Данные о проектировании или производственных активах?

2015 Февраль 04, 09:00 CEST

Как технологические, нормативные и качественные требования преобразуют управление техническими знаниями

АВТОР: Валентийн де Леу, вице-президент ARC Advisory Group

Революционный подход

В 2005 г. Томас Таушниц из Sanofi-Aventis, одной из ведущих фармацевтических компаний, опубликовал статью «Время для интеграции процессов технологической разработки, проектирования и управления предприятием» в немецком издании Automation Technology in Practice. В работе приводится концепция и стратегия её внедрения посредством компьютерных программ. Доктор Таушниц считает, что должны учитываться три основных требования: при работе производственного предприятия любая информация создаётся и хранится централизованно, существующие знания используются повсеместно, а также обеспечивается взаимодействие программного обеспечения.

Таушниц за основу рабочего процесса берет технологическое проектирование с использованием программы технологического моделирования, передачи полученных технологических данных на инструмент автоматизированного проектирования (САПР), общий для всех инженерных дисциплин, применяющихся в комплексном и детальном проектировании. Он объясняет метод применения модульного проектирования, известного уже много лет: для решения определённой технической задачи создаются и поддерживаются стандартизованные модули, включающие все функции. Например, модуль реактора производит измерение и контроль температуры и давления, осуществляет контроль за состоянием клапанов транспортировки материала, уровня, средств системы автоматизации и безопасности, перемешивания и т.д. Шаблон также содержит соответствующие перечни оборудования, проектную документацию, технику безопасности, процедуры проверки и оценки качества. Вместо постоянного проектирования нового оборудования или разработки процедур по его замене, модернизации или ремонту, разработчику требуется только адаптировать или внедрить данное оборудование в более крупную систему, что позволит сэкономить время и использовать его для оптимизации конструкции, выполнения усовершенствований и техобслуживания модулей.

Параллельное или совместное проектирование?

Сегодня несколько интеллектуальных систем САПР позволяют работать в нескольких направлениях на одном оборудовании в ходе проектирования завода с сохранением специфики подходов и методов каждого из них: схемы технологического процесса (PFD) для инженеров-технологов, схемы трубопроводов и контрольно-измерительного оборудования (P&ID) для инженеров по автоматизации, изометрические планы для трубопроводов и т.д.

Когда несколько инженеров работают над одной задачей, такой инструмент позволяет поддерживать целостность технических данных. Например, если инженер-технолог изменяет максимальную температуру или скорость потока в трубе, то технические характеристики насоса для перекачки жидкости должны отвечать заданным максимумам, в противном случае инструмент будет осуществлять выдачу аварийных предупреждений. Таким же образом, диаметр трубы должен соответствовать скорости потока и т.д. Помимо работы с правилами, данные системы также обеспечивают разработку рабочих процессов, включая статусы передачи, рассмотрения и подтверждения изменений.

С момента внедрения инструментов компьютерного моделирования компании, занимающиеся проектированием, снабжением и строительством, предпочитают использовать метод параллельного проектирования, в то время как некоторые владельцы-операторы обычно предпочитают последовательное проектирование. Работа в нескольких направлениях при проектировании одного конструкционного элемента имеет экономическое, организационное и социальное значение.

Социальные и культурные аспекты

Когда мы говорим о параллельном или совместном последовательном проектировании с использованием единого хранилища технических данных, необходимо, чтобы новые процессы и технологии стали доступны и понятны для всех вовлечённых лиц. Трудность при этом заключается в необходимости обмениваться данными, методами работы и аргументами для принятия решений. Иногда участникам требуется учиться взаимодействовать, в том числе слышать мнение других, определять правила и ответственность, договариваться, вместе конструктивно решать проблемы и разрешать конфликтные ситуации. Такие изменения могут создать неудобства, поскольку люди выходят из своих зон комфорта. Если неправильно подойти к решению данного вопроса, возникшие конфликты могут поставить под сомнение успех всего проекта. Руководителям отделов проектирования, ответственным за успешность изменений, требуются кадры и смена управленческих навыков. Помочь могут консультанты по изменениям, но для обеспечения устойчивости внедрения руководителям необходимо получить эти навыки для обучения своих сотрудников много после внедрения изменений. Это важный аспект, поскольку от него зависит не только атмосфера в коллективе, но и производительность.

Люди в организациях ведут себя согласно коллективным представлениям и правилам. В группах это называется нормами, а в организациях — культурой. Среди этих правил и представлений есть подразумеваемые, то есть они не выражены явно, но соблюдаются. Некоторые принимаются на подсознательном уровне, а некоторые могут противоречить формальным правилам и принципам компании. Чтобы успешно изменить культуру, требуется раскрыть и сделать явной действительность, затем подготовить концепцию, объединяющую бизнес-задачи и коллективные потребности, постепенно внедрять и поддерживать новую культуру. В этом также могут помочь инструкции или учебные курсы, кроме того, руководители должны встречаться с людьми, прислушиваться к их идеям и заботам, объяснять, принимать ответные меры, привлекать к рабочему проектированию и признавать успехи сотрудников в осуществлении изменений.

Организационное и экономическое влияние

Хотя интеллектуальные инструменты САПР позволяют выполнять параллельное проектирование, не все проектные организации используют эту возможность. ARC несколько лет назад провела на нескольких континентах неофициальное исследование среди подотраслей обрабатывающей промышленности, от крупного нефтехимического производства непрерывного цикла до фармацевтической промышленности. Исследование показало, что около половины пользователей инструментов САПР достаточно активно использует схему параллельного проектирования, а треть предпочитает последовательное. Параллельная работа с несколькими инженерными дисциплинами над одним элементом предназначена для сокращения времени работы над проектом. Тем не менее, пользователи считают, что это увеличивает ошибки и рабочие циклы, и, в конечном итоге, приводит к росту трудозатрат. У генеральных подрядчиков может не быть выбора в условиях большого дефицита времени, но для владельцев-операторов предпроектное проектирование несущественно, и они могут позволить увеличенную продолжительность выполнения проекта без дополнительных затрат инженерных ресурсов. Экономическая оптимизация, уравновешивающая расходы по проекту со значением предыдущей эксплуатационной готовности, может быть наиболее эффективна при средней степени параллельного проектирования. Пользователи, указавшие во время исследования возможность повышения производительности проектирования от 5 до 50 %, говорили о экономии времени и более высокой точности данных, в зависимости от степени параллельного проектирования, хотя это требует значительных вложений в модульное проектирование и моделирование рабочего процесса (см. ниже).

Параллельное и совместное проектирование могут незначительно корректировать детали рабочих процессов и ответственность отдельных лиц, что проявляется в виде трений на уровне взаимодействия сотрудников (см. выше), но с технической точки зрения, на организации это существенно не скажется.

Модульное проектирование и модульная технология процессов

Повторное использование информации и знаний повышает эффективность проектирования. Второй «принцип Таушница» максимально возможного повторного использования знаний (см. стр. 1) подразумевает стандартизацию проверенных модульных проектов. Это готовые к использованию технические данные для технологических узлов или секций, включающих технологическое оборудование, приборы, средства управления, трубопроводы, насосы, оборудование для механического перемешивания и т.д. Инженер выбирает такой узел или технологическую секцию, вместо того чтобы с нуля разрабатывать эти секции, и может уделить больше внимания производительности процесса. Если стандартных модулей не хватает, в документации должны содержаться применявшиеся ранее решения инженерных задач. Решение проблем модульного проектирования вносит значительный вклад в создание модулей. Для операторов-владельцев такие вложения окупаются со временем, но для генеральных подрядчиков это может быть экономически невыгодно, если не используются возможности стандартизации на одном инструменте и экспорта проектов в указанные клиентом инструменты компьютерного моделирования.

Проект F3 Factory, с финансированием 25 компаниями и ЕС, и включающий семь промышленных исследований, проводился с 2009 по 2013 гг. Была поставлена цель преодолеть недостатки крупномасштабного непрерывного обрабатывающего производства (большие капиталовложения и инерционность) и производства небольших партий (неэффективность), объединить соответствующие преимущества, предложив эффективные решения для многоцелевых предприятий, выпускающих различную продукцию, и универсальные решения для международных предприятий непрерывного цикла. Исследовательские задачи включали:

  • Более компактные и экономичные технологические проекты, снижающие негативное воздействие на окружающую среду и способствующие «повышению технологической эффективности»
  • Разработка стандартизированного, модульного, готового к эксплуатации химического производственного оборудования для работы с несколькими химическими процессами
  • Разработка методов проектирования процессов повышенной эффективности
В рамках проекта были получены многочисленные перспективные результаты и разработано несколько модульных процессов. Все полученные результаты показали значительное улучшение экономичности и экологической устойчивости.

Идея заключается в том, что для увеличения производственной мощности необходимо добавить только стандартизированные малогабаритные узлы, а не разрабатывать более крупное предприятие. Уменьшаются расходы и время на проектирование, еще более сокращаются расходы на оборудование, поскольку можно создавать более крупные цепочки оборудования. Концепция требует нового подхода к проектированию, с оптимизацией технологического процесса в рамках выбора стандартных модулей, без индивидуальной разработки оборудования.

Тенденция заключается в производстве небольших объёмов с последовательным повышением качества продукции и процессов, чтобы отвечать требованиям рынка. Это открывает возможности гибкой политики на предприятии, разработанном для различных рабочих условий с использованием соответствующего оборудования, вместо одного лучшего решения. Использование адаптивных систем оптимизации производства и управления качеством в соответствии с новейшими рекомендациями FDA cGMP будет подходящим решением в этих условиях, поскольку они поддерживают технологические изменения и разнообразие технологических условий при том, что некоторые или все конечные продукты остаются одинаковыми.

Модульная производственная концепция устраняет ряд задач проектирования и подтверждения, поскольку изменение производительности поддерживается изменением количества производственных линий, необходимых для выпуска требуемых объёмов. Аналогичные проекты проводились в Массачусетском Технологическом Институте, США, в сотрудничестве с производителями.

Проекты промышленного «Интернета вещей», такие как Industrie 4.0, или Industrial Internet Consortium, поставили перед промышленностью, в особенности мелкосерийным производством, задачу разработки методики внедрения перестраиваемых производственных линий, отвечающих изменяющимся требованиям и ограничениям. Требуются новые концепции и стандарты для интеграции оборудования по ситуации и в приближении к реальному времени, включая программные компоненты системы автоматизации и управления работой. Вышеприведённые подходы модульного проектирования значительно упрощают проектирование по технологиям модульных процессов, и в ближайшей и среднесрочной перспективе мы ожидаем резкого роста применения модульного проектирования. Мелкосерийное производство станет одним из первых в применении этого подхода, и мы также ожидаем, что крупные производственные компании непрерывного цикла обратятся к рационализации и последующему применению своих парадигм проектирования, строительства и эксплуатации.

Электронные решения проверки качества и соответствия требованиям

Еще один аспект концепции доктора Таушница. Анализ рисков качества продукции, связанных с технологическим процессом и оборудованием, должны отражаться в технических требованиях, планах проверки и оценки качества. Такой анализ может проводиться систематически на основе информации в инструменте компьютерного моделирования, и этот рабочий процесс может быть полностью автоматизирован в такой системе. Результаты проверки и оценки качества связываются с требованиями оборудования посредством анализа рисков, процесс от технических требований до соответствия требованиям сопровождается без бумажных носителей и эффективно выстраивается как расширение интеллектуальных систем САПР. Некоторые поставщики услуг сегодня вместе с проактивными компаниями первыми начинают применять этот подход, получая значительные преимущества как эффективности, так и точности. ARC ожидает, что это функциональное решение скоро станет общепринятым, поскольку требования соответствия во всех отраслях постоянно возрастают, и компании должны эффективно отвечать этим требованиям.

Интегрированное проектирование

Интеграция процессов технологического проектирования и работы предприятия, и третий принцип Таушница: «программные компоненты продолжают взаимодействовать когда производственное предприятие работает» также имеет большое значение, как для генеральных подрядчиков, так и для владельцев-операторов.

Клиенты рассказывают, что за последние годы на этапах разработки и строительства обмен между генеральными подрядчиками и владельцами-операторами стал более частым и интенсивным. Владельцы-операторы заинтересованы в сохранении конкурентных преимуществ для генеральных подрядчиков на этапах проектирования, рассмотрения и совместного управления выполняемыми работами. Всё в большей степени для такого обмена используются общие интеллектуальные инструменты САПР, позволяющие сторонам обмениваться, наглядно представлять и обсуждать проектные работы. Что ещё более существенно, так называемая передача от генеральных подрядчиков к владельцам-операторам при сдаче в эксплуатацию всё чаще происходит в электронном формате. Поиск и работа с обычной бумажной документацией требовали много труда и времени, что препятствовало своевременному выполнению работ. Сегодня всё больше владельцев-операторов предпочитают электронные наборы информационных данных интеллектуального оборудования, отражающие ситуацию «по состоянию», с возможностью поддержания её актуальности на протяжении всего жизненного цикла предприятия. Эффективность достигается не только с точки зрения использования ресурсов, но и в плане нормативных требований к актуальности документации по производственным активам и подтверждению соответствия нормативам.

С момента первого запуска предприятия после постройки или реконструкции, данные производственных активов используются как минимум двумя разными взаимодополняющими видами деятельности. В проектировании заводская информация используется для планирования изменений, например, устранения недостатков, выполнения усовершенствований, повышения качества и т.д. В то же время, в техобслуживании эти данные используются для устранения неисправностей, ремонта, заказа запчастей и т.д. Если работа с информацией о производственных активах не поддерживается во время эксплуатации и техобслуживания завода, её точность со временем ухудшается, и когда разработчикам требуется начинать проект, то вместо решения технических задач, теряются целые месяцы на определение фактического состояния оборудования. Существенным преимуществом интеллектуальных инструментов САПР является их использование на протяжении всего жизненного цикла предприятия, а также интеграция процессов проектирования, эксплуатации и техобслуживания с использованием единых актуальных информационных данных о производственных активах. Таким образом, данные о проектировании и производственных активах перестают разделяться, и информация «по состоянию» поддерживается в актуальном состоянии.

Технологические и рабочие проекты должны соответственно корректироваться, чтобы изменения в проектировании и на заводе сохранялись в системах САПР или хранилище данных производственных активов. Также требуется изменение культуры, как сказано выше о проектных организациях.

По свидетельствам клиентов пользователи могут сэкономить значительное количество человеко-часов по проектированию и обслуживанию. Преимущества, связанные с повышением безопасности и сокращением количества аварийных ситуаций подсчитать сложнее. В отношении несчастных случаев, доступность и качество информации доказали своё значение для принятия правильных решений, направленных на уменьшение ущерба, травмоопасности и несчастных случаев. Альтернативная стоимость, помимо остановок производства, связанная с данными по производственным активам, легко оправдает усилия по внедрению интегрированного проектирования.

Взаимодействие с системами управления и прочими системами

Но это не всё. Доктор Таушниц расширил концепцию, указав что базовая модель программирования РСУ и ПЛК должна войти в инструмент САПР. Посредством универсального интерфейса, программы можно экспортировать в различные системы автоматизации и собирать в оборудовании с целью повторного использования стандартизированных программных модулей в различных типах оборудования. Автор также расширяет свою концепцию на конфигурацию производственных систем, например, систему организации производства или управление производством.

Как для генеральных подрядчиков, так и для владельцев-операторов, такая возможность означает существенную экономию времени в системах технического контроля. Для владельцев-операторов на этапах эксплуатации-техобслуживания предприятия открываются еще более важные преимущества. Владельцы-операторы обычно используют несколько систем управления и пользуются преимуществами однородного подхода к проектированию для различных систем. Обновление и изменение систем управления на месте ставит вопрос о поддержании точности данных о производственных активах/проектировании. Пользовательская организация NAMUR (www.namur.net) ответила на этот вопрос, определив стандартный формат данных для обмена между системами технологического контроля и инструментами САПР (Рекомендация NAMUR NE 150, опубликована в октябре 2014 г.). Доктор Таушниц недавно сообщил о нескольких демонстрационных моделях с использованием этого формата обмена данными для тега РСУ между четырьмя системами САПР (Aucotec, Bentley, ESP, Siemens) и тремя системами технологического контроля (ABB, Siemens, Yokogawa). Это открывает большие возможности и преимущества для пользователей и поставщиков систем. Первоначальный импульс создания демонстрационных моделей должен сохраняться. Пользователи должны требовать их полного внедрения от ещё большего числа поставщиков, а их использование окупится для пользователей в плане эффективности проектирования, для поставщиков САПР – увеличения рынка, а для поставщиков систем технологического контроля – более подходящей стоимостью жизненного цикла.

Взаимодействие с системой организации производства или управления производственными операциями остаётся задачей будущего, как и двунаправленный обмен с моделированием процессов. Продолжение работы над этими задачами откроет дополнительные преимущества. Работа над двунаправленным интерфейсом между инструментами САПР и системами технологического контроля свидетельствует, что невозможное быстро становится реальностью, когда объединяются концепция, искусство межличностных отношений и многостороннее сотрудничество. То же можно сказать о взаимодействии систем САПР и управления производственными операциями или моделирования процессов.

Стандартизация

В завершение, Томас Таушниц разрабатывает концепцию стандартизации и внедрения, сокращения количества систем и интерфейсов, организации централизованного техобслуживания и поддержки в масштабах предприятия, и продвижения управления знаниями в масштабах предприятий. Этот аспект концепции ещё не получил широкого распространения, но опыт и примеры внедрения клиентами систем управления производственными операциями показывают, что использование данного подхода сокращает общие эксплуатационные расходы, время окупаемости и позволяет получить дополнительную ценность. Поэтому настоятельно рекомендуется обратить внимание на данный аспект.

Заключение

На сегодняшний день точность и доступность информационных данных о проектировании и производственных активах на протяжении всего жизненного цикла предприятия открывают значительные преимущества проектирования для генеральных подрядчиков и владельцев-операторов. Пользователи представляют различные отрасли обрабатывающей промышленности — от нефтехимического производства до фармацевтической промышленности.

Интеллектуальные системы САПР позволяют выполнять параллельное и совместное проектирование. Эффективность проектирования достигается благодаря точному, актуальному хранению данных, к которым специалисты имеют доступ в любое время. Эти системы помогают поддерживать целостность технических данных.

Параллельное проектирование сокращает продолжительность проекта, но снижает эффективность проектирования. Каждая компания или организация должна определить оптимальное соотношение параллельного и последовательного проектирования.

Информация о производственных активах поддерживается в интеллектуальных системах САПР в актуальном состоянии. Метод так называемого «интегрированного проектирования» повышает эксплуатационную безопасность и эффективность. По оценкам ARC, компании смогут экономить до нескольких человеко-месяцев на проектирование в год.

Ещё большей эффективности можно достичь, если пользователи поспособствуют внедрению поставщиками САПР и систем технологического контроля недавно опубликованного стандарта NE 150 для двунаправленного обмена между двумя типами систем.

Стандартизация систем, методов, модульного проектирования и процессов сокращает общие эксплуатационные расходы, повышает производительность и снижает расходы на обучение.

Об авторе: Валентийн де Леу, вице-президент ARC Advisory Group

Валентийн — независимый эксперт по оценке исследовательских проектов в Еврокомиссии в области информационных технологий и связи, социальной устойчивости и привлекательности рабочих мест на производстве. Кандидат технических наук Политехнического института в Дельфте, Нидерланды, сотрудничает с Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris и IFP, магистр химических наук Ухтрехтского государственного университета, Нидерланды. Основанная 1986 г., ARC Advisory Group — ведущая компания в области промышленных и инфраструктурных технологических исследований и консультаций.

SKF logo