プロセス制御、CIP、HVAC、エネルギー管理を接続する

Nov 10, 2023

現在のボイラーには、熱が「煙突に上がる」のを防ぐためにスタックエコノマイザーが装備されています。 代わりに、それは捕捉され、暖房や水の予熱など、他の暖房目的に使用されます。 現在のボイラー制御システムは、データを監視し、他の監視制御にデータを送信できます。 写真提供：ビル・ニコルズ

エネルギーのコストが上昇し、製品の品質と食品の安全性がますます重要になるにつれて、デジタル制御がこれらのシステムをリンクできるようになり、エネルギー管理、定置洗浄（CIP）、プロセスおよび環境制御の統合がより実用的かつ経済的になってきています。直接、次にオペレーターとマネージャーが同じデバイス上で利用できるようにします。

この記事では、エネルギー管理、プロセス制御、HVAC システムを疎結合または密結合した工場全体のシステムに統合することで、製品の品質が向上し、エネルギーも節約できる潜在的な利点について考察します。 これらのシステムの統合に関するいくつかの実践的な指針と、このシステムの連携によって食品または飲料施設が何を期待できるかを示します。

この件について中立的な意見を得るために、私はエンジニアリング会社や A&E 会社と話をしました。彼らは、これらの異なるシステムをすべて一緒に機能させる必要があることが多く、デジタル接続されていない場合でも、施設のオペレーターによって簡単に調整される必要があります。

たとえば、Gray Company である Gray Solutions は、ビル管理システム (BMS) の出力をプロセス制御に統合して、生産データに加えてビル/ユーティリティ システムのリアルタイムのトレンド分析とレポート作成を可能にするという要望を受けました。

CRB は、電力消費量、天然ガス消費量、水消費量、廃棄物排出量、および蒸気、冷水/冷蔵グリコール、加熱温水/温グリコールなどの機械およびプロセスユーティリティシステムの監視用の物理メーターの提供に関してエネルギー計量を実装しています。使用法。

Stellar のエンジニアリング チームは、施設内でのシステムの統合や施設間の接続に経験があります。 ほとんどのエンジニアリング会社と同様に、彼らはシステムにまったく依存しないため、ビルディングオートメーションであろうとプロセス制御であろうと、特定のサプライヤーの制御機器を推し進めることはありません。

1979 年に設立された Spec Engineering も Grey Company であり、大手食品およびペットフードのメーカーと協力しており、加工から HVAC、CIP、資材運搬システムに至るまで、あらゆる種類のシステムの統合に経験があります。 このエンジニアリング グループは、複数のハードウェア ベンダーの自動化と連携しています。

プロセス制御システムと HVAC または BMS の統合にはある程度の関心が寄せられていますが、プロセス制御との統合において重要なシステムは CIP です。 もちろん、古い生産システムには CIP がないか、CIP があったとしても CIP が手動で操作される可能性があります。つまり、オペレーターは多くの特定のバルブを正しい順序で切り替えることを覚えておく必要があります。 現在では、プロセス制御や CIP システムの指示に従って、スマート混合防止バルブを使用して、プロセス モードと洗浄モードをエラーなく数秒で切り替えることができます。

CIP は速度と効率の点で優れていますが、CIP の使用中はプロセス ラインが停止するという欠点があると、BSME、PE、LEED-AP、CRB の上級機械エンジニアである Andrew David Hager 氏は述べています。 これは、プロセス ラインを停止できる一部のプロセッサにとっては問題ないかもしれません。 24 時間稼働する他のプロセッサの場合、CIP を実装するには、冗長性を確保するため、または複数のラインが稼働している場合でも製品生産量を削減するために 2 番目のプロセス ラインが必要になります。

CIP 統合の採用への関心はしばらく前からありましたが、情報を制御シーケンスに統合し、結果を測定する方法を知ることが最も重要だと、Stellar のビジネス/製品開発ディレクターの Brad Smith 氏は述べています。 CIP は施設の冷凍負荷に影響を与え、プラントの誤った負荷を引き起こす可能性があるため、統合する必要があります。 「廃熱回収と飲料水の予熱を追加することで、CIP 効率を向上させることもできます」と Smith 氏は付け加えます。

「CIP システムは、ボイラーからの蒸気、コンプレッサーからの空気、配電システムからの電気という、エネルギーを入力する 3 つの主要なユーティリティを使用します」と、スペック エンジニアリングの液体システム専門家であるジョナサン マラコフ氏は述べています。 バルブ制御や可能なラインパージに利用される空気は比較的容量が小さく、CIP スキッド供給ポンプを動作させるための電力は、通常、残りのプラント設備に比べて要件が低くなります。

しかし、プラントのボイラーを同時に使用する他のユーザーによっては、大量の洗浄剤やすすぎ水のバッチを高温に加熱するための短期的な蒸気要件により、需要が急増する可能性があるとマラコフ氏は述べています。 これは、成長しすぎた可能性のある古くて小型のボイラー ユニットや、時間の経過とともに拡張されたものの、プラントのヘッダーや分岐が過小または非効率である蒸気配管システムでより頻繁に発生します。 CIP 運用の性質上、公共事業の税金や運用コストが低い場合には、CIP スケジュールを工場の 2 番目または 3 番目のシフトで実施できる場合があります。 したがって、CIP の考慮事項は、プラントのエネルギー管理プログラム全体にプラスの影響を与える可能性があります。

スペック・エンジニアリングの事業開発担当バイスプレジデント、ジェフ・ジェンドリック氏は、エネルギーコストが上昇し続ける中、食品・飲料メーカーは重要な競争上の優位性を獲得するために、これらの費用をコントロールすることに細心の注意を払っていると語る。 エネルギー関連の支出を削減する鍵は、その支出がどこから来てどれだけ消費されているかを理解することです。 この情報により、メーカーは要件を積極的に管理し、システムのパフォーマンスを向上させ、コストを削減できます。

「現在、主要なプロセス領域または装置ごとのユーティリティ使用量を知りたいという顧客が増えています。以前は、サイトの総使用量のみを確認したり、月々の請求書から数量のみを確認したりするのが一般的でした。」とプロセスディレクターのドリュー・グドール氏は述べています。グレーソリューション。 ブランチメーターを使用すると、制御システムはエネルギー使用量をより詳細なレベルで収集し、この情報をシステムまたは機器の稼働データに簡単に結び付けることができます。 「これにより、生産単位あたりのエネルギー使用量を比較する即時、日次、週次、または月次のレポートを簡単に生成できます。これは、運用および保守チームにとって非常に貴重な情報です。」

通常、冷凍とプロセスの負荷がエネルギー消費の大部分を占めるため、動的な負荷情報を共有することが最も合理的だとステラのスミス氏は言います。

CIP の導入にはコストがかかるように見えますが、長期的には十分に元が取れます。 「CIP は時間の節約になります」と CRB の Hager 氏は言います。 初期コストは高くなりますが、ダウンタイムと労働力の削減により迅速な回収が可能であり、必要なリソースを削減できます。

しかし、ヘイガー氏は重要な点を指摘しています。CIP 中のプラントの HVAC システムは、通常の製造条件下のように機能しません。 清掃と消毒中は、スタッフが清掃と消毒に取り組む間、HVAC システムは完全に 100% 外気を利用してエリアを外気で洗い流します。 これには、特に洗浄と消毒のプロセスが完了したとき、HVAC システムに多大なエネルギーが必要であり、HVAC システムはエリア環境を制御された製造環境に戻すためにフル稼働する必要があります。

では、CIP、HVAC、環境システムの統合から恩恵を受けるのはどのようなアプリケーションでしょうか? Gray Solutions の Goodall 氏は、次のように要約しています。集中的な加熱、冷却、その他の空気移送システムを使用するアプリケーション（建物外のユーティリティ媒体の交換が必要な場所）や、水と廃水を厳密に利用するプロセスは、エネルギー管理の恩恵を受けられます。プロセス制御の統合。 ペットフードの製造は、短時間に大量の製品を調理、冷却、場合によっては冷凍し、その後すべてを迅速に洗浄するというエネルギーを大量に消費するプロセスであるため、その好例です。

古いシステムを使用している場合は、センサー、コントローラー、関連する I/O 機器が必要になる可能性があるため、統合する前にこれらのシステムをアップグレードすることが現実的かどうかを検討する必要があります。 では、ROI を決定するために費用対効果をどのように調査すればよいでしょうか?

一部のシステムは単に非常に古く時代遅れであるため、関係なくアップグレードする必要があるとステラーズ・スミス氏は言います。 ただし、アップグレードが統合機能に基づいている場合は、システムに接続されている機器の量と、それが全体のエネルギー消費にどの程度影響を与えるかによって決まります。 「個人的には、統合は複雑になり、将来の世代に維持するのが困難になる可能性があるため、私は段階的な統合のファンではありません」とスミス氏は言います。

CRB の Hager 氏は、ライン機器や HVAC システムに関しては、古いシステムをある程度まで統合または更新できると述べています。 統合は最終的には、費やした費用が実現される最小限の利益に見合わない、利益逓減点に到達します。 このときこそ、新しい技術、材料、手法の進歩を活用するために、機器の交換やライン全体の交換 (新規建設であっても) を行う時期です。

エネルギー監視プログラムをセットアップしたいと考えており、それを達成するにはシステムの統合が必要であるとします。 ただし、システムの統合は単なる機器を超えたものです。 人々も関わっています。 「最初のステップは、現実的な目標を設定することです」とスペック エンジニアリングのジェンドリック氏は言います。 「プロセスと装置を特定して監視し、結果を分析して改善を続けます。スタッフは、潜在的な機会を評価し、改善する方法についてトレーニングを受ける必要があります。」 プロジェクトの範囲を特定する必要があり、実行計画を立てることも成功への重要なステップです。 エネルギー監視プログラムを確立する場合、結果を追跡するためにベースラインと指標を設定することが重要です。

Gray Solutions の Goodall 氏は、一般的なソリューションは、最終状態を生み出すために必要な従来のハードウェアおよびソフトウェア ソリューションの概要を示す共通性文書の作成から始まります。 設計が完了し、価格が設定されると、予算要件を満たすために特定の要素が削除されたり、段階的な実装に移行したりする場合があります。 テクノロジーの急速な進歩により、古い (つまり、OEM サポートが終了した) システムまたはテクノロジーを新しいソリューションに統合することは、多くの場合意味がありません。 コスト利益または ROI は通常、人員の再配置、生産スループットの向上、またはより厳密な制御/監視によるエネルギー節約の実現に結びついています。

グリーンフィールド サイトでは統合が容易ですか?

新しい施設も古い施設も統合によって恩恵を受けることができる、とジェンドリック氏は言います。 現在のシステムの使用年数にもよりますが、古い施設ではより大きな見返りが得られることがよくあります。

幸いなことに、統合は新規事業か既存事業かにかかわらず、あらゆる施設に実装できます、とグッドオール氏は言います。 新しい設備により 1 回限りの起動が可能になり、定期的なダウンタイム中に改修を段階的にオンラインにできるようになります。

統合がグリーンフィールドサイトにより適しているかどうかという問題は、おそらく施設の運営者や管理者、企業の生産マネージャーの頭の中に常にあるとヘイガー氏は言います。 「アップグレードに最適な時期と新規構築に最適な時期はいつですか?」 それは各グループの少なくとも誰かが日々考えていることです。 答えはすべてリスクと報酬です。適切なタイミングで適切なことを行い、常に先を見据えて計画を立てることです。 イノベーションにより実践が改善され続け、それがさらなるイノベーションを推進します。 「ニーズ」が最初に来るのは、変化が必要であることを証明するために私たち全員が「ニーズ」を必要とするからです。

統合は、グリーンフィールドのサイトでゼロから始める方が簡単ですが、Hager 氏が指摘するように、より重要なのは、管理者がそのニーズと要件を決定する必要があるということです。 「それが設計要件ではない場合、おそらくそれは起こらないでしょう」とスミス氏は言います。 仕様では、他のベンダーの機器と通信するためにさまざまなシステムが必要になることがよくありますが、接続の目的については十分に詳しく説明されていません。 このような状況では、データ交換を行わずに物理接続が完了することがあります。 プロセス、冷凍、HVAC などの複数の制御アプリケーションに同じ会社を使用すると、統合と共有される情報が強化されます。

プロセス制御/自動化機器のサプライヤーは自社のシステムをよく知っており、HVAC サプライヤーも有能ですが、システムを連携してスムーズなデータ フローを実現し、実用的な情報を取得するには幅広い経験が必要と思われます。 では、サプライヤーはその任務を遂行できるのでしょうか、それともシステムインテグレーター (SI) に任せたほうがよいのでしょうか?

「すべては企業の経験レベルによって決まります」とスペック・ソリューションズのジェンドリック氏は言う。 HVAC システムは専門化の必要性によりますます複雑になっています。 HVAC のテクノロジーと設計はますます洗練されているため、利用可能なすべてのデータを効果的に活用することが重要です。 システムは、効果的なビル管理システムの意思決定を行うために、照明、エネルギー計測、HVAC、およびその他のビル システムを使用して設計されています。

「小規模な環境で統合をテストし、収益を測定する機会を検討してください。」

—Andrew David Hager 氏、CRB シニア機械エンジニア

Gray Solutions の Goodall 氏は、SI はベンダーに依存しないソリューションを提供し、多くの異なるプラットフォームにわたる専門知識を備えている必要があるため、通常、エンドツーエンドの統合は SI によって最も適切に提供されると示唆しています。 ただし、ユニット操作レベルのシステムは、OEM プロバイダーの方が適切なサービスを提供する場合があります。

統合プロセスはシステムインテグレーターまたはサプライヤーが実行できますが、データを組み込むための一連の操作を可能にするために、情報をどのように処理するかを知るための専門知識が必要であるとステラーズ・スミス氏は述べています。 これは、プロジェクトおよびプロジェクト予算に関与した個人またはチームの経験によって決まります。

CRB の Hager 氏は、統合は統合チーム、つまり設計者がサプライヤーとシステム インテグレーターの両方と協力することによって最も効果的に実行されると述べています。 「サプライヤーは、自社が販売する制御のサービスとしてシステム インテグレーターを常駐させるのが賢明でしょう。私は設計開発で制御の販売も行うシステム インテグレーターを何度も利用しましたが、はい、このサービスの対価として彼らに支払いました。私なら下請け業者のサービスにお金を払います。インテグレーターが常に制御の入札を勝ち取れるとは限りません。」

多くの人は、コントロールの販売も行っているシステム インテグレーターには「非常に注意する」と言うでしょう。なぜなら、インテグレーターだけが知っていた何かが欠けているのではないかという不信感があるからです、とヘイガー氏は言います。 早期に期待値を設定し、成果物に注意を払い続けます。 アプローチ、能力、規律の設計に関して第三者によるレビューやコメントを得ることは誰にとっても害にはなりません。

失敗する可能性があるほど大規模なプロジェクトに夢中になって取り組む必要はありません。 「小規模な環境で統合をテストし、収益を測定する機会を検討してください」と Hager 氏は言います。 中西部のプロセッサーは、機器メーカーの最新の機器とテクノロジーを利用して、小規模ながら最新の進歩を利用しています。 実績が得られると、同社は投資収益率に応じて、新しい施設で、または既存の施設をアップグレードすることで運営を拡大します。

「当社には、冷凍プロセスから回収された廃熱を HVAC システムに統合したり、CIP システムの市水予熱を統合したりする豊富な経験があります。」と Stellar の Smith 氏は述べています。 この生産消費者モデルでは、冷凍システムが廃熱の「生産者」となり、HVAC または CIP システムが廃熱の「消費者」になります。 基本的に、HVAC システムは流体冷却器となり、エネルギー、化学物質、水を節約します。 HVAC に廃熱を消費させることで、特定の状況下では、通常許容されるよりも多くの新鮮な空気を取り込み、室内の空気の質を向上させることができます。 また、凝縮システムを稼働させないことで機器の稼働時間とエネルギー消費量を削減し、水の使用量を削減することで化学物質の消費量を削減します。

それには、冷蔵チームと HVAC チームの間の機械側での統合が必要であり、最良の場合には、完全な制御システムを扱う単一のオートメーション ベンダーが必要になります。 「私たちは、この種のアプリケーションについて、グリーンフィールド アプリケーションとレトロフィット アプリケーションの両方に取り組んできました」と Smith 氏は言います。

統合の利点がコンサルタントやエンドユーザーによってよく理解されるようになると、そのような統合要件が詳細に説明されるのを目にすることがますます一般的になるだろうとスミス氏は言います。 エネルギーコストの上昇とより環境に優しいソリューションへの移行により、最終的にはより優れた統合ソリューションが必要になります。

ジェンドリック氏は、HVAC テクノロジーが大幅に改善され、持続可能性、自動化、実用的なデータに重点​​が置かれるようになると考えています。

「将来的には、ビル管理システムとユーティリティ システムの監視強化がこのプロセスの一部になると考えています」とグッドール氏は言います。 ワイヤレス センサーを使用すると、ブランチ、ポイント、またはリモート システムの場所でさらに多くのデータを収集できるようになり、プロセス データとユーティリティ データをリアルタイムで監視できるようになります。 機械学習と組み合わせることで、制御システムはエネルギー損失を予測し、問題が発生する前に対処できるようになります。

新しい監視システムから提供される追加データにより、システムまたはサイトのギャップ分析をより簡単かつ効果的に完了できるようになると Goodall 氏は付け加えています。 この分析により、エンジニアは次善のオペレーティング システムを見つけたり、廃棄エネルギー源を最も賢明なユーザーと組み合わせて、損失する前に回収または回収したりすることができます。

既存のシステムの統合は常に方程式の一部になります。なぜなら、最初はアップグレードのほうが新しいプラントを建設するよりも費用がかからないからです、とヘイガー氏は言います。 ただし、実行できるアップグレードの数には制限があります。 電気機械、プロセス制御、プラント HVAC システムの統合の将来は、メーカーが時間の経過とともにアップグレード能力を拡張できるように、設計開発にアップグレードのための対応策を設計することになります。 何事においても、柔軟性と拡張性を備えた計画を立ててください。