Veli-Matti Hintsala SUIHKUNSUOJAPUTKIMANIPULAATTORIN KÄYTTÖVARMUUDEN PARANTAMINEN

Transkriptio

1 Veli-Matti Hintsala SUIHKUNSUOJAPUTKIMANIPULAATTORIN KÄYTTÖVARMUUDEN PARANTAMINEN Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma Huhtikuu 2009

2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Tekniikan yksikkö, Ylivieska Aika Tekijä/tekijät Veli-Matti Hintsala Koulutusohjelma Sähkötekniikka Työn nimi Suihkunsuojaputkimanipulaattorin käyttövarmuuden parantaminen Työn ohjaaja Jari Halme Sivumäärä 33 Työelämäohjaaja Risto Pehkonen Tämä opinnäytetyö on tehty Rautaruukki Oyj:n toimeksiannosta Raahen tehtaan terässulaton kunnossapidolle. Jatkuvavalukoneen 6 suihkunsuojaputkimanipulaattorin suhteellisen suuri vikamäärä on synnyttänyt tarpeen tutkia sen käyttövarmuutta. Koska suihkunsuojaputkimanipulaattori on osa aihioiden valmistusprosessia, vaikuttaa sen käyttövarmuus suoraan teräksen tuotantoon. Työssä tutkitaan jatkuvavalukoneen 6 suihkunsuojaputkimanipulaattorin käyttövarmuutta vikapuuanalyysin avulla. Vikapuuanalyysi tehdään siihen tarkoitukseen soveltuvalla ELMAS-ohjelmistolla. Vikapuun rakentamisessa käytetään apuna laitteen vikahistoriaa sekä käyttö- ja kunnossapitohenkilöstön kokemusta ja asiantuntemusta. Valmista vikapuuta simuloidaan ELMAS-ohjelmiston avulla ja simuloinnin tulosten perusteella suositellaan toimenpiteitä suihkunsuojaputkimanipulaattorin käyttövarmuuden parantamiseksi. Asiasanat terästeollisuus, käyttövarmuus, analyysi, mallintaminen, simulointi

3 ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA Date UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ylivieska Degree programme Electrical engineering Name of thesis Ladle shroud manipulator reliability improvement Instructor Jari Halme Supervisor Risto Pehkonen Author Veli-Matti Hintsala Pages 33 This thesis has been made for Rautaruukki Corporation's order of Raahe steel plant maintenance. The continuous casting machine 6 to the ladle shroud manipulator has had a relatively large number of errors and has created the need to examine its reliability. Since the ladle shroud manipulator is an important part of the manufacturing process, its reliability has a direct effect on steel production. The work examines the continuous casting machine 6 to the ladle shroud manipulator reliability using a fault-tree. This fault-tree is made for the purpose using ELMAS software. The fault tree used in the construction of the device uses fault history and operation and maintenance of staff experience and expertise. The ready fault tree is simulated using the ELMAS software and the results based on the simulation recommended measures to improve the ladle shroud manipulator reliability. Key words steel industry, reliability, analysis, modeling, simulation

4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 RAUTARUUKKI OYJ Divisioonat Raahen terästehdas 3 3 TERÄSSULATTO Teräksen valmistus Aihioiden valmistus 5 4 TYÖN LÄHTÖKOHDAT 7 4 SS-manipulaattori SS-putki SS-manipulaattorin kuvaus SS-manipulaattorin toiminnot Vikahistoria Määräaikaishuollot 13 5 TYÖN TOTEUTUS ELMAS Mallinnus Analysointityökalu SS-manipulaattorin mallinnus Simulointi 22 6 TULOKSET Simuloinnin tulokset Perustulokset Ehdolliset tulokset Tärkeystulokset Vika- ja vaikutusanalyysi Ohjelmoitavan logiikan käyttövarmuus 29 7 YHTEENVETO 31 LÄHTEET 33 LIITTEET

5 1 JOHDANTO Yksi prosessiteollisuuden merkittävimmistä kilpailutekijöistä on laitteiden ja prosessien käyttövarmuus. Käyttövarmuudella tarkoitetaan kohteen kykyä toimia vikaantumatta ja kohteen palautettavuutta käyttökuntoon jos ja kun se vikaantuu. Ulkoisia edellytyksiä ovat mekaaniset ja sähköiset laitteet, automaatiojärjestelmät sekä ihmisen toiminta ihminen-konerajapinnassa. Käyttövarmuus sisältää myös turvallisuuden, eikä sitä voida käsitellä irrallaan toimintaympäristöstään. Riittämättömän käyttövarmuuden syitä ovat suuri vikojen esiintymistiheys ja korjauksien pitkä kesto. Tässä työssä tutkitaan mahdollisuuksia jatkuvavalukoneen 6 suihkunsuojaputkimanipulaattorin (SS-manipulaattori) käyttövarmuuden parantamiseksi. SS-manipulaattori on tärkeä osa aihioiden valuprosessissa ja sen käyttövarmuus vaikuttaa suoraan aihioiden tuotantoon, laatuun sekä valukoneilla työskentelevien henkilöiden työturvallisuuteen. Raahen terästehtaan terässulatolla on kolme jatkuvavalukonetta ja niillä jokaisella oma SS-manipulaattori. Tässä työssä keskitytään pääasiassa jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattoriin, koska se on ollut pisimpään toiminnassa ja siinä on esiintynyt ongelmia eniten. Työn tuloksia voidaan soveltaa myös jatkuvavalukoneiden 4 ja 5 SS-manipulaattoreihin. Työn päätavoitteena oli tutkia jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorin käyttövarmuutta vikapuuanalyysin avulla. Analyysin tekoon hyödynnettiin laitteen vikahistoriaa sekä käyttö- ja kunnossapitokokemuksia. Vikapuumallin rakentamiseen ja analysointiin käytettiin siihen tarkoitukseen soveltuvaa ELMAS-ohjelmistoa. Vikapuuanalyysin avulla saatiin esille SSmanipulaattorin käyttövarmuuden kannalta tärkeät osat, niiden vaikutus manipulaattorin toimintaan vikatilanteessa sekä vikojen juurisyiden tärkeysaste. Tuloksien perusteella tehtiin ehdotuksia tarvittavista toimenpiteistä, joilla SS-manipulaattorin käyttövarmuutta saadaan parannettua.

6 2 2 RAUTARUUKKI OYJ Rautaruukki on vuonna 1960 perustettu pohjoismaiden suurin teräskonserni. Se toimittaa metalliin perustuvia komponentteja, järjestelmiä ja kokonaistoimituksia rakentamiseen ja konepajateollisuudelle. Metallituotteissa yhtiöllä on laaja tuote- ja palveluvalikoima. Vuodesta 2004 yhtiö on käyttänyt markkinointinimeä Ruukki. (Rautaruukki Oyj 2009.) Konserni on laajentanut toimintaansa asteittain aina tähän päivään asti. Nykyisin se on teräksen monipuolinen valmistaja ja jatkojalostaja. Tällä hetkellä konsernilla on toimintaa kaikkiaan 26 maassa sekä henkilöstöä Liikevaihto oli vuonna ,9 miljardia euroa. (Rautaruukki Oyj 2009.) 2.1 Divisioonat Rautaruukki on jaettu kolmeen eri divisioonaan. Ruukki Construction -divisioona toimittaa teräsrakenteita ja palveluita talonrakentamisen ja infrastruktuurirakentamisen asiakkaille. Ruukki Engineering toimittaa metalliin pohjautuvia ratkaisuja nosto- ja kuljetusvälineteollisuudelle, energiateollisuudelle, meriteollisuudelle sekä paperi- ja puunjalostusteollisuudelle. Ruukki Metals vastaa yhtiön terästuotannosta ja teräspalvelukeskuksista. Divisioona toimittaa asiakkailleen kuuma- ja kylmävalssattua sekä metalli- ja maalipinnoitettua terästä eri muodoissa: levy-, nauha-, putki- ja profiilituotteina sekä kokoonpanoon valmiina osina ja komponentteina. Lisäksi divisioona tarjoaa esikäsittely-, varastointi- ja logistiikkapalveluita sekä antaa teknistä tukea ja konsultointia. Ruukki Metals valmistaa terästä myös Rautaruukin muille divisioonille, Ruukki Constructionille ja Ruukki Engineeringille. (Rautaruukki Oyj 2009.)

7 3 2.2 Raahen terästehdas Raahen terästehdas on pohjoismaiden suurin terästehdas sekä Rautaruukin suurin tuotantolaitos. Raakaraudan tuotanto aloitettiin Raahessa vuonna 1964 ja teräksen sekä kuumavalssattujen levyjen valmistus vuonna 1967, mistä lähtien on tehtaan tuotantokapasiteettia kasvatettu ja laaduntuottokykyä parannettu jatkuvasti. Tällä hetkellä tehtaan kokoonpanoon kuuluvat koksaamo, sintraamo, kaksi masuunia, terässulatto, karkealevy- ja kuumanauhavalssaamot sekä levyjen esikäsittelytoimintoja. Vuonna 2007 henkilöstöä tehtaalla oli ja sen terästuotanto oli 2,5 miljoonaa tonnia. Raahen terästehtaan pääraaka-aineet tulevat Ruotsista, Venäjältä, Amerikasta ja Australiasta, sekä jonkin verran muualta Euroopasta. Pääraaka-aineisiin kuuluvat rautamalmit, koksautuva kivihiili, masuunikoksi, masuuniöljy, koksimurska, kalkkikivi, kierrätysteräs, poltettu kalkki, mangaanimalmi sekä oliviini. Raahen tehtaan valmistamat tuoteryhmät ovat kuumavalssatut kelat, peitatut kelat, kohokuviolevyt, nauhalevyt, rainat ja rainakelat, kvarttolevyt sekä esikäsitellyt levytuotteet. Teräksen- ja raudanvalmistuksen sivutuotteista, masuunikuonasta ja teräskuonasta, valmistetaan luonnonvaroja korvaavia tuotteita, joita käytetään sementin valmistuksen raaka-aineena, kalkitusaineena maataloudessa sekä maa- ja tienrakentamisessa. (Rautaruukki Oyj 2008.)

8 4 3 TERÄSSULATTO Terässulatolla valmistetaan raakaraudasta sulaa terästä ja teräs valetaan aihioiksi. Terässulattoon kuuluu kaksi 1300 tonnin mikseriä, kolme 125 tonnin konvertteria, senkkauuni, vakuumilaitos, huuhteluasema, kaksi CAS-OB-laitosta sekä kolme jatkuvavalukonetta (KUVIO 1). (Rautaruukki Oyj 2008) Kierrätysteräs Huuhteluasema O 2 Raakarauta 2 x Mikseri 1300/t 2 x CAS-OB N 2 Ar 3 x Konvertteri 125 t 3 x Jatkuvavalu Panostussenkan rikinpoisto Senkkauuni Vakuumi KUVIO 1. Teräksen valmistusprosessi 3.1 Teräksen valmistus Masuunilla valmistettu raakarauta tuodaan terässulatolle tulenkestävällä materiaalilla vuoratuissa teräksisissä astioissa, senkoissa, rikinpoistoaseman kautta. Terässulatolla raakarauta varastoidaan aluksi miksereihin, jotka toimivat välivarastona sekä lämmön ja koostumuksen tasaajana raakaraudalle. Miksereiltä raakarauta viedään rikinpoiston kautta konverttereille, missä raakaraudasta valmistetaan terästä mellottamalla. Mellottaminen tapahtuu puhaltamalla konvertteriin happea ylhäältä lasketun vesijäähdytetyn putken eli lanssin kautta. Raudan hiili reagoi sulaan tuodun hapen kanssa muodostaen CO-kaasua, joka poistuu prosessista. Konvertteriprosessissa siis alennetaan masuunissa valmistetun raakaraudan hiilipitoisuutta, joka on

9 5 noin 4,5 %. Valmiin teräksen hiilipitoisuus on yleensä alle 0,5 %. Prosessissa käytetään myös poltettua kalkkia ja fluksiaineita, jotka muodostavat raudan epäpuhtauksia itseensä sitovaa kuonaa. Konvertteriprosessin tuottamalla lämpöenergialla sulatetaan kierrätysterästä noin 30 % panosmateriaalista. Happipuhallus lopetetaan, kun teräksen haluttu hiilipitoisuus ja lämpötila on saavutettu, konvertteria kallistetaan ja teräs kaadetaan konvertterista terässenkkaan. Lopuksi kuona kaadetaan vaunuissa olevaan kuonapataan. Konverttereilta teräs viedään terässenkassa jatkokäsittelyihin, joilla siihen saadaan halutut ominaisuudet. Terässulatolla on jatkokäsittelyitä varten senkkauuni, vakuumilaitos, huuhteluasema sekä kaksi CAS-OB -laitosta. Niukkaseosteisten massaterästen jatkokäsittely käsittää seostuksen ja lämpötilan täsmäyksen valua varten. Erikoisteräksiä käsitellään monella eri tavalla. Tavoitteena on koostumukseltaan ja lämpötilaltaan tasalaatuinen teräs, vapaa haitallisista kaasuista ja epäpuhtauksista. Jatkokäsittelyjen jälkeen teräs on valmis valettavaksi ja se viedään jatkuvavalukoneille. (Rautaruukki Oyj 2008; Metallinjalostajat ry 2000.) 3.2 Aihioiden valmistus Sula teräs on saatava jatkokäsittelyä varten kiinteään muotoon, ja se tapahtuu jatkuvavalukoneilla. Raahen terästehtaalla on kolme jatkuvavalukonetta. Jatkuvavalukoneet 4 ja 5 ovat kaarevalla kokillilla varustettuja kaarevia valukoneita (KUVIO 2) ja jatkuvavalukone 6 on suoralla kokillilla ja 0-sektiolla varustettu taivuttava valukone (KUVIO 3). Jatkuvavalussa teräs lasketaan terässenkasta suihkunsuojaputken läpi välisenkkaan ja edelleen jatketiilen läpi vesijäähdytteiseen kuparikokilliin. Kokillissa sula teräs saa halutun muodon ja vain sen pintakerros ehtii jähmettyä. Jatkuvavalukoneiden 4 ja 5 valunauhan paksuus on 210 mm, mutta jatkuvavalukoneessa 6 on valittavissa kolme eri paksuutta, 170, 210 ja 270 mm. Valunauhan leveyden säätö tapahtuu kokillin päätyjen etäisyyttä muuttamalla. Jatkuvavalukoneen 6 paksuuden säädössä vaihdetaan kokilli ja 0-sektio sekä muu osa valukoneesta ajetaan hydraulisella välinsäätölaitteistolla eri paksuuteen. Kokillin pohjana toimii valun alussa kylmäaihio, jonka avulla aloitetaan valunauhan vetäminen valukoneen läpi. Valunauhaa vedettäessä on kokilli ylös alas (nk. oskillointi) liikkeessä, jotta aihio ei tarttuisi kokillin seinämiin kiinni. Lisäksi voiteluai-

10 6 neena käytetään valupulveria, joka vaikuttaa myös lämmönsiirron tasaamiseen. Valunauhan lopullinen jähmettyminen tapahtuu kokillin alapuolella olevalla toisiojäähdytysalueella, missä jäähdytys tapahtuu suoraan valunauhan pintaan ohjatulla ilma- ja vesisuihkulla. Toisiojäähdytysalueen jälkeen valunauha paloitellaan halutun pituisiksi esiaihioiksi kaasuleikkauskoneella. Aihiot siirretään seuraavaksi aihiovarastoon jäähtymään, mistä ne viedään valssaamolle valssattaviksi. (Rautaruukki Oyj 2008; Metallinjalostajat ry 2000.) KUVIO 2. Jatkuvavalukoneet 4 ja 5 Nosto- ja kääntöpöytä, toisistaan riippumattomat kääntöhaarukat Terässenkka Vaunulla syötettävä kylmäaihio Välisenkka Suljintanko Jatketiili Suihkunsuojaputki Hydraulinen oskillointi Hätävalusenkka Kokilli Vesi / ilma KUVIO 3. Jatkuvavalukone 6

11 7 4 TYÖN LÄHTÖKOHDAT Käyttövarmuustutkimuksen kohteena olevan jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorin suhteellisen suuri vikamäärä on synnyttänyt tarpeen kehittää sen käyttövarmuutta. SS-manipulaattorin viat ovat yleensä sellaisia, että niiden seurauksena laitteen kaikki liikkeet pysähtyvät ja valu saattaa keskeytyä. SS-manipulaattorin toimintavarmuus vaikuttaa myös valutasolla työskentelevien valajien työturvallisuuteen. Jos SS-manipulaattori ei ole käyttökunnossa, joutuvat valajat asentamaan SS-putken paikoilleen käsikäyttöisellä vaihtolaitteella. Tällöin he altistuvat valun aloituksessa mahdollisille teräsroiskeille, jotka lisäävät riskiä työtapaturman sattumiselle. Jotta käyttövarmuutta voidaan tutkia, täytyy työn tekijällä olla vankka tietopohja laitteen toiminnasta sekä vikapuun laatimisesta. Vikapuu muodostuu varmimmin oikeanlaiseksi, kun nähdään vaivaa tarvittavien pohjatietojen selvittämiseksi. Pohjatietojen kartuttaminen aloitettiin tutustumalla SS-manipulaattorin toimintaan ja nykyiseen käyttövarmuuteen. Tietoa löytyi terässulaton kunnossapidon aineistosta ja käyttökokemuksia toiminnasta saatiin käyttö- ja kunnossapitohenkilöstöltä. Samalla selvitettiin SS-manipulaattorin vikahistoriaa, jotta saataisiin kuva laitteen nykyisestä käyttövarmuudesta. Lisäksi selvitettiin SS-manipulaattorin tämänhetkisten määräaikaishuoltojen kohteet sekä huoltovälit. 4.1 SS-manipulaattori SS-manipulaattori on automaattinen suihkunsuojaputken käsittelylaite (KUVIO 4). Raahen tehtaalla on kolme SS-manipulaattoria ja niiden toimittaja on skotlantilainen James Howden & Company Ltd Lamberton Robotics Division. Ensimmäinen SS-manipulaattori otettiin käyttöön vuonna 1997 uuden jatkuvavalukoneen 6 käyttöönoton yhteydessä. Jatkuvavalukone 5 modernisoitiin 1999 ja jatkuvavalukone , jolloin myös niille asennettiin SSmanipulaattorit. Ne eroavat jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorista käsivartensa mallin ja pystyliikkeen pituuden osalta.

12 8 KUVIO 4. Jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattori Suihkunsuojaputki Suihkunsuojaputki (SS-putki) on keraaminen putki jonka läpi teräs lasketaan terässenkasta välisenkkaan (KUVIO 5). SS-putken tehtävä on suojata valusuihkua toisiohapettumiselta suojakaasuna toimivan argonin avulla. Toisiohapettuminen tarkoittaa sitä, että teräksen sekaan pääsee ilmaa prosessin ulkopuolelta. Ilma sisältää happea ja typpeä, joiden pääseminen teräkseen ei ole sallittua. Hapen pääseminen teräkseen aiheuttaa teräksessä olevan alumiinin hapettumisen, josta seuraa alumiinioksidien muodostuminen. Alumiinioksidit huonontavat teräksen laatua sekä tukkivat valuprosessin aikana jatketiiltä, jonka läpi sula teräs lasketaan kokilliin. Lisäksi teräksen sekaan päässyt happi saattaa polttaa pois tiettyjä seosaineita kuten titaani ja kalsium, joita on lisätty teräkseen valmistusprosessin aikana. Valettavaksi tuotu teräs on valmiiksi seostettu asiakkaan haluamalla tavalla ennen jatkuvavalukoneille tuontia, eikä seos saa muuttua valun aikana. Typpipitoisuuden nousua ei myöskään saa tapahtua, koska joissakin teräslaaduissa asiakas on määritellyt typen maksimipitoisuuden, jota ei saa ylittää.

13 9 KUVIO 5. Suihkunsuojaputken rakenne. Toisiohapettuminen voidaan estää tekemällä valuprosessista mahdollisimman tiivis. Toisiohapettuminen tapahtuu helpoiten terässenkan ja SS-putken välisessä liitoksessa, josta SS-putkea pitkin välisenkkaan valuva teräs pyrkii imemään korvausilmaa. SS-putkeen syötettävän argonin tehtävänä on toimia korvausilman tilalla, koska se ei aiheuta teräksen seokseen eikä laatuun ongelmia toisin kuin ilma. Liitoksessa käytetään tiivisterengasta, joka pehmenee lämmön vaikutuksesta ja tiivistää liitoksen näin mahdollisimman hyvin. Toisiohapettumista seurataan mittaamalla teräksen typpi- ja alumiinioksidipitoisuutta SS-manipulaattorin kuvaus SS-manipulaattorissa on neljä servoliikettä. Ne ovat pyörähdys-, pysty- ja vaakaliike sekä käsivarren kierto. Liikkeet tapahtuvat italialaisten NUM- servomoottorien sekä Brevini- planeettavaihteistojen avulla. SS-putken lukitus käsivarren päähän tapahtuu käpälillä, joita liikuttaa käsivarren sisällä oleva ilmasylinteri. Käsivarren sisällä menee myös kaasulinja, jota pitkin

14 10 suojakaasuna toimiva argon tuodaan SS-putkeen. Laserin pystyliike suojakotelosta mittausta varten tapahtuu myös ilmasylinterin avulla. Manipulaattorin ohjauksesta huolehtii italialainen ROBOX RPM486DX4 ohjelmoitava logiikka. Manipulaattoria voidaan ohjata myös käsiajopaneelin kautta. Kuviossa 6 on esitetty SS-manipulaattori ja sen pääosat. KUVIO 6. SS-manipulaattori ja sen pääosat SS-manipulaattorissa on kolme käyttömoodia: manuaali, puoliautomaatti ja automaatti. Manuaaliasennossa manipulaattorin kaikki toiminnot täytyy ajaa käsiajopaneelista. Puoliautomaattiasennossa manipulaattori tekee kaikki muut liikkeet automaattisesti, mutta laser ei ole käytössä. Tämän takia se ei voi paikoittaa alasuutiilen sijaintia, eikä kiinnittää SS-putkea terässenkan pohjaan. Manipulaattori ajaa SS-putken lähelle terässenkan pohjaa ja lopullinen putken

15 11 paikoilleen ajaminen tapahtuu käsiajopaneelin kautta. Automaattiasennossa manipulaattori toimii täysin automaattisesti. (Voest - Alpine Industieanlagenbau GmbH 1997) SS-manipulaattorin toiminnot Ennen valun alkamista terässenkka nostetaan siltanosturilla valukoneen kääntöpöydälle, jolla se käännetään välisenkan päälle. Tämän jälkeen SS-manipulaattorin laser mittaa SS-putken kiinnityspaikan. SS-putken kiinnityspaikka on terässenkan pohjassa olevassa alasuutiilessä. Alasuutiili on väriltään vaalea, jotta lasersäde heijastuu siitä takaisin ja kiinnityspaikka saadaan mitattua. Heijastunut lasersäde osuu laserin tunnistimeen ja manipulaattorin ohjauslogiikka laskee signaalin perusteella kiinnityspaikan etäisyyden manipulaattorista. Kun kiinnityspaikka on mitattu, SS-manipulaattori vie SS-putken terässenkan alasuutiilen alle. Seuraavaksi SS-manipulaattori kääntää SS-putken paikoilleen ja painaa sen alasuutiiltä vasten 2000 N:n voimalla. Kun SS-putki on paikoillaan, terässenkkaa lasketaan alaspäin sen verran, että SS-putken alaosa menee välisenkan sisälle. SS-manipulaattori seuraa terässenkkapöydän mukana, jolloin se pitää SS-putken nostovoiman vakiona. Kun terässenkka on laskettu alas, luistinsuljin avaa pohjareiän ja teräs alkaa valua SS-putken läpi välisenkkaan. Välisenkka täytetään yli puolen välin, jolloin valu voidaan aloittaa. SS-manipulaattori pitää SS-putkea paikoillaan valun ajan ja syöttää putkeen koko ajan suojakaasuna toimivaa argonia, kunnes terässenkka on tyhjentynyt. Tyhjää terässenkkaa nostetaan ylöspäin SS-manipulaattorin seuratessa mukana. Kun terässenkka on tarpeeksi ylhäällä, SS-manipulaattori irrottaa SS-putken laskeutumalla alaspäin. Tämän jälkeen se kääntää SS-putken puhdistuspaikalle, jossa putki puhalletaan hapella puhtaaksi. Jos SS-putken käyttöikä (4-5 sulatusta) on tullut täyteen, vaihdetaan putkimakasiinista uusi putki tilalle. Putkimakasiinissa on neljä SS-putkea kerrallaan, joista yksi on paikallaan manipulaattorissa ja kolme valmiina putken vaihtoa varten. (Voest - Alpine Industieanlagenbau GmbH 1997)

16 Vikahistoria Jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorin käyttövarmuuden määrittelyyn käytettiin vikahistoriaa, joka on kirjattu laitteesta tehtaan tietojärjestelmiin. Vertailukohteena käyttövarmuuden määrittelyyn käytettiin jatkuvavalukoneiden 4 ja 5 SS-manipulaattorien vikahistoriaa. Kuviosta 7 nähdään, että jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorille on tehty vika- ja häiriökirjauksia paljon enemmän verrattuna jatkuvavalukoneiden 4 ja 5 SS-manipulaattoreihin. Tarkastelujaksona käytettiin vuosia 2006, 2007 ja Jatkuvavalukone 4 Jatkuvavalukone 5 Jatkuvavalukone KUVIO 7. SS-manipulaattorien vikahistoria vuosilta 2006, 2007 ja 2008 Vikahistoriaa tutkimalla selvisi, että eniten häiriöitä aiheuttaneet viat jatkuvavalukoneen 6 SSmanipulaattorissa ovat ylikuormahälytyksen aiheuttama pysähtyminen terässenkkapöydän noston ja laskun aikana sekä SS-manipulaattorin jumiutuminen terässenkan alle ennen SSputken laittamista paikoilleen. Vikojen syitä ei aina ole saatu selville, mutta SS-manipulaattori on saatu takaisin käyttökuntoon käyttämällä laitteesta virrat pois päältä sekä suorittamalla sen jälkeen uudelleen kalibrointi (LIITE 1). Myös putkimakasiini on aiheuttanut jonkin verran häiriöitä, jolloin SS-manipulaattori ei ole saanut joko laitettua käytettyä putkea telineeseen tai otettua uutta putkea telineestä.

17 Määräaikaishuollot SS-manipulaattorille suunnitellut ennakkohuollot ovat mekaaninen määräaikaishuolto kolmen viikon välein ja sähköinen määräaikaishuolto 13 viikon välein. Lisäksi tehdään pidemmän aikavälin huoltoja, joihin kuuluu johteiden ja vaihteistojen vaihto. Huoltovälit saattavat vaihdella jonkin verran, koska ne tehdään samaan aikaan jatkuvavalukoneen huollon kanssa. Myös tuotannon aikana esiintyneet suuremmat viat pyritään korjaamaan huoltoaikana, jotta tuotantoon ei aiheutuisi sen vuoksi ylimääräistä seisokkia. Mekaanisen kunnossapidon määräaikaishuollossa manipulaattorista puhdistetaan liukujohteet, imuroidaan sisälle kertynyt pöly ja tarkastetaan argonletkujen ja liittimien kunto. Kääntökehistä, pyöristä ja hammastangoista poistetaan vanhat voiteluaineet, kaikista vaihteistoista tarkistetaan öljymäärät sekä kaikkiin rasvattaviin kohteisiin painetaan rasvaa. Silmämääräisesti tarkastetaan käsivarren pään tartuntamekanismin ja tartuntaelimen salvan kunto, laserin suojien ja liukulevyjen kunto sekä suihkusuojaputkitelineiden ja rungon lautasjousipakan kunto kiinnityksineen. Käsivarren murtolenkin pituus mitataan ja jos se on venynyt, se vaihdetaan uuteen. Myös manipulaattorin yleisilmettä tarkkaillaan, onko roiskunut sula teräs aiheuttanut vaurioita. Kaikkien kaapeleiden kunto tarkastetaan ja katsotaan, että ne ovat oikeilla paikoillaan energiansiirtoketjuissa. Myös laserin ilmasylinterin liukujohteet voidellaan sekä laserin linssit puhdistetaan. Sähkökunnossapidon määräaikaishuolto pitää sisällään turvarajojen, pulssiantureiden, magneettiventtiilien, porttivalojen, turvakytkimien sekä moottoreiden kunnon ja kiinnityksen tarkastamisen silmämääräisesti sekä toiminnan testaaminen. Lisäksi tarkistetaan kaapeleiden kunto sekä sähkökojekaappien ja koteloiden tiivisteet, kaapeloinnit, kojeiden kiinnitys ja yleinen kunto silmämääräisesti.

18 14 5. TYÖN TOTEUTUS Käyttövarmuus määräytyy luotettavuudesta, huollettavuudesta ja huoltovarmuudesta. Nykyään kunnossapidon päällimmäisenä pyrkimyksenä on ehkäistä vikaantuminen ennen kuin se tapahtuu ja kunnossapitotoimenpiteiden tekeminen tehokkaasti on vasta toisarvoinen tavoite. Ehkäisevän ja suunnitelmallisen huollon tarkoituksena on ennakoida toimintahäiriöt etukäteen ja siten ylläpitää laitteen käyttövarmuutta. Tuotannossa olevan laitteen häiriöt saattavat sen luontoisia, että laite pysähtyy välittömästi. Laitteen pysähtyminen haittaa koko tuotannon toimivuutta aiheuttaen näin tuotannon menetyksien kautta suuria kustannuksia sekä turvallisuusriskejä laitteen käyttäjille. Jotta vikaantumisia kyetään estämään, on tutkittava kohteen vikaantumistaipumusta sekä sen eri osien ja osakokonaisuuksien tärkeyttä kohteen käyttövarmuuden kannalta. Näin ennakoivan kunnossapidon toimenpiteet osataan kohdistaa ja jaksottaa oikein. SS-manipulaattorin käyttövarmuuden parantamisen mahdollisuuksia lähdettiin tutkimaan rakentamalla laitteen tunnetuista vioista vikapuumalli. Vikapuumallin avulla SS-manipulaattorin vikatilanteet mallinnetaan, jolloin tuloksien perusteella voidaan tutkia ovatko sille suunnitellut ennakkohuollot kohdistettu ja jaksotettu oikein. Vikapuuanalyysin tekoon käytettiin ELMASohjelmistoa, joka on Ramentor Oy:n kehittämä sovellus tapahtumalogiikan mallinnukseen ja analysointiin. Vikapuun rakentamiseen käytettiin järjestelmiin kirjattua vikahistoriaa sekä kunnossapitohenkilöstön asiantuntemusta ja kokemusta SS-manipulaattorin toiminnasta ja vikaantumisista. Lisäksi mietittiin onko SS-manipulaattorissa muuta kehitettävää laitteen käyttövarmuuden kannalta. 5.1 ELMAS-ohjelmisto ELMAS on tapahtumien välisten loogisten suhteiden mallinnukseen ja analysointiin tarkoitettu ohjelmisto. Luotua mallia voidaan käyttää ymmärryksen parantamiseen ja tiedon jäsentämiseen sekä dokumentointiin. Lisäksi se soveltuu lähtötiedoksi stokastiseen simulointiin perustuvaan analysointiin. ELMAS-ohjelmistossa käytetään hyvin yleistä mallia, joka soveltuu lä-

19 15 hes minkä tahansa kohteen mallintamiseen. Erityisesti, jos ollaan kiinnostuneita jonkin laitteen, järjestelmän, prosessin tai muun kohteen vikaantumisista, voidaan ohjelmistoa käyttää vikapuuanalyysin tekoon. Vikapuuanalyysi on yleisesti tunnettu ja käytetty menetelmä käyttövarmuuden analysointiin. Tämän lisäksi ELMAS-ohjelmisto sisältää työkalun, joka mahdollistaa vikavaikutusanalyysin teon. Mallinnuksessa otetaan huomioon koko järjestelmän toiminnallisuus, tunnistetaan kriittisimmät kohteet, arvioidaan riskit ja kohdistetaan kunnossapitoja/tai suunnittelutoimenpiteet vastaavasti. Analysoinnin avulla voidaan määrittää ennusteet mm. kohteen osien vikaantumisajoille ja vikaantumisten tärkeimmille syille sekä vioista aiheutuville kustannuksille eli riskeille. Tulosten analysointi antaa arvokasta tietoa koko kohteen käyttäytymisestä. Analysoinnin tavoitteena on löytää keinot, joiden avulla kokonaisprosessin luotettavuutta ja käytettävyyttä voidaan parantaa mahdollisimman kustannustehokkaasti. (Ramentor Oy 2008.) Mallinnus ELMAS-ohjelmistossa käytetyn mallin oleellinen osa ovat siinä olevat solmut joiden tila on yleisesti joko 0 ja 1. Solmun tila mallintaa solmuun liittyvän osan jonkin ominaisuuden. Solmun tila 0 mallintaa, että kyseistä ominaisuutta ei ole ja solmun tila 1, että ominaisuus on. Solmun tyypin avulla voidaan määrittää minkä tyyppistä ominaisuutta solmun tila mallintaa. Esimerkiksi jos solmu liittyy johonkin komponenttiin, voi solmun oleminen tilassa 1 mallintaa, että komponentti on tietyllä tavalla vikaantunut. Tällöin tila 0 mallintaa tilannetta, jolloin kyseisen tyyppistä vikaa ei ole. Tällaisissa tapauksissa voidaan selkeyden vuoksi käyttää tilojen 0 ja 1 sijaan nimityksiä tilat käytössä ja vikaantunut. Vastaavasti solmun tila voidaan määritellä mallintamaan mitä tahansa lauseketta, jolloin solmun ollessa tilassa 1 lauseke on tosi ja solmun ollessa tilassa 0 lauseke on epätosi. Yksittäinen solmu liittyy aina johonkin tutkittavan kokonaisuuden osaan. Tällä osalla saattaa olla useitakin oleellisia ominaisuuksia, mutta yksi solmu voi mallintaa näistä vain yhden. Toi-

20 16 saalta jokin osa voi vaatia enemmän kuin kaksi vaihtoehtoa, jotta sen voisi mallintaa. Tällaisissa tapauksissa on yksi tutkittavan kokonaisuuden osa mallinnettava usean solmun avulla. Tutkittavan kokonaisuuden mallinnuksessa on siis kyse kaikkien sen oleellisten ominaisuuksien mallintamisesta solmujen avulla. Eri ominaisuuksien välillä olevat syy-seuraus-suhteet mallinnetaan solmujen tilojen suhteiden avulla. Malli on rakennettu oikein, jos ominaisuuksien suhteet ovat samat, kuin vastaavat mallin solmujen tilojen suhteet. Tutkittavan kokonaisuuden ominaisuuksilla voi olla minkälaisia suhteita tahansa, mutta solmujen tilojen suhteet on määritettävä mallin sääntöjen perusteella. Nämä säännöt on luotu siten, että ne mahdollisimman vähän rajoittaisivat erilaisten suhteiden mallintamista. Sääntöjä on kuitenkin oltava, jotta mallista tulisi täsmällinen. Täsmällisyyden ansiosta eri henkilöt eivät voi tulkita mallia eri tavalla ja siitä saadaan käyttökelpoinen esimerkiksi analysointiin. Sääntöjen mukaan muodostetuista solmujen tilojen suhteista muodostuu kausaalinen rakenne. Rakenteessa solmuille voidaan määrittää kausaalinen suhde asettamalla solmu jonkin toisen solmun syötteeksi. Tällöin voidaan myös sanoa, että jälkimmäinen on ensimmäisen solmun kohde. Jos solmulle on määritetty syötteitä, kutsutaan sitä portiksi. Portin tila määräytyy täsmällisesti sen syötteiden tilojen perusteella. Solmu on juuri, jos sillä ei ole yhtään syötettä. Juuren tilaan ei vaikuta yksikään muu rakenteen solmu. Kausaalisesta rakenteesta on ELMAS-ohjelmistossa esillä valitun solmun puu. Valittua puun huippusolmua kutsutaan nimellä TOP. TOP-solmun alla on sen syötteet nuolella yhdistettynä. Syötteiden alla on taas niiden omat syötteet nuolella yhdistettynä jne. Tällä tavoin puu kuvaa kaikki sen huippusolmun tilaan joko suoraan tai välillisesti vaikuttavat solmut. Juuret on EL- MAS-ohjelmistossa esitetty pyöreäkulmaisina laatikoina ja portit teräväkulmaisina laatikoina. Lisäksi portin vasemmassa alakulmassa on portin tyypin kuvaus ja oikeassa yläkulmassa on portin alla olevien solmujen piilottamiseen ja takaisin esiin tuomiseen käytettävä painike (KUVIO 8).

21 17 KUVIO 8. Kausaalinen rakenne. Solmun tilan muutosta kutsutaan tapahtumaksi. Solmuun liittyy siis kaksi erityyppistä tapahtumaa. Nämä ovat muutos tilasta 0 tilaan 1 ja muutos tilasta 1 tilaan 0. Yleisesti tilan muutosta tilasta 0 tilaan 1 voidaan kutsua toteutumiseksi, koska se mallintaa tilannetta, jossa jokin ominaisuus tulee voimaan. Tapahtumat on mahdollista nimetä muullakin tavalla tilanteen selkeyttämiseksi. Esimerkiksi vikaantumisten yhteydessä voidaan solmun tapahtumista käyttää täsmällisempiä nimityksiä vikaantuminen ja korjauksen valmistuminen. Tilanteessa, jossa jokin tapahtuma saa aikaan toisen tapahtuman, kutsutaan ensimmäisen tapahtuman olevan jälkimmäisen syy. Vastaavasti voidaan myös sanoa jälkimmäisen olevan ensimmäisen seuraus. Mallin ollessa täsmällinen, kaikki tutkittavan kokonaisuuden oleellisten ominaisuuksien syy-seuraus-suhteet on mallinnettu syiden ja seurausten avulla. Jos tapahtuman syy liittyy juureen, sanotaan syytä tapahtuman juurisyyksi. Kaikille mallin solmuihin liittyville tapahtumille on vähintään yksi juurisyy, joten mallissa mikään ei tapahdu tavallaan itsestään. Tämä pakottaa mallia luodessa määrittämään jokaisen tapahtuman todelliset aiheuttajat, eli juurisyyt, ja mallin laajetessa aiheuttajat tulevat määritetyksi entistä yksityiskohtaisemmin.

22 18 Jottei mikään tapahtuma voisi olla syy tai seuraus itselleen, on mallissa kielletty silmukoiden muodostaminen. Tämä takaa, että luodusta mallista riippumatta sen solmut on mahdollista asettaa kausaaliseen järjestykseen. Jos käyttäjä yrittää määrittää suhdetta, josta aiheutuisi silmukan muodostuminen, antaa ELMAS virheilmoituksen eikä toimintoa sallita. (Ramentor Oy 2008b.) Analysointityökalu Analysointityökalulla on mahdollista analysoida tutkittavaa kohdetta käyttämällä stokastista simulointia. Simuloinnilla tarkoitetaan todellisen järjestelmän toiminnan jäljittelemistä tietokoneen avulla. Analysoinnin lähtötietoina on ohjelman avulla luotu vikapuu tai joku sen tärkeäksi katsottu osa. Lisäksi analysointia varten tarvitsee määrittää ainoastaan juurisyiden käyttäytyminen eli juurien tilojen keskimääräiset kestot. Näiden lähtötietojen perusteella simuloidaan tutkittavaa kokonaisuutta ja tarkoituksena on matkia mahdollisimman tarkasti tutkittavan kokonaisuuden käyttäytymistä. Vikapuita simuloitaessa tapahtumat järjestetään aikajärjestykseen. Jos tapahtuman A toteutuminen vaikuttaa tapahtuman B toteutumiseen, on tapahtuman A oltava aikajärjestyksessä ennen tapahtumaa B. Koska silmukoita ei sallita, saadaan aikajärjestys aina muodostettua. Yhden simulointikierroksen aikana käydään aikajärjestyksessä jokainen tapahtuma läpi ja määritetään toteutuuko tapahtuma vai ei. Ensin tarkistetaan toteutuuko tapahtuman porttiehto. Jos se toteutuu, arvotaan satunnaisluku ja tarkistetaan toteutuiko todennäköisyysehto. Jos molemmat ehdot toteutuvat, tapahtuma toteutuu. Tietoa toteutuuko tapahtuma vai ei, kutsutaan tapahtuman tilaksi. Kun kaikille tapahtumille on määritetty niiden toteutuminen, on suoritettu yksi simulointikierros. Kierroksesta talletetaan simuloinnista saadut tapahtumien tilat. Kun simulointikierroksia suoritetaan useita, saadaan koko kohteen ja sen osien toimintaan liittyviä todennäköisyyksiä. Lisäksi voidaan selvittää merkittävimpiä syitä tutkittavan tapahtuman toteutumiseen tai eri osien tärkeyttä koko tutkittavan tapahtuman toteutumisen kannalta. Jos tapahtumille määrite-

23 19 tään niiden toteutumisiin liittyviä kustannuksia, saadaan analysoinnista tietoa tutkittavan kohteen riskeistä. Tällöin on mahdollista vertailla yksittäisten osien vaikutusta tutkittavan kohteen käytöstä aiheutuviin kustannuksiin. Simuloinnin avulla tärkeiksi havaittujen tapahtumien tarkempaan analysointiin on kehitetty vikataipumus- ja korjausaikajakaumia käyttävät sovellukset, joiden avulla voidaan jakaa tutkittavan kohteen käyttövarmuusvaatimukset sen osille. Sovelluksilla voidaan selvittää, millaiset käyttövarmuusvaatimukset vaaditaan simuloinnin avulla tärkeiksi havaituille osille, jotta koko tutkittavan kohteen käyttövarmuusvaatimukset täyttyisivät. Samoin pystytään selvittämään millaiset käyttövarmuusvaatimukset toteutuvat analysoinnissa tärkeäksi havaituille osille tällä hetkellä tai millaiset käyttövarmuusvaatimukset eri suunnitteluratkaisuilla pystytään savuttamaan. (Ramentor Oy 2008a; Ramentor Oy 2008b.) 5.2 SS-manipulaattorin mallinnus Koska SS-manipulaattori on osa valuprosessia, sen täytyy toimia vikaantumatta aina, kun valu on käynnissä tai valua ollaan käynnistämässä. Jos vikaantuminen tapahtuu kesken valun tai valun aloituksessa, aiheuttaa se seisokkia valuprosessiin sekä valukoneilla työskentelevien työturvallisuus vaarantuu. Jos vika kestää tarpeeksi pitkään, voidaan valu joutua keskeyttämään. Tästä syystä valittiin TOP-tapahtuman nimeksi SS-manipulaattorin vikaantuminen, joka kuvaa tilannetta jolloin SS-manipulaattori vikaantuu sen ollessa normaalissa toiminnassa eli automaattiajolla. Kohteen vikaantumiseksi lasketaan tila, jolloin kohde ei pysty suorittamaan siltä vaadittua toimintoa automaattiajolla. Vikapuun (LIITE 2) rakentaminen ELMAS-ohjelmistolla aloitettiin TOP-tapahtuman luomisella ja määrittämällä TOP-tapahtumaan ensisijaisesti johtavat syyt (KUVIO 9). Nämä syyt ovat tapahtumia, jotka ovat seurauksena vikapuussa alempana olevien syille. Syyseuraussuhteiden määrittelyssä käytetään apuna logiikan portteja AND, OR, K/N, XOR, Rajat, PriorityAND ja Ehtoportti. Porttien avulla määritellään vikapuun tapahtumien yhtymäpisteiden logiikka, jonka pitää toteutua, jotta ylemmän tason tapahtuma toteutuu. SS-

24 20 manipulaattorin tapauksessa vikapuussa esiintyy ainoastaan OR-portteja, koska jokainen vika yksinään riittää toteuttamaan TOP-tapahtuman. Syy-seuraussuhteiden selvittämistä jatkettiin, kunnes päästiin sopivaksi katsotulle tasolle laitteen mallintamisessa. KUVIO 9. Vikapuun TOP-tapahtuma ja sen ensisijaiset syyt. ELMAS-ohjelmisto luo kullekin tapahtumalle oman ID-numeron tapahtumien kirjaamisjärjestyksessä. Jokainen tapahtuma nimetään sitä mahdollisimman hyvin kuvaavalla nimellä. Nimestä tulisi selvitä yksiselitteisesti, minkä osan vikaantumisesta on kyse. Koska nimelle tarkoitettu osa on melko suppea, voidaan tarkempi kuvaus laitteesta ja sen vikaantumisesta kirjoittaa sille varattuun kenttään. Vikoja mallintaessa tärkeintä on määritellä solmujen käyttäytyminen oikein vikatilanteessa, jotta päästään mahdollisimman lähelle aitoa tilannetta. Perustapahtumia eli juurisyitä luotaessa määriteltiin niille korjausaika sekä vikaantumisen todennäköisyys. ELMAS-ohjelmistossa on useita vaihtoehtoisia muotoja näiden tietojen syöttämiseksi. Tässä työssä käytettiin korjausaikojen syöttämiseen keskimääräistä korjausaikaa ja vikaantumisen todennäköisyyden syöttämiseen vikataajuutta. Keskimääräinen korjausaika kuvaa aikaa, jolloin solmu muuttuu tilasta 1 takaisin tilaan 0 ja vikataajuudella kuvataan vian esiintymistiheyttä.

25 21 Haasteellisin osa vikapuun tekemisessä oli SS-manipulaattorin vikojen etsiminen ja niiden ominaisuuksien määrittely. Käyttövarmuuteen liittyvä tieto oli tyypillisesti hajallaan tehtaan eri tietojärjestelmissä joten seulonta käyttökelpoisen tiedon löytämiseksi oli melko työlästä. Tietojärjestelmät joista tietoa haettiin, olivat terässulaton Neuvo-tietojärjestelmän päiväkirja ja Rautaruukin oma TP-tietojärjestelmä. Suurena apuna oli myös Metson DNAlarm, josta saatiin tietoa SS-manipulaattorin häiriöhälytyksistä. Myös kunnossapidon vikaraporteista saatiin tietoa, mutta tiedot olivat useimmiten puutteelliset. Suurin apu tietojen keräämisessä oli käyttösekä kunnossapitohenkilöstö. Koska vikahistoriatiedot olivat puutteelliset, jouduttiin suunnilleen kaikki vikaantumisen todennäköisyydet ja keskimääräiset korjausajat arvioimaan käyttöja kunnossapitohenkilöstön kokemusten perusteella. Tapahtumille täytyy määritellä myös kustannustiedot, jos myöhemmin mallia simuloitaessa halutaan tietoa vikojen aiheuttamista riskeistä. Kustannustietoihin määritellään jokaiselle juurisyylle korjauskustannukset sekä tuotannon menetyksestä aiheutuvat kustannukset. SSmanipulaattorin mallinnuksessa tuotannon menetyksestä aiheutuvia kustannuksia ei kuitenkaan määritelty, koska jokaisen vian aiheuttamia kustannuksia on hyvin vaikea arvioida. Vaikeutta kustannusten määrittämiseen toi se, että SS-manipulaattorin vikaantuminen ei aina aiheuta tuotannon menetyksiä, koska SS-putki voidaan asentaa paikoilleen myös käsikäyttöisellä vaihtolaitteella. Kustannuksia aiheutuu yleensä vain silloin, kun valu viivästyy tai keskeytyy SS-manipulaattorin vikaantumisen vuoksi. Siinäkin tapauksessa kustannusten määrään vaikuttaa niin moni asia, ettei kustannusten suuruutta pystytä kovin tarkasti arvioimaan. 5.3 Simulointi Ennen simuloinnin aloitusta valitaan simuloinnin kohde sekä simulointiaika. SSmanipulaattorin simuloinnin kohteeksi valittiin TOP-tapahtuma eli SS-manipulaattorin vikaantuminen, jolloin kaikki sen alla olevat solmut ovat simuloinnissa mukana. Simulointijaksoksi valittiin 10 vuotta ja simulointikierroksia 1000 (KUVIO 10). Simulointijakso on tutkittavan kokonaisuuden tarkasteluaika ja simulointikierrokset määrittää, kuinka monta kertaa simulointijakso simuloidaan. Kierrosten tuloksista lasketaan keskiarvo, joka on paras ennuste jakson

26 22 tapahtumille. Mitä suurempi määrä kierroksia simuloidaan, sitä vähemmän sattuma vaikuttaa tuloksiin. Simulointiaikaa valittaessa rajoittavana tekijänä on kuitenkin simulointiin käytettävän tietokoneen keskusmuisti, jota ELMAS käyttää simuloinnin aikana tapahtuva tietojen tallentamiseen. KUVIO 10. Simuloinnin aloitus. Simuloinnin etenemistä voi seurata, jolloin simuloinnin eteneminen näytetään prosenttilukuina sekä erilaisina etenemistä kuvaavina muina arvoina. Tarvittaessa simulointi voidaan keskeyttää, jolloin kuluva kierros suoritetaan loppuun ja analysointi suoritetaan siihen mennessä simuloitujen tulosten perusteella. Simuloinnin valmistuttua esitetään yleiset simulointiin liittyvät tulokset joista nähdään mm. simuloitujen solmujen tilamuutosten lukumäärä, toteutuneiden erilaisten solmujen tilojen kombinaatioiden lukumäärä sekä simuloitujen solmujen, juurien ja porttien lukumäärä ja simulointiin käytetty laskenta-aika (KUVIO 11).

27 KUVIO 11. Yleiset simulointiin liittyvät tulokset. 23

28 24 6 TULOKSET Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorin käyttövarmuuden parantamiseksi. Käyttövarmuustutkimus suoritettiin mallintamalla SSmanipulaattorin vikaantumiseen johtavia tapahtumia ja toimintoja vikapuun avulla. Vikapuun laatimisessa sekä analysoinnissa käytettiin siihen tarkoitukseen soveltuvaa ELMASohjelmistoa. Vikapuusta ja sen simuloinnista saatiin konkreettisia lukuarvoja, jotka luovat edellytyksiä käyttövarmuuden kehittämiseksi. 6.1 Simuloinnin tulokset Simuloinnin seurauksena saadaan paljon erilaisia tuloksia, joita voidaan hyödyntää analysoinnissa. Tapauksesta riippuen voidaan tuloksista valita, mitkä ovat tutkittavan järjestelmän kannalta oleellisimpia tuloksia, joita voidaan käyttää analysointiin. SS-manipulaattorin käyttövarmuutta tutkittaessa katsottiin tärkeimmiksi tuloksiksi sen epäkäytettävyys sekä juurisyiden kriittisyystärkeys. Simuloinnin tulosten perusteella kriittisimmistä juurisyistä laadittiin FMEAtaulukko (LIITE 3), jossa suositellaan toimenpiteitä SS-manipulaattorin käyttövarmuuden parantamiseksi Perustulokset Perustuloksista nähdään solmujen tilojen muutoksiin ja kestoon liittyvät tulokset. Perustuloksia ovat solmujen epäkäytettävyydet ja epäluotettavuudet, solmujen tilojen keskimääräiset kestot sekä yhteenveto solmujen käyttäytymisestä simulointijakson aikana. SS-manipulaattoria simuloitaessa hyödyllistä tietoa saatiin solmujen epäkäytettävyydestä. Niistä nähdään, että koko järjestelmän vioista johtuva epäkäytettävyys on (KUVIO 12). Tämä tarkoittaa, että järjestelmä toimii normaalisti % ajasta ja 0.62 % ajasta se on

29 25 vian takia pysähtyneenä. Jotta epäkäytettävyystiedoista on merkittävää hyötyä, täytyy vikapuuta päivittää tulevaisuudessa. Jos simuloinnin tulosten perusteella tehdään toimenpiteitä vikojen ehkäisemiseksi, voidaan myöhemmin vikojen vikataajuutta päivittää ja vikapuu simuloida uudelleen. Simuloinnin tuloksena saadaan kohteelle uusi epäkäytettävyysarvo josta nähdään onko toimenpiteillä saatu laitteen käyttövarmuutta parannettua. KUVIO 12. Osien epäkäytettävyydet Ehdolliset tulokset Ehdollisista tuloksista voidaan tutkia erikseen valittuja solmuja jonkin valitun ehdon ollessa voimassa (KUVIO 13). Ehto on joko yksittäisen solmun oleminen jossain tilassa tai monimutkaisempi useiden solmujen määrittämä ehto. Ehdollisista tuloksista nähdään solmujen ja kom-

30 26 binaatioiden ehdolliset todennäköisyydet sekä todennäköisyydet, joilla solmu tai kombinaatio aiheuttaa ehdon. Ehdollisia tuloksia ei katsottu tarpeelliseksi ottaa huomioon SSmanipulaattorin analysoinnissa. KUVIO 13. Ehdolliset tulokset Tärkeystulokset Tärkeystuloksissa esitetään solmujen tärkeyksiä. Ensin valitaan solmut joiden tärkeyttä halutaan tutkia jonkin valitun solmun seurauksen kannalta (KUVIO 14). Tärkeystuloksista tulee ilmi syiden yleiset tärkeyskertoimet, kuinka paljon syiden avulla voidaan vähentää seurauksen riskiä, kuinka paljon syyt voivat pahimmillaan nostaa seurauksen riskiä ja kuinka usein syy on seurauksen aiheuttaja. Tärkeystuloksissa täytyy huomioida että tärkeimpänä pidettävä solmu

31 27 saattaa vaihdella riippuen siitä, miltä kannalta tärkeyttä mietitään. Eroja syntyy esimerkiksi mietittäessä yleistä tärkeyttä tai sitä kuinka paljon solmun avulla on mahdollista parantaa koko järjestelmää. Herkimmin järjestelmään vaikuttava solmu saattaa olla jo niin luotettava, ettei sen avulla voida enää juurikaan parantaa koko järjestelmää. Lisäksi eroja voi syntyä myös vertailtaessa tärkeyksiä ajan tai kertojen suhteen. KUVIO 14. Tärkeystulosten valinnat SS-manipulaattorin käyttövarmuuden tutkimisessa tärkeimpinä simulointituloksina katsottiin olevan juurisyiden kriittisyystärkeys. Kriittisyyttä tarkasteltiin juurisyiden vikatiheyden suhteen (KUVIO 15), koska SS-manipulaattorin on tärkeää toimia vikaantumatta valun aikana. Jos SS-manipulaattori vikaantuu kesken valun, se vaarantaa meneillään olevan valun jatkumisen, jolloin valu voi keskeytyä aiheuttaen tuotannollisia kustannuksia.

32 28 SS-manipulaattorin vikaantuminen kesken valun aiheuttaa myös vaaratilanteita valutasolla työskenteleville henkilöille. SS-manipulaattori täytyy saada pois terässenkan alta mahdollisimman nopeasti sen vikaannuttua, jotta meneillään olevaa valu ei keskeydy ja käsikäyttöinen SS-putken vaihtolaite saadaan otettua käyttöön. Vikaantuneen SS-manipulaattorin vetäminen välisenkan päältä tapahtuu käsin, jolloin tätä tekevät henkilöt altistuvat välisenkasta lentäville teräsroiskeille. Käsikäyttöistä SS-putken vaihtolaitetta käyttävä henkilö altistuu myös vaaratilanteelle, koska vaihtolaitteen käyttö edellyttää välisenkan lähelle menemistä, josta etenkin valun aloituksessa lentää paljon teräsroiskeita. KUVIO 15. Kriittisyystärkeys vikatiheyden suhteen.

33 Vika- ja vaikutusanalyysi ELMAS-ohjelmistosta löytyy FMEA-taulukko (LIITE 3), jota käytettiin SS-manipulaattorin vika- ja vaikutusanalyysin tekoon. Vika- ja vaikutusanalyysi (engl. Failure Modes and Effects Analysis, FMEA) on luotettavuusanalyysimenetelmä, joka perustuu tutkittavan järjestelmän jakamiseen osajärjestelmiin ja lopulta osiinsa. Tavoitteena on tunnistaa järjestelmän komponenttien mahdolliset vikaantumistavat, arvioida niiden vaikutuksia järjestelmän käyttäytymiseen ja ehdottaa sopivia vastatoimenpiteitä haitallisten vaikutusten estämiseksi. (Meriläinen 2003; Haapanen P ) SS-manipulaattorin komponenttien vikaantumistavat ja niiden vaikutusten arviointi tehtiin vikapuun avulla. FMEA-taulukkoa käytettiin ainoastaan simuloinnin apuvälineenä, josta nähdään vikapuun simuloinnin tulosten perusteella valitut viat, niiden kuvaus ja ehdotukset toimenpiteistä joilla vikoja ja niiden vaikutusta voidaan estää. FMEA-taulukosta näkyy myös riskiluku, joka arvioitiin erikseen kriittisimmille vioille. Riskilukua varten arvioidaan vian haitallisen vaikutuksen vakavuutta, vian esiintymisen todennäköisyyttä ja vian ilmenemisen todennäköisyyttä asteikolla 1 10, missä kunkin luokan vakavuudella on sanallinen kuvaus. Saadun kolmen luvun tulo on riskien merkityksen arvioinnin pohjana. FMEA-taulukkoon valittiin simuloinnin tulosten perusteella yhdeksän kriittisintä vikaa, koska niiden vikatiheys oli suurempi kuin 1 %. Lisäksi valittiin sellaisia vikoja, joiden kriittisyystärkeys ei ollut kovin suuri, mutta joiden ennakkohuolto on helppo toteuttaa määräaikaishuoltojen puitteissa. Tällä valintaperusteella saadaan vikojen toteutumisia vähennettyä vähemmän tärkeiden vikojenkin kohdalla ilman suuria huoltokustannuksia. Vikojen valinnan rajaukseen vaikutti osittain työhön varattu aika, jonka pituus ei olisi riittänyt kaikkien vikojen tutkimiseen. Muutenkaan ei ole tarkoituksen mukaista tutkia kaikkia järjestelmän vikoja, vaan keskittyä simuloinnin avulla saatuihin käyttövarmuuden kannalta kriittisimpiin vikoihin. Ehdotukset toimenpiteistä vikojen ja niiden seurausten vähentämiseksi olivat suurimmaksi osaksi ennakkohuoltoihin tehtäviä lisäyksiä. Kunnossapidolle ehdotettiin myös toimenpiteitä lisätutkimusten tekemiseksi sellaisille vioille, joille ei löydetty selvää aiheuttajaa. Lisäksi eh-

34 30 dotettiin ohjeistuksen laatimista käyttöhenkilöstölle käytön aikana tarkistettavista kohteista sekä niiden kunnostuksesta. SS-manipulaattorin toiminnan kannalta on tärkeää että kaikki kuluvat ja suuren lämmönvaihtelun vaikutuksesta vääntyvät komponentit vaihdetaan uusiin, ennen kuin ne aiheuttavat häiriötä manipulaattorin toimintaan. 6.3 Ohjelmoitavan logiikan käyttövarmuus Yksi vaikuttava tekijä SS-manipulaattorin käyttövarmuuteen on SS-manipulaattoria ohjaava logiikka, jonka uusiminen voisi vaikuttaa merkittävästi laitteen käyttövarmuuteen sekä kehitysmahdollisuuksiin. SS- manipulaattoria ohjaa tällä hetkellä italialainen ROBOX RPM486DX4 ohjelmoitava logiikka. Logiikan etuna on sen toimintavarmuus, joten siinä mielessä logiikan uusiminen ei SSmanipulaattorin käyttövarmuuteen merkittävästi vaikuta. Huonona puolena logiikassa on sen ikääntynyt tekniikka sekä tuotetuen puuttuminen Suomessa. Käyttövarmuuden kannalta tuotetuki on tärkeää, jotta SS-manipulaattoria kehitettäessä tarvittavia muutoksia logiikan ohjelmaan voidaan tehdä. Myös mahdollisen suuremman vian jälkeen laite saadaan nopeasti takaisin käyttökuntoon, kun tuotetukea on helposti saatavissa. Logiikkaa uusittaessa, mahdollisiksi vaihtoehdoiksi katsottiin Siemens Simatic S7 ohjelmoitava logiikka sekä Metso Automationin Damatic XD automaatiojärjestelmä. Kumpikin ohjausjärjestelmä on sopiva SS-manipulaattorin ohjaukseen niin laitteiston sopivuuden kuin logiikan ohjelmoinnin kannalta. Lisäksi kumpaakin järjestelmää on käytössä Raahen terästehtaalla, joten kokemusta ja osaamista järjestelmiin löytyy jo ennestään. Siemensin logiikan etuja ovat sen sopivuus juuri SS-manipulaattorin kaltaisen laitteen ohjaukseen sekä hyvä tuotetuki, koska Siemensin logiikan osaajia löytyy hyvin laajalta rintamalta. Metson automaatiojärjestelmä on jo ennestään terässulatolla prosessinohjausjärjestelmänä, joka on suuri etu etenkin uutta järjestelmää rakentaessa. Metson logiikan suunnitteluun tuo hel-

35 31 potusta se, että SS-manipulaattorin tarvitsemia prosessitietoja ei tarvitse erikseen viedä uuteen järjestelmään sekä SS-manipulaattorin häiriö- ja vikahälytykset valvomoon olisi helppo tehdä. Jos SS-manipulaattorin ohjelmoitava logiikka päädytään vaihtamaan, ovat Siemensin ja Metson järjestelmät kumpikin yhtä hyviä vaihtoehtoja uudeksi ohjausjärjestelmäksi. Järjestelmien hankintakustannukset ovat suunnilleen yhtä suuria muodostuen usean kuukauden suunnittelusekä ohjelmointityöstä, laitteistojen asennustyöstä sekä laitehankinnoista. Uuden ohjausjärjestelmän valintaan vaikuttaa ainoastaan se, kumpi järjestelmä halutaan SS-manipulaattoria ohjaamaan. (Pehkonen 2009)

36 32 7 YHTEENVETO Tässä työssä tutkittiin jatkuvavalukoneen 6 SS-manipulaattorin käyttövarmuutta vikapuuanalyysin avulla. SS-manipulaattorista rakennettiin vikapuu ELMAS-ohjelmiston avulla, jota simuloimalla saatiin tuloksena SS-manipulaattorin kriittisimmät viat. Tulosten perusteella suositeltiin toimenpiteitä SS-manipulaattorin käyttövarmuuden parantamiseksi. Vikapuuanalyysin tuloksista nähtiin, että eniten SS-manipulaattorin käyttökeskeytyksiä on aiheuttanut turhat ylikuormahälytykset. Hälytysten aiheuttamat keskeytykset ovat ajallisesti lyhyitä, mutta niiden suuri lukumäärä vaikuttaa merkittävästi valuprosessin toimivuuteen. Siksi on aiheellista selvittää ylikuormahälytysten aiheuttaja/aiheuttajat sekä tehdä korjaavat toimenpiteet, joilla turhilta ylikuormahälytyksiltä vältytään. Toinen suuri ongelma on SS-manipulaattorin jumiutuminen kesken automaattiajon. Jumiutumiseen ei ole löydetty selvää syytä, mutta yksi vaikuttava tekijä voi olla SS-manipulaattorin ohjauslogiikkaan liitettävän ohjelmointikaapelin huono häiriösuojaus. Kaapeli on tähän mennessä ollut kiinni logiikassa jatkuvasti, jolloin se on saattanut aiheuttaa logiikkaan häiriöitä joiden seurauksena logiikka on pysäyttänyt SS-manipulaattorin kaikki liikkeet. Suositeltavaa olisi, että kaapelin häiriönsuojausta parannetaan sekä tehdään ohje, jonka mukaan ohjelmointikaapelia pidetään kiinni logiikassa vain tarvittavan ohjelmoinnin tai logiikan seurannan ajan. Jonkin verran ongelmia on ollut myös putkimakasiinin toiminnassa. Ongelmia on aiheuttanut aluslevyjen ja putkenpitimien vääntyminen, jotka vääntyvät ajan kuluessa suuren lämmönvaihtelun johdosta. Tähän ongelmaan suositeltiin ratkaisuksi ohjetaulua (LIITE 4) SSmanipulaattorin ohjaustaulun viereen, jossa näkyy vanhimman valajan tehtäviin kuuluvat aluslevyille ja putkenpitimille tehtävät tarkastukset ja toimenpiteet työvuoron aikana. Työn tulosten perusteella nähtiin, että SS-manipulaattorin käyttövarmuutta voidaan parantaa vähän myös ennakkohuoltoa parantamalla. Ennakkohuoltojen jaksotukseen ei tarvitse tehdä muutoksia, mutta on huolehdittava, että huollot tehdään ajallaan. Ennakkohuollot oli kohdis-