PROSESSIEN VALVONTA JA OPEROINTI

Transkriptio

1 1 PROSESSIEN VALVONTA JA OPEROINTI Tässä teemassa tarkastellaan aluksi prosessiautomaatiojärjestelmien tehtäviä ja rakennetta yleisellä tasolla. Sen jälkeen keskitytään valvomotekniikkaan ja siinä sovellettaviin yleisiin periaatteisiin. Lopuksi tarkastellaan ihmisen valvonta- ja operointityötä nykyaikaisessa valvomossa. Automaatiojärjestelmällä tarkoitetaan tässä yhteydessä tehtäviinsä erikoistuneista tietokoneista ja niitä yhdistävästä tietoliikenneyhteydestä muodostettua kokonaisuutta, johon on liitetty kohdeprosessin mitta- ja toimilaitteet (kenttäinstrumentit). Automaatiojärjestelmän edellytetään huolehtivan ohjattavasta kohteesta kaikissa neljässä perustilassa: 1. seisokki, 2 käynnistys (ylösajo), 3. tuotantoajo/häiriötilanteet ja 4. pysäytys (alasajo). Seisokkitilanteessa järjestelmän tehtäväksi jää joidenkin perustoimintojen ylläpidon lisäksi lähinnä erilaisten huoltoa ja kunnossapitoa palvelevien tietojen tuottaminen ja jalostaminen. Automaattisessa käynnistyksessä ja pysäytyksessä järjestelmä huolehtii ohjauslogiikkansa (sovellusohjelmiston osa) avulla pumppujen, puhaltimien, kuljettimien jne. sekvenssiohjauksista. Nämä sekvenssit perustuvat loogisiin ehtoihin (esim. jos tämä ja tämä ehto voimassa niin tee tuo toiminto) tai aika-, kappale- ja määrälaskureihin (kun viisi sekuntia kulunut edellisestä toiminnosta tee seuraava). Lukitus- ja suojaustoiminnot toteutetaan usein automaatiojärjestelmän ulkopuolisilla laitteilla. Tuotantoajossa prosessi pidetään automaatiojärjestelmän avulla optimaalisessa ja häiriöttömässä tilassa varsinaisten stabiloivien (vakaassa tilassa pitävien) ja optimoivien (parasta toimintatilaa hakevien) säätöalgoritmien (ohjelmoitujen säätimien) avulla.

2 2 Tuotantoajossa tarvitaan paitsi takaisinkytkettyjä säätöpiirejä (closed loop control, mittaus on takaisinkytketty niin että ohjaus muuttuu sen mukana) myös ohjauspiirejä (open loop control, mittaus ei vaikuta ohjaukseen, vaan ohjaus tapahtuu suoraan ennalta määrätysti). Automaatiojärjestelmän perustoimintoihin kuuluvat - mittausautomaatio ja mittaustietojen tallennus, - ohjausautomaatio, - valvonta ja operointi (prosessihallinta) sekä - raportointi. Mittausautomaatiolla tarkoitetaan kaikkia järjestelmän lukemia analogisia ja binäärisiä mittauksia sekä siihen syötettyjä manuaalisia suureita (laboratorioanalyysit). Erilaisten mittausautomaattien tuki on myös osa mittausautomaatiota. Mittausten osalta automaatiojärjestelmä huolehtii informaation sisäänluvusta, mittaustiedon esikäsittelystä (esim. suodatus, linearisointi) sekä tietojen ohjauksesta jatkokäsittelyyn, näyttöön ja tallennukseen. Lisäksi mittausten käsittelyyn voidaan lukea kuuluvaksi erilaiset hälytys- ja mielekkyysrajojen tarkistukset sekä niihin liittyvien varoitusten ja hälytysten generointi. Ohjausautomaatioon kuuluvat yksittäisten toimilaitteiden ohjaukset, automaattiset säädöt, sekvenssiohjaukset sekä lukitukset. Toimilaitteen ohjauksella tarkoitetaan tässä yhteydessä sekä fyysistä ohjausta järjestelmän elektroniikkakortilta että niiden ohjelmien toimintaa, joilla ohjauskäsky toteutetaan. Yleiskäyttöisiltä automaatiojärjestelmiltä edellytetään, että niillä on käytössä mahdollisimman laaja valikoima liitäntämahdollisuuksia erityyppisille toimilaitteille. Automaattisilla säädöillä tarkoitetaan tässä kaikkia niitä erilaisia takaisin- ja myötäkytkentätyyppisiä jatkuvaan säätöön tarkoitettuja toimintoja. Yleensä järjestelmät sisältävät tietyn standardivalikoiman säätöalgoritmeja sekä mahdollisuuden määritellä omia algoritmeja jollakin lausekielellä.

3 3 Sekvenssiohjauksilla tarkoitetaan ohjausten muuttamista loogisten ehtojen mukaan. Nämä ehdot voidaan johtaa prosessisuureista, lasketuista suureista, toisista sekvensseistä tai ne perustuvat aikalaskureiden tilaan (ehdolliset sekvenssit ja vastaavasti aikasekvenssit). Tyypillisesti sekvenssejä tarvitaan eniten käynnistys- ja pysäytystilanteissa sekä panosprosessien ohjauksessa. Robotin ohjaus on myös tyypillisesti sekvenssiohjausta. Lukitukset ovat erikoissekvenssejä, joilla varmistetaan prosessin toiminta poikkeustilanteissa. Näiltä vaaditaan ehdotonta varmatoimisuutta ja usein myös suurta nopeutta, minkä vuoksi ne joudutaan tavallisesti toteuttamaan järjestelmän ulkopuolisilla laitteilla. Prosessihallinnalla ymmärretään kaikkia niitä fyysisiä ja ohjelmistollisia välineitä, joilla prosessin valvoja valvoo ja operoi prosessia. Tähän ryhmään kuuluvat kaikki toimilaitteiden suorat käsiohjaukset, käynnistys- ja pysäytystoiminnot, viritystoiminnot, mittaustietojen esittäminen, hälytysrajojen asettaminen yms. Tavallisesti prosessihallintaan käytetään funktiotyyppisiä näppäimistöjä, joissa toiminnot muuttuvat näyttökuvan mukana sekä apuvälineinä rullapalloa ja/tai -pyörää, valokynää, hiirtä ja kosketusnäyttöjä. Valvonta voidaan jakaa prosessin tilan valvontaan ja prosessitapahtumien (ajonaikaiset muutokset, sekvenssit ja hälytykset) seurantaan ja rekisteröintiin. Raportointi koostuu tapahtumaraporteista (toimenpiteiden kirjaaminen) ja tulosraporteista (esim. vuoro-, vuorokausi- ja viikkoraportit), joissa raportoidaan prosessin taloudellista tulosta. Nykyaikaisten automaatiojärjestelmien toteutusfilosofiassa voidaan erottaa seuraavat yleiset periaatteet: - hajautus, - integrointi ja - valvonnan keskittäminen. Hajautuksella ymmärretään tietojenkäsittelykapasiteetin ja toimintojen jakamista usealle itsenäiseen toimintaan kykenevälle yksikölle. Käytännössä tällainen yksikkö on järjestelmän yksittäinen mikrotietokone, jota nimitetään järjestelmän (ala)asemaksi.

4 4 Hajautuksella saavutetaan mm. seuraavia etuja: parempi luotettavuus (yhden aseman rikkoutuminen ei halvauta koko järjestelmää), erillisten pienempien yksiköiden toiminnan ja rakenteen yksinkertaistuminen sekä modulaarisen rakenteen helpottama suunnittelu, ylläpito ja kehittäminen. Toisaalta hajautus merkitsee myös tiedonsiirtotarpeen kasvua, josta seuraa kustannusten nousua sekä joskus myös merkittävää haittaa tuottavia viiveitä. Tehtävien mielekäs jakaminen monelle pienelle yksikölle voi aiheuttaa myös ongelmia. Kaikki järjestelmät ovat keskitettyjä siinä mielessä, että valvonta järjestetään yhteen tilaan suunniteltuun toimintapisteeseen (valvomoon). Valvonnan keskittäminen on edennyt viime vuosikymmeninä kohti yhä suurempiin valvomoita, joissa työskentelee samanaikaisesti useampia ihmisiä ja joissa valvotaan sekä informaatiomäärältään että maantieteelliseltä ulottuvuudeltaan suurempia kokonaisuuksia (ns. mammuttivalvomot sekä etävalvonta ja etäoperointi). Integroinnilla tarkoitetaan automaatiojärjestelmien yhteydessä sitä, että itsenäisten toimintayksiköiden välinen tiedonsiirto on järjestetty jollakin nopealla tietoliikenteen väyläratkaisulla. Prosessista saatavan informaation määrä on suuri ja kerrallaan esitettävissä ja ihmisen seurattavissa oleva tietomäärä erittäin rajallinen, minkä vuoksi valvonta järjestetään hierarkkisella periaatteella. Tällöin voidaan erottaa eritasoisia valvontanäyttöjä kuten - yleisvalvonnan laite- ja prosessikaaviot, yleisnäytöt sekä suoritusvaihekaaviot, - suurekohtaisen valvonnan ryhmänäytöt, operointinäytöt ja hälytysnäytöt sekä - tarkemman suurekohtaisen valvonnan aikatrendit. Hierarkiatasojen määrä ja nimitykset voivat vaihdella eri järjestelmissä, mutta periaate on aina samankaltainen. Vastaavantyyppistä hierarkiaperiaatetta noudatetaan raporteissa. Kaikki kaupalliset automaatiojärjestelmät tukevat tämäntyyppistä informaation jakoa ja ryhmitystä. Automaatiojärjestelmän tuottama informaatio, jota ihmisen tulee seurata ja johon hänen tulee reagoida, jakaantuu kahteen osaan: staattiseen (laitekuvat ja kaaviot) sekä

5 5 dynaamiseen (eri suureiden ja tilatietojen hetkelliset lukuarvot sekä mahdolliset animaatiot). Näiden tietojen selkeään ja nopeaan erottamiseen toisistaan sovelletaan yleensä sellaista kirjoittamatonta sopimusta, jossa ns. liikennevalovärejä käytetään vain muuttuvan eli dynaamisen tiedon esittämiseen ja staattiset eli muuttumattomat tiedot esitettään muilla väreillä. Liikennevaloperiaate tarkoittaa prosessien valvonnassa ja operoinnissa seuraavaa: - vihreä väri: asia on kunnossa, - keltainen väri: varoitus (jotain on tapahtumassa) ja - punainen väri: hälytys (on ryhdyttävä toimenpiteisiin). Punaisen hälytysvärin lisäksi käytetään myös hälytyssummerin tai sireenin ääntä herättämään operaattorin huomio. Hälytystilanteesta saadaan lisäksi hälytyksestä kertova aikaleimalla varustettu selittävä teksti ns. hälytysnäyttöön ja/tai hälytyskirjoittimelle. Kuva 1. Tyypillinen prosessikaavioon perustuva valvomon näyttökuva.

6 6 Kuva 2. Tyypillinen aikatrendi. Kuva 3. Tyypillinen hälytyslistaus.

7 7 Graafisten ja numeeristen näyttökuvien lisäksi prosessien valvonnassa sovelletaan paljon kamerakuvaa. Valvontakamerat sijoitetaan usein sellaisiin kohteisiin, jotka ovat kaukana valvomosta ja/tai joissa esiintyy tyypillisesti erilaisia toimenpiteitä vaativia häiriöitä. Prosessin valvonta- ja operointityölle on ominaista erittäin voimakkaat kuormittavuusvaihtelut: välillä työ on pitkästyttävää, kun juuri mitään ei tapahdu, ja välillä taas tapahtuu aivan liikaa (hälytystulva ja paniikki). Valvomot ja siellä tapahtuva töiden järjestely pyritään suunnittelemaan siten, että ihmisen vireystilan ylläpitämistä pyritään tukemaan prosessin toimiessa vakaalla ja suunnitellulla tavalla (sopivat virikkeet ja tarkkaavaisuuden suuntaaminen) sekä lisäksi siten, että järjestelmän tuottama informaatio tukee ja auttaa nopeutta vaativassa päätöksenteossa ja operoinnissa (sujuvat, joustavat ja loogiset navigoinnit ja siirtymät eri näyttö- ja kamerakuvien välillä, operointia tukevat ohjeet). Valvomoiden suunnittelussa sovelletaan ns. kognitiivisen ergonomian oppeja ja uusimpia tutkimustuloksia. Kuva 4. Korrelaatioraportti.

8 8 Kuva 5. Eräs esimerkki sujuvaa navigointia tukevasta toteutuksesta. Valvomosta käsin hallitaan erittäin suuria voimia ja ohjataan ympäristöön laajasti vaikuttavia tapahtumia, minkä vuoksi virheoperointien mahdollisuus tulee minimoida. Tyypillinen esimerkki tästä on kaikkien toimintojen kolmivaiheinen käynnistys ja pysäytys (kohdista, aktivoi, käynnistä/pysäytä).

9 9 TEHTÄVÄ Selvitä, kuinka tarkastelun kohteenasi olevaa kokonaisprosessia valvotaan ja operoidaan. Montako henkilöä tarvitaan yhtaikaa huolehtimaan prosessista? Mitkä ovat tärkeimmät suureet ja tapahtumat, joita tulee valvoa? Mitkä ovat tyypillisimpiä häiriöitä, joita prosessissa joudutaan selvittämään käyttöhenkilökunnan toimesta? Liittyykö ko. prosessin valvontaan ja operointiin erityisiä turvallisuusriskejä? Ohje: Kaikista prosesseista ei välttämättä löydy valmista kirjallista informaatiota tähän tehtävään. Näissä tapauksissa on turvauduttava omaan pohdintaan ja/tai selvitettävä, onko jollakin esim. kesäharjoittelussa saatua kokemusta kyseisestä prosessista ja hankkia tarvittavat tiedot haastattelemalla häntä.