W przedsiębiorstwach branży chemicznej eksploatowane są różnorodne maszyny, urządzenia i instalacje realizujące specyfi czne funkcje i procesy. W każdym zakładzie chemicznym możemy znaleźć instalacje wysoko- i niskociśnieniowe, reaktory, piece, kotły, maszyny wirnikowe, tłokowe, hydrauliczne, mechaniczno-elektryczne, instalacje i osprzęt elektryczny oraz wiele innych. Cała infrastruktura techniczna bierze udział w wytwarzaniu, przesyłaniu i magazynowaniu różnego rodzajów mediów (ciał stałych, gazów i cieczy) przy zachowaniu odpowiednich parametrów procesowych. Istotnym zagadnieniem w przemyśle chemicznym jest bezpieczeństwo rozpatrywane z punktu widzenia człowieka, środowiska, infrastruktury przemysłowej i realizowanego przez nią procesu. Jeśli spojrzeć z punktu widzenia maszyn, urządzeń, instalacji i procesów, każda awaria może okazać się groźna w skutkach dla otoczenia, wliczając w to człowieka, infrastrukturę i środowisko. Z tego powodu istotnym zagadnieniem jest rzetelne monitorowanie i ocena stanu technicznego obiektów i procesów przemysłowych oraz warunków bezpieczeństwa.

Nowoczesne utrzymanie ruchu
Za bezpieczną i efektywną eksploatację maszyn i procesów w zakładzie przemysłowym powinni być odpowiedzialni wszyscy pracownicy, a wśród nich kluczową rolę powinny odgrywać prawidłowo zorganizowane i zarządzane służby utrzymania ruchu. Nowoczesne podejście do zarządzania utrzymaniem ruchu powinno uwzględniać różne zagadnienia, w tym nowoczesne strategie eksploatacji obiektów i procesów przemysłowych [4]. Istnieje kilka podstawowych modeli postępowania podczas eksploatacji obiektów. Optymalnym rozwiązaniem jest uwzględnienie wszystkich aspektów eksploatacji tak, aby zapewnić maksymalny poziom niezawodności i bezpieczeństwa eksploatowanych obiektów technicznych. Można to osiągnąć m.in. poprzez stosowanie w odpowiednich proporcjach podstawowych strategii utrzymania ruchu bazujących na działaniach reaktywnych, prewencyjnych, predykcyjnych i proaktywnych (rys. 1).

Przykładowy dobór proporcji stosowania strategii utrzymania ruchu zaprezentowano w tabeli 1. Jak widać strategie dobiera się na podstawie odpowiednio sklasyfi kowanych obiektów przemysłowych pod kątem ich ważności w realizacji procesu przemysłowego. Główną rolę w polityce służb utrzymania ruchu powinna odgrywać strategia eksploatacji wsparta na niezawodności (ang. Pro-Active, Prevention Maintenance). Jest ona fuzją strategii prewencyjnej i predykcyjnej, które wraz z analizą praprzyczyn uszkodzeń (ang. Root Cause Failure Analysis (RCFA)) mają zapobiegać występowaniu i powtarzaniu się problemów eksploatacyjnych w przyszłości. Jednym z podstawowych fundamentów strategii predykcyjnej jest diagnostyka techniczna mająca na celu dostarczenie informacji niezbędnych do przeciwdziałania powstaniu nieprzewidzianych awarii i przestojów. Celem predykcyjnej strategii utrzymania ruchu (ang. Predictive Maintenace, Condition-Based Maintenance) jest niedopuszczenie do wystąpienia awarii, którą należy rozumieć jako groźne w skutkach uszkodzenie wykluczające obiekt zwykle w sposób nagły z dalszej eksploatacji. Uszkodzenia są czymś naturalnym i mogą powstawać w wyniku zużycia, starzenia, zanieczyszczenia czy też podczas nieprawidłowej eksploatacji. Uszkodzenie można traktować w kategoriach pewnego destruktywnego procesu, który postępuje w czasie od chwili jego zaistnienia do momentu, w którym wywołuje nagłe zatrzymanie obiektu.

Zatem do wyjaśnienia istoty eksploatacji bazującej na stanie technicznym można posłużyć się krzywą niezawodności obrazującą zmianę stanu technicznego w czasie (rys. 2) [1].

Na krzywej można wskazać punkt (A), odpowiadający chwili wystąpienia nagłej i nieprzewidzianej awarii obiektu, co jest związane z niekontrolowanym wyłączeniem go z eksploatacji. Tego typu zdarzenie generuje zwykle największe straty zarówno produkcyjne, jak również obsługowe. Założeniem strategii predykcyjnej jest uniknięcie nagłej i nieprzewidzianej awarii. Należy, zatem przedefi niować pojące awarii i określić czas, w którym stan techniczny jest na takim poziomie, że obiekt przestaje realizować w pełni przynajmniej jedną z funkcji określoną w dokumentacji technicznej. Uszkodzenie takie nazywa się uszkodzeniem funkcjonalnym (F) i zwykle poprzedza moment wystąpienia awarii. Wystąpienie uszkodzenia funkcjonalnego wymaga wyłączenia maszyny z eksploatacji, jednak może to odbyć się w sposób kontrolowany. Warto zaznaczyć, że powstanie uszkodzenia niekoniecznie jest związane z wiekiem maszyny. Bardzo często na początku eksploatacji nowej maszyny mogą występować uszkodzenia nazywane potocznie „chorobami wieku niemowlęcego”. Każde uszkodzenie generuje symptomy (oznaki występowania), na podstawie których jesteśmy w stanie go wykryć, zidentyfi kować i zlokalizować. W chwili wykrycia symptomu uszkodzenia możemy mówić o zaistnieniu potencjalnego uszkodzenia (P). Wykrywając obecność uszkodzenia, można być pewnym, że nadejdzie chwila, kiedy wystąpi uszkodzenie funkcjonalne, a następnie awaria. Z punktu widzenia eksploatacji kluczowym parametrem staje się zatem okres czasu między punktami P-F (rys. 2). Okres P-F pozwala określić priorytety produkcyjne, zaplanować działania korygujące, utworzyć harmonogram działań, wyłączyć maszynę a następnie przeprowadzić naprawę (rys. 2). W okresie między uszkodzeniem potencjalnym a funkcjonalnym (P-F) możliwe jest również śledzenie rozwoju uszkodzenia, poprzez częstsze badania diagnostyczne i prognozowanie chwili wystąpienia uszkodzenia funkcjonalnego (F). Długość okresu P-F z jednej strony zależeć będzie od tego, kiedy uda się wykryć symptom potencjalnego uszkodzenia, a z drugiej strony jak będzie przebiegała eksploatacja obiektu po wykryciu symptomu uszkodzenia. Możliwe jest zapewnienie takich warunków działania obiektu (np. zmniejszając obciążenie), aby odsunąć w czasie chwilę wystąpienia uszkodzenia funkcjonalnego (F). Pozwoli to „rozciągnąć” okres bezpiecznej eksploatacji. Zatem kluczowym dla unikania awarii jest detekcja symptomów
potencjalnego uszkodzenia. Im szybciej to nastąpi tym więcej czasu pozostanie na świadome i przemyślane działania korygujące.

Diagnozowanie procesu
Przedstawione powyżej rozważania odnoszą się głównie do maszyn i urządzeń, jednak nie należy zapominać, że w przemyśle chemicznym kluczową rolę odgrywa proces, którego niestabilność może doprowadzić do powstania produktu końcowego niespełniającego wymaganych własności i właściwości. Aby zapobiec dużym stratom produkcyjnym, konieczne jest zatem również monitorowanie parametrów procesowych, a następnie detekcja nieprawidłowości oraz lokalizacja i identyfi kacja uszkodzeń [5]. Do tego celu wykorzystuje się odpowiednie funkcje układów automatyki SCADA, które posiadają wbudowane moduły diagnostyczne pozwalające na detekcję i sygnalizację uszkodzeń. Układy diagnozujące proces przemysłowy mogą być rozwiązaniami prostymi i złożonymi. W przypadku tych pierwszych mogą występować problemy z wykrywaniem uszkodzeń maskowanych przez układy regulacji. Ponadto systemy sterowania wprowadzają duże opóźnienia w detekcji uszkodzeń, nie posiadają mechanizmów wnioskowania pozwalających formułować diagnozy o uszkodzeniach oraz w przypadku groźnych uszkodzeń bardzo często generują zbyt dużą liczbę alarmów, trudną do interpretacji przez operatora. W celu przezwyciężenia niedoskonałości modułów diagnostycznych systemów SCADA stosowane są dodatkowe bardziej zaawansowane rozwiązania wypracowane na gruncie systemów automatyki i stanowiące ważny kierunek rozwoju układów sterowania tolerujących uszkodzenia (ang. Fault-Tolerant Control). Współczesne systemy diagnostyki procesów przemysłowych [5] najczęściej bazują na modelach diagnozowanych obiektów (rys. 2), przy czym obiektem może być zarówno urządzenie, jak również układ sterowania. Diagnostyka wsparta modelem polega na porównaniu sygnałów generowanych przez model z bieżącymi sygnałami docierającymi do systemu. Należy wspomnieć, że model jest wcześniej opracowanym na podstawie danych wzorcowych obiektem numerycznym generującym sygnały odpowiadające prawidłowemu działaniu obiektu. Jeśli zatem w obiekcie wystąpi uszkodzenie, różnica między sygnałami z modelu i z obiektu rzeczywistego (tzw. residuum) będzie na tyle znacząca, że możliwe będzie wykrycie uszkodzenia. Do budowy modeli obiektów (procesów) wykorzystywane są równania fi zyczne, metody sztucznej inteligencji (np. sieci neuronowe, logika rozmyta) i ich kombinacje. Wnioskowanie diagnostyczne prowadzone jest w sposób analityczny oraz heurystyczny. Główną cechą systemów diagnostyki procesów przemysłowych jest możliwość wczesnego i dokładnego rozpoznawania nieprawidłowych stanów procesu przemysłowego oraz uszkodzeń urządzeń technologicznych, wykonawczych i pomiarowych. W chwilach, gdy pojawiają się niestabilności lub stany awaryjne, systemy generują diagnozy i komunikaty doradcze informujące o niezbędnych działaniach zabezpieczających. Systemy wyposażane są również w zaawansowane narzędzia do modelowania obiektów, co umożliwia tworzenie programowych sensorów, analizatorów i symulatorów procesów [5]. Systemy są dostosowane do współpracy ze zdecentralizowanymi systemami automatyki (DCS) i systemami nadzorowania i monitorowania procesów (SCADA).

      ***
Jednym ze sposobów stosowanych przy analizie parku maszynowego i klasyfi kacji maszyn oraz pro
cesów pod kątem wskazania tych, które są przyczyną częstych awarii i postojów linii, jest dokładne przyjrzenie się historycznym zdarzeniom eksploatacyjnym i procesowym, gdzie nieocenionym źródłem cennych informacji jest dokumentacja produkcyjna i serwisowa oraz doświadczeni pracownicy utrzymania ruchu, technolodzy i operatorzy. Z punktu widzenia strategii eksploatacyjnej bazującej na stanie technicznym, jako standard można przyjąć, że krytyczne obiekty produkcyjne powinny być poddawane ciągłemu monitorowaniu i diagnostyce z zastosowaniem mniej lub bardziej rozbudowanych systemów, natomiast obiekty mniej ważne lub o znaczeniu drugorzędnym powinny być objęte cyklicznymi inspekcjami diagnostycznymi. Obserwując tendencje w zakresie wdrażania w przedsiębiorstwach różnorodnych systemów informatycznych (np. PLC, SCADA) i rozwoju nowoczesnych technologii diagnostycznych, nic nie stoi na przeszkodzie, aby przy niewielkich nakładach, również monitorować w sposób ciągły (on-line) obiekty o znaczeniu drugorzędnym. Koszt wdrożenia systemu on-line zwraca się już przy pierwszym wykryciu symptomów uszkodzenia mogącego doprowadzić do poważnej awarii. Dodatkowe zyski wynikają z możliwości planowania remontów w oparciu o rzeczywisty stan obiektu i minimalizacji dotychczasowych kosztów obsługowych i diagnostycznych prowadzonych np. przez firmy zewnętrzne.

Literatura dostępna w redakcji
Cały artykuł przeczytacie w magazynie Chemia Przemysłowa 3/2015