Gdy liczy się każdy grosz

Według Zarządu cementowni Capitol Aggregates w San Antonio w Teksasie (USA), w następstwie znacznego unowocześnienia pieców do wypalania ich przepustowość przekroczyła obecnie wydajność instalacji w dalszej części procesu przetwórczego.

  W celu wyeliminowania wąskich gardeł produkcyjnych Capitol Aggregates decyduje, czy skierować większe nakłady finansowe na unowocześnienie lub wymianę głównych elementów wyposażenia przetwórczego, czy też zainwestować je w technologię zwiększaj ącą sprawność operacyjną istniejącego wyposażenia.

 Parę słów o cemencie

 Ze względu na niewysoką – w przeliczeniu na wagę – cenę cementu, cementownie są zazwyczaj lokalizowane w pobliżu Ľródeł surowców, a gotowy produkt jest sprzedawany w pobliżu miejsca jego wytwarzania.

 W celu zwiększenia udziału w rynku i przyci ągnięcia nowych klientów producent cementu musi tak obniżyć koszty produkcji, aby skompensować stosunkowo wysokie koszty transportu.

 Najważniejszymi urządzeniami do produkcji cementu są piece do wypalania i młyny kulowe.

 Piece mają kształt odchylonych od poziomu rur stalowych o długości przekraczającej 50 metrów i średnicy ok. 8 metrów. Wykonują one od jednego do czterech obrotów na minutę. Wnętrze pieca jest wyłożone cegłą ogniotrwałą, która zapewnia odporność na temperatury przeróbki, osiągające 1870 st. C.

 Surowiec jest doprowadzany do pieca i bębnów przez coraz gorętsze strefy, aż do osiągnięcia strefy płomieniowej. Intensywne ogrzewanie wyzwala przemiany chemiczne i fizyczne, przekszta łcające tlenki wapnia i krzemu w krzemian wapnia. Na końcu pieca bryłki krzemianu wapnia nagrzane do czerwoności, określane są mianem klinkieru.

 Po ochłodzeniu klinkier jest transportowany do miejsca magazynowania. Jest teraz półproduktem zasilającym proces mielenia – „wąskie gardło” cementowni Capitol Aggregates. (Patrz schemat „Działanie młyna kulowego cementu”).

 Młyny kulowe cementu są poziomymi rurami ze stali, napełnionymi kulkami stalowymi. W miarę obracania się rury krusząi ścierają klinkier na miałki pył, noszący nazwę cementu portlandzkiego. Jako opóĽniacz uwodnienia dodawany jest gips – to powszechnie stosowana metoda regulacji szybkości „wiązania” cementu.

 Młyny mają duże przekroje przepływu powietrza przewietrzającego. Ta duża objętość powietrza pomaga utrzymać mały spadek ciśnienia w młynie i odpowiednio niskie zużycie energii przez wentylator do przewietrzania młyna, co jest szczególnie istotne w przypadku młynów, w których stosuje się dodatki nawilżające.

 W 1999 r. Capitol Aggregates zainwestował miliony dolarów w zwiększenie wydajności systemu pieców zakładu San Antonio z 1500 do 2000 ton dziennie. Projekt został zrealizowany pomyślnie, jak jednak wspomniano, po tym unowocześnieniu wydajność pieców przekracza zdolność przeróbczą operacji mielenia. Możliwe rozwiązania tego problemu obejmowały:

  •  mechaniczne unowocześnienie istniejących młynów kulowych,
  • wymianę istniejących młynów kulowych na urządzenia wykorzystujące nową technologię mielenia i/lub
  • optymalizację działania istniejących młynów kulowych.

 Aby zabezpieczyć inwestycję Capitol Aggregates, mened żer zakładu Tom Spaits zdecydował, że w pierwszej kolejności najlepiej będzie zoptymalizować pracę istniejącego młyna kulowego.

 Rozwiązanie APC (zaawansowana regulacja procesu)

 „Wypróbowaliśmy nowoczesne narzędzia regulacji, których podstawą jest logika rozmyta”, wyjaśnia Spaits, „jednak stwierdziliśmy, że te rozwiązania wymagają większego bieżącego nadzoru niż jesteśmy w stanie zapewnić. W dalszym ciągu, po omówieniu tego zagadnienia z naszym menedżerem procesu Tomem Giulianim, uzgodniliśmy, że w zmniejszeniu problemu „wąskiego gardła” operacji mielenia pomoże nam znalezienie rozwiązania zaawansowanej regulacji procesu (APC), które nie wymagałoby znacznych kosztów utrzymania”.

 „Rozpocząłem analizowanie rozwiązań APC i dotarłem do informacji o Pavilion Technologies. Było to wkrótce po tym, jak skupili się oni na zagadnieniach przemysłu cementowego”, mówi Giuliani. „Centralę firmy Pavilion umieszczono w pobliżu Austin, a jej personel zyskał doświadczenie w dziedzinie przemysłu cementowego. Nie mieli oni jednak udokumentowanych ilościowo sukcesów w tym przemyśle, zatem nie byliśmy skłonni do podpisania umowy i sprawdzenia, co w zamian moglibyśmy otrzymać.”

Optymalizacja nieliniowych parametrów produkcji

W większości procesów występują zmienne udziały nieliniowości. Czasem nieliniowość ta ma niewielkie znaczenie, w innych przypadkach występuje w rejonach leżących poza zakresem regulacji. W tych przypadkach tradycyjne algorytmy regulacji zapewniają odpowiednie rozwiązania. Jeżeli jednak nieliniowość jest znaczna lub występuje w rejonie regulacji, wymagane jest zastosowanie algorytmów nieliniowych. Jeżeli wymagania stawiane systemą regulacji obejmują ograniczenia ekonomiczne, jakościowe, energetyczne, szybkości i środowiskowe, można oczekiwać znacznego udziału nieliniowości. Jednak jeśli wszystkie ograniczenia znajdują się pod kontrolą, operacje biznesowe stają się zoptymalizowane. To, jak dobrze zoptymalizowana jest działalność, przynajmniej w części odzwierciedlane jest przez sprawność, z jaką działalność może dostosować się do zmian klasy produktu. W zależności od wartości produktu i częstotliwości zmian klasy produktu zaoszczędzić można tysiące dolarów dzięki zmniejszaniu czasów przejściowych zmiany klasy produktu (patrz wykres „Obracanie strat w zyski”). Moduł doskonalenia procesu Pavilion wykorzystuje sztuczne sieci neuronowe, modele kaskadowe oraz wektory czasowe, aby zapewnić lepsze zrozumienie przeszłych, bieżących i przyszłych zdarzeń, mające na celu wspomaganie optymalizacji procesów biznesowych, obejmującej skracanie czasów przejściowych zmian klasy produktów.

 Podobnie jak w wielu gałęziach przemysłu, w przemyśle cementowym istnieje zwyczaj kupowania sprawdzonych, gotowych rozwiązań, z którymi wiążą się gwarantowane rezultaty. Jednak mimo prowadzonych przez Capitol Aggregates dalszych poszukiwań nie znaleziono dostawcy rozwiązań zaawansowanych regulacji procesu, dysponującego potwierdzonymi przez stronę trzecią efektami ilościowymi.

 „Firma Pavilion była przekonana, że może spełnić nasze oczekiwania, jednak my chcieliśmy zminimalizować ryzyko”, mówi Spaits. „W końcu zawarliśmy umowę na 30 dni. Pavilion zaimplementuje zaawansowaną regulację procesu, a jeżeli jej efekty nie spełnią naszych uzgodnionych oczekiwań, zapłacimy tylko za czas pracy przy implementacji. Jeżeli wyniki spełnią nasze oczekiwania, zapłacimy firmie Pavilion opłaty licencyjne i koszty wdrożenia.”

Różnorodne modele

 Do pomiaru jakości i wytrzymałości produktu końcowego producenci cementu stosują tzw. liczbę Blaine’a. Liczby Blaine’a odnoszą się do powierzchni cząstek i są zazwyczaj wyra żane w cm2/gram. W produkcji cementu im mniejsza jest powierzchnia cząstki, tym cząstka jest drobniejsza, a jakość cementu lepsza.

 Metodologia rozpraszania światła wykorzystująca laserów ą technikę dyfrakcji pozwoliła producentom na stworzenie pracującego na bieżąco oprzyrządowania do pomiaru wielkości cząstek cementu. Jednak koszty urządzenia i koszty jego eksploatacji powodują często, że jest ono jest poza zasięgiem możliwości finansowych niektórych producentów cementu.

 Jako alternatywę fizycznego przyrządu do pomiarów bieżących Pavilion przygotował dla Capitol Aggregates wirtualny analizator Blaine’a (VOA) do pomiarów w trybie on-line.

 

Co 30 sekund analizator wirtualny Pavilion przyjmuje wiele sygnałów wejściowych w celu obliczenia pojedynczej wartości wyjściowej, przedstawiającej liczbę Blaine’a. Gdy gotowe są już wyniki analiz laboratoryjnych (w Capitol Aggregates ma to miejsce raz na cztery godziny), funkcja automatycznego przesunięcia punktu pracy koryguje model VOA. Wartość liczby Blaine’a, obliczona przez analizator wirtualny, jest zapamiętywana w historii danych zakładu i stanowi dane wejściowe dla modelu sterownika predykcyjnego (MPC) modułu doskonalenia procesu Pavilion (Pavilion’s Process Perfecter).

 „Doświadczeni operatorzy często potrafią ocenić jakość produktów, które wytwarzają. Możliwość porównania parametrów roboczych młyna kulowego, obliczonych przez analizator wirtualny VOA liczb Blaine’a, oraz próbek laboratoryjnych pomaga naszym operatorom oraz personelowi laboratorium utrzymać produkcję w granicach specyfikacji jakościowych” – mówi Spaits.

 Do sterowania młynem kulowym cementu wykorzystuje się system regułowy rozwiązań regulacji. Z niewielkimi tylko wyjątkami regulacja oparta na systemie regułowym stosuje liniowe strategie sterowania, młyny kulowe wykazują jednak wysoce nieliniowe zachowanie.

 Głównymi zmiennymi w przypadku młyna kulowego cementu są szybkość podawania nowego materiału i szybkość pracy oddzielacza.

 Zmienne i ograniczenia regulacji obejmują poziom wypełnienia młyna lub obciążenie przenośnika, przepływ powrotny z oddzielacza i drobnoziarnistość cementu.

Zmienne zakłócające, które mogą oddziaływać na model sterownika predykcyjnego, obejmują szybkość wentylatora pieca, rozpylanie wody i zdolność przemiałową klinkieru (twardość).

Wykorzystując trzymiesięczne dane historyczne młyna kulowego, inżynierowie firmy Pavilion opracowali modele analizatora wirtualnego (VOA) oraz sterownika młyna kulowego i wykonali stosowne testy. Modele VOA i MPC były gotowe do uruchomienia w czasie krótszym niż dwa tygodnie.

 Moduł doskonalenia procesu Pavilion wykorzystuje modele kaskadowe i zintegrowane trajektorie, umożliwiające współdzielenie danych i obliczanie przyszłych kroków regulacji. Funkcja ta umożliwia operatorom sprawdzenie, w jaki sposób model sterownika predykcyjnego regulował proces w przeszłości, i jaki sposób regulowania przezeń procesu jest oczekiwany w najbliższej przyszłości.

 „Ponieważ nasi operatorzy mogli stwierdzić, jakie czynności sterownik przewidywał do wykonania w następnej kolejności, szybko upewnili się, że reguluje on proces w sposób odpowiedni i bezpieczny. Niemal od pierwszego dnia operatorzy byli przekonani do czynności, jakie zamierzał podjąć sterownik predykcyjny” – mówi Giuliani.

 Wyniki 10 dni pracy z wykorzystaniem rozwiązania modelu sterownika predykcyjnego wykazały, że można się spodziewać bardzo dobrych efektów. Do końca 30-dniowego okresu próbnego rozwiązanie firmy Pavilion przyniosło wyniki przekraczające oczekiwania operacyjne Capitol Aggregates. Okazało się też, że rozwiązanie to nie będzie wymagać rozbudowanego nadzoru.

 „W ciągu kilku tygodni rozwiązanie Pavilion umożliwiło nam zwiększenie produkcji o ponad 10%. Korzyści finansowe, jakie spodziewamy się osiągnąć, zachęcają do zastosowania go w całej naszej instalacji” – twierdzi Max Frailey, wiceprezes Capitol Aggregates.

 Rozszerzanie zastosowania

 Capitol Aggregates w pierwszej kolejności zastosował moduł doskonalenia procesu Pavilion w jednym z dwóch młynów kulowych. PóĽniej został dodany drugi młyn kulowy, a obecnie trwają badania mające na celu dołączenie pieca tunelowego.

 „Usprawnienie operacyjne uzyskane już dzięki modułowi doskonalenia procesu dowodzi, że powinniśmy zrobić to wcześniej” – mówi Spaits. – „Po zakończeniu optymalizacji procesów produkcyjnych zamierzamy zbadać możliwości wspomagania za pomocą modułu doskonalenia procesu optymalizacji innych jednostek biznesowych, takich jak prognozowanie zużycia energii i emisji do środowiska. ”

Rzadko się zdarza, aby małe przedsiębiorstwo produkcji towarowej analizowało możliwość użytkowania, a potem korzystało z technologii optymalizacji produkcji i zysków. Inwestując w tę technologię, Capitol Aggregates wykazał swoją wiodącą pozycję w przemyśle.

Komentarze? Email: dharrold@reedbusiness.com

Dalsze informacje…

Aby uzyskać dalsze informacje, prosimy odwiedzić witrynę

WWW, której adres znajduje się poniżej, lub wprowadzić podany

numer pod adresem www.controleng.com/freeinfo

– Pavilion

www.pav.com