Regulace procesu zmrazování masa: snadná implementace pokročilých metod řízení

Řídicí systém od firmy Beckhoff reguluje sdružený chladicí systém s transkritickým okruhem CO₂ a odstraňuje nutnost pravidelného odmrazování. 

Obr. 1. Stefan Bollmann (Tekloth), Christoph Holtschlag (Tekloth), Michael Holländer (Beckhoff) a Marco Möllenbeck (Tekloth) před kompresory sdruženého chladicího zařízení (vpravo dole)

Společnost Tekloth GmbH z Bocholtu v Německu vyvinula nový sdružený chladicí systém s transkritickým okruhem CO₂, který pracuje bez nutnosti pravidelného odmrazování, vyžadovaného jinými komerčními systémy na zmrazování masa, jež jsou v současné době dostupné na trhu (obr. 1). Řídicí systém na platformě PC umožnil snadno a pohodlně implementovat znalosti a zkušenosti potřebné pro speciální konfiguraci a regulaci chladicího systému, a to navzdory velké složitosti této úlohy. Systém byl vyvinut pro německou firmu Fischer Kälte-Klima Essen a je součástí sdruženého mrazicího zařízení využívajícího CO₂ pro hluboké zmrazování uzeného vepřového masa. Poté, co je maso vyuzeno, je šokem zmrazeno na teplotu –18 °C nebo nižší. Protože maso je před zmrazením stále teplé (+30 až 40 °C), při zmrazování kondenzuje velké množství vlhkosti, jež pokrývá jako námraza zejména výparník chladicího systému. Konvenční chladicí systémy proto musí být velmi často odmrazovány. Odmrazování ovšem vyžaduje velké množství energie. Konstruktéři společnosti Tekloth proto celý mrazicí systém překonstruovali tak, aby byl energeticky mnohem úspornější. Konstruktér a projektant Marco Möllenbeck z firmy Tekloth vysvětluje: „Vzhledem ke speciální konstrukci systému a odpovídajícím řídicím funkcím naše zařízení nevyžaduje pravidelné odmrazování jako jiné, konvenční systémy. Naší specialitou je ventil, který umožňuje přepínat mezi běžným chlazením (RC, Regular Cooling) a hlubokým zmrazováním (DF, Deep Free­zing). Tradiční systémy k tomu využívají dva oddělené okruhy, kdežto my si vystačíme s jedním. Výhody jsou zřejmé: výrazné úspory nákladů a snížení energetické náročnosti.“ 

Dva provozní režimy v jednom chladicím zařízení

Obr. 2. Unikátní regulační ventil přepíná mezi režimy běžného chlazení a hlubokého zmrazování

Přepínací ventil (obr. 2) dovoluje systém používat v režimu běžného chlazení RC s transkritickými parametry nebo s využitím obou kompresorů pro chlazení a hluboké zmrazování (RC-DF booster). Přepínání však vyžaduje realizovat mnoho regulačních úloh, které běžné systémy nepodporují. Softwarový inženýr firmy Tekloth Christoph Holtschlag vysvětluje: „Při přepnutí režimu systém nejprve chladí a vysušuje vzduch v mrazicím boxu v režimu RC při teplotě výparníku přibližně –6 °C. Zvýšená teplota výparníku omezuje tvorbu námrazy na minimum. Jakmile teplota v mrazicím boxu dosáhne +4 °C, systém se přepne do kombinovaného režimu chlazení a hlubokého zmrazování RC-DF booster. Přitom je režim RC nejprve zastaven a začne oběhové odmrazování. Režim RC umožňuje energeticky efektivní chlazení na běžnou teplotu při současném vysušování povrchu uloženého masa, aniž by vlhkost namrzala na výměníku tepla ve výparníku. Po skončení fáze oběhového odmrazování a přepnutí do režimu hlubokého zmrazování RC-DF booster je maso v chladicím boxu zamraženo na –18 °C. Podle množství zboží v chladicím boxu a doby uložení je v mnoha případech možné zcela eliminovat odmrazování v průběhu uložení. 

Počítačový řídicí systém jako otevřená a flexibilní platforma

Stefan Bollmann, který ve firmě Tekloth pracuje v oddělení řízení projektů a prodeje, je přesvědčen, že pro implementaci složitého sekvenčního řízení na počítačové platformě je mnoho dobrých důvodů. „První výhodou pro nás je to, že řídicí technika Beckhoff splňuje ve všech našich projektech náročné průmyslové požadavky. Navíc modularita systému a otevřené programovací prostředí přinášejí velkou flexibilitu a umožňují nám realizovat velmi inovativní řešení. Výsledkem je, že pro tento sdružený chladicí systém jsme schopni programovat pokročilé řídicí algoritmy a mít plnou kontrolu nad softwarem zařízení. Kromě toho nám umožňuje rychle reagovat na požadavky zákazníka, je-li třeba provést změny v systému.“

Další výhodou je, že řízení na platformě PC je možné používat konzistentně pro různé regulační úlohy. Christoph Holtschlag vysvětluje: „Ať navrhujeme vytápění, chlazení, větrání, nebo systémy automatizace budov s individuálním nebo centrálním řízením, můžeme hardware i software Beckhoff použít k řízení v otevřené smyčce i ke zpětnovazební regulaci. Tato univerzálnost nám umožňuje použít jednou vyvinuté softwarové moduly v různých oblastech. Další výhodou je otevřenost systému a podpora širokého sortimentu sběrnic používaných v automatizaci budov.“ A dodává, že jde také o finančně výhodnou platformu: „Běžné řídicí systémy pro HVAC jsou složité a jejich úpravy náročné. Beckhoff nám nabízí vše, co potřebujeme, abychom měli kontrolu nad řízením procesů, dokázali řídicí algoritmy efektivně implementovat a navíc dodat zákazníkům přidanou hodnotu v podobě špičkové a spolehlivé techniky. Bez výhrad to platí pro sdružený chladicí systém, protože žádný běžně dostupný řídicí systém nedokáže správně regulovat proces přechodu z běžného chlazení na hluboké zmrazování.“ 

Optimalizovaná zpětnovazební regulace

Obr. 3. Multidotykové panelové PC CP2716 s 15,6" obrazovkou umožňuje přehledně zobrazit i složitá schémata

Jako hardware pro řízení, záznam dat a vizualizaci slouží multidotykové panelové PC CP2716 s 15,6" obrazovkou (obr. 3). Modulární systém I/O se konfiguruje podle požadavků zákazníka (obr. 4). Jeho terminály s analogovými a digitálními vstupy sbírají data ze snímačů a akčních členů. Součástí řídicího systému jsou snímače teploty se senzory Pt1000, tlakoměry různých rozsahů nebo snímače koncentrace CO₂. Do řídicího systému jsou dále zavedeny zpětné vazby z různých technologických jednotek, žádané hodnoty a regulační odchylky zpětnovazebních smyček. Systém sbírá v minutových intervalech data z více než 150 datových bodů a tím vytváří kompletní obraz provozního stavu chladicího zařízení. Jestliže se vyskytne závada, jsou změny dat registrovány v sekundových intervalech a v tomto vysokém rozlišení mohou být data ukládána po dobu až jedné hodiny. Výsledkem je, že proces je pod úplnou kontrolou. „Flexibilita a snadná implementace řídicího systému založeného na platformě PC pro nás byly důležité, abychom mohli využít naše znalosti a zkušenosti v oblasti chladicí techniky. Vykonali jsme hodně práce v oblasti elektrotechniky i softwarového inženýrství, abychom byli schopni vytvořit model chladicího procesu a realizovat nové algoritmy řízení, které konvenční systémy nemají. K tomu přispěly mnohé funkce řídicího systému Beckhoff založeného na PC, jako je grafické uživatelské rozhraní, vytváření trendových křivek, záznam chybových signálů nebo zasílání notifikací e-mailem. Tyto funkce nám umožnily implementovat individuální požadavky uživatelů tím nejlepším způsobem,“ shrnuje Holtschlag.

Obr. 4. Výhoda modularity řídicího systému vyniká zvláště na úrovni I/O modulů

[Fleisch-Tiefkühlung: Komplexe Steuerungsfunktionen einfach umsetzbar. PC Control, Beckhoff Automation, 04/2017]. (Foto: Beckhoff Automation.) 

(Beckhoff Automation)

Transkritický chladicí cyklus

V transkritickém chladicím cyklu je vstupní tlak CO₂ nižší než kritický tlak (7,4 MPa) a teplota odpařování je nižší než kritická teplota (304,1 K), ovšem tlak ve výfuku je vyšší než kritický tlak. Teplo se tedy pohlcuje za podkritických podmínek a přenos tepla je realizován především latentním teplem výparu. Transkritické chladicí cykly s CO₂ jsou v současné době v praxi nejpoužívanější.