Assistenzsysteme – 4. Wissen bewahren und sicher „fahren“

Assistenzsysteme – 4. Wissen bewahren und sicher „fahren“

10. Dezember 2018

In den letzten drei Teilen unserer Serie haben wir uns erst allgemein dem Thema „Assistenzsysteme“ angenähert, uns dann „Advanced Process-/Model Predictive Control“ angeschaut und uns im letzten Artikel mit dem Themenkomplex „Digital Twin, Real Time Optimierung und MirrorPlant“ beschäftigt.

Wie wir festgestellt haben, zielen alle diese Assistenzsysteme darauf ab, uns bei bestimmten Tätigkeiten zu unterstützen. Dies geschieht z.B. dadurch, dass sie für uns eine große Anzahl von Variablen gleichzeitig erfassen, auswerten und uns mit dem richtigen aktuellen Sollwert versorgen. Oder sie nehmen es uns z.B. ab, permanent auf kleine Änderungen reagieren zu müssen, um die Anlage stabil zu halten. Dies alles mit dem Gedanken im Hinterkopf, die Effizienz, Sicherheit und Verfügbarkeit der Produktion zu steigern.

Unser heutiges Assistenzsystem ist etwas anders. Es ist mehr wie ein „elektronischer Fahrlehrer“, der mir, nicht nur bei kniffligen Situationen, immer mit seiner Erfahrung zur Seite steht und mich sicher hindurchführt. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes ein Fahrassistenzsystem.

Die Standard Betriebsanweisung (SOP) – Hilfe und Problem

Schauen wir uns zuerst die Standard-Betriebsanweisung (SOP – Standard Operation Procedure) an. Dieses Dokument gibt es für alle Anlagen. Es beschreibt, wie man die Anlage an-/abfährt, wie sie im Normalzustand betrieben oder in einen anderen Arbeitspunkt gefahren wird etc.. Angemerkt sei in diesem Zusammenhang auch, dass die SOP nicht nur enthält (zumindest bestenfalls), was ich als Anlagenfahrer im Kontrollraum zu tun habe, sondern auch, was in Zusammenarbeit mit den Feldbedienern und anderen zu tun ist, z.B. das manuelle Öffnen von Ventilen während des Anfahrprozesses. Das Ganze ist also ein sehr wichtiges Dokument.

Die Sache hat aber oft einen Haken … die SOP liegt üblicherweise in Papierform vor. Sie ist somit nicht auf ein interaktives Szenario mit dem Anlagenfahrer ausgelegt. Kommt es also zu einer entsprechenden Situation, passiert oft folgendes:

Anlagenfahrer: „Wo ist die? Ist die überhaupt aktuell und wo ist nun der Abschnitt, den ich JETZT brauche? Beim letzten Mal hat mein Kollege das doch so und so gemacht, davon steht hier gar nichts?“ etc.

Das ließe sich beliebig fortsetzen. Und manchmal versetzen vorhandene SOPs einen auch schlichtweg in Erstaunen, da sie z.B. nicht viel mehr anmerken, als dass das Anfahren „kompliziert sei“ (Realität bzw. Realsatire). Es lässt sich also unter anderem festhalten, dass …

  • die Aktualität der SOP nicht immer gegeben ist,
  • über die Zeit angesammeltes Bedienerwissen nicht seinen Eingang in die SOP findet,
  • ein „Papierordner“ nicht die beste Unterstützung in ohnehin komplexen Situationen darstellt.

Was man sich also vorstellt und haben möchte wäre: Erstens eine elektronische SOP (eSOP), die es mir leicht macht, sie aktuell zu halten und Änderungen nachvollziehbar zu dokumentieren. Und zweitens: Wenn ich nun schon eine eSOP habe, diese so zur Verfügung zu stellen, dass eine interaktive Benutzung leicht möglich ist, sprich: ein interaktives Fahrassistenzsystem.

eSOP und Fahrautomat – eine Lösung viele Möglichkeiten

4 Destillationskolonnen, 2 Reaktoren und ein Kristallisator … das Anfahren ist komplex.

Zudem muss beim Anfahren der Reaktoren eine „Ex-Nase“ berücksichtigt werden. Obwohl es eine detaillierte SOP gibt, unterscheiden sich die Zeiten und Ergebnisse beim Anfahren erheblich. Schaut man den Anlagenfahrern über die Schulter, variiert auch der eine oder andere ein bisschen in der Art und Weise, wie er die SOP umsetzt. Außerdem kommt es immer wieder vor, dass die „Ex-Nase“ zu scharf angefahren wird und eine Anlagenabschaltung stattfindet. Alles in allem ist das nicht sehr zufriedenstellend. Also will man das ändern und die Zielsetzung ist klar:

Der Anfahrprozess soll vereinheitlicht und damit sicherer und wirtschaftlicher werden.

Als Lösung entscheidet man sich für ein Kombination aus eSOP (elektronische SOP) und Fahrautomat. Die Ergebnisse können sich sehen lassen. Der Anfahrprozess der Kolonnen variiert zeitlich deutlich weniger und die Anfahrzeit ist im Schnitt ein Drittel kürzer. Noch beeindruckender ist die Off-Spec-Menge beim Anfahren. Diese wurde um durchschnittlich 90% reduziert. An den Reaktoren kommen Notabschaltungen beim Anfahren so gut wie gar nicht mehr vor. Auch hier konnte die Anfahrzeit um ein Drittel reduziert werden und am Ende der Anfahrzeit ist der Reaktor auch bei 100% Last und nicht nur bei 70%. Dieses Beispiel aus der deutschen chemischen Industrie hat ein ROI von deutlich unter einem Jahr.

Noch eine Anmerkung zur Komplexität in diesem Beispiel. Während des Anfahrens sind ca. 600 Messstellen und und  800 manuelle Eingriffe zu berücksichtigen. Wobei manuelle Eingriffe hier insbesondere Sollwert-Verstellungen, manuelle Schaltungen etc. meint. Nach der Einführung des Assistenzsystems  werden im Fahrautomaten 4200 Parameter und 7500 Einzelanweisungen beim Anfahren abgearbeitet. Es ist bei aller Automatisierung immer noch sehr viel „Handarbeit“ notwendig.

eSOP & Fahrassistenzsystem – Funktion & Umsetzung

eSOP – mehr als digitalisiertes Papier

Schauen wir uns zuerst die eSOP an. Hierbei geht es nicht einfach darum, die vorhandenen SOP zu digitalisieren. Wie oben angesprochen, haften der SOP oft zu viele Mängel an. Bei der Erstellung einer eSOP sollen folgende Ziele erreicht werden:

  • Feststellung des aktuellen Zustands der Anlage und Regelung und der damit verbundenen aktuellen „Fahrweisen“,
  • Berücksichtigung aller an den Fahrweisen Beteiligten, sprich Kontrollraum-, Feld- und anderes Personal,
  • Einbringen des bisher angesammelten Wissens der Bediener (Kontrollraum, Feld etc.),
  • einfache Möglichkeit der Aktualisierung mit Dokumentmanagement als integraler Bestandteil,
  • sie ist leicht verständlich und nachvollziehbar.

Bis hierher könnte man noch meinen, dass die neue eSOP einfach nur ein Word-Dokument ist. Letztendlich wäre das aber nur alter Wein in neuen Schläuchen. Deswegen setzen wir uns noch weitere Ziele:

  • interaktive Verfügbarkeit der eSOP für den Bediener
    – als elektronisches Dokument (Word, PDF etc.) im oder beim PLS
    – als grafisches Echtzeit „Führungssystem“ durch eine Prozedur, z.B. das Anfahren*
  • und jetzt einen Schritt weiter gedacht (die eSOP ist die Basis)
    – als grafisches Echtzeit „Führungssystem“ UND aktive Unterstützung beim Fahren der Anlage**
    – bis hin zur komplett selbstständigen Durchführung einer Prozedur z.B. einem Grade Change***

* Fahranweisung, ** Fahrunterstützung, *** Fahrautomat

Um mit der eSOP das beste Betriebswissen zu erfassen und zu bewahren, reicht es also nicht, die vorhandene SOP als Grundlage zu nehmen. Weitere Quellen sind das Wissen der Bediener und die Auswertung der Log-Dateien. Ähnlich wie bei der Suche nach dem „Goldenen Batch“, wird hier die „Goldene Fahrweise“ gesucht, analysiert und als Prozedur festgehalten.  Dies kann inzwischen auch schon teil-automatisiert erfolgen.

Von der Fahranweisung bis zum Fahrautomaten – eSOP interaktiv einsetzen

Spricht man mit Bedienern über SOPs, ist neben anderem auch der Wunsch da, diese schnell und interaktiv verfügbar zu haben. Es geht also darum, den Schritt von der einfachen eSOP zum Fahrassistenzsystem zu machen. Dieses Fahrassistenzsystem kann zum einen ein reines „Führungssystem“ sein, das Fahranweisungen gibt. Dies läuft Offline Open Loop oder bevorzugt Online Open Loop neben dem PLS. Hierbei zeigt das Fahrassistenzsystem parallel zu den Tätigkeiten der Bediener an, was als nächstes zu tun ist und was schon erledigt wurde. Die entsprechenden Aufgaben werden entweder manuell quittiert oder automatisch durch entsprechende Ist-Werte getriggert. Z.B lautet die anstehende Tätigkeit, ein Ventil auf 50% zu öffnen. Ist diese Aufgabe ausgeführt, würde der Bediener beim Offline-System das Erreichen der 50% manuell quittieren oder beim Online-System automatisch die 50% ausgelesen werden und die Aufgabe als erfüllt quittiert werden. Als Fahrautomat, sprich Online Closed Loop, führt das Assistenzsystem alle notwendigen und automatisierten Schritte selbst aus, z.B. wenn es durch einen Messwert oder ein Ergebnis aus einer Berechnung (RTO) getriggert wird. Hier ist die Unterstützung durch den Bediener nur dann gefordert, wenn Teile der Prozedur nicht automatisiert sind z.B. die Kommunikation mit dem Feld.

Ist das nicht nur eine Schrittkette? Nein!

Nein, denn eine Schrittkette ist im PLS bzw. anderen Kontrollsystemen hinterlegt. Dieses Fahrassistenzsystem arbeitet mit den verschiedenen Kontrollsystemen zusammen und berücksichtigt auch alle an der Prozedur beteiligten Personen. Dies erleichtert die Zusammenarbeit und macht sie auch sicherer. Im Zusammenspiel mit einem Fahrassistenten ist es nicht mehr leicht möglich zu übersehen, dass im Feld erst die Handventile A, B und C geschlossen werden müssen, bevor ich den Soll-Wert für das Ventil V-001 auf 50% setze. Es ist vom Ablauf her eindeutig, kann sogar blockiert werden, das erst am separaten Hard-Panel A etwas zu schalten ist und dann am PLS ein neuer Sollwert gesetzt wird.

Weitere Vorteile, die in Gesprächen auch immer wieder gefordert wurden, ist nicht nur das leichte Nutzen sondern auch die leichte Bedienbarkeit/Wartbarkeit eines solchen Assistenzsystems. Man muss kein Wissen über PLS- oder SPS-Programmierung haben, um dieses Fahrassistenzsystem aufzusetzen, zu warten und zu nutzen. Sind Änderungen z.B. im Anfahrprozess notwendig, so kann ich, ohne das PLS anzufassen, im Fahrassistenzsystem diese Änderungen einpflegen. Es kann jederzeit mit Bedienerwissen erweitert werden und dokumentiert auch alle vorgenommenen Änderungen.

Ein gutes Fahrassistenzsystem ist für den Bediener konzipiert und ist PLS-Hersteller unabhängig. Es bringt das Wissen der Bediener in die SOP und bewahrt diese, ohne die Integrität des PLS anzutasten. Es erhöht die Sicherheit beim Fahren der Anlage und damit die Produktivität.

Übrigens: Auch wenn ein Fahrassistenzsystem kein Operator Training Simulator ist, kann man es, neben den oben beschriebenen Aufgaben, im Offline-Open-Loop-Modus auch als eine Trainingshilfe einsetzen, die sicher „spannender“ ist als die Betriebsanweisung zu lesen.

ENDE der vierteiligen Serie zum Thema „Assistenzsysteme“


Assistenzsysteme 3 – “Wegweiser” & “Vorausschauer”

Assistenzsysteme – 2. “Schleuderschutz”

Assistenzsysteme – 1. Unsere täglichen kleinen Helferlein

 

 

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