea configurar un programa de monitoreo de energía y que es necesario integrar sistemas para lograrlo. Sin embargo, la integración de sistemas va más allá de los equipos; la gente también está involucrada. "El primer paso es establecer una meta realista", dice Jendryk de Spec Engineering. "Identifique y controle sus procesos y equipos, analice sus resultados y continúe mejorando. El personal deberá recibir capacitación sobre cómo evaluar oportunidades potenciales y realizar mejoras". Será necesario identificar los alcances del proyecto, y establecer un plan de ejecución también es un paso crítico para tener éxito. Al establecer un programa de monitoreo de energía, es importante establecer líneas de base y métricas para rastrear los resultados.

Las soluciones típicas comienzan con el desarrollo de un documento común para delinear las soluciones de hardware y software convencionales deseadas para producir el estado final, dice Goodall de Grey Solutions. Una vez que se completa y cotiza un diseño, ciertos elementos pueden eliminarse o cambiarse a una implementación por etapas para cumplir con los requisitos presupuestarios. Debido a los rápidos avances tecnológicos, a menudo no tiene sentido integrar un sistema o una tecnología más antigua (es decir, que ya no es compatible con el OEM) en una nueva solución. El costo-beneficio o ROI generalmente está vinculado a la reasignación de personal, mayor rendimiento de producción o ahorros de energía logrados a través de un control/monitoreo más estricto.

¿Es más fácil la integración en un sitio greenfield?

Tanto las instalaciones nuevas como las antiguas pueden beneficiarse de la integración, dice Jendryk. Dependiendo de la antigüedad de los sistemas actuales, a menudo se encuentran mayores retornos de la inversión en instalaciones más antiguas.

Afortunadamente, la integración se puede implementar en cualquier instalación, operaciones nuevas o existentes, dice Goodall. Las nuevas instalaciones permiten una puesta en marcha una sola vez, donde las actualizaciones se pueden realizar gradualmente para que se pongan en línea durante el tiempo de inactividad de rutina.

La cuestión de si la integración es más adecuada para un sitio completamente nuevo probablemente esté en la mente de los operadores y gerentes de las instalaciones y de los gerentes de producción corporativos constantemente, dice Hager. "¿Cuándo es el mejor momento para actualizar versus el mejor momento para construir uno nuevo?" Es un pensamiento del día a día para al menos alguien de cada grupo. La respuesta tiene que ver con el riesgo y la recompensa: hacer lo correcto en el momento correcto y siempre mirar hacia adelante y planificar con anticipación. La innovación seguirá mejorando las prácticas, lo que a su vez impulsa más innovación. La "necesidad" es lo primero porque todos requerimos una "necesidad" para demostrar que se requiere un cambio.

Si bien la integración es más fácil cuando se comienza desde cero en un sitio completamente nuevo, lo más importante, como señala Hager, es que la administración debe determinar sus necesidades y requisitos. "Si no es un requisito de diseño, probablemente no sucederá", dice Smith. Las especificaciones a menudo requerirán varios sistemas para comunicarse con el equipo de otro proveedor, pero no van lo suficientemente lejos al detallar el propósito de la conexión. En estas situaciones, la conexión física puede completarse sin ningún intercambio de datos. El uso de la misma empresa para múltiples aplicaciones de control, como procesos, refrigeración y HVAC, puede mejorar la integración y la información que se comparte.

Si bien los proveedores de equipos de control/automatización de procesos conocen bien sus sistemas, y los proveedores de HVAC también son capaces, parecería que se necesitaría una amplia gama de experiencia para unir los sistemas para un flujo de datos fluido y obtener información procesable. Entonces, ¿los proveedores están a la altura de la tarea o es mejor dejarlo en manos de los integradores de sistemas (SI)?

"Todo depende del nivel de experiencia de la empresa", dice Jendryk de Spec Solutions. Los sistemas HVAC son cada vez más complejos con la necesidad de especialización. A medida que la tecnología y el diseño de HVAC continúan volviéndose más sofisticados, es importante hacer un uso efectivo de todos los datos disponibles. Los sistemas se están diseñando con iluminación, medición de energía, HVAC y otros sistemas de construcción para tomar decisiones efectivas sobre el sistema de administración de edificios.

"Considere oportunidades para probar integraciones y medir el rendimiento en un entorno de menor escala".

—Andrew David Hager, ingeniero mecánico sénior, CRB

Goodall de Gray Solutions sugiere que la integración de extremo a extremo suele estar mejor atendida por los SI, ya que brindan una solución independiente del proveedor y deben tener experiencia en muchas plataformas diferentes. Sin embargo, los sistemas a nivel de operación unitaria pueden ser mejor atendidos por un proveedor OEM.

El proceso de integración puede ser realizado por integradores de sistemas o proveedores, pero deben tener la experiencia para saber qué hacer con la información, permitiendo secuencias de operación para incorporar los datos, dice Smith de Stellar. Esto se reduce a una experiencia individual o de equipo involucrada en un proyecto y el presupuesto del proyecto.

La integración se realiza mejor con un equipo integrado: diseñadores que trabajan tanto con proveedores como con integradores de sistemas, dice Hager de CRB. "Los proveedores serían inteligentes si tuvieran integradores de sistemas en el personal y como un servicio para los controles que venden. Muchas veces, he usado integradores de sistemas en el desarrollo del diseño que también venden los controles, y sí, les he pagado por este servicio de la misma manera que Pagaría por un servicio de subcontratista. Los integradores no siempre ganan la licitación de los controles".

Mucha gente dirá que hay que tener "mucho cuidado" con los integradores de sistemas que también venden controles porque existe una supuesta desconfianza de que falte algo que sólo el integrador sabía, dice Hager. Establezca las expectativas temprano y mantenga la atención en los entregables. A nadie le hace daño tener una revisión y un comentario de un tercero con respecto al diseño del enfoque, la capacidad y la disciplina.

No hay necesidad de volverse loco y asumir un proyecto que es tan grande que podría fallar. "Considere oportunidades para probar integraciones y medir el rendimiento en un entorno de menor escala", dice Hager. Un procesador en el Medio Oeste está utilizando los últimos avances a pequeña escala, aprovechando los equipos y la tecnología más nuevos de los fabricantes de equipos. Una vez probado, la empresa amplía la operación en nuevas instalaciones o actualizando una instalación existente según el retorno de la inversión.

"Tenemos mucha experiencia en la integración de calor residual recuperado del proceso de refrigeración en sistemas HVAC o precalentamiento de agua de la ciudad para sistemas CIP", dice Smith de Stellar. En este modelo de productor-consumidor, el sistema de refrigeración se convierte en el "productor" de calor residual y los sistemas HVAC o CIP se convierten en el "consumidor" de calor residual. Esencialmente, el sistema HVAC se convierte en un enfriador de líquido y ahorra energía, productos químicos y agua. Al hacer que el HVAC consuma el calor residual, bajo ciertas circunstancias puede aumentar la calidad del aire interior al traer más aire fresco del que normalmente se permitiría. También reduce el tiempo de ejecución del equipo y el consumo de energía al no operar el sistema de condensación y reduce el consumo de químicos al reducir el uso de agua.

Requiere integración en el lado mecánico entre los equipos de refrigeración y HVAC y, en el mejor de los casos, un solo proveedor de automatización que maneje el sistema de control completo. "Hemos trabajado tanto con aplicaciones totalmente nuevas como modernizadas para este tipo de aplicaciones", dice Smith.

A medida que los consultores y los usuarios finales entiendan mejor los beneficios de la integración, será cada vez más común ver dichos requisitos de integración detallados, dice Smith. El aumento de los costos de la energía y el paso a soluciones más ecológicas eventualmente exigirán mejores soluciones integradas.

Jendryk ve importantes mejoras en la tecnología HVAC, de modo que se centrará en la sostenibilidad, la automatización y los datos procesables.

"De cara al futuro, creemos que la supervisión mejorada de los sistemas de gestión de edificios y los sistemas de servicios públicos se convertirá en parte de este proceso", dice Goodall. Los sensores inalámbricos permiten recolectar aún más datos en sucursales, puntos o ubicaciones de sistemas remotos para permitir el monitoreo en tiempo real de los datos de procesos y servicios públicos. Cuando se combinan con el aprendizaje automático, los sistemas de control pueden predecir la pérdida de energía y permitir que se aborde antes de que haya un problema.

Los datos adicionales proporcionados por los nuevos sistemas de monitoreo permiten que un sistema o análisis de brechas del sitio se complete de manera más fácil y efectiva, agrega Goodall. Este análisis permite a los ingenieros encontrar sistemas operativos subóptimos o emparejar fuentes de energía de desecho con el usuario más sensato para ser cosechadas o recuperadas antes de perderse.

La integración de los sistemas existentes siempre será parte de la ecuación porque, al principio, las actualizaciones son menos costosas que construir nuevas plantas, dice Hager. Sin embargo, existen limitaciones en cuanto a la cantidad de actualizaciones que se pueden realizar. El futuro de la integración de los sistemas electromecánicos, de control de procesos y HVAC de la planta consistirá en diseñar la acomodación de las actualizaciones en el desarrollo del diseño para que los fabricantes puedan ampliar su capacidad de actualización con el tiempo. En todas las cosas, plan para la flexibilidad y la expansión.