W poprawie wydajności produkcji, dostępności procesów i zysków przedsiębiorstwa może pomóc modernizacja systemu sterowania. Trwałe zmiany na lepsze można wprowadzić dzięki wykorzystaniu nowoczesnych technologii oraz optymalizacji procesów.
Konieczność dokonania modernizacji systemu sterowania nie pojawia się nagle, w ciągu jednego dnia. Wynika ona z pewnego procesu i jest związana z upływem czasu. Jej symptomem jest spadek wydajności produkcji, dostępności procesów i zysków przedsiębiorstwa, przy jednoczesnym braku orientacji zarządu firmy i pracowników wykonujących operacje, dlaczego tak się dzieje. Warto więc przyjrzeć się kluczowym wskaźnikom, które mogą sygnalizować potrzebę przeprowadzenia modernizacji lub wykonania projektu migracji systemu sterowania.
Wydatki. Utrzymanie systemu automatyki w dobrej kondycji jest kosztowne, ponieważ:
-> części zamienne są trudno dostępne, drogie albo nie istnieją;
-> dokumentacja dotycząca istniejącej starszej technologii jest droga i trudna do znalezienia;
-> z powodu przejścia na emeryturę ubywa doświadczonych pracowników, znających się na starszych systemach automatyki.
Zmniejszająca się wartość. System automatyki zapewnia kilka narzędzi i technologii, które pomagają w zaspokajaniu bieżących potrzeb firmy i reagowaniu na presję ze strony rynku, tymczasem:
-> obecny system automatyki oferuje ograniczoną elastyczność w reagowaniu na potrzeby i żądania operacyjne;
-> istniejąca starsza technologia minimalizuje możliwość łatwego reagowania na zmieniające się przepisy i regulacje dotyczące branży oraz działania ze strony konkurencji;
-> rozbudowa procesu lub systemu jest ograniczona przez starszą technologię automatyki wykorzystywaną już w zakładzie;
-> zdolność do reagowania na możliwości i wydajność pracy personelu jest ograniczona przez system zainstalowany w zakładzie oraz zmniejsz możliwość rozbudowy systemu sterowania, ponieważ obecnie wymagane jest uzyskiwanie większych efektów mniejszym kosztem.
Rozpoznanie potrzeby
Zwykła wiedza o tym, że nadszedł czas na wymianę obecnie istniejącego systemu sterowania, nie oznacza, że inni ludzie w organizacji będą tym zainteresowani i pomocni w przeprowadzeniu takiego procesu. Menedżerowie zakładu mogą postrzegać ten projekt kapitałowy jedynie jako modernizację infrastruktury. Kierownictwo operacyjne może niepokoić się zakłóceniami w płynności realizacji procesów produkcyjnych i ryzykiem związanym z nowym systemem sterowania. Jak można przekonać kierownictwo do wprowadzenia zmian i sprawić, by ludzie chętnie włączyli się do tego przedsięwzięcia? I jak zapewnić, aby byli zadowoleni po zakończeniu realizacji projektu nowego systemu?
Po pierwsze, powinniśmy zdać sobie sprawę z tego, że nie jesteśmy sami. Wiele zakładów stosuje starą technologię, jednak inne wykorzystały najlepsze praktyki, aby skutecznie wdrożyć nowe systemy.
Po drugie, powinniśmy przyjąć, że projekt modernizacji zgodny z tymi wykorzystanymi przez liderów w branży i postrzegany jako okazja do zwiększenia zysków firmy zostanie łatwiej zaaprobowany przez kierownictwo. Chociaż możliwe jest ustalenie zakresu projektu modernizacji rozumianego jako unowocześnienie infrastruktury przez wymianę jej na taką, która spełnia wymagania technologiczne (Replacement-In-Kind – RIK), nie to jest celem podstawowym. Zamiast wymiany jednego systemu na inny, podobny, warto rozważyć potrzebę zakładu i określić potencjalne długoterminowe zyski z inwestycji.
Aby osiągnąć największy sukces, należy postępować według najlepszych praktyk i rozpocząć planowanie już dziś. Zespół ds. modernizacji może się okazać swego rodzaju dźwignią do uzyskania istotnych ulepszeń, jeśli wykonuje prace wstępne i najpierw pokazuje, a następnie przynosi wartość dla firmy.
Wdrażanie ulepszeń w przedsiębiorstwie
W ciągu 2030 lat od zainstalowania systemów poprzedniej generacji rola
systemów sterowania i bezpieczeństwa uległa rozszerzeniu. Współczesne systemy automatyki są wydajniejsze i mogą odgrywać bardziej znaczącą rolę, nie tylko w produkcji, lecz także w organizacji bardziej zyskownych procedur operacji ogólnych. Funkcje istotne dla działalności firmy, poza sterowaniem procesami i aplikacjami bezpieczeństwa procesów, wykorzystują dane z rozproszonego systemu sterowania (Distributed Control System – DCS) i przyrządowego systemu bezpieczeństwa (Safety Instrumented System – SIS). Informacje te sterują programami niezawodności, efektywności energetycznej, sprawozdawczości środowiskowej, bezpieczeństwa zakładu i wielu innych aplikacji (rys. 1).
Zespoły projektowe zajmujące się modernizacją systemu sterowania mogą doprowadzić do sukcesu takich projektów dzięki opracowaniu rozwiązań, które zapewnią dokładne i szybkie przekazywanie aktualnych informacji dla personelu w całym przedsiębiorstwie, pozwolą na wprowadzanie na rynek produktów wysokiej jakości oraz przyniosą duże zyski dla firmy. Ponieważ system DCS stanowi połączenie pomiędzy produkcją a podejmującym decyzje wyższym personelem kierowniczym, to właśnie zmodernizowany system automatyki może umożliwić firmie realizację jej długoterminowych celów. A ponieważ przedsiębiorstwo jest uzależnione od dostępności i niezawodności automatyki, przemyślana modernizacja systemu DCS może być sposobem na wprowadzenie ulepszeń w przedsiębiorstwie.
Posłużmy się przykładem. W pewnej dużej fabryce chemicznej przeanalizowano nadmierne zużycie energii oraz niską powtarzalność jakości wyrobów pod względem zgodności z wymaganymi parametrami. Ponadto kierownictwo zdało sobie sprawę, że przestarzały system sterowania w fabryce wymaga wymiany i opowiedziało się za projektem modernizacji. Firma ta, zamiast wymienić system sterowania na podobny, ale nowoczesny, dodała do swojego zmodernizowanego systemu DCS oprogramowanie do sterowania predykcyjnego (Model Predictive Control – MPC) oraz do zarządzania zasobami (asset management). Ponadto ulepszono sterowanie obiektowe dzięki instalacji nowych mierników przepływu masowego, zaworów, przyrządów pomiarowych i cyfrowych sterowników zaworów. W efekcie tych działań zredukowano zużycie energii w ciągu roku o 18%, uzyskano wzrost produkcji o 10% oraz ogólną wyższą jakość wyrobów.
Jak zespoły projektowe mogą osiągnąć sukces w modernizacji systemu DCS, biorąc pod uwagę okazje oczekujące na wykorzystanie oraz wyzwania stojące przed organizacją? Odpowiedź jest następująca – muszą:
-> rozpocząć działania, mając jasno określony cel;
-> aktywnie zarządzać ryzykiem związanym z projektem;
-> stosować filozofię inżynierii normalnej, bezpośredniej (forward engineering – proces tworzenia – od modelu lub koncepcji wysokiego poziomu do prac nad złożonymi strukturami i detalami niższego poziomu).
Rozpoczęcie działań z jasno określonym celem
Na początku projektu należy jasno określić wizję modernizacji systemu DCS. Trzeba w niej zawrzeć cały zakres projektu: platformę, przyrządy pomiarowe, infrastrukturę, szkolenia i prace inżynierskie. Należy także pamiętać, aby zdefiniować wskaźniki, które stwierdzą osiągnięcie sukcesu w realizacji wyznaczonych celów (rys. 2).
Cele biznesowe należy uznawać za najważniejsze zarówno dla organizacji jako całości, jak i dla zakładu, na które pozytywny wpływ może mieć zmodernizowana automatyka. Trzeba wyznaczyć ważne cele, zgodne z obecnymi priorytetami firmy, które zwykle dotyczą bezpieczeństwa, dostępności i optymalizacji procesów. Ulepszenia w tych obszarach zwiększają tzw. pewność operacyjną (operational certainty) oraz dostarczają mierzalnych i przewidywalnych wyników.
Bezpieczeństwo. Modernizacja systemu DCS jest idealnym projektem do poprawy zgodności z przepisami dotyczącymi BHP czy ochrony środowiska.
Dostępność. Ponieważ system DCS bezpośrednio wpływa na dostępność zakładu i jego linii produkcyjnych, nowy projekt modernizacji i nowe metody automatyki mogą zredukować planowane (przestoje wynikające z wymiany sprzętu lub z harmonogramu konserwacji) i nieplanowane (awarie sprzętu lub braki materiałów) spowolnienia produkcji.
Optymalizacja. Automatyka może być wykorzystana do optymalizacji dzięki zredukowaniu zmienności i ogólnie ulepszonemu działaniu.
Firma Emerson współpracowała z pewną globalną firmą farmaceutyczną, która napotkała problem dużej liczby wadliwych partii produktów, niskiego wykorzystania mocy produkcyjnej, wysokiego zużycia materiałów i wskaźnika FPY (First-
-Pass Field – wskaźnika pierwotnej skuteczności kontroli jakości) poniżej docelowego. Podczas planowania, przy jednoczesnym zdefiniowaniu celu, firma dopasowała działania do własnego kluczowego czynnika biznesowego: zaspokajania potrzeb pacjentów. Dostępność i optymalizacja pomogły tej firmie w osiągnięciu najwyższej jakości produktów w najkrótszym czasie. Menedżerowie tego przedsiębiorstwa mieli świadomość, że niepowodzenia mogą być zmniejszone dzięki zwiększeniu dostępności. Ponadto przekonali się, że zoptymalizowanie procesu zwiększy wskaźnik FPY jakości produktów. Tak więc zastosowano podejście trójfazowe, obejmujące wyposażenie fabryki w cyfrowe przyrządy pomiarowe i sterowniki, aplikacje sterowania predykcyjnego (MPC) oraz automatykę przetwarzania wsadowego i zarządzania recepturami. Efekty to: 800 kolejnych partii produktów bez wad, wzrost produkcji o 33%, wskaźnika jakości FPY o 7% oraz redukcja dokumentacji dotyczącej wyrobów wypuszczanych na rynek o 80%.
Aktywne zarządzanie ryzykiem w projekcie
Jest ono funkcją wczesnego planowania, pomysłowości technicznej oraz zaangażowania się osób zainteresowanych. Tylko zajmowanie się projektem w kilku fazach (od zdefiniowania zakresu do rozruchu) pozwala zespołom projektowym sklasyfikować ryzyka z nim związane. Zespoły mają największy wpływ na zmniejszanie ryzyka na początku projektu modernizacji systemu sterowania (rys. 3 i 4).
W każdym projekcie automatyki istnieją zwykle trzy główne ograniczenia, z którymi musi poradzić sobie pracująca fabryka: przestrzeń, czas i budżet.
Przestrzeń. Czy nowe szafy sterownicze zmieszczą się w istniejących sterowniach? Jak efektywnie i opłacalnie wykorzystać zainstalowane 30 lat temu okablowanie bez układania nowych kabli w układzie gwiaździstym (homerun cables)?
Czas. Czy można pogodzić starsze, istniejące już okablowanie obiektowe i szaf sterowniczych z nowymi przyrządami pomiarowymi i systemami sterowania? Jaka jest nasza strategia przełączenia fabryki na nowy system? Jeśli wymagane są do tego przestoje, to jaki jest najkrótszy czas potrzebny do przełączenia na nowy system DCS i wznowienia produkcji?
Budżet. Jaki zakres prac jest możliwy do wykonania przy określonym budżecie?
Wczesne planowanie może pomóc w kwestiach związanych z technologią, zakresem projektu oraz decyzjami dotyczącymi realizacji, które wpływają na wszystkie te trzy obszary. Jednocześnie pozwala na oszacowanie wszystkich korzyści z wprowadzenia nowej technologii oraz zmaksymalizowanie zwrotu z inwestycji.
Można zarządzać ryzykami dzięki zapewnieniu, że operatorzy zostali dobrze przeszkoleni i są gotowi do pracy z nowym systemem. Operatorzy, którzy są gotowi do rozpoczęcia pracy w dniu uruchomienia tego systemu, w znaczącym stopniu wpływają na płynność prac realizowanych w fabryce.
Personel operacyjny zakładu może być wartościowym partnerem we wczesnym planowaniu. Dostarcza on bardzo ważnych praktycznych informacji na temat prac do wykonania, ograniczeń związanych z pracą w zakładzie oraz zachowań wymaganych przy obsłudze i konserwacji nowoczesnego systemu DCS.
Stosowanie filozofii inżynierii normalnej, bezpośredniej
Inżynieria normalna bazuje przy wdrażaniu złożonych pętli sterowania, wykorzystujących nowoczesny system sterowania, na istniejących strategiach sterowania oraz informacjach o parametrach technicznych pochodzących z istniejącego w zakładzie starszego systemu. Przy modernizowaniu systemu DCS inżynierowie z zespołu projektowego dostarczają narzędzi, które odblokowują wartość biznesową zawartą w nowym systemie sterowania.
Zespół ds. modernizacji systemu może brać pod uwagę koncepcje, zarówno takie jak alarmy warunkowe, jak i użycie hierarchii zasobów do zarządzania nawigacją/sterowaniem/alarmami oraz projektowanie zorientowane na człowieka (Human-Centered Design – HCD) w grafice.
Jeden z klientów firmy Emerson skutecznie wdrożył nowy system DCS, stosując inżynierię normalną w swoim projekcie. Wyniki biznesowe tej firmy udowodniły, że modernizacja zarządzania alarmami, grafiki operatorskiej i dokumentacji technicznej zakładu mogą poprawić operacje realizowane w fabryce.
Podsumowanie
Wyniki modernizacji mogą być warte włożonego wysiłku – biorąc pod uwagę czas, pieniądze i wartość indywidualną. Sukces tkwi w wykorzystaniu metod projektowania przy użyciu najlepszych praktyk. Należy rozpocząć działania projektowo–modernizacyjne, mając jasno określony cel, następnie aktywnie zarządzać ryzykiem projektowym i stosować filozofię inżynierii normalnej, bezpośredniej. Jak pokazują przykłady innych przedsiębiorstw, projekt modernizacji systemu sterowania może przynieść duży zwrot z inwestycji.
Laurie Ben jest dyrektorem ds. globalnego rozwoju biznesu w firmie Emerson.
Aaron Crew jest dyrektorem ds. globalnych rozwiązań modernizacji w firmie Emerson.