ABB Process Automation, Simo Säynevirta Prosessiautomaation kehitystrendit October 11, 2010 Slide 1
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 2
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 3
Johtava sähkövoima- ja automaatioteknologiayhtymä Markkinajohtaja tärkeimmillä liiketoiminta-alueilla Liikevaihto 32 mrd USD Henkilöstö 117.000 noin 100 maassa T & K:hon vuosittain yli 1 mrd USD October 11, 2010 Slide 4
Tarjontamme Divisioonarakenne ja tuotevalikoima Sähkövoimatuotteet Sähkövoimajärjestelmät Sähkökäytöt ja kappaletavaraautomaatio Pienjännitetuotteet Prosessiautomaatio 11,9 mrd USD Henkilöstö 34.000 6,9 mrd USD Henkilöstö 16.000 6,6 mrd USD Henkilöstö 19.000 4,8 mrd USD Henkilöstö 19.000 8,4 mrd USD Henkilöstö 29.500 Tuoteportfolio: Voimantuotannon ja teollisuuden prosessien sähkölaitteet ja -järjestelmät, automaatio- ja valvontajärjestelmät sekä instrumentointi Voimansiirtojärjestelmät Sähkönjakeluratkaisut Pienjännitetuotteet Robotit October 11, 2010 Slide 5
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
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
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 8
October 11, 2010 Slide 9 Automaation ensiaskeleita 1900-luvun alusta Asea, Ruotsi
October 11, 2010 Slide 10 1940-luku: ensimmäiset PID-säätäjät Taylor Control, USA
October 11, 2010 Slide 11 Kemiantehtaan automaatiota 1970-luvulta, Compact single-loop controller Hartmann & Braun
October 11, 2010 Slide 12 1985 Öljynjalostamon automaatiojärjestelmä Säädöt ohjelmoitavissa, toimittajaspesifiset laitteet ja ohjelmistot
October 11, 2010 Slide 13 Nykypäivä 2010 - avoin teknologia, pitkälle viety integraatio ABB 800xA automaatiojärjestelmä
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 14
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
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
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%
OEE has influence on earning power Planned hours 8 760 Max prod/h 50 Availability 77.0% Performance 85.7% Quality yield 91.0% October 11, 2010 Slide 18 Theoretical prod/year 438 000 OEE 60.0 % Price/unit 0.600 Actual prod/year 263 019 Contribution margin/unit 0.250 Direct maintenance costs Variable cost/unit 9 469 0.350 Depreciation 15 000 Other fixed costs 30 000 Contribution margin/year 65 755 Fixed costs/year 54 469 Fixed assets 150 000 NOWC 15 781 Profit 11 286 Revenues 157 811 Revenues 157 811 Capital employed 165 781 Prices in kusd Profitability 7.15 % Capital turn over rate 0.95 ROCE 6.81%
Higher OEE substantially increases earning power Planned hours 8 760 Max prod/h 50 Availability 83.0 % Performance 91.7 % Quality yield 92.0 % October 11, 2010 Slide 19 Theoretical prod/year 438 000 OEE 70.0 % Price/unit 0.600 Actual prod/year 306 697 Contribution margin/unit 0.250 Direct maintenance costs Variable cost/unit 11 041 0.350 Depreciation 15 000 Other fixed costs 30 000 Contribution margin/year 76 674 Fixed costs/year 56 041 Fixed assets 150 000 NOWC 18 402 Profit 20 633 Revenues 184 018 Revenues 184 018 Capital employed 168 402 Prices in kusd Profitability 11.21 % Capital turn over rate 1.09 ROCE 12.25 %
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 20
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
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 )
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
Tyypillinen Keskikokoinen järjestelmä Kahdennetut Aspect ja Connectivity palvelimet Erilliset työasemat mahdollisille Batch ja IM servereille Noin 5 Operointiasemaa Alle 3000 prosessi I/O 1..12 prosessiasemaa Kahdennettu 10Mbit/s järjestelmä- sekä Client/server väylä October 11, 2010 Slide 24
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
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
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 61131-3 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
Hajautetun informaation hallinta Kaikki tarvittava informaatio saatavilla yhdessä järjestelmässä, esitettynä helposti ymmärrettävässä muodossa yhdessä ikkunassa, käyttövalmiina jatkotoimenpiteitä varten. October 11, 2010 Slide 28
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä October 11, 2010 Slide 29
Technology Trends - IT: Challenge and Opportunity Well-proven technology and 15-20 years life time Standardized products Customized solutions October 11, 2010 Slide 30 Build on fast development in IT and electronics
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
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
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
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
Integrated Operations require Integrated System Architecture Oil & Gas example October 11, 2010 Slide 35
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
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
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-113 221Q105 CI 221I328 FI 424I303 A51 424I312 P-117 424I450 424I460 HC2 HC3 LC 542I286 P-60 DI 542I271 lab 542Q110 October 11, 2010 Slide 38
October 11, 2010 Slide 39 620,000 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 O799 411Q101 412Q101 542Q126 DI 542I271 542Q129 542Q128 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 543I301 542I291 LC 542I293 LC 542I286 FI 523I626 LC 542I285 FI 523625 542I282 543I326 543I328 542I550 FI 542I506 LC 542I223 542I247 542I249 DCA01 523I621 542I220 542I212 542I216 LVA04 542I901 LVA04 542I904 LVA04 542I907 542Q123 543I301 DC 543I302 AI 543I360 AI 543I322 P-219 A02 543I315 A01 543I315 543I306 FI 523I627 LC 542I457 LC 542I458 lab 542Q102 lab 542Q101 lab 542Q110 lab 523Q101 lab 523Q102 lab 523Q113 AI 523I531 AI 521I532 AI 521I535 523I513 LC 541I621 A01 541I620 541I620 AI 541I614 AI 501I644 541I643 541I645 721I101 SC 721I247 FDA02 523I577 A02 523I577 DI 523I583 FIA01 523I722 513I597 513I592 LC 523I540 513I124 LC 513I718 512I179 512I177 A01 512I315 A01 543I315 513I721 DC 513I717 501I870 L889 L887 512I183 P-220 513I735 513I709 513I714 FI 421I499 FI 513I705 721I159 MV I495 513I706 FIA01 512I187 FI 513I723 513I109 513I733 FI 513I733 LV 513I911 DI 513I437 LVA01 513I912 LV 513I903 513I710 513I736 LV 513I901 513I707 A01-SP 721I127 A01-SP 721I129 TC-SP 721I127 TC-EGU 721I127 SC 721I373 FI 721I327 731I197 A01 721I331 A01 721I341 A01 721I351 731I166 731I177 731I113 731I101 6ICO.ARTONH FI 303I301 SCA51 421I162 542I441 421I375 421I409 421I410 421I464 421I860 E-130 P-221 P-222 421I103 421I441 M51 O472 P-223 FI 422I641 422I510 422I509 422I618 422I654 A55 422I559 A51 422I559 A51 422I565 A53 422I566 51 422I258 A51 422I255 422I501 422I506 A51 421I441 A51 422I642 A51 422I622 422I670 LC 422I629 LC 422I639 A52 422I642 A51 422I618 A51 422I654 T101 421I428 LC 422I552 T114 051 421I103 LC 421I445 A52 421I428 T121 T178 A51 T107 T114 A51 T103 T111 T105 A51 T119 A51 T171 A51 T233 A51 T258 T226 424I309 vatten T269 FI 421I209 A51 424I312 424I450 424I460 FI 424I301 FI 424I302 FI 424I303 611I611 O779 O626 FI 304I409 O101 M51 O101 A51 O258 O258 O271 411I118 411I258 O331 O425 M51 O333 O401 O334 O333 O404 M51 O143 O602 412I749 C625 413I468 C526 413I571 FA01 413I468 611.dryout P-229 542Q114 DC 513I762 DC 513I761 513I701 DC 513I734 LC 513I731 513I738 DI 513I345 LC 513I772 DI 513I823 513I798 513I792 AIMV1 523I578 A03 542I212 421Q105 421Q103 M856 A01 523I284 542Q119 A52 423I105 A51 423I119 XD 423Q113 CI 221I328 LVA01 542I903 LVA01 542I906 LVA01 542I909 MIHAST 523T027 FI 523I510 FI 501I764 413Q109 411Q106 41Q105 412Q102 O473 O648 O775 422Q104 LC 541I658 lab 721I901 721I186 541Q103 541Q101 LV 721I902 541Q102 541Q106 541Q107 541Q109 541Q104 541Q105 A05 721I101 A01 721I101 541I628 501I683 501I761 523I514 FI 512I163 541I613 P-230 A51 421I428 221Q105 P-231 QC 413i467 411I260 MV O110 AI 501I644 AI 501I633
1960s: Production optimization at Gruvön Pulp Mill Licentiate thesis by Bengt Pettersson Figures courtesy of Karl Johan Åström October 11, 2010 Slide 40
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Sisällys ABB:n yritysesittely Prosessiautomaatio alkumetreiltä nykypäivään Mihin prosessiautomaatiota tarvitaan? Tyypillinen nykyaikainen automaatiojärjestelmä Automaation kehitystrendit Integraatio käytännössä käytännön esimerkkejä October 11, 2010 Slide 50
Asset Optimization Demo realization ECS model 800xA October 11, 2010 Slide 51
October 11, 2010 Slide 52