Inženjering ili informacije o sredstvima?

2015 фебруар 04, 09:00 CEST

Kako potrebe za tehnologijom, regulacijom i efikasnošću transformišu tehnološko znanje

AUTOR: Valentijn de Leuv, potpredsednik, Savetodavna grupa ARC

Vizija koja je pokrenula transformaciju

U 2005. godini, Tomas Tauhnic iz Sanofi-Aventis, vodeće farmaceutske kompanije, objavio je članak u nemačkom izdanju Tehnologija automatizacije u praksi, pod naslovom ‘Vreme je za integraciju projekta procesa, i procesa rada inženjeringa i postrojenja’. Članak se sastoji od vizije i strategije za implementaciju koncepta pomoću računarskog softvera. Dr. Tauhnic objašnjava da će se poštovati tri osnovna zahteva: svaka informacija se generiše i održava na samo jednoj lokaciji, postojeće znanje se ponovo koristi gde je to moguće, a softverski alati ostaju povezani dok proizvodno postrojenje radi.

Tauhnic skicira radni tok iz projekta procesa korišćenjem softvera za simulaciju procesa, prenos informacija koje nastaju iz procesa do alata inženjeringa uz pomoć računara (CAE), ​​zajedničkog za sve discipline inženjeringa uključene u početnu fazu i detaljni inženjering. On objašnjava kako modularni inženjering - koncept poznat već dugi niz godina - treba da se implementira: standardizovani moduli koji obuhvataju sve funkcije se izgrađuju, održavaju i daju konkretne dokaze za određeni zadatak inženjeringa. Kao primer, reaktorski modul bi sadržavao merenje i kontrolu temperature i pritiska, ventile za prenos materijala, kontrolu nivoa, bezbednosnu opremu i automatizaciju, mešanje, itd. Liste odgovarajuće opreme, projektna dokumentacija, sigurnosne procedure, testiranje i kvalifikacione procedure bi takođe bile deo obrasca. Umesto inženjeringa svake nove opreme, zamene, modernizacije ili radnje na popravci od nule, inženjer bi se sâmo bavio adaptacijom i integracijom u veći sistem i imao više vremena za optimizaciju projekta i unapređenje i održavanje modula.

Konkurentni ili kolaborativni inženjering?

U današnje vreme, nekoliko inteligentnih CAE sistema obezbeđuje mogućnost da nekoliko disciplina tokom industrijskog inženjeringa radi na istoj opremi, iz njihove sopstvene perspektive i koriste sopstveni tipičan način gledanja na njihov rad: dijagrami toka procesa (PFD) za procesne inženjere, cevovodi i dijagram instrumentacije (P&ID) za inženjere automatizacije, izometrika za cevovode, itd.

Kada više inženjera radi na istoj stavki, ova vrsta alata pomaže u održavanju integriteta podataka inženjeringa. Na primer, ako procesni inženjer menja maksimalnu temperaturu ili protok u cevi, onda pumpa koja treba da zameni ovu tečnost treba da ima specifikacije koje mogu da ih obrade ove maksimalno, a ako ne može, alat će kreirati upozorenja za specifikaciju pumpe. Slično tome, prečnik cevi bi trebalo da bude u mogućnosti da omogući brzinu protoka, i tako dalje. Van pravila za rukovanje, ovi sistemi mogu takođe nositi autorska poslovna rešenja, uključujući podnošenje, razmatranje i statuse validacije za promene.

Dok je za nabavke inženjeringa i građevinske kompanije (EPC-ovi), konkurentni inženjering možda bio standardna praksa od početka upotrebe CAE alata, u nekim kompanijama tipa vlasnik-rukovalac (OO), sekvencijalni inženjering je bila norma. Omogućavanje da više disciplina radi na istom projektu ima ekonomske, organizacione i društvene implikacije.

Društveni i kulturni aspekti

Prilikom uvođenja konkurentnog inženjeringa, ili kolaborativnog sekvencijalnog inženjeringa korišćenjem jednog spremišta podataka inženjeringa, ljudi treba da se upoznaju sa novim procesima i tehnologijom. Ono što može biti veći izazov je da se od njih zahteva da dele svoje informacije, njihov način rada, kao i svoje principe za donošenje odluka. Oni ponekad moraju da nauče da sarađuju, što uključuje slušanje mišljenja drugih, definisanja dogovorena na pravilima i odgovornostima za različite saradnike, pregovaranje, kolaborativno rešavanje problema i konstruktivno rešavanje sukoba. Ova transformacija može stvoriti neke smetnje, pošto ljudi moraju da napuste svoje zone udobnosti. To može stvoriti sukobe i neuspeh, ako se time ne upravlja ispravno. Menadžeri inženjeringa, koji su na kraju odgovorni za uspešnu promenu, moraju da imaju ljude i veštine upravljanja promenama. Njima se može pomoći uz promenu konsultanata, ali za održivu implementaciju oni će morati da steknu te veštine da vode svoje saradnike dugo nakon što promena bude implementirana. Ovo nije stvar izbora, jer od toga zavise ne samo radna klima, već i produktivnost.

Ljudi u organizaciji se ponašaju u skladu sa kolektivnim verovanjima i pravilima. U timovima se ona nazivaju norme, za organizaciju se to naziva kulturom. Neka od ovih pravila i verovanja su implicitna, to jest, ona nisu eksplicitno navedena iako su operativna; neka mogu biti nesvesna a neka mogu biti u koliziji sa formalnim pravilima i principima kompanije. Uspešno menjanje kulturu zahteva otkrivanja realnosti i činjenje je eksplicitnom, zatim stvaranje vizije koja povezuje poslovne ciljeve i kolektivne potrebe, i postepeno primenjivanje nove kulture i održavanje te kulture. Priručnik ili obuka mogu da pomognu u vezi ovoga, ali to zahteva da se lideri sastanu sa ljudima, slušajući njihove ideje i zabrinutosti, objašnjavajući, delujući na povratne informacije, njihovo uključivanje u dizajn rada, i priznavanje njihovih napora u činjenju da dođe do promena.

Organizacioni i ekonomski uticaj

Mada inteligentni CAE može da omogući konkurentni inženjering, ne koriste ga sve organizacije inženjeringa. ARC je uradio neformalnu studiju pre nekoliko godina među pod-sektorima u procesnim industrijama, u rasponu od velikih petrohemijskih kompanija sa neprekidnom proizvodnjom do farmaceutske proizvodnje na nekoliko kontinenata. Istraživanje je pokazalo da je oko polovine korisnika CAE organizovano za konkurentni inženjering koji je solidan ili visokog stepena, ali da trećina radije koristi sekvencijalni inženjering. Svrha nekoliko disciplina inženjeringa koje rade istovremeno na istom projektu je da se skrati vreme projekta. Međutim, korisnici se slažu da to povećava grešku i iteracije koje na kraju povećavaju ukupan napor. EPC-ovi možda neće imati izbor kada su pod velikim vremenskim pritiskom, ali za OO kompanije konceptualni projekat inženjeringa nije na kritičnoj putanji, i one mogu sebi priuštiti da imaju duže trajanje projekta radi uštede napora u inženjeringu. Ekonomska optimizacija koja balansira troškove projekta sa vrednošću iz ranije operativne spremnosti bi verovatno pokazala optimum u srednjem stepenu konkurentnog inženjeringa. Korisnici su naveli u istom istraživanju da se povećanje produktivnosti inženjeringa od 5 do 50 odsto može postići, u odnosu na vremenske dobiti i povećanu tačnost podataka, u zavisnosti od stepena korišćenog konkurentnog inženjeringa, međutim, ovo dolazi na račun značajnog ulaganja u modularni inženjering i modeliranje radnog toka (pogledajte dole).

Konkurentni i kolaborativni inženjering mogu da izazovu prilagođavanja radnog procesa u malim detaljima, kao i definisanje odgovornosti pojedinaca koji mogu takođe biti površni kao trvenja na ljudskom nivou (pogledajte gore), ali tehnički organizacija ne bi bila pod uticajem u većoj meri.

Modularni inženjering i modularna tehnologija procesa

Ponovno korišćenje informacija i znanja je način povećanja efikasnosti inženjeringa. Drugi ‘Tauhnicov princip’ da se ponovo koristi znanje što je više moguće (pogledajte stranu 1) podrazumeva standardizaciju o dokazanim modularnim projektima. Ovi su spremni da koriste informacije inženjeringa za procesne jedinice ili sekcije, sastavljene od procesne opreme, instrumenata, kontrole, cevovoda, pumpi, mehaničke agitacije, itd. Inženjer bira takav procesni sektor ili jedinicu, umesto da ponovo vrši inženjering sektore, i može da se skoncentriše na obavljanju procesa. Kada nedostaju standardne moduli, dokumentacija bi trebalo da opiše rešenja za zadatak inženjeringa koji je korišćen. Izazovi vezani za modularni inženjering su značajne investicije u kreiranju modula. Za OO-ove je ovo investicija koja se isplati tokom vremena, ali za EPC-ove bi ovo moglo da bude neekonomično, osim ako se EPC može standardizovati na jednom alatu i bude imao sposobnost da izvozi dizajne u CAE alate koje njihovi klijenti propisuju.

F3 Fabrički projekat, finansiran od strane određenih 25 kompanija i EU, a koji se sastoji od sedam industrijskih studija slučajeva, sprovođen je od 2009. do 2013. godine, sa ciljem da se prevaziđu nedostaci kontinuirane prerade velikih razmera (veliko kapitalno ulaganje i rigidnost) i prerade serija malih razmera (neefikasnost) i kombinuju respektivne prednosti uvođenjem efikasnosti višenamenskim objektima za više proizvoda; i fleksibilnost do postrojenja svetske veličine koja kontinualno rade. Ciljevi istraživanja su uključivali:

  • Obezbeđenje kompaktnijih i manje skupih projekata procesa koji smanjuju uticaj na životnu sredinu za podršku 'intenziviranju procesa’
  • Razvijanje standardizovane, modularne, hemijske opreme koja radi na principu 'uključi i radi’ za hemijsku proizvodnu opremu sposobnu za obavljanje mnogih hemijskih procesa.
  • Razvijanje metodologija inženjeringa za intenzivirane procese
Projekat je dao niz obećavajućih rezultate i razvijeno je nekoliko modularnih procesa. Svi su pokazali značajne dobiti, kako po pitanju troškova, tako i po pitanju održivosti.

Ideja je da, da bi se povećao proizvodni kapacitet, proizvođač mora samo da doda standardizovane, male jedinice; umesto inženjeringa većeg postrojenja. To smanjuje troškove i vreme inženjeringa, i još više smanjuje troškove opreme pošto se mogu graditi veće serije. Koncept zahteva novi pristup inženjeringu koji optimizuje proces u okviru ograničenja izbora standardnih modula, a ne prilagođavanje opreme procesu.

Trend je da se proizvode manje količine, uvođenjem postepenih poboljšanja proizvoda i procesa, i fleksibilnim reagovanjem na zahteve tržišta. Ovo obezbeđuje potencijal da se koristi fleksibilnost postrojenja projektovanog za niz radnih uslova, a time i za projektovanje opreme koja odgovara očekivanom opsegu, a ne pojedinačnom optimumu. Korišćenje optimizacije adaptivne proizvodnje i sistemi upravljanja kvalitetom u skladu sa najnovijim smernicama FDU cGMP će biti povoljno u ovim uslovima, jer će apsorbovati modifikacije procesa i varijabilnost u uslovima prerade kada neki ili svi krajnji proizvodi ostaju isti.

Upotreba modularnog koncepta proizvodnje bi eliminisala niz zadataka inženjeringa i validacije, pošto se različitim stopama proizvodnje može postupati prilagođavanjem broja proizvodnih linija potrebnih za proizvodnju potrebnih količina. Slični projekti su napravljeni na Institutu za tehnologiju u Masačusetsu (MIT), u SAD, u saradnji sa proizvođačima.

Inicijative industrijskih Internet stvari kao što su Industrie 4.0, ili Industrijski internet konzorcijum, doveli su industriju, posebno sektor za proizvodnju u serijama, do toga da razmišlja o tome kako primeniti proizvodne linije koja se mogu ponovo konfigurisati da bi reagovale na različite zahteve i ograničenja. Ovo zahteva nove koncepte i standarde za integraciju opreme prema potrebi i blizu realnog vremena, uključujući njihovu automatizaciju i softverske komponente upravljanja operacijama. Pristupi modularnom inženjeringu o kojima je gore diskutovano, u velikoj meri olakšavaju gradnju modularne procesne tehnologije i očekujemo da se upotreba modularnog inženjeringa naglo poveća u bliskoj i srednjoročnoj budućnosti.  Industrija orijentisana na serije će biti prva koja će usvojiti pristup, a mi očekujemo da se velike kompanije za preradu sa neprekidnom proizvodnjom počnu da razmišljaju o racionalizaciji svog projektovanja, izgradnje i operativnih paradigmi i primeni ovih koncepata.

e-Kvalifikacija i e-Usklađenost

Postoji još više u viziji Dr. Tauhnica. Analiza rizika vezanih za proces i opremu za kvalitet proizvoda, trebalo bi da se ogleda u specifikaciji zahteva, ispitivanju i kvalifikacionim planovima. Ova analiza se može uraditi sistematski na osnovu informacija u CAE alatu, a njen tok rada može biti potpuno automatizovan u takvom sistemu.  Rezultati ispitivanja i kvalifikacija mogu biti povezani sa zahtevima opreme preko analize rizika i tako se proces postizanja od specifikaciji do usklađenosti može izvršiti na način bez papira, a može se efikasno izgraditi kao proširenje inteligentnih sistema CAE. Neki dobavljači danas krče put ovakvom pristupu u vizionarskim kompanijama, stvarajući značajne koristi od efikasnosti i tačnosti. ARC očekuje da će ova funkcionalnost uskoro postati glavna struja, jer se pritisak usklađenosti za sve industrije povećava konstantno, a kompanije treba da odgovore na ovaj pritisak stvaranjem dodatne efikasnosti.

Integrisani inženjering

Integracija projektovanja procesa, procesa inženjeringa i rada postrojenja, i treći Tauhnicov princip: ‘softverski alati ostaju povezani dok proizvodno postrojenje radi’ ima takođe velike implikacije, kako za EPC, tako i za OO-ove.

Tokom faza projektovanja i izgradnje, naši kupci nam kažu da su razmene između EPC i OO postale češće i intenzivnije tokom proteklih godina. OO-ovi žele da ostanu na vrhu izbora koje vrše EPC tokom projektovanja putanja, nadgledaju napredak i zajednički upravljaju i zajednički poseduju rad. Sve više i više ove razmene koriste zajedničke inteligentne CAE alate koji omogućavaju stranama da dele, vizuelizuju projektni rad i diskutuju o njemu. Još značajnije, tzv. primopredaja od EPC do OO se prilikom puštanja u rad sve više i više dešava u elektronskim formatima. Tradicionalna papirna dokumentacija je bila glomazna i oduzimala je dosta vremena za otkrivanje i savladavanje, a bilo je skoro nemoguće održavati je ažurnom. Danas sve više i više OO-ovi žele elektronske, inteligentne skupove podataka o informacijama o sredstvima, odražavajući situaciju ‘kako je izgrađeno', da bi mogle da ih održe ažurnim tokom životnog ciklusa postrojenja. Ovo nije samo efikasno sa tačke gledišta resursa, već je takođe sve više i više regulatorni zahtev da se bude u stanju da se pruži ažurna dokumentacija sredstava, i pokaže usklađenost.

Sa stanovišta o tome da se postrojenje pokreće se prvi put nakon što je izgrađeno ili prerađeno, najmanje dve različite, komplementarne aktivnosti koriste informacije sredstava. Inženjering koristi informacije postrojenja da bi planirao promene ili poboljšanja kao što su otklanjanje uskih grla, integracije toplote, poboljšanja kvaliteta ili druge projekte. Istovremeno, održavanje koristi podatke do otkriva i rešava probleme, vrši popravke, za poručivanje rezervnih delova i tako dalje. Ako se informacije o sredstvima ne održavaju tokom rada i održavanja postrojenja, njihova tačnost postepeno degradira tokom vremena, a kada inženjering treba da započne projekat, gube se dragoceni meseci u otkrivanju kakvo je stvarno stanje sredstava, a ne radi se na zadatku inženjeringa. Glavna korist od upotrebe inteligentnih CAE alata je stoga njihova upotreba preko životnog ciklusa postrojenja, i integracija inženjeringa, operacija i procesa održavanja korišćenjem jednih, ažurnih podataka sa informacijama o sredstvima. Stoga, inženjering i informacijama o sredstvima prestaju da se razlikuju i informacije 'kao što je izgrađeno' se transformišu u informacije ‘kao što je održavano’.

Procese i projekat rada treba prilagoditi, da bi se osiguralo da promene inženjeringa i postrojenja budu obuhvaćene u CAE ili spremištu informacija o sredstvima. Takođe, ovde je neophodna promena kulture, po uzoru na ono što je gore opisano za organizacije u oblasti inženjeringa.

Na osnovu svedočanstava klijenata, mi verujemo da korisnici mogu da dobiju nekoliko čovek-meseci vremena inženjeringa i vremena održavanja po postrojenju. Koristi u vezi sa bezbednosnim incidentima i vanrednim situacijama je teže kvantifikovati. U većim nesrećama, dostupnost i kvalitet informacija da se na njima baziraju odluke su dokazali da igraju ključnu ulogu u donošenju ispravnih odluka i smanjenju štete, povreda i smrtnih slučajeva. Sâmi troškovi prilikom proizvodnih zastoja u vezi sa informacijama o sredstvima će lako opravdati trud za implementaciju integrisanog inženjeringa.

Interoperabilnost sa kontrolom i drugim sistemima

Ali to nije sve. Dr Tauchnitz je pomerio viziju i dalje, rekavši da bi generički model za DCS i PLC programiranje trebalo da bude deo CAE alata. Preko univerzalnih interfejsa, programi bi se mogli izvoziti u razne brendove za automatizaciju i biti sastavljeni u opremi, sa ciljem ponovnog korišćenja standardizovanih modula programiranja u okviru različitih tipova opreme. Autor takođe proširuje svoj koncept na konfiguraciju proizvodnih sistema, kao što su MES ili upravljanje operacijama.

Kako za EPC-ove, tako i za OO-ove, ovo stvara velike uštede u vremenu u kontrolnim sistemima inženjeringa. Za OO-ove je, tokom faza rad-održavanje postrojenja, korist bi bila još važnija. OO-ovi generalno koriste nekoliko brendova sistemskih kontrola i mogli bi imati koristi od jedinstvenog pristupa inženjeringa za više brendova. Pošto se kontrolni sistemi ažuriraju i menjaju na terenu, izazov nastaje u održavanju preciznih informacija sredstava/inženjeringa. Organizacija korisnika NAMUR (www.namur.net) je odgovorila na ovaj izazov definisanjem standardnog formata podataka za razmenu između sistema kontrole procesa (PCS) i alata CAE (NAMUR preporuka NE 150, objavljena u oktobru 2014. godine). Dr. Tauhnic je nedavno napravio izveštaj o skupu demonstranata koji primenjuju ovaj format za razmenu podataka za DCS tag, između četiri CAE sistema (Aucotec, Bentley, ESP, Siemens) i tri PCS sistema (ABB, Siemens, Yokogawa). Ovo podjednako otvara autoput mogućnosti i pogodnosti za korisnike i prodavce sistema. Početni impuls koji se koristi za kreiranje demonstratora treba da se održava. Korisnicima bi bila potrebna njihova puna implementacija od strane još većeg broja dobavljača, a njegova upotreba bi trebalo da se isplati za korisnike u smislu efikasnosti inženjeringa, za CAE prodavce sa povećanom veličinom tržišta, a za PCS prodavce, zbog povoljnijih troškova životnog ciklusa.

Interoperabilnost sa MES ili upravljanje operacijama proizvodnje (MOM), i dalje je san za budućnost, jer je to takođe dvosmerna komunikacija sa simulacijom procesa. Ako bi se sledile te teme, drugo bogatstvo koristi bi bilo na dohvat ruke. Rad na dvosmernom interfejsu između CAE alata i PCS pokazuje da ono što se smatralo kao malo verovatno može da postane stvarnost vrlo brzo, kada se vizija, interpersonalne veštine i saradnja poklapaju za više strana. Isto važi i za interoperabilnost CAE i MOM ili simulaciju procesa.

Standardizacija

Napokon, Tomas Tauhnic razvija viziju za standardizaciju i implementaciju u celom preduzeću, smanjenje broja sistema i interfejsa, organizaciju za centralizovano održavanje i podršku i promociju upravljanja znanjem na nivou kompanije. Ovaj aspekt vizije još nije dobio veliku pažnju, ali iz iskustva i studija slučajeva klijenata o sprovođenju MOM aplikacija, znamo da ovaj pristup smanjuje ukupne troškove vlasništva aplikacije, a time skraćuje periode povraćaja, i povećava neto dodatu vrednost. Stoga preporučujemo da se obrati pažnja na ovu tačku.

Zaključci

Ažuran, precizan, lako pristupačan inženjering i informacije o sredstvima tokom punog životnog ciklusa postrojenja donose značajne koristi efikasnosti inženjeringa za EPC-ove i OO-ove, za koje korisnici ovih sistema procenjuju da su između 5 i 50%, u zavisnosti od njihove početne efikasnosti i stepena konkurentnog inženjeringa. Korisnici su se nalazili širom različitih pod-sektora procesne industrije u rasponu od petrohemije do farmaceutike.

Inteligentni CAE sistemi omogućavaju istovremeno konkurentni i kolaborativni inženjering. Efikasnosti inženjeringa se dobijaju zbog preciznog, ažurnog spremišta za podatke kome sav inženjering ima pristup u bilo kom trenutku. Ovi sistemi pomažu održavanju integriteta informacija inženjeringa.

Konkurentni inženjering smanjuje trajanje projekta, ali umanjuje dobiti efikasnosti inženjeringa. Svaka kompanija ili organizacija treba da odredi svoj optimalni odnos konkurentnog prema sekvencijalnom inženjeringu.

Informacije o sredstvima ‘kao što je izgrađeno’ (ili ‘kao što je prerađeno’) mogu da se održavaju u inteligentnim CAE sistemima, koji postaju spremište informacija o sredstvima ‘kao što je održavano', koje i inženjering, operacije i održavanje koriste i ažuriraju, da bi se donosile optimalne odluke. Ova, takozvana praksa ‘integrisanog inženjeringa’ povećava operativnu efikasnost i bezbednost. ARC procenjuje da će kompanije uštedeti do nekoliko čovek-meseci vremena inženjeringa po postrojenju godišnje.

Glavne dobiti povećanja efikasnosti bi se dobile kada bi korisnici stimulisati CAE i PCS prodavce da implementiraju nedavno objavljeni standard NE 150 za dvosmerni prenos podataka između dva tipa sistema.

Standardizacija na sistemima, metodologije, modularni inženjering i procesi, smanjuju ukupne troškove vlasništva, povećavaju produktivnost i smanjuju troškove obuke.

Bio: Valentijn de Leus, potpredsednik, Savetodavna grupa ARC

Valentijn je nezavisni ekspert-ocenjivač istraživačkih projekata za Evropsku komisiju u oblasti informacionih tehnologija i komunikacija, društvene održivosti i privlačenja radnika u proizvodnim oblastima. Valentijn je doktor tehničkih nauka Univerziteta za tehnologiju Delft (NL) u saradnji sa Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris i IFP i takođe je magistar hemije državnog univerziteta Utreht sa sedištem u Holandiji. Osnovana 1986. godine, Savetodavna grupa ARC je vodeća kompanija za tehnološko istraživanje i savetodavna kompanija za industriju i infrastrukturu.

SKF logo