Cookies på SKFs webbplats

Vi använder cookies för att vara säkra på att ge dig den bästa upplevelsen av våra webbplatser och webbapplikationer. Genom att du fortsätter utan att ändra inställningarna i webbläsaren förutsätter vi att du går med på att ta emot cookies. Du kan dock ändra inställningarna för cookies i webbläsaren när du vill.

Teknik- eller anläggningsinformation?

2015 februari 04, 09:00 CEST

Hur teknik, reglering och krav på effektivitet förvandlar teknisk kunskapshantering

FÖRFATTARE: Valentijn de Leeuw, Vice President, ARC Advisory Group

Visionen som startade förvandlingen

2005 publicerade Thomas Tauchnitz på Sanofi-Aventis, ett ledande läkemedelsföretag, en artikel i en tysk utgåva av Automation Technology in Practice med titeln ˮDet är dags att integrera processerna för processutformning, produktutveckling och anläggningsdriftˮ. Artikeln innehåller en vision och strategi för att införa konceptet med hjälp av datorprogramvara. Dr Tauchnitz förklarar att tre grundkrav ska uppfyllas: all information genereras och underhålls endast på en plats, befintlig kunskap återanvänds där det är möjligt samt programvaruverktygen har kontakt med produktionsanläggningen när den är i drift.

Tauchnitz skisserar arbetsflödet från processutformning med hjälp av programvara för processimulering, överföringen av den processinformation som blir resultatet till ett verktyg för datorstödd konstruktion (CAE), som är gemensamt för alla teknikområden inblandade i användarnära och detaljerad konstruktion. Han förklarar hur modulär produktutveckling – ett känt koncept sedan många år – bör genomföras: standardiserade moduler som innehåller alla sina funktioner byggs, underhålls och instansieras för en speciell teknisk uppgift. Exempelvis skulle en reaktormodul innehålla mätning och reglering av temperatur och tryck, ventiler för materialöverföring, nivåreglering, säkerhetsutrustning och automation, omrörning etc. Tillhörande utrustningslistor, konstruktionsdokument, säkerhetsrutiner, testning och kvalificeringsrutiner skulle också vara en del av mallen. Istället för att utveckla nya utrustningar, reservdelar, moderniseringar eller reparationer från blanka papper, skulle ingenjören bara behöva ägna sig åt anpassning och integration i ett större system, och få mer tid till att optimera konstruktionen och förbättra och underhålla modulerna.

Samtidig eller kollaborativ produktutveckling?

Idag finns det flera intelligenta CAE-system som ger möjlighet till att flera olika discipliner kan arbeta på samma utrustning vid anläggningskonstruktion, med sina egna utgångspunkter och med sin egen syn på arbetet: processflödesscheman för processingenjörer, pip- och instrumenteringsdiagram för automationsingenjörer, isometri för pipor etc.

När flera ingenjörer arbetar på samma detalj, hjälper dessa typer av verktyg till att upprätthålla integriteten hos konstruktionsdata. Om t.ex. en processingenjör ändrar maximitemperaturen eller flödeshastigheten i ett rör, ska pumpen som ska föra undan denna vätska vara specificerad för att klara av dessa maximivärden. Om den inte klarar det, kommer verktyget att ge varningar för pumpens specifikation. På liknande sätt bör rörets diameter kunna hantera flödeshastigheten och så vidare. Förutom att hantera regler kan dessa system också hantera flöden för godkännanden, inklusive att skicka in, granska och validera status för ändringar.

Medan samtidig produktutveckling har varit en standardmetod för totalentreprenörer (EPC-bolag) sedan man började använda CAE-verktyg, har sekventiell konstruktion varit normen för en del småföretag. Att göra det möjligt för flera olika discipliner att arbeta på samma konstruktionsdetalj får ekonomiska, organisatoriska och sociala konsekvenser.

Sociala och kulturella aspekter

När man inför samtidig produktutveckling, eller kollaborativ sekventiell produktutveckling där man använder en enda konstruktionsdatabas, behöver människor sätta sig in i nya processer och tekniker. Vad som kan vara en större utmaning är att de måste dela med sig av information, arbetssätt och hur de resonerar vid beslutsfattande. De måste ibland lära sig att samarbeta, vilket t.ex. är att lyssna på andras åsikter, definiera överenskomna regler och ansvar för de olika medarbetarna, förhandla, lösa problem tillsammans och lösa konflikter på ett konstruktivt sätt. Förändringen kan medföra vissa störningar eftersom människor behöver komma ut ur sina bekvämlighetszoner. Det kan skapa konflikter och misslyckas om det inte hanteras på rätt sätt. Konstruktionscheferna, som i slutänden är ansvariga för att förändringen ska lyckas, måste ha färdigheter i att hantera personal och förändringar. De kan få hjälp av förändringskonsulter, men för att genomförandet ska bli bestående måste de skaffa sig dessa färdigheter för att kunna coacha sina medarbetare lång tid efter att förändringen har genomförts. Detta är inget som går att välja bort, eftersom inte bara arbetsklimatet utan även produktiviteten är beroende av det.

Människorna i en organisation uppträder efter gemensamma uppfattningar och regler. I arbetsgrupper kallas detta normer, för organisationen benämns det företagskultur. En del av dessa regler och uppfattningar är underförstådda, dvs. de uttrycks inte direkt även om de används. En del kan vara omedvetna och flera kan stå i konflikt med företagets formella regler och principer. För att en förändring av företagskulturen ska lyckas, krävs att man förstår verkligheten och tydliggör den. Därefter skapar man en vision som knyter ihop affärsmålen med de gemensamma behoven samt gradvis inför en ny kultur och håller fast vid den. En handbok eller utbildning kan hjälpa till, men det krävs att ledningen träffar människorna, lyssnar på deras åsikter och oro, förklarar, agerar på deras återkoppling, får dem att delta i arbetets utformning samt ger ett erkännande för deras ansträngningar med att åstadkomma förändringen.

Påverkan på organisation och ekonomi

Även om intelligenta CAE-system kan möjliggöra samtidig produktutveckling, är det inte alla teknikorganisationer som använder dem. ARC genomförde en informell studie för några år sedan bland undersektorer till processindustrin, från stora kontinuerliga petrokemiska industrier till läkemedelsindustri i flera världsdelar. Undersökningen visade att ungefär hälften av CAE-användarna är organiserade för medelhög eller hög andel samtidig produktutveckling, men att en tredjedel använde sekventiell konstruktion. Syftet med att flera konstruktionsdiscipliner arbetar samtidigt på samma konstruktionsdel är att förkorta projekttiden. Användarna är dock ense om att detta ökar antalet fel och omtagningar, något som i slutänden ökar den totala arbetsinsatsen. Totalentreprenörer kanske inte har något val när de är under stor tidspress, men för småföretag ligger inte konceptutformning på kritiska linjen, och de har råd med längre projekttider för att spara på konstruktionsinsatserna. En ekonomisk optimering som balanserar projektkostnaden med värdet av att vara startklar tidigare skulle antagligen visa att det optimala är att ligga på en mellannivå vad gäller samtidig produktutveckling. I samma undersökning angav användarna att det går att uppnå en ökad produktivitet i produktutvecklingen på mellan 5 och 50 procent. Detta hänför sig till tidsvinster och mer korrekta data beroende på hur mycket man använder samtidig produktutveckling. Det sker dock till priset av en betydande investering i modulär konstruktion och modellering av arbetsflöden (se nedan).

Samtidig och kollaborativ produktutveckling kan medföra små detaljförändringar i arbetsflödena och ansvarsdefinitionerna för enskilda personer. Detta kan också ge upphov till motsättningar på personnivå (se ovan), men ur teknisk synpunkt skulle inte organisationen påverkas i någon större utsträckning.

Modulär konstruktion och modulär processteknik

Återanvändning av information och kunskap är ett sätt att öka effektiviteten i produktutvecklingen. Den andra ˮTauchnitz-principenˮ, att återanvända kunskap så mycket som möjligt (se sidan 1), innebär att standardisera beprövade modulära konstruktioner. Det är konstruktionsinformation klar att använda för processenheter eller sektioner. Den består av processutrustning, instrument, styrenheter, pipor, pumpar, mekanisk påverkan etc. Ingenjören väljer en sådan enhet eller processektion snarare än att behöva konstruera om sektionerna, och kan koncentrera sig på processens prestanda. När det inte finns standardmoduler, bör dokumentationen beskriva lösningarna som använts för konstruktionsuppgiften. Utmaningarna för modulär konstruktion har att göra med den avsevärda investeringen för att skapa modulerna. För småföretag är detta en investering som kan ge återbetalning med tiden, men för totalentreprenörer kan det vara oekonomiskt om inte entreprenören kan göra standardiseringen med ett enda verktyg och exportera konstruktionerna till de CAE-verktyg som kunderna kräver.

Projektet F3 Factory, som finansieras av cirka 25 företag och EU, och som omfattar sju industriella fallstudier, genomfördes mellan 2009 och 2013. Målet var att få bukt med nackdelarna för storskalig kontinuerlig processindustri (höga kapitalinvesteringar och stelbenthet) och småskalig batchprocessindustri (ineffektivitet), och kombinera deras respektive fördelar genom att effektivisera anläggningar för flera användningar och produkter samt göra stora kontinuerliga anläggningar mer flexibla. Målen för undersökningen var bland annat:

  • Tillhandahålla kompaktare och billigare processkonstruktioner som minskar miljöpåverkan för att stödja ˮprocessintensifieringˮ.
  • Utveckla standardiserad, modulär och driftklar utrustning för kemisk produktion som kan hantera många kemiska processer.
  • Utveckla konstruktionsmetoder för intensifierade processer.
Projektet har gett många lovande resultat och flera modulära processer har utvecklats. Alla har visat avsevärda vinster både i fråga om kostnader och hållbarhet.

För att öka produktionskapaciteten är idén att en tillverkare bara behöver lägga till standardiserade, små enheter snarare än att konstruera en större anläggning. Detta sänker utvecklingskostnaden, förkortar ledtiden och sänker utrustningskostnaden ytterligare eftersom utrustningen kan byggas i större serier. Konceptet kräver ett nytt synsätt på produktutvecklingen, som optimerar processen inom de begränsningar det innebär att behöva välja standardmoduler snarare än att anpassa utrustningen till processen.

Trenden är att tillverka lägre volymer och införa gradvisa förbättringar i produkter och processer, och att reagera på marknadsbehoven på ett flexibelt sätt. Detta ger möjlighet att utnyttja flexibiliteten i en anläggning som är utformad för många olika driftsförhållanden, alltså att konstruera utrustning som passar ett förväntat omfång och inte bara ett enskilt optimalt förhållande. Användningen av adaptiv produktionsoptimering och kvalitetsstyrningssystem som överensstämmer med de senaste cGMP-riktlinjerna från amerikanska livsmedelsverket kommer att inverka positivt i dessa förhållanden. Det beror på att systemen kommer att fånga upp processförändringar och växlingar i processförhållandena när hela slutprodukten eller delar av den inte ändras.

Användningen av det modulära produktionskonceptet skulle eliminera en rad konstruktions- och valideringsuppgifter, eftersom växlingar i produktionstakt kan hanteras genom att man anpassar antalet produktionslinjer som behövs för att tillverka de erforderliga volymerna. Liknande projekt har genomförts vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA i samarbete med tillverkare.

Initiativ för sakernas internet inom industrin, t.ex. Industrie 4.0 eller Industrial Internet Consortium, har lett till att industrin, framförallt inom sektorerna med batchtillverkning, har börjat tänka igenom hur de ska införa omkonfigurerbara produktionslinjer som kan svara på varierande efterfrågan och begränsningar. Detta kräver nya koncept och standarder för att integrera utrustning från fall till fall och i praktiken i realtid, inklusive deras programvarukomponenter för automation och driftstyrning. Synsätten med modulär konstruktion som avhandlades tidigare underlättar i hög grad konstruktionen av modulär processteknik, och vi förväntar oss en kraftigt ökad användning av modulär konstruktion på kort och medellång sikt. De batchinriktade industrierna kommer att vara de första som anammar synsättet, och vi förväntar oss att också stora företag inom kontinuerlig processindustri kommer att börja fundera på ett paradigmskifte för utveckling, konstruktion och drift och tillämpa dessa koncept.

e-kvalificering och e-uppfyllelse

Det finns mer i dr Tauchnitz vision. Analysen av de risker för produktkvaliteten som har att göra med processen och utrustningen bör återspeglas i kravspecifikationen samt i test- och kvalificeringsplanerna. Analysen kan göras systematiskt utgående från information i CAE-verktyget, och arbetsflödet kan automatiseras fullständigt i ett sådant system. Test- och kvalificeringsresultaten kan kopplas till krav på utrustningen via riskanalysen. På så sätt kan processen som sträcker sig från specifikation till uppfyllelse genomföras papperslöst, och den kan byggas effektivt som en utvidgning av intelligenta CAE-system. En del leverantörer pilottestar idag det här synsättet tillsammans med visionära bolag, och man får viktiga fördelar tack vare effektivitet och korrekthet. ARC förväntar sig att den här funktionen snart kommer att bli allmänt rådande eftersom pressen på uppfyllelse hela tiden ökar för alla branscher, och företagen behöver svara på denna press genom att bli effektivare.

Integrerad produktutveckling

Integrationen av processerna för processutformning, produktutveckling och anläggningsdrift samt Tauchnitz tredje princip: ˮprogramvaruverktygen har kontakt med produktionsanläggningen när den är i driftˮ får också stora konsekvenser, både för totalentreprenörer och småföretag.

Våra kunder säger till oss att utbytet mellan totalentreprenörer och småföretag under konstruktions- och tillverkningsfaserna har blivit tätare och intensivare under de senaste åren. Småföretagarna vill fortsätta att vara det prioriterade valet för totalentreprenörerna under konstruktionsfasens gång, och man vill granska framstegen och vara delaktiga i att leda och äga arbetet. Vid fler och fler av dessa utbyten används gemensamma intelligenta CAE-verktyg som gör att parterna kan dela, åskådliggöra och diskutera konstruktionsarbetet. Ännu mer betydelsefullt är att överlämningen av uppdraget från entreprenören till småföretaget mer och mer sker i elektronisk form. De traditionella pappersdokumenten var tungrodda och tidskrävande att hitta och hantera, och i stort sett omöjliga att hålla uppdaterade. Idag vill fler och fler småföretag ha elektronisk, intelligent information om anläggningen, som återspeglar hur den är uppbyggd, så att den går att hålla uppdaterad under anläggningens livscykel. Detta är effektivt inte bara ur resurssynpunkt, utan det blir mer och mer ett myndighetskrav att kunna ta fram uppdaterad anläggningsdokumentation och visa att man uppfyller kraven.

Från det att anläggningen tas i bruk för första gången efter den har byggts eller moderniserats, finns det minst två tydliga och kompletterande aktiviteter där man använder anläggningsinformationen. Konstruktörerna använder informationen för att planera ändringar eller förbättringar, t.ex. att få bort flaskhalsar, för värmeintegration, kvalitetsförbättringar eller andra projekt. Samtidigt använder underhållspersonalen uppgifterna för att felsöka, reparera, beställa reservdelar etc. Om inte anläggningsinformationen underhålls vid drift och underhåll av anläggningen, blir den allt mindre korrekt med tiden. När man behöver starta ett utvecklingsprojekt går då viktiga månader åt till att ta reda på anläggningens aktuella status snarare än att arbeta med konstruktionsuppgiften. En stor fördel med att använda intelligenta CAE-verktyg är därför att de kan användas under hela anläggningens livscykel, och integrationen av processerna för teknik, drift och underhåll utnyttjar en och samma uppdaterade anläggningsinformation. Sålunda går det inte att särskilja teknik- och anläggningsinformation, och informationen om ˮhur det byggdesˮ blir till information om ˮhur det underhållsˮ.

Man måste anpassa utformningen av processer och arbete för att garantera att ändringar i konstruktionen och anläggningen kommer in i CAE-systemets eller anläggningsinformationens databas. Här krävs också en förändrad företagskultur enligt det som beskrevs tidigare för teknikorganisationerna.

Utgående från vad kunderna säger, tror vi att användarna kan spara flera manmånader i konstruktion och underhåll för varje anläggning. Fördelar som har att göra med säkerhetstillbud och nödsituationer är svårare att kvantifiera. Vid svåra tillbud har det visat sig att tillgången på och kvaliteten hos informationen som används för beslutsfattande spelar en avgörande roll för att man ska kunna fatta rätt beslut och minska sak- och personskador och dödsfall. Bara möjligheten att minska produktionsstopp som rör anläggningsinformation kommer med lätthet att motivera insatsen med att införa integrerad produktutveckling.

Interoperabilitet med styrsystem och andra system

Men det slutar inte här. Dr Tauchnitz drev visionen ännu längre genom att slå fast att en generisk modell för DCS- och PLC-programmering borde utgöra en del av ett CAE-verktyg. Via ett universellt gränssnitt skulle programmen kunna exporteras till olika tillverkares automationssystem, och kompileras i utrustningen, med målet att kunna återanvända standardiserade programmoduler i olika typer av utrustning. Författaren utökar också sitt koncept till konfigurering av produktionssystem, t.ex. MES eller Operations Management.

Detta ger stora tidsbesparingar i styrsystemen för produktutveckling för både totalentreprenörer och småföretag. För småföretag skulle nyttan vara ännu större vid drift och underhåll av anläggningen. Småföretagen använder vanligtvis styrsystem från flera olika tillverkare och kan dra nytta av ett synsätt med likformig produktutveckling för olika varumärken. Eftersom styrsystemen uppdateras och ändras i fält, blir det en utmaning att hålla anläggnings- och teknikinformationen korrekt. Användarorganisationen NAMUR (www.namur.net) har tagit sig an utmaningen genom att definiera ett standarddataformat för utbyte mellan processtyrsystem (PCS) och CAE-system (NAMUR-rekommendation NE 150, utgiven i oktober 2014). Dr Tauchnitz rapporterade nyligen om en uppsättning demosystem som har infört detta format för datautbyte för en DCS-tagg, mellan fyra CAE-system (Aucotec, Bentley, ESP, Siemens) och tre PCS-system (ABB, Siemens, Yokogawa). Detta öppnar många möjligheter och fördelar för både användare och systemleverantörer. Man bör vidmakthålla den inledande initiativkraften som fanns för att skapa demosystemen. Användarna bör kräva att de genomförs helt och hållet av ännu fler leverantörer. Användandet borde ge återbetalning för användarna i form av konstruktionseffektivitet, för CAE-leverantörerna som en växande marknad och för PCS-leverantörerna som sänkt livscykelkostnad.

Interoperabiliteten med MES eller Manufacturing Operations Management (MOM) är fortfarande en dröm för framtiden liksom dubbelriktat utbyte med processimulering. Om man kunde gå vidare med dessa frågor, skulle det finnas en uppsjö av fördelar inom räckhåll. Arbetet med ett dubbelriktat gränssnitt mellan CAE-verktyg och PCS-system visar att det som ansågs osannolikt kan bli verklighet mycket snabbt när vision, social kompetens och samarbete mellan flera parter sammanfaller. Detsamma gäller för interoperabilitet mellan CAE och MOM eller processimulering.

Standardisering

Slutligen utvecklar Thomas Tauchnitz visionen för företagsgemensam standardisering och implementering, minskat antal system och gränssnitt, organisation för centraliserat underhåll och support samt företagsgemensam kunskapshantering.  Den här aspekten av visionen har inte uppmärksammats så mycket ännu, men av erfarenhet och studier av kundfall vid införandet av MOM-applikationer, vet vi att denna strategi sänker den totala ägandekostnaden för en applikation och förkortar därmed återbetalningstiderna samt höjer nettobidraget. Vi rekommenderar därför starkt att man uppmärksammar detta moment.

Slutsatser

Uppdaterad, korrekt och lättåtkomlig teknik- och anläggningsinformation under anläggningens hela livscykel ger avsevärda vinster i utvecklingseffektivitet för totalentreprenörer och småföretag. Användarna av dessa system uppskattar vinsterna till mellan 5 och 50 procent beroende på deras ursprungliga effektivitet och graden av samtidig produktutveckling. Användarna fanns i flera olika processindustrigrenar, från petrokemi till läkemedel.

Intelligenta CAE-system ger möjlighet till samtidig och kollaborativ produktutveckling. Effektiviteten i konstruktionsarbetet uppnås tack vare en korrekt och uppdaterad databas, som alla konstruktionsenheter alltid har tillgång till. Dessa system hjälper till att upprätthålla integriteten för den tekniska informationen.

Samtidig produktutveckling förkortar projekttiden men minskar effektivitetsvinsterna i utvecklingsarbetet. Alla företag eller organisationer bör bestämma det optimala förhållandet mellan samtidig och sekventiell produktutveckling.

Informationen om anläggningen ˮsom den byggdesˮ (eller ˮsom den moderniseradesˮ) kan upprätthållas i intelligenta CAE-system. Det blir en databas över anläggningen ˮsom den underhållsˮ som både utvecklings-, drift- och underhållspersonal använder och uppdaterar för att kunna fatta bästa tänkbara beslut. Denna så kallade ˮintegrerade produktutvecklingˮ ökar effektiviteten och säkerheten i verksamheten. ARC uppskattar att företagen kommer att spara upp till flera manmånaders utvecklingstid per anläggning och år.

Stora effektivitetsvinster skulle kunna uppnås om användarna uppmuntrade CAE- och PCS-leverantörerna till att införa den nyligen publicerade standarden NE 150 för dubbelriktat datautbyte mellan de två typerna av system.

Standardisering av system, metoder, modulär konstruktion och processer sänker den totala ägandekostnaden, höjer produktiviteten och sänker utbildningskostnaderna.

Biografi: Valentijn de Leeus, Vice President, ARC Advisory Group

Valentijn är en oberoende expert och utvärderare av forskningsprojekt för EU-kommissionen inom informationsteknik och kommunikation, samhällets hållbarhet och attraktionskraft för arbetare i tillverkningsmiljöer. Valentijn är teknologie doktor vid Delfts tekniska universitet i Nederländerna i samarbete med Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris och IFP, och han har också en masterexamen i kemi vid Utrechts statliga universitet i Nederländerna. ARC Advisory Group grundades 1986 och är det ledande företaget inom teknisk forskning och rådgivning för industri och infrastruktur.

SKF logo