MITÄ VAATIVALTA PROSESSIAUTOMAATIOLTA ON LUPA ODOTTAA?

Transkriptio

1 Merja Mäkelä Yliopettaja Kymenlaakson ammattikorkeakoulu Kunnossapito 8/ MITÄ VAATIVALTA PROSESSIAUTOMAATIOLTA ON LUPA ODOTTAA? TIIVISTELMÄ Vaativaa automaatiota käytetään entistä enemmän prosessiteollisuudessa tuotannon tehostamiseksi. Vaativan automaation sovellukset sisältävät kerrostettuja säätörakenteita, toisistaan riippuvien säädettävien suureiden käsittelyä ja optimointilaskentaa. Suunnitteluvaiheessa säätömoduulit räätälöidään yksilöllisesti sovelluskohteisiin. Tuotannossa ohjattavan prosessin tasapainotila, raakaaineiden laatu tai ulkoiset olosuhteet voivat muuttua merkittävästi, tällöin säätösovelluksilta edellytetään tavanomaisen säätökyvyn lisäksi mukautumista. Automaation 5 10 vuoden elinkaaren aikana modernisoidaan tuotantolinjoja, jolloin säätösovelluksiakin joudutaan kohentamaan. Perinteisesti vaativan automaation suunnittelusta vastaavat automaatiojärjestelmien toimittajat, jotka tuntevat tuotteensa. Automaation elinkaaren aikana säätösovellusten toiminnan kehittäminen saattaa kuitenkin jäädä vähäiseksi, jos laitoksen omien tuotanto-, suunnittelu- ja kunnossapitoorganisaatioiden hyvää prosessituntemusta ja pitkäaikaista kokemusta ei hyödynnetä. Artikkelissa tarkastellaan vaativan automaation ominaisuuksia, erityisesti säätösovellusten käyttövarmuutta ja suorituskykyä elinkaaren eri vaiheissa, sekä niihin vaikuttamista. VAATIVA AUTOMAATIO Teollisuuden tavoitteena on rakentaa taloudellisesti kannattavia tuotantolinjoja, jotka toimivat automaattisesti, häiriöittä ja vähällä käyttöhenkilökunnalla. Prosessiteknisten puutteiden ja prosessin ajoa häiritsevien tekijöiden kompensointiin sekä käsiohjaustoimintojen korvaamiseen tarvitaan automaatiota. Monipuolisia ohjaus- ja säätötoimintoja tarvittaessa prosessiteollisuudessa käytetään tietokonepohjaisia automaatiojärjestelmiä, joiden ominaisuuksia voidaan kuvata seuraavilla käsitteillä [1]: Toiminnallisuus (functionality) kuvaa sovellusten konfiguroitavuutta, ohjelmoitavuutta ja laajennettavuutta. Suorituskyky (performance, capability) ilmaistaan esimerkiksi mittausten toistettavuudella, ohjausten vasteajoilla ja ohjausyksiköiden kuormitettavuudella. Käyttövarmuus (dependability) käsittää toimintavarmuuden, kunnossapitovarmuuden ja kunnossapidettävyyden. Operoitavuus (operability) ilmaisee mm. tiedon esitystavat ja tiedon saatavuuden. Turvallisuus (safety) koskee sekä henkilö- että prosessiturvaa. Tehtävästä riippumattomat (non-task-related) ominaisuudet ovat esimerkiksi toimittajan tukipalvelut, yhteensopivuus, elinkaaren tukeminen, ympäristövaatimukset ja laadun varmistaminen. Prosessiteollisuuden takaisinkytkettyjen säätimien yleisin ohjausalgoritmi on PID, josta on käytössä erilaisia kaupallisia versioita. PID-algoritmin käyttö ei tuota aina toivottua tulosta: pitkät kulkuaikaviiveet ohjauskorjausten näkymisestä säädettävissä suureissa tai säädettävien suureiden vahva riippuvuus toisistaan voivat olla haasteina. Lääkkeeksi on kehitetty uusia algoritmeja, joiden toivotaan johtavan parempaan säätötulokseen. Usein PID-säädöistä poikkeavia säätöalgoritmeja nimitetään 1

2 kehittyneiksi (engl. advanced). Tässä artikkelissa käytetään käsitettä vaativa säätösovellus, kun tarkasteltavalla kohteella on mm. seuraavia ominaisuuksia: Monikerroksinen säätö perustuu kaskadirakenteeseen, jossa pääsäätöpiiri laskee asetusarvon alasäätöpiirille. Yleensä alasäätöpiiri on PID-pohjainen. Monimuuttujainen säätö käsittelee samanaikaisesti monta säädettävää suuretta, jotka ovat toisistaan riippuvia. Säädössä voi olla eri määrä ohjattavia ja säädettäviä suureita. Monimutkainen säätösovellus käyttää hyväksi ohjauslaskennassaan prosessimalleja esimerkiksi ennustukseen. Säätö saattaa perustua optimointilaskentaan, säätövirheen ja toimilaitepoikkeaman minimointiin, kuten malliprediktiivinen säätö (MPC). Säädön virityksessä on suuri määrä parametreja. Läpinäkymätön sovellus kätkee tarkan säätöalgoritmin rakenteen ja toimintaperiaatteen. Parametrien vaikutukset eivät näy tuotesuojaussyistä suoraan käyttäjille, mikä voi vaikeuttaa ylläpitoa ja kehittämistä. Vaativa osuus on sovelluksen sisällä ja käyttäjien ei edes tarvitse huolehtia kaikesta ytimessä olevasta. Vaativia säätösovelluksia on mm. paperi- ja kartonkikoneiden laatusäätöjärjestelmissä, kuitulinjoilla, kattilalaitoksissa, öljynjalostuksessa ja kemikaalien valmistuksessa. KÄYTTÖVARMUUS JA SUORITUSKYKY ELINKAAREN ERI VAIHEISSA Prosessilaitoksen toiminnan perusedellytyksiä ovat prosessilaitteiston moitteeton kunto, automaation soveltuvuus ja henkilöstön osaaminen. Automaation käyttövarmuus ja suorituskyky kulminoituvat mittaus- ja toimilaitteisiin sekä ohjaus- ja säätöalgoritmeihin. Säätösovelluksen toimintavarmuutta kuvaa vaadittujen säätö- ja ohjaustoimintojen suorittaminen suunnitellusti ja kunnossapidettävyyttä pysyminen säätökykyisenä. Säätösovelluksen kunnossapitovarmuuteen liittyy automaation kunnossapito-organisaation ylläpito- ja kehittämiskyky. Vaativallakaan automaatiolla ei voi kompensoida merkittäviä prosessilaitteiston puutteita tai suunnitteluvirheitä. Automaatiojärjestelmien sekä niiden sovellusten elinkaarta voidaan tarkastella kahdeksanvaiheisena: määrittely, suunnittelu, toteutus, asennus, toiminnallinen testaus, kelpoistus, tuotanto ja poisto [2]. Vaativien säätösovellusten käyttövarmuuteen ja suorituskykyyn vaikuttamista tarkastellaan tässä prosessinohjauksen, laadunhallinnan ja kunnossapidon näkökulmista automaation elinkaaren eri vaiheissa. Säätösovellusten suorituskykyä kuvaavat mittarit, suorituskykyindeksit, ovat laskettavia ja automaatiojärjestelmiin ohjelmoitavissa olevia suureita. Määrittelyvaihe on perustana tilattavalle automaatiojärjestelmälle. Esisuunnittelussa käyttäjävaatimukset määritetään ja vastuu on automaation tilaajalla. Vaativien kohteiden automaatiossa suositellaan esitutkimuksen tekemistä, jotta tilaajalla on riittävästi tietoa käytettävissään. Käyttäjävaatimuksissa kuvataan selkeästi, mitä automaatiojärjestelmän halutaan tekevän. Erityistä huomiota tulee kiinnittää järjestelmän koko elinkaaren aikaisiin kehittämismahdollisuuksiin. Suunnittelu-, ohjelmointi- ja testaustavat vaikuttavat automaatiojärjestelmän toimintavarmuuteen ja kunnossapidettävyyteen. Perussuunnittelussa selvitetään prosessin ajotavat sekä määritetään automaation toiminta ja toteutusperiaatteet. Toimittajan tekemään tarjoukseen sisältyy automaatiojärjestelmän toiminnallinen kuvaus sekä projekti- ja laatusuunnitelma. Perussuunnittelu on tilaajan ja toimittajan yhteistyötä ja siihen on syytä varata riittävästi aikaa ja asiantuntijoita ajotapojen sekä vaativien säätö- ja ohjausperiaatteiden käsittelyyn. Automaation toiminnallinen kuvaus sisältää kuvaukset järjestelmästä käyttöja laiteliittymineen sekä järjestelmän toiminnoista. Lopullisena määrittelyvaiheen dokumenttina on toimitussopimus liitteineen. 2

3 Suunnitteluvaihe käsittää kaksi osaa: järjestelmäsuunnittelussa laaditaan automaatiojärjestelmän laitteisto- ja ohjelmistokuvaus, kenttäsuunnittelussa sen sijaan keskitytään kenttäinstrumentoinnin laiteratkaisuihin. Suunnitteluvaiheen aikana tehdään piirikohtaiset toimintakuvaukset ja ohjelmiston moduulikuvaukset. Suunnitteluvaiheesta vastaa automaation toimittaja tai suunnittelutoimisto. Piirikohtaiset toimintakuvaukset ovat vakiinnuttaneet asemansa automaation 90-luvun jälkipuoliskolta lähtien. Piirien toimintakuvaukset syntyvät suunnitteluvaiheessa vähitellen tarkentuen ajotapapalavereista lähtien käyttöönottoon ja niitä hyödynnetään sitten myös operoinnissa ja kunnossapidossa. Piirien toimintakuvaukset noudattavat tehtaan, suunnittelutoimiston tai järjestelmätoimittajan käytäntöä ja sisältävät esimerkiksi seuraavat asiat: piirin positiotunnus, piirin toiminta, piiriin vaikuttavat lukitukset ja ohjaukset, piiristä lähtevät tiedot muihin piireihin, piirin hälytykset ja varoitukset, muutokset. Insinööritoimistot ovat merkittävästi edistäneet toimintakuvausten käyttöä elinkaaripohjaisten suunnittelukäytäntöjen standardoinnin osana. Vaativien säätösovellusten osalta toimintakuvausten laatimiskäytäntö ei ole vielä vakiintunut. Vaativat sovellukset ovat aina yksilöllisiä ja räätälöityjä. Ohjelmamoduulit tuloineen, lähtöineen ja parametreineen ovat piireihin verrattavia kokonaisuuksia, joten toimintakuvausten laadintaa vaativien säätösovellusten moduuleille suositellaan piirikohtaisten toimintakuvausten tapaan. Kuvausten saanti käyttöliittymiin edistää toimintavarmuutta ja kunnossapidettävyyttä. Toimintaselostuksissa voi olla kuvaa, tekstiä, dynaamisia linkkejä ja animaatiota tarpeen mukaan. Toteutusvaihe koostuu automaatiotoimittajan tekemästä, suunnitelmien mukaisesta laitteiden ja ohjelmistojen valmistuksesta, hankinnasta ja kokoonpanosta. Toimittajan tiloissa, yleensä tilaajan edustajien kanssa tehdään tehdastestejä (Factory Acceptance Test FAT). Suunnitteluvaiheessa laadittuja säätösovellusten ja ohjelmamoduulien toimintakuvauksia tarkennetaan ja täydennetään. Asennusvaihe sisältää automaatiotoimitukseen kuuluvien laitteiden kuljetuksen, asennuksen ja laitteistotestauksen. Asennuksesta on vastuussa automaatiotoimittajan hankkima asennusurakoitsija. Asennusvaiheessa tehdään alustavaa instrumenttilaitteiden ja ohjelmiston toimivuuden testausta. Toiminnallinen testaus varmistaa asennettujen järjestelmien, ohjelmistojen ja kenttäinstrumentoinnin toimivuuden. Kylmätestauksessa yksittäisten piirien, sekvenssien ja kerrostetuissa rakenteissa ylätason ohjausten normaaliajon toiminnat sekä hälytykset, lukitukset ja muut suojaukset tarkistetaan kokonaisuudessaan. Kuumatestauksessa testauksia ja sovellusten optimointia jatketaan. Hyväksymistestauksessa (System Acceptance Test SAT) toimittaja osoittaa tilaajalle, että automaatio on toiminnallisen kuvauksen mukainen. Mittalaitteet, toimilaitteet ja säätöalgoritmit ovat osana säätöpiirejä ja niiden suorituskykyä voidaan kuvata toistuvuuden avulla. Toistuvuus voidaan ilmaista esimerkiksi varianssin tai keskihajonnan avulla. Vaativien mitta-antureiden, esimerkiksi paperiteollisuuden mittapalkkiantureiden, toistuvuus voi olla takuuarvona toimitussopimuksissa, jolloin on olennaista, että toistuvuuden täsmällinen testaustapa on määritelty. Vaativien säätöalgoritmien toiminnallinen testaus on toistaiseksi vakiintumatonta. Kelpoistusvaihe koostuu automaation teknisestä loppukelpoistuksesta ja prosessikelpoistuksesta. Automaation teknisessä loppukelpoistuksessa tilaaja osoittaa projektissa kertyneen aineiston avulla, että automaatiojärjestelmä on vaatimusten mukainen. Suorituskykytestauksessa todetaan suorituskykyvaatimusten, esimerkiksi laitteiston kuormitettavuuden, ohjausten vasteaikojen ja anturien toistuvuuden toteutuminen. Prosessikelpoistuksen tavoitteena on osoittaa, että koko prosessi ja sillä valmistettavat tuotteet vastaavat asetettuja vaatimuksia. Prosessikelpoistuksen ja tuotantovaiheen laadunhallinnan kannalta säätösovellusten suorituskykymittareiksi soveltuvat tilastolliset suureet, kuten varianssi tai keskihajonta. Säädön tavoitteena voi olla paperitehtaalla säädettävän neliömassan vakioiminen ja vaihtelun minimoiminen tai voimalaitoksella savukaasun happipitoisuuden minimoiminen. 3

4 Tuotantovaihe liittyy prosessin tuotantoajoon ja laitteistojen kunnossapitoon. Automaatiosovelluksiin tulee ajoittain muutoksia ja ne on tehtävä huolellisesti. Erityisesti ohjelmistoversioiden päivitykset ovat kriittisiä. Säätösovelluksissa käyttövarmuuden mittarina voidaan käyttää käyntiaikaa, kun piiri on normaalissa ajotilassaan automaattimoodissa tai kerrostetuissa säädöissä kaskadimoodissa. Haluttaessa voidaan ohjelmoida käyntiaikalaskuri ja esittää kulloinenkin moodi operaattorien käyttöliittymässä. Säätöpiirin häiriötoipumisaika on asettumisaika, joka tarvitaan muutos- tai häiriötilanteen jälkeen, kun säädettävä suure palautuu ennalta määrättyihin välysrajoihinsa. Yksinkertaisimmillaan asettumisaikoja voidaan seurata operaattorien käyttöliittymän suosituista trendikäyristä. Erosuureintegraali kuvaa säädettävän suureen poikkeamaa asetusarvosta ja sen esittäminen visuaalisesti pinta-alana antaa havainnollisen käsityksen säätöpoikkeamasta. Erosuureintegraali on käytössä yleisesti paperiradan laatusuureiden poikkiprofiilikuvaajissa. Tehospektrilaskennalla voidaan saada selville jaksollisia häiriöitä. Poistovaihe seuraa, kun automaatiojärjestelmästä luovutaan. YHTEENVETO Vaativat säätösovellukset ovat rakenteeltaan monikerroksisia ja ohjausalgoritmeissa käytetään prosessimalleja ja optimointilaskentaa. Vaativien sovellusten yksityiskohtainen toimintaperiaate ja parametrien vaikutukset eivät näy suoraan käyttäjille. Vaativien säätösovellusten käyttövarmuuteen voidaan vaikuttaa elinkaaren aikana ja sovellusten suorituskykyä voidaan mitata erilaisilla suorituskykyindekseillä. Määrittelyvaiheessa luodaan säätösovellusten käyttövarmuuden perusta tilaajan käyttäjävaatimuksilla ja toimittajan tekemällä automaation toimintakuvauksella. Suunnitteluvaiheessa säätösovellusten kunnossapidettävyyteen voidaan vaikuttaa laatimalla piirikohtaiset toimintakuvaukset ja säätömoduulien toimintakuvaukset. Toiminnallisessa testausvaiheessa mittalaitteiden ja toimilaitteiden suorituskyvyn kuvaamiseen voidaan käyttää toistuvuutta, mutta vaativien säätöalgoritmien järjestelmällinen testaus on edelleen vakiintumatonta. Prosessikelpoistusvaiheessa tuotteiden laatua tarkastellaan tilastollisesti, esimerkiksi varianssien avulla. Tuotantovaiheessa säädön automaatilla olon aika, asettumisaika ja erosuureintegraalit soveltuvat hyvin operaattori- ja kunnossapitohenkilöstön tueksi. Kymenlaakson ammattikorkeakoulussa ja Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla tehtävää metsäteollisuuden vaativien säätösovellusten diagnostiikan tutkimusta rahoittavat Tekes, Suomen Akatemia ja suomalaiset metsäteollisuusyritykset. LÄHTEET 1. IEC , Industrial-process measurement and control, Evaluation of system properties for the purpose of system management, Part 1: General considerations and methodology, International Electrotechnical Commission, Switzerland, 1991, 41 s. 2. Tommila, T. (toim.), Laatu automaatiossa, Suomen Automaatioseura, Helsinki, 2001, 245 p., ISBN

5 5