Verbindung von Prozesssteuerung, CIP, HVAC und Energiemanagement

Nov 10, 2023

Heutzutage verfügen Heizkessel über Schornsteinsparer, um zu verhindern, dass Wärme „in den Schornstein steigt“. Stattdessen wird es aufgefangen und für andere Heizzwecke genutzt – etwa zur Raumheizung oder zur Wasservorwärmung. Heutige Kesselsteuerungssysteme können Daten überwachen und an andere Überwachungssteuerungen senden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Bill Nichols

Da Energie teurer wird und Produktqualität und Lebensmittelsicherheit immer wichtiger werden, wird die Integration von Energiemanagement, Clean-in-Place (CIP), Prozess- und Umgebungskontrollen praktischer und wirtschaftlicher, da digitale Steuerungen die Verknüpfung dieser Systeme ermöglichen – wenn nicht sogar direkt und dann durch Bereitstellung auf demselben Gerät für Bediener und Manager.

In diesem Artikel werden die potenziellen Vorteile der Integration von Energiemanagement-, Prozesssteuerungs- und HVAC-Systemen in ein lose oder eng gekoppeltes anlagenweites System untersucht, das die Produktqualität verbessert und außerdem Energie spart. Es enthält einige praktische Hinweise zur Integration dieser Systeme und zeigt, was Lebensmittel- und Getränkebetriebe von dieser Verknüpfung der Systeme erwarten können.

Um neutrale Meinungen zu diesem Thema einzuholen, habe ich mit Ingenieurbüros und A&E-Firmen gesprochen, die oft dafür sorgen müssen, dass all diese unterschiedlichen Systeme zusammenarbeiten, und selbst wenn sie nicht digital verbunden sind, müssen sie von den Anlagenbetreibern dennoch einfach koordiniert werden.

Beispielsweise erhielt Gray Solutions, ein Unternehmen von Gray, den Auftrag, die Ausgaben von Gebäudemanagementsystemen (BMS) in Prozesssteuerungen zu integrieren, um zusätzlich zu den Produktionsdaten Echtzeittrends und Berichte von Gebäude-/Versorgungssystemen zu ermöglichen.

CRB hat die Energiemessung im Hinblick auf die Bereitstellung physischer Messgeräte für den Stromverbrauch, den Erdgasverbrauch, den Wasserverbrauch, die Abfallproduktion sowie die Überwachung mechanischer und prozesstechnischer Versorgungssysteme wie Dampf, Kaltwasser/Kaltglykol und Warmwasser/Heißglykol für die Heizung implementiert Verwendung.

Die Ingenieurteams von Stellar verfügen über Erfahrung in der Integration von Systemen innerhalb einer Anlage oder der Verbindung von Anlagen miteinander. Wie die meisten Ingenieurbüros sind sie ziemlich systemunabhängig und werden daher wahrscheinlich nicht die Steuerungsausrüstung eines Anbieters pushen – sei es für die Gebäudeautomation oder die Prozesssteuerung.

Spec Engineering, ebenfalls ein graues Unternehmen, wurde 1979 gegründet, hat mit großen Lebensmittel- und Tiernahrungsherstellern zusammengearbeitet und verfügt über Erfahrung in der Integration aller Arten von Systemen – von der Verarbeitung über HVAC und CIP bis hin zu Materialhandhabungssystemen. Diese Engineering-Gruppe arbeitet mit der Automatisierung mehrerer Hardware-Anbieter.

Während ein gewisses Interesse an der Integration von Prozessleitsystemen in HVAC oder BMS besteht, ist CIP das wichtigste System, das bei der Integration in Prozessleitsysteme von Interesse ist. Natürlich verfügen ältere Produktionssysteme möglicherweise nicht über CIP, oder wenn doch, kann CIP manuell betrieben werden, was bedeutet, dass Bediener daran denken müssen, viele spezifische Ventile in der richtigen Reihenfolge zu schalten. Heutzutage können intelligente vermischungssichere Ventile unter der Leitung der Prozesssteuerung und/oder des CIP-Systems den Wechsel zwischen Prozess- und Reinigungsmodus in Sekundenschnelle durchführen – ohne Fehler.

„CIP ist großartig für Geschwindigkeit und Effizienz, aber der Nachteil besteht darin, dass die Prozesslinie für die Zeit, in der CIP verwendet wird, außer Betrieb ist“, sagt Andrew David Hager, BSME, PE, LEED-AP, leitender Maschinenbauingenieur bei CRB. Für einige Verarbeiter, die die Möglichkeit haben, eine Prozesslinie herunterzufahren, kann dies in Ordnung sein. Für andere Verarbeitungsbetriebe mit 24-Stunden-Betrieb ist zur Implementierung von CIP eine zweite Prozesslinie erforderlich, um Redundanz zu gewährleisten oder möglicherweise die Produktleistung zu reduzieren, selbst wenn mehrere Linien in Betrieb sind.

Das Interesse am Einsatz der CIP-Integration besteht schon seit einiger Zeit, aber am wichtigsten ist es zu wissen, wie man die Informationen in Steuersequenzen integriert und die Ergebnisse misst, sagt Brad Smith, Direktor für Geschäfts-/Produktentwicklung bei Stellar. CIP sollte integriert werden, da es sich auf die Kühllasten der Anlage auswirken und zu Fehlbelastungen der Anlage führen kann. „Sie können die CIP-Effizienz auch verbessern, indem Sie Abwärmerückgewinnung und Trinkwasservorwärmung hinzufügen“, fügt Smith hinzu.

„CIP-Systeme nutzen drei primäre Betriebsmittel, die Energie benötigen: Dampf vom Kessel, Luft vom Kompressor und Strom vom Stromverteilungssystem“, sagt Jonathan Malakoff, Fachexperte für Flüssigkeitssysteme bei Spec Engineering. Die Luft, die für Ventilsteuerungen und mögliche Leitungsspülungen verwendet wird, verbraucht relativ wenig Kapazität, und der Strombedarf für den Betrieb von CIP-Skid-Versorgungspumpen ist im Vergleich zur übrigen Anlagenausrüstung in der Regel gering.

Abhängig von den anderen gleichzeitigen Nutzern des Anlagenkessels könnte jedoch der kurzfristige Dampfbedarf zum schnellen Erhitzen großer Mengen an Reinigungschemikalien und Wasserspülungen auf hohe Temperaturen den Bedarf in die Höhe treiben, sagt Malakoff. Dies tritt häufiger bei älteren, kleineren Kesseleinheiten auf, die möglicherweise überaltert sind, und bei Dampfleitungssystemen, die im Laufe der Zeit erweitert wurden, aber über zu kleine oder ineffiziente Anlagenverteiler und -zweige verfügen. Aufgrund der Art des CIP-Betriebs kann der CIP-Plan möglicherweise so angeordnet werden, dass er in der zweiten oder dritten Schicht in Kraftwerken stattfindet, wenn diese Versorgungsbetriebe weniger besteuert werden und der Betrieb kostspieliger ist. Dementsprechend können sich CIP-Überlegungen positiv auf das gesamte Energiemanagementprogramm einer Anlage auswirken.

Da die Energiekosten weiter steigen, achten Lebensmittel- und Getränkehersteller genauer darauf, diese Kosten zu kontrollieren und sich einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil zu verschaffen, sagt Jeff Jendryk, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Spec Engineering. Der Schlüssel zur Reduzierung der Energiekosten liegt darin, zu verstehen, woher sie kommen und wie viel sie verbrauchen. Mit diesen Informationen können Hersteller ihre Anforderungen proaktiv verwalten, die Systemleistung verbessern und Kosten senken.

„Wir sehen derzeit mehr Kunden, die die Nutzung der Versorgungsleistungen nach Hauptprozessbereich oder Ausrüstung wissen möchten, während es früher üblicher war, nur die Gesamtnutzung des Standorts zu sehen – oder sogar nur Mengen aus monatlichen Rechnungen zu nutzen“, sagt Drew Goodall, Director of Process, Graue Lösungen. Zweigzähler ermöglichen es Steuerungssystemen, die Energienutzung auf einer detaillierteren Ebene zu erfassen und diese Informationen problemlos mit System- oder Gerätebetriebsdaten zu verknüpfen. „Wir können dann problemlos sofortige, tägliche, wöchentliche oder monatliche Berichte erstellen, in denen der Energieverbrauch pro Produktionseinheit verglichen wird. Dies sind unschätzbare Informationen für die Betriebs- und Wartungsteams.“

Kälte- und Prozesslasten machen in der Regel den Großteil des Energieverbrauchs aus, daher ist es am sinnvollsten, wenn sie dynamische Lastinformationen austauschen, sagt Smith von Stellar.

Auch wenn die Implementierung von CIP kostspielig erscheint, kann es sich auf lange Sicht amortisieren. „CIP spart Zeit“, sagt Hager von CRB. Obwohl es auf den ersten Blick teuer ist, kann es eine schnelle Amortisation mit kürzeren Ausfallzeiten und weniger Arbeitsaufwand ermöglichen und den Ressourcenbedarf verringern.

Hager weist jedoch auf einen wichtigen Punkt hin: Anlagen-HLK-Systeme funktionieren während der CIP-Reinigung nicht so, wie sie es unter normalen Herstellungsbedingungen tun würden. Während der Reinigung und Desinfektion werden die HVAC-Systeme zu 100 % auf Außenluft umgestellt, um die Bereiche mit Außenluft zu spülen, während das Personal an der Reinigung und Desinfektion arbeitet. Dies erfordert erhebliche Energie für das HVAC-System, insbesondere wenn der Reinigungs- und Desinfektionsprozess abgeschlossen ist, und das HVAC-System muss mit voller Kapazität arbeiten, um die Umgebung des Bereichs wieder in eine kontrollierte Produktionsumgebung zu bringen.

Welche Anwendungen können also von der Integration von CIP-, HVAC- und Umweltsystemen profitieren? Goodall von Gray Solutions bringt es auf den Punkt: Anwendungen mit intensiven Heiz-, Kühl- und anderen Luftübertragungssystemen – überall dort, wo ein Austausch von Versorgungsmedien außerhalb der Gebäudehülle erforderlich ist – sowie alle Prozesse mit strenger Wasser- und Abwassernutzung profitieren vom Energiemanagement und Prozesssteuerungsintegration. Die Herstellung von Tiernahrung ist ein gutes Beispiel, da es ein energieintensiver Prozess ist, große Produktmengen in kurzen Zeiträumen zu kochen, zu kühlen und manchmal einzufrieren und dann alles schnell zu reinigen.

Wenn Sie über ältere Systeme verfügen, müssen Sie sich fragen, ob es sinnvoll ist, diese Systeme zu aktualisieren, bevor Sie sie integrieren können – da sie wahrscheinlich Sensoren, Controller und zugehörige E/A-Geräte benötigen. Wie würden Sie also eine Kosten-Nutzen-Studie durchführen, um den ROI zu ermitteln?

Manche Systeme seien einfach so alt und veraltet, dass sie trotzdem aufgerüstet werden sollten, sagt Smith von Stellar. Wenn die Aufrüstung jedoch auf der Integrationsfähigkeit basiert, kommt es darauf an, wie viele Geräte an das System angeschlossen sind und welchen Einfluss diese auf den Gesamtenergieverbrauch haben. „Ich persönlich bin kein Fan einer schrittweisen Integration, da die Integration komplex und für künftige Generationen schwer aufrechtzuerhalten sein kann“, sagt Smith.

Ältere Systeme können in Bezug auf Leitungsausrüstung und HVAC-Systeme bis zu einem gewissen Grad integriert oder aktualisiert werden, sagt Hager von CRB. Integrationen werden letztendlich dazu führen, dass die Rendite sinkt und das ausgegebene Geld den minimalen erzielten Gewinn nicht mehr rechtfertigt. Dann ist es an der Zeit, Geräte auszutauschen und/oder komplette Leitungen (auch Neubauten) auszutauschen, um von den Fortschritten bei neuen Technologien, Materialien und Verfahren zu profitieren.

Angenommen, Sie möchten ein Energieüberwachungsprogramm einrichten und müssen dazu Systeme integrieren. Die Integration von Systemen geht jedoch über die bloße Ausrüstung hinaus. Auch Menschen sind beteiligt. „Der erste Schritt besteht darin, ein realistisches Ziel zu setzen“, sagt Jendryk von Spec Engineering. „Identifizieren und überwachen Sie Ihre Prozesse und Geräte, analysieren Sie Ihre Ergebnisse und verbessern Sie sich weiter. Das Personal muss darin geschult werden, potenzielle Chancen zu bewerten und Verbesserungen vorzunehmen.“ Der Projektumfang muss identifiziert werden, und die Erstellung eines Ausführungsplans ist ebenfalls ein entscheidender Schritt für den Erfolg. Bei der Einrichtung eines Energieüberwachungsprogramms ist die Festlegung von Basislinien und Metriken wichtig, um die Ergebnisse zu verfolgen.

Typische Lösungen beginnen mit der Entwicklung eines Gemeinsamkeitsdokuments, um die herkömmlichen Hardware- und Softwarelösungen zu skizzieren, die zur Herstellung des Endzustands erforderlich sind, sagt Goodall von Gray Solutions. Sobald ein Entwurf fertiggestellt und ein Preis festgelegt ist, können bestimmte Elemente entfernt oder auf eine schrittweise Implementierung verschoben werden, um den Budgetanforderungen gerecht zu werden. Aufgrund des rasanten technologischen Fortschritts ist es oft nicht sinnvoll, ein älteres (also nicht mehr vom OEM unterstütztes) System oder eine ältere Technologie in eine neue Lösung zu integrieren. Kostenvorteile oder ROI hängen typischerweise mit der Umverteilung von Personal, einem erhöhten Produktionsdurchsatz oder realisierten Energieeinsparungen durch eine strengere Steuerung/Überwachung zusammen.

Ist die Integration auf der grünen Wiese einfacher?

Sowohl neue als auch alte Einrichtungen können von der Integration profitieren, sagt Jendryk. Abhängig vom Alter der aktuellen Systeme sind bei älteren Anlagen häufig höhere Amortisationszeiten zu verzeichnen.

Glücklicherweise kann die Integration in jeder Einrichtung implementiert werden, egal ob in neuen oder bestehenden Betrieben, sagt Goodall. Neue Anlagen ermöglichen eine einmalige Inbetriebnahme, bei der Nachrüstungen schrittweise vorgenommen werden können, um während routinemäßiger Ausfallzeiten in Betrieb genommen zu werden.

Die Frage, ob Integration besser für einen Standort auf der grünen Wiese geeignet ist, beschäftigt Anlagenbetreiber, Manager und Produktionsleiter in Unternehmen wahrscheinlich ständig, sagt Hager. „Wann ist der beste Zeitpunkt für ein Upgrade im Vergleich zum besten Zeitpunkt für einen Neubau?“ Es ist ein alltäglicher Gedanke für zumindest jemanden in jeder Gruppe. Bei der Antwort geht es um Risiko und Ertrag: Das Richtige zur richtigen Zeit tun und immer nach vorne schauen und vorausplanen. Innovation wird die Praktiken weiter verbessern, was wiederum zu mehr Innovation führt. Das „Bedürfnis“ steht an erster Stelle, denn wir alle benötigen ein „Bedürfnis“, um zu zeigen, dass eine Änderung erforderlich ist.

Während die Integration einfacher ist, wenn man bei Null an einem Standort auf der grünen Wiese anfängt, ist es wichtiger, wie Hager betont, dass das Management seine Bedürfnisse und Anforderungen ermitteln muss. „Wenn es keine Designanforderung ist, wird es wahrscheinlich nicht passieren“, sagt Smith. Spezifikationen erfordern häufig die Kommunikation verschiedener Systeme mit der Ausrüstung eines anderen Anbieters, gehen dann aber nicht weit genug in die Beschreibung des Zwecks der Verbindung ein. In diesen Situationen kann die physische Verbindung ohne Datenaustausch hergestellt werden. Die Nutzung desselben Unternehmens für mehrere Steuerungsanwendungen wie Prozess-, Kühl- und HVAC-Anwendungen kann die Integration und den Informationsaustausch verbessern.

Während Lieferanten von Prozesssteuerungs-/Automatisierungsgeräten ihre Systeme gut kennen und HVAC-Lieferanten ebenfalls dazu in der Lage sind, scheint es, dass ein breites Spektrum an Erfahrung erforderlich wäre, um Systeme für einen reibungslosen Datenfluss zu verknüpfen und verwertbare Informationen zu erhalten. Sind also die Lieferanten dieser Aufgabe gewachsen, oder überlässt man sie besser den Systemintegratoren (SIs)?

„Es hängt alles vom Erfahrungsniveau des Unternehmens ab“, sagt Jendryk von Spec Solutions. HVAC-Systeme werden immer komplexer und erfordern eine Spezialisierung. Da HVAC-Technologie und -Design immer ausgefeilter werden, ist es wichtig, alle verfügbaren Daten effektiv zu nutzen. Es werden Systeme mit Beleuchtung, Energiemessung, HVAC und anderen Gebäudesystemen entworfen, um effektive Entscheidungen im Gebäudemanagementsystem zu treffen.

„Erwägen Sie Möglichkeiten, Integrationen zu testen und die Rendite in einer kleineren Umgebung zu messen.“

—Andrew David Hager, leitender Maschinenbauingenieur, CRB

Goodall von Gray Solutions weist darauf hin, dass die End-to-End-Integration in der Regel am besten von SIs unterstützt wird, da diese eine herstellerunabhängige Lösung anbieten und über Fachwissen über viele verschiedene Plattformen verfügen sollten. Allerdings können Systeme auf Unit-Operations-Ebene möglicherweise besser von einem OEM-Anbieter bedient werden.

Der Integrationsprozess kann von Systemintegratoren oder Lieferanten durchgeführt werden, diese müssen jedoch über das Fachwissen verfügen, um zu wissen, was mit den Informationen zu tun ist, und Arbeitsabläufe zur Integration der Daten ermöglichen, sagt Smith von Stellar. Dabei kommt es auf die Erfahrung eines Einzelnen oder eines Teams an, die an einem Projekt und Projektbudget beteiligt sind.

Die Integration wird am besten von einem integrierten Team durchgeführt – Designern, die sowohl mit Lieferanten als auch mit Systemintegratoren zusammenarbeiten, sagt Hager von CRB. „Lieferanten wären klug, wenn sie Systemintegratoren als Mitarbeiter und als Service für die von ihnen verkauften Steuerungen hätten. Ich habe in der Designentwicklung oft Systemintegratoren eingesetzt, die auch die Steuerungen verkaufen, und ja, ich habe sie auch für diesen Service bezahlt.“ Ich würde für einen Subunternehmerdienst bezahlen. Die Integratoren gewinnen nicht immer den Zuschlag für die Steuerungen.“

Viele Leute werden sagen, dass man bei Systemintegratoren, die auch Steuerungen verkaufen, „sehr vorsichtig“ sein sollte, weil ein angebliches Misstrauen gegenüber dem Fehlen von etwas besteht, von dem nur der Integrator wusste, sagt Hager. Legen Sie frühzeitig Erwartungen fest und konzentrieren Sie sich auf die Ergebnisse. Es schadet niemandem, eine Bewertung und einen Kommentar Dritter zu Ansatz, Kapazität und Disziplingestaltung zu erhalten.

Es besteht kein Grund, sich auf ein Projekt einzulassen, das so groß ist, dass es scheitern könnte. „Erwägen Sie Möglichkeiten, Integrationen zu testen und die Rendite in einer kleineren Umgebung zu messen“, sagt Hager. Ein Verarbeiter im Mittleren Westen nutzt die neuesten Fortschritte in kleinem Maßstab und nutzt die neuesten Geräte und Technologien der Gerätehersteller. Sobald sich dies bewährt hat, vergrößert das Unternehmen den Betrieb je nach Kapitalrendite entweder in neuen Anlagen oder durch die Modernisierung einer bestehenden Anlage.

„Wir haben viel Erfahrung mit der Integration der aus dem Kühlprozess gewonnenen Abwärme in HLK-Systeme oder die Vorwärmung von Stadtwasser für CIP-Systeme“, sagt Smith von Stellar. In diesem Erzeuger-Verbraucher-Modell wird das Kühlsystem zum „Erzeuger“ der Abwärme und die HVAC- oder CIP-Systeme zum „Verbraucher“ der Abwärme. Im Wesentlichen wird das HVAC-System zu einem Flüssigkeitskühler und spart Energie, Chemikalien und Wasser. Indem die Klimaanlage Abwärme verbraucht, kann sie unter bestimmten Umständen die Luftqualität in Innenräumen verbessern, indem mehr Frischluft zugeführt wird, als normalerweise zulässig wäre. Außerdem werden die Laufzeit der Geräte und der Energieverbrauch reduziert, da das Kondensationssystem nicht in Betrieb genommen wird, und der Chemikalienverbrauch wird reduziert, indem der Wasserverbrauch gesenkt wird.

Es erfordert eine Integration auf der mechanischen Seite zwischen den Kühl- und HVAC-Teams und im besten Fall einen einzigen Automatisierungsanbieter, der das gesamte Steuerungssystem übernimmt. „Wir haben für diese Art von Anwendung sowohl mit Greenfield- als auch mit Retrofit-Anwendungen gearbeitet“, sagt Smith.

Da Berater und Endbenutzer die Vorteile der Integration besser verstehen, wird es immer häufiger vorkommen, dass solche Integrationsanforderungen klar dargelegt werden, sagt Smith. Steigende Energiekosten und der Trend zu umweltfreundlicheren Lösungen werden letztendlich bessere integrierte Lösungen erfordern.

Jendryk sieht große Verbesserungen in der HVAC-Technologie, sodass der Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit, Automatisierung und umsetzbaren Daten liegen wird.

„Mit Blick auf die Zukunft glauben wir, dass eine verbesserte Überwachung von Gebäudemanagementsystemen und Versorgungssystemen Teil dieses Prozesses sein wird“, sagt Goodall. Drahtlose Sensoren ermöglichen eine noch umfassendere Datenerfassung an Zweigstellen, Punkten oder entfernten Systemstandorten, um eine Echtzeitüberwachung von Prozess- und Versorgungsdaten zu ermöglichen. In Verbindung mit maschinellem Lernen können Steuerungssysteme Energieverluste vorhersagen und ermöglichen, diese zu beheben, bevor ein Problem auftritt.

Die zusätzlichen Daten, die von neuen Überwachungssystemen bereitgestellt werden, ermöglichen eine einfachere und effektivere Durchführung einer System- oder Standortlückenanalyse, fügt Goodall hinzu. Mithilfe dieser Analyse können Ingenieure suboptimale Betriebssysteme finden oder verschwendete Energiequellen mit dem sinnvollsten Nutzer koppeln, um sie zu nutzen oder zurückzugewinnen, bevor sie verloren gehen.

Die Integration bestehender Systeme werde immer ein Teil der Gleichung sein, da Modernisierungen zunächst kostengünstiger seien als der Bau neuer Anlagen, sagt Hager. Es gibt jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl möglicher Upgrades. Die Zukunft der Integration von Elektromechanik, Prozesssteuerung und Anlagen-HLK-Systemen wird darin bestehen, die Möglichkeiten für Upgrades in die Designentwicklung einzubeziehen, damit Hersteller ihre Möglichkeiten für Upgrades im Laufe der Zeit erweitern können. Planen Sie in allen Belangen Flexibilität und Erweiterung ein.