¿Información de activos o de ingeniería?

2015 febrero 04, 09:00 CEST

El modo en que los requisitos tecnológicos, reglamentarios y de eficiencia transforman la gestión del conocimiento técnico

AUTOR: Valentijn de Leeuw, Vicepresidente de ARC Advisory Group

La visión que activó la transformación

En 2005, Thomas Tauchnitz, de la empresa farmacéutica líder Sanofi-Aventis, publicó un artículo en la edición alemana de Automation Technology in Practice, titulado “It’s time for an Integration of the Process Design, Engineering and Plant operation processes” (Es hora de integrar los procesos de diseño, ingeniería y funcionamiento de las plantas). El artículo presenta una visión y una estrategia para implementar el concepto mediante programas informáticos. El Dr. Tauchnitz explica que deben respetarse tres requisitos básicos: que toda la información se genere y almacene en un solo lugar, que se reutilicen los conocimientos existentes siempre que sea posible y que las herramientas de software estén interconectadas mientras la planta de producción esté en funcionamiento.

Tauchnitz presenta un esquema del flujo de trabajo. Comienza con el diseño de procesos, por medio de un software de simulación de procesos, y sigue con la transferencia de la información resultante a una herramienta de ingeniería asistida por computadora (computer-aided engineering, CAE), común a todos los campos de la ingeniería que tienen que ver con la ingeniería inicial y de detalle. Tauchnitz explica el modo en que debería implementarse la ingeniería modular, un concepto conocido desde hace muchos años: se crean, mantienen y dimensionan módulos estandarizados que comprendan todas sus funciones, para una tarea de ingeniería en particular. A modo de ejemplo, el módulo de un reactor debería contar con medición y control de temperatura y presión, válvulas para transferencia de materiales, control de niveles, equipos de seguridad y automatización, agitación, etc. Los correspondientes listados de equipos, documentación de diseño, procedimientos de seguridad, procedimientos de prueba y calificación, también formarán parte de la plantilla. En lugar de diseñar todos los equipos nuevos, los repuestos, la reparación o la modernización desde el inicio, el ingeniero se ocuparía únicamente de la adaptación e integración en un sistema mayor, con lo que tendría más tiempo para optimizar el diseño, mejorar y mantener los módulos.

¿Ingeniería simultánea o de colaboración?

En la actualidad, muchos sistemas CAE inteligentes ofrecen la posibilidad de trabajar en el mismo equipo a varias disciplinas durante el diseño de la planta, cada una desde su perspectiva y con su manera distintiva de ver su trabajo: diagramas de flujo de procesos (process flow diagrams, PFD) para ingenieros de procesos, diagramas de tuberías e instrumentación (piping and instrumentation diagram, P&ID) para ingenieros de automatización, isometría para montaje de tuberías, etc.

Cuando varios ingenieros trabajan en el mismo tema, este tipo de herramientas ayuda a mantener la integridad de los datos de ingeniería. Por ejemplo, si un ingeniero de procesos cambia la temperatura máxima o el caudal de una tubería, la bomba que tenga que desplazar ese fluido deberá tener ciertas especificaciones para poder alcanzar esos máximos. De no ser así, la herramienta creará una alerta para la especificación de la bomba. Del mismo modo, el diámetro del tubo debería ser capaz de conducir el caudal, y así sucesivamente. Más allá de manejar las reglas, estos sistemas también pueden manejar la creación de flujos de trabajo, incluidos los estados de presentación, revisión y validación para los cambios.

Mientras que para las empresas de ingeniería, adquisiciones y construcción (engineering, procurement and construction, EPC), la ingeniería simultánea puede haber sido una práctica estándar desde que se empezaron a utilizar herramientas de CAE, en algunas empresas de operador propietario (owner-operator, OO), lo habitual fue la ingeniería secuencial. Permitir que múltiples disciplinas trabajen en el mismo diseño tiene repercusiones económicas, organizativas y sociales.

Aspectos socioculturales

Cuando se introduce la ingeniería simultánea o la ingeniería secuencial de colaboración utilizando una única base de datos de ingeniería, las personas deben familiarizarse con los nuevos procesos y tecnologías. El desafío más importante es que están obligados a compartir su información, sus métodos de trabajo y sus fundamentos para la toma de decisiones. A menudo, tienen que aprender a colaborar, lo que incluye escuchar las opiniones de los demás, definir normas y responsabilidades acordadas con los diferentes colaboradores, negociar, solucionar problemas colaborativos y resolver conflictos de manera constructiva. Esta transformación puede generar algunos inconvenientes, ya que las personas tienen que abandonar su zona de confort. Pueden aparecer conflictos y llevar al fracaso, si no se gestiona de manera adecuada. Los directores de ingeniería, que en última instancia son los responsables del éxito del cambio, deben tener habilidades de gestión de personal y del cambio. Pueden recibir ayuda de consultores de cambios, pero para que la implementación sea sostenible, deberán adquirir estas habilidades para entrenar a sus colaboradores mucho después de que el cambio haya sido implementado. Esto no es una opción, porque de ello dependen el clima laboral y la productividad.

En una organización, las personas se comportan según las reglas y creencias colectivas. Para los equipos, estas se denominan normas, mientras que para las organizaciones, se trata de la cultura. Algunas de estas reglas y creencias están implícitas, es decir, no se indican de manera explícita, aunque están vigentes; algunas pueden ser inconscientes y muchas pueden ser contradictorias con las reglas y los principios formales de la empresa. Para que un cambio cultural resulte exitoso, es necesario descubrir la realidad y explicitarla. A continuación, se debe crear una visión que conecte los objetivos de negocio con las necesidades colectivas, para finalmente implementar la nueva cultura de manera gradual y mantenerla. Un manual o una capacitación pueden ser de ayuda, pero es necesario que los líderes se reúnan con las personas, escuchen sus ideas y preocupaciones, expliquen, actúen en respuesta a sus comentarios, los hagan participar en el diseño del trabajo y reconozcan sus esfuerzos para hacer realidad el cambio.

Impacto organizativo y económico

Aunque la CAE inteligente puede ayudar a implementar la ingeniería simultánea, no todas las organizaciones de ingeniería la utilizan. Hace pocos años, ARC realizó un estudio informal entre subsectores de las industrias de procesos. El estudio incluyó desde grandes petroquímicas de proceso continuo hasta fábricas de productos farmacéuticos de varios continentes. La encuesta indicó que aproximadamente la mitad de los usuarios de CAE están organizados para un nivel estándar o alto de ingeniería simultánea, pero que un tercio prefiere utilizar la ingeniería secuencial. El propósito de que varios campos de la ingeniería trabajen de manera simultánea en el mismo tema de diseño es acortar el tiempo del proyecto. Sin embargo, los usuarios reconocen que esto aumenta los errores y las iteraciones, lo que en última instancia aumenta el esfuerzo total. Las EPC pueden no tener opción cuando trabajan bajo gran presión por los plazos, pero para las empresas OO el diseño conceptual de la ingeniería no es un camino crítico, lo que les permite manejar proyectos de mayor duración para ahorrar esfuerzos en términos de ingeniería. Una optimización económica que equilibre el costo del proyecto con el valor de la disponibilidad operativa temprana, probablemente mostrará que lo óptimo es un grado intermedio de ingeniería simultánea. Los usuarios indicaron, durante la misma encuesta, que se puede lograr un aumento de la productividad en ingeniería del 5 al 50%, asociada a la ganancia de tiempo y a la mayor precisión de los datos, según el grado de ingeniería simultánea utilizado. Sin embargo, esto implica una importante inversión en ingeniería modular y en modelado del flujo de trabajo (véase abajo).

La ingeniería simultánea y de colaboración puede causar pequeños ajustes en detalles de los flujos de trabajo y en la definición de las responsabilidades de cada individuo, lo que también puede salir a la luz como desacuerdos a nivel humano (véase arriba), pero en el plano técnico la organización no se vería afectada de manera importante.

Ingeniería modular y tecnología de procesos modular

La reutilización de la información y el conocimiento es una manera de aumentar la eficiencia de ingeniería. El segundo “principio de Tauchnitz” de reutilización del conocimiento tanto como sea posible (véase página 1) implica la estandarización en base a diseños modulares probados. Estos diseños están preparados para utilizar la información de la ingeniería en secciones o unidades de proceso, compuestas de equipos de proceso, instrumentos, control, tuberías, bombas, agitación mecánica, etc. El ingeniero escoge una sección o unidad de proceso, en lugar de tener que volver a diseñar las secciones, lo que le permite concentrarse en el rendimiento del proceso. Cuando no se cuenta con módulos estándares, la documentación debería describir las soluciones para la tarea de ingeniería en cuestión. Los desafíos de la ingeniería modular son las importantes inversiones que se deben realizar para la creación de los módulos. Para las empresas OO se trata de una inversión que se puede amortizar con el tiempo, pero para las EPC podría suponer un problema económico, a menos que la EPC pudiera estandarizar todo en una sola herramienta y tuviera la capacidad de exportar los diseños a las herramientas de CAE que le indiquen sus clientes.

El proyecto de F3 Factory, financiado por unas 25 empresas y la Unión Europea, que comprende siete estudios de casos industriales, se desarrolló desde 2009 hasta 2013. Su objetivo era superar las desventajas del procesamiento continuo a gran escala (gran inversión de capital y rigidez) y del procesamiento de lotes a pequeña escala (ineficiencia) y combinar las ventajas respectivas mediante la incorporación de eficiencia en las instalaciones, para múltiples productos y múltiples usos, y flexibilidad en las instalaciones de fabricación continua de tamaño mundial. Objetivos de la investigación:

  • Proporcionar diseños de procesos más compactos y menos costosos, que permitan reducir el impacto medioambiental para apoyar la “intensificación del proceso”
  • Desarrollar equipos de producción química estandarizados, modulares, de conexión inmediata, capaces de manejar muchos procesos químicos
  • Desarrollar metodologías de ingeniería para procesos intensificados
El proyecto ha ofrecido muchos resultados prometedores y se han desarrollado varios procesos modulares. Todos ellos han demostrado aumentos importantes, tanto en términos de costos como de sostenibilidad.

La idea es que, para aumentar la capacidad de producción, en lugar de proyectar una planta más grande, el fabricante solo necesita añadir pequeñas unidades estandarizadas. Esto reduce el costo y el tiempo de ingeniería. Además, como se pueden construir series más grandes de equipos, se reduce aún más el costo de estos. El concepto exige un nuevo enfoque de la ingeniería, que optimice el proceso con las restricciones que impone una elección de módulos estándares, en lugar de adaptar los equipos al proceso.

La tendencia es producir cantidades más pequeñas introduciendo mejoras graduales en el producto y el proceso, y responder con flexibilidad a las demandas del mercado. Esto ofrece la posibilidad de aprovechar la flexibilidad de una planta diseñada para una gama de condiciones de funcionamiento. De este modo, se pueden diseñar los equipos para que se adapten a una gama esperada, en lugar de a una condición única y óptima. El uso de sistemas adaptables de optimización de la producción y de gestión de la calidad, en consonancia con las últimas directrices de las buenas prácticas de fabricación vigentes (current Good Manufacturing Practices, cGMP) de la FDA, resultará favorable en estas condiciones, puesto que absorberán las modificaciones de los procesos y la variabilidad de las condiciones de procesamiento cuando algunos o todos los productos finales sean idénticos.

El uso del concepto de producción modular eliminaría una gama de tareas de ingeniería y validación, ya que la variación de las tasas de producción puede manejarse adaptando el número de líneas de producción necesarias para producir las cantidades requeridas. En el Massachusetts Institute of Technology (MIT) de los Estados Unidos, se han realizado proyectos similares en colaboración con fabricantes.

Las iniciativas industriales de la Internet de las cosas, como Industrie 4.0, o el Industrial Internet Consortium, han llevado a la industria, en particular al sector de la producción por lotes, a pensar en la manera de implementar líneas de producción reconfigurables, que puedan responder a las diferentes demandas y restricciones. Esto requiere nuevos conceptos y normas para integrar equipos específicos y casi en tiempo real, incluidos sus componentes de software de gestión de operaciones y automatización. Los enfoques de la ingeniería modular analizados anteriormente facilitan enormemente el diseño de la tecnología de procesos modular. Esperamos que en el futuro, a corto y mediano plazo, el uso de la ingeniería modular aumente rápidamente. Las industrias dedicadas a la producción por lotes serán las primeras en adoptar el enfoque, y también esperamos que una gran cantidad de empresas de procesamiento continuo comiencen a pensar en la racionalización de sus paradigmas de ingeniería, construcción y funcionamiento, y que apliquen estos conceptos.

Calificación electrónica y cumplimiento electrónico

Esto no es todo en la visión del Dr. Tauchnitz. El análisis de los riesgos sobre la calidad del producto, relacionados con el proceso y los equipos, debe reflejarse en la especificación de los requisitos, las pruebas y los planes de calificación. Este análisis puede realizarse de manera sistemática, según la información de la herramienta de CAE, y su flujo de trabajo puede automatizarse completamente en dicho sistema. Los resultados de las pruebas y calificaciones pueden vincularse a los requisitos de los equipos a través del análisis de riesgos. De ese modo, el proceso que va de la especificación al cumplimiento puede ejecutarse de manera electrónica, y puede elaborarse eficientemente como una extensión de los sistemas de herramientas inteligentes de CAE. En la actualidad, algunos proveedores están desarrollando este enfoque con empresas visionarias, y esto se traduce en importantes beneficios en términos de eficiencia y precisión. ARC espera que en el corto plazo esta funcionalidad se transforme en habitual, ya que la presión de cumplimiento aumenta constantemente para todas las industrias, y las empresas necesitan responder a esta presión a través de una mayor eficiencia.

Ingeniería integrada

El tercer principio de Tauchnitz y la integración de los procesos de diseño, ingeniería y funcionamiento de las plantas: la frase: “que las herramientas de software estén interconectadas mientras la planta de producción esté en funcionamiento”, también tiene importantes repercusiones, tanto para las EPC como para las empresas OO.

Durante las fases de diseño y construcción, nuestros clientes nos comentan que en los últimos años los intercambios entre las EPC y las empresas OO se han vuelto más frecuentes e intensos. Las empresas OO quieren estar entre las elegidas por las EPC durante la etapa de diseño, revisar el progreso del trabajo, gestionar conjuntamente y ser copropietarios de la obra. Cada vez más, estos intercambios utilizan herramientas inteligentes de CAE comunes, que permiten a las partes compartir, visualizar y analizar el trabajo de diseño. Algo incluso más importante, la denominada “transferencia” de la EPC a la empresa OO durante la puesta en servicio se realiza cada vez con más frecuencia en formato electrónico. La tradicional documentación en papel era engorrosa, llevaba mucho tiempo descubrirla y dominarla, y era prácticamente imposible mantenerla al día. En la actualidad, cada vez más empresas OO buscan contar con un conjunto de datos de información de activos, electrónico e inteligente, que refleje la situación conforme a obra, para poder mantenerlo actualizado durante el ciclo de vida de la planta. Esto no solo es eficaz desde el punto de vista de los recursos, también se transforma cada vez más en una exigencia reglamentaria para poder producir documentación de activos actualizada y demostrar los cumplimientos.

Desde el momento en que la planta empieza a funcionar por primera vez, después de haber sido construida o remodelada, al menos dos actividades diferentes y complementarias utilizan la información de activos. La ingeniería utiliza la información de la planta para planificar los cambios o mejoras, como los proyectos de descongestión, integración energética, mejoras de la calidad u otros proyectos. Al mismo tiempo, el mantenimiento utiliza los datos para localizar fallas, realizar reparaciones, solicitar piezas de repuesto, etc. Si no se mantiene la información de activos durante el funcionamiento y mantenimiento de la planta, poco a poco se pierde su precisión. De ese modo, cuando se la necesite para empezar un proyecto de ingeniería, se perderán valiosos meses para descubrir el estado real de los activos, en lugar de dedicarse a la tarea de ingeniería. Un beneficio importante del uso de herramientas inteligentes de CAE es, por lo tanto, su aplicación a través del ciclo de vida de la planta, y la integración de los procesos de ingeniería, operaciones y mantenimiento, por medio de un único conjunto de datos de información de activos actualizado. Por consiguiente, la información de activos e ingeniería se vuelve indistinguible, y la información “conforme a obra” se transforma en información “conforme al mantenimiento”.

El diseño de los procesos y del trabajo deben adaptarse, para asegurarse de que los cambios de ingeniería y de las plantas queden capturados en la herramienta de CAE o en el depósito de información de activos. También en este aspecto es necesario un cambio de cultura, que tenga en cuenta lo que se describió anteriormente para las organizaciones de ingeniería.

En función de los testimonios de los clientes, creemos que los usuarios pueden ganar varios meses-hombre de ingeniería y tiempo de mantenimiento por planta. Los beneficios relacionados con los incidentes de seguridad y las situaciones de emergencia son más difíciles de cuantificar. En lo que se refiere a accidentes graves, se ha demostrado que la disponibilidad y calidad de la información en la que se basan las decisiones desempeñan un papel fundamental al momento de tomar las decisiones correctas, para reducir los daños, las lesiones y los accidentes mortales. Solo el costo de oportunidad como consecuencia de las paradas de producción relacionadas con la información de activos justificará fácilmente el esfuerzo de implementar la ingeniería integrada.

Interoperabilidad con sistemas de control y otros sistemas

Pero esto no es todo. El Dr. Tauchnitz impulsó aún más la visión al afirmar que la herramienta de CAE debe contar con un modelo genérico para programar un sistema de control de procesos (DCS y PLC). Mediante una interfaz universal, los programas podrían exportarse a varias marcas de automatización y recopilarse dentro del equipo, con el objetivo de reutilizar los módulos de programación estandarizados en equipos de diferentes tipos. El autor también amplía su concepto a la configuración de los sistemas de producción, como el MES o el de gestión de operaciones.

Tanto para las EPC como para las empresas OO, esto genera un importante ahorro de tiempo en los sistemas de control de ingeniería. Para las empresas OO, durante las fases de operación y mantenimiento de la planta, el beneficio podría ser aún mayor. Las empresas OO utilizan, por lo general, varias marcas en el sistema de control, y podrían beneficiarse de un enfoque uniforme para múltiples marcas. A medida que los sistemas de control se actualizan y cambian en el campo, surge el desafío de mantener la información precisa sobre activos e ingeniería. La organización de usuarios NAMUR (www.namur.net) ha dado una respuesta a este desafío mediante la definición de un formato estándar de datos para el intercambio entre los sistemas de control de procesos (process control systems, PCS) y las herramientas de CAE (Recomendación NAMUR NE 150, publicada en octubre de 2014). El Dr. Tauchnitz presentó recientemente un informe sobre una serie de modelos de demostración que implementan este formato de intercambio de datos para una etiqueta DCS, entre cuatro sistemas de CAE (Aucotec, Bentley, ESP, Siemens) y tres sistemas PCS (ABB, Siemens, Yokogawa). Esto abre un sinfín de posibilidades y beneficios para los usuarios y proveedores de sistemas por igual. Debe mantenerse el impulso inicial utilizado para crear estos modelos de demostración. Los usuarios requerirán su implementación completa a un número aún mayor de proveedores, y su aplicación será amortizada, en el caso de los usuarios en términos de eficiencia de ingeniería, para los proveedores de herramientas de CAE, por un aumento del tamaño del mercado y para los proveedores de PCS, a través de un costo más favorable del ciclo de vida.

La interoperabilidad con MES o Gestión de operaciones de fabricación (Manufacturing Operations Management, MOM) sigue siendo un sueño para el futuro, ya que también es un intercambio bidireccional con simulación de procesos. Con una mayor dedicación en estos temas, se podrían lograr enormes beneficios. El trabajo en la interfaz bidireccional entre las herramientas de CAE y los PCS demuestra que lo que se consideraba poco probable puede convertirse en realidad muy rápidamente. Esto sucederá cuando coincidan la visión, las habilidades interpersonales y la cooperación multidisciplinaria. Lo mismo sucede para la interoperabilidad entre la herramienta de CAE y la MOM o el proceso de simulación.

Estandarización

Por último, Thomas Tauchnitz desarrolla la visión para la estandarización e implementación a nivel empresa, la reducción de la cantidad de sistemas e interfaces, la organización para un mantenimiento centralizado, y el apoyo y la promoción de la gestión de conocimiento a nivel empresa. A este aspecto de la visión aún no se le ha prestado demasiada atención, pero a partir de la experiencia y de los estudios de casos de clientes en implementación de aplicaciones de MOM, sabemos que este enfoque disminuye el costo total de propiedad de una aplicación y, por consiguiente, acorta los períodos de amortización y aumenta el valor añadido neto. Por lo tanto, recomendamos encarecidamente prestar atención a este punto.

Conclusiones

La información actualizada y precisa de activos e ingeniería, de fácil acceso durante todo el ciclo de vida de la planta, aporta importantes beneficios en términos de eficiencia de ingeniería para EPC y empresas OO que, según los usuarios de estos sistemas, rondan del 5 al 50%, según su eficiencia inicial y el grado de ingeniería simultánea. Los usuarios correspondían a varios subsectores de la industria de procesos, desde los productos petroquímicos hasta los productos farmacéuticos.

Los sistemas inteligentes de CAE permiten una ingeniería simultánea y de colaboración. La eficiencia de ingeniería se obtiene gracias a una base de datos precisa y actualizada, a la que todos los involucrados tienen acceso en cualquier momento. Estos sistemas ayudan a mantener la integridad de la información de ingeniería.

La ingeniería simultánea acorta la duración del proyecto, pero disminuye las mejoras de la eficiencia de ingeniería. Todas las empresas u organizaciones deben determinar su relación óptima de ingeniería simultánea frente a ingeniería secuencial.

La información de activos “conforme a obra” (o “conforme a remodelación”) puede mantenerse en los sistemas inteligentes de CAE, que se transforma en una base de datos de activos “conforme al mantenimiento”, que tanto ingeniería, operaciones y mantenimiento utilizan y actualizan, para tomar decisiones óptimas. Esta práctica denominada “ingeniería integrada” aumenta la seguridad y la eficiencia operativa. ARC calcula que las empresas ahorrarán muchos meses-hombre de ingeniería por planta y por año.

Las mejoras importantes de eficiencia podrán lograrse cuando los usuarios alienten a los proveedores de herramientas de CAE y PCS a implementar la norma NE 150, recientemente publicada, para el intercambio bidireccional de datos entre los dos tipos de sistemas.

La estandarización de sistemas, metodologías, procesos e ingeniería modular, reduce el costo total de propiedad, aumenta la productividad y reduce los costos de capacitación.

Biografía: Valentijn de Leeuw, Vicepresidente de ARC Advisory Group

Valentijn es un experto independiente, evaluador de proyectos de investigación de la Comisión Europea en tecnología de la información y las comunicaciones, sostenibilidad social y atractivo de empresa para los trabajadores en diferentes ámbitos de la fabricación. Valentijn es Doctor (PhD) en Ciencias Técnicas de la Delft University of Technology (Países Bajos) en colaboración con la École Nationale Supérieure des Mines de Paris y el IFP (Institute of French Petroleum). También posee una Maestría en Química de la Universidad Estatal de Utrecht, Países Bajos. Fundada en 1986, ARC Advisory Group es la empresa líder en consultoría e investigación de tecnologías para la industria y las infraestructuras.

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