Kогда вы знаете свои ресурсы

Измерение и управление
Kогда вы знаете свои ресурсы
Техническое обслуживание на основе автоматического контроля состояния
оборудования на прокатном стане предприятия Outokumpu
Maгнус Тунклев, Пeр-Oлаф Гелин, Aндерс Бохлин
Для непрерывного производства, рабо-
чается в знании «состояния здоровья»
Теперь одна такая система уже есть.
тающего в круглосуточном режиме, неза-
каждого вида ресурсов – текущего
Это результат тесного сотрудничества
планированные простои могут обходиться
состояния и ожидаемого момента отка-
между компанией АББ и предприятием
чрезвычайно дорого. Само собой разуме-
за. В сложной системе получить такую
Outokumpu в шведском городе Aвес-
ется, что надлежащее техническое обслу-
информацию не так-то просто. Системы,
та. Эта система даёт необходимую
живание весьма сильно влияет не только
которые способны осуществлять теку-
информацию об износе материальных
на производительность, но и на качество
щий контроль технического состояния
ресурсов, а также об оставшемся сроке
продукции. Поэтому чёткая стратегия тех-
и прогнозировать оставшийся срок служ-
службы для наиболее важных из них
нического обслуживания, направленная
бы, действительно существуют. Однако
(например, подшипников оборудования
на обеспечение надёжности и высокой
комплексного решения, применимого
технологической линии). Система может
технической готовности оборудования, –
к любому виду средств производства
прогнозировать момент отказа ресурса
это вопрос исключительной важности.
и опирающегося на какую-либо промыш-
и существенно улучшать общее планиро-
ленную платформу программного обес-
вание технического обслуживания.
Секрет совершенствования планирова-
печения, до сегодняшнего дня на рынке
ния технического обслуживания заклю-
не было.
АББ Ревю 4 /2006
63
Kогда вы знаете свои ресурсы
Измерение и управление
В
течение многих лет оптимизация и точная
наладка были нормой при автоматизации
управления производственными процессами.
Вследствие такой практики в этих областях почти
не осталось «запасов на совершенствование». Возросший показатель общей эффективности оборудования (OEE) 1) быстро стал ключевым для многих производственных подразделений. Поскольку
незапланированный простой обходится любому
производству крайне дорого, всё внимание
было сосредоточено на оптимизации ресурсов
и на планировании их технического обслуживания. Хорошо отлаженная система технического
обслуживания жизненно необходима, если она
способна повысить окупаемость оборудования.
Оставшийся срок службы,
определяемый на основе
степени износа, – это лишь
грубая оценка того, что будет происходить с ресурсом при равномерном
ежедневном износе.
Техническое обслуживание на основе автоматического контроля состояния оборудования – это
автоматизированный процесс, в ходе которого
предпринимаются попытки выявить зарождающиеся отказы до того, как они превратятся в критические. В свою очередь, это приводит к более
тщательному планированию предупредительного
технического обслуживания. Существуют несколько систем текущего контроля состояния,
различающихся между собой тем, что в одних
используются данные статистики имевших место
отказов, а в других – моделирование основных
принципов работы.
1
На прокатном стане предприятия Outokumpu2)
в г. Авеста (рис. 1) такие системы не подходили –
требовалась система, которая могла бы осуществлять полный комплексный контроль текущего
состояния оборудования в режиме реального времени и могла бы быть использована для любого
материального ресурса из состава производственных мощностей, обеспечивая информацию о его
состоянии, степени износа и оставшемся сроке
службы. Такая система могла бы также значительно улучшить планирование технического обслуживания для того, чтобы избежать дорогостоящих
незапланированных простоев или ненужного
профилактического обслуживания. Компания
Outokumpu обратилась к компании АББ и в результате совместных действий была разработана
система, не только удовлетворяющая всем вышеприведённым рекомендациям, но и являющаяся
полностью универсальной для любого промышленного предприятия.
Совместное техническое решение двух компаний в большей степени основано на ранее разработанной компанией АББ «Расширенной системе автоматизированного управления 800xA»3),
позволяющей эффективно и плавно интегрировать в одно целое собственные разработки
компании АББ со сторонними техническими
решениями, например, компьютеризованными
системами управления техническим обслуживанием. Платформа системы управления 800xA
обеспечивает всю основную функциональность,
необходимую для эффективной разработки
и интеграции решений по автоматическому
контролю текущего технического состояния
в дополнение к традиционному управлению
производственным процессом.
Ниже более детально описываются вопросы
оптимизации ресурсов и технические решения
по контролю текущего технического состояния.
Прокатный стан предприятия Outokumpu в г. Aвестa.
Общий взгляд на систему
В целом описываемое техническое решение
состоит из набора приложений, перечисленных
во вставке на данной странице. Наряду с уже
существующими программными инструментами от компании АББ в наборе есть и новые
программы, разработанные для определения
износа и срока службы материального ресурса.
Такой набор позволяет: вычислять степень износа
подшипников, выявлять выходы подшипников
из строя, оценивать оставшийся срок службы,
выявлять отклонения от нормальной работы,
диагностировать датчики и отправлять SMS-сообщения и письма по электронной почте.
Техническое обслуживание
на основе автоматического
контроля состояния оборудования – это автоматизированный процесс, в ходе
которого предпринимаются попытки выявить зарождающиеся отказы до того,
как они превратятся в критические.
На рис. 2 показано типичное отображение
состояния ресурса на экране компьютера.
В диагностике используются три типа сигналов:
зелёные (Норма), жёлтые (Внимание!) и красные
(Авария!), оставшийся срок службы выражается
в часах работы. Если возникает какая-либо проблема, соответствующие данные можно просмотреть и проанализировать, входя на различные
подуровни, где содержится более подробная
информация. В рассматриваемой системе есть одна заслуживающая упоминания характеристика,
связанная со степенью износа. Прежде всего это
касается отдельных частей, например, тянущих
валков, заменяемых по различным причинам
Компоненты системы, установленные на прокатном стане предприятия Outokumpu
■ 800xA SV 3.1
■ Оптимизатор ресурсов и Мониторы ресурсов
■ InformIT
■ Система отслеживания износа (новая)
■ Cистема отслеживания жёсткости условий
(новая)
■ Модуль DriveMonitor для диагностики подшипников
■ Система Argus CC4 для сбора данных
■ Сервер Argus OPC (новый)
■ Средство создания модели PCA (новое)
64
АББ Ревю 4/2006
Kогда вы знаете свои ресурсы
Измерение и управление
и переставляемых в различные положения. Функция идентификации параметров хранения любого материального ресурса активируется оператором
вручную через систему отслеживания
износа (рис. 3). Если бывший в употреблении ресурс используется вновь
(например, уже работавший тянущий
валок устанавливается в новое положение), запрашиваются данные о его имеющемся износе и исчисление износа
продолжается с этого значения.
Важно понимать, как определяется
срок службы ресурса. Есть несколько
способов этого, но все они связаны
с определением понятия «отказ». Отказ
определяется как наступление необходимости замены ресурса по причине шума, возникновения вибраций
или ухудшения характеристик, предшествующих механической поломке.
2
Подуровень верхнего тянущего валка с системой выявления неисправных
подшипников и аномалий работы, расчёта износа и контроля состояния
датчиков.
3
Отображение на экране конфигурации подшипника и выбора идентификационного параметра.
Оставшийся срок службы можно рассчитать, если известны степень износа
и наработка ресурса. При оценке износа подшипников и срока их службы
под определённой нагрузкой обычно
используется методика L10 [2] компании SKF. Самое трудное здесь – учесть
все изменения нагрузки и скорости
вращения и рассчитать степень износа
путём интегрирования по времени.
Прежде всего, данные о нагрузке и скорости вращения в течение длительного
времени собираются специальной
системой регистрации данных Argus4),
после чего в формате ОРС передаются в систему 800хА. Оставшийся срок службы,
определяемый на основе степени износа, – это
лишь грубая оценка того, что будет происходить с ресурсом при равномерном ежедневном
износе. Точное же определение степени износа
не представляется возможным из-за того, что износ зависит и от факторов окружающей среды
(несоосность, подшипниковые токи, трещины,
расшатанность).
По практическим соображениям расчёт износа
подшипника производится отдельно для каждого
из 4-х периодов его срока службы (рис. 4): 1го – до введения сбора данных об износе (это
относится к подшипникам, эксплуатация которых
началась задолго до введения рассматриваемой
системы; понятно, что для новых подшипников
длительность этого периода равна нулю); 2го – от введения сбора данных вплоть до момента
выпуска предыдущей партии; 3-го – с момента
выпуска последней партии до настоящего времени; 4-го – прогнозируемого периода, в котором
прогноз осуществляется на основе данных о текущем износе.
Период до введения сбора
данных об износе
Весьма вероятно, что многие подшипники до введения сбора данных
об износе находились в эксплуатации уже несколько месяцев. Чтобы
учесть это при расчёте износа,
в системе ABB/Outokumpu это «доисторическое» время представлено
параметром Т0 (рис. 3). Оценка износа в будущем и до введения сбора
данных производится усреднением
данных, полученных за время эксплуатации после введения их сбора.
Это оправдано, поскольку, хотя
износ подшипников разных партий
может различаться, его значения
сходятся к определённому среднему значению. В качестве такового
могут использоваться: отношение
наработки к общему времени,
величина износа за 1 оборот подшипника, число оборотов за время
наработки. Поскольку используются данные, собранные с момента
начала сбора данных, их средние
значения приходится постоянно
обновлять, но через несколько недель сходимость результатов будет
очевидна5). Значение общей степени износа определяется как сумма
значений износов на каждом
из указанных периодов времени.
Значения оставшейся наработки
и оставшегося общего срока службы можно рассчитать опять-таки
на основе средних значений, о которых говорилось выше.
Обнаружение аномалий
Датчики – глаза и уши управления технологическим процессом; благодаря им, контролирующим
все стороны производственного процесса, этот
процесс идёт, давая жизнь предприятию. Однако,
хотя и весьма редко, происходят аварии и, если
они вовремя не зафиксированы достаточно точно
по времени и месту, это вызывает серьёзные проблемы, особенно, если имела место новая, ранее
не встречавшаяся неисправность. Это обстоятельство должно учитываться при разработке любой
новой системы.
1)
Показатель общей эффективности оборудования – принятый в промышленности критерий для измерения и контроля характеристик производственного процесса.
2)
Outokumpu – международная компания по производству нержавеющей стали и разработке сопутствующих технологий, головной офис находится в г. Эспоо, Финляндия.
3)
Система 800xA – это платформа автоматизации, объединяющая ядро системы автоматизации предприятия (систему управления технологическим процессом) со всеми прикладными инструментами, влияющими на производительность и эффективность производства: технологией, организацией документооборота, контролем качества, техникой безопасности, интеллектуальными устройствами, системой оптимизации ресурсов и управления их техническим обслуживанием. Более подробную информацию можно получить на сайте
http://www. abb. com., на странице Product Guide в разделе Control Systems выберите 800xA.
4)
Система Argus разработана подразделением ABB Service.
5)
Короткая остановка в начале производственного процесса существенно снижает отношение времени работы оборудования к полному времени и влияет на результат вычислений.
По истечении нескольких недель это влияние практически исчезает.
АББ Ревю 4 /2006
65
Kогда вы знаете свои ресурсы
Измерение и управление
Такая система могла бы также значительно улучшить
планирование технического обслуживания для того,
чтобы избежать дорогостоящих незапланированных простоев или ненужного
профилактического
обслуживания.
При применении модели PCA к новому бездефектному подшипнику,
оставшийся срок службы определяется как бесконечно большой. Это
нереально, поэтому следует ориентироваться на значение оставшегося
срока службы, рассчитываемое
по значению степени износа. Модель
PCA даёт реальное значение оставшегося срока службы только в случае
обнаружения отказа. Надёжность
этой оценки достаточно высока,
66
так как в этой модели наилучшим образом прогнозируется развитие отказа.
Готовый рулон металла
4
Различные периоды времени для расчёта износа.
Новый интервал:
Износ, накопившийся с момента предыдущего его вычисления. Добавляется к значению,
накопившемуся в предыдущем периоде.
Величина износа за 1 оборот
Наиболее предпочтительный
метод обнаружения отклонений
от нормальной работы какой-либо
системы – дать этой системе поработать при нормальных условиях.
Для моделирования нормального
функционирования системы был
выбран метод снижения числа линейных переменных, называемый
анализом главных компонентов
(Principal Component Analysis, PCA)6).
Разработанное в рамках проекта
приложение на основе модели PCA
является универсальным и применимо к обработке данных в любом
виде. На предприятии Outokumpu
это приложение было применено
к обработке данных о вибрациях.
Если в оборудовании развивается
отказ, отклонение от нормальной
работы (в пространстве переменных
PCA) можно увидеть в остаточном
значении Q новых данных, проецирующихся на модель PCA. Поскольку
при развитии отказа значение Q возрастает, по скорости этого возрастания можно предсказать, через какое
время будет достигнут некий заранее
заданный «аварийный порог».
Время
Установка под- Начало сбора данных
шипника в обо- о техническом состоярудование
нии подшипника
Период до начала сбора
данных (Т0)
5
Период от начала сбора
данных до выпуска предыдущей партии
Ожидаемый
момент выхода
из строя
Прогнозируемый период
(длительность рассчитывается по усреднённым данным текущего износа)
Диагностический модуль DriveMonitor отображает результат быстрого
преобразования Фурье для спектра вибраций при разгоне вытяжного
вентилятора. Возможно, имеет место поломка внешнего кольца подшипника, установленного со стороны рабочего колеса вентилятора.
Определение состояния материального ресурса
Каждый подшипник подлежит конфигурированию, а частота наиболее характерных отказов подшипника рассчитывается по данным его изготовителя.
Реальное текущее состояние подшипников (исправен или сломан) определяется с помощью диагностического модуля
DriveMonitor [1]. Этот модуль определяет
в режиме реального времени дефекты
внутреннего и внешнего колец, а также
роликов подшипника. С помощью
этого же приложения можно конфигурировать алгоритмы определения
отказов и других видов материальных
ресурсов. Например, чтобы выявить
отказ датчика в акселерометрах (рис.
5), вычисляются смещение и стандартная девиация сигнала акселерометра.
Если при этом достигается некоторый
заранее заданный пороговый уровень,
подаётся аварийный сигнал. За пределами сферы действия модуля DriveMonitor
действуют диагностические программы
Asset Monitors, которые непосредственно оперируют с некоторыми сигналами
(например, с сигналами датчиков
нагрузки и скорости, используемыми
при расчёте износа) для того, чтобы
получить информацию о том, действительно ли при превышении порогового
уровня сформированы аварийные
сигналы.
Однако, хотя и весьма редко, происходят
аварии и, если они
не зафиксированы
вовремя, это вызывает серьёзные
проблемы, особенно, если имела
место новая, ранее
не встречавшаяся
неисправность.
Экспериментальные результаты
Система оптимизации ресурсов
и контроля состояния оборудования
была установлена так, что объектами управления и контроля стали
АББ Ревю 4/2006
Kогда вы знаете свои ресурсы
Измерение и управление
6
Радиальные нагрузки на подшипники верхних тянущих валков со стороны
) и с противоположной стороны (
).
привода (
2.5
7
Тенденция изменения показателя Q данных о вибрации вытяжного вентилятора (получено с применением приложения с моделью РСА).
Радиальная нагрузка
x 105
Нагрузка, Н
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
50
100
150
Время, с
следующие четыре элемента прокатного стана:
верхние тянущие валки, нижние тянущие валки,
трёхвалковый стол и вытяжной вентилятор7).
Ниже рассматриваются данные о состоянии подшипников верхних тянущих валков, полученные
с использованием промышленного компьютера
системы Argus.
Нормальная длительность процесса прокатки
каждого сляба составляет 5-7 минут. В рассматриваемом примере нагрузки на подшипники (рис. 6)
и скорости вращения измерялись устройством
системы Argus, а затем сохранялись в файле.
Содержимое этого файла затем преобразовывалось сервером Argus OPC в матрицу OPC. Острые
пики нагрузки (рис. 6) появляются из-за ударов
концом каждого сляба по тянущим валкам после
того, как подцепленный крюком конец сляба
сходит с моталки. Инженеры подсчитали: если
эти пики уменьшить вдвое, до 1,2×105 Н, срок
службы подшипников вырос бы в 5 (!) раз. Расчёт
степени износа показывает, что различным слябам
соответствует и различный износ, скорее всего
из-за различной толщины слябов, различного
времени на их прокатку и особенностей прокатываемого материала. Вопрос влияния этих и других
переменных факторов на износ ещё ждёт своего
исследования.
Из полученных к настоящему времени результатов следует, что промежуток времени между
остановками прокатного стана на техническое
6)
200
250
обслуживание можно оправданно увеличить,
тем самым увеличив время рабочего состояния.
Такой алгоритм был опробован на приводной
стороне верхних тянущих валков. Разница в износе подшипников разных партий может быть
пятикратная. В таких же пределах может различаться и оставшийся срок службы подшипников.
На рис. 7 показана общая тенденция изменения
показателя Q данных о вибрации вытяжного вентилятора (получено с применением приложения
с моделью РСА).
Эта система оптимизации
ресурсов и контроля их состояния полностью применима к любому производственному процессу.
Выиграли все
Найденные решения в области оптимизации
ресурсов и контроля их технического состояния
открыли компании АББ новые, захватывающие
возможности для развития бизнеса. Так, если
описанную выше систему продвинуть на рынок
и продавать только для прокатного производства,
срок окупаемости разработки для компании
АББ составит 6 лет. Один из авторов настоящей
статьи, Андерс Бохлин, являющийся главным
менеджером проекта на предприятии Outokumpu,
полагает, что если внедряемая система оправдает
ожидания, срок её окупаемости для компании
Outokumpu будет очень коротким.
Как уже говорилось, эта система необычна
в том, что она полностью применима не только
к прокатному производству, а к любому производственному процессу вообще. А это означает,
что истинный потенциал бизнеса будет существенно больше, если система найдёт применение
во многих других отраслях промышленности (бумажной, нефтехимической, горнодобывающей,
цементной, фармацевтической или пищевой).
Maгнус Тунклев
ABB Corporate Research
Вестерос, Швеция
magnus. tunklev@se. abb. com
Пер-Олаф Гелин
ABB Industry Solutions
Вестерос, Швеция
per-olov. gelin@se. abb. com
Aндерс Бохлин
Outokumpu Stainless
Avesta Works Steckel Mill
Aвеста, Швеция
anders. bohlin@outokumpu. com
Анализ главного компонента (PCA) – мощное средство отыскания какой-либо системы или закономерности в обилии данных и представления данных таким образом, чтобы подчеркнуть их сходства и различия. Как только система найдена, массив данных можно сжать без существенной потери информации.
7)
Как со стороны привода, так и с противоположной стороны.
Литература
[1] Wnek, Maciej; Orkisz, Michal; Nowak, Jaroslaw; Legnani, Stefano; DriveMonitor: Embedded product intelligence that enhances lifecycle management and performance in drive systems;
http://www. abb. com
[2] SKF product documentation «SKF spherical roller bearings – setting a new standard for performance and reliability»
АББ Ревю 4 /2006
67