Connecter le contrôle de processus, CIP, HVAC et la gestion de l'énergie

Nov 10, 2023

Les chaudières d'aujourd'hui ont des économiseurs de cheminée pour empêcher la chaleur de "remonter la cheminée". Au lieu de cela, il est capté et utilisé à d'autres fins de chauffage, comme le chauffage des locaux ou le préchauffage de l'eau. Les systèmes de contrôle de chaudière peuvent aujourd'hui surveiller et envoyer des données à d'autres contrôles de supervision. Photo gracieuseté de Bill Nichols

Alors que l'énergie devient plus coûteuse et que la qualité des produits et la sécurité alimentaire deviennent de plus en plus critiques, l'intégration de la gestion de l'énergie, du nettoyage en place (NEP), des contrôles des processus et de l'environnement devient plus pratique et économique car les contrôles numériques assurent la liaison entre ces systèmes, sinon directement, puis en les mettant à disposition sur le même appareil pour les opérateurs et les managers.

Cet article examine les avantages potentiels de l'intégration de systèmes de gestion de l'énergie, de contrôle de processus et de CVC dans un système à l'échelle de l'usine faiblement ou étroitement couplé qui améliore la qualité des produits et économise également de l'énergie. Il fournit des indications pratiques sur l'intégration de ces systèmes et sur ce que les établissements de restauration peuvent attendre de cette liaison entre les systèmes.

Pour obtenir des opinions neutres sur le sujet, j'ai parlé avec des maisons d'ingénierie et des entreprises A&E qui sont souvent les personnes qui doivent faire fonctionner ensemble tous ces systèmes disparates, et même s'ils ne sont pas connectés numériquement, ils doivent toujours être facilement coordonnés par les opérateurs des installations.

Par exemple, Grey Solutions, une société grise, a été appelée à intégrer les sorties des systèmes de gestion des bâtiments (BMS) dans les contrôles de processus pour permettre des tendances et des rapports en temps réel sur les systèmes de construction/utilitaires en plus des données de production.

CRB a mis en place des compteurs d'énergie en ce qui concerne la fourniture de compteurs physiques pour la consommation d'électricité, la consommation de gaz naturel, la consommation d'eau, la production de déchets et la surveillance des systèmes d'utilités mécaniques et de processus tels que la vapeur, l'eau réfrigérée/le glycol réfrigéré et le chauffage de l'eau chaude/le glycol chaud. usage.

Les équipes d'ingénierie de Stellar ont de l'expérience dans l'intégration de systèmes au sein d'une installation ou dans la connexion d'installations entre elles. Comme la plupart des maisons d'ingénierie, elles sont assez indépendantes du système, elles ne sont donc pas susceptibles de pousser l'équipement de contrôle d'un fournisseur, que ce soit pour l'automatisation des bâtiments ou les contrôles de processus.

Fondée en 1979, Spec Engineering, également une société grise, a travaillé avec de grands fabricants d'aliments et d'aliments pour animaux de compagnie et a de l'expérience dans l'intégration de toutes sortes de systèmes, du traitement aux systèmes de CVC et CIP et de manutention. Ce groupe d'ingénierie travaille avec l'automatisation de plusieurs fournisseurs de matériel.

Bien qu'il y ait eu un certain intérêt pour l'intégration des systèmes de contrôle de processus avec HVAC ou BMS, le système clé d'intérêt pour l'intégration avec les contrôles de processus est le CIP. Bien sûr, les systèmes de production plus anciens peuvent ne pas avoir de CIP, ou s'ils en ont, le CIP peut être actionné manuellement, ce qui signifie que les opérateurs doivent se rappeler de commuter un grand nombre de vannes spécifiques dans le bon ordre. Aujourd'hui, les vannes anti-mélange intelligentes sous la direction du contrôle de processus et/ou du système CIP peuvent effectuer le changement entre le processus et le mode de nettoyage en quelques secondes, sans erreur.

Le CIP est excellent pour la vitesse et l'efficacité, mais l'inconvénient est que la chaîne de traitement est en panne pendant la période d'utilisation du CIP, explique Andrew David Hager, BSME, PE, LEED-AP, ingénieur mécanique principal CRB. Cela peut convenir à certains transformateurs qui ont la capacité de supprimer une ligne de traitement. Pour les autres processeurs fonctionnant 24 heures sur 24, la mise en œuvre du CIP nécessitera une deuxième ligne de traitement pour la redondance ou éventuellement une réduction de la production de produit même avec plusieurs lignes en fonctionnement.

L'intérêt d'utiliser l'intégration CIP existe depuis un certain temps, mais savoir comment intégrer les informations dans les séquences de contrôle et mesurer les résultats est le plus important, déclare Brad Smith, directeur du développement commercial/produit de Stellar. Le CIP doit être intégré car il peut avoir un impact sur les charges de réfrigération de l'installation et provoquer une fausse charge de l'installation. "Vous pouvez également améliorer l'efficacité du CIP en ajoutant la récupération de la chaleur perdue et le préchauffage de l'eau potable", ajoute Smith.

"Les systèmes CIP utilisent trois principaux utilitaires qui ont des apports d'énergie : la vapeur de la chaudière, l'air du compresseur et l'électricité du système de distribution d'énergie", explique Jonathan Malakoff, expert en la matière des systèmes liquides, Spec Engineering. L'air utilisé pour les commandes des vannes et les éventuelles purges de ligne est un utilisateur de capacité relativement faible, et l'électricité pour faire fonctionner les pompes d'alimentation des skids CIP est généralement une faible exigence par rapport au reste de l'équipement de l'usine.

Cependant, selon les autres utilisateurs simultanés de la chaudière de l'usine, les besoins en vapeur à court terme pour chauffer rapidement de grandes quantités de produits chimiques de nettoyage et de rinçage à l'eau à des températures élevées pourraient faire grimper la demande, explique Malakoff. Cela se produit plus fréquemment dans les chaudières plus anciennes et plus petites qui peuvent avoir été dépassées et dans les systèmes de tuyauterie de vapeur qui ont été agrandis au fil du temps mais qui ont des collecteurs et des branches d'usine sous-dimensionnés ou inefficaces. En raison de la nature des opérations CIP, le calendrier CIP peut être organisé pour se produire sur les deuxième ou troisième équipes dans les usines lorsque ces services publics sont moins taxés et coûteux à exploiter. Par conséquent, les considérations CIP peuvent avoir un effet positif sur un programme global de gestion de l'énergie de l'usine.

Alors que les coûts de l'énergie continuent d'augmenter, les fabricants d'aliments et de boissons cherchent de plus près à contrôler ces dépenses afin d'obtenir un avantage concurrentiel essentiel, déclare Jeff Jendryk, vice-président du développement commercial, Spec Engineering. La clé pour réduire les dépenses liées à l'énergie est de comprendre d'où elles viennent et quelle quantité est consommée. Grâce à ces informations, les fabricants peuvent gérer de manière proactive leurs besoins, améliorer les performances des systèmes et réduire les coûts.

« Nous constatons actuellement que de plus en plus de clients souhaitent connaître l'utilisation des services publics par zone de processus ou équipement majeur, alors qu'auparavant, il était plus courant de ne voir que l'utilisation totale du site, ou même de tirer parti uniquement des quantités des factures mensuelles », déclare Drew Goodall, directeur des processus, Solutions grises. Les compteurs de branche permettent aux systèmes de contrôle de collecter l'utilisation de l'énergie à un niveau plus détaillé et de relier facilement ces informations aux données de fonctionnement du système ou de l'équipement. "Nous pouvons alors facilement générer des rapports instantanés, quotidiens, hebdomadaires ou mensuels comparant la consommation d'énergie par unité de production. Il s'agit d'informations inestimables pour les équipes d'exploitation et de maintenance."

Les charges de réfrigération et de processus représentent généralement la majorité de la consommation d'énergie, il est donc plus logique de les faire partager des informations de charge dynamiques, déclare Stellar's Smith.

Bien que le CIP puisse sembler coûteux à mettre en œuvre, à long terme, il peut s'autofinancer. "CIP est un gain de temps", déclare Hager de CRB. Bien que coûteux au premier coût, il peut fournir un retour sur investissement rapide avec des temps d'arrêt réduits et moins de main-d'œuvre, et peut réduire les ressources nécessaires.

Hager, cependant, fait une remarque importante : les systèmes HVAC de l'usine pendant le CIP ne fonctionnent pas comme ils le feraient dans des conditions de fabrication normales. Pendant le nettoyage et la désinfection, les systèmes CVC sont tournés vers l'air extérieur à 100 % pour rincer les zones avec de l'air extérieur pendant que le personnel travaille à nettoyer et à désinfecter. Cela nécessite une énergie importante pour le système HVAC, en particulier lorsque le processus de nettoyage et de désinfection est terminé, et le système HVAC doit fonctionner à pleine capacité pour ramener l'environnement de la zone dans un environnement de fabrication contrôlé.

Alors, quelles applications peuvent bénéficier de l'intégration des systèmes CIP, HVAC et environnementaux ? Goodall de Gray Solutions le résume : les applications avec chauffage intensif, refroidissement et autres systèmes de transfert d'air - partout où un échange de fluides utilitaires à l'extérieur de l'enveloppe du bâtiment est nécessaire - ainsi que tous les processus avec une utilisation rigoureuse de l'eau et des eaux usées, bénéficient de la gestion de l'énergie et l'intégration du contrôle de processus. La fabrication d'aliments pour animaux de compagnie en est un excellent exemple, car il s'agit d'un processus énergivore pour cuire, refroidir et, parfois, congeler de grandes quantités de produits en peu de temps, puis tout nettoyer rapidement.

Si vous avez des systèmes plus anciens, vous devez vous demander s'il est pratique de mettre à niveau ces systèmes avant de pouvoir les intégrer, car ils auront probablement besoin de capteurs, de contrôleurs et d'équipements d'E/S associés. Alors, comment feriez-vous une étude coûts-avantages pour déterminer le retour sur investissement ?

Certains systèmes sont tout simplement si anciens et obsolètes qu'ils devraient être mis à niveau malgré tout, déclare Stellar's Smith. Cependant, si la mise à niveau est basée sur sa capacité à être intégrée, cela dépend de la quantité d'équipements connectés au système et de l'impact que cela a sur la consommation d'énergie globale. "Personnellement, je ne suis pas partisan de l'intégration au coup par coup, car l'intégration peut devenir complexe et difficile à maintenir pour les générations futures", déclare Smith.

Les systèmes plus anciens peuvent être intégrés ou mis à jour jusqu'à un certain point en ce qui concerne l'équipement de ligne et les systèmes CVC, explique Hager du CRB. Les intégrations finiront par conduire à un point de rendement décroissant, où l'argent dépensé ne justifie pas le gain minimal réalisé. C'est alors qu'il est temps de remplacer l'équipement et/ou le remplacement complet de la ligne (même une nouvelle construction) pour profiter des progrès réalisés dans les nouvelles technologies, matériaux et pratiques.

Supposons que vous souhaitiez mettre en place un programme de surveillance énergétique et que l'intégration de systèmes soit nécessaire pour y parvenir. L'intégration des systèmes, cependant, va au-delà de l'équipement ; les gens sont aussi impliqués. "La première étape consiste à se fixer un objectif réaliste", explique Jendryk de Spec Engineering. "Identifiez et surveillez vos processus et équipements, analysez vos résultats et continuez à vous améliorer. Le personnel devra être formé sur la manière d'évaluer les opportunités potentielles et d'apporter des améliorations." Les portées du projet devront être identifiées, et la mise en place d'un plan d'exécution est également une étape essentielle pour réussir. Lors de l'établissement d'un programme de surveillance de l'énergie, la mise en place de lignes de base et de mesures est importante pour suivre les résultats.

Les solutions typiques commencent par l'élaboration d'un document commun pour décrire les solutions matérielles et logicielles conventionnelles souhaitées pour produire l'état final, explique Goodall de Gray Solutions. Une fois qu'une conception est terminée et tarifée, certains éléments peuvent être supprimés ou déplacés vers une mise en œuvre progressive pour répondre aux exigences budgétaires. En raison des progrès rapides de la technologie, il n'est souvent pas judicieux d'intégrer un système ou une technologie plus ancien (c'est-à-dire un système ou une technologie qui n'est plus pris en charge par les FEO) dans une nouvelle solution. La rentabilité ou le retour sur investissement est généralement lié à la réaffectation du personnel, à l'augmentation du débit de production ou aux économies d'énergie réalisées grâce à un contrôle/une surveillance plus stricts.

L'intégration est-elle plus facile dans un site vierge ?

Les installations nouvelles et anciennes peuvent bénéficier de l'intégration, dit Jendryk. Selon l'âge des systèmes actuels, des retours sur investissement plus importants sont souvent constatés sur des installations plus anciennes.

Heureusement, l'intégration peut être mise en œuvre dans n'importe quelle installation, nouvelle ou existante, explique Goodall. Les nouvelles installations permettent un démarrage ponctuel, où les rénovations peuvent être échelonnées pour être mises en ligne pendant les temps d'arrêt de routine.

La question de savoir si l'intégration est plus adaptée à un site vierge est probablement constamment dans l'esprit des exploitants d'installations, des responsables et des responsables de la production d'entreprise, déclare Hager. "Quel est le meilleur moment pour mettre à niveau par rapport au meilleur moment pour construire de nouveaux ?" C'est une pensée quotidienne à au moins quelqu'un dans chaque groupe. La réponse est une question de risque et de récompense : faire la bonne chose au bon moment, toujours regarder vers l'avenir et planifier à l'avance. L'innovation continuera d'améliorer les pratiques, ce qui à son tour stimulera l'innovation. Le « besoin » vient en premier parce que nous avons tous besoin d'un « besoin » afin de démontrer qu'un changement est nécessaire.

Alors que l'intégration est plus facile lorsqu'on part de zéro dans un site vierge, le plus important, comme le souligne Hager, est que la direction doit déterminer ses besoins et ses exigences. "Si ce n'est pas une exigence de conception, cela n'arrivera probablement pas", déclare Smith. Les spécifications exigent souvent que divers systèmes communiquent avec l'équipement d'un autre fournisseur, mais elles ne détaillent pas assez l'objectif de la connexion. Dans ces situations, la connexion physique peut être complète sans aucun échange de données. L'utilisation de la même société pour plusieurs applications de contrôle telles que les processus, la réfrigération et le CVC peut améliorer l'intégration et le partage des informations.

Alors que les fournisseurs d'équipements de contrôle/d'automatisation de processus connaissent bien leurs systèmes et que les fournisseurs de CVC sont également capables, il semblerait qu'une large gamme d'expérience soit nécessaire pour lier les systèmes ensemble afin de fluidifier le flux de données et d'obtenir des informations exploitables. Alors, les fournisseurs sont-ils à la hauteur de la tâche, ou vaut-il mieux laisser la tâche aux intégrateurs de systèmes (IS) ?

"Tout dépend du niveau d'expérience de l'entreprise", explique Jendryk de Spec Solutions. Les systèmes CVC deviennent de plus en plus complexes avec le besoin de spécialisation. Alors que la technologie et la conception CVC deviennent de plus en plus sophistiquées, il est important d'utiliser efficacement toutes les données disponibles. Des systèmes sont conçus avec l'éclairage, la mesure de l'énergie, le CVC et d'autres systèmes de bâtiment pour prendre des décisions efficaces en matière de système de gestion de bâtiment.

"Envisagez les opportunités de tester les intégrations et d'évaluer le retour dans un environnement à plus petite échelle."

—Andrew David Hager, ingénieur mécanique principal, CRB

Goodall de Gray Solutions suggère que l'intégration de bout en bout est généralement mieux servie par les IS car ils fournissent une solution indépendante du fournisseur et devraient avoir une expertise sur de nombreuses plates-formes différentes. Cependant, les systèmes au niveau de l'unité d'exploitation peuvent être mieux servis par un fournisseur OEM.

Le processus d'intégration peut être effectué par des intégrateurs de systèmes ou des fournisseurs, mais ils doivent avoir l'expertise pour savoir quoi faire avec les informations, permettant des séquences d'opérations pour incorporer les données, explique Stellar's Smith. Cela se résume à une expérience individuelle ou d'équipe impliquée dans un projet et un budget de projet.

L'intégration est mieux réalisée par une équipe intégrée - des concepteurs travaillant avec des fournisseurs et des intégrateurs de systèmes, explique Hager du CRB. "Les fournisseurs seraient avisés d'avoir des intégrateurs système parmi leur personnel et en tant que service pour les commandes qu'ils vendent. J'ai souvent utilisé des intégrateurs système dans le développement de la conception qui vendent également les commandes, et oui, je les ai payés pour ce service tout comme Je paierais un service de sous-traitance. Les intégrateurs ne remportent pas toujours l'appel d'offres pour les contrôles.

Beaucoup de gens diront qu'il faut être "très prudent" avec les intégrateurs de systèmes qui vendent également des commandes parce qu'il y a une méfiance supposée à l'égard de quelque chose qui manque et que seul l'intégrateur connaissait, dit Hager. Définissez les attentes tôt et concentrez-vous sur les livrables. Cela ne fait de mal à personne d'avoir un examen et des commentaires d'un tiers concernant l'approche, la capacité et la conception de la discipline.

Il n'est pas nécessaire de se déchaîner et d'entreprendre un projet si gros qu'il pourrait échouer. "Envisagez les opportunités de tester les intégrations et d'évaluer le rendement dans un environnement à plus petite échelle", déclare Hager. Un transformateur du Midwest utilise les dernières avancées à petite échelle, en exploitant les équipements et technologies les plus récents des fabricants d'équipements. Une fois prouvée, l'entreprise étend l'opération soit dans de nouvelles installations, soit en modernisant une installation existante en fonction du retour sur investissement.

"Nous avons beaucoup d'expérience dans l'intégration de la chaleur résiduelle récupérée du processus de réfrigération dans les systèmes CVC ou le préchauffage de l'eau de ville pour les systèmes CIP", déclare Stellar's Smith. Dans ce modèle producteur-consommateur, le système de réfrigération devient le "producteur" de chaleur perdue et les systèmes HVAC ou CIP deviennent le "consommateur" de chaleur perdue. Essentiellement, le système HVAC devient un refroidisseur de liquide et économise de l'énergie, des produits chimiques et de l'eau. En faisant en sorte que le CVC consomme de la chaleur perdue, dans certaines circonstances, il peut améliorer la qualité de l'air intérieur en apportant plus d'air frais que ce qui serait normalement autorisé. Il réduit également le temps de fonctionnement de l'équipement et la consommation d'énergie en ne faisant pas fonctionner le système de condensation et réduit la consommation de produits chimiques en réduisant la consommation d'eau.

Cela nécessite une intégration du côté mécanique entre les équipes de réfrigération et de CVC et, dans le meilleur des cas, un seul fournisseur d'automatisation gérant le système de contrôle complet. "Nous avons travaillé avec des applications nouvelles et de rénovation pour ce type d'application", explique Smith.

Au fur et à mesure que les avantages de l'intégration seront mieux compris par les consultants et les utilisateurs finaux, il deviendra de plus en plus courant de voir ces exigences d'intégration précisées, déclare Smith. La hausse des coûts de l'énergie et le passage à des solutions plus vertes exigeront à terme des solutions mieux intégrées.

Jendryk voit des améliorations majeures dans la technologie CVC, de sorte qu'elle se concentrera sur la durabilité, l'automatisation et les données exploitables.

"Pour l'avenir, nous pensons que la surveillance améliorée des systèmes de gestion des bâtiments et des systèmes de services publics fera partie de ce processus", déclare Goodall. Les capteurs sans fil permettent de collecter encore plus de données dans les succursales, les points ou les emplacements des systèmes distants pour permettre une surveillance en temps réel des données de processus et de services publics. Lorsqu'ils sont associés à l'apprentissage automatique, les systèmes de contrôle peuvent prédire la perte d'énergie et permettre de la résoudre avant qu'un problème ne survienne.

Les données supplémentaires fournies par les nouveaux systèmes de surveillance permettent de réaliser plus facilement et plus efficacement une analyse des lacunes du système ou du site, ajoute Goodall. Cette analyse permet aux ingénieurs de trouver des systèmes d'exploitation sous-optimaux ou d'associer des sources d'énergie perdues avec l'utilisateur le plus sensible à récolter ou à récupérer avant d'être perdu.

L'intégration des systèmes existants fera toujours partie de l'équation, car au début, les mises à niveau sont moins coûteuses que la construction de nouvelles usines, explique Hager. Cependant, il existe des limites au nombre de mises à niveau pouvant avoir lieu. L'avenir de l'intégration de l'électromécanique, des contrôles de processus et des systèmes CVC de l'usine consistera à concevoir l'hébergement pour les mises à niveau dans le développement de la conception afin que les fabricants puissent étendre leur capacité de mise à niveau au fil du temps. En toutes choses, prévoyez flexibilité et expansion.