Целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП) обладает рыночным объёмом, превышающим 350 миллиардов долларов США, и ежегодным потреблением 414 миллионов метрических тонн бумаги и картона. Это означает, что эффективная и экономически целесообразная эксплуатация и техническое обслуживание оборудования — не просто необходимость, а критически важное условие для сохранения конкурентоспособности.

С учётом высокой конкуренции в отрасли, где простой оборудования и ремонтные работы влекут за собой значительные финансовые потери, становится крайне важно внедрить соответствующую стратегию технического обслуживания и мониторинга состояния машин, которая была бы адаптирована к конкретным требованиям различного оборудования и технологических процессов.

Проблемы технического обслуживания

На типичной целлюлозно-бумажной фабрике используется множество критически важных машин, а также ещё больше вспомогательного оборудования. Вспомогательные машины не только поддерживают работу основных, но также входят в состав независимых технологических процессов. Поскольку целлюлозно-бумажная промышленность потребляет большое количество энергии и сырья и образует значительные объёмы твёрдых и сточных отходов, для производства бумажной продукции необходимо использовать множество энергетических, очистных и производственных установок. Это делает бумажную фабрику крайне капиталоёмкой: капитальные затраты могут составлять до 30 % от общих производственных расходов. Поэтому столь обширный парк оборудования при недостаточном уровне обслуживания может существенно повлиять на прибыльность.

Во многих предприятиях по-прежнему эксплуатируются устаревшие бумагоделательные машины, узлы которых приближаются к концу срока службы, и начинают проявляться проблемы с техническим состоянием оборудования. Запасные части для них зачастую трудно найти, а сами машины в ряде случаев были модернизированы для работы на более высоких скоростях, что увеличивает нагрузку на механизмы. С другой стороны, абсолютно новые машины, только что введённые в эксплуатацию или прошедшие модернизацию, также могут иметь проблемы на этапе внедрения и, как правило, требуют повышенного внимания с точки зрения технического обслуживания.

Стратегия техобслуживания по времени

Во многих бумажных фабриках всё ещё преобладает стратегия технического обслуживания, основанная на времени — особенно для вспомогательного оборудования. При этом либо вообще отсутствует система контроля технического состояния, либо она ограничивается периодическими визуальными или ручными проверками некоторых машин. Теоретически такой подход может работать для оборудования, которое эксплуатируется в стабильных условиях, например, при постоянных нагрузках и скоростях.

Однако стабильные условия эксплуатации постепенно уходят в прошлое из-за меняющихся требований рынка. Гибкость производства становится важной частью стратегии развития многих предприятий, и всё большее число как основных, так и вспомогательных машин работает в условиях переменных нагрузок. Это существенно усложняет планирование технического обслуживания по времени, поскольку невозможно точно определить, когда необходимо выполнять регламентные работы.

Проблема заключается не только в переменных нагрузках — оборудование также должно работать с большей эффективностью. В условиях усиливающегося внимания к охране окружающей среды, в том числе к снижению масштабов вырубки лесов и загрязнения воздуха и воды, всё большее значение приобретает повышение энергоэффективности оборудования и снижение количества бумажных отходов.

Условия окружающей среды

Проблемы технического обслуживания в целлюлозно-бумажной промышленности связаны не только со старением оборудования и необходимостью гибкой эксплуатации. Существенное влияние оказывают также традиционно тяжёлые условия окружающей среды на производстве. Процессы, включающие работу с каустическими химикатами и высокими температурами, в сочетании с абразивной бумажной пылью и древесными частицами, а также с волокнистой массой, загрязнённой посторонними примесями (такими как камни и глина), могут повреждать как вращающиеся, так и неподвижные узлы машин — включая подшипники, редукторы и электродвигатели.

Кроме того, система вентиляции играет критическую роль: если вентиляционные вентиляторы выходят из строя или повреждаются, внутри производства быстро образуется агрессивная коррозионная атмосфера — особенно в сушильной части машин. Это приводит к долгосрочному повреждению оборудования и создаёт опасные условия для персонала, такие как плохая видимость и скользкие поверхности.

По всем этим причинам стратегия предиктивного (прогнозного) технического обслуживания становится необходимостью. Это означает, что неисправности оборудования должны быть выявлены на ранней стадии их развития — даже в сложных условиях эксплуатации — задолго до выхода оборудования из строя. Это позволяет заранее и экономически эффективно планировать ремонт или замену без прерывания производственного процесса.

Ключевым элементом стратегии прогнозного технического обслуживания является эффективная система мониторинга технического состояния оборудования.

Проблемы мониторинга

На рынке существует множество систем мониторинга, однако далеко не все из них подходят для контроля как основного, так и вспомогательного оборудования на ЦБК. Многие машины на таких предприятиях отличаются высокой степенью сложности: они включают множество компонентов и функционируют в различных технологических условиях при жёстких требованиях к качеству продукции и надёжности работы.

На ряде предприятий, использующих системы мониторинга технического состояния, распространена практика применения переносных вибрационных приборов — как для оборудования общего назначения, так и для критически важного. Такой подход может быть оправдан для оборудования, работающего в устойчивом режиме, когда механизмы отказа подшипников предсказуемы. Однако он оказывается малоэффективным для обнаружения других типов неисправностей.

Быстро развивающиеся дефекты, такие как проблемы со смазкой, производственные дефекты, загрязнение подшипников вследствие изношенных уплотнений, а также ошибки сборки или эксплуатации, могут не быть выявлены при периодических обходах, так как они возникают между моментами съёма показаний.

Другим недостатком применения переносных приборов является необходимость соблюдения более жёстких требований техники безопасности при доступе операторов к потенциально опасным зонам предприятия. К тому же большинство таких приборов предназначены лишь для сбора данных и не предоставляют конкретных рекомендаций по состоянию оборудования. Это требует наличия квалифицированного персонала для интерпретации данных — ресурса, который может быть ограничен на производстве.

Онлайн-мониторинг — это важно

Онлайн-системы мониторинга позволяют устранить ключевые недостатки, присущие переносным приборам. Однако при их внедрении на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК) необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. В первую очередь, система должна быть адаптирована к суровым условиям эксплуатации — высокой влажности, температурам от 70 до 130 °C, а также к агрессивной и коррозионной среде.

Прочная онлайн-система мониторинга — это лишь часть решения. Необходимо учитывать и другие аспекты:

• Низкие скорости вращения. Несмотря на высокую производительность бумагоделательной машины (БДМ), ряд её компонентов вращается очень медленно, что затрудняет их точный контроль в рамках стандартных систем мониторинга.

• Продвинутые методы мониторинга. Необходимы специализированные методы вибрационного анализа для своевременного и достоверного выявления неисправностей подшипников качения, редукторов, валов и фетров. Дефекты подшипников могут напрямую влиять на качество бумаги, поэтому их важно выявить до наступления критического состояния. Также важно использовать системы с высоким разрешением по частоте, чтобы фиксировать структурные резонансы (например, появление полосатости — barring) до их проявления. Уровень шума в процессе работы оборудования может маскировать важные сигналы, поэтому методы мониторинга должны учитывать этот фактор.

• Корреляция с технологическими данными. Данные технологических процессов существенно влияют на вибрационный отклик оборудования, поэтому их корреляция с вибрационными данными имеет решающее значение для диагностики и поиска коренных причин неисправностей. Системы управления технологическими процессами предоставляют базовые параметры (давление, температура, расход, влажность), а более продвинутые системы контроля качества — дополнительные данные о бумаге (массa на единицу площади, профиль влажности, толщина и др.).

• Корреляция между различными методами мониторинга. Объединение вибрационных данных с результатами других видов диагностики (например, анализ загрязнённости масла, анализ тока двигателя, тепловизионное обследование, ультразвук) повышает точность и достоверность диагностики, обеспечивая более полное представление о состоянии оборудования.

• Учет рабочих режимов. Поскольку БДМ могут производить разные сорта бумаги при разных нагрузках и скоростях, мониторинг должен учитывать эти условия и устанавливать индивидуальные пороговые значения для тревожных сигналов.

• Диагностическая поддержка. В тех случаях, когда на предприятии отсутствуют квалифицированные специалисты по диагностике, эту функцию может выполнять сама система мониторинга или она может быть предоставлена в виде внешней услуги.

Несмотря на наличие подобных комплексных решений на рынке, их внедрение часто сдерживается рядом факторов:

• высокая начальная стоимость,

• сложность монтажа (в том числе электропроводка),

• увеличенная нагрузка на ИТ-отдел предприятия,

• недостаток квалифицированного персонала или времени у управляющих, чтобы уделять должное внимание состоянию оборудования.

Кроме того, усиливающееся стремление к снижению операционных затрат ведёт к сокращению штата специалистов, что только усугубляет проблему.

Тем не менее существуют доступные и экономически эффективные решения, способные повысить надёжность и эффективность работы ЦБК. Среди них:

• Корпоративная система мониторинга. При выборе системы контроля технического состояния как для основного, так и для вспомогательного оборудования следует оценивать, как система управляет данными. Многие современные системы представляют собой изолированные автономные решения, не интегрированные с другими информационными системами. В таких случаях для аналитики и корреляции данных необходимо вручную импортировать информацию с технологических систем на сервер мониторинга.

• Система централизованного хранения данных (например, historian). Такие системы идеально подходят для построения комплексной стратегии мониторинга. Они позволяют собирать и хранить данные от разных источников — мониторинга, аналитики, автоматизированного управления. Кроме хранения, historian также обеспечивает аналитическую обработку, отслеживание событий, уведомления, визуализацию в виде графиков и трендов. Сервисные компании могут получить доступ к этим данным и предоставлять дополнительные услуги, включая ИИ- и ML-аналитику.

Облачное решение для удалённого мониторинга

В принципе, онлайн-система мониторинга для вспомогательного оборудования должна быть экономически эффективной, точной, легко развёртываемой и не требовать от конечного пользователя на предприятии специальных знаний, если таковые отсутствуют. Для многих единиц вспомогательного оборудования может использоваться облачное решение для мониторинга за пределами площадки. Беспроводные акселерометры устанавливаются на корпусе подшипников и/или кожухах машин, и шлюз принимает необработанные данные вибрации и отправляет их в облако для удалённой обработки. Это включает в себя обработку необработанных сигналов для мониторинга неисправностей оборудования; проведение диагностики, ИИ и машинного обучения обнаруженных неисправностей; и предоставление уведомлений о необходимых мерах технического обслуживания.

Для приложений, где использование решения за пределами площадки невозможно, данные с беспроводных датчиков могут сохраняться в базе данных historian вместо облака.

Заключение

Цифровая трансформация, происходящая в производстве — в том числе в целлюлозно-бумажной промышленности — это не просто вопрос сбора большего количества данных для повышения прибыльности. Это также вопрос сбора правильных данных, их хранения и предоставления оптимального доступа к ним для формирования более эффективной культуры на уровне предприятия и улучшенного взаимодействия команды. Кроме того, необходимо извлекать и анализировать правильные данные, чтобы обеспечить более надёжную, точную и раннюю информацию о процессах, эксплуатации и техническом обслуживании. Система хранения данных на уровне предприятия (historian) обеспечивает всё это, а также интегрирует системы данных для упрощения процессов, повышения кибербезопасности и предотвращения перегрузки ИТ. Это не только улучшает производство, качество и прибыльность, но и делает предприятие более гибким к внезапным запросам.

Мониторинг состояния машин является важной частью этой цифровой трансформации. Это означает, что соответствующие данные о машинах могут использоваться для диагностики неисправностей и прогнозирования технического обслуживания с целью оптимизации технического состояния оборудования, повышения безопасности, сокращения простоев и затрат на техническое обслуживание, а также увеличения объёма выпуска, гибкости и качества продукции. Не все системы мониторинга способны предоставить такую ценность, и сейчас от них требуется больше, чем это было принято в прошлом.

На ЦБК существует множество машин, но большинство из них — вспомогательные. Для мониторинга их состояния можно использовать как решение за пределами площадки, так и систему мониторинга на площадке, основанную на historian уровня предприятия. Для критически важных машин идеальным вариантом является стоковая система, поскольку она обеспечивает как защиту, так и мониторинг состояния и производительности по широкому спектру потенциальных отказов различных машин.

Для мониторинга на уровне всего предприятия может использоваться сочетание всех трёх систем.

Потребность в большей прибыльности, улучшении качества продукции, снижении затрат на техническое обслуживание и более надёжном производстве становится всё более важной в современных условиях конкуренции. К счастью, достижения в области точности, надёжности и экономической эффективности систем мониторинга не отстают, и теперь такие системы можно эффективно интегрировать в единую систему управления данными на уровне предприятия.