Facilidad de uso
Márgenes de mejora Identificación de límites en las industrias de procesos de transformación Andreas Kroll, Frank Simon, Gordon Cheever, Tomi Pilbacka, David Stanier
Los operadores de las plantas de procesos de transformación están sometidos a una gran presión para que aumenten su rentabilidad. Un primer paso importante para garantizar la competitividad es entender cómo se compara una planta dada con otras plantas, explotadas con gran eficiencia. A pesar de las diferencias entre las plantas industriales, esta comparación se puede realizar usando indicadores de rendimiento aceptados en general por la industria.
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Márgenes de mejora
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C
uando se inician proyectos de mejora de instalaciones, un reto importante es identificar las oportunidades que probablemente producirán las máximas mejoras. Un posible criterio de selección es elegir un área a partir de la experiencia personal del experto asesor y llevar a cabo un primer estudio. A esto le seguiría generalmente un análisis técnico-económico para estimar el potencial de mejora. Con frecuencia se establece una línea de referencia de rendimientos, para medir el efecto de los proyectos de mejora. Este artículo presenta un método alternativo que estudia a fondo los sistemas de automatización y las prácticas de la industria de procesos de transformación para determinar el potencial de mejora1). Este estudio se limita funcionalmente a la evaluación de los siguientes aspectos: los sistemas de automatización e información de procesos on-line y la instrumentación y los dispositivos analíticos, motores y accionamientos. motores y accionamientos, “I&C“ a partir de aquí El procedimiento sistemático asistido por ordenador, recientemente desarrollado, permite al asesor examinar una planta en tan sólo unos días. En primer lugar se realiza una evaluación técnica completa de los sistemas y equipos instalados. En segundo lugar se estima el potencial de mejora eco1
nómica por aumento de la capacidad de producción y por reducción de costes, haciendo una comparación con el rendimiento de plantas de primera clase mundial. Se trata de un procedimiento de arriba abajo basado en la búsqueda de mejoras a través de las disciplinas, funciones y componentes. Éstas son algunas cuestiones típicas: “¿Es más efectivo reducir los costes de mantenimiento que implementar un control avanzado de procesos (APC), o tendría mayor efecto económico mejorar el soporte del punto de operación y los cambios en el producto?” Un equipo interdisciplinar ha desarrollado un proceso de estudio rápido de sistemas y componentes I&C y de los procedimientos de trabajo asociados, combinando métodos de valoración y benchmarking (pruebas de referencia comparativa). El nuevo método, que requiere una visita a la instalación de sólo dos o tres días, ha sido probado en aplicaciones piloto en la industria química y de la pulpa y el papel. Metodología
En 1 se resumen las fases y el proceso de datos requerido por la metodología desarrollada. Evaluación y benchmarking
Evaluación es el acto de determinar si los elementos, procesos o servicios cumplen requisitos especificados. En este artículo, el término evaluación se
Fases de recogida y proceso de información
Colección previa de datos
Visitas a página y entrevistas
Introducción de la información en la herramienta
Cálculo de indicador
Evaluación del indicador
Criterios cualitativos, evaluación de cumplimiento
Indicador de rendimiento clave Cálculo (media ponderada)
Determinación de funciones de automatización potencialmente improbables (de matriz sensitiva) Base de datos Rendimiento de planta Buenas practicas
Determinación de prácticas potencialmente improbables
Estimación de las oportunidades de mejora económica
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Salida de resultados o rendimiento real
Resultados de oportunidades potenciales de mejora, técnicas y prácticas
Resultados de las oportunidades de mejora económica
refiere a la comprobación del rendimiento de la planta aplicando medidas predefinidas. Una tarea importante, aunque nada fácil, es elegir el valor máximo del rendimiento alcanzable, por ejemplo cuando se alcanza exactamente un rendimiento del 100 por ciento. Ahmad y Benson [2] definieron Benchmarking como un proceso estructurado consistente en comparar el rendimiento de una planta con el de las mejores plantas mundiales de su género. El objetivo fundamental es aprender de los mejores de su clase. Algunas evaluaciones incluso realizan comparaciones entre industrias diferentes. En este artículo, el benchmarking se refiere a la comparación de una planta con otras para clasificar su rendimiento. Este procedimiento de clasificación determinará si una planta funciona mejor que la media y si cae dentro del 25 por ciento de plantas con mejores resultados del conjunto elegido para la comparación. Las comparaciones pueden ser a nivel global o regional, entre industrias diferentes o dentro de un sector industrial, o estar basadas en otros criterios. Jerarquía e indicadores clave del rendimiento
La automatización de procesos se estudia a fondo durante la evaluación técnica. En ella se identifican los aspectos más significativos para analizarlos posteriormente a fondo, en el estudio técnico complementario. El espectro de evaluaciones abarca desde la instrumentación, los sistemas de control y el control APC hasta los sistemas de planificación de la producción y de la gestión del mantenimiento. La evaluación considera la tecnología y su aplicación, los procedimientos de trabajo y los costes de explotación y mantenimiento. Se han identificado unos 100 criterios, unos cualitativos y otros cuantitativos. Los criterios cuantitativos se definen como indicadores de rendimiento. Algunos ejemplos pueden verse en el Cuadro . Los criterios cualitativos se definen para diferentes niveles de rendimiento y la posibilidad de realizar evaluaciones coherentes, reproducibles y comparables. Todos estos criterios se 57
Márgenes de mejora
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agrupan en 10 indicadores clave del rendimiento (KPI, Key Performance Indicator), que subrayan subgrupos de áreas que pueden requerir mejoras. 1. Estado de activos de instrumentación y control (I&C) 2. Ciclo de vida (obsolescencia) I&C 3. Capacidad de producción 4. Calidad y rendimiento 5. Flexibilidad / agilidad 6. Entorno, seguridad y cumplimiento de las normas 7. Mantenimiento 8. Costes de explotación 9. Personal 10. Ayuda al operador Evaluación de los indicadores de rendimiento
2
El ejemplo muestra los resultados de los 10 indicadores KPI con sus respectivas calificaciones porcentuales y puntuaciones, y la calificación mínima (en puntos) de los indicadores auxiliares de rendimiento.
Aspecto de evaluación
(0–100%)
(1–4)
(1–4)
I&C, condición de activo
33%
2.0
1.5
I&C, ciclo de vida (obsolescencia)
42%
2.3
1.5
Rendimiento
32%
2.0
1.0
Calidad y resultado
59%
2.8
1,5
Flexibilidad / agilidad
35%
2.0
1.0
Entorno, seguridad y cumplimiento
40%
2.2
1.0
Mantenimiento / sostenibilidad
51%
2.5
1.0
Coste de funcionamiento
24%
1.7
1.0
Personas / sostenibilidad
63%
2.9
1.8
Soporte al operador
46%
2.4
1.0
Cuadro
Los criterios cuantitativos se definen como indicadores de rendimiento, Los ejemplos contienen:
Una vez calculados los valores de los indicadores de rendimiento se ha de evaluar cada uno de ellos para determinar si el rendimiento del proceso está ya en un buen nivel o si existen buenas posibilidades de mejora. La escala de cada indicador puede ser diferente, pero una escala común hace más fácil interpretar y correlacionar los KPI. Por esta razón, se definieron cuatro niveles de referencia para los indicadores de rendimiento: Rendimiento excelente (Puntuación = 4) Buen rendimiento (Puntuación = 3) Rendimiento intermedio (Puntuación = 2) Importante potencial de mejora (Puntuación = 1) Para determinar las fronteras entre estos cuatro niveles, se evaluó una base de datos de ABB con más de 300 valoraciones de rendimientos, junto con los resultados de organizaciones industriales y de la documentación publicada. También se tuvieron en cuenta las experiencias de los expertos de ABB, procedentes de diversas fuentes, que comprenden la gran cartera de productos de automatización de ABB, muchos proyectos clave y de moder58
Puntuación Puntuación Puntuación (por ciento) puntos mínima
nización y contratos de servicio completo para muchas plantas. Para simplificar el proceso se introdujo una escala no lineal para puntuar cada indicador de rendimiento. Esto armoniza las diferentes escalas usadas para evaluar cada indicador y correlaciona el resultado con una escala común (1 a 4) para todos los indicadores de rendimiento. Los factores cuyo buen resultado es vital y que constituyen cada uno de los 10 KPI se calculan como una media ponderada para tener en cuenta la relevancia proporcional de cada componente. De ello resulta una puntuación en una escala de 1 a 4 y una calificación porcentual del rendimiento. Un ejemplo de cálculo en forma tabular se muestra en 2 . El primer KPI (estado de activos I&C) tiene una calificación porcentual de 33, o una puntuación de 2,0.
Sin embargo, aplicar una puntuación media ponderada para calcular los indicadores KPI puede enmascarar componentes individuales que funcionan por debajo de lo normal. Para llamar la atención en tales casos, el componente con menor puntuación se visualiza como Min Score. Por ejemplo, el indicador KPI de la capacidad de producción mostrado en 2 tiene una puntuación de rendimiento intermedio de 2,0 con una puntuación mínima Min Score de 1. Ello sugiere que al menos un componente del KPI tiene un importante potencial de mejora. Identificación de objetivos de mejora
La evaluación técnica reconoce los puntos fuertes y débiles de una planta e identifica los campos con potencial de mejora. Dependiendo de qué sistema, aplicación o práctica relacionada con la automatización se modifique, las diferentes categorías de rendimiento mejorarán en diferente medida. Por ejemplo, los analizadores tienden a influir sobre la rentabilidad y la calidad del producto. La fiabilidad de los sistemas puede mejorarse supervisando el estado, mientras que los sistemas de gestión energética tienen una influencia particular en los costes de la energía. La sensibilidad de los controladores (automatización) y los resultados (rendimiento) se pueden resumir como matriz genérica de sensibilidades (por ejemplo, 3 ) que puede leerse en dos direcciones: Las áreas básicas de automatización para mejorar las medidas de rendimientos seleccionadas se pueden determinar focalizadamente. (Área afectada → Sistemas / componentes / aplicaciones) Si no existe automatización, o ésta funciona por debajo del nivel óptimo, las áreas más afectadas se pueden identificar y estudiar con más detalle. (Sistemas / componentes / aplicaciones → Áreas afectadas) Revista ABB 1/2007
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Se pueden superponer indicadores combinados de rendimiento en los elementos de la matriz para indicar qué aplicaciones, componentes y sistemas de automatización son más relevantes para mejorar el funcionamiento. Esto pone de relieve un subconjunto de factores que pueden estudiarse con mayor detalle. En 3 se muestra un ejemplo: las celdas rojas contienen grandes valores numéricos, que indican que el aspecto asociado a la automatización es estrechamente relevante para el aspecto de mejora relacionado. Los números que figuran en las celdas representan la relevancia o la fuerza de la asociación, y no el rendimiento en sí (como en el caso de los indicadores de rendimiento).
Esta medida está reconocida como un indicador de buena práctica operativa, que compara la producción actual con la máxima producción posible. Ésta última se alcanza cuando una planta funciona constantemente a la máxima capacidad sin pérdida alguna de calidad. La figura 4 muestra un ejemplo de un gráfico de pérdida OEE para una máquina de papel. ABB posee bases de datos con resultados de las evaluaciones realizadas en los sectores químico, metalúrgico y minero, y de la pulpa y el papel, entre otras. Los conjuntos de datos se pueden clasificar por región, industria, tipo de operaciones, etc. Esto permite evaluar una planta respecto a una muestra apropiada.
Los datos proporcionan ejemplos comprobados de excelente rendimiento industrial y una indicación de cómo puede variar el rendimiento (véase 6 ). Estos datos se pueden usar para evaluar el potencial de mejora económica y clasificar una planta escogida como objetivo dentro del conjunto de muestras. El potencial de reducción de costes (tanto fijos como variables) es especialmente interesante cuando las operaciones de una planta están limitadas por el mercado, en vez de por la eficiencia de producción. Entre los factores de costes a considerar están el consumo de energía, el mantenimiento y el personal. Las oportunidades de
Potencial de mejora económica
Las mejoras técnicas son un medio para alcanzar un fin: mayor seguridad, sostenibilidad y rentabilidad de las operaciones de la planta. El aumento de la capacidad de producción y la reducción de los costes son dos objetivos económicos típicos. El potencial de mejora por aumento de la capacidad de producción se puede estimar desde un análisis de pérdidas OEE (Overall Equipment Effectiveness, efectividad del equipo global). El valor OEE se expresa en porcentaje y se define como: OEE = disponibilidad × ritmo de producción × índice de calidad
3
Extracto de la matriz de sensibilidades de controladores (automatización) y efectos (rendimiento) para un ejemplo de evaluación: las celdas rojas señalan áreas con potencial de mejora (véanse también los círculos rojos) Campo de mejora / razón Resultados del proceso / aumento de la eficiencia
Rendimiento / capacidad / mejora de la tasa de producción
Mejora de la calidad del proceso
Energía y utilidad, reducción de costes
Mejora de la agilidad de la planta
Instrumentación: sensores y transmisores
1.6
1.8
1.9
2.1
1.6
Instrumentación: válvulas de control y posicionadores
1.6
1.8
1.9
2.1
1.6
Motores, accionamientos, centro de control de motores
1.3
1.3
1.3
2.9
1.3
Analizadores de estimadores de adecuación de software / mediciones inferenciales
2.8
1.8
2.8
1.8
2.0
DCS, núcleo, información y control (tipo de sistema y dimensión adecuada para la planta)
2.2
2.0
2.2
2.1
2.0
SCADA y RTUs
1.0
1.5
1.3
1.4
1.6
Integración de MES con DCS
1.2
2.0
1.3
1.4
2.3
Integración de LIMS con DCS, OCS y PIMS
2.2
2.0
2.2
1.4
2.3
Producto / aplicación
Instrumentación y control
Motores y accionamientos
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mejora se pueden estimar mediante comparación con modelos de referencia de primera categoría. Herramientas de soporte de software
Se ha desarrollado una herramienta de software para la evaluación de plantas de procesos de transformación. La aplicación guía la entrada de datos y dirige automáticamente la mayor parte del análisis. La ayuda del ordenador para el proceso de evaluación y benchmarking proporciona fácil acceso al know-how y a la experiencia acumulada por muchos especialistas. Además, esto garantiza que las evaluaciones se realicen de forma sistemática, lo que mejora la coherencia y reproducibilidad de los resultados. La probabilidad de cometer errores durante el proceso de datos es menor y el asesor puede concentrarse en las tareas principales. Sin la ayuda del ordenador sería muy difícil hacer una evaluación profunda del rendimiento de una planta en tan poco tiempo y con sólo una o dos personas. Procedimiento
Los procedimientos de evaluación se estandarizaron para conseguir una mayor eficiencia. Más abajo se resume el proceso desde la perspectiva de un proyecto (véase 1 donde figura un resumen de la metodología): 1. La extensión de la evaluación se acuerda con el cliente.
4
2. La planta recibe un conjunto de datos con antelación. 3. El asesor realiza una breve visita a la instalación siguiendo un programa previamente acordado, que incluye un recorrido por la planta y entrevistas al personal. 4. La información recogida se analiza y se compara con patrones de referencia (benchmarking). 5. Como resultado de los análisis se obtiene la evaluación del rendimiento y una panorámica de las oportunidades de mejora. 6. Opcionalmente se pueden investigar las oportunidades de mejoras técnicas y económicas en un estudio más detallado. 7. Como opción se puede iniciar un proyecto complementario que garantice la ejecución de las oportunidades de mejora especificadas. Aplicaciones piloto
Se han realizado estudios piloto en varios sectores industriales utilizando la metodología y el software de ordenador descritos en este artículo: en una planta química de funcionamiento continuo, en una planta de reciclaje de papel de desecho y en varias máquinas de papel. Los operadores de las plantas proporcionaron los datos de producción y financieros relevantes y más tarde se realizaron visitas de 2 a 3 días a la instalación. Para tener una amplia visión de la planta se realizaron entre-
Ejemplo de un gráfico de pérdida OEE para una máquina de papel
Tiempo de operación disponible anualmente
Tiempo de operación disponible anualmente
Aunque la producción estaba ya en un alto nivel, se observaron importan-
Resultado de la evaluación técnica de una planta de fibra reciclada de papel de desecho
Xmas Renovaciones 1745 horas
240
Evaluación global (de 0 a 100%)
8784 horas
Condición del activo Soporte
42%
33%
Personas
64% Rendimiento
45% 531,53 horas
Factor de planificación 75,5% 33%
5314,8 horas
C.O.M. 47,0 horas 85,0 horas Borde Q.C. 15,8 horas 502,4 Hrs Puesta en marcha 15,9 horas Avería de máquina 227,9 horas 110,8 horas Atado Tiempo de funcionamiento válido 4812,3 horas
Ciclo de vida 39%
5851,8 horas Pérdida de velocidad
60
Los resultados de la evaluación I&C de la planta de reciclaje de papel se presentan en 5 . La evaluación reveló la existencia de déficits relativos al ciclo de vida del sistema de control e identificó que el sistema de control actual no habría podido soportar la ampliación de capacidad prevista. La baja puntuación del coste está también relacionada con la antigüedad del sistema de control, ya que más del 50 por ciento del tiempo de mantenimiento se emplea en mantenimiento reactivo. Una estrategia de mantenimiento preventivo debe reducir este tiempo y permitir que se dedique más tiempo a mejorar el rendimiento del sistema de control.
5
Paradas previstas 204,6 horas 113,2 horas Tiempo de paradas técnicas Total fabricación de papel 429,3 horas 776,2 horas Parada de proceso Otros 6,34 horas Revestimiento 22,8 horas
Tiempo de no funcionamiento
Planta de reciclaje de papel de desecho
8784 horas
Paradas comerciales
Gran tiempo de operación
vistas con operadores de paneles, ingenieros de automatización, personal de mantenimiento, planificadores de la producción, controladores y con el director de la planta. Con la ayuda del método de evaluación I&C y la herramienta de software se pudo evaluar rápida, sistemática y estructuralmente la planta y obtener una imagen completa del rendimiento de la automatización. Se integraron diferentes áreas funcionales en la evaluación y se obtuvo una visión completa del funcionamiento de la planta con todos sus puntos fuertes y débiles.
Disponibilidad 88,3% Coste
42%
71% 53%
Calidad
Tasa de producción 90,8% Calidad 90,5%
Mantenimiento
Medio ambiente y seguridad
Manufactura 0EE = 72,6% Negocio OEE = 54,8%
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Márgenes de mejora
Facilidad de uso
Resumen y perspectivas 6
Distribución OEE de una muestra de plantas químicas (izquierda: las barras de error indican mínimo y máximo; las fronteras de las casillas inferiores y superiores indican primer cuartil, valor mediano, y tercer cuartil) y de una muestra de máquinas de papel (derecha: las barras de error indican mínimo y máximo; las fronteras de las casillas inferiores y superiores indican valor mediano, percentil del 25 por ciento (cuartil) y percentil del 10 por ciento (decil) Plantas químicas OEE
Fabricación de papel
En el caso de la máquina de papel, la evaluación PAS proporcionó los resultados mostrados en 7 . Después de una completa modernización del sistema de control, el cliente obtuvo sistemáticamente buenos resultados para los indicadores KPI Estado de los Activos y Ayuda. La evaluación destacó el exceso de costes, que fue atribuido a una insuficiente coordinación del apoyo por los departamentos de mantenimiento e ingeniería de la planta, ni por los proveedores u otras partes interesadas. Se recomendó clarificar mejor las responsabilidades para aumentar la eficiencia y reducir los costes.
Carga N=
7
Continuo
224
Papel prensa Papel de copia 47 31
158
El método y la herramienta asistida por ordenador descritos en este artículo permiten una evaluación y benchmarking rápidos de los sistemas de automatización, de su rendimiento y de los procedimientos de trabajo correspondientes, que nos permiten determinar el potencial de mejora y estimar su impacto económico. Este nuevo método ha ayudado a los clientes a identificar los aspectos más relevantes en varios estudios piloto.
Papel textil 23
Resultado de la evaluación técnica de una máquina de papel Evaluación global (de 1 a 4) 4,0
Andreas Kroll
3,5 3,0
3,0
3,0
Measurement & Control
3,1 2,9
2,8
2,6
2,5
University of Kassel, Kassel, Alemania
[email protected]
2,5
2,4
(antes en ABB Corporate Research, 1,9
2,0
Alemania)
1,6 1,5
Frank Simon
1,0
ABB Automation GmbH 0,5 0,0
Proceso químico
Máquinas de papel OEE
20 por ciento / división
tes variaciones en el ritmo de producción causadas por las diferencias en las prácticas de los operadores. Siguiendo los métodos comunes de gestión del punto de referencia deseado y los correspondientes procedimientos operacionales, debe ser posible estabilizar el ritmo de producción en su valor máximo.
a
Mannheim, Alemania a
b
c
I&C, condición de activo
d
e f
f
g
h
i
j
[email protected]
Entorno, seguridad y cumplimiento
g Mantenimiento/sostenibilidad b I&C, ciclo de vida (obsolescencia) Una vez concluido el proceso h Coste de funcionamiento c Rendimiento de evaluación y benchmari Personas / sostenibilidad d Calidad y resultado king se identificaron como j Soporte de operador e Flexibilidad / agilidad principales áreas de mejora la rentabilidad, la eficiencia energética y la capacidad de la planta unos pocos ajustes en el sistema de química de funcionamiento continuo. control y en los procedimientos opeTras un detallado estudio técnico se racionales. Se consiguió hasta un 15 implantaron medidas para mejorar las por ciento de ahorro de energía modioperaciones de la planta. Concretaficando el funcionamiento de la planmente, se identificaron medidas para ta. El cliente resaltó la rápida identifireducir un 10 por ciento las pérdidas cación de los problemas relevantes de rentabilidad. No fue necesario hagracias a este método sistemático y la cer inversión alguna para materializar obtención de resultados más objetivos este potencial, de hecho bastaron gracias a los asesores externos.
Gordon Cheever ABB Process Automation-Service Business Development Wickliffe, USA
[email protected] Tomi Pilbacka ABB Full Service Helsinki, Finlandia
[email protected] David Stanier ABB Engineering Service Billingham, Gran Bretaña
[email protected]
Nota 1)
Una versión similar de este artículo se publicó en Alemania en 2006 [1].
Bibliografía [1] Kroll, A., and F. Simon. 2006. Assessment and opportunity screening regarding automation systems and working practices in the process industries (in German). Automatisierungstechnische Praxis, Vol 48, No. 8, 42–49 [2] Ahmad, M., and R. Benson. 1999. Benchmarking in the process industries. Rugby: IChemE. ISBN 0 85295 411 5
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