Print

Řešení nestability procesů

-- 06.09.10

Některé procesy se zdají být těžko zvládnutelné: Smyčky se nechtějí vyladit, narušení jsou na denním pořádku a produkty jsou mimo specifikace. V automatizaci nic neběží, tak jak má, a nemůžete přijít na to proč. Jaké jsou hlavní příčiny svévolných procesů a jak je napravíte přímo u zdroje? Jak tyto příčiny zjistit?


Jsou dny, kdy se zdá, že máte v závodě šotka, který si dává záležet na tom, aby vám co nejvíce znepříjemnil život. V automatizaci nic neběží, tak jak má, a nemůžete přijít na to proč. Jaké jsou hlavní příčiny svévolných procesů a jak je napravíte přímo u zdroje? „Narušení mohou mít nejrůznější původ: bouřku, variabilitu surovin nebo závady zařízení,“ říká George Buckbee, diplomovaný inženýr, viceprezident pro marketing a vývoj produktů společnosti Exper-Tune. „Skutečným problémem je to, že narušení mají tendenci šířit se závodem.

Většina procesů má určitou odolnost vůči vykolejení, ale narušení se stále pohybují okolo.“ Někdy tento pohyb znesnadňuje nalezení příčiny daného projevu, protože se na první pohled může zdát, že tyto dva aspekty spolu nesouvisejí. Zde začíná skutečná detektivní práce. Naštěstí je k dispozici mnoho nástrojů, které vám práci mohou usnadnit. Jakmile si ověříte, že většina základních koncepcí samotného procesu není chybných, problém lze rozdělit do čtyř hlavních kategorií:


• návrh procesu a strategie řízení,

• výběr a dimenzování hardwaru,

• nefunkčnost zařízení a

• variabilita podmínek.


I když se tyto aspekty v některých oblastech překrývají, je užitečné začít oddělovat problémy a jejich související projevy k analýze.

Návrh a strategie

Strategie řízení může být problémem častěji, než si uživatelé uvědomují. Skutečnost, že řídicí systém je instalován, a může být dokonce relativně nový, není žádnou zárukou toho, že skutečně dokáže řídit procesy tak, jak má. Pokud programátoři nevyladili systém natolik dobře, aby jednotlivé funkční smyčky běžely automaticky, základní strategie může být špatná. Pak zůstává na operátorech, aby se pokoušeli přemostit slabá místa řetězce provozováním některých smyček v manuálním režimu. Takové situace není těžké detekovat, protože někteří operátoři a směny poběží lépe než jiné. (K této otázce se ještě vrátíme.) Existují další typy problémů se strategií, které nejsou tolik patrné, ale o to jsou problematičtější.

Například některé průběžné procesy mají sklon k oscilaci. Když začnete hledat příčinu, můžete zjistit, že existují diskrétní nebo dávkové prvky, které mohou narušit celkovou situaci, pokud neprovedete náležitou kompenzaci. Bob Rice, ředitel pro technická řešení společnosti Control Station, uvádí příklad: „Představte si cementárnu s rozvrhem dávkování z různých sil po 10 nebo 15 minutách, což pro jednotlivá sila představuje cyklus plnění a vyprazdňování. Dostanete přirozenou oscilaci dávkování podle toho, kolik materiálu se v silu nachází.Tato oscilace se může přenášet do celého závodu a nikdy se jí nezbavíte, protože jde o určitý druh dávkové operace.

Abyste takovou oscilaci minimalizovali, musíte ji řešit co nejdříve. Je možné, že se ji vždy odstranit nepodaří, ale měli byste přinejmenším vědět, odkud pochází. Pak můžete najít oblast, která je jí nejblíže, a některé problémy zmírnit. Jde o to zjistit hlavní příčinu a najít ten nejhospodárnější způsob její nápravy.“ Někdy není tak lehké najít zdroj oscilace. Klíčem k její lokalizaci může být vyhledání všech aspektů, na které má vliv. „Pokud máte určitý průběžný cyklus, nejdůležitější je vědět, že příčina narušení a všechny oblasti, které jsou jím ovlivněny, oscilují na stejné frekvenci neboli se stejnou periodou,“ doporučuje Buckbee.

„To je velmi užitečné. Jaká je perioda oscilace? V dnešní době již můžete provádět masivní analýzu Fourierovy transformace, která rozdělí každý signál v závodu na jeho komponentní frekvence, a poté je seřadí podle frekvencí oscilace a řekne – ‚Pokud mám tento cyklus, který ovlivňuje můj konečný produkt a přichází s periodou šesti minut, které další záležitosti také oscilují s cyklem šesti minut?‘ S jistou znalostí procesu pak dokážete velmi rychle určit hlavní příčinu. Ze všech těchto smyček, běžících s cyklem šesti minut, je tato nejdále proti proudu procesního toku a na ni se musíme zaměřit jako první.“

Při provádění takové analýzy je nezbytné si uvědomit, že příčina může být vzdálenější, než si myslíte, a že se nemusí vždy nacházet proti proudu procesního toku. Tom Kinney, ředitel pro vývoj řešení společnosti Invensys Operations Management, uvádí jeden příklad: „V jednom případu v rafinerii na západním pobřeží se do cyklu dostalo řízení teploty hlavního reaktoru ve fluidní katalytické krakovací (FCC) jednotce. Ať už ladili vše okolo reaktoru nebo regenerátoru, stále se toto řízení dostávalo do cyklu. Použili jsme analytické nástroje a metody, a ty poukázaly na ventil na zadní straně hlavního frakcionátoru, o několik významných zařízení dále po proudu procesního  toku. Ale protože šlo většinou o parní fázi, změny tlaku udělaly své a způsobovaly změny teploty. Na zadní straně hlavního frakcionátoru jsme našli zařízení pro nastavování ventilu do správné polohy, které nebylo kalibrováno od jeho instalace v roce 1955. To bylo hlavní příčinou problému.“

Výběr hardwaru


Jednou z realit života zpracovatelského závodu je to, že jen málo jednotek vyrábí stejný produkt nebo přenáší ten objem, pro který byly původně konstruktéry postaveny. Ekonomické faktory nutí majitele závodů, aby jednotky provozovali vysoko nad rámec jejich předpokládaných kapacit. Tím se dostanou na světlo nedostatky, které by při umírněnějším využívání zůstaly nepovšimnuty. „Ještě jsem neviděl proces, který by byl dimenzovaný ideálně,“ podotýká Rice. „Možná byl ideální při zahájení výroby, ale už o dva týdny později se jej snaží provozovat na dvojnásobnou kapacitu, než pro jakou byl navržen. Nebo navrhnou čerpadlo s obrovskou rezervní kapacitou, které však nikdy nedosáhne. Oba případy jsou problematické, protože pokud je vaše zařízení předimenzované, poběží u dna svého provozního rozsahu, a pokud je poddimenzované, běží stále naplno. V obou případech máte malý prostor k řízení.“

Dimenzování ale není jediným problémem. Také typ řídicího zařízení a způsob jeho fungování musí odpovídat povaze procesu a jakýmkoli narušením, s nimiž se může setkat. „Pokud ve vašem procesu existuje frekvence, například oscilující proces s frekvencí 5 sekund, ale časová konstanta na vašem ventilu, čerpadle nebo jakémkoli jiném řídicím prvku je 20 sekund, nikdy nebudete schopni odblokovat vlivy, která jsou rychlejší než možnosti výstupu vašeho řídicího prvku. Váš konečný řídicí prvek musí být rychlejší než rušivý vliv. Jinak budete stále obnovovat z posledního rušivého vlivu, když udeří nový,“ dodává Rice.


Selhání zařízení


Věci, které prostě nefungují, mohou ze života udělat utrpení. Pokud závod není udržován, výroba se bude neustále potýkat s tím, aby přemosťovala tyto slabé články řetězce a hledala berličky pro zařízení, které nedělá to, co má. Vyřešení tohoto problému se základní údržbou je nad rámec této diskuze, ale pokud vaše zařízení obecně funguje, není těžké pochopit, že pokud se jeden tlakový senzor dostane mimo kalibrační meze nebo regulační ventil začne váznout, operátoři z toho mají těžkou hlavu. „Pokud chcete mít procesy stabilní, řídicí prvky musejí fungovat,“ říká Herman Storey, procesní konzultant. „Hodně pomůže inteligentní diagnostika, protože přinejmenším zjistíte, co se pokazilo.

Jinak byste to bez spousty manuální práce nezjistili. A to je jen povrch toho, co se může v procesu pokazit – zanesení nečistotami, degradace katalyzátoru a mechanické opotřebení.“ To je jistě pravda, ale Storey poukazuje na to, že jen velmi málo firem naplno využívá programy správy výrobních prostředků, i když mohou být nesmírně přínosné. Zároveň výrobci řídicích systémů neustále přicházejí s doporučeními, jak by měli operátoři vyhodnocovat diagnostické informace, rozhodnou-li se je využívat. Ben Mansfield, marketingový manažer pro systém PAX společnosti Rockwell Automation, vysvětluje, jak nový diagnostický systém funguje.

„Můžeme vám na vyšší úrovni ukázat, kde máme alarm, nepravidelnost, nebo dokonce chybu konfigurace zařízení, a to pomocí malé ikony,“ říká. „S tím, jak se noříte hlouběji, tato ikona zůstává přítomna a vede operátora k displeji jednotky. Mohu například vidět alarm nízkého průtoku, a ten mne dovede k displeji jednotky, na níž se tento stav vyskytuje, a nakonec si mohu vyvolat jeho obrazovku a vidět, že regulovaná veličina je mimo rozsah, že jsem dosáhl horního limitu nebo něco podobného. Mohu také získat určitou rozšířenou diagnostiku z přístroje, která mi řekne více podrobností – například, že se v potrubí nachází vzduchová kapsa.

V dřívějších dobách bych se o tom nedozvěděl. Viděl bych jen hodnoty 22 mA nebo 3,5 mA a nevěděl bych, co je příčinou problému. Nyní mohu díky technologii přístrojové techniky získat další diagnostické informace. Operátory může k problému navést přímo rozhraní HMI.“ Tato vyspělá diagnostika vám může říci spoustu informací o tom, co se děje v procesu, nad rámec stavu jednotlivého zařízení. Chování průtokoměru může naznačovat, že se začíná zanášet nebo že jím proudí dvoufázový tok, ale jen v případě, že máte možnost přístupu k takovým informacím.

Variabilita


Během několika posledních let se o variabilitě ve zpracovatelské výrobě uvažovalo především v souvislosti se surovinami. Jedním z dobrých příkladů je zpracování ropy, protože rafinerie se musí přizpůsobovat skutečnosti, že dodavatelé ropy, na které se spoléhají, nemusejí být dostupní nebo mohou být příliš drazí. Zdroje dodávek, které se obtížně zpracovávají, jsou často nahrazovány, což přináší nové problémy s řízením. Pokud je variabilita surovin skutečně problémem, závod musí mít vhodnou přístrojovou techniku pro měření konkrétních parametrů surovin, které mohou způsobovat potíže. Tímto způsobem může koncepce řízení obsahovat náležité nápravné strategie. Variabilita však může mít i interní příčiny a jedním z prvních míst, na něž byste se měli zaměřit, jsou rozvodné systémy závodu, protože ty mohou propojovat několik jednotek.

„Narušení mohou začínat v procesu kotlové napájecí vody,“ říká Buckbee. „Tato narušení se šíří po proudu procesního toku a ovlivňují každého uživatele energie v závodě. Je obvyklé, že rozvodný systém využívá několik součástí závodu, takže pokud začne určitá jednotka běžet a odebírat páru, tlak v kolektoru poklesne a to může vést k narušení v jiných částech závodu.“ Mnoho problémů souvisejících s rozvodným systémem, jako je tlak ve sběrači páry, je snadno patrných, ale často se na neočekávaných místech mohou vynořovat nenápadnější potíže. Pokud se pracovník hledající zdroj problému nepodívá mimo oblast, kde se problém projevuje, nemusí zdroj nikdy najít. „Lidé se zaměřují jen na část procesu, přičemž ve skutečnosti se problém může nacházet v jiné části procesu,“ poznamenává Kinney.

„Často může problém spočívat v rozvodném systému – rozvodu páry, kondenzačním systému nebo v systému chladicí vody – které jsou společné a mohou ovlivnit mnoho oblastí závodu. Při prvním pohledu na místní řídicí prvek, kde se problém projevuje, nemusí být patrná přímá nebo zjevná vazba.“ V některých případech mohou nové problémy přinést také programy pro úsporu energie nebo snížení objemu odpadu, které firmy zavádějí. Program samotný může být efektivní a snížit objem využívání zdrojů, ale může mít vedlejší účinky. Například jedna jednotka může zachycovat odpadní teplo z druhé jednotky. I když to může zvýšit efektivitu, dochází rovněž ke spojení dvou procesů, pro jejichž spojení není žádný důvod, a může tak vzniknout kanál pro šíření narušení. Čím více propojení, tím je více cest pro šíření problémů.

„Lidé chápou základy interakce, ale v případě recyklačních smyček a opětovného použití tepla to může být velmi obtížné,“ dodává Buckbee. Vzhledem ke složitosti moderních procesů je velmi obtížné uvažovat o zdroji narušení v měřítku celého systému. Byli byste velmi překvapeni, kolik závodů neměří teplotu prostředí a nezadává ji do svého řídicího systému. Například u petrochemických závodů na zpracování ropy a zemního plynu v Mexickém zálivu způsobují jedna z největších narušení bouřky. Náhle se změní teplota a barometrický tlak a déšť začne zvenčí omývat neizolované procesní jednotky. Tento faktor je důležité sledovat, už jen proto, abyste jej mohli případně eliminovat jako příčinu narušení. Pokud z problému viníte surovinu a ve skutečnosti je za tím změna počasí, ztrácíte čas.“

Správné nástroje


Existují dvě hlavní kategorie nástrojů, které usnadňují hledání příčiny problému: simulace procesu a analýza chování smyčky a interakcí. Obě z nich poskytují důležité dedukční informace pro diagnózu a testování možných řešení. Nástroje pro analýzu chování smyčky a procesních interakcí využívají matematickou analýzu pro zjištění, jak by se smyčky měly chovat a jak jsou různé části procesní jednotky nebo většího závodu propojeny. Tato propojení nemusejí být zřejmá, ale jsou to kanály pro pohyb narušení a oscilací z jednoho místa na druhé. Buckbee si vybavuje příklad, kdy jistý uživatel tuto metodu s úspěchem využil. „V závodu na výrobu plastických hmot v Alabamě se jeden pracovník snažil najít příčinu kolísání tlaku vodíku,“ říká.

„Mapa procesních interakcí poukázala na teplotu chladicí věže a on si říkal – „To je ale půl kilometru daleko, ve zcela jiné části závodu.“ Ale jakmile se podíval na své procesní diagramy, začalo to dávat smysl. Jednoduchou úpravou způsobu fungování ventilátorů chladicí věže se mu podařilo dosáhnout nejen stabilizace smyčky vodíku, ale také velké části závodu, která ve svých procesech následovala změny teploty chladicí vody. Bez takového analytického nástroje by řešení mohl hledat i několik týdnů.“ Jakmile se domníváte, že jste našli příčinu problému, anebo si chcete ověřit, zda bude určité řešení fungovat ještě před zavedením ve skutečném závodě, můžete svou teorii otestovat na platformě simulace procesů. Lze si zde také vyhodnotit svou základní řídicí strategii a ujistit se, zda dokáže závod řídit správně.

Pokud se na této úrovni vyskytují problémy, vaše pokusy o nápravu méně podstatných oblastí se nakonec ukážou jako zbytečné. Efektivní simulátor procesů umožňuje hrát hry typu „co by bylo, kdyby“ a proces modifikovat. Obvykle se tato schopnost používá pro školení operátorů, ale můžete zde například nechat uváznout ventil nebo selhat přístroj, a sledovat, jak to ovlivní chování procesu. V některých případech to může pomoci najít řešení. Reaz Kabir je vedoucím pro obchod se simulačními aplikacemi společnosti Honeywell Process Solutions. Pozoruje stále větší využívání simulátorů jakožto dedukčních nástrojů.

„Nebývalo to obvyklé, ale stává se to stále častěji. V roce 2008 jsme spolupracovali se závodem, který ve velkých objemech vyráběl chemikálie, po nichž byla velká poptávka.Problémem v závodě bylo to, že nedokázali dosáhnout zákazníkem požadované míry čistoty 99,8 %. Navzdory všem jejich snahám nedokázali přimět závod, aby jim dával to, co potřebovali. Už za jeden den práce na simulátoru doporučili zvýšit poměr zpětného toku u jedné z destilačních kolon. Toto prosté řešení problém vyřešilo bez jakékoli ztráty produktu. Metodou pokus-omyl se o nápravu pokoušeli déle než měsíc.“

Správné zdroje


I když jsou nástroje pro provedení práce k dispozici, firmy musejí mít řídicí procesy pro jejich využívání. To nemusí znamenat nutnost individuálnější iniciativy, ale spíše zajištění školení a také dostupnosti a efektivního využívání lidí s těmi správnými dovednostmi. „Musíte mít pracovníky, organizaci, vedení a kulturu, která říká: ‚Jsme odhodláni zajistit, aby tyto věci fungovaly‘ a postupovat podle toho,“ říká Storer.

Kapitálové výdaje navíc jsou zanedbatelné, ale další dovednosti a pozvednutí kultury jsou velmi významné. Nástroje se neustále zlepšují, ale otázky související s pracovníky nejsou jednodušší. Máme více příležitostí, lepší a spolehlivější zařízení, ale méně dovedností a zdrojů potřebných pro využívání těchto nástrojů. Je technicky možné odvádět dnes lepší práci, než jsme byli schopní kdykoli dříve. Ovšem v oblasti financování a zdrojů k žádnému usnadnění nedošlo.“

Ce


Peter Welander je redaktor vedoucí redaktor časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese pwelander@cfemedia.com.

 

Autor: Peter Welander, Control Engineering


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Functional Safety Engineer Training v Bratislave
2018-06-26 - 2018-06-29
Místo: Bratislava
Moderní technologie pro potravinářský průmysl
2018-09-25 - 2018-09-25
Místo: Olomouc
Moderní technologie pro farmaceutický průmysl
2018-09-26 - 2018-09-26
Místo: Olomouc
PROMOTIC SCADA + eWON flexy workshop
2018-09-26 - 2018-09-26
Místo: Hotel Absolutum Boutique Hotel, Praha
MSV Tour 2018
2018-10-01 - 2018-10-04
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2018 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI