Osiąganie doskonałości operacyjnej dzięki wykorzystaniu technologii APC

Rys. 1. Zalety technologii zaawansowanego sterowania procesem (APC): redukcja wariancji zmiennych procesowych oraz optymalizacja realizowanych operacji.

W przemyśle chemicznym zaawansowane sterowanie procesem (APC) jest formułą uzyskiwania wyższych poziomów doskonałości operacyjnej. W artykule opisano 10 korzyści, które mogą osiągnąć firmy dzięki zastosowaniu technologii APC, w tym m.in. wzrost wydajności produkcji o 3–5% oraz zmniejszenie zużycia energii o 3–15%.

Doskonałość operacyjna przekłada się na osiąganie i utrzymywanie przez firmy silnej pozycji na rynku przemysłu chemicznego. Drogą do uzyskania wyższego poziomu i dojrzałości w doskonałości operacyjnej jest zrealizowanie dobrze zaplanowanego programu wdrożenia zaawansowanego sterowania procesem produkcji (APC – Advanced Process Control). O ile sam cel wdrożenia APC w przemyśle chemicznym jest zasadniczo prosty: maksymalizacja zysków przy jednoczesnym spełnianiu oczekiwań klientów, to jednak dyrektorzy zakładów przemysłu chemicznego powinni rozważyć kilka czynników, aby zapewnić skuteczne wdrożenie tej technologii.

Zrozumienie korzyści z APC

Technologia APC była pierwotnie przeznaczona dla rafinerii oraz innych zakładów przemysłu petrochemicznego i została pierwszy raz wykorzystana w pierwszej połowie lat 80. ubiegłego wieku. Od tego czasu dokonała ona ewolucji w tej branży. APC jest technologią sterowania i optymalizacji procesów przemysłowych, która uwzględnia obejmującą wiele zmiennych, interaktywną naturę jednostek procesowych i ma na celu redukcję zmienności oraz takie sterowanie realizacją procesu, aby z każdą minutą możliwe było uzyskanie w nim optymalnych wyników. Dokonuje się to poprzez odpowiednie manipulowanie zmiennymi, takimi jak dozowanie surowców, nastawy temperatur, nastawy ciśnień oraz przepływy orosienia, które są zmieniane przez operatorów obsługujących jednostkę procesową.

Ze względu na naturę procesów chemicznych, obejmujących wiele zmiennych i ich wzajemne oddziaływania, operacje realizowane w jednostkach procesowych nie mogą w pełni zoptymalizować procesu przy sterowaniu ręcznym, ponieważ takie próby skończą się tym, że wartości kluczowych zmiennych procesowych będą od czasu do czasu wychodziły poza żądany zakres operacyjny. Dla zachowania konserwatywności parametry procesowe są przesuwane poza zakres optymalny, a jednocześnie w bardziej komfortowy zakres operacyjny (reprezentowany przez „A” na rys. 1). Jednak często powoduje to większe koszty i/lub niższe tempo produkcji. W porównaniu z wykorzystaniem APC występuje w takim przypadku większe zużycie energii, niższa wydajność produkcji i mniejsze tempo dozowania surowców.

Na przestrzeni ostatnich dekad technologia APC sprawdziła się jako redukująca zmienności w realizowanym procesie technologicznym (reprezentowane przez „B” na rys. 1) poprzez aktywne sterowanie kluczowymi parametrami procesu na bieżąco, z minuty na minutę. Kontrolowane zmienne są stabilizowane, zaś odchylenie standardowe zostaje zredukowane. Podczas gdy kluczowe zmienne są stabilizowane, optymalizująca natura APC jest wykorzystana do przesunięcia procesu do bardziej optymalnego punktu pracy (reprezentowanego przez „C” na rys. 1). W wyniku tego jednostka procesowa codziennie i konsekwentnie pracuje z maksymalną wydajnością, bezpiecznie i niezawodnie.

Identyfikacja okazji do wprowadzenia technologii APC

Przy wdrażaniu programu APC pierwszym krokiem jest określenie, które jednostki procesowe lub jaka część tych jednostek są dobrymi kandydatami do wykorzystania tej technologii. Aby móc określić korzyści i potencjalne obszary do wprowadzenia ulepszeń, konieczne jest wcześniejsze zrozumienie ekonomii jednostki procesowej oraz całego procesu produkcji. Ponadto niezbędne jest przeanalizowanie samej jednostki lub, w wielu przypadkach, jej roli w większym łańcuchu wartości produkcji.

Jeśli organizacje mają ustalone kluczowe wskaźniki efektywności (KPI – Key Performance Indicator) dla firmy lub procesów, to wskaźniki te mogą służyć jako doskonały punkt startowy dla przeanalizowania potencjalnych obszarów aplikacyjnych do wprowadzenia technologii APC. Jednak istnieją także inne sposoby obliczania potencjalnych korzyści z tej technologii. Poniżej podano 10 kryteriów, które mogą być wykorzystane do określenia korzyści związanych z realizacją projektu APC.

1. Wzrost produkcji

W praktyce w dotychczasowych aplikacjach projekty APC spowodowały zwiększenie możliwości produkcyjnych zwykle o 3–5%. Poprzez redukcję zmienności w procesie produkcji i utrzymywanie wielkości regulowanych bliżej górnych wartości granicznych, technologia APC usuwa wąskie gardła (ang. bottlenecks, pojęcie z Lean Manufacturing) z procesu lub części procesu, umożliwiając osiąganie większego tempa produkcji. Jednak, aby tak się stało, wymagane jest zrozumienie wpływu produktów pośrednich i przyczyn tego wpływu na działy firmy zajmujące się produkcją i sprzedażą gotowych wyrobów (ang. downstream units).

2. Zmniejszenie zużycia energii

Według dostępnych raportów wdrożenie technologii APC spowodowało zmniejszenie zużycia energii przez zakłady w wysokości od 3 do 15%, zależnie od procesu produkcji i bieżących operacji. Przez większość czasu zarządzanie mediami energetycznymi, w szczególności parą technologiczną, jest złożonym problemem sterowania, który rozciąga się na cały zakład produkcyjny, a czasami także wpływa na sieć elektroenergetyczną. Można jednak tak zaprojektować aplikacje APC, aby efektywnie zarządzały zużyciem mediów poprzez dopasowanie wytwarzania pary do zapotrzebowania zakładu. Uzyskiwane korzyści pochodzą ze zmniejszania liczby reduktorów ciśnienia oraz redukcji lub eliminacji odpowietrzania pary w zakładzie. Wiele firm donosi o uzyskaniu redukcji odpowietrzania pary o 60–90% dzięki zastosowaniu technologii APC. Po ustabilizowaniu się ciśnień w kolektorach pary technologia APC może być także wykorzystana do optymalizacji wytwarzania energii. Na przykład obciążenia kotłów, praca turbin gazowych lub innych źródeł energii mogą być codziennie tak wyregulowane, aby zmaksymalizować sprawność całego systemu, przy jednoczesnym utrzymywaniu stabilnego ciśnienia w kolektorach.

3. Poprawa jakości wyrobów

Ważną sprawą jest redukcja zmienności jakości gotowych wyrobów. Niektóre produkty, na przykład pewne typy polimerów i specjalistycznych związków chemicznych, są sprzedawane po cenie zależnej od zmienności jakości wyprodukowanej partii. Wiele firm donosi o zmniejszeniu odchylenia standardowego jakości produktów nawet o 50%.

4. Poprawa wydajności produkcji

Wiele organizacji dzięki zastosowaniu technologii APC uzyskuje w praktyce zwiększenie wydajności produkcji o 1–2%. Zwykle uzyskuje się je na skutek optymalizacji tej części procesu, która jest realizowana w reaktorze i/lub części separacyjnej. Prawie we wszystkich przypadkach reakcja jest wysoce egzotermiczna, co oznacza, że kluczowa jest tam dokładna regulacja temperatury reaktora. Dodatkowo duże korzyści przynosi dokładna regulacja i optymalizacja stosunku ilości surowca do ilości katalizatora. W reaktorach z dobrym sterowaniem uzyskuje się zwiększenie wydajności o 0,5% na jedno przejście, przy tych samych wartościach prędkości produkcji i przy jednoczesnym utrzymywaniu bezpiecznych wartości temperatur roboczych. W niektórych przypadkach udowodniono, że przy dobrej regulacji czas pracy reaktora polimeryzacyjnego zostaje wydłużony nawet o 5% przed wymaganym wyłączeniem reaktora w celu jego wyczyszczenia. Daje to w efekcie zwiększenie wydajności i tempa produkcji.

W przypadku tych elementów procesu produkcji, w których nie zachodzą reakcje chemiczne, takich jak kolumny destylacyjne, utrzymywanie określonych parametrów wyrobu końcowego może zwiększyć wydajność produkcji pożądanego wyrobu przez zwiększanie zanieczyszczeń (domieszek) aż do wartości uzgodnionych z klientem w kontrakcie. W ten sposób większa liczba produktów o nieco gorszej jakości (zanieczyszczenia) jest sprzedawana jako produkty dobrej jakości, przy jednoczesnym utrzymywaniu parametrów jakościowych według oczekiwań klienta.

5. Optymalizacja rytmu produkcji polimerów

Przy wytwarzaniu polimerów tzw. rytm produkcji (ang. rhythm wheel, production wheel – rytm/koło produkcji, pojęcie z Lean Manufacturing) zwykle nie jest zoptymalizowany pod kątem potrzeb rynku, ponieważ trudne procesy zmiany gatunku tego tworzywa mogą być odrzucane przez działy operacyjne fabryk. Bez technologii APC przestawianie produkcji na inny gatunek polimerów trwa dłużej, a ponadto w takim okresie przejściowym produkowane jest tworzywo gorszego gatunku. Powszechnie obserwuje się skracanie czasu przestawiania produkcji na lepszy gatunek polimerów o 20–50%. Przy wykorzystaniu technologii APC możliwe jest „rozbicie rytmu produkcji” i wytwarzanie takich gatunków polimerów, na jakie istnieje popyt na rynku, przy jednoczesnym minimalizowaniu czasu przejściowego wytwarzania produktów gorszego gatunku. Firmy stosujące technologię APC w połączeniu z oprogramowaniem do optymalizacji łańcucha dostaw mogą wykorzystywać nowe możliwości dalszego optymalizowania rytmu produkcji (rys. 2).

Rys. 2. Firmy stosujące technologię zaawansowanego sterowania procesem (APC) w połączeniu z oprogramowaniem do optymalizacji łańcucha dostaw wykorzystują nowe możliwości dalszego optymalizowania rytmu produkcji.

6. Zawartość surowców z recyklingu

Zakłady stosujące recykling surowców są dobrymi kandydatami do zastosowania technologii APC. Przy takiej organizacji procesu dodatek świeżych surowców zależy od jakości surowców z recyklingu. Bez APC utrzymywany jest ustalony stosunek świeżego surowca do surowca z recyklingu. Podejście takie nie uwzględnia kwestii jakości wyrobu, pracy sprzętu produkcyjnego lub ograniczeń jednostki produkcyjnej. Obejmująca wiele zmiennych natura APC umożliwia optymalizację stosunku świeżego surowca do surowca z recyklingu w celu maksymalizacji produkcji i/lub utrzymywania jakości wyrobu według specyfikacji.

7. Kontrola emisji gazów

Wdrożenie technologii APC może także pomóc w utrzymywaniu kontroli nad ograniczeniami środowiskowymi. Poprzez użycie APC dla modelu i aktywnego sterowania APC piecami i kotłami w elektrociepłowni możliwa jest praca zakładu przy emisjach bardziej zbliżonych do wartości granicznych, ale bez ich przekraczania. Ponadto pomaga to w zmniejszeniu zużycia energii oraz minimalizacji kosztów przestrzegania przepisów dotyczących ograniczeń emisji tlenków azotu i siarki.

8. Wykorzystywanie oddziaływania temperatury otoczenia

Technologia APC sprawdziła się jako umożliwiająca wykorzystanie warunków otoczenia. Temperatura otoczenia wpływa na pracę kompresorów, wydajność kondensacji, pracę turbin gazowych, temperaturę wody chłodzącej, wydajność chłodzenia, objętości gazów i wiele innych warunków związanych z procesem. Zmiany dobowe, wilgotność powietrza lub nawet zachmurzenie mają bowiem wpływ na temperaturę wody chłodzącej, co może dać w wyniku zmiany w ograniczeniach wydajności kompresora. Nie można jednak oczekiwać od operatorów wykorzystywania zmian temperatury otoczenia.

To oznaczało przewidywanie oddziaływania temperatury otoczenia na proces i dostrajanie parametrów procesu tylko w celu odwrócenia wszystkich zmian podczas wschodu słońca. Jednostki procesowe, na które wpływ mają warunki otoczenia, mogą czerpać korzyści z aplikacji APC, ponieważ są wówczas w stanie przewidywać te zmiany warunków i odpowiednio dostrajać parametry procesu z minuty na minutę.

9. Dynamiczne okazje

Bez APC zakłócenia pochodzące od jednostek zajmujących się poszukiwaniami, wydobyciem i dostarczaniem surowców (ang. upstream units) lub jednostek realizujących produkcję i sprzedaż, będą wpływały na jednostki procesowe i zmniejszały zyski firmy. Na przykład, gdy jakość surowca zmniejszy się chwilowo o 1–5%, to operatorzy będą reagowali na tę sytuację, aby utrzymać jakość produktu zgodną ze specyfikacją, jednak najprawdopodobniej nie zrobią tego w sposób optymalny. Gdy parametry procesu są bardziej stabilne, jednostka może nie być zoptymalizowana, ponieważ sytuacja z zakłóceniem jest tymczasowa. W najlepszym przypadku jest to osiągane dzięki produkowaniu wyrobu zgodnego ze specyfikacją, jednak po wyjątkowo niskiej cenie. W najgorszym zaś razie będzie to oznaczało zmniejszenie dopływu surowca, aby poradzić sobie z sytuacją. Natomiast przy wykorzystaniu technologii APC jednostki operacyjne będą stale reagowały na zakłócenia w sposób optymalny.

10. Okazje do optymalizacji w całym zakładzie

Obecność w zakładzie przemysłowym jednostek operacyjnych wykorzystujących APC stwarza możliwość optymalizacji w większym zakresie. Optymalizacja części procesu, będąca jedyną optymalizacją, oznacza utratę wielu okazji i potencjalnych obszarów optymalizacyjnych, w porównaniu do łącznej optymalizacji wielu jednostek. Na przykład zmuszanie reaktora do pracy z maksymalną wydajnością może nie mieć sensu, jeśli wąskim gardłem jednostki jest gaz resztkowy. W takiej sytuacji lekkie materiały, które powinny być usunięte, są wpychane albo do płomienia lub do gazu resztkowego, gdzie są tracone. W pewnych okolicznościach może to oznaczać zmniejszenie zysków firmy. Takie wzajemne oddziaływania i ograniczenia są analizowane w projekcie systemów APC i mogą prowadzić do uzyskania znacznych korzyści dla całego zakładu.

Rys. 3. Fazy cyklu życia tradycyjnego projektu zaawansowanego sterowania procesem (APC).

Wdrożenie APC i cykl życia projektu

Po zidentyfikowaniu przypadku biznesowego (ang. business case) dla projektu APC, następnym krokiem jest rozpoczęcie opracowania i wdrożenia sterownika APC. W niedalekiej jeszcze przeszłości tradycyjnie projekty APC były długie i kosztowne, obejmowały wiele zdefiniowanych etapów wymaganych do skutecznego odbioru technicznego APC. Na przykład od organizacji wymagano przejścia przez niezliczone fazy testowania krok po kroku, budowania modeli, opracowywania sterownika i odbioru technicznego, przed przejściem do etapu wdrożenia (rys. 3). W wyniku tego wiele firm doświadczyło utraty zysków podczas długiej fazy wdrożenia APC oraz zakłóceń w produkcji, wynikających z konieczności zebrania danych potrzebnych do zbudowania modeli APC. Dodatkowo proces wdrożenia APC wymagał udziału użytkowników z dużym doświadczeniem w celu opracowania i utrzymania sterowników.

Obecnie niektóre firmy wyszły poza metody tradycyjne i wykorzystują bardziej zaawansowaną technologię, poprzez integrowanie adaptacyjnego sterowania procesem z technologią APC.

Przy pomocy adaptacyjnego sterowania procesem cztery fazy w podejściu klasycznym zostały połączone w jedną, umożliwiając użytkownikom szybsze wdrożenia i osiąganie korzyści poprzez ciągłe aktualizowanie modelu w tle bez żadnych zakłóceń procesu produkcji (rys. 4). Ponadto narzędzia te umożliwiają większej liczbie użytkowników oraz mniej doświadczonym użytkownikom wdrażanie i utrzymywanie sterowników APC, co może zaoszczędzić organizacji czas i pieniądze.

Zaawansowana technologia APC pomaga także firmom w utrzymywaniu stanu osiągania zysków. W przeszłości wszelkie zmiany w procesie lub sprzęcie po wdrożeniu wymagały ponownej identyfikacji modelu, co wiązało się niestety z kosztownym testowaniem krok po
kroku i było obsługiwane jako projekt. Jednak dzięki technologii sterowania adaptacyjnego, zintegrowanej z współczesnymi rozwiązaniami APC, utrzymywanie sterowników nie jest już obecnie obsługiwane jako projekt, ale raczej jako proces ciągły.

Narzędzia zapewniające trwałość w tych zaawansowanych rozwiązaniach APC obejmują także automatyczną identyfikację złego modelu. Modele te mogą być kalibrowane online, w pętli zamkniętej i bez żadnych zakłóceń realizowanego procesu.

Dodatkowo utrzymywanie sterowników APC wymaga mniejszych zasobów, w wyniku czego sterowniki utrzymują szczytowe parametry pracy, co z kolei umożliwia firmom wdrażanie i utrzymywanie większej liczby sterowników, a w konsekwencji – wdrożenie programu APC najlepszego w swojej klasie.

Rys. 4. Cykl życia projektu zaawansowanej technologii sterowania (APC), takiej jak Aspen DMC3, która jest zintegrowana z adaptacyjnym sterowaniem procesem.

APC jest kluczem do doskonałości operacyjnej

Na rynku chemicznym panuje duża konkurencja; rynek ten jest niestabilny i szybko się zmienia. Aby utrzymywać silną pozycję, przedsiębiorcy działający w tej branży muszą dokładniej i głębiej przeanalizować kwestie związane z posiadanym sprzętem, produkcją i realizowanymi operacjami w celu optymalizacji łańcucha produkcyjnego. Dla wiodących firm z branży chemicznej technologia APC jest kluczowym narzędziem strategicznym do osiągania wyższych poziomów doskonałości operacyjnej.


Tushar Singh – menedżer marketingu produktów; Kate Kulik – starszy konsultant biznesowy w firmie Aspen Technology Inc. Redakcja tekstu: Jack Smith, menedżer ds. treści, CFE Media, Control Engineering.