O desafio crescente do consumo de energia na refrigeração industrial

A refrigeração industrial representa uma das áreas operacionais de maior consumo de energia nas fábricas de alimentos. Em instalações típicas de produção de alimentos congelados, os sistemas de refrigeração consomem até 70% da energia elétrica total.

Historicamente, os engenheiros de fábrica operavam conjuntos de compressores e chillers com base exclusivamente na demanda de resfriamento, e não na máxima eficiência energética. Os operadores humanos enfrentam limitações significativas ao gerenciar, em tempo real, flutuações dinâmicas de carga, variações na temperatura ambiente e complexos inversores de frequência (VFDs).

Otimização autônoma por IA com tecnologia de uma arquitetura DCS moderna

Para resolver essas ineficiências, a Rockwell Automation colaborou com a parceira de integração de sistemas Actemium para desenvolver uma solução de otimização autônoma. Conhecida como Coeficiente de Desempenho em Tempo Real (RtCOP), essa aplicação avançada opera diretamente no Sistema de Controle Distribuído (DCS) PlantPAx® da Rockwell.

O RtCOP funciona como um operador virtual contínuo em toda a rede da fábrica. O sistema avalia simultaneamente as capacidades operacionais, a integridade dos equipamentos, a eficiência térmica e as condições ambientais. Além disso, seleciona e comanda dinamicamente os setpoints operacionais mais eficientes em termos de energia para compressores, evaporadores e ventiladores dos condensadores.

Destaque técnico: o DCS PlantPAx fornece comunicação determinística de alta velocidade entre controladores e conectividade contínua com a IoT industrial, garantindo baixa latência entre a inferência do modelo de IA e a execução do loop de controle em tempo real.

Economia de energia quantificável e benefícios operacionais

As implementações iniciais em campo em uma importante fábrica de batatas fritas congeladas produziram resultados imediatos e mensuráveis:

Além disso, os painéis de KPI de toda a frota permitem que os engenheiros comparem, em tempo real, as métricas do coeficiente de desempenho (COP) entre várias unidades geográficas.

Visão de especialista: a transição para a automação autônoma de fábricas

Do ponto de vista de um especialista sênior em automação industrial, este projeto destaca uma tendência crítica: a convergência do controle clássico de processos com a inteligência artificial moderna na borda.

Os controladores lógicos programáveis (PLCs) e as plataformas DCS tradicionais são excelentes em intertravamentos de segurança determinísticos e na regulagem de loops proporcional-integral-derivativos (PID). No entanto, o controle PID linear tem dificuldade para otimizar com eficiência sistemas térmicos não lineares e multivariáveis.

Ao executar modelos de otimização em tempo real orientados por IA em conjunto com camadas de controle determinísticas, os engenheiros obtêm otimização energética em malha fechada sem comprometer a estabilidade do processo nem os padrões de segurança funcional (como a IEC 61508 / IEC 61511).

Cenário de aplicação: modernização de um chiller industrial de amônia com múltiplos estágios

Para ilustrar como esse sistema funciona em um ambiente industrial prático, considere uma operação típica de congelamento de alimentos em larga escala:

1. Avaliação da linha de base: uma planta industrial de refrigeração com amônia e múltiplos estágios utiliza cinco compressores de parafuso de 500 HP e quatro condensadores evaporativos.
2. Integração com o DCS: os engenheiros instalam a camada de software RtCOP no DCS PlantPAx existente, conectando a instrumentação de processo por meio de redes EtherNet/IP.
3. Ingestão de dados: o modelo de IA processa, em tempo real, a pressão de sucção, a pressão de descarga, a temperatura de bulbo úmido, os medidores de consumo de energia e a umidade ambiente.
4. Controle autônomo de setpoints: em vez de operar três compressores com cargas fixas de 80%, o RtCOP ajusta autonomamente as velocidades dos VFDs para operar quatro compressores no ponto ideal de 58%, reduzindo drasticamente o consumo total de energia (kW/tonelada) e mantendo temperaturas rigorosas de congelamento do processo.

Sobre o autor

Zhang Wei é arquiteto principal de automação industrial e sistemas de controle, com mais de 15 anos de experiência prática em campo. É especializado em Sistemas de Controle Distribuído (DCS) de grande escala, Controladores Lógicos Programáveis (PLCs), Instrumentação e Controle de Turbomáquinas (TSI) e proteção de redes elétricas industriais em diversos setores de processo no mundo todo.