Методология подхода APC

• Современное производство
• Концепция APC: что это такое?
• Место APC в ИТ-ландшафте
• Виртуальные анализаторы APC систем
• Кто использует APC на производстве?
• Чем управляет APC?
• Идеология APC
• Производители APC-решений

Современное производство

Роль информационных технологий в автоматизации технологических процессов сложно переоценить – практически невозможно представить современное производство без интегрированных ИТ-систем класса ERP, MES и Распределенных систем управления (РСУ) / Distributed Control System (DCS).

Изменения рыночной ситуации во многих отраслях – общее насыщение рынка и усиление конкуренции, введение новых экологических норм и стандартов, общее удорожание стоимости производства, высокие цены на энергоносители – все эти и другие причины диктуют необходимость дальнейшего развития автоматизации на производстве, в частности, переход к оптимальному управлению, прежде всего, по технико-экономическим показателям производства. Класс систем, реализующих это на практике, носит название APC (Advanced Process Control) или СУУТП (Система Усовершенствованного Управления Технологическим Процессом).

Ключевые цели внедрения APC – снижение потерь и увеличение прибыли производства путем вывода всей цепочки технологических процессов на оптимальный режим работы.

APC – это подход, в центре которого находится ИТ-система, выводящая и поддерживающая такой режим работы установки, который был бы оптимален с технико-экономической точки зрения.

Примеров успешных внедрений APC за рубежом множество – для нефтеперерабатывающих, химических, целлюлозно-бумажных, металлургических и энергетических предприятий, и применения APC расширяются непрерывно, как и растет востребованность технологии на современном производстве.

Для Российского рынка, APC – это все еще относительно новая технология, и компания «Экзеплэнт» рада предложить опыт и наработки в этой области.

Концепция APC: что это такое?

Прежде всего, APC – это подход, это – комплекс экономических, технических и организационных мероприятий, конечная цель которых – это повышение эффективности работы отдельной установки или нескольких связанных между собой установок нетехнологическими методами (т.е. не путем покупки нового оборудования или обновления существующего), а путем оптимизации управления технологическим процессом. APC это не просто ИТ-решение, это, прежде всего, консалтинговый проект по выявлению новых возможностей для оптимального управления существующим технологическим процессом. Компания «Экзеплэнт» совместно с компанией IPCOS адаптировала западную методологию ведения APC проектов, гарантирующая успех внедрения, но об этом чуть позже.

Как было сказано выше, основная задача, решаемая при помощи APC – увеличение прибыли (на единицу перерабатываемого сырья или в годовом выражении) за счёт оптимизации технологических процессов. В то же время, в рамках внедрения APC также рассматривается и задача снижения расходной составляющей (например, снижение энергопотребления, оптимизация использования сырья), и, если применимо, сокращение затрат на обслуживание оборудования – например, снижение износа катализаторов. Есть и третья составляющая каждого APC-внедрения, так называемая «неисчисляемая прибыль», которую можно кратко описать как «нематериальные выгоды от проекта» - такие как снижение аварийности, вредных выбросов, износа оборудования, появление «резерва времени» у операторов, изменение культуры в коллективе в сторону оптимизации производства и общий рост осведомленности сотрудников о технологическом процессе. Часто третью составляющую оставляют «за бортом», что, на наш взгляд, не совсем правильно.

Место APC в ИТ-ландшафте

Важно понимать, что APC-решение призвано сосуществовать параллельно с существующими системами, такими, как MES, ERP и DCS (АСУТП/РСУ), дополняя их. Более того, без наличия исправно работающей АСУТП/РСУ говорить о переходе к APC преждевременно. 

Как видно из диаграммы, APC-решения интегрируются с существующими АСУТП/РСУ для оптимального регулирования установки. Что же уникально в предлагаемых на рынке APC-решениях? Прежде всего, управление на базе прогнозирующих моделей управляемого объекта (или MPС: Model Predictive Control). Идея модели – это построение математического представления управляемого процесса и встраивание этой модели в контур управления в режиме реального времени. Стоит сказать, что помимо математических моделей, которые являются «визитной карточкой» предлагаемых на рынке APC решений, в APC используются и другие методы современной автоматизации.

Одним из примеров эффективного использования APC на производстве является решение задачи стабилизации, которая может быть решена при помощи классического PID-регулирования, но за счет использования современного APC-решения, задача может быть решена более эффективно, например, за счет не просто стабилизации процесса, а стабилизации его в технологически допустимом и при этом наиболее экономически эффективном состоянии равновесия. Данный процесс называется «снятие запаса по качеству».

Виртуальные анализаторы APC систем

Отдельно стоит отметить, что все современные APC решения поддерживают работу с виртуальными анализаторами – математическими моделями, позволяющими вычислить, к примеру, качественные характеристики производимого продукта, на основе измеряемых напрямую данных. Это особенно актуально, если отсутствуют поточные анализаторы или их показания не надежны для регулирования в режиме реального времени. Виртуальные анализаторы становятся сенсорами APC-решений, на основе отклонений их показателей осуществляется управляющее воздействие в режиме реального времени. Важно понимать, что виртуальные анализаторы, являясь моделями по своей сути, могут количественно отражать почти любой производственный показатель, не измеряемый напрямую. К вопросу о контролирующих воздействиях APC-систем – если отклонение показаний датчиков превышает определенный порог, математическая модель рассчитает корректирующее воздействие и через программный интерфейс сообщит новые целевое значение PID-регуляторам и выведет систему на оптимальный режим работы в новых условиях. Таким образом, APC-система выступает в роли ведущего регулятора, автоматически рассчитывая управляющие воздействия для оптимального режима работы, а PID-регуляторы – в роли ведомых.

Таким образом, путем тонкого регулирования системы будут гаситься влияния внешних возмущений и технологический процесс будет работать в близком к оптимальному режиме.

Также стоит отметить другой вариант использования APC в технологическом процессе: перевод системы из режима в режим оптимальным методом. Исходя из всего вышесказанного, виртуальные анализаторы и прогнозирующие модели могут быть построены таким образом, чтобы поддерживать несколько оптимальных режимов работы оборудования. Когда речь идет о переходном процессе из режима А в режим Б, APC способно не только перевести систему в новый режим оптимальным образом, но и обеспечить стабилизацию системы в новом режиме.

Кто использует APC на производстве?

Исходя из задач APC, как правило, от заказчика требуется активное вовлечение специалистов различных служб и подразделений: операторов технологического объекта, технологов как данного участка производства, так и общезаводского уровня, специалистов по АСУТП и КИП, работников заводской лаборатории, персонала плановой службы предприятия. Эти специалисты, как правило, являются активными пользователями APC после запуска его в промышленную эксплуатацию но, необходимо также отметить важность привлечения всех этих лиц к построению APC-системы на этапе внедрения. Таким образом, APC-проекты, как затрагивающие многие аспекты технологического процесса, должны быть инициированы и проконтролированы на достаточно высоком уровне руководства.

Чем управляет APC?

На данный вопрос можно дать пространный ответ: «От одного регулирующего клапана до всего технологического процесса». Действительно, APC способно управлять PID-регуляторами обеспечивая оптимальный и стабильный режим работы управляемого процесса, также APC различных технологических установок способны коммуницировать друг с другом, обеспечивая оптимальный режим работы всей технологической цепочки.

Идеология APC

Подводя итог под всем вышесказанным, APC–это скорее комплекс методов, чем просто ПО, который включает в себя переориентирование культуры всего предприятия на оптимизацию существующих технологических процессов. В сердцевине APC-решения находится комплекс программных средств, тесно интегрированный с существующими РСУ, и, как правило, работающий по сложным математическим моделям.

Производители APC-решений

На рынке представлены несколько ключевых производителей программного обеспечения для APC:

• Schneider Electric / AVEVA;
• Honeywell (ProfitSuite), США;
• IPCOS (INCA Suite), Бельгия;
• Aspen Tech (DMCPlus), США;
• Yokogawa (Yokogawa's APC Suite), Япония;
• Invensys (SimSci), Великобритания;
• Cutler Technology (Max APC), США.

Данный спектр APC вендоров позволяет сделать выбор правильного решения с учетом работающего оборудования, технологических процессов, существующих РСУ и прочее. Важно отметить, что на современном этапе развития технологии APC, производители решений все более оптимизируют модели управления для обеспечения наиболее оптимального управления процессом не только за счет уточнения прогнозирующих моделей, но также за счет построения нелинейных моделей управления и собственных запатентованных многопараметрических алгоритмов. Наряду с универсальными решениями развивается ряд специализированных APC-решений для определенных отраслей и/или оптимизационных задач.