W prognozowanym utrzymaniu ruchu konserwacja maszyn i urządzeń prowadzona jest w oparciu o dane o ich bieżącym stanie technicznym, dzięki czemu możliwe jest wykrycie niewielkich nawet zakłóceń, zanim przerodzą się one w poważną usterkę. Pozwala to na podjęcie działań zapobiegających pojawianiu się awarii, zwiększenie wydajności maszyn i procesów w zakładzie, a także zmniejszenie zużycia energii.
Zważywszy na to, że nieodpowiednia konserwacja maszyn i urządzeń to jedna z najczęstszych przyczyn marnotrawstwa energii w zakładach przemysłowych, należy dążyć do zwiększania ich niezawodności i wydajności. Skutecznym narzędziem pomagającym osiągnąć ten cel jest prognozowane utrzymanie ruchu (PUR).
Źródłem nadmiernego zużycia różnych rodzajów energii w zakładach przemysłowych mogą być np.: przeciążenia bądź rozregulowanie urządzeń obrotowych, przegrzanie systemów dystrybucji energii elektrycznej, przecieki w rurach lub łączeniach, powodujące niepotrzebne straty pary czy sprężonego powietrza. W trosce o oszczędność energii, skuteczne zarządzanie zasobami i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, warto wdrożyć w przedsiębiorstwie strategie uwzględniające prognozowanie, zamiast tylko reagować na występujące już awarie.
PdM – na straży niezawodności i oszczędności
Konserwacja prognozowana, zwana też predykcyjną (ang. Predictive Maintenance – PdM), zakłada optymalne użytkowanie maszyn i urządzeń przez prognozowanie ich zużycia i wystąpienia możliwych usterek. Prognozowanie to poprzedzone jest określeniem stanu technicznego oraz parametrów roboczych maszyn i urządzeń, co pozwala ocenić, czy ulegną one awarii i przewidzieć czas pojawienia się ewentualnych problemów. Rzetelna ocena stanu technicznego jest punktem wyjścia do podjęcia decyzji o konieczności wymiany zużytych elementów na nowe części, regulacji, regeneracji, czyszczenia oraz przeprowadzenia innych czynności naprawczych.
Czas poświęcony na dokładne zbadanie maszyny bądź urządzenia pod kątem występowania usterek oraz na analizę ryzyka z tym związanego z pewnością zaprocentuje wysoką efektywnością wdrożonego programu prognozowanego UR.
Prognozowane utrzymanie ruchu wyprzedza o krok program zapobiegawczego utrzymania ruchu (ZUR). O ile program ZUR włącza regularnie zaplanowane zdarzenia do programu utrzymania ruchu dla przedłużenia żywotności danego elementu, o tyle program PUR wymaga stałego kontrolowania stanu i parametrów elementów krytycznych, by możliwe było przewidywanie i zapobieganie niepotrzebnym przestojom. Konserwacja predykcyjna umożliwia ponadto dokładny wgląd w pracę danej linii produkcyjnej czy maszyny, bez konieczności wyłączenia jej z ruchu.
Niestety, jak wynika z praktyki, stosowanie w zakładach produkcyjnych programu PUR nadal należy do rzadkości.
PUR na każdym etapie procesu
Program PUR powinien obejmować wszystkie etapy procesu, np. zarządzanie obiegiem dokumentów (ang. work flow), zapasy i zaopatrzenie, planowanie i ustalanie harmonogramu, skomputeryzowane systemy zarządzania konserwacją – CMMS (ang. Computerised Maintenance Management Systems) czy szkolenia technologiczne. Zapewnia to płynne przejście z jednego etapu do następnego.
Ważnym etapem jest skoncentrowanie się na realizowanej wewnątrz całego zakładu strategii zarządzania aktywami, w celu optymalizacji finansów oraz obsłudze konserwacyjnej maszyn i urządzeń TPM (ang. Total Productive Maintenance). Prognozowania nie może zabraknąć również w procesie gromadzenia i opracowywania wyników. To ważny etap, ponieważ zostają wówczas wypracowane wzorce, do których można odnosić dane zebrane podczas kolejnych badań. Pozwala to na opracowanie najlepszych rozwiązań.
Od termografii, poprzez analizę drgań, po badanie ultradźwiękowe
Dziś wdrożenie programu PUR nie jest tak skomplikowane i kosztowne, jak to miało miejsce w przeszłości. Istnieje wiele skutecznych metod, w oparciu o które można przeprowadzić prognozowanie.
Źródłem informacji o bieżącym stanie maszyny czy urządzenia są pomiary m.in. takich wielkości fizycznych, jak: temperatura, wibracje, hałas. Również informacje o parametrach pracy układów smarowania (np. ciśnienie, skład chemiczny płynów), a także o stopniu zaawansowania korozji, niosą informacje o bieżącym stanie technicznym. Jeśli któryś z monitorowanych parametrów przekracza wartości graniczne, może to być oznaką zbliżających się problemów. Wówczas właściwą reakcją jest podjęcie działań związanych z konserwacją i naprawami.
W strategii utrzymania ruchu opartej na prognozach najczęściej stosowanymi metodami są: termografia, analiza drgań oraz badanie ultradźwiękowe.
Termografia
Jednym z najważniejszych symptomów zbliżającej się awarii maszyn i elementów mechanicznych jest podwyższona temperatura, która powoduje marnotrawienie energii. Przeprowadzając inspekcję termowizyjną, można wychwycić termiczne anomalie oraz rozbieżności temperaturowe. Jest to idealne narzędzie do wykrywania miejsc podwyższonej rezystancji, przeciążeń, niezrównoważeń faz oraz poluzowanych połączeń elektrycznych. Termografia doskonale sprawdza się w przypadku kontroli instalacji elektrycznych, w procesie wytwarzania energii elektrycznej, przesyłania, dystrybucji i odbioru. Dzięki kamerze termowizyjnej możliwe jest wykrycie oznak zbliżającej się awarii w większości instalacji elektrycznych (np. generatory, silniki i transformatory, aparatura rozdzielcza, centra sterowania silnikami).
Termografia stosowana jest z powodzeniem także przy wykrywaniu i diagnozowaniu problemów mechanicznych, występujących w urządzeniach wirujących, takich jak: uszkodzenie łożyska, osiowanie, równoważenie i poluzowanie. Ponadto kamery termowizyjne umożliwiają sprawdzanie rur kotłowych i materiałów ogniotrwałych, separatorów kondensatu, zaworów i przewodów, a także poziomu płynów w zbiornikach itd.
Zastosowanie termografii powinno znaleźć się w planie konserwacji urządzeń i instalacji o najwyższym priorytecie, takich jak np. wspomniane transformatory (zwłaszcza latem), a także w przypadku urządzeń, których obciążenie wynosi przynajmniej 40%.
Diagnostyka wibracyjna
Ważnym instrumentem prognozowanego utrzymania ruchu urządzeń w oparciu o faktyczny stan urządzenia jest także analiza drgań.
Wszelkie zmiany właściwości drgań są często pierwszym wskaźnikiem potencjalnego uszkodzenia maszyny. Przyczynami anomalii drganiowych są najczęściej: niewyważenie, niewspółosiowość, obluzowane części, pogorszenie stanu elementów tocznych łożysk i uszkodzenie przekładni. Urządzenia i systemy do analizy drgań mogą pomóc zidentyfikować wiele poważnych problemów w ich początkowej fazie, co pozwala personelowi podjąć we właściwym czasie odpowiednie kroki zaradcze.
Niegdyś powszechną praktyką stosowaną w zakładach wykorzystujących konserwację PdM było zlecanie badania drgań i analizy stanu firmom zewnętrznym. Sytuacja ta uległa zmianie wraz z pojawieniem się na rynku znacznie mniej skomplikowanych niż wcześniejsze technologie oraz tańszych urządzeń do badania drgań.
Kontrola ultradźwiękowa
Do szybkiego wykrywania nieprawidłowości stanu urządzeń wykorzystuje się również akustyczne przyrządy ultradźwiękowe, cechujące się uniwersalnością zastosowań. Po pełnym wdrożeniu do programu PUR mogą one być pomocnymi narzędziami używanymi w celu zapobiegania niepotrzebnym przestojom i naprawom.
Istotą badania ultradźwiękowego jest odsłuchanie charakterystyki dźwiękowej elementów za pomocą specjalnego przyrządu, który dodatkowo może mieć wbudowany sygnalizator informujący o pojawieniu się usterki.
Kontrola ultradźwiękowa przeprowadzana za pomocą przyrządu o wysokiej jakości pozwala odróżnić i wyizolować przyczynę problemu, która mogłaby pozostać niewykryta przy użyciu innych technologii. Dlatego, dzięki takiemu badaniu, możliwe jest usunięcie usterki, zanim dojdzie do poważnego uszkodzenia i przestoju.
Trendy wydajnościowe
Dopełnieniem programu opartego na prognozowanym utrzymaniu ruchu są trendy wydajnościowe. Określanie trendów jest możliwe dzięki dokumentowaniu parametrów eksploatacyjnych urządzeń oraz procesów realizowanych w zakładzie. Najpierw ustala się podstawowe standardy, a następnie śledzi się trend i rejestruje wszelkie odchylenia parametrów urządzeń w odniesieniu do przyjętego optymalnego zakresu. W ten sposób zostaje określony stan i warunki pracy monitorowanych urządzeń lub procesów.
W procedurze trendów wydajnościowych wykorzystuje się takie przyrządy, jak np. rejestratory danych, liczniki energii, rejestratory oraz analizatory jakości energii, testery izolacji itd. Oprócz tego, jeśli zachodzi taka konieczność, można zainstalować dodatkowo czujniki i koncentratory zbierające dane.
Stosowanie wskaźników efektywności w celu usprawnienia programu PUR
Kluczowe wskaźniki efektywności (ang. Key Performance Indicators – KPI) są stosowane jako mierniki oceny skuteczności realizacji procesów w odniesieniu do zakładanych celów organizacji produkcji, a ich wartości są najczęściej wynikiem diagnozy tej organizacji, stawianej w oparciu o rzeczywiste dane eksploatacyjne. Dzięki temu możliwe jest nie tylko określenie kierunków dalszych działań techniczno-organizacyjnych, tak by były one zgodne z wyznaczoną strategią biznesową firmy, ale także opracowywanie prognoz.
Wskaźniki KPI pomagają zoptymalizować koszty, działania i czas – aspekty kluczowe dla funkcjonowania utrzymania ruchu. Zarówno dobór i wdrożenie odpowiednich wskaźników KPI, jak również prowadzenie na ich podstawie analiz oraz wnioskowania, mają wpływ na korzyści eksploatacyjne, organizacyjne i finansowe.
Wskaźniki KPI znajdują zastosowanie w: pomiarze aktualnego stanu procesów, porównaniach (wewnętrznym i zewnętrznym benchmarkingu), ocenie efektywności, diagnozie (analizy słabych i mocnych stron), planowaniu usprawnień, monitorowaniu zmian i postępu oraz motywowaniu personelu.
Najpierw monitorowanie, potem analiza
Należy mieć świadomość, że monitorowanie całkowitej efektywności maszyn i urządzeń oraz efektywności procesu zapewniania niezawodności to pierwszy, ale nie jedyny krok do osiągnięcia celu. Niezwykle istotna jest także wnikliwa analiza zgromadzonych danych, pozwalająca na wyciągnięcie wniosków, podjęcie działań usprawniających, a także na poznanie rzeczywistego, wymiernego wskaźnika zwrotu z inwestycji – ROI (Return on Investment). Najczęściej w praktyce analiza ta jest przeprowadzana „ręcznie”, dużo rzadziej – w sposób zautomatyzowany.
Obecnie w wielu zakładach przemysłowych inwestuje się niemałe pieniądze na wsparcie monitorowania, traktując po macoszemu analizowanie zebranych danych. To kardynalny błąd. Obie te czynności powinny być ze sobą powiązane. Jedynie wtedy można się spodziewać wielu korzyści, również tych związanych ze zużyciem energii. Monitorowanie i analiza danych dotyczących wydajności produkcji energii, jej energochłonności (np. szczytowe zapotrzebowanie i czas reakcji na zapotrzebowanie) to skuteczne narzędzie wykorzystywane w prognozowaniu zdarzeń, w rezultacie prowadzące do oszczędności.
Rozwiązaniem usprawniającym analizowanie jest zastosowanie odpowiedniego oprogramowania, za pomocą którego można klasyfikować dane, tworzyć modele, z wyprzedzeniem informować użytkowników o konieczności przeprowadzenia czynności serwisowych itd. Gromadzenie informacji umożliwiają przenośne urządzenia lub przewodowe/bezprzewodowe sieci przemysłowe. W pewnych sytuacjach jest również możliwość reagowania online.
Urządzenia monitorujące mogą być połączone z systemem centralnego sterowania i nadzoru instalacji – BAS (ang. Building Automation System), rozproszonymi systemami sterowania – i DCS (ang. Distributed Control System) lub też sieciami komunikacji sterowników programowalnych PLC (ang. Programmable Logic Controller). Monitorowanie wszystkich parametrów odbywa się w środowisku czasu rzeczywistego.
Przestarzałe rozdzielnie źródłem strat energii
Źródłem problemów ze sprzętem mogą być także systemy dystrybucji energii elektrycznej, które w wielu istniejących zakładach są przeważnie przestarzałe i co za tym idzie – bardziej podatne na awarie. W efekcie drgań, zmian temperatury i innych czynników pogarsza się jakość połączeń śrubowych, styków odłączników i podstaw bezpiecznikowych, powodując dodatkowe straty energii wydzielającej się jako ciepło. W rezultacie elementy rozdzielni nierzadko nagrzewają się do temperatury nawet 200°C, przy czym każdy nadmiernie grzejący się element powoduje stratę energii, a także znaczne skrócenie jego żywotności.
Sytuację pogarsza fakt, że w starych rozdzielniach czynności obsługowe ograniczają się zazwyczaj do usuwania ewentualnych awarii. Często pomija się okresowe przeglądy czy pomiary pirometryczne.
Niezrównoważone oraz przeciążone sprzężenia transformatorów, zwarcia, wadliwy współczynnik korekcyjny mocy osprzętu, niestabilne linie zasilające czy niezidentyfikowane jednofazowe doziemienia to tylko niektóre z czynników, które często mogą powodować zwarcie uzwojeń, przegrzanie sprzężenia transformatorów oraz częściowe uszkodzenia wyłączników nadprądowych.
Jeśli chodzi o obciążenie transformatora, to najlepiej, jak stanowi ono 4060% mocy nominalnej. Im obciążenie bardziej odbiega od tego przedziału, tym straty mocy są większe. Częstym zjawiskiem jest zastosowanie w rozdzielni dwóch lub więcej transformatorów, których obciążenie nie przekracza 20%. Można to zaobserwować zwłaszcza w starszych zakładach, które niegdyś użytkowały większą moc. Ten problem może dotyczyć także nowych zakładów, w których błędnie oszacowano rzeczywiste zapotrzebowanie na moc. Rozwiązaniem jest zastąpienie zasilania odbiorników dotychczas zasilanych przez dwa transformatory o obciążeniu poniżej 30%, przez jeden transformator. Wówczas jego straty będą mniejsze niż suma strat obydwu transformatorów. Zaleca się przy tym szczególną ostrożność i sprawdzenie, czy pozwalają na to inne czynniki. Jedną z przeszkód we wdrożeniu tego rozwiązania może być np. występowanie ciężkich rozruchów urządzeń, które przy większym obciążeniu przyczyniłyby się do zbyt dużego spadku napięcia.
Analiza faktur za energię
Pierwszym krokiem w poszukiwaniu oszczędności eksploatacyjnych jest przeanalizowanie faktur za energię (najlepiej z dwóch lub trzech ostatnich lat). Z rachunków należy zsumować opłaty za energię bierną. Obliczona kwota pokaże, ile można będzie minimalnie zaoszczędzić.
W umowach sprzedaży energii elektrycznej powyżej 40 kW (np. średniej wielkości zakład produkcyjny) dostawca wymaga od odbiorców określonego współczynnika mocy tg φ (najczęściej <=0,4). Wartość ta może być przekroczona wtedy, kiedy odbiornikami energii elektrycznej są urządzenia wyposażone w silniki elektryczne lub inne aparaty o indukcyjnym charakterze odbioru. W takim przypadku dostawca energii jest uprawniony do pobrania dodatkowej opłaty za energię bierną, wynoszącej od kilkuset do kilku tysięcy złotych miesięcznie. W celu skorygowania współczynnika tg φ można zastosować baterie kondensatorów do kompensacji mocy biernej, które są samoobsługowe i bezawaryjne.
Określanie stopnia krytyczności
Określenie stopnia krytyczności występujących w zakładzie maszyn i urządzeń pozwala na dobranie odpowiednich rozwiązań i działań konserwacyjnych, uwzględniających takie aspekty, jak np. częstotliwość występowania awarii oraz konsekwencje związane z ich wystąpieniem. W przypadku urządzeń o kluczowym znaczeniu dla funkcjonowania zakładu najlepszym wyborem jest strategia utrzymania ruchu bazująca na prognozowaniu, uwzględniająca również analizę parametryczną i techniczną maszyn. Natomiast mniej istotny sprzęt, niewymagający zastosowania tak zaawansowanej strategii, może być objęty jedynie konserwacją naprawczą (do wystąpienia awarii).
Podczas nadawania priorytetów powinno się również uwzględnić zużycie energii, biorąc pod uwagę wszystkie elementy, w przypadku których prawdopodobieństwo wykazania oszczędności jest największe. Przy czym należy zdać sobie sprawę z tego, że do osiągnięcia sukcesu i zadowalających wyników nie wystarczy objęcie programem PUR jedynie najbardziej energochłonnych elementów. Niekiedy konieczne jest uwzględnienie wszystkich tych urządzeń, które, mimo że pojedynczo nie są zbyt energochłonne, to jednak wszystkie razem zużywają ogromne ilości energii.
Ustalenie stopnia krytyczności poszczególnych maszyn i procesów pozwala na przyjęcie optymalnej strategii przydziału energii, dzięki której – w razie zaistnienia trudnej sytuacji – będzie można uniknąć przestoju oraz strat produkcji.
Pomocne może się okazać wykorzystanie systemu sterowania z funkcją prognozowania, przy pomocy którego możliwe jest przesunięcie produkcji w czasie lub jej ograniczenie w okresach szczytowego zapotrzebowania, a także stosowanie programów reagowania na zapotrzebowanie (ang. Demand-Response).
Autor: Iwona Górka
Fot. Deutsche Fotothek
