2.8. Эффективный контроль технологических процессов
2.8.1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами
Общая характеристика
Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), используемые как для основных, так и для вспомогательных процессов, играют важную роль в управлении энергоэффективностью установки. АСУ ТП является составной частью общей системы мониторинга (см. разделы 2.10 и 2.15).
Автоматизация производственного предприятия подразумевает разработку и внедрение автоматизированной системы, в состав которой входят датчики, контроллеры, компьютеры, а также организацию обработки данных. Широко признано, что автоматизация производственных процессов позволяет не только повысить качество продукции и уровень производственной безопасности, но и улучшить общую эффективность производственного процесса, включая энергоэффективность.
Эффективный контроль технологических процессов подразумевает:
•адекватный контроль технологических процессов на всех этапах и во всех режимах, включая подготовительные операции, запуск, штатную эксплуатацию, остановку, а также работу в нештатных условиях;
•выявление ключевых показателей результативности в сфере энергоэффективности, а также методов, позволяющих измерять и контролировать эти параметры (например, массовый расход, давление, температура, состав и количество);
•документирование и анализ нештатных ситуаций и условий с целью выявления и последующего устранения их глубинных причин для предотвращения повторения подобных ситуаций в будущем (этому может способствовать организационная культура, не носящая «обвинительного» характера, в условиях которой выявление причин нештатной ситуации является более важным, чем «назначение» конкретных виновников).
Планирование
В ходе проектирования системы автоматизации производства следует рассмотреть ряд факторов. Так, начальный анализ конкретного процесса может выявить существующие ограничения для эффективности процесса, а также альтернативные подходы, способные обеспечить лучшие результаты.
Кроме того, необходимо определить требуемые режимы работы системы с точки зрения качества продукции, нормативных требований и производственной безопасности. Система управления должна быть надежной и дружественной к пользователю, т.е., легкой в эксплуатации и обслуживании.
Кроме того, при проектировании автоматизированной системы управления следует принять во внимание вопросы обработки данных и управления ими.
АСУ ТП должна обеспечивать баланс между точностью, соответствием заданным спецификациям и гибкостью с тем, чтобы достичь максимальной эффективности технологического процесса с учетом требований к производственным затратам.
Адекватные спецификации технологического процесса, предусмотренные в системе, обеспечивают бесперебойное функционирование производственной линии. Задание неоправданно узкого или широкого диапазона допустимых условий с неизбежностью влечет за собой рост производственных затрат и/или задержки в производственном процессе.
Для оптимизации производительности и эффективности процесса:
•задаваемые спецификации каждого этапа технологического процесса должны быть полными и точными, причем особое внимание должно быть уделено определению реалистичного диапазона допустимых условий;
86
•инженер, ответственный за проектирование системы управления, должен быть хорошо знаком с автоматизируемым процессом и иметь возможность консультироваться с производителем оборудования;
•должно быть найдено оптимальное соотношение между возможностями системы и реальными потребностями в автоматизации, т.е., следует принять решение о том, необходима ли сложная система управления или можно обойтись более простым решением.
Всовременных АСУ ТП используется ряд подходов, позволяющих повысить производительность
иэффективность процесса, включая энергоэффективность. Эти подходы включают:
•традиционные и более сложные методы регулирования;
•методы оптимизации и планирования процессов, а также управления их результативностью.
Ктрадиционным методам регулирования относятся, в частности:
•пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование;
•компенсация запаздывания;
•каскадное регулирование.
Кболее сложным методам регулирования относятся, в частности:
•упреждающее регулирование, основанное на моделях;
•адаптивное регулирование;
•нечеткое регулирование.
Кметодам управления результативностью относятся, в частности (см. раздел 2.8):
•мониторинг и установление целевых показателей;
•статистический контроль технологических процессов;
•экспертные системы.
Было продемонстрировано, что применение методов мониторинга результативности способно вносить вклад в повышение результативности, достижение поставленных целей, а также обеспечение соответствия требованиям экологического законодательства и разрешений КПКЗ.
Центральным элементом АСУ ТП является программируемый логический контроллер (ПЛК), представляющий собой небольшой компьютер, предназначенный для надежной эксплуатации в условиях промышленного производства. Помимо ПЛК, элементами системы являются разнообразные датчики, исполнительные устройства, а также централизованная система диспетчерского контроля и сбора данных (т.н. SCADA-система).
Все эти компоненты соединяются друг с другом и с производственным оборудованием, что позволяет управлять всеми функциями последнего с высокой степенью точности. Автоматизация
– интеграция системы управления в технологическую систему – позволяет значительно снизить трудозатраты на эксплуатацию сложного оборудования, обеспечив надежную и стабильную производительность.
ПЛК получает входные данные с цифровых и аналоговых датчиков и переключателей, производит вычисления на основе заложенной в него программы и, используя результаты вычислений, управляет различными исполнительными устройствами – клапанами, реле, серводвигателями и т.п., подавая на них выходные данные. Управление осуществляется во временном масштабе миллисекунд.
ПЛК способен обмениваться информацией с оператором через операторские панели26, а также SCADA-системы, установленные на производстве. Обмен данными с бизнес-уровнем
26 Т.н. «панели HMI» – от английской аббревиатуры, означающей «человеко-машинный интерфейс». (Прим.
пер.)
87
предприятия (корпоративные информационные системы, финансовый учет и планирование), как правило, требует отдельного SCADA-пакета.
Обработка данных
Данные о состоянии технологического процесса собираются и обрабатываются интегрированной системой, включающей датчики и контрольно-измерительные приборы, исполнительные устройства, например клапаны, а также программируемые логические контроллеры, SCADAсистемы и распределенные системы управления. Все эти системы в совокупности способны своевременно обеспечивать необходимой информацией другие вычислительные системы, а также операторов и инженеров.
Системы диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA) позволяют инженеру, проектирующему АСУ ТП, организовать сбор и архивирование данных системы. Кроме того, SCADA-системы позволяют использовать более сложные методы управления, например, статистический контроль (см. раздел 2.8.2).
SCADA-система является неотъемлемой частью АСУ ТП, позволяя пользователю наблюдать параметры технологического процесса в реальном времени. Кроме того, SCADA-система может быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить удаленному пользователю тот же уровень доступа к информации о процессе, что и оператору, находящемуся непосредственно в производственных помещениях.
Экологические преимущества
Снижение затрат, связанных с энергопотреблением, а также воздействия на окружающую среду.
Воздействие на различные компоненты окружающей среды
Использование химических веществ в небольших количествах для очистки датчиков; возможная потеря давления в трубопроводах, вызванная наличием датчиков (см. раздел 2.10.4).
Производственная информация
См. «Общая характеристика» выше. Очистка датчиков
Невозможно переоценить важность точности измерений и, как следствие, состояния датчиков, используемых в АСУ ТП. Существует множество разновидностей контрольно-измерительных приборов и датчиков, включая терморезисторы, кондуктометры, датчики pH или уровня, расходомеры, а также таймеры и устройства аварийной сигнализации. Многие из этих приборов находятся в постоянном контакте с жидкостями или газами. Надежная и точная работа всех этих устройств требует периодической очистки, которая может выполняться вручную, согласно графику техобслуживания, или при помощи автоматизированных систем «очистки на месте»
(CIP).
Полностью автоматизированная система управления должна обеспечивать возможность промывки датчиков с различной периодичностью, а также регенерации используемых чистящих растворов. Система должна также обеспечивать возможность регулировки температуры, расхода, состава и концентрации чистящих растворов.
Автоматизированная система очистки датчиков, как правило, основана на ПЛК и имеет одну или несколько операторских панелей. Важная роль системы управления очисткой состоит в ограничении гидравлического удара – серьезной проблемы для систем CIP, приводящей к сокращению срока службы оборудования.
Для очистки клапанов и различных видов уплотнений, используемых в производственном оборудовании, необходима строго определенная последовательность импульсов.
Применимость
Системы управления технологическими процессами применимы в контексте любых установок КПКЗ. Они могут варьировать от простых систем, основанных на таймерах, датчиках температуры и системах подачи материалов (например, на небольших предприятиях
88
интенсивного животноводства) до сложных систем, применяемых, например, на предприятиях пищевой, химической, горнодобывающей или целлюлозно-бумажной промышленности.
Экономические аспекты
Практика показывает, что внедрение АСУ ТП может обеспечить значительный экономический эффект. Нередко срок окупаемости инвестиций составляет год или менее, в особенности, в тех случаях, когда на предприятии уже имеется современная инфраструктура управления и мониторинга, например, распределенная система управления или система диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA). В некоторых случаях был продемонстрирован срок окупаемости в несколько месяцев или даже недель.
Мотивы внедрения
Повышение производительности и уровня производственной безопасности, сокращение потребности в техническом обслуживании, увеличение срока службы технологического оборудования, более высокое и стабильное качество продукции, сокращение потребности в рабочей силе.
Сокращение производственных затрат и быстрая окупаемость инвестиций, продемонстрированные в ряде случаев (как отмечено выше), послужили серьезным стимулом для внедрения подобных систем на других предприятиях.
Примеры предприятия
АСУ ТП широко применяются в промышленности, в частности, на следующих предприятиях:
•производство продуктов питания, напитков и молока: British Sugar, Joshua Tetley, Ипсвич, Великобритания;
•химическая промышленность: BP Chemicals, Гулль, Великобритания; ICI Chemicals and Polymers, Миддлсборо, Великобритания;
•черная металлургия: Corus, Порт-Талбот, Великобритания;
•производство цемента и извести: Blue Circle, Вестбери, Великобритания;
•целлюлозно-бумажная промышленность: Stora Enso Langerbrugge N.V., Гент, Бельгия; SCA Hygiene Products GmbH, Мангейм, Германия; SCA Hygiene Products GmbH, Перниц,
Австрия;
•сжигание в кипящем слое: Rovaniemi Energy, Rovaniemi and Alholmens Kraft, Пиетарсаари,
Финляндия; E.ON, Кемсли, Великобритания.
Справочная информация
[36, ADENE, 2005] [261, Carbon_Trust_UK, 2005]
2.8.2. Менеджмент (контроль, обеспечение) качества
Общая характеристика
Отправка продукции в брак или на доработку эквивалентна непроизводительному расходу энергии, затраченной на ее производство (а также расходу сырья, трудовых ресурсов, производственных мощностей и прочих ресурсов). Нередко доработка бракованной продукции требует большего количества энергии (и других ресурсов), чем ее первоначальное производство. Эффективный контроль производственных процессов позволяет увеличить выход продукции, отвечающей установленным спецификациям или требованиям потребителей, и снизить непроизводительные энергозатраты.
Как правило, установки КПКЗ отличаются значительными масштабами производственной деятельности и/или объемами выпуска продукции. Эта продукция должна отвечать установленным спецификациям для последующего использования. С целью обеспечения этого соответствия на предприятиях внедряются системы обеспечения качества, как правило,
89
основанные на принципе «планирование–осуществление–проверка–корректировка» (см. раздел
2.1).
Первоначально в основе этих систем лежал контроль качества готовой продукции, по итогам которого изделия принимались, направлялись на доработку или отправлялись в брак. Начиная с 1940-х гг. разрабатывались статистические методы, позволявшие на основе выборки оценивать соответствие качества заданному уровню, например, 95 % или 3,4 дефекта на миллион (достижение последней величины является целью популярного подхода «шесть сигм»).
Было осознано, что характеристики готовой продукции неизбежно варьируют, и параметры этих вариаций определяются различными характеристиками производственного процесса. Были разработаны методы статистического контроля технологических процессов, применявшиеся к различным параметрам процесса с целью обеспечения более стабильных характеристик продукции. Методы статистического контроля могут быть очень эффективными с экономической точки зрения, поскольку они, как правило, требуют сбора и обработки уже существующих данных, а также принятия корректирующих мер для удержания в заданном диапазоне определенных параметров процесса (например, температуры, давления, химического состава, цветности и т.д.).
В то же время получили развитие подходы к обеспечению качества в масштабах компании (системы менеджмента качества). Такие подходы охватывают ряд политик, процессов и процедур, используемых в планировании и деятельности (производство/разработка/обслуживание) в основном бизнесе организации. Система менеджмента качества интегрирует различные внутренние процессы организации, стремясь обеспечить процессный подход к деятельности. Такая система позволяет организации выявлять, количественно характеризовать, контролировать и совершенствовать различные процессы в составе основного бизнеса, что, в конечном счете, ведет к повышению результативности организации. В настоящее время организационные модели обеспечения качества зафиксированы в международных стандартах серии ISO 9000 и других спецификациях систем менеджмента качества. Системы экологического менеджмента и менеджмента энергоэффективности основаны на тех же подходах (см. раздел 2.1).
Экологические преимущества
Сокращение объемов продукции, направляемой на доработку или в брак, что позволяет повысить выход готовой продукции и снизить непроизводительный расход энергии (в частности, с учетом того, что доработка некачественной продукции может требовать больших энергозатрат, чем ее первоначальное производство).
Воздействие на различные компоненты окружающей среды
Известные воздействия отсутствуют.
Производственная информация
См. «Общая характеристика» выше.
При внедрении новых подходов и методологий в области качества часто привлекаются внешние консультанты и/или подрядчики, поскольку необходимые квалификация и опыт могут отсутствовать в самой организации. Кроме того, в ситуации, когда необходимы новые инициативы и действия по усовершенствованию существующих систем качества или производственных систем, привлечение консультантов на временной основе может быть разумным способом использования ресурсов.
При рассмотрении вопроса о внедрении системы менеджмента качества или других подходов в этой области целесообразно учитывать следующие соображения:
•приоритет должен отдаваться измерению параметров, существенных для обеспечения качества процесса или продукции, а не просто показателей, которые легко могут быть измерены;
•такие статистические методы, как «шесть сигм», результативны в тех областях, для которых они предназначены, но само их назначение ограничено – они могут использоваться для улучшения существующего процесса, но не для разработки новых видов продукции или прорывных технологий. Сам целевой уровень качества, лежащий в
90
основе этого подхода, (3,4 дефекта на миллион) является произвольным, т.е., он может быть уместен для одних видов продукции или процессов, но неуместен для других;
•различные походы в области обеспечения качества приобретают популярность в управленческих кругах, а затем теряют ее, так что жизненный цикл этих подходов может быть охарактеризован колоколообразной кривой, напоминающей нормальное распределение (см., например, информацию о кружках качества в подразделе «Примеры»);
•движение всеобъемлющего менеджмента качества (total quality management, TQM) сыграло положительную роль независимо от того, какое содержание вкладывали в это понятие конкретные менеджеры. Однако со временем репутация этого подхода ухудшилась, и в некоторых случаях он вызывает негативные ассоциации. Несмотря на это, такие подходы, как TQM и реинжиниринг бизнес-процессов оказали положительное влияние на современную практику, и лежащие в их основе идеи могут продуктивно использоваться, хотя названия этих подходов упоминаются редко;
•одной из причин утраты интереса к подобным подходам или их кажущегося провала может быть тот факт, что стандарты, подобные ISO 9000, делают акцент на соответствии спецификациям, контроле и процедурах, а не на понимании и улучшении. Это может привести компании к ошибочному заключению, что сертификация сама по себе подразумевает более высокое качество, и помешать им в выработке собственных подходов к обеспечению качества. Полная, слепая зависимость от требований стандартов ISO серии 9000 не является гарантией создания результативной системы менеджмента качества. Риск непродуктивного внедрения стандарта увеличивается в том случае, когда компании заинтересована, в первую очередь, в сертификации. Результатом может быть создание «бумажной» системы, не ведущей к улучшению деятельности организации;
•сертификация независимым органом часто рассматривается как проблемная область и подвергается критике как инструмент расширения рынка консультационных услуг. Сами авторы стандартов ISO серии 9000 отмечают, что последние могут внедряться без сертификации системы менеджмента, исключительно как средство повышения качества продукции.
Применимость
Подходы менеджмента качества применимы на всех производственных предприятиях, охватываемых Директивой КПКЗ. Характер и степень сложности соответствующих систем зависит от особенностей конкретного предприятия и может также определяться требованиями потребителя.
Экономические аспекты
Распространенным аргументом критиков формализованных систем менеджмента, подобных ISO 9000, являются затраты средств и времени, связанные с сертификацией такой системы. По мнению критиков, сертификация и подготовка к ней сводятся лишь к составлению документов и не приводят к реальным улучшением. Сторонники сертификации утверждают, что организация, выполнившая документирование систем качества для собственных целей, уже располагает большей частью необходимой документации.
Мотивы внедрения
Широко признано, что адекватный менеджмент качества способствует повышению результативности бизнеса, во многих случаях создавая условия для более эффективного использования инвестиций, увеличения доли рынка и объема продаж, повышения рентабельности и конкурентоспособности, а также предотвращения судебных исков.
Примеры
См. приложение 7.4.
Техника управления производственными процессами (Prozessleittechnik, Bayer AG, Германия, 1980) была разработана как подход, охватывающий вопросы измерений, управления процессами, а также соответствующих электротехнических систем. Этот подход представляет собой
91