Elastyczne zakłady, elastyczni inżynierowie

Realia ekonomiczne zachęcają do odejścia od dużych, scentralizowanych zakładów produkcyjnych w kierunku instalacji mniejszych i bardziej lokalnych. Przeanalizujmy, jakie skutki z inżynierskiego punktu widzenia może przynieść takie przesunięcie akcentów.

Nikt nie zaprzeczy, że świat robi się coraz mniejszy. W dziedzinie biznesu, gdzie tylko się da, techniki komunikacyjne zastępują podróże, skracając odległości prawie do zera. Wykorzystując e-mail, telekonferencje oraz Internet przy minimalnych kosztach można w jednej chwili zebrać w jednym „miejscu” osoby rozrzucone po całym świecie w celu zaplanowania czegoś czy podjęcia „bezpośrednich” dyskusji.

W przypadku towarów i materiałów nie stać nas jednak na taki luksus. Nie ma alternatywnego rozwiązania dla przenoszenia konkretnych przedmiotów z punktu produkcji do punktu, w którym będą używane. Duże zakłady produkcyjne mogą sobie pozwolić na redukcję dużych skoków zapotrzebowań poprzez precyzyjne planowanie realizacji dużych zleceń dla klientów, którzy mają największe zapotrzebowanie w różnych okresach. Z drugiej strony koszty transportu, logistyka międzynarodowej spedycji, opóźnienia występujące pomiędzy poszczególnymi ogniwami łańcucha dostaw (wśród szybko zmieniających się potrzeb po obu stronach), a czasem brak porozumienia pomiędzy dostawcami a klientami, sprawiają, że wyzwania stojące przed dużymi, scentralizowanymi zakładami produkcyjnymi są trudne i złożone.

Podczas gdy wielkie fabryki mogą skuteczniej realizować produkcję dużej ilości jednego lub kilku typów produktów, mniejsze będą sprawniej wykonywać zamówienia na mniejszą skalę. Przybliżanie produkcji do użytkowników końcowych oznacza również budowanie „fabryk-butików”, które produkują to, co jest potrzebne na małym obszarze bez narażania się na niepewności dotyczące wydajności oraz z pominięciem wygórowanych kosztów spedycji. W przypadkach ekstremalnych takie zakłady obsługują tylko jednego klienta. Dedykowane zakłady muszą być mniejsze i elastyczniejsze od bardziej tradycyjnego rodzeństwa.

Pomysł przenoszenia produkcji bezpośrednio do klienta nie jest bynajmniej nowy. Firmy chemiczne stosujące azot (jako gaz obojętny używany na przykład w reakcji redukcji wodorem) od lat zmniejszały koszty zakupu gazu (przesyłanego w cylindrach lub cysternach), zamawiając u dostawców budowę małych fabryk bez dozoru, nazywanych generatorami azotowymi. Fabryki te stawia się w pobliżu chemicznych zakładów produkcyjnych, a gaz jest dostarczany stale poprzez system rurociągów. W taki sam sposób fabryki o dużej produkcji mogą zaopatrywać użytkowników o dużym zapotrzebowaniu.

 

Wpływ na wdrażanie

– „Fabryki-butiki” wymagają od inżynierów innego podejścia do wdrażania systemów sterujących – twierdzi Rahul Kulkarni, menedżer do spraw akwizycji danych i sterowania w firmie National Instruments. Uważa on, że inżynierowie domagają się sprzętu, który można skonfigurować dokładnie dla oprogramowania, z wbudowaną inteligencją. Wzbogacanie inteligencji sprzętu za pomocą programowalnych matryc FPGA (field-programmable gate arrays) stało się bardzo popularne. Dzięki temu inżynierowie mogą dynamicznie ładować programy odpowiednie dla różnych konfiguracji, z zachowaniem takiej samej architektury bazowej linii produkcyjnej. Pojawiły się narzędzia pozwalające na programowanie FPGA nawet bez znajomości zaawansowanego języka programowania – Verilog (VHDL).

Rys. Schemat prostego generatora azotu – typowy przyk3ad dla dedykowanej fabryki. Powietrze wchodzi do oerodka, w wyniku procesu powstaje azot oraz odpady gazowe.

 

Pojawienie się Ethernetu w aplikacjach automatyki przemysłowej również przyczyniło się do ułatwienia implementacji. Na bazie sieci opartej na Ethernecie inżynierowie mogą łączyć ze sobą „fabryki-butiki” w gigantyczne układanki. Nowe standardy również ułatwiają to zadanie. Standard IEEE 1588 – protokół precyzji czasowej (PTP) umożliwia synchronizowanie zegarów w czujnikach i urządzeniach uruchamiających w sieci opartej na Ethernecie.

 

Sterowanie w czasie rzeczywistym

Ponieważ dostawcy zazwyczaj umiejscawiają swoje zakłady w ściśle określonej odległości od zakładu wytwórczego (powyżej tej odległości wysyłka produktu staje się zbyt kosztowna), wyodrębniły się dwa rodzaje dedykowanych zakładów. W pierwszym przypadku zapotrzebowania są dokładnie znane, a poziom produkcji najczęściej względnie stały. Na przykład przemysłowe gazoliniarnie budują zakłady wytwarzające wodór, które zaopatrują rafinerie ropy naftowej w gaz potrzebny do procesu krakowania (rozbijanie większych cząsteczek na mniejsze molekuły). Zakład dostarcza klientowi ciągły strumień gazu, ale poprzez okresowe zwiększanie produkcji może również wytwarzać gaz do kontenerów lub płynny wodór, które mogą być wysyłane w inne lokalizacje. Fabryka musi jednak funkcjonować bardzo elastycznie, aby produkować dodatkowe ilości gazu, nie zaniedbując zaspokajania potrzeb rafinerii.

Fabryki drugiego typu buduje się, kiedy zapotrzebowania na produkt są różne i mniej przewidywalne. Rozważmy przykład tlenowni zasilających huty stali. Jedna huta może posiadać 10 procesów wytwarzania stali, z których każdy do zapewnienia wymaganych poziomów produkcji potrzebuje innej ilości tlenu. Chociaż rurociąg ma taką samą architekturę jak w przypadku ciągłego przepływu, system sterujący huty musi pobierać wymagane ilości tlenu w czasie rzeczywistym. Tlenownia utrzymuje minimalny poziom produkcji (co czasami oznacza wypuszczanie gazu, kiedy zapotrzebowania huty spadają poniżej tego poziomu), po czym zwiększa produkcję odpowiednio do zmieniających się warunków.

Nawet w przypadku bardzo precyzyjnego sterowania w czasie rzeczywistym dystrybucja zasilania gazem może przysparzać problemów w każdym z opisanych przykładów. Po wykryciu przerwy w zasilaniu system mógłby zarządzić przejście na zasilanie z cylindrów z gazem, utrzymywanych w rezerwie na wypadek zaistnienia takiej właśnie sytuacji. Chociaż to rozwiązanie pozwoliłoby zredukować zniżki w produkcji rafinerii czy też huty, potrzebna byłaby interwencja ludzi (a to zawsze oznacza niepewność). Ponadto gaz butelkowany kosztuje znacznie więcej niż wytwarzany lokalnie – co zresztą jest powodem budowania gazoliniarni. W konkurencyjnych gałęziach przemysłu, takich jak przemysł naftowy czy stalowniczy, producent nie może spokojnie zaakceptować zwiększenia ściśle określonych dla danego zakładu kosztów i przerzucenia ich na klienta. Taki epizod odbiłby się bowiem negatywniena zyskach firmy.

 

Kontrola przepływu

Sterowanie „elastycznym” zakładem to specyficzne wyzwanie. W przypadku różnorodnych poziomów produkcji trzeba ustawiać wiele parametrów procesowych. W tradycyjnej gazoliniarni sterowanie wymaga kadry operatorów, którzy ręcznie ustawiają parametry, takie jak: ciśnienie, czystość i przerób gazu.

Niektórzy producenci gazów przemysłowych stosują jako alternatywę zaawansowane, zmienne sterowanie procesami. Zamiast regulować parametry procesu, inżynier określa potrzebną wielkość produkcji oraz wymagane poziomy czystości i wysyła te informacje do systemu sterującego. Wielozmienny system sterujący spogląda dalej niż na chwilowy stan procesu. Wykorzystując znajomość zasad funkcjonowania procesu do równoczesnego manipulowania wszystkimi odpowiednimi parametrami, system sterujący procesami zapewnia przepływ oraz czystość gazu odpowiednio do wymagań specyfikacji klienta. Poprzez monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym system sterujący może przewidywać problemy i korygować je, zanim zdążą obniżyć jakość czy wielkość produkcji.

Wyobraźmy sobie na przykład zmienny system sterujący, który otrzymuje informację, że huta stali w określonym czasie będzie potrzebować zwiększonej o podany procent ilości tlenu. Na długo przed wyznaczonym czasem system sterujący procesami rozpoczyna manipulowanie parametrami sterującymi w celu uzyskania wzrostu produkcji bez obniżenia jakości produktu w okresie przejściowym.

Analiza systemowa może na przykład wykazać, że zmiana danego parametru spowoduje spadek czystości poniżej wymogów specyfikacji. W takiej sytuacji należałoby podjąć działania zaradcze odpowiednio wcześniej i wyregulować inne parametry, aby jakość produktu nigdy nie spadła poniżej specyfikacji. Działania te mają jednak pewne ograniczenia. Aby nie zostały naruszone reguły procesu czy zasady bezpieczeństwa, parametry nie mogą przekroczyć ustalonych wcześniej limitów.

 National Instruments – www.ni.com/poland