ISA106 a význam automatizácie ručných postupov, Prehľadové články, Rubriky,

Prenos znalostí získaných pri automatizácii dávkových procesov do riadenia spojitých procesov sa javí ako prirodzený vývoj. O tejto koncepcii som rozpútal diskusiu s kolegami na jednej technickej konferencii. V roku 1999 som mal príležitosť preniesť túto myšlienku aj do praxe. Po tom, ako bola nová technológia skomercionalizovaná, zmenili sme reaktorový systém, ktorý sme mali v našom závode, z dávkovo pracujúceho na spojitý proces. Prevádzkoví pracovníci mali viac ako desaťročné skúsenosti z automatizácie dávkových procesov. Využívali výhody sekvenčnej automatizácie pri riadení stavových zmien a prechodových dejov a všetkými desiatimi podporovali nasadenie automatizácie postupov pre nový spojitý proces.

Po rozhodnutí vyrábať viaceré produkty a zavedení nového procesu dávalo nasadenie automatizácie postupov zmysel. Pôvodné programovanie dávok sa stalo základom automatizácie spojitého procesu. Prevádzka začala pracovať na konci roku 2000, pričom automatizácia postupov sa používala pri nábehu, odstávke, reštarte a zmene rozsahov. Neskôr sme pridali automatizáciu postupov týkajúcich sa výdaja skladových zásob a optimalizáciu nastavovania rozsahov, ako aj ďalšie funkcie a súvisiace postupy. Pridanie druhého produktu do výroby prinieslo potrebu ďalších zmien.

Táto skúsenosť ma utvrdila v tom, že automatizácia postupov má svoju hodnotu a v nasledujúcej časti článku by som sa podelil o svoje skúsenosti ako jej dlhoročný používateľ. Dúfam, že vás to inšpiruje pri nasadení automatizácie postupov vo vašom procese a uvidíte reálne prínosy, ktoré sme videli aj v našom závode.

Prečo automatizácia postupov?

Automatizácia postupov nie je nič nové a nie je to ani žiaden teoretický koncept. Existuje už niekoľko rokov ako súčasť dávkových a čiastočne dávkových procesov, ale vyskytuje sa aj v spojitých procesoch najmä u pokrokovo zmýšľajúcich zákazníkov. Celé je to o automatizácii špecifických úloh vyskytujúcich sa v procese, ktoré zvyčajne vyžadujú množstvo ručných zásahov operátorov, pretože veľa problémov má svoj základ práve v ručných zásahoch (obr. 1).
Pri aplikácii automatizácie postupov aj v oblasti spojitých procesov možno očakávať reálne prínosy, pričom už pri neformálnom zhodnotení možno vidieť rôzne pozitívne príležitosti. Automatizáciu postupov možno výhodne aplikovať nielen v chemickom a petrochemickom priemysle, ale aj v iných typoch priemyslu so sekvenčnými činnosťami. Automatizácia postupov už bola aplikovaná v širokom spektre procesov od plávajúcich vrtných plošín cez krakovacie pece až po spracovanie rádioaktívnych odpadov.

Postupy možno nájsť vo všetkých procesoch. Niekedy sú napísané len na papieri, niekedy sa udržujú v zdigitalizovanej podobe v systémoch na správu dokumentov a niekedy sa nachádzajú len v niečej hlave (ako tzv. kmeňová znalosť). Dobre spracované postupy sú zárukou bezpečných konzistentných prevádzok. V niektorých oblastiach priemyslu je definovanie postupov zákonnou požiadavkou. Avšak mať postupy zapísané a aj ich dodržiavať sú často dve rozdielne veci. Aby bolo možné získať maximálny úžitok s definovaných postupov, musia sa dôsledne dodržiavať každý deň. Z toho teda vyplýva, že základom prínosov automatizácie postupov je presadenie ich dodržiavania.

Prínosy automatizácie postupov

Automatizácia postupov zabezpečuje konzistentnú činnosť procesov, čo vedie k zlepšeniu kvality a vyššiemu výstupnému výkonu. Operátori dokážu riadiť prevádzku s menším počtom chýb a prerušení, čím sa maximalizuje využiteľnosť výrobných technológií. No a to sa vo výsledku premieta do konkrétnych dolárov – to je niečo, čo ocení každý vedúci pracovník!

Dôvody, prečo využívať automatizáciu postupov

Ak sa niektoré postupy vykonávajú ručne, zvyčajne v tom existuje veľká rozdielnosť.
Znalosti uložené len v hlavách skúsených operátorov často vedú k tomu, že sa nevytvára dostatočná dokumentácia.
Automatizácia postupov je základný nástroj, ako uchovať a ochrániť znalosti operátorov.
Proces zberu a kompilácie znalostí operátorov je výnimočná príležitosť analyzovať a uchovať často počuté, ale nezdokumentované postupy.
Ak automatizované postupy fungujú správne, dokážu zabezpečiť konzistentnejší a spoľahlivejší výkon prevádzky s menším počtom prerušení a bezpečnostných dôsledkov.

A čo je ešte dôležitejšie, automatizácia postupov prispieva k zvýšeniu bezpečnosti prevádzok. Ako sme už spomenuli skôr, znižuje sa tým aj príležitosť na vznik chyby zo strany operátorov. V jednej zo štúdií, ktorú realizovalo ASM Consortium, sa zistilo, že približne jedna tretina nehôd bola spôsobená postupmi, ktoré boli vykonané nesprávne alebo neúplne. Postupy vykonávané menej často sú operátorom menej známe a sú viac náchylné na vznik chyby. Tieto situácie sa zvyčajne objavujú v abnormálnej prevádzke, kde je riziko ohrozenia bezpečnosti (a s tým súvisiacich následkov) väčšie. Automatizácia postupov poskytuje aj prostriedky na vykonanie riadenej odstávky, čo je menej nebezpečné ako núdzové „havarijné“ vypnutie.

Automatizácia postupov zlepšuje bezpečnosť prostredníctvom automatizovanej správy odstávky a alarmových systémov v danom technologickom procese. Okrem toho pomáha koordinovať základný prevádzkový riadiaci systém (BPCS) a bezpečnostný riadiaci systém (SIS) a zabezpečuje, že funkcie špecifické pre daný prevádzkový stav rozpoznajú obidva tieto systémy. To je obzvlášť dôležité pri prechodových dejoch alebo vtedy, keď sa menia stavové podmienky z dôvodu iného zloženia produktov alebo nových surovín. Využitím automatizácie postupov v kombinácii s vhodným naprogramovaním SIS možno eliminovať ručné spúšťanie obchádzky blokád.

Správa alarmov výrazne prispieva k informovanosti operátorov, čím sa dosahuje bezpečnejšia prevádzka. Aj v tomto prípade možno výhodne využiť automatizáciu postupov ako pomoc pri správe alarmov (t. j. určovaní, ktoré alarmy sú v danom čase aktívne a ktoré neaktívne, a predchádzaní výskytu falošných alarmov, ktoré operátorov mätú) obzvlášť počas rôznych abnormálnych podmienok, ako je napr. núdzové vypnutie.

Prínosy vyššej bezpečnosti možno len ťažko kvantifikovať v konkrétnych sumách, ale náklady na nebezpečné prevádzky sú bolestne zrejmé. Len straty v USA spôsobené zlyhaním bezpečnosti sa odhadujú na 10 miliárd USD ročne. Každá jedna takáto porucha súvisiaca s bezpečnosťou môže stáť firmu aj 2 miliardy USD, a to nehovoríme o stratách na ľudských životoch.

Už skôr sme spomenuli problematiku znalostí postupov za strany operátorov a ich schopnosti vykonávať takéto postupy správnym spôsobom. Ako všetci dobre vieme, naši zamestnanci sa menia, starší operátori s viac ako 30-ročnými skúsenosťami odchádzajú do dôchodku a do riadiacich miestností prichádza nová, mladá krv. Starší operátori, s ktorými som mal možnosť spolupracovať, vo všeobecnosti odvádzajú pri zaúčaní mladých kolegov dobrú prácu, avšak prenos znalostí nie je vždy úplný. Automatizácia postupov je výborný nástroj na uchovanie a dôkladné zdokumentovanie postupov, pretože významným spôsobom zjednoduší a zlepší personálne výmeny na jednotlivých operátorských postoch (obr. 2).

Okrem spomenutých skutočností existujú aj ďalšie výhody automatizácie postupov, ktoré definoval výbor ISA106, pričom ich rozsiahlejší zoznam možno nájsť v kapitole 5 dokumentu ISA-TR106.00.01-2013.

Prvý krok nasadenia: plánovanie

Podobne ako v iných technických projektoch, čas strávený v prvotnej fáze definujúci cieľ a zámer sa zúročí v neskorších fázach projektu. Okrem toho sú tu aj ďalšie drobnosti, ktoré treba zahrnúť do tejto fázy a na ktoré sa treba zamerať už od začiatku, pretože sú životne dôležité pre všetky oblasti prevádzky. Musíte si získať prevádzkových zamestnancov na svoju stranu, aby bol projekt úspešný. Koniec koncov, vy sami nebudete riadiť celú prevádzku, ale oni áno. Kým sami nepochopia prínosy plynúce z automatizácie postupov, nikdy ich nebudú využívať v takom rozsahu, ako by mali. Skúste minimálne zapojiť do projektového tímu skúseného operátora.

Aby ste boli pri riešení automatizácie postupov úspešný, musíte v prvom rade identifikovať postupy, ktoré bude možné zautomatizovať. Ak existujú v procese správne zdokumentované a overené postupy, získali ste slušný základ. Ak nie, musíte takéto postupy vytvoriť, čo nie je až taká triviálna úloha. Výhodou je, že takýmto spôsobom vytvoríte jeden správny spôsob chodu prevádzky a to je zvyčajne jeden obrovský krok vpred. Keď už budú existovať dobre opísané a zdokumentované postupy, odporúča sa spraviť aj ich podrobnejší prieskum, aby sme sa uistili, že ide o tie správne postupy.

Znalosti, ktoré má projektový tím v oblasti chodu prevádzky, by mohli pomôcť pri posúdení, či sú existujúce postupy kompletné a správne. Tím by mal aj v ďalšom období mať nápady, ako zlepšovať definované postupy. Zamerať sa by sa mal na postupy mimo rovnovážnych stavov, pretože tam sa najlepšie ukáže prínos automatizácie. Bolo by vhodné prediskutovať, ktoré časti existujúcich postupov sú vhodné na zautomatizovanie. Voľba, čo sa bude automatizovať, závisí od viacerých faktorov vrátane opakovanosti operácií či zložitosti a možných dôsledkov pri zlom vykonaní daného postupu. Uvedené faktory budú mať aj vplyv na prioritizáciu vykonávania postupov.

Možno budete mať nutkanie kompletne zautomatizovať váš proces, od nábehu až po odstávku a všetky možnosti medzi tým. Aj keby to bol váš konečný cieľ, šance na úspech sa zvýšia, ak začnete postupne a v menšom rozsahu. Skúste sa najprv zamerať na často sa opakujúce operácie a zvládnutie zložitostí. Táto kombinácia vám ponúkne najlepšiu príležitosť, ako sa presvedčiť o možnostiach a prínosoch automatizácie postupov. Nemusíte sa vrhnúť do toho strmhlav a urobiť hneď na začiatku všetko, budete potrebovať aj niekoľko pochybení, aby ste vychytali všetky muchy.

Na druhej strane však nechcite riešiť triviálne problémy, pretože kombinácia opakovanosti a zložitosti vám dá množstvo príležitostí, ako vyladiť a neskôr predviesť užitočnosť automatizácie postupov. Ďalšou vecou na zváženie je možnosť nasadiť prvý postup vo viacerých prevádzkach či prevádzkových jednotkách.

Medzi dôležité rozhodnutia patrí aj stupeň automatizácie daného postupu. Existuje veľa možností, od systémov, ktoré presne navádzajú operátorov krok po kroku a potvrdzujú správnosť ich vykonávania až po také, ktoré operátor zapne stlačením tlačidla a potom nechá systém vykonať postup bez potreby zásahu, pričom po skončení pošle operátorovi hlásenie.

Toto rozhodovanie môže ovplyvniť aj hardvér nasadený v prevádzke, pretože sa tam často nachádzajú prvky (napr. blokovacie ventily, čerpadlá), ktoré nemožno spúšťať vzdialene. V takomto prípade je potrebné, aby automatizačný systém navádzal operátora, s čím a ako manipulovať v danom čase.
Takéto postupy sú obzvlášť vhodné pri vašom prvom projekte, keď vedenie podniku ešte nemusí byť od začiatku stotožnené z prínosmi automatizácie, čo mu bráni investovať do vzdialene ovládaných ventilov, alebo môže mať predsudky aj voči vzdialenému spúšťaniu čerpadiel.

S tým súvisí aj úvaha, aký rozsah zásahov operátora bude prípustný počas vykonávania automatizovaného postupu. Môže operátor obísť daný postup bez toho, aby ho prerušil? Môže operátor zmeniť žiadané hodnoty či režimy regulátora? Podľa mojich skúseností odpovede na obidve tieto otázky by mali byť „nie“, pretože automatizácia postupov z veľkej časti závisí od dodržiavania napísaných podmienok. Avšak operátor musí byť schopný prevziať kontrolu nad automatizáciou, ak sa deje niečo zlé. V takomto prípade sa však uistite, že operátor má prístup k všetkým regulátorom, aby mohol vykonať všetko potrebné.

Druhý krok nasadenia: návrh

Zvyčajne sa prihováram za systém schopný zautomatizovať všetky fyzikálne možnosti daného procesu. Ak to bude nevyhnutné, v prvom rade preverte celkový rozsah možnej automatizácie, t. j. kompletné zautomatizovanie niektorých prevádzok, čo možno neskôr zakomponovať do väčšieho nadradeného automatizačného systému.

Ak zvládnete úspešne zautomatizovať menší rozsah, predviesť obzvlášť pracovníkom prevádzky užitočnosť automatizácie postupov, získate pre projekty v budúcnosti veľmi dôležitých spojencov. Ak budú správne navrhnuté tieto menšie moduly, možno ich skombinovať do väčšieho postupu. Začiatočné víťazstvá, aj keď len malé, sú strategicky dôležité pre celkové snaženie.

Hardvér existujúci v prevádzke sa takisto môže stať predmetom voľby. Hoci zautomatizované ventily či čerpadlá dokážu oveľa komplexnejšie zautomatizovať vaše postupy, nebude asi jednoduché vyargumentovať ich zaradenie do úplne prvého projektu. Majte na mysli, že ich nedostatok nebráni nasadeniu automatizácie, ale ovplyvní len rozsah jej využitia.

Bez ohľadu na to, aký rozsah zvolíte, ich mimoriadny prínos je v tom, že informujú a zapájajú do procesu operátora. Potenciálny problém výskytu neinformovaných operátorov je pravdepodobnejší pri kompletne zautomatizovaných systémoch. Správy zobrazované na operátorskom paneli, ktoré uvádzajú nejaký stav, sú veľmi užitočné. Výzvy či navádzacie informácie vyžadujúce potvrdenie zo strany operátora sú takisto užitočné, obzvlášť pri veľkých prechodoch, ako je začiatok či koniec postupu. Podrobnosti nasadenia závisia od možností vášho automatizačného systému.

Prehľad operátora možno zlepšiť prostredníctvom školení. Ak operátor vie, čo môže očakávať, je jednoduchšie dodržiavať zautomatizované postupy. Ak je vaša automatizácia súčasťou náhrady celého systému alebo projektu modernizácie, nezabudnite sa vyškoliť v novom systéme aj vo vašich špecifických aplikáciách. Správne načasovanie školenia je tiež veľmi dôležité. V ideálnom prípade by sa operátor mohol zúčastniť na školení v praxi ihneď po dokončení projektu automatizácie.

Modularita je podobne ako pri automatizácii dávkových procesov veľmi výkonný nástroj. Ak prejdete od veľkého celku k menším modulom postupov, dokážete vytvoriť menej zložité programy, ako keby ste preprogramovali jeden veľký celok. Pri komplexnom nasadení možno tieto prístupy kombinovať. Takýmto spôsobom sa môžete dopracovať k vášmu konečnému cieľu – úplnej automatizácii všetkých procesov. Zároveň zistíte, že odlaďovanie malých modulov je podstatne jednoduchšie ako odlaďovanie veľkých, monolitických programov.

V závislosti od typu vašich procesov možno moduly vytvoriť tak, aby boli znovu použiteľné. Niektoré vlastnosti návrhu sa zvyčajne opakujú v rámci všetkých procesov a postupy pre jednotlivé prevádzky takisto. Môže isť o jednoduché veci, ako spúšťanie alebo zastavovanie čerpadla, alebo niečo zložitejšie, ako napr. prevádzkovanie sušiacej technológie alebo destilácie.

V prevádzke na výrobu alkénov sa napríklad nachádza niekoľko krakovacích pecí s rovnakou konštrukciou. Ak je automatizačné riešenie vytvorené pre jednu pec a jej príslušenstvo a je správne napísané (napr. spoločná logika), možno ho znovu použiť aj pri všetkých ostatných peciach. Takáto úvaha platí aj pre ďalšie prevádzky a závody v rámci konkrétnej spoločnosti.

Nakoniec sa musíte zamyslieť aj nad správou a riadením výnimočných stavov. Čo spravíte, ak ventil nepôjde do polohy, ktorá mu bola zadaná? Aká bude reakcia na neočakávané stavy procesu alebo na prevzatie riadenia operátorom namiesto automatizačným systémom? Ako chcete odhaliť takéto výnimočné stavy? Ako znovu nabehnete do normálu po výnimočnom stave? Riadenie výnimočných stavov, obzvlášť logika znovuobnovenia, je hlavnou časťou každého automatizačného projektu. Pre výnimočné stavy možno tiež napísať postupy, avšak tie možno len všeobecné a len ťažko automatizovateľné, pretože jednoducho nedokážete predpovedať všetko, čo sa môže stať počas takýchto abnormálnych stavov.

Môžete sa rozhodnúť pre „ľahké zlyhanie“ automatizácie a vrátiť späť riadenie procesu na operátora – ale to tiež len v prípade, že je úplne zrejmé, že operátor má túto možnosť. V takomto prípade sa musíte zároveň rozhodnúť, či znovu zadaná logika pre daný postup je vhodná a ak áno, musíte zvážiť, ako sa automatizačný systém opäť zosynchronizuje s procesom.

Ak je vzniknutý výnimočný stav kritický, možno bude potrebné zvoliť odstávku procesu, prípadne spustiť odstávku prostredníctvom SIS alebo ešte viac riadenú odstávku. No opäť musíte zvážiť synchronizáciu SIS a BPCS. Správna odpoveď na tieto otázky závisí od možností vašich procesov a nasadenej automatizácie.

Tretí krok nasadenia: nábeh

Nevyhnutnou podmienkou programovania automatizácie postupov je aj odladenie programu. Napriek tomu, že množstvo tejto práce možno vykonať offline, napr. počas FAT (Factory Acceptance Test), určite bude potrebné odladiť program aj priamo v prevádzke počas nábehu. Využitie simulácie procesov vo fáze testovania môže minimalizovať odlaďovanie priamo v prevádzke, avšak úplne ho nenahradí. V mnohých prípadoch sa vaše procesy nestarajú o to, čo povedali výsledky simulácie a idú si svojou cestou. Modulárne a znovu použiteľné automatizačné prvky dokážu skrátiť čas odlaďovania a mohli by byť použiteľné kdekoľvek.

Vzhľadom na to, že v spojitých procesoch sa zmeny stavov procesov vyskytujú menej často aj v dávkových procesoch, možno sa bude zdať, že to znamená aj menej príležitostí nasadiť niečo z automatizácie. Uvedený faktor môže spôsobiť, že kompletné uvedenie automatizácie do prevádzky bude dlhšie, ako sa pôvodne očakávalo. Takúto situáciu si musíte vyjasniť s vedením tak, aby nikto neočakával hneď v prvý deň zázraky.

Aktivity spojené s odlaďovaním takisto zahŕňajú koordináciu a synchronizáciu prepojení medzi rôznymi komponentmi automatizačných systémov, ako BPCS a SIS. To je časť projektu, kde môžu nastať problémy s dodržiavaním časových plánov a vy by ste mali byť pripravení riešiť ich.

A nakoniec – plán dodatočného zaškolenia operátorov počas nábehu je podstatne efektívnejší ako školenie už na živom systéme. Zároveň je to aj vhodný čas pripomenúť operátorom znalosti, ktoré už získali na predchádzajúcich školeniach.

Zdroje

Väčšina dodávateľov riadiacich systémov participuje vo výbore na tvorbu normy ISA106 na rôznej úrovni, podobne aj viacerí systémoví integrátori, ktorým je koncept automatizácie postupov známy. Účastníci s hlasovacím právom sú najaktívnejší a poznajú tieto techniky. Niektorí z nich majú aj praktické skúsenosti s nasadením týchto postupov.

Najdôležitejším zdrojom sú, samozrejme, výstupy výboru ISA106. Prvá technická správa ISA-TR106.00.01-2013 je dostupná na stránke ISA www.isa.org/store/products/product-detail/?productId=115958. Zahŕňa modely a terminológiu, predstavuje koncepty automatizácie postupov. Výber v súčasnosti pracuje na druhom vydaní technickej špecifikácie.

Členstvo vo výbore je otvorené pre všetkých záujemcov a ponúka možnosť zúčastniť sa na tvorbe tejto normy. Má to dve základné výhody: záujemca sa môže zúčastniť na diskusii spolu s mnohými odborníkmi v danej oblasti aktívne alebo len ako poslucháč. Druhou výhodou je, že má možnosť preštudovať si a komentovať prácu výboru ešte pred publikovaním normy. Ak chcete získať členstvo vo výbore ako informovaný člen, kontaktujte ISA a požiadajte o členstvo alebo píšte na e-mail crobinson@isa.org. Členstvo vo výbore ISA nie je podmienené členstvom v organizácii ISA.

Hodnota automatizácie postupov je už dostatočne potvrdená. Pri správnom návrhu a naprogramovaní dokáže zlepšiť opakovateľnosť, celkovú využiteľnosť a bezpečnosť vašich procesov. Moje 14-ročné skúsenosti z prevádzky spojitých procesov riadených automatizáciou postupov to potvrdzujú. Verím, pretože som sám videl, čo automatizácia postupov dokáže, že budete mať možnosť získať rovnaké skúsenosti s vašimi procesmi.

O autorovi

Bill Wray, P. E., začal svoju kariéru ako procesný technik, neskôr objavil záľubu v riadení procesov, pričom tejto oblasti sa venoval od začiatku 80. rokov minulého storočia. Najprv začínal s automatizáciou veľkých spojitých petrochemických procesov, neskôr sa presunul do oblasti automatizácie dávkových procesov a pre svoje znalosti je medzi kolegami veľmi uznávaný. B. Wray je zakladajúcim členom World Batch Forum (WBF), kde zastával viaceré významné pozície. Ako člen WBF a MESA vstúpil neskôr do medzinárodného výboru organizácie MESA. Bol prvým predsedom výboru ISA95, pričom viedol práce na vydaní normy ISA-95 Part 1. V súčasnosti je podpredsedom výboru ISA106. B. Wray je zamestnaný v spoločnosti Bayer Material Science ako starší technický konzultant. Titul B. S. v oblasti chemického inžinierstva získal na Virginia Polytechnic Institute.

Publikované sú súhlasom International Society of Automation (ISA).

Zdroj: Wray, B.: ISA106 and the importance of automating manual procedures. In: InTech Magazine 2014.