Keskustelukumppaneina meillä ovat VTT:n Mittakeskuksen johtaja Martti Heinonen, Valmetin Flow Control Oy:n huoltopäällikkö Olli Repo sekä Tampereen teknisen yliopiston energiatekniikkaan erikoistunut automaatiotekniikan projektipäällikkö Yrjö Majanne.

Tarkkuus tehtävän mukaan

VTT:n Mittakeskuksen johtaja Martti Heinonen katsoo kenttälaitteita niiden mittatarkkuuden ja mittausten varmentamisen näkökulmasta.

Kysymme häneltä aluksi, mitä kenttälaitteiden hankinnassa tulee huomioida, jotta kunnonvalvonta ja kunnossapito on kustannustehokasta ja turvaa laitteiden luotettavan toiminnan koko niiden elinkaaren ajan.

”Laitteen tulee olla tarkkuuden puolesta sopusoinnussa sen tehtävän kanssa, mihin sitä käytetään. Mitä tarkemmin ja paremmin laite on speksattu, sitä kalliimpi se yleensä on. Niinpä laitevalinnassa haetaan balanssia ominaisuuksien ja hinnan välillä.”

Laitteen käytön kannalta on tärkeää miettiä aidosti merkittäviä asioita. Laitevalmistajien ilmoittamat ominaisuudet eivät välttämättä toteudu niissä olosuhteissa, missä laitetta käytetään. Lämpötila, pölyisyys tai tärinä voivat vaikuttaa laitteet toimintaan.

”Hankintavaiheessa on syytä tarkastaa, voidaanko laitteeseen liittää sen käytössä tarvittavia lisälaitteita. On myös tärkeää varmistaa, minkälainen ylläpito ja huolto laitteelle on tarjolla”, Heinonen sanoo.

Säännöllinen kalibrointi

Kenttälaitteen ideaali kunnonvalvontaratkaisu on Heinosen mukaan sellainen, että laitetta on helppo huoltaa tai tarvittaessa vaihtaa. Laitetta valvovan järjestelmän on oltava sellainen, että laitteen vika voidaan ennakoida.

Moderneilla työkaluilla analysoidaan kenttälaitteiden kuntoa ja ennakoidaan vikatilanteet. Tätä tehdään sekä laitteiden omilla ohjelmistoilla että prosessin automaatiojärjestelmällä, johon on integroitu vikadiagnostiikkaa.

”Automaatiojärjestelmässä ei aina ole huomioitu kalibrointia, vaan automaatiojärjestelmän analytiikka rajoittuu lähinnä vikadiagnostiikkaan.”

Laitteen kalibrointi määrävälein on tärkeää koko laitteen elinkaaren ajan. Kalibroinnit voidaan toteuttaa määräaikaishuoltojen yhteydessä.

”Jokaiselle laitteelle pitää olla kalibrointimenettely. Esimerkiksi otetaanko laite kalibroinnin ajaksi irti ja korvataan varalaitteella vai tehdäänkö kalibrointi laitteen käyttöpaikalla. Mittalaitteen linkki valvomoon on varmistettava niin, että koko järjestelmä toimii oikein. Vikoja tai mittausvirheitä voi tulla esimerkiksi väärin tehdyistä johdotuksista.”

Kenttälaitteen kalibrointi voidaan tehdä niin, että kalibroitavan laitteen rinnalla on referenssianturi, jonka arvoa verrataan koko sen järjestelmän antamaan arvoon, johon kalibroitava anturi on kytketty. Tällöin kalibrointia ei tehdä suoraan kalibroitavasta anturista. Kun käytössä on langattomat kenttälaitteet, tällainen kalibrointi on huomattavasti helpompaa kuin langallisessa järjestelmässä.

Tarkkuutta kalibrointiin

Mitä kenttälaitteiden ylläpidossa pitää huomioida, jotta mittatarkkuudessa päästään parhaaseen lopputulokseen?

On tärkeää, että laitteen kalibroidaan määrävälien. Kalibrointiväli riippuu laitteen suorituskyvystä ja sen käyttöolosuhteista. Mitä pidempi kalibrointiväli on, sitä suurempi on riski, ettei laite toimi siltä vaaditulla tavalla koko kalibrointivälin aikana.

Jos esimerkiksi samassa tilassa on samantyyppisiä lämpötila-antureita, kalibrointivälin sopivuutta voi arvioida vertaamalla antureita keskenään: Kun joku niistä alkaa näyttää poikkeavia arvoja, se indikoi kalibroinnin tarvetta.

”Laitteen luotettavuuteen vaikuttaa se, missä kalibrointi tehdään. Jos kalibrointi tehdään laboratoriossa ja käyttöolosuhteissa on voimakas värinä, voi se aiheuttaa virheitä, joka ei ole tullut kalibroinnissa esille”, Heinonen sanoo.

Itseoppiva äly voi tuottaa ongelmia

Konservatiivisuus ja vanhojen järjestelmien painolasti ovat suurimmat esteet modernien analyysimenetelmien käyttöönotolle ja laitteiden paremmalle kunnonvalvonnalle.

”Alan protokollat, liityntäpinnat ja muut standardit kehittyvät hitaasti. Laitokset ovat kiinni vanhoissa teknologioissa, jotka eivät välttämättä ole yhteensopivia modernien ratkaisujen kanssa.”

Älykkään analytiikan ongelma on Heinosen mukaan sen itseoppivuus. Laadunvarmennus vaatii jatkossa erilaista lähestymistapaa kuin nykyinen toiminta.

”Jos laite tai järjestelmä testataan tänään, tulos ei välttämättä vastaa enää huomisen tilannetta, sillä tekoäly on saattanut muuttaa järjestelmää testauksen jälkeen keräämänsä datan perusteella. Siksi järjestelmän toimintakykyä pitää analysoida jatkuvasti.”

Enemmän tiedonsiirtoa laitteelle ja laitteelta

Tapaamme seuraavaksi Tampereen teknisen yliopiston energiatekniikkaan erikoistunut automaatiotekniikan projektipäällikkö Yrjö Majanteen. Kysymme häneltä, mitä kenttälaitteiden hankinnassa ja laitossuunnittelussa tulee huomioida, jotta kunnonvalvonta ja kunnossapito on kustannustehokasta ja turvaa laitteen häiriöttömän toiminnan koko sen elinkaaren ajan?

”Isoissa tehtaissa on omat laitepolitiikat, jonka perusteella hankitaan tietyn valmistajan tuttuja hyviksi havaittuja laitteita. Hyvin suunnitellulla laitepolitiikalla taataan varaosien nopea saanti vikatilanteessa”, Yrjö Majanne vastaa.

Kenttälaitteista tuli älykkäitä, kun niihin lisätiin digitaalitekniikan mukanaan tuomaa signaalinkäsittelykapasiteettia. Kenttälaitteet kytkeytyivät automaatiojärjestelmään analogisilla virta- tai jännitesignaaleilla. Ainoa välitettävä tieto oli joko anturin mittaustieto tai toimilaitteelle lähetettävä ohjaus.

Kenttäinstrumentoinnin tiedonsiirron digitalisoitumisen ensimmäisessä vaiheessa analogiaviestin ”sekaan” lisättiin digitaalista tiedonsiirtoa HART-protokalla. Tämä mahdollisti laitteiden toimintaan ja ylläpitoon liittyvän tiedon välittämisen kenttälaitteen ja instrumentoinnin ylläpitojärjestelmän välillä.

”Nykyaikainen digitaalinen kenttäväylä mahdollistaa sen, että kenttälaitteen ja muun järjestelmän välillä voidaan siirtää paljon muutakin kuin pelkkää ohjaus- tai mittaustietoa, esimerkiksi laitteen toimintaan liittyvää tietoa. Tämä on aivan keskeinen asia kenttälaitteen diagnostiikalle, kun tietoa pitää prosessoida ja analysoida”, Majanne sanoo.

Laitteiden oma diagnostiikka kehittyy

Aiemmin laitteet itsessään eivät ole olleet älykkäitä, vaan niiden lähettämiä arvoja prosessoitiin ja analysoitiin erillisissä kunnonvalvontajärjestelmissä. Nyt on ainakin jossain määrin toisin, kun jotkut kenttälaitteet kykenevät diagnosoimaan itse omaa kuntoaan.

Aiemmin niin ovat tehneet lähinnä analysaattorit, esimerkiksi voimalaitosten savukaasuja analysoivat happianalysaattorit, jotka ottavat määrävälein analyysikennoonsa ulkoilmaa ja tarkistavat, että analysaattori tällöin näyttää happipitoisuuden olevan 21 prosenttia. Tällaista analytiikkaa ei Majanteen mukaan kuitenkaan voida toteuttaa prosesseissa tyypillisissä paineen, lämpötilan tai virtauksen mittalaitteissa, koska toiminnan tarkistamiseen sopivia referenssiarvoja ei ole käytettävissä. Diagnostiikka rajoittuu lähinnä antureiden sähköisten toimintojen järkevyyden tarkasteluun.

Mikäli mittalaitteen antama signaali on asetettujen rajojen sisällä, ja signaali elää, sen arvon oikeellisuutta ei voida varmistaa ilman lisätietoa prosessin muusta käyttäytymisestä. Siihen tarvitaan erillisenä toimenpiteenä kalibrointilaitteistolla tehtävä kalibrointi.

Nykyisissä älykkäissä kenttälaitteissa äly ei yleensä liity diagnostiikkaan, vaan tarkoittaa erilaisia lisätoimintoja, kuten esimerkiksi virtauslähettimissä paine- ja lämpötilakompensointien ja signaalin linearisoinnin sisällyttämistä virtausmittariin itseensä sen sijaan, että nämä tehtäisiin automaatiojärjestelmässä.

Ainoat kenttälaitteet, joissa voidaan sanoa olevan kehittyneempää diagnostiikkaa ovat säätöventtiilit. Usealla valmistajalla on niihin liittyvää diagnostiikkaa, joka pystyy valvomaan venttiilin virheetöntä toimintaa.

Mittatiedot ohjaavat prosessia

Prosessien hallinnan kannalta mittaustiedon oikeellisuus on tärkeää. Esimerkiksi voimalaitoksissa tuorehöyryn lämpötilan mittaukset ohjaavat höyryn lämpötilan säätöä. Kenttälaitteiden antamat virheelliset arvot aiheuttavat ongelmia prosessin toimintaan.

Jos tuorehöyryn lämpötilan mittaustulos todelliseen arvoon verrattuna on esimerkiksi kymmenen astetta liian korkea, höyryturbiinin hyötysuhde laskee optimaalisesta, ja tämä aiheuttaa tuotantotappioita. Todellista lämpötilaa alhaisemmat mittaustulokset puolestaan johtavat höyrylinjan materiaalien ylikuumenemiseen lyhentäen esimerkiksi tulistimien elinikään.

”Monille teollisuuden prosesseille on ominaista, että ne toimivat parhaalla hyötysuhteella ajettaessa jotain rajoitusta vasten, esimerkiksi suurinta sallittua materiaalilämpötilaa. Tällöin väärin näyttävä mittaus joko heikentää prosessin tuottavuutta tai vahingoittaa sen rakenteita”, Majanne sanoo.

Tekoäly mallintamaan prosessia

Kun Majanne pohtii kenttälaitteiden ideaalia kunnonvalvontaratkaisua, hän nostaa perusasian kärkeen: kunnonvalvontaa tekevän järjestelmän pitää varmistaa, että kenttälaitteet toimivat oikealla tavalla tuottaen luotettavaa tietoa prosessin tilasta.

”Automaatiojärjestelmässä mittaussignaalien luvun yhteydessä tarkistetaan, antaako laite järkevää, oikealla alueella olevaa viestiä. Jos automaatiojärjestelmän diagnostiikka havaitsee mittauksen olevan epäluotettava, järjestelmä voi esimerkiksi kytkeä mittausta käyttävän säätöpiirin käsiajolle, jolloin säädin ei muuta prosessin ohjausta virheellisen mittauksen perusteella.”

Miten moderneilla työkaluilla voidaan esimerkiksi tekoälyn avulla analysoida kenttälaitteiden kuntoa ja ennakoidaan vikatilanteet?

”Tekoälyä voidaan hyödyntää mallintamaan prosessin normaali käyttäytyminen sekä käyttäytyminen erilaisissa vikatilanteissa. Malli oppii, miten erilaisissa ajotilanteissa eri puolilla prosessia sijaitsevat mittaukset käyttäytyvät suhteessa toisiinsa.”

Myös mittaussignaaleiden tilastollisten parametrien muodostamat sormenjäljet voidaan mallintaa.

”Vertaamalla mitattujen signaaleiden käyttäytymistä näiden digitaalisten kaksosten simuloimaan käyttäytymiseen, voidaan havaita poikkeamat prosessin normaalista käyttäytymisestä, ja siirtyä diagnostiikan seuraavaan vaiheeseen, vian tunnistamiseen ja sen vakavuuden arviointiin”, Majanne sanoo.

Mitoitusvirheet kasvattavat elinkaarikustannuksia

Valmetin Flow Control Oy:n huoltopäällikkö Olli Repo lähestyy kenttälaiteiden, erityisesti mittalaitteiden ja venttiilien valintaa, käyttöä ja kunnossapitoa laitoksen käytettävyyden näkökulmasta.

Laitoksen elinkaaren aikana ja esimerkiksi vanhan laitoksen modernisointi projektin aikana kannattaa käyttää aikaa kenttä- ja prosessilaitteiden todellisten toimintapisteiden määrittämiseen eli alkuperäisessä suunnittelussa tapahtuneiden mitoitusongelmien etsimiseen.

”Jos putkikoot ovat liian isoja tai venttiileiden avaumat ovat liian pienet, ne eivät ole säätöalueella. Ylimitoitettu venttiili on säätötekninen ongelma ja kasvattaa elinkaarikustannusta merkittävästi”, Repo sanoo.

Oikea mitoitus ja materiaalivalinnat ovat tärkeimpiä venttiilien kestävyyden ja luotettavan toiminnalle, venttiilityypin merkitystä unohtamatta. Kenttälaitteiden osalta pitää määrittää, mikä on todellinen prosessin tarkkuusvaade.

Ongelmia syntyy usein silloin, kun prosessi tai sen ajotapa kehittyy niin, että prosessiin alun perin oikein valitut laitteet eivät enää vastaakaan prosessin nykyisiä vaatimuksia.

Juurisyyt esille

Venttiilien käytettävyyttä on helpointa parantaa etsimällä vikaantumisen juurisyitä. Säätöpiirin värähtely aiheuttaa säätökäytössä usein prosessiin materiaalillisesti oikein valitun venttiilin vikaantumisen.

Säätöpiirin värähtelylle on useita mahdollisia syitä. Venttiilin liian suuri koko altistaa venttiilin värähtelylle. Tästä syntyy prosessin heikko säätötarkkuus ja kestävyyteen liittyvät ongelmat. Säätöventtiilin osalta avautuman tulisi olla 50–60 prosenttia ja alle 30 prosentin avautumia tuli säätökäytössä välttää.

Repo suhtautuu varauksella suuriin kapasiteettivarauksiin, jotka johtavat kentän ylimitoitukseen.

”Kapasiteetin kasvulle pitää tehdä selkeä suunnitelma, sillä nykymenetelmillä kapasiteetin kasvutarve voidaan helposti laskea”, Repo sanoo.

Huollon ohjaus on hänelle toinen huolenaihe. Sen onnistumista arvioidaan viankorjaamisen nopeudella, eikä vikoja estämällä.

”Laitetta huolletaan usein kerta toisensa jälkeen. Ei puututa ongelman juurisyyhyn ja vaihdeta laitetta tai poisteta ongelman aiheuttajaa. Hulluinta on, että usein vedotaan ongelman poistamisen kalleuteen, vaikka usein toistuva korjaaminen tarkoittaa myös jatkuvia tuotantotappiota, kun tuotanto pitää keskeyttää huollon ajaksi.”

Laitos kaipaa jatkuvaa viritystä

”Elinkaarenhallinta ja ennakkohuolto on sekä kentän että säätöjen jatkuvaa virittämistä. Jos laitosta ja sen toimintaa ei voi virittää, syntyy pullonkauloja ja perustavanlaatuisia ongelmia.”

Ongelmat ovat Revon mukaan useimmiten teknisiä asioita, jotka voidaan ratkaista.

”Ongelmiin pitää puuttua, koska vikaantumismetodit kyllä tunnetaan.”

Repo peräänkuuluttaa perussäätöjen kuntoon saattamista. Kun ne ovat kunnossa, tiedetään, mitä putkiston sisällä tapahtuu. Tämän jälkeen huomataan, että esimerkiksi paineiskut ja muut laitteiston rajut tapahtumat vähenevät. Tähänkin pätee edellinen.

”Tärkeintä on poistaa ongelmien juurisyyt.”

Ennakoiva kunnossapito on a ja o

Repo korostaa mittaavan eli ennakoivan kunnossapidon merkitystä.

”Mittaava kunnossapito tuottaa tietoa muun muassa vikaantumisen juurisyistä. Kuin niitä säännönmukaisesti poistetaan, laitoksen käytettävyys parantuu. Käytettävyys on kenttälaitteiden toimivuus kertaa säätöjen toimivuus. Jos toinen heikkenee, käytettävyys laskee. Kun tämä syy-yhteys ymmärretään, pitää sitoutua toimintaan, joka perustuu näiden asioiden parantamiseen”, Repo alleviivaa.

Ennakoivalla huollolla ja ongelmiin ajoissa puuttumalla voidaan saavuttaa paljon. Repo nostaa esille vipuvarsisuhteen 1:10 – 1:12, jossa verrataan ennakoivan huollon kustannuksia niihin kustannuksiin, jotka aiheutuisivat laitoksen alasajosta ja tuotannon menetyksistä.

”Tuotannon menetystä ei usein lasketa kustannukseksi.”

Kunnossapidolle budjetoidaan perinteisessä mallissa tietty raha per vuosi plus indeksikorotus. Asian voisi ajatella toisin.

”Pitäisi huomioida tuotannon alasajosta syntyvä riskit ja siitä syntyvät eurojen menetykset. Kun tämä estetään kunnossapidolla, voidaan alasajojen menetykset kääntää kunnossapidon ”tuloksi”. Sen ottaminen yhdeksi kunnossapidon onnistumisen mittariksi.”

Näiden laskelmien tekemiseen tarvitaan kunnossapidon ja tuotannon pitkäjänteistä yhteistoimintaa. Se tuottaisi dokumentaatiota, jota laitoksen johto voi käyttää laitoksen toimintaa ohjaavassa päätöksenteossa.

”Kun tuotannonmenetystä ei lasketa kunnossapidon kuluna, säästetään kaikissa paikoissa. Jossain vaiheessa vastaan tulee tilanne, jossa kaksipuoleinen teippi ei enää riitä”, Repo tiivistää.

Tiedolla johtaminen tuottaa parhaan tuloksen

Dokumentointia ja siitä seuraavaa päätöksentekoa tukee prosessin ja kenttälaitteiden kunnonvalvontatyökalut kuten Neles ND-sarja. Tämän tiedon yhdistäminen laiteiden historiatietoon ja tuotannon tiedonkeruuseen mahdollistaa kokonaisvaltaisemman toiminnan dokumentoinnin, joka puolestaan mahdollistaa toiminnan pitkäjänteisen kehittämisen.

Tehtaan johdon tulisi päättää, että huoltotoiminnot ja niistä saatava tieto ohjaavat pitkälti laitoksen toimintaa ja päätökset tehdään tiiviissä yhteistyössä tuotannon henkilöstön kanssa. Oli valitut työkalut mitkä hyvänsä, sitoutuminen ja halu onnistuvat ratkaisevat.

Kun muutoksen tielle lähdetään, vaatii se aikaa ja opettelua. Muutosjohtaminen on vähintäänkin haastavaa, mutta oikein läpivietynä tuottaa tuloksia.

Ohjelmistojen tuottaman tiedon jalkauttaminen vaatii sitoutumisen koko linjaorganisaatiossa.

”Dokumentointi toimii liimana ja viimeisen dokumentin tekee aina tuotanto avatun tiketin sulkemisen viimeisenä vaiheena. Todellisten kustannusten arvio vian vaikutuksesta esimerkiksi tuotantoon on arvioitava huolellisesti. Jos toiminta on leväperäistä, tulee toiminnan onnistumisen raportoinnista epätarkkaa ja siis koko toiminta tulee ajassa korruptoitumaan”, Repo sanoo.

Kun elinkaaren hallinnan perusasiat ovat kunnossa, on elinkaaren hallinta helpointa, kustannukset pysyvät kurissa ja laitoksen käytettävyys korkealla.