工程还是资产信息?

2015年02月04日 09:00 CEST

技术、规则和效率要求如何转变技术知识管理

作者: Valentijn de Leeuw,ARC 顾问集团副总裁

触发转变的愿景

2005 年,领先的制药企业赛诺菲-安万特集团(Sanofi-Aventis)的 Thomas Tauchnitz 在德语版《实践中的自动化技术》(Automation Technology in Practice)中发表了一篇题为《是时候整合工艺设计、工程和工厂操作流程了》(“It’s time for an Integration of the Process Design, Engineering and Plant operation processes”)的文章。 这篇文章所包含的观点和策略是通过电脑软件来执行工艺设计、工程和工厂操作流程整合的理念。Tauchnitz 博士解释了需要考虑的三大基本要求: 每项信息生成后仅储存在一个地点;尽可能地重复利用知识;当工厂在运行时,软件工具保持连接可用。

Tauchnitz 使用流程模拟软件描述了工作流程,从所生成的流程信息到计算机辅助工程工具(CAE)的转化,与前端和细节工程中涉及的工程规则共通。 他解释了多年前就已知的模块化工程理念该如何落实: 为特殊的工程任务建造、维护并实例化包含所有功能的标准化模块。 例如,反应器模块可能包含温度和压力的测量和控制、材料转移阀门、液位控制、安全设备和自动化、搅拌等。 相应的设备列表、设计文档、安全程序、测试和鉴定程序也是模板的一部分。 工程师只需适当调整以整合入更大的系统,而无需从头开始策划每一次的新装备、更换、现代化或修理操作,从而有更多的时间用于优化设计、作出改进以及维护模块。

并行或协作工程?

如今,某些智能计算机辅助工程系统为设备工程中某些规则提供了可能性,让这些规则以其各自的角度并使用其典型的工作方式在同一台设备上工作: 供工艺工程师使用的工艺流程图(PFD)、供自动化工程师使用的配管自控流程图(P&ID)、配管等距等。

当几位工程师从事同一项目时,这类工具就有助于维护工程数据的统一。 例如,如果工艺工程师修改了最高温度或管内的流速,那么应替换这一流体的泵就应该拥有可以处理这些最大值的规格,如果无法处理,工具将针对泵规格创建警报。 类似地,管径应该可以处理流速等。 除了这些处理规则,这些系统还能够处理编辑工作流程,包括提交、审阅和验证变化的状态。

而对于工程采购和建筑公司而言(EPC),从开始使用计算机辅助工程工具开始,并行工程就成为了一项标准操作;在某些个体经营(OO)公司,顺序工程则是规范。 让多项规则在同一设计项目上工作,具有经济、组织和社会意义。

社会和文化方面

在介绍并行工程或使用单个工程数据储存的协作或顺序工程时,人们需要熟悉全新的工艺和技术。 更大的挑战是要求他们分享自己的信息、工作方式和决策的理性基础。 有时候,他们必须学会协作,包括聆听他人的意见、就规则达成一致、对不同的贡献者负责、建设性地商议和合作解决问题并处理矛盾。 这一转变可能会造成一些困扰,人们必须离开自己的舒适地带。 如果管理不当,还可能导致矛盾或失败。 对成功改变负有终极责任的工程管理人员应该懂得人事管理和变化管理的技巧。 他们可以邀请变化顾问提供协助,但是就更可持续地落实这些改变而言,他们应该自己去掌握这些技巧,以在成功进行改变后辅导他们的合作者。  这是必须的,因为这不仅是创造工作氛围的需求,生产力的提高也取决于此。

组织内的成员依照集体信念和规则处事。 在团队内,这被称为标准;而在组织内部,这就是所谓的文化。 其中有些规则和信念较为含蓄,即使它们可操作,也没有明确地阐明;而有些可能是不自觉的,还有些可能与正式规则和公司原则矛盾。 成功改变文化需要发现事实并清晰地阐明,确立一个将业务目标和集体需求相结合的发展愿景,然后再逐渐落实新的文化,最后将之可持续地发展下去。 手册和培训可以起到帮助作用,但这需要领导者与员工见面,聆听他们的意见和担忧,为他们作出解释,根据他们的反馈做出行动,引导他们参与工作设计并且认可他们在改变中付出的努力。

组织和经济影响

尽管智能计算机辅助工程可以进行并行工程,但并非所有工程机构都使用它。 ARC 几年前在制造业的子行业做过一项非正式的研究,受访者包括来自不同洲的大型石化集团到制药企业。 该调查表明,约有一半的计算机辅助工程用户是为了组织展览会或高级并行工程,但三分之一的用户倾向于使用顺序工程。 几项工程规则并行工作于同一设计项目的目的是为了缩短项目时间。 但用户也承认这会增加错误和迭代次数,最终需要付出更多的努力。 在时间非常紧迫的压力之下,工程采购和建筑公司可能没有第二个选择;但个体经营公司的概念性工程设计并非关键途径,可以承受更长的项目工期,以节省为工程所需花费的努力。 从早期操作准备开始,一种平衡项目花费和价值的经济优化组合可能在并行工程中间等级显示为最优。 在同一份调查中,用户表明可以完成工程生产力 5% 至 50% 的提升,这与时间增益和数据的准确性相关,取决于所使用的并行工程的等级,但是,这会产生对模块工程和工作流程模式化的巨大投入花费(见下文)。

并行和协作工程可能需要对工作流程进行小细节的调整,并且定义每个人的职责,也可能显示出个人层面的摩擦(见上文),但从技术层面而言,组织不会受到很大的影响。

模块化工程和模块化工艺技术

信息和知识的再利用是提升工程效率的方法之一。 第二条“Tauchnitz 原则”尽可能再利用知识(见第 1 页)意味着经验证模块化设计的标准化。 这些即可供工艺单位或部门使用的工程信息由工艺装备、仪器、控制、配管、泵、机械搅拌等组成。 工程师只需挑选其中一个单位或工艺部门,而不是重新规划部门,从而可以集中精力于工艺性能。 缺乏标准模块的时候,文档应该为已经使用过的工程任务描述解决方案。 与模块化工程相关的挑战就是创建模块所需花费的巨大投资。 对个体经营者而言,这一投资可以随着时间而取得汇报;而对于工程采购和建筑公司,这可能就是一种浪费,除非工程采购和建筑公司可以做到单一工具的标准化,并且有能力将设计导出为他们客户指定的计算机辅助工程工具。

由约 25 家企业和欧盟资助的 F3 工厂项目包含 2009 至 2013 年的七大工业案例研究,目标是克服大规模连续加工(高资本投入并且严格)和小规模批量处理(效率低下)的弱势,并通过提高多功能、多产品装置的效率来组合相应的优势;并为世界规模的连续加工装置提供灵活性。 包括的研究目标:

  • 提供更紧凑、更经济的工艺设计,从而减少对环境的影响以支持“过程强化”
  • 开发标准化、模块化、即插即用的化工生产设备,能够处理许多化学加工
  • 为强化的过程开发工程方法
该项目取得了很多满意的结果并成功开发了几个模块化工艺。 所有一切都证明了在成本和可持续性方面取得的巨大成功。

概念就是,要扩大生产能力,制造商只需添加标准化的小型单元;而不需要策划一个大型工厂。 这样可以减少工程花费和时间,进一步降低设备成本,因为可以建造更大型的设备系列。 这一概念需要全新的工程方法,在有限的标准模块中优化工艺,而不是为了工艺去调整设备。

发展趋势就是生产更少量的模块,逐步改进产品和工艺,灵活回应市场需求。 这样就有能力开拓一家灵活设计的工厂以应对各种工况,让所设计的设备适应预期的范围,而不是单独的最佳值。 使用符合美国食品及药物管理局最新版《化妆品良好生产规范指南》的、有适应能力的生产优化和质量管理系统将在这些条件下有利,因为当某些或全部成品一样时,它们将吸收工艺更改和加工条件的变化。

模块化生产概念的使用将免去一系列的工程和验证任务,因为可以根据所需产量通过调整生产线数量来处理变动的生产速度。 美国麻省理工学院(MIT)也曾与制造商合作进行过类似的项目。

工业 4.0 等工业物联网倡议或工业互联网联盟带领行业,尤其是批量生产行业,去思考如何落实可重构的生产线,来应对变化的需求和限制。 这需要新的概念和标准来整合设备点对点并接近实时,包括它们的自动化和操作管理软件部件。 上文讨论的模块化工程方法大大促进了模块化工艺技术工程的发展,我们希望模块化工程的使用在近期和中长期内可有大幅提升。 批量处理行业将成为该方法的第一批采用者,我们希望大型连续加工企业也可以开始考虑工程、建筑和操作范例的合理化并应用这些概念。

电子资格证和电子合规

Tauchnitz 博士的 远见还不止这些。 他认为对工艺相关的风险和有关产品质量的设备的分析应在要求规格、测试和鉴定计划中体现。 可基于计算机辅助工程工具中的信息系统地进行此分析,并且其工作流程可以完全在此类系统中实现自动化。 测试和鉴定结果可通过风险分析与设备要求关联起来,从规格到合规的工艺可以以无纸化方式实施,并且可以有效地建立为智能计算机辅助工程系统的延伸。 如今,有些供应商与有远见的企业已迈出第一步合作开发此方法,在效率和准确性方面创造了大量的效益。 ARC 预计这一功能将很快成为主流,因为各行业的合规压力持续上升,企业需要通过创造额外的效率来应对这一压力。

综合工程

工艺设计、工程和工厂操作流程以及 Tauchnitz 第三大原则: “当工厂在运行中,软件工具应保持连接可用”对于工程采购和建筑公司以及个体经营者也具有深远的意义。

在设计和建造阶段,我们的客户告诉我们,近年来工程采购和建筑公司以及个体经营者之间的交流变得越来越频繁和密切。  个体经营者希望始终成为工程采购和建筑公司的首要选择,参与整个设计过程,总结项目进展、共同管理和共同拥有项目。 越来越多的此类交流使用常见的智能计算机辅助工程工具,完成分享、想象和讨论设计工作。 更值得一提的是,所谓的从工程采购和建筑公司到个体经营者的尝试性交接越来越趋向于以电子形式完成。 传统的纸质文件繁重累赘,需要耗时去查找和了解,而且几乎不可能保持更新。 如今,越来越多的个体经营者喜欢电子版智能资产信息数据组,反应“工作完成”情况,能够在工厂生命周期内保持其更新。 这不光有助于提高资源利用效率,而且越来越多的法规也要求能够生成最新的资产文档,证明合规性。

从工厂新建或改建后第一次投入使用开始,至少有两个不同的互补性的活动使用资产信息。 工程使用工厂信息以策划改变或改进,例如去瓶颈化、热集成、质量改进或其他项目。 同时,维护使用数据进行故障检修、修理、订购零备件等。 如果在工厂运营和维护过程中没有保存资产信息,它的准确性会随着时间逐步减少;当工程需要开始项目时,他们将浪费宝贵的几个月时间来检查资产的最新状态,而不是着手工程任务。 因此,使用智能计算机辅助工程工具最大的好处就是它们在整个工厂生命周期内都有效,通过单个的、最新的资产信息数据就可以整合工程、运营和维护工艺。 因此,工程和资产信息变得难以区分,而“完工”信息被转变为“维护”信息。

需要对工艺和工作设计进行调整,以确保工程和工厂变化已被智能计算机辅助工程或资产信息储存捕捉。 除了上文针对工程机构所描述的内容,同时还需要文化上的改变。

根据客户的嘉奖,我们相信每家工厂的用户都可以节省更多的工程和维护人力和时间。 与安全事件和紧急状况相关的益处更难以估量。 在大型事故中,为决策打基础的信息的可用性和质量被证明对做出正确决策,减少伤害、受伤和死亡起到至关重要的作用。 光是资产信息相关的停产所造成的机会成本就很容易证明落实综合工程的必要性。

与控制和其他系统的兼容互用

但这不是 Tauchnitz 博士一个人通过陈述工艺控制系统和可编程逻辑控制器编程的通用型号应成为计算机辅助工程工具的一部分而推动了这一远见的进一步发展。 通过一个通用界面,程序可被导出至不同的自动化品牌,并在设备内部进行编辑,目标是为了在不同类型的设备中再利用标准化编程模块。 作者还将其理念扩展至 MES 或操作管理等产品系统的配置。

这将为工程采购和建筑公司以及个体经营者的工程控制系统节省大量的时间。 对个体经营者而言,在工厂的运营——维护阶段,益处更重大。 个体经营者通常使用几个品牌的控制系统,并可从统一工程方法中为多个品牌的控制系统获益。 因为行业内的控制系统不断更新和改变,就产生了保持资产 / 工程信息准确性的挑战。 国际过程工业自动化用户协会(www.namur.net)通过为工艺控制系统(PCS)和智能计算机辅助工程工具间的交流定义标准数据形式来应对该挑战(NAMUR Recommendation NE 150,2014 年 10 月出版)。 查尔姆斯理工大学 博士近期报告了一组执行这一工艺控制系统标签数据交流形式的示范,示范于四个计算机辅助工程系统(Aucotec、Bentley、ESP、西门子)和三个工艺控制系统(ABB、西门子、横河)之间。 这为用户和类似系统的供应商开拓了更多的可能性和益处。 用户应保持创建这些示范时所使用的初始要素。 用户应要求更多供应商全面实施,其使用将为用户带来工程效率的提高,为计算机辅助工程供应商带来更大的市场规模;同时也应要求工艺控制系统供应商进行全面实施,这样会带来更低的生命周期成本。

与 MES 和制造运营管理(MOM)的兼容互用仍是未来待实现的梦想,因为它同时还是与流程模拟的双向交流。 如果这些主题可以实现,其他大量的益处将唾手可得。 在计算机辅助工程工具和工艺控制系统双向界面上的操作证明,曾经被认为不可能实现的事也可以很快成为现实,只要视野、人际技能和多方合作都准备就绪。 计算机辅助工程和制造运营管理或流程模拟间的兼容互用也是如此。

标准化

最后,Thomas Tauchnitz 就整个企业界的标准化和执行、减少系统和界面数量、集中维护机构以及支持和推广企业界的知识管理这一观点展开。 这一观点还未得到足够的关注,但从制造运营管理应用的落实经验和客户案例研究来看,我们相信这一方法可以减少应用的总拥有成本,从而缩短回报周期并增加净增值。 因此,我们强烈建议大家关注这一点。

结论

在工厂整个生命周期内,资产信息的更新、精确和易于访问将为工程采购和建筑公司以及个体经营者带来巨大的工程效率益处。据使用这些系统的用户估计,取决于初始效率和并行工程的等级,效率可提高 5% 至 50%。 用户遍及从石化到制药的各加工业的子行业。

智能计算机辅助工程系统使并行和协作工程实现。 得益于所有工程任何时间都可以访问的精确更新的数据储存,获得工程效率。 这些系统有助于保持工程信息的统一性。

并行工程缩短项目时长的同时也减少了工程效率收益。 每家企业或组织都应该确定并行和顺序工程的最适比率。

“完工”(或“改建”)资产信息可保存在智能计算机辅助工程系统中,作为“维护”资产信息储存,供工程、运营和维护使用并且及时更新,以做出最优的决策。 这一所谓的“综合工程”做法可以增加运营效率和安全性。 ARC 估计,企业将节省每厂每年多达数月的工程期和人力。

如果用户可以鼓励计算机辅助工程和工艺控制系统供应商采用近期发布的用于这两种系统间数据双向交流的标准 NE 150,将大有益处。

系统、方法、模块化工程和工艺的标准化可以缩减总拥有成本、提高产量并降低培训成本。

个人简历: Valentijn de Leeuw,ARC 顾问集团副总裁

Valentijn 是欧盟委员会制造领域信息技术和通信、社会可持续发展和员工吸引力研究项目的独立评估专家。 Valentijn 拥有代尔夫特理工大学(荷兰)以及国立巴黎高等矿业学校和法国石油研究院的合作技术科学博士学位,拥有荷兰乌得勒支州立大学化学硕士学位。 ARC 顾问集团于 1986 年创立,是工业和基础设施行业领先的技术研究和顾问公司。

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