Niektóre obiekty wydają się być trudne w sterowaniu: pętle regulacji nie chcą się stroić, praca jest pełna rozczarowań, a produkty nie spełniają wymagań. W jaki sposób znaleźć przyczynę?
Czasem możesz mieć wrażenie, że w zakładzie zagnieździły się gremliny i robią wszystko, aby uprzykrzyć ci pracę. Nic nie pracuje w trybie automatycznym tak jak powinno i nie możesz ustalić dlaczego. Co sprawia, że proces jest nieposłuszny i jak poradzić sobie z odnalezionym problemem? ? Źródłem rozczarowania może być wszystko: burza, różna jakość surowców lub wadliwe wyposażenie ? twierdzi George Buckbee, wiceprezes marketingu i rozwoju produktu w ExperTune. ? Prawdziwym problemem jest to, że nieszczęścia lubią rozprzestrzeniać się po zakładzie. Większość procesów jest odpornych na drobne zmiany parametrów, ale nieszczęścia i tak chodzą parami.
Czasem trudno jest na podstawie symptomu określić źródło problemu, bo skutek wydaje się być niezwiązany z przyczyną. Wtedy zaczyna się prawdziwa praca detektywistyczna. Na szczęście do dyspozycji jest wiele narzędzi, które mogą uczynić twoją pracę łatwiejszą.
Kiedy jesteś przekonany, że to nie idea procesu i jego podstawowe cechy są źródłem niespodzianek, możesz podzielić problemy na cztery główne kategorie:
- Proces technologiczny i strategia sterowania
- Dobór urządzeń
- Nieprawidłowa praca urządzeń
- Zmienność
Chociaż w niektórych obszarach wymienione kategorie nakładają się na siebie, dobrą praktyką jest rozpoczęcie analizy od podziału problemów i towarzyszących im objawów.
Proces technologiczny i strategia sterowania
Koncepcja sterowania może być problemem znacznie częściej, niż można by podejrzewać. Fakt, że system sterowania jest gotowy do pracy i jest może nawet relatywnie nowy, nie gwarantuje sterowania procesem w zamierzony sposób. Jeśli projektanci nie stworzyli systemu, w którym wszystkie pętle regulacji mogą pracować w trybie automatycznym, podstawowa koncepcja sterowania może niestety okazać się błędna. To zmusza operatorów do próby obejścia słabych ogniw łańcucha poprzez zmianę trybu pracy niektórych pętli na ręczny. Takie sytuacje nie są trudne do wykrycia, ponieważ niektórzy operatorzy oraz całe zmiany będą radzili sobie z tym faktem lepiej niż inni.
Istnieją też subtelne problemy związane ze strategią sterowania, jednak nie mniej kłopotliwe. Przykładem może być skłonność procesów ciągłych do oscylacji. Kiedy rozpoczynasz poszukiwania jej źródła, może się okazać, że w systemie znajdują się elementy dyskretne lub wsadowe, które w razie braku kompensacji zaburzają cały obraz zagadnienia. Dr Bob Rice, dyrektor działu projektów w Control Station, podaje przykład: ? Wyobraź sobie fabrykę cementu, w której przez 1015 min pobierasz składniki z różnych zbiorników i mieszasz je w silosie głównym. Silos ten jest napełniany i opróżniany w cyklu. Otrzymujesz naturalne oscylacje w przepływie składników cementu, które są wynikiem różnego stopnia napełnienia silosu. Oscylacje te przenoszą się na wszystkie urządzenia w fabryce i nigdy nie pozbędziesz się ich całkowicie, ponieważ taki jest charakter procesu. Aby je zminimalizować, musisz poradzić sobie z nimi najszybciej jak to możliwe. Nie zawsze będziesz w stanie to zrobić, ale powinieneś chociaż znać źródło tych oscylacji. Możesz wtedy próbować szukać rozwiązania gdzieś w pobliżu i łagodzić powiązane problemy.
Czasem źródło oscylacji nie jest tak proste do zlokalizowania ? aby do niego dotrzeć, trzeba odnaleźć każdy element, który im podlega. ? Kiedy coś wydaje się pracować ze stałym okresem, ważne, abyś wiedział, że wszystkie wtórnie oscylujące elementy oscylują z tą samą częstotliwością lub tym samym okresem co źródło oscylacji ? radzi Buckbee. To bardzo ważna wskazówka. Jaki jest okres oscylacji? Dziś łatwo jest przeprowadzić analizę Fouriera sygnału, która rozkłada dany sygnał na szereg okresowych funkcji (sygnałów) bazowych. Następnie funkcje te należy posortować względem częstotliwości i stwierdzić: ?Jeśli ten cykl wpływa na produkt finalny, a jego okres wynosi sześć minut, to co jeszcze oscyluje w systemie z takim okresem?? Posiadając choćby podstawową wiedzę o procesie, możesz szybko określić potencjalnych winowajców. Ze wszystkich pętli regulacji, których okres wynosi sześć minut, ta jedna znajduje się najbliżej początku procesu, więc tej należy się przyjrzeć w pierwszej kolejności.
Wyzwanie w przeprowadzaniu takiej analizy stanowi fakt, że źródło oscylacji może być znacznie dalej, niż myślisz i nie zawsze znajduje się blisko początku procesu. Tom Kinney, dyrektor działu architektury rozwiązań w Invensys Operations Management, przytacza przykład: ? W rafinerii na Zachodnim Wybrzeżu USA temperatura głównego reaktora przeprowadzającego proces krakowania katalitycznego podlegała cyklicznym wahaniom. Wykorzystaliśmy sprawdzone narzędzia i techniki, które wskazały na potencjalne źródło problemów ? zawór wyjściowy urządzenia frakcjonującego znajdującego się kilka pozycji dalej w procesie. Ponieważ medium znajdowało się w fazie lotnej, ciśnienie mogło przedostawać się z powrotem i powodowało odchyłki temperatury. Odnaleźliśmy przyczynę problemu ? ustawiacz zaworu stanowiącego ostatni element głównego frakcjonatora, który nie był kalibrowany od momentu uruchomienia, czyli od 1955 roku.
Dobór urządzeń
Jednym z przemysłowych faktów jest to, że niewiele urządzeń jest wykorzystywanych dokładnie do tego, co przewidział producent, i obciążanych tak, jak zaleca producent. Przesłanki ekonomiczne powodują, że właściciele fabryk eksploatują urządzenia na granicy wytrzymałości. Istniejący deficyt możliwości może jednak pozostać niezauważony w przypadku umiarkowanego użycia.
? Nigdy nie widziałem procesu, którego wielkość i zapotrzebowanie na ?moc? zostały określone dokładnie ? zauważa Rice. ? Może proces i urządzenia stanowiły dobrą parę przy pierwszym uruchomieniu, ale nie dwa tygodnie później, kiedy zdecydowano się na dwukrotne zwiększenie wydajności w stosunku do założeń projektowych. Albo zaprojektują przewymiarowaną pompę, której możliwości nigdy nie wykorzystają. Jeśli przewymiarowałeś urządzenia, będziesz pracował blisko jego minimalnych możliwości, jeśli natomiast niedoszacowałeś ?mocy?, będziesz pracował przy górnej granicy. W obu przypadkach możesz mieć problem ze sterowaniem.
Dobór urządzeń i szacowanie ?mocy? to niejedyny problem. Typ urządzenia sterującego i sposób jego pracy musi być dopasowany do natury procesu i niespodzianek, jakie mogą się pojawić. Rice dodaje ? Jeśli proces związany jest z określoną częstotliwością ? np. masz do czynienia z oscylującym procesem o okresie pięć sekund, a stała czasowa zaworów, pomp lub innego elementu sterującego wynosi 20 sekund ? nigdy nie będziesz w stanie pozbyć się oscylacji. Krańcowy element wykonawczy i jego sterownik muszą być szybsze niż zakłócenia. W przeciwnym razie będziesz ciągle walczył z poprzednim zakłóceniem, a już pojawi sięnowe.
Nieprawidłowa praca urządzeń
Urządzenia, które po prostu nie pracują, mogą naprawdę uprzykrzyć życie. Jeśli linia produkcyjna nie jest utrzymywana w należytym stanie, produkcja będzie ciągłą walką z przeciwnościami, próbą łatania wadliwych ogniw i szukaniem dróg obejścia sprzętu, które nie spełnia swojej roli. Rozwiązywanie tych podstawowych problemów z dziedziny utrzymania ruchu nie jest tematem tego artykułu, ale jeśli twój sprzęt generalnie działa, nietrudno jest zobaczyć operatorów drapiących się po głowie, mimo rozkalibrowania się przetwornika ciśnienia albo zaciętego zaworu.
? Jeśli chcesz mieć stabilne procesy, sterowanie musi działać ? stwierdza Herman Storey, konsultant ds. sterowania procesami. ? Pomocne są funkcje autodiagnostyki urządzeń, gdyż wskazują, co jest zepsute. Na szczycie listy tego, co może się wydarzyć, jest: zeszlakowanie, wyczerpanie katalizatora oraz mechaniczne zużycie i zniszczenie. I chociaż przykłady są zaczerpnięte z przemysłowej praktyki, Storey zaznacza, że bardzo niewiele firm ma wdrożone programy zarządzania stanem urządzeń linii produkcyjnej, mimo że mogą one przynieść wymierne korzyści.
W tym samym czasie producenci systemów sterowania ustawicznie rozwijają systemy diagnostyki i sposób przedstawiania operatorowi informacji o problemach ? o ile tylko operator korzysta z tych systemów. Ben Mansfield, menedżer ds. marketingu i specjalista systemów PAX w Rockwell Automation, wyjaśnia, w jaki sposób pracują nowe systemy diagnostyczne: ? Możemy przy pomocy małej ikony na schemacie pokazać w czytelny i jednoznaczny sposób, gdzie wystąpił alarm, nieregularność, a nawet błąd konfiguracji urządzenia. Gdy zwiększasz poziom szczegółowości, podążasz za ikoną, która kieruje operatora wprost do widoku szczegółowego danego systemu. Na ekranie widać wtedy, że moja zmienna procesowa przekroczyła dopuszczalną wartość, że osiągnęliśmy górny limit itp. Mogę też uzyskać zaawansowane, bardziej szczegółowe dane diagnostyczne z urządzenia ? np. że rura jest zapowietrzona. Gdybym miał system poprzedniej generacji, nie wiedziałbym tego. Otrzymałbym po prostu 22 mA albo 3,5 mA i nie wiedziałbym, co jest przyczyną problemu. HMI może kierować operatorów bezpośrednio do źródła problemu.
Takie zaawansowane systemy diagnostyczne mogą przekazać ci ogromną ilość informacji o tym, co dzieje się w procesie, nie koncentrując się na pojedynczych urządzeniach. Sygnał z czujnika przepływu może sugerować, że ciecz jest zabrudzona albo że przepływ jest dwufazowy, ale sugeruje to tylko wtedy, gdy masz dostęp do informacji i potrafisz ją odpowiednio przetworzyć.
Zmienność
Przez ostatnie kilka lat niestacjonarność w przemysłowych procesach wytwórczych postrzegana była jako zmienność surowców i wahania w ich przepływie. Jednym z głównych przykładów jest produkcja oleju: rafineria musi przystosowywać się do faktu, że ropa naftowa może mieć różny poziom zanieczyszczenia ze względu na niedostępność surowca o zakładanej jakości lub jego zbyt wysokiej cenie. Surowce, które ciężko poddaje się dalszej obróbce, są często zastępowane przez substytuty, co powoduje dodatkowe komplikacje w sterowaniu. Jeśli wahania w przepływie surowców stanowią problem, zakład musi zostać wyposażony w odpowiednią aparaturę pomiarową, która pozwoli odpowiednio zmierzyć odpowiedzialne za wahania wskaźniki. Dzięki temu system sterowania może zostać wyposażony w odpowiednie mechanizmy korekcyjne.
Zmienność może mieć także wewnętrzne przyczyny. Poszukiwania należy rozpocząć od systemów wspomagających linię produkcyjną i dostarczających do niej dodatkowe media, ponieważ systemy te są wspólne dla całej linii produkcyjnej. ? Problemy mogą rozpocząć się w urządzeniu podgrzewającym wodę dla procesu ? stwierdza Buckbee. ? Te problemy stają się źródłem kolejnych problemów wkolejnych etapach procesu. Naturalną cechą systemów wspomagających i dostarczających media jest to, że są używane w wielu częściach zakładu, więc jeśli jeden odbiór rozpocznie pobór pary, jej ciśnienie spada i może być niewystarczające dla innych odbiorów.
Wiele problemów z opisywanymi systemami ? tak jak w przypadku spadku ciśnienia pary ? udaje się łatwo rozpoznać i rozwiązać, ale często drobnostki wyłaniają się w nieoczekiwanych miejscach. Jeśli ktoś próbuje znaleźć źródło problemu, a nie poszukuje go poza miejscem, w którym problem się uwidocznił, może nigdy nie przestać szukać. Ludzie koncentrują się na tej jednej części procesu, kiedy w rzeczywistości problem znajduje się gdzieś indziej ? zaznacza Kinney. ? Tak może być w przypadku globalnych systemów wspomagających linię produkcyjną ? systemu dostarczania pary, odprowadzania skroplin czy systemu chłodzącego ? bo swoim zasięgiem obejmują one wiele obszarów zakładu. Możesz nie zauważyć związku przyczynowo-skutkowego, jeśli patrzysz tylko na występujący problem.
W niektórych przypadkach globalne plany oszczędności energii lub redukcji ilości odpadów mogą stworzyć nowe problemy. Plan sam w sobie może być efektywny i ograniczać zużycie danego czynnika, ale towarzyszą temu efekty uboczne. Jedno urządzenie może na przykład przechwytywać nadmierne ciepło innego. Bez wątpienia zwiększa to efektywność, ale w ten sposób łączy się dwa procesy, które nie mają ze sobą nic wspólnego, tworząc tym samym kanał do rozprzestrzeniania się problemów. Im więcej takich połączeń, tym większa ilość możliwych niespodzianek.
Buckbee stwierdza: ? Ludzie rozumieją podstawy interakcji, ale zagadnienie staje się bardzo trudne w przypadku pętli zawracających do obiegu i ponownego wykorzystania ciepła. Mając świadomość złożoności dzisiejszych procesów przemysłowych, bardzo trudne staje się wyobrażenie sobie całego procesu i poszukiwanie poszczególnych źródeł problemów. Byłbyś zdziwiony wiedząc, jak wiele zakładów nie przekazuje temperatury otoczenia i podajnika do systemu sterowania. Jeśli przyjrzysz się wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej i znajdującym się tam rafineriom ropy naftowej, dowiesz się, że najwięcej problemów sprawiają im burze. Temperatura i ciśnienie gwałtownie się zmieniają, a deszcz pada wprost na urządzenia. Warto zdać sobie z tego sprawę ? jak tylko to zrobisz, będziesz mógł wyeliminować przyczynę problemu. Jeśli winisz proces podawania surowców za zmiany pogody, to tracisz swój czas.
Właściwe narzędzia Istnieją dwa główne rodzaje narzędzi, które pomagają w znalezieniu przyczyn problemu: symulacja procesu i pętli regulacyjnych oraz analiza interakcji. Oba dostarczają rzeczowych informacji diagnostycznych i o potencjalnych rozwiązaniach.
Narzędzia symulujące proces i pętle regulacyjne wykorzystują matematyczną analizę do określenia, jak powinny zachowywać się pętle regulacji i jak powiązane są różne fragmenty procesu lub zakładu. Powiązania te nie muszą być oczywiste, a mogą wskazać ścieżki propagacji problemów i wytłumaczyć ich ?skoki? po procesie.
Buckbee wspomina sytuację, kiedy metody te przyniosły ogromną pomoc: ? W fabryce plastiku w stanie Alabama w USA gość próbował zmniejszyć wahania ciśnień wodoru. Mapa interakcji wewnątrz procesu wskazała, że odpowiedzialność za nieprawidłową pracę ponosi pionowy wymiennik ciepła, co było dla niego dużym zaskoczeniem: ?To znajduje się pół mili dalej w zupełnie innej części fabryki.? Ale jak tylko spojrzał w schemat procesu ? to miało sens. Prosta korekta pracy wentylatorów wymiennika ciepła spowodowała nie tylko stabilizację pracy pętli z wodorem, ale większej części fabryki, która wykorzystywała wodę używaną do chłodzenia wodoru. Gdyby nie przeprowadził takiej analizy, mógłby spędzić tygodnie na poszukiwaniu rozwiązania.
Jeśli namierzysz źródło problemów lub chcesz sprawdzić, czy zadziała konkretne rozwiązanie, posłuż się platformą symulacyjną i sprawdź teorię, nim wprowadzisz ją w życie. Otrzymasz także możliwość sprawdzenia całej strategii sterowania i będziesz mógł upewnić się, że jest ona odpowiednia dla twojego procesu. Oszczędzisz czas jeśli okaże się, że na tym poziomie występują problemy.
Efektywny symulator procesu ma dodatkową zaletę ? pozwala zagrać z procesem w grę ?co jeśli??. Funkcjonalność ta jest zwykle wykorzystywana do szkoleń operatorów, ale nic nie stoi na przeszkodzie, abyś zasymulował zatarcie zaworu lub niepoprawną pracę czujnika i zobaczył, jaki ma to wpływ na proces. Czasem może to doprowadzić do znalezienia rozwiązania.
Reaz Kabir jest głównym specjalistą w Honeywell Process Solutions. Miał okazję przyglądać się, w jaki sposób narzędzia symulacyjne stają się źródłem informacji o procesie. ? To nie była popularna rzecz, ale teraz to się zmienia. W 2008 roku pracowaliśmy z firmą z branży chemicznej, która wytwarzała dużą ilość produktu. Problem stanowił fakt, że zakład nie mógł osiągnąć wymaganej przez klienta czystości na poziomie 99,8%. Mimo wysiłku nie udawało się zadowolić odbiorców. Po jednym dniu pracy z symulatorem wytypowano czynnik najbardziej wpływający na czystość produktu ? zwiększono stosunek powrotu do powrotu minimalnego w jednej z kolumn destylacyjnych. Ten prosty zabieg był rozwiązaniem problemu i nie pociągał za sobą żadnych negatywnych skutków. Wcześniej ? metodą prób i błędów ? poszukiwali rozwiązania przez ponad miesiąc.
Odpowiednie zasoby
Chociaż narzędzia wspomagające pracę są łatwo dostępne, przedsiębiorstwa muszą umieć je wykorzystywać. Nie chodzi tu o wykształcenie jednego człowieka, ale o zapewnienie szkoleń i upewnienie się, że cała załoga jest wykwalifikowana i pracuje efektywnie. Storey opisuje to w ten sposób: ? Musisz mieć ludzi, organizację, zarządzanie i motto ?Bierzemy się do pracy i sprawimy, że to zadziała?, i właśnie to robić. Pozostałe hasła są zbyteczne, natomiast dodatkowe umiejętności są zawsze w cenie i w nie trzeba inwestować. Narzędzia wspomagające pracę są coraz lepsze, ale napotykane przez ludzi problemy nie są ani trochę mniejsze. Mamy więcej możliwości i solidny sprzęt, który nie wymaga tak wiele umiejętności od obsługi jak kiedyś. Z technicznego punktu widzenia można dziś zrobić znacznie więcej, niż można było kiedykolwiek. Ograniczeniem są tylko finanse i zasoby.
Peter Welander jest redaktorem tekstów o inżynierii procesowej. Skontaktuj się z nim: pwelander@cfemedia.com.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie
CE