Optimieren im laufenden Prozess

Autor Norbert Meierhöfer Director of Business Consulting, Aspentech

Die modellbasierte, vorausschauende Steuerung hat sich in der petrochemischen Industrie als pragmatische Lösung bewährt. Unternehmen erzielen mit Advanced Process Control (APC)-Technologie Profitsteigerungen von mehreren Prozent, da Prozessschwankungen vermieden und die Anlagen besser ausgelastet werden können. Allerdings verändern sich diese mit der Zeit, und so müssen auch die APC-Modelle angepasst werden, damit sie stets den tatsächlichen Gegebenheiten der Anlage entsprechen. Dafür gab es bisher keinen systematischen, integrierten Lösungsansatz.

Zur Wartung von Steuerungen wurde jetzt von Aspentech Adaptive Process Control entwickelt. Techniker können damit Arbeiten an einer Steuerung durchführen, ohne diese vom Netz zu nehmen und die Prozessoptimierung dadurch zu unterbrechen. Dabei unterscheidet sich der neue Ansatz deutlich von der herkömmlichen Steuerungswartung: Bislang erfolgte die Neuprogrammierung der Steuerung in einem eigenen Projekt. Bei Adaptive Process Control dagegen wird sie über einen längeren Zeitraum hinweg im Rahmen eines kontinuierlichen Prozesses konfiguriert. Die Genauigkeit des Prozessmodells wird permanent durch die Modellqualitätsanalyse überprüft, wodurch ein Leistungsabfall unmittelbar erkannt wird. Dieselbe Analyse kann auch einen bestimmten Teil der Steuerung auswählen und mit dem ursprünglichen Modell abgleichen, um so den Grund des Leistungsabfalls zu ermitteln. Dadurch lässt sich die Prozesssteuerung auch während der Wartungsarbeiten optimieren.

APC-Werkzeuge der ersten Generation brachten viele Vorteile, konnten die größten Kostenaspekte aber nicht lindern. Mehrstufige Prüfverfahren verkürzen die Zyklen zwar deutlich, stellen aber auch einen größeren Störfaktor dar. Wenn Steuerungen vom Netz genommen werden müssen, gehen natürlich auch die Kapazitäts- und Qualitätsvorteile verloren, die eine APC-Implementierung normalerweise mit sich bringt. Tests dieser Art müssen kontinuierlich von Anlagenbetreibern und Technikern überwacht werden. Das größte Problem war bisher, dass die Steuerung ausgeschaltet werden muss, um Open-Loop-Daten zu erfassen, die für die Modellidentifizierung brauchbar sind. Aufwand und Kosten für die Aktualisierung einer Steuerung lagen oft bei bis zu 80 % der ursprünglichen Ausgaben. Dazu kamen die Kosten für die Kapazitäts- und Qualitätsausfälle.

Mangelnde Präzision erschwerte die Ermittlung von Problembereichen einzelner Modelle zusätzlich. Co-lineare Erkennung und Reparatur waren nicht in andere Modell-Workflows integriert. Die Vorbereitung für die Modell-Identifikation musste aufwendig manuell erfolgen, und für das Erstellen geeigneter Modelle war ein hoher Arbeitseinsatz des Steuerungstechnikers erforderlich.

Eine weitere zentrale Schwierigkeit für viele Unternehmen ist die unregelmäßige Wartung des APC-Systems, wobei oft die Methoden des ersten Projekts beibehalten wurden. Das führt zu einigen unerwünschten Nebeneffekten. So wurde die Wartung oft bis zum Turnaround aufgeschoben und eine Verschlechterung der Steuerungsleistung in Kauf genommen. Manchmal wurden die Steuerungen auch mangels Nutzen vom Betreiber ganz abgeschaltet.

Hinzu kommen die wirtschaftlichen Folgen einer APC-Wartung. Durch die Ausfallzeiten der Steuerung, einschließlich Aktualisierung und Turnaround, zusätzlich zur normalen Stillstandzeit, kann in einem Fünfjahreszyklus der Gesamtprofit um bis zu 35 % verringert werden. So wird mit einer durchschnittlichen Steuerungseinheit ein jährlicher Profit von 2,5 Mio. US-Dollar (unterer Schätzbereich) erzielt, was einem Ausfall von 875 000 US-Dollar pro APC-Anwendung entspricht. Überträgt man dies auf die durchschnittlich neun Einheiten mit APC-Steuerung pro Raffinerie, ergibt sich durch die Ausfallzeiten der Steuerung über einen Fünfjahreszeitraum hinweg ein potenzieller Verlust von fast acht Millionen US-Dollar. Etwa 60 % dieser Stillstandzeiten sind durch Aktualisierungen der Steuerung bedingt, 30 % durch unzureichende Auslastung außerhalb der Spitzenzeiten, wenn keine volle Wertschöpfung erzielt werden kann, und die letzten zehn Prozent sind unvermeidlich während der Turnaround-Phasen. Durch Verkürzung der Stillstandzeiten und der Phasen mit unvollständiger Auslastung kann ein Unternehmen deutlich mehr Vorteile aus der APC ziehen.

Dank Adaptive Process Control können Techniker alle erforderlichen Aktualisierungsmaßnahmen durchführen, ohne die Steuerung ausschalten zu müssen. Sie können sich darauf verlassen, dass die Steuerung in den Phasen zwischen zwei Modellaktualisierungen zuverlässig funktioniert. Die kontinuierliche Wartung ist in den Prozess integriert, und eine Neukonfiguration der Steuerung kann auch außerhalb der Turnaround-Zeiten erfolgen. Dank dieser Software ist der Techniker immer auf dem Laufenden und kann so den richtigen Zeitpunkt zum Austausch bestehender Modelle in laufenden Anwendungen ermitteln. In den neu gestalteten Simulationsumgebungen und dank der Einführung von Adaptive Process Control können Unternehmen die leistungsschwachen Aspekte eines APC-Modells schnell ermitteln und gezielt dessen Schwachstellen angehen.

Eines der Hauptunterscheidungsmerkmale von Adaptive Process Control ist, dass Unternehmen neue Daten für die Modellidentifikation sammeln können und die Abläufe dabei im Vergleich zu den früheren aggressiven Testmethoden durch die Tests im Hintergrund kaum gestört werden. Die neuen Daten werden schon bei der Erfassung in Echtzeit analysiert. Mithilfe der neuen automatisierten Slicing-Technologie von Aspentech werden die unbrauchbaren Daten automatisch entfernt, sodass ein sauberer Datensatz für die Modell-identifikation zur Verfügung steht. Durch adaptive Simulation werden passende Modelle erstellt und dem zuständigen Techniker zur Überprüfung präsentiert. Der gesamte Prozess wird automatisch von einem Testagenten überwacht, und der Techniker wird in Echtzeit über eventuell auftretende Probleme innerhalb des Workflows informiert.

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