Print

Technologie pokročilého řízení procesů (APC) zlepšuje fungování rafinérií a chemických závodů

-- 09.12.2019

Aplikace technologií APC nové generace rozbíjí procesní bariéry v rámci výrobních zařízení.

Zpracovatelské průmyslové podniky, včetně rafinérií a petrochemických závodů, aktivně hledají příležitosti k optimalizaci celého dodavatelského řetězce, aby byly schopny přežít náročné poměry. Ekonomika národních provozních společností se výrazně liší od navazujících mezinárodních organizací. Přesto všichni pátrají po způsobech, jak zvýšit výrobní marže, zlepšit bezpečnostní výkon a maximalizovat spolehlivost výrobních zařízení.

Výchozí suroviny a energie jsou hlavními nákladovými položkami, takže společnosti musejí sledovat celý dodavatelský řetězec, aby optimalizovaly spotřebu surovin při nakupování za nejlepší hodnotu bez snížení kvality. Stejně tak se firmy snaží o nižší spotřebu energie a minimalizaci odpadu. Jedna z možností, pomocí níž organizace usilují o zlepšení konkurenční pozice, je realizace projektů automatizace/optimalizace, přičemž rozhodující součástí tohoto úsilí je zavádění modulů pokročilého řízení procesů (APC).

Nástroje sloužící k inovacím

Strategie automatizace a optimalizace se zaměřují na to, jak naplánovat operace na výrobu vysoce poptávaných pohonných hmot, včetně dalších petrochemických a chemických produktů, a současně jak zvýšit výnosy a šetřit energie. Zejména v petrochemické a chemické výrobě být tím, kdo dosahuje nejnižších nákladů během výroby, znamená nacházet se ve výhodné pozici, jenže snižování nákladů vyžaduje v praxi omezení výskytu poruch procesu a prostojů.

Od 80. let 20. století používají společnosti různé automatizační/optimalizační programy, včetně raných systémů APC, aby byly schopny lépe spravovat své výrobní náklady a zdokonalovat každodenní provoz. Programy APC první generace trpěly četnými problémy:

  • vývoj s tehdy dostupnými počítačovými technologiemi, softwarem a polními přístroji byl zdlouhavý;
  • softwarové programy APC se obtížně udržovaly kvůli častým změnám procesu, přísunu materiálu a stupně jakosti;
  • počáteční modely APC nefungovaly dobře při nelineárních podmínkách zpracování;
  • systémy vyžadovaly častou pozornost řídících techniků a opakovanou údržbu.

Novější technologie APC tyto problémy řeší a přinášejí také další vylepšení.

Technologie APC posledních 20 let těží z nové výpočetní síly počítačů, ze sofistikovanějších „inteligentních“ přístrojů a z bezdrátových technologií. Špičkové počítačové funkce a softwary jsou schopny podporovat složité simulační modely, které umožňují programům APC dostat z provozovaných zařízení maximum. Jádrem tohoto vývoje je schopnost přesněji řídit operace zpracování. Pokračující vývoj řízení s více proměnnými (MVC) přesně definuje podmínky zpracování a je tedy klíčovou součástí APC.

Vylepšené MVC podporuje prediktivní řízení pomocí dynamických procesních modelů. To umožňuje:

  • maximalizaci kapacity procesu – posouvání různých omezení procesu do oblasti bezpečného provozování;
  • minimalizaci prostojů a zvýšení dostupnosti jednotek/zařízení;
  • uvolnění času obsluhy, aby mohla provádět další důležité úkoly;
  • snížení míry zmetkovosti produktu (minimalizování tvorby odpadu / produktu mimo specifikaci);
  • optimalizaci využití energie napříč procesními jednotkami i celými podniky.

MVC je jednou ze dvou hlavních složek APC, druhou je rozšířená spojitá regulace (ERC). Obrázek 1 je grafickým znázorněním výhod, které tyto složky přinášejí, co se týče výdajů z investic. Optimalizace rovněž přináší významné výhody, ale není považována za součást APC.

Jak je zobrazeno na obrázku 1, komponenty APC s největším poměrem přínosů a nákladů jsou ERC a MVC. Technologie APC nové generace snižují náklady v těchto dvou oblastech. Příkladem je platforma pro pokročilé řízení a odhadování (PACE), vyvinutá společnostmi Shell Global Solutions (Shell) a Yokogawa, s podobnými produkty dostupnými od jiných dodavatelů, přičemž všechny tyto produkty jsou zde označovány jako APC nové generace.

Nová generace APC

Jak již bylo zmíněno, MVC a ERC jsou klíčovými součástmi úspěšné strategie APC. Nová generace APC kombinuje tyto dvě komponenty do jedné softwarové aplikace (viz obr. 2).

Nejúspěšnější instalace APC zaujímají holistický pohled na podnik s tím, že jsou vyvíjeny komplexní celopodnikové aplikace v rámci stejného pracovního prostoru, které jsou setříděny podle dalších zpracovatelů.

Modely MVC mohou být lineární, lineární dynamické nebo nelineární. Reakce procesu a operace jednotky vyžadují použití různých modelů k vytvoření modelů MVC. Lepší modelování procesu výrazně zlepšuje celkový řídicí výkon APC. Zejména ve fázi návrhu je pro generování lepších modelů velmi užitečné přidat další doplňující údaje o měření či procesu.

Řídicí jednotka používá procesní modely k řízení různých omezení aplikace. Lze ji konfigurovat zadáním regulovaných proměnných (CVs), poruchových proměnných (DVs), akčních proměnných (MVs) a mezilehlých procesních výstupních proměnných (POVs). Struktura modelu ovladače může být potvrzena pomocí prohlížeče grafických modelů a poskytnout jasné vizuální informace ohledně CVs, DVs, MVs, POVs a vzájemných vztahů modelu. Prohlížeč grafického modelu ukazuje projektantovi řízení, jaká POVs ovlivňují určitá CVs a zda jsou konkrétní CVs ve vzájemném vztahu.

Estimátor uvádí do vzájemného vztahu MVs a DVs s POVs. POVs mohou rovněž zásobovat další POVs, což poskytuje větší flexibilitu při definování vztahu mezi proměnnými a zejména to, jak jsou predikční chyby předpovídány jiným POVs. Teprve později v procesu návrhu zvolí projektant POVs, zda se stanou řízenými proměnnými (CVs). Identifikace modelu pomocí POVs je často jednodušší a robustnější, protože projektant řízení umístí mezi POVs spíše řadu modelů než vztah MV vůči CV, který mezi nimi může mít mnoho procesních operací.

Komplexní simulace strategie APC je dosaženo prostřednictvím několika kroků:

  • definování simulační sekvence: nastavte podrobnosti o provedení procesoru a konfiguraci řídicí jednotky;
  • vytváření scénářů pro simulaci: identifikujte poruchy modelu nebo činnosti operátora;
  • vývojové případy: definujte jeden nebo více scénářů ke kontrole;
  • provádění simulace: shromažďujte a ukládejte výsledky simulace pro kontrolu;
  • porovnání výsledků simulace: spusťte simulaci pro více scénářů a proveďte kontrolu porovnáním výsledků simulace.

Holistický vývoj APC

Rané technologie APC potřebovaly spolupráci s jinými aplikacemi, jako jsou odhady kvality a uživatelské výpočty. Nová generace APC zlepšuje nasazení řídicí aplikace prostřednictvím sekvenčních procesorů (ovladač, estimátor a další). Jak je znázorněno na obrázku 3, procesní MVs a DVs jsou společně používány na řídicí a odhadovací úrovni.

Úplná funkce odhadu je integrována do řídicí jednotky, přičemž estimátor používá nelineární vztahy. Pomocí této funkce mohou projekce z odhadovací úrovně kalibrovat řídicí úroveň (vrstvu) a zisky v řídicí úrovni lze automaticky aktualizovat. Nová generace APC umožňuje použití různých bloků modelu v odhadovací a řídicí úrovni. Pracovníci zodpovědní za měření a regulaci jsou schopni nakonfigurovat nelineární model na odhadovací úrovni, aby zvládl nelinearity skutečných operací.

Nelineární funkce vytvořené POVs odrážejí skutečnou nelineární dynamiku provozních podmínek. Takové křížové využití dat zkracuje dobu vývoje aplikací a výrazně zlepšuje možnosti řízení. Prohlížeč grafického modelu umožňuje vizualizaci vztahů příčin a následků mezi MVs, DVs, POVs a CVs, což poskytuje technikovi možnost prohlížet vybrané proměnné ve statickém zobrazení.

Stejně jako u každé instalace softwaru je pochopení životního cyklu nezbytné pro dosažení úspěchu. Fáze životního cyklu pro implementaci APC nové generace jsou následující:

  • design;
  • inscenace (pro čtení);
  • uplatnění naživo – live (pro čtení a zápis);
  • archivace.

Fáze návrhu využívá jediný pracovní prostor pro správu dat, modelování dynamiky procesů a simulace založené na scénářích, zatímco fáze inscenace a fáze „naživo“ závisejí na době běhu komponent rozhraní lidského stroje, úložiště dat a rozhraní OPC (viz obr. 4).

Předběžné kontrolní matice a výsledky modelu z fáze návrhu jsou sdíleny prostředím runtime. V rámci APC nové generace jsou možné dva režimy provozu: inscenovaný (pouze pro čtení) a živý (pro čtení a zápis). Paralelní provoz dvou modelů umožňuje řídícímu technikovi ověřit nové modifikace představeného modelu před aktivací nových změn řízení v živé verzi.

APC v akci

Jedna chemická společnost měla ve svém závodě ve Španělsku rozběhnutých několik projektů. V roce 2016 se rozhodla realizovat projekt APC na vybrané jednotce ve spolupráci se společností Yokogawa. Jednotkou vybranou pro tento projekt APC byla destilační jednotka cyklohexanu (CX), protože zobrazuje typické procesní charakteristiky, ve kterých lze úspěšně aplikovat technologii APC:

  • vysoká spotřeba energií;
  • operátoři čelí výzvám souvisejícím s řízením a regulací;
  • je třeba lépe řídit omezení, která vyplývají z procesů / provozních operací.

Potenciálním pozitivním dopadem na výkon procesu byla v tomto případě příležitost zlepšit selektivitu reaktoru napájeného produktem cyklohexanu z destilace.

Platforma pro pokročilé řízení a odhad procesů je technologie řízení s více proměnnými od společnosti Yokogawa, jež byla vyvinuta ve spolupráci se společností Shell. Tato platforma APC byla vydána ve 4. čtvrtletí 2015 a je implementována po celém světě, včetně popisovaného projektu.

Pozadí procesu

Zjednodušený vývojový diagram procesu je znázorněn na obrázku 5.

Rozsah APC v tomto projektu zahrnuje fázi č. 1 a č. 2 destilace CX. CX je oxidován vzduchem v přítomnosti katalyzátoru, čímž se získají hlavní reakční produkty ON (cyklohexanon) a OL (cyklohexanol). Konverze reaktoru je velmi nízká, takže většina výstupního proudu je nezreagovaný CX, který je recyklován do reaktoru z destilačních jednotek. Tyto jednotky sestávají z několika destilačních kolon, přičemž hlavním produktem je nezreagovaný CX. ON + OL se dále zpracovávají v jiných jednotkách za účelem výroby kaprolaktamu. Kaprolaktam je předchůdce nylonu 6, což je široce používaný syntetický polymer.

Cíle a výzvy

Hlavní cíle projektu APC byly stanoveny následovně:

  • Regulovat dlouhé recyklované nečistoty (% ON + OL) měřené on-line analyzátorem. Obsah nečistot by měl být minimalizován, aby byla zajištěna dobrá selektivita v reaktoru. Před zavedením APC nebyla tato proměnná pod automatickou kontrolou, protože analyzátor je chromatograf s dobou vzorkování 14 minut, což vedlo k dlouhému zpoždění mezi aktualizacemi procesní proměnné a následně ke špatnému výkonu PID regulátoru.
  • Maximalizovat krátké recyklační a dlouhé recyklační proudy pro zlepšení selektivity reakce a snížení nežádoucích vedlejších produktů. To vyžaduje další energii ve formě většího množství páry požadovaného destilačními kolonami, takže musíme být schopni řídit procesní omezení v případech, kdy jsou recyklační proudy vysoké.

Druhý destilační stupeň má dvě kolony v konfiguraci s dvojitým účinkem. Regulací hladiny ve spodních částech druhé kolony na požadovanou hodnotu úpravou průtoku páry z prvního kolonového vařáku je udržována hmotnostní rovnováha jednotky, protože rychlost páry ovlivňuje přidání čerstvého přívodu CX.

Provoz zařízení není pro operátora snadný a vyžaduje velkou pozornost. Jedním z důvodů je obtížnost ovládání výše uvedené úrovně hladiny z důvodu dlouhé doby odezvy a silné interakce mezi rychlostí páry v prvním sloupci a rychlostí recyklace. Před zavedením APC byla hladina řízena pravidelnou PID smyčkou, ale výkon nebyl přiměřený. Další problém pro obsluhu představuje řízení omezení jednotky, protože je žádoucí maximalizovat recyklační rychlosti CX, což vyžaduje časté manuální zásahy.

Maximalizace recyklace povede ke zvýšenému zpětnému proudění kolony, aby byla zachována čistota recyklovaného proudu. Zvýšené zpětné proudění přivede jednotku k určitým omezením. Nastavení žádané hodnoty vysoké čistoty a zvýšení recyklace je žádoucí z hlediska dopadu na selektivitu, ale musí být mezi nimi dosaženo kompromisu. Pokud člověk nastaví nižší žádanou hodnotu čistoty, bude schopen dosáhnout vyššího recyklovaného proudu a naopak. Správné cíle a limity pro APC byly stanoveny na základě pozorování skutečného výkonu jednotky. Další míra optimalizace představuje neustále probíhající proces.

Jednotlivé kroky projektu

Projekt byl realizován po dobu pěti měsíců s následujícím sledem činností:

Fáze 1: Studie proveditelnosti a ekonomické zhodnocení

K ověření reakcí jednotky byly provedeny předběžné testy zařízení. Byl vyvinut první návrh modelu APC. Očekávané ekonomické přínosy byly odhadnuty pro ověření životaschopnosti projektu.

Fáze 2: Implementace modelu APC

Kontrola základní úrovně k zajištění správného výkonu regulačních ovládacích prvků pro účely APC a jemné doladění některých smyček PID. Tím bylo zajištěno, že základna je vhodná pro APC aplikaci.

  • Testování krok za krokem: Bylo provedeno postupné testování příslušných akčních proměnných a byla shromážděna data o skutečné dynamické odezvě. Data byla poté použita k vývoji modelu potřebného pro řídicí jednotku.
  • Návrh a simulace řídicí jednotky: Nakonfigurování řídicí jednotky ve vývojovém systému, otestování simulace a příprava řídicí jednotky k implementaci do řídicího systému runtime.
  • Uvedení do provozu: Uzavření smyček APC, sledování výkonu a doladění.
  • Postimplementační studie: Ověření skutečně dosažených přínosů.

Všechny výše uvedené činnosti zahrnovaly velmi úzkou spolupráci mezi zaměstnanci chemické společnosti, včetně jejích technologických a provozních oddělení, a techniky společnosti Yokogawa APC.

Ekonomické výhody

Bylo zjištěno, že dosažené přínosy aplikace APC jsou v souladu s odhady studie proveditelnosti. Výhody plynou ze zlepšené selektivity v reaktoru v důsledku propracovanějšího řízení čistoty recyklace CX a maximalizace recyklačního toku CX, což je umožněno právě použitím aplikace APC.

Obecné trendy v odvětví vedly ke snížení počtu technických pracovníků na mnoha navazujících pracovištích, což vyžadovalo outsourcing některých složitých a specializovaných projektů, jako jsou implementace APC. Úspěch při outsourcingu projektu APC závisí na zkušenostech a odborných znalostech vybraného konzultanta APC, takže toto rozhodnutí musí být učiněno s rozvahou.

Projekty APC zpravidla trvají přibližně 6 až 12 měsíců od provedení návrhu až po instalaci. Typický projekt APC zahrnuje:

  • Studii proveditelnosti: Během studie se v rámci podniku provádí kontrola procesu a základní úrovně, včetně sestavení vývojového diagramu procesu a stanovení konkrétních doporučení. Pohled na podnik jako na celek vytváří větší příležitost pro vylepšení souvisejících provozních činností. Studie by rovněž měla zahrnovat analýzu přínosů, která by přesně ukázala, jak daný projekt přispěje k vyššímu výkonu zařízení.
  • Zdokonalení spojité regulace: Aby byl projekt APC úspěšný, vyžaduje vytvoření pevného základu. Před instalací aplikace APC je proto často nutné provést základní ladění a vylepšení smyčky.
  • Implementaci APC: Protože každé navazující zařízení je jedinečné, je nutno vypracovat podrobný návrh a přezkoumat APC. Obecná řešení APC nesplňují jemné detaily při řízení jednotlivých procesních jednotek a následných zařízení. Použití odhadu kvality na data podniku umožňuje jemné vyladění strategie APC. Krokové testování generuje robustní model pro ověření reakcí zařízení, co se týče vlastních omezení. Simulace a testování jsou velmi důležité při finalizaci modelu APC před samotným uvedením do provozu. Stejně jako u každého zavádění vyžadujícího změny procesu je i v tomto případě nezbytné provést důkladné proškolení obsluhy a předat průvodní dokumentaci.

Zde jsou některé z klíčových kroků při implementaci APC:

  • předběžný test;
  • krokový test;
  • technologie rozhraní DCS;
  • uvedení do provozu;
  • předání díla.

Během každého kroku by měl konzultant poskytovat stálé monitorování, aby mohl operátorům udělovat rady ohledně stanovení správných limitů proměnných veličin v řídicí jednotce, podle potřeby aktualizovat parametry ladění smyčky a aktualizovat modely, aby vyhovovaly drastickým změnám v dynamice procesu v důsledku zpětných reakcí nebo změn zařízení.

Jakmile je řídicí systém aktivován, je doporučeno přezkoumání nového výkonu APC po implementaci. Procesní podmínky se neustále mění; v důsledku toho audity a přezkumy výkonnosti potvrzují, že strategie APC dodržuje cíle, které byly stanoveny v původním návrhu.

Inovace s pohledem do budoucna

Technologie APC jsou na trhu k dispozici více než 30 let.  V souvislosti s tím, jak se objevily nové inovace v oblasti hardwaru a softwaru, byly moderní aplikace APC rychle přijímány dotyčnými společnostmi. Na trhu je k dispozici mnoho řešení APC. Aplikace APC však také měla a má své mouchy, které bylo a je zapotřebí vychytat. Uživatelé po APC požadují:

  • rychle upotřebitelná řešení APC vyžadující méně času na vyprojektování a údržbu;
  • vizualizační nástroje, které dovolují operátorům a technikům sledovat a monitorovat provoz procesních jednotek při kontrole řídicích proměnných;
  • integrované platformy pro zvýšení technické účinnosti.

Vybraná technologie APC nové generace musí splňovat tyto uživatelské požadavky. Rozhraní prohlížeče grafického modelu používá organizovanou hierarchii pro snadnou vizualizaci stavu procesu a řídicího systému. Provozovatelé a technici mohou v případě potřeby rychle přistupovat k relevantním informacím a provádět příslušné změny v aplikaci APC.

Kombinováním všech těchto nástrojů a funkcí lze technologii APC implementovat a udržovat na takové úrovni, aby bylo dosaženo významných a udržitelných zlepšení výkonu zařízení.

Hiroshi Wakasugi je generální ředitel oddělení pro pokročilá procesní řešení ve společnosti Yokogawa a je přímo zodpovědný za problematiku APC a simulaci procesů.

Sanjay Venugopal je specialista na pokročilé řízení procesů ve společnosti Yokogawa a je přímo zodpovědný za globální propagaci firemní aplikace APC.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Digitální výroba 2020
2020-06-09 - 2020-06-10
Místo: Praha
Digitální logistika 2020
2020-06-10 - 2020-06-10
Místo: Brno
Marketing 4 Engineering
2020-06-11 - 2020-06-11
Místo: Praha
Nekonvenční zdroje elektrické energie
2020-08-04 - 2020-08-06
Místo: Hotel Ryšavý, Vémyslice

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Vyskočilova 1561/4a
14000 Praha 4
tel. +420739552216

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2020 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI