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简明的预防性维护策略提升设备性能

作者:Peter Welander2013.11.14阅读 3617

        很多情况下,简单明了且能贯彻始终的维护策略往往更有效率,它能够提升产量和设备性能,同时还能够降低维护成本。这就是Monsanto公司Muscatine工厂中正在发生的事。技术解决方案和相应的作业流程结合起来,带来了显而易见的积极影响,为工厂赢得了“2012年度HART工厂”的称号。

        Monsanto公司的Muscatine工厂位于密西西比河沿岸的爱荷华州东南部,主要生产Roundup除草剂和退热冰等化学产品,包括Harness Xtra、Degree Xtra和Warrant。工厂占地150英亩,员工总数约为450人,操作并管理8套独立的过程单元,包括废物处理和工厂公用设施以及产品生产工艺区域。工厂的大部分设施需要连续作业控制工程网版权所有,终年不休CONTROL ENGINEERING China版权所有,其最古老的部分可以追溯到50年前。
        老式的维护平台
        Monsanto公司采用了Emerson公司的DeltaVProvox DCS平台以及超过3200台仪表(包括变送器控制阀门定位器)一起对过程单元进行控制。在所有安装的设备中CONTROL ENGINEERING China版权所有,目前有超过600台HART仪表和125台FF现场总线仪表纳入在工厂的AMS智能设备管理器下。剩下的绝大部分仪表并未纳入AMS智能设备管理器,它们要么并未与智能I/O连接,要么就是非智能设备。Muscatine工厂的生产开始于2006年,那时候,现场的可靠性工程师Joel Holmes收到了一套来自于Monsanto公司另一家工厂的独立Emerson AMS单元。有了这套单元,他能够进一步扩展设备的能力,借助通过HART通讯协议和FF现场总线通讯协议搜集的现场设备诊断信息,实施一些更加复杂的维护策略。
        考虑到工厂阀门和仪表的维护密度,Holmes认为可靠性的提升能够给整个工厂的性能带来巨大改观。一部分工艺过程采用了他的这种新型维护工具,每一个过程单元中的仪表设备都分配了一个关键值,那些一旦发生问题就会阻碍生产进行的仪表具有最高的监控优先级。
        Holmes这样描述过程:“我们用A、B、C代表资产关键级别,最高的关键级别是A级,最低的关键级别是C级,需要牢记的是,具有A级关键程度的设备受到最为密切的监控,因为它们的性能对于生产系统的作业时间非常关键。而C级关键程度的设备在很多情况下可以在故障发生之后再处理,因为它们对于生产系统的影响微乎其微,或者他们内置有冗余零配件。”


过去,这台控制阀门定位器通过传统的模拟I/O与过程单元的控制器进行通讯,不具备读取HART数据的能力。增加了无线THUM之后,AMS设备管理器和它的报警监控器就可以使用诊断信息了。

        Monsanto公司将AMS的经验发扬光大,工厂的整体效率有了提升。报警监控器已成为最为主要的预测工具,与设备管理器共同实现工厂的设备关键层级管理。各自的设备分组情况会直接对巡检率或者报警监控器从现场提取设备状态、健康状况和诊断信息的频率产生影响。
        随着时间的推移,Holmes创建了三组设备:变送器、控制阀门和水蒸气传感器。这能够帮助平衡报警监控器的负荷,因为如果有过多的设备同时以同一频率进行巡检,那么系统将会超负荷,使更新率非常慢,或者根本没有响应。每一组设备都根据自身的关键层级配有一组巡检率。
        在传统环境中的应用
        一些过程单元配有相对较新的控制系统,带有支持HART功能的I/O,但是仍有一些区域内的系统仅仅是模拟式的。当然在后续的移植项目中这些模拟设备都会升级,转而采用具有CHARMS I/O的DeltaV控制系统,不过对于某些区域来说,这种移植恐怕并非指日可待。工厂开发的用于搜集诊断信息的平台对关键标签使用了WirelessHART THUM通讯,或者对那些不需要频繁监控的设备使用手持式HART/FF现场总线通讯设备。
        作业现场目前大约使用了25台WirelessHART设备。Holmes希望数量能够继续增加,而且每一个过程单元将会具有其专用的无线网关。
        观念的转变
        工作流程发生了变化,人员的观念也要改变。一些通用目的功能和交互能力得以提升,可靠性团队成员乐于见到公司内部在生产和维护之间矗立已久的传统壁垒得以消除。
        Holmes对其中一种改变描述道:“除了可靠性程序和对一些薄弱环节的监控和关注,我们也使用了AEM(资产效益管理)。这种方法关注过程单元,以销量为单位评价效率,跟踪过程停机时间。我们不仅仅希望通过预发性和预防性的方法发现什么导致了生产中断,还需要这些作业单元能够告诉我们问题的最大症结在何处。过去,维护聚焦于那些失效或者发生问题的地方,但这些地方并非总是一样,也不一定是过程单元最严重的问题,所以这当中存在一种错位。除了我们现有的预发性和预防性手段之外,我们现在还关注AEM,这样能够更好地把握需要关注和操作什么,确保生产按需进行。”
        电气可靠性工程师Mike Chaney在与操作人员合作的过程中也注意到了这种积极作用。“工厂现在的状况是供不应求,某些情况下我们只有两天时间进行故障排查并且完成维修工作。”他说道:“在当前的状态下停机可不是一件好事情,所以如果我们能够避免停机,从长远来看能为工程节省大量的资金。生产人员很清楚我们在使用这种技术做什么。所以当我们向他们解释的时候,他们不会立即推托道:‘我们不会那么做。’他们会说:‘我们会让这个阀门就位,你们可以打开看看有什么效果。’他们知道我们是在帮助他们,如果我们能够保证设备正常运行,那么他们的日子也好过一点。”
        测量过程
        当整个程序开始运作,Holmes说他们就需要更好的方法区别、跟踪或者分析工厂作业的可靠性。为了弥补这一点,Monsanto公司创造了一种基于SAP CMMS的工单号。为了跟踪特定设备的劳动力成本和原材料成本,对于在设备预防性维护和预发性维护可靠性程序进行中发现的各种低效事件都需会给出独立的低效提醒。在预防性维护或者预发性维护过程中发现的每一个事项都分配给一个独立的低效提醒并创建工单,有了这些信息就可以进行预发性维护和响应作业成本分析以及生成KPI并进行跟踪。


整个工厂中的仪表类型繁多,厂家各异。大多数使用4-20mA HART信号通讯,在某些布线困难的场合也会使用FF现场总线。WirelessHART设备的数量也在逐渐增加。

        代码分析数据帮助定量地规划响应性作业。随后,系统能够生成不利因素列表,并且给出可靠性程序能够提供多少金额的成本节省。每个月平均有12个AMS低效工单,平均每个工单的成本节约是1600美元,每年在时间和原材料上的节省达到20万美元。然而,Holmes指出,这仅仅计算了能够节省多少成本,并未包含工厂生产上的收益提升。
        高效运作的大家庭
        工厂还有很多工作要做,但是Holmes和其工厂管理层清楚地看到了前进方向。“我们最大的障碍就是作业人员并不总是理解我们的可靠性程序到底在做什么,”他说:“所以需要在分析和沟通方面持续努力,不仅仅是与生产人员,还要包括其他维护人员。我们持续分享这些人的工作情况以及他们获得的成功、收获和培训。随着我们的努力和成长,这些观念就会深入人心。这一点在我们公司的上层管理人员中尤为明显,所以我们的目标之一就是确保沟通持续进行,使这三者:维护人员、生产人员和可靠性人员成为一个大家庭。”
        一个典型的例子
        Glyphosate Technicals单元预测未来催化剂再生环节会发生停机故障,Holmes和其团队发现了一处低效工单,问题发生在一个两英寸的球阀处CONTROL ENGINEERING China版权所有,通过前导控制阀门预防性维护测试发现这一球阀十分可疑。AMS智能设备管理器和ValveLink Snap-On应用测量了球阀整个行程中的摩擦值,对控制阀门部件进行诊断扫描的结果显示这一个球阀会发生问题并引发故障。虽然从外观上,操作人员无法发现球阀有任何可见的异常,但是阀门特性曲线显示打开和关闭阀门所需的力实际上增加了。虽然目前它仍旧能够执行控制功能,但是根据以往的特性曲线分析结果,它在未来将会发生严重的问题。


操作人员并不知道阀门发生了摩擦问题,因为阶跃响应测试结果显示正常。阀门还能够执行其控制功能,但是它发生故障只是一个时间问题。

        Holmes建议电气可靠性工程师在停工的时候更换这个阀门,所以可靠性技术人员就将其拆除进行检查。当他们将阀体从法兰上移除时,他们发现一个1/4 x 4英寸大小的螺栓卡在了阀门里面,它就是过滤器夹具的固定螺栓,而过滤器就是用来扑捉催化剂用的。它被过程流体冲向管路的下游,如果这个螺栓一直卡在阀门内,某一个时刻它就会引发流体控制问题,包括阀门无法关闭,而后者将会引发更大的问题。


当AMS 智能设备管理器的ValveLink Snapon 扫描出现故障时,可以很清楚地从阀门特性曲线看出发生了问题。

在理想的标准性能曲线中,打开压力曲线和关闭压力曲线应该紧密贴合。

        螺栓损坏了陶瓷插孔和密封垫,所以阀体从被拆除并与执行器分离后,它就被送去维修了。执行器随后安装了一个新的阀体,在重新安装之前,必须对其进行校准并使用ValveLink Snap-On应用程序对其进行测试,以确保阀门特性曲线和其他诊断扫描能够通过HART给出正常的工作参数。所有的扫描特性曲线都记录在AMS中,可以用于未来的比对分析,预测老化趋势。当测试完成www.cechina.cn,阀门重新开始工作,不会妨碍过程单元的生产计划。

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