روایت منتشرشده
روایت هوشمندسازی فرآیند پخت، کنترل انرژی و بازیابی حرارت در یک کارخانه تولید آجر
چکیده پروژه
در این پروژه، فرآیند پخت آجر در کورههای هافمن از مدلی وابسته به مشاهده شعله، رنگ آجر و تجربه فردی اپراتور، به مدلی مبتنی بر اندازهگیری دما، کنترل احتراق و پایش فرآیند نزدیک شد. ما با نصب سنسورهای دما، اتصال کنترلر به مشعلها و شیرهای کنترلی، طراحی مانیتورینگ محلی و پایش از راه دور، امکان مشاهده و کنترل لحظهای شرایط کوره را فراهم کردیم. بخش دیگری از کار به بازیابی حرارت خروجی کوره و انتقال کنترلشده آن به خشککن خشت خام اختصاص داشت. هدف، هماهنگکردن انرژی ورودی با نیاز واقعی پخت، کاهش اتکا به تشخیص لحظهای و ساختن بستری برای تصمیمگیری مبتنی بر داده بود.
مسئله از جایی شروع شد که آتش هنوز با چشم کنترل میشد...
در یکی از پروژههایی که بر روی فرآیند تولید آجر انجام دادیم؛ با کارخانهای مواجه شدیم که بخش مهمی از فرآیند پخت آن همچنان به روشهای سنتی و تجربه محور مدیریت میشد. قلب این فرآیند، کورههای هافمن بودند. در روش موجود، اپراتور وضعیت پخت را از طریق تجربهای که از مشاهده رنگ و سایه آجر داخل کوره به دست آورده بود؛ ارزیابی میکرد. این روش یک مشکل اساسی داشت:
چشم انسان، ابزار اندازهگیری دقیق دما نیست.
ممکن بود دو اپراتور با مشاهده شرایط مشابه، تصمیمهای متفاوتی برای میزان سوخت، شدت شعله و یا ادامه فرآیند پخت آجر بگیرند. از طرف دیگر، شرایط داخل کوره در همه نقاط یکسان نیست و دمای واقعی، وضعیت احتراق و نحوه توزیع حرارت را نمیتوان تنها با مشاهده رنگ آجر و قسمتی از داخل کوره؛ به درستی تشخیص داد. نتیجه چنین فرآیندی میتواند خودش را در چند نقطه نشان دهد؛ مصرف بیش از نیاز سوخت، پخت نامتوازن، افزایش احتمال ترکخوردگی یا تغییر کیفیت آجر و حتی آسیب دیدن بخشی از محصول در اثر قرار گرفتن در شرایط حرارتی نامناسب.
همچنین به دلیل کنترل نیروی انسانی ممکن بود فرآیند پخت کامل شده باشد ولی کوره هنوز روشن بود که باعث مصرف بی رویه گاز میشود.
بنابراین سؤال اصلی ما این بود:
چطور میتوانیم فرآیند پخت را از یک فرآیند وابسته به تشخیص فردی، به یک فرآیند قابلاندازهگیری، قابلکنترل و قابل پایش تبدیل کنیم؟
دمای هزار درجه را نمیشود حدس زد
اولین قدم؛ تبدیل دمای کورهای که میتواند به محدوده حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد برسد به داده میباشد. تصمیمگیری بدون دادههای دقیق و مطمئن، ریسک بالایی دارد. در کوره هافمن نیز جبهه آتش در طول محفظهها حرکت میکند و هر بخش از کوره در مقاطع مختلف، نقش پیشگرمایش، پخت یا خنککاری را پیدا میکند. همین ویژگی باعث میشود کنترل صحیح توزیع حرارت اهمیت زیادی داشته باشد. بنابراین اولین تغییر، اضافه کردن نقاط اندازهگیری و جمعآوری دادههای دمایی فرآیندی بود.
از دیدن شعله تا دیدن دادههای فرآیند
در نقاط مورد نیاز، سنسورهای دما و کارتهای اندازهگیری مناسب نصب شدند تا وضعیت دمایی فرآیند دیگر صرفاً از روی ظاهر شعله یا تجربه اپراتور تشخیص داده نشود. دادهها وارد سیستم کنترل شدند و دما در کورهها به صورت لحظهای قابل مشاهده شد. این تغییر شاید در ظاهر ساده باشد، اما از نظر مهندسی نقطه شروع یک تحول مهم بود. همین تفاوت، مرز میان کنترل تجربی و کنترل مبتنی بر داده است. در یک کوره صنعتی، افزایش بیدلیل سوخت الزاماً به معنی پخت بهتر نیست. اگر انرژی بیش از نیاز فرآیند، وارد کوره شود؛ بخشی از آن انرژی به جای افزایش ارزش افزوده، از مسیر گازهای خروجی، دیوارهها و سایر مسیرهای اتلاف حرارت، از سیستم خارج میشود. از طرف دیگر، کاهش بیش از حد انرژی ورودی نیز میتواند باعث شود محصول به دمای لازم برای پخت مناسب نرسد. بنابراین هدف ما این نبود که صرفاً شعله را کم و زیاد کنیم.
وقتی مشعل و شیرها وارد حلقه کنترل شدند
هدف این بود که انرژی ورودی با نیاز واقعی فرآیند هماهنگ شود.
برای این کار، سیستم کنترل را به بخشهای مرتبط با مشعل و شیرهای کنترلی ۰ تا ۱۰۰ درصدی متصل کردیم تا میزان جریان سوخت و شرایط شعله، بر اساس منطق تعریف شده و دادههای واقعی فرآیند مدیریت شود. کنترلر، اطلاعات سنسورها را دریافت میکند، شرایط فعلی را با محدودههای تعریفشده مقایسه میکند و بر اساس منطق کنترلی، فرمان لازم را به تجهیزات اجرایی میدهد. به این ترتیب، تصمیمگیری فقط به واکنش لحظهای اپراتور وابسته نمیماند.
کوره فقط کنار اپراتور دیده نمیشد
یکی دیگر از بخشهای پروژه، طراحی سیستم مانیتورینگ بود. برای اپراتور محلی، اطلاعات مورد نیاز روی سیستم مانیتورینگ در محل قابل مشاهده شد؛ اما موضوع را به همانجا محدود نکردیم. هدف این بود که مدیر یا مسئول فنی مجموعه بتواند حتی زمانی که در کنار کوره حضور ندارد، وضعیت فرآیند را بررسی کند. به همین دلیل، زیرساخت پایش از راه دور نیز در نظر گرفته شد. اطلاعات فرآیند، وضعیت تجهیزات، دماها و هشدارهای تعریفشده میتوانستند از طریق سیستم مانیتورینگ و بستر ارتباطی در اختیار کاربران مجاز قرار بگیرند. در نتیجه، اگر دمای یک ناحیه از محدوده مورد انتظار خارج شود، یا وضعیت یک تجهیز نیازمند توجه باشد، لازم نبود حتماً فردی در کنار کوره حضور داشته باشد تا متوجه آن شود. در واقع کوره از یک تجهیز فیزیکی در کارخانه به یک تجهیز قابل مشاهده در فضای دیجیتال تبدیل شد.
گرمای خروجی کوره کجا میرود؟
بعد از بررسی فرآیند، به یک سؤال مهمتر رسیدیم: آیا میتوانیم انرژی خارجشده از کوره را نیز بهتر مدیریت کنیم؟ پاسخ مثبت بود.
کورههای هافمن ذاتاً امکان استفاده از حرارت گازهای داغ و هوای خروجی برای پیشگرمایش و خشککردن آجرهای خام را دارند و همین گردش حرارت، میتواند یکی از دلایل بهرهوری حرارتی این نوع کورهها باشد. در صنعت نیز استفاده از گاز با دمای بالا برای خشککردن و پیشگرمایش آجر پیش از ورود به ناحیه پخت، بهعنوان یک راهکار شناخته شده مطرح شده است. ما در این پروژه تلاش کردیم این فرآیند را از یک فرآیند صرفاً وابسته به شرایط طبیعی جریان هوا، به یک سیستم مهندسی شده و قابل کنترل تبدیل کنیم. ایده ساده بود:
چرا باید هوای داغی که هنوز انرژی قابلاستفاده دارد، مستقیماً وارد مسیر خروجی شود؛ در حالی که چند متر آنطرفتر برای خشککردن آجر به انرژی حرارتی نیاز داریم؟
حرارتی که میتوانست هدر برود، به خط تولید برگشت
برای اجرای این ایده، یک سیستم مبدل حرارتی و مسیر انتقال هوای گرم طراحی و اجرا شد. مبدل وظیفه داشت انرژی حرارتی جریان هوا داغ و خورنده را به جریان هوای مورد استفاده در خشککن منتقل کند؛ بدون اینکه لازم باشد جریان آلوده خروجی کوره مستقیماً وارد محیط خشککردن محصول شود. این موضوع علاوه بر بازیابی انرژی، امکان کنترل بهتر شرایط هوای خشککن را نیز فراهم کرد.
خشککن هم باید با دمای واقعی کار میکرد
اما اینجا هم یک مشکل وجود داشت. اگر تمام گرمای خروجی را بدون کنترل وارد خشککن کنیم، ممکن است دمای خشککن بیش از حد بالا برود؛ و اگر جریان را بیش از حد محدود کنیم؛ دمای مورد نیاز برای خشککردن تأمین نمیشود. بنابراین مجدد به اتوماسیون برگشتیم. مبدل حرارتی که خودش را با نیاز خشککن در مسیر انتقال حرارت تنظیم میکند؛ به شیرهای کنترلی و تجهیزات اندازهگیری مجهز شد تا میزان جریان سیال در مسیر مبدل بر اساس دمای مورد نیاز خشککن، قابل تنظیم باشد. کنترلر، دمای واقعی خشککن را دریافت میکند و با مقدار هدف مقایسه میکند. اگر دما پایینتر از مقدار مورد نظر باشد، سیستم اجازه عبور جریان حرارتی بیشتری را میدهد. اگر دما به محدوده تعیینشده نزدیک شود، میزان جریان کنترل میشود تا فرآیند در محدوده مطلوب باقی بماند. در واقع، مبدل حرارتی بخشی از یک حلقه کنترل حرارتی شد.
چرا این پروژه فقط صرفهجویی انرژی نبود؟
در نگاه اول ممکن است پروژه را فقط یک پروژه کاهش مصرف سوخت بدانیم. اما مسئله بزرگتر از این بود. وقتی دمای فرآیند قابل اندازهگیری و کنترل میشود، کیفیت تولید نیز از یک فرآیند کاملاً وابسته به تجربه اپراتور فاصله میگیرد. اگر آجر در معرض دمای بیش از حد قرار بگیرد، احتمال آسیب حرارتی و تغییر نامطلوب در محصول افزایش پیدا میکند. اگر حرارت کافی نباشد، پخت کامل اتفاق نمیافتد. در واقع، انرژی و کیفیت محصول در این فرآیند از یکدیگر جدا نیستند. به همین دلیل، تلاش کردیم هم سمت ورودی انرژی و هم سمت خروجی انرژی را مهندسی کنیم. در سمت ورودی، کنترل بهتر احتراق و شعله را داشتیم. در سمت خروجی، بازیابی حرارت و استفاده از آن در خشککردن آجر و در مرکز این دو، سیستم اندازهگیری و کنترل قرار گرفت.
اپراتور حذف نشد؛ به داده مجهز شد
این پروژه به معنی حذف نقش اپراتور نبود. اتفاقاً هدف این بود که تجربه اپراتور در کنار دادههای واقعی فرآیند قرار بگیرد. اپراتور همچنان بخشی مهم از فرآیند بهرهبرداری است، اما دیگر مجبور نیست برای تشخیص شرایط کوره فقط به تجربه و مشاهده تکیه کند. وقتی دما، وضعیت شیرها، شرایط فرآیند و هشدارها روی مانیتور دیده میشوند؛ تجربه اپراتور با اطلاعات عددی ترکیب میشود. در چنین شرایطی، تصمیمگیری سریعتر و قابلردیابیتر میشود. از طرف دیگر، اطلاعات ثبتشده میتوانند برای بررسی روند فرآیند نیز مورد استفاده قرار بگیرند.
از کارخانه سنتی تا کارخانه دادهمحور
این تغییر، یکی از پایههای حرکت از یک کارخانه سنتی به سمت کارخانه دادهمحور است. در پایان، هدف ما صرفاً نصب چند سنسور، یک کنترلر یا یک سیستم مانیتورینگ نبود. ما تلاش کردیم یک فرآیند قدیمی را مرحله به مرحله قابلاندازهگیری و قابلکنترل کنیم. دما از یک مشاهده تقریبی به یک داده تبدیل شد. شعله از یک متغیر وابسته به تشخیص اپراتور، به بخشی از یک سیستم کنترلی تبدیل شد. وضعیت کوره از حضور فیزیکی در کنار آن، به مانیتورینگ محلی و امکان پایش از راه دور منتقل شد. و گرمایی که میتوانست به عنوان بخشی از اتلاف حرارتی از سیستم خارج شود، دوباره وارد چرخه تولید شد و برای خشککردن خشت خام مورد استفاده قرار گرفت. این تغییرات در کنار هم، یک مفهوم مهم را نشان دادند:
هوشمندسازی کارخانه الزاماً به معنی ساختن یک کارخانه کاملاً جدید نیست.
گاهی کافی است همان تجهیزات موجود را بهتر اندازهگیری و کنترل کنیم، دادههای آنها را جمعآوری کنیم، نقاط اتلاف را پیدا کنیم و با ترکیب مکانیک، کنترل و اتوماسیون، فرآیند را دوباره مهندسی کنیم.
در این پروژه، ما کوره را عوض نکردیم؛
نگاه کارخانه به کوره را عوض کردیم.
هر داده باید به یک تصمیم بهتر برسد
کورهای که پیش از این با تجربه و مشاهده کنترل میشد، حالا داده تولید میکرد. حرارتی که پیش از این بخشی از آن از سیستم خارج میشد، دوباره به فرآیند برمیگشت. و تصمیمهایی که پیش از این در بسیاری از مواقع به تشخیص لحظهای وابسته بودند، تا حد بیشتری به اندازهگیری و منطق کنترلی متکی شدند. برای ما، معنای واقعی هوشمندسازی همین بود:
نه اینکه کارخانه را پر از سنسور و نرمافزار کنیم؛ بلکه کاری کنیم هر دادهای که جمع میشود، در نهایت به یک تصمیم بهتر، انرژی کمتر هدررفته و فرآیندی قابلکنترلتر منجر شود.