ABB Process Automation, Simo Säynevirta Prosessiautomaation kehitystrendit. ABB Group October 11, 2010 Slide 1

Transkriptio

1 ABB Process Automation, Simo Säynevirta Prosessiautomaation kehitystrendit October 11, 2010 Slide 1

2 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 2

3 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 3

4 Johtava sähkövoima- ja automaatioteknologiayhtymä Markkinajohtaja tärkeimmillä liiketoiminta-alueilla Liikevaihto 32 mrd USD Henkilöstö noin 100 maassa T & K:hon vuosittain yli 1 mrd USD October 11, 2010 Slide 4

5 Tarjontamme Divisioonarakenne ja tuotevalikoima Sähkövoimatuotteet Sähkövoimajärjestelmät Sähkökäytöt ja kappaletavaraautomaatio Pienjännitetuotteet Prosessiautomaatio 11,9 mrd USD Henkilöstö ,9 mrd USD Henkilöstö ,6 mrd USD Henkilöstö ,8 mrd USD Henkilöstö ,4 mrd USD Henkilöstö Tuoteportfolio: Voimantuotannon ja teollisuuden prosessien sähkölaitteet ja -järjestelmät, automaatio- ja valvontajärjestelmät sekä instrumentointi Voimansiirtojärjestelmät Sähkönjakeluratkaisut Pienjännitetuotteet Robotit October 11, 2010 Slide 5

6 Sähkövoimaa ja automaatiota on kaikkialla ABB:n teknologia palvelee maan päällä ja alla, valtamerillä ja meren pohjassa, maataloudessa ja elintarvikkeiden pakkaamisessa, junaliikenteessä ja vedenkäsittelyssä, sähkövoiman tuotannossa ja kodeissamme. October 11, 2010 Slide 6

7 ABB Suomessa Liikevaihto 2,3 miljardia EUR Henkilöstö yli 7000 lähes 40 paikkakunnalla T&K:hon 130 miljoonaa EUR Tehdaskeskittymät Helsingissä ja Vaasassa October 11, 2010 Slide 7

8 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 8

9 October 11, 2010 Slide 9 Automaation ensiaskeleita 1900-luvun alusta Asea, Ruotsi

10 October 11, 2010 Slide luku: ensimmäiset PID-säätäjät Taylor Control, USA

11 October 11, 2010 Slide 11 Kemiantehtaan automaatiota 1970-luvulta, Compact single-loop controller Hartmann & Braun

12 October 11, 2010 Slide Öljynjalostamon automaatiojärjestelmä Säädöt ohjelmoitavissa, toimittajaspesifiset laitteet ja ohjelmistot

13 October 11, 2010 Slide 13 Nykypäivä avoin teknologia, pitkälle viety integraatio ABB 800xA automaatiojärjestelmä

14 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 14

15 Business drivers for automation today Provide opportunities in all markets Aging installed base and aging population in mature markets Get more of existing assets with optimized control Optimize Asset Management Run process efficiently with fewer experts Greenfield installations and insufficient expertise in emerging markets Use automation technology as knowledge carrier Tight environmental, safety and security requirements Energy efficiency Device and system Security, Integrated safety Economic Process Optimization Increasing global competition Optimize operations holistically Economic Process Optimization Integrated Operations Collaborative Production Management October 11, 2010 Slide 15

16 Automation helps pushing the performance to the limits Throughput Design limit Global competition: Lost opportunity Improve productivity Profit Loss Operating target Break Even Plant upset Partial shut-down Startup Shut-down Deliver flexibly, better, more with less: economically, and ecologically Focus capital spending, improve asset utilization Time October 11, 2010 Slide 16

17 OEE - way to measure operational performance (OEE = Overall Equipment Efficiency) Availability, A=65% Availability Losses No Demand MPR* Speed Loss Rate Product Rate, P=80% Quality Loss Good Product = OEE Quality Rate, Q=75% Unplanned Downtime Planned Downtime Non Production Related Downtime Time OEE = A * P * Q October 11, 2010 Slide 17 MPR* = Maximum Proven Rate OEE = 65% * 80% * 75% = 39%

18 OEE has influence on earning power Planned hours Max prod/h 50 Availability 77.0% Performance 85.7% Quality yield 91.0% October 11, 2010 Slide 18 Theoretical prod/year OEE 60.0 % Price/unit Actual prod/year Contribution margin/unit Direct maintenance costs Variable cost/unit Depreciation Other fixed costs Contribution margin/year Fixed costs/year Fixed assets NOWC Profit Revenues Revenues Capital employed Prices in kusd Profitability 7.15 % Capital turn over rate 0.95 ROCE 6.81%

19 Higher OEE substantially increases earning power Planned hours Max prod/h 50 Availability 83.0 % Performance 91.7 % Quality yield 92.0 % October 11, 2010 Slide 19 Theoretical prod/year OEE 70.0 % Price/unit Actual prod/year Contribution margin/unit Direct maintenance costs Variable cost/unit Depreciation Other fixed costs Contribution margin/year Fixed costs/year Fixed assets NOWC Profit Revenues Revenues Capital employed Prices in kusd Profitability % Capital turn over rate 1.09 ROCE %

20 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 20

21 Nykyaikainen integroitu järjestelmäympäristö Kaikki informaatio integroituna yhdessä järjestelmässä Prosessitieto eri prosessiasemista Prosessitieto eri OPC -palvelimilta Instrumentit ja kenttäväylät Käytöt Fieldbus Foundation Profibus Hart Älykkäät moottorilähdöt MNS-iS Integroidut sovellukset Tuotannonohjaus Panosprosessin ohjaus Tiedon hallinta ja käsittely Järjestelmän sekä kenttäväylä -liityntäisten laitteiden hallinta Turvalogiikkatoiminnot October 11, 2010 Slide 21

22 ABB 800xA järjestelmäkaavio Tehdasväylä / Intranet Valvomoasema Valvomoasema Kolmannen osapuolen sovellus serveri Firewall Client/server -väylä Connectivity palvelin Järjestelmäväylä Aspect palvelin Sovellus palvelin, esim. IM tai Batch AC 800M Sarjaliikenne, OPC tai kenttäväylä Kolmannen osapuolen prosessiasema, serveri tms. October 11, 2010 Slide 22 Kenttäväylä ( Profibus ) Konfigurointi työasema AC 800M Kahdennettu Mobile Operaattori AC 800M HI Kenttäväylä ( FF )

23 Tyypillinen Pieni järjestelmä Yksi yhteinen työasema: Aspects Connectivity Operointi Alle 1000 prosessi I/O 1..3 prosessiasemaa 10Mbit/s järjestelmäväylä October 11, 2010 Slide 23

24 Tyypillinen Keskikokoinen järjestelmä Kahdennetut Aspect ja Connectivity palvelimet Erilliset työasemat mahdollisille Batch ja IM servereille Noin 5 Operointiasemaa Alle 3000 prosessi I/O prosessiasemaa Kahdennettu 10Mbit/s järjestelmä- sekä Client/server väylä October 11, 2010 Slide 24

25 Tyypillinen Laaja järjestelmä Kahdennetut Aspect ja Connectivity serverit Erilliset työasemat mahdollisille Batch ja IM servereille -40 Operointiasemaa -30 Operointi Thin clientiä -75 prosessiasemaa Kahdennettu 100Mbit/s järjestelmäväylä sekä Client/server väylä October 11, 2010 Slide 25

26 Standardit ja avoimuus > skaalattava, joustava, taloudellinen rakenne Keskikokoinen Pieni Kahdennus kaikilla tasoilla Sovellus serverit Client / server -väylä Connectivity serverit Järjestelmäväylä Prosessiasemat I/O Kenttäväylät Laaja October 11, 2010 Slide 26

27 Integroitu sovellussuunnitteluympäristö Konfiguraatio syötetään vain kerran Plant Explorerista, Control Builderista, Function Designerista tai Bulk Data Managerista Bulk Data Manager Excel pohjainen massatyökalu Control Builder Sisältää IEC standardin mukaisen ohjelmointiympäristön, joka käyttää ST, FBD, IL, S sekä Ladder kieliä Plant Explorer Bulk Data Manager Control Builder Function designer Function Designer ABB:n laajenne, graafinen ohjelmointikieli Sovellussuunnittelu pohjautuu teollisuussegmenttikohtaisten kirjastojen sisältämien tyyppiratkaisuiden hyväksikäyttöön. Automaattinen generointi October 11, 2010 Slide 27

28 Hajautetun informaation hallinta Kaikki tarvittava informaatio saatavilla yhdessä järjestelmässä, esitettynä helposti ymmärrettävässä muodossa yhdessä ikkunassa, käyttövalmiina jatkotoimenpiteitä varten. October 11, 2010 Slide 28

29 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 29

30 Technology Trends - IT: Challenge and Opportunity Well-proven technology and years life time Standardized products Customized solutions October 11, 2010 Slide 30 Build on fast development in IT and electronics

31 Automation system requirements are stringent Technologies must satisfy these before acceptance Reliability 24 x 365 x (7-10) operations. Shutdowns can cost hundreds of thousand of dollars per hour Real-time performance - down to millisecond level, i e. nothing may disturb the process Predictability - the system will behave in expected ways irrespective of what happens Safety Personnel and equipment safety. With personnel safety being the overriding criteria Data security - Security against intrusion and sabotage becomes increasingly important October 11, 2010 Slide 31

32 Evolution of Manufacturing Systems Role of Automation? Business Systems Manufacturing Execution Systems Circa 1990 Characteristics Independent Systems Point to Point Connections Clear levels and definition of automation Process Automation October 11, 2010 Slide 32

33 Evolution of Manufacturing Systems Role of Automation? Business Systems Manufacturing Operations Management Circa 2000 ISA-95 Characteristics Improved Connectivity Emergence of standards (ISA-95) Process Automation October 11, 2010 Slide 33

34 Evolution of Manufacturing Systems Role of Automation? Business Systems Collaborative Production Management Characteristics Integrated Manufacturing Seamless Enterprise Interaction Process Automation October 11, 2010 Slide 34

35 Integrated Operations require Integrated System Architecture Oil & Gas example October 11, 2010 Slide 35

36 Trend: Service Integration Smart Field system design in Oil & Gas Broad-band Connection Onshore Operation Center Company Expert Resource Center Advanced Control and Optimization tools October 11, 2010 Slide 36 Supplier Support Center

37 Trend: Global Competition Economic Optimum requires Integrated Operations Reduce Reduce Grade Grade Change Change Costs Costs Optimize Optimize Energy Energy Supply Supply Optimize Optimize Material Material & Energy Energy Use Use Maximize Overall Performance Minimize Minimize Production Production Losses Losses Maximize Maximize Production Production Throughput Throughput Optimize OptimizeProduct Delivery Delivery October 11, 2010 Slide 37

38 Process Trends: broader scope, more complex models V-11 V-1 P-123 O626 P-214 P-154 FI 421I209 P-144 P-167 E-99 FI 424I301 Vatten Press7+ Blekeri2 FI 424I302 T2 P-112 P Q105 CI 221I328 FI 424I303 A51 424I312 P I I460 HC2 HC3 LC 542I286 P-60 DI 542I271 lab 542Q110 October 11, 2010 Slide 38

39 October 11, 2010 Slide ,000 ton Three fiber lines Six paper machines 620,000 ton Three fiber lines Six paper machines Containerboard Sack Kraft Market pulp Process Trends: broader scope, more complex models 542Q124 O Q Q Q126 DI 542I Q Q128 LVA02 541I901 LVA06 542I901 LVA01 541I901 FI 541I647 TLB TLL KV SULF SPL OX SVL VL MESA KALK GL3 GL2 GL1 TJL T5 TJL UTSK HC4 NSM KVM BT T1 HC1 T18 T3 T2 HC5 T17 HC2 HC3 RL SK2 P-2 P-3 Tvätt+ Sileri Tvättvatten SK2 P-9 P-10 P-11 P-12 O2 P-13 NaOH Tv.vätska BV 24 P-22 P-23 Flis Vitlut Indunst. P-28 P-33 P-34 P-35 SK1 P-36 BT Tvätt+ Sileri P-37 Na/S förluster I massan pp Blekeri1 Vatten P-43 P-44 P-45 Skrubber starkgasdestr P-51 P-53 P-54 Rökgaser P-56 P-57 PD11 P-58 P-59 P-60 Mix-PD31 P-61 P-62 Vatten Mesaugn+ Filter P-64 P-65 Vatten P-70 P-71 Spill, div SO2 P-75 VitlutsOx P-77 Svavelugn+ Abs.torn P-79 Svavel Make-up NaOH Make-up P-83 P-84 NS P-85 Flis P-88 P-89 PM6 P-90 P-91 P-92 P-93 Hartskokeri TO BO P-104 P-106 Björkolja till Mesaugnsförbränning P-108 P-109 P-110 Tvättvatten SK1 P-111 Press7+ Blekeri2 P-112 P-113 P-117 P-118 T19 V-1 Tryckdiffusör Oblekt fiber P-120 P-121 P-123 P-124 P-125 V-2 P-126 V-4 P-128 P-129 P-130 P-131 V-5 P-134 P-135 P-136 V-6 P-140 P-141 Flis P-144 Vatten BUL BLL P-148 E-87 Elfiteraska E-88 E-89 V-7 P-150 P-152 P-151 E-91 E-92 E-95 E-96 P-135 E-97 E-99 P-154 P-131 E-100 P-156 E-103 P-60 E-104 P-57 E-106 NaOH H2SO4 P-161 Vitlut till Hartskokeriskrubber P-167 Filter Sileriförlust Sileriförlust P-171 Survatten till ClO2 Kalkgrus P-174 Svavel i varmvatten BLB P-179 P-180 P-182 E-112 P-34 E-113 Tallolja för avsalu MgSO4 P-188 P-189 P-189 P-191 BV25 P-192 E-124 P-161 V-8 P-193 P-181 Kondensat P-194 P-195 P-196 V-9 Slam V-10 P-193 E-126 P-200 P-201 P-203 NaOH P-205 Sodapanna+ skrubber P-206 P-207 Vatten P-210 P-211 P-212 MeOH V-11 P-214 P-215 P-216 P-217 A01 542I216 A01 542I212 A01 542I220 LC 542I548 P-218 FI 542I263 A01 543I I291 LC 542I293 LC 542I286 FI 523I626 LC 542I285 FI I I I I550 FI 542I506 LC 542I I I249 DCA01 523I I I I216 LVA04 542I901 LVA04 542I904 LVA04 542I Q I301 DC 543I302 AI 543I360 AI 543I322 P-219 A02 543I315 A01 543I I306 FI 523I627 LC 542I457 LC 542I458 lab 542Q102 lab 542Q101 lab 542Q110 lab 523Q101 lab 523Q102 lab 523Q113 AI 523I531 AI 521I532 AI 521I I513 LC 541I621 A01 541I I620 AI 541I614 AI 501I I I I101 SC 721I247 FDA02 523I577 A02 523I577 DI 523I583 FIA01 523I I I592 LC 523I I124 LC 513I I I177 A01 512I315 A01 543I I721 DC 513I I870 L889 L I183 P I I I714 FI 421I499 FI 513I I159 MV I I706 FIA01 512I187 FI 513I I I733 FI 513I733 LV 513I911 DI 513I437 LVA01 513I912 LV 513I I I736 LV 513I I707 A01-SP 721I127 A01-SP 721I129 TC-SP 721I127 TC-EGU 721I127 SC 721I373 FI 721I I197 A01 721I331 A01 721I341 A01 721I I I I I101 6ICO.ARTONH FI 303I301 SCA51 421I I I I I I I860 E-130 P-221 P I I441 M51 O472 P-223 FI 422I I I I I654 A55 422I559 A51 422I559 A51 422I565 A53 422I I258 A51 422I I I506 A51 421I441 A51 422I642 A51 422I I670 LC 422I629 LC 422I639 A52 422I642 A51 422I618 A51 422I654 T I428 LC 422I552 T I103 LC 421I445 A52 421I428 T121 T178 A51 T107 T114 A51 T103 T111 T105 A51 T119 A51 T171 A51 T233 A51 T258 T I309 vatten T269 FI 421I209 A51 424I I I460 FI 424I301 FI 424I302 FI 424I I611 O779 O626 FI 304I409 O101 M51 O101 A51 O258 O258 O I I258 O331 O425 M51 O333 O401 O334 O333 O404 M51 O143 O I749 C I468 C I571 FA01 413I dryout P Q114 DC 513I762 DC 513I I701 DC 513I734 LC 513I I738 DI 513I345 LC 513I772 DI 513I I I792 AIMV1 523I578 A03 542I Q Q103 M856 A01 523I Q119 A52 423I105 A51 423I119 XD 423Q113 CI 221I328 LVA01 542I903 LVA01 542I906 LVA01 542I909 MIHAST 523T027 FI 523I510 FI 501I Q Q106 41Q Q102 O473 O648 O Q104 LC 541I658 lab 721I I Q Q101 LV 721I Q Q Q Q Q Q105 A05 721I101 A01 721I I I I I514 FI 512I I613 P-230 A51 421I Q105 P-231 QC 413i I260 MV O110 AI 501I644 AI 501I633

40 1960s: Production optimization at Gruvön Pulp Mill Licentiate thesis by Bengt Pettersson Figures courtesy of Karl Johan Åström October 11, 2010 Slide 40

41 Today: Nonlinear Dynamic Model 25 Production units 38 Buffer tanks 250 Streams 250 Measurements 2500 Variables inletpulp Dynamic mass balance Lockmannkolonn Connection of units, pipes and measurements SK1 542I441 AIP Server k SQL Server Parameters ( x ) k vk y =Measurement g + inletsteam inletwl 6 7 outletncg outletbl Diffusören är inbakad i kokaren Flash 1-spliten är en intern loop outletcondensate 8 ( x mass) k uk wk x + k = 1st + 1 forder, mass balance October 11, 2010 Slide 41 inletwater outletpulp

42 Economic Process Optimization: The Next Control Loop? Reference Actuation Sensing & Estimation Economic life-cycle cost estimate Control Process Life-Cycle Cost Model Economic Optimization Context, e.g. market price, weather forecast October 11, 2010 Slide 42

43 Economic Process Optimization (EPO) Step 1: Real-Time integration of automation, information, and collaborative business systems across the enterprise. Step 2: Economic Process Optimization finds optimal decisions Plant Schedule Economic Process Optimization Production Scheduling Thermal Energy Electrical Energy Advanced Process Control Multivariable Control Plant Status Virtual Sensors Actuator Setpoints Measurements Closing the gap between financial goals and the process. In real time! Base automation October 11, 2010 Slide 43

44 Stabilize then optimize with Advanced Process Control Manual Automatic using APC/EPO Production Rate Optimized Setpoint Optimize Benefits due to Optimization Stabilize Manual Setpoint Time October 11, 2010 Slide 44

45 The potential of emerging technologies on three automation topics Visualization New techniques for visualizing large amounts of statistical data are emerging multiple dimension graphs, visual density tracking, etc. Intuitively Interactive and Integrated display systems merging vision and realtime data. f = 0 Hz f = 0.1 Hz f = 2 Hz Signal processing at device level Moving from field measurement to monitoring process New technologies to increase measurement accuracy and decrease maintenance of field devices Reliable, truly wireless devices For new and existing installations, wireless offers the unlocking potential to extend asset life and utilization October 11, 2010 Slide 45 New technologies to reduce reliability gap with wired solutions Source: J&H Marsh McLennan 2003

46 Visualization for improving operator productivity From displaying data to showing information Current data displays rely on operator experience to monitor and correct process conditions Aggregation, graphics and processing techniques to allow process conditions to be shown. Conditions could be exaggerated to allow easier control. October 11, 2010 Slide 46

47 Signal processing on device level Transforming noise into valuable information Interpretation of process noise by signal processing enables new functions like Plugged impulse line detection in pressure transmitters Bubble detection in electro magnetic flow meters Coating detection on sensors Customer can expect increased measurement value reliability and better knowledge of process aberrations in the future Detection of process equipment health by monitoring signals from motors via drives October 11, 2010 Slide 47

48 Industrial wireless communication Unlocking asset potential Wireless technology has capability to unlock the asset potential Non-intrusive Scalable Mobile Barriers Removed Available technology Emerging standards Outlook Energy scavenging Co-existence October 11, 2010 Slide 48

49 Industrial wireless applications Wireless Fieldbuses Wireless backbone plant networks Bridge network segments Manufacturing Control Wireless discrete manufacturing control WISA technology and standardization High Performance Wireless closed loop control QoS, robustness, cross-layer design Sensors Control Actuators Plant October 11, 2010 Slide 49 Asset Management & Service Wireless data acquisition Enables effective service and asset management applications Exploit new power supply sources * ICT - Information & Communication Technologies Mobile ICT Mobile Workforce Wireless HMI (point-topoint or networked) Localization & identification

50 Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä käytännön esimerkkejä October 11, 2010 Slide 50

51 Asset Optimization Demo realization ECS model 800xA October 11, 2010 Slide 51

52 October 11, 2010 Slide 52