No.286

Azbil (Thailand) Co., Ltd.

 

 

โรงงานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ได้รับผลกระทบจากกระแสการเปลี่ยนแปลงไปของความต้องการ และการแข่งขันในอุตสาหกรรมที่เปิดกว้างมากขึ้น การสื่อสารที่รวดเร็วขึ้น ไม่ว่าจะเป็นด้านเศรษฐกิจ (Economic) ที่ต้องมีความมั่นคง (Stability) ในการผลิต ต้องมีการเติบโตที่ยั่งยืน (Sustainable) อย่างต่อเนื่องและต้องมีกำไร (Profitable) และที่สำคัญมากก็คือ ด้านความปลอดภัย (Safety) ในการผลิต ทำให้โรงงานอุตสาหกรรมต้องหันมาให้ความสำคัญกับเรื่อง ความรับผิดชอบต่อสังคม (CSR) และเรื่องผลของการผลิต (Productivity) ให้มีผลลัพธ์ที่แข่งขันในอุตสาหกรรมได้

 

     วงจรการผลิต (Plant Life Cycle) ของโรงงานอุตสาหกรรมดังรูปที่ 1ประกอบด้วย 6 ช่วง (Phase) ด้วยกันคือ

 

1. ช่วงวางแผน (Plan Phase) ทางธุรกิจ การลงทุน
2. ช่วงออกแบบ (Design Phase)
3. ช่วงก่อสร้าง (Implement Phase)
4. ช่วงการผลิต ( Operation Phase)
5. ช่วงการบำรุงรักษา (Maintenance Phase)
6. ช่วงการปรับปรุง (Renovation Phase)

 

 

รูปที่ 1 แสดงวงจรชีวิต Life Cycle ของโรงงานอุตสาหกรรมการผลิต

 

          ในแต่ละช่วง (Phase) ของวงจร (Plant Life Cycle) ตามรูปที่ 1 ล้วนมีความสำคัญ ต่อเป้าหมายที่ต้องการ ไม่ว่าจะเป็น รายได้และกำไรจากผลการผลิต หรือภาพลักษณ์ CSR ที่มีต่อสังคม และช่วงของการผลิต (Operation Phase) จัดได้ว่าเป็นช่วงที่ยาวนานที่สุดของวงจร สำหรับโรงงานอุตสาหกรรม และเป็นช่วงที่ผู้ประกอบการมีรายได้และกำไรจากการผลิตของโรงงาน (Plant) อีกทั้งภาพลักษณ์ของโรงงานก็ขึ้นอยู่กับช่วงนี้เป็นสำคัญ ไม่ว่าจะเรื่องมลภาวะ (Environment) ตามมาตรฐานที่เข้มงวดมากขึ้น หรือความปลอดภัย (Safety) หากช่วงนี้มีประสิทธิภาพที่ดีหรือดีกว่าที่ออกแบบไว้ ย่อมเป็นผลดี ดังนั้นเทคโนโลยีจึงถูกพัฒนาจากผู้ผลิตออโตเมชั่น เพื่อมาสนับสนุนให้ช่วงการผลิต ผลิตได้อย่างสมบูรณ์ คือ

 

1. มีระยะเวลาในการผลิตที่ยาวนานขึ้น หรือมีช่วงในการหยุดเพื่อซ่อมบำรุงที่ห่างกันมากขึ้น
2. มีระยะเวลาในการหยุดซ่อมบำรุงที่สั้นขึ้น และเป็นการซ่อมบำรุงแบบเงื่อนไขตามสภาพการณ์ (Condition-Base Maintenance)
3. คาดการณ์ หรือรู้ล่วงหน้าได้ก่อนความผิดปกติจะเกิดขึ้นขึ้น ยิ่งละเอียดและแม่นยำยิ่งดี
4. มีข้อมูลการใช้งานเพื่อรองรับการปรับปรุง (Renovation Phase) วางแผน (Plan Phase) และ ออกแบบ (Design Phase) ใหม่
5. มีความปลอดภัย และไม่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมเกินไป

 

 

รูปที่ 2 แสดงเป้าหมายของการปรับเปลี่ยนเพื่อวงจรชีวิตของโรงงาน โดยมุ่งที่ช่วงการผลิต (Operation Phase)

 

          ช่วงการผลิตที่มีระยะเวลาเป็นปีเช่น 1 ปี 2 ปี หรือ 3-5 ปี เป็นช่วงเวลาที่เครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลา และมีเหตุการณ์ต่าง ๆ เกิดขึ้น ถ้าเราสามารถเดินเข้าไปติดตามดู และจดบันทึกเหตุการณ์ต่าง ๆ (Walk Though) ของอุปกรณ์เช่น คอนโทรลวาล์ว ในช่วงเวลาทำการผลิตได้อย่างละเอียดและต่อเนื่อง จะทำให้มีข้อมูลในระดับหนึ่ง แต่แน่นอนว่าไม่สามารถทำได้ ที่จะใช้คนจำนวนมากขนาดนั้น ยิ่งกับโรงงานขนาดใหญ่ด้วยแล้วยิ่งเป็นไปไม่ได้เลย และถึงพยายามทำก็ยังมีข้อจำกัดหลายอย่าง ในการเก็บรวบรวมข้อมูล ดังนั้นเทคโนโลยีทางด้านออโตเมชั่น จึงเข้ามาช่วยในการเก็บรวบรวมข้อมูล ของตัวอุปกรณ์ต่าง ๆ และสร้างฐานข้อมูล (Big Data) ขึ้นเพื่อนำข้อมูลมาเข้าสู่ขบวนการวิเคราะห์ (Data Analysis) และทำรายงาน (Report) เพื่อนำไปใช้ประโยชน์

 

 

รูปที่ 3 แสดงแนวความคิดของการ เก็บรวบรวมข้อมูลจากช่วงการผลิต (Operation) เพื่อนำผลมาใช้

 

ข้อมูลอะไรที่สำคัญของช่วงการผลิต (Operation Phase) ?

 

          ข้อมูลที่สำคัญในที่นี่จะขอเจาะจงไปที่ตัวอุปกรณ์คอนโทรลวาล์วก่อน เพราะเป็นส่วนประกอบของระบบออโตเมชั่นที่มีความสำคัญต่อการผลิต (Operate) และเป้าหมายมาก อาทิเช่น ต่อ CSR ต่อคุณภาพการผลิต ต่อความปลอดภัยของการผลิต โดยการรวบรวมข้อมูลพฤติกรรมของการทำงานของคอนโทรลวาล์วแต่ละตัว และข้อมูลเฉพาะจากโรงงานผู้ผลิตของตัววาล์ว (Specification) นั้น ๆ ซึ่งจะมีข้อมูลของการใช้งาน (Process Data) อยู่ด้วย ทั้ง 3 ข้อมูลจะถูกรวบรวมเป็นข้อมูลทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronics File)

 

          ข้อมูลการผลิต หรือสร้างตัวคอนโทรลวาล์วจากโรงงานผู้ผลิตวาล์ว และข้อมูลของการใช้งานของการผลิต จากเดิมที่เรามีข้อมูล (Data Sheet) อยู่แล้วในรูปแบบกระดาษ จะต้องแปลงเป็น ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ก่อน ซึ่งไม่ใช่เรื่องยากและสามารถทำได้แต่ต้องมีการวางแผนและสร้างระบบในการจัดเก็บ ส่วนข้อมูลพฤติกรรมการใช้งานที่เก็บรวบรวมนี้จะประกอบไปด้วย

 

          1. ระยะการขยับของก้านวาล์วโดยรวม (Total Stroke)

 

          เป็นการบันทึกระยะการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนไหวภายในตัววาล์ว อย่างต่อเนื่องทุก ๆ 40 มิลลิวินาที (40 mSec) และสามารถตั้งให้เกิดการเตือนเมื่อระยะสะสมมากเกินกว่าที่ตั้งไว้ ตามรูปที่ 4 เพื่อให้วางแผนการเปลี่ยนอะไหล่บางอย่างที่อาจสึกหรอจากการเคลื่อนที่ภายใน เช่น Gland Packing, O-Ring, หรืออะไหล่ที่หัวขับ เช่น Diaphragm, Spring เป็นต้น จากรูปที่ 4 เส้นทึบคือการบันทึกระยะการเคลื่อนที่แบบสะสม ตามแกนนอนคือเวลา และเส้นประคือการตั้งเตือนเมื่อระยะสะสมให้แจ้งเตือน ทำให้มีข้อมูลว่าวาล์วแต่ละตัวจะมีปัญหารั่วซึม หรือปัญหาที่หัวขับหรือไม่ โดยไม่ต้องหยุดการผลิตเพื่อถอดวาล์วมาดู

 

 

รูปที่ 4.1 แสดงกราฟ Total Stroke แกนนอนคือเวลาที่บันทึก แกนตั้งคือระยะสะสมมีหน่วยเป็นเปอร์เซ็นต์ หรือ มม. หรือนิ้ว หรือ กม.

 

 

รูปที่ 4.2 แสดงผลการรายงาน Total Stroke เป็นรายเดือนระหว่าง เดือนธันวาคม 2513 ถึงเดือน พฤษภาคม 2514 ของคอนโทรลวาล์ว 3 ตัวคือ FV302, FV702 และ FV703

 

          2. การกระจายการเปิดปิด (Travel Histogram)

 

          เป็นการรวบรวมและแสดงการกระจายการเปิดปิดของวาล์วจากปิดสุดถึงเปิดสุดเป็น 16 ช่วง พร้อมเวลา และความถี่ แบบ 3 แกน ทำให้ประเมินความเหมาะสมของการใช้งานวาล์วแต่ละตัวว่าเลือกใช้ได้เหมาะสมหรือไม่ หรือใช้ประเมินสภาพการณ์ชิ้นส่วนภายใน (Body) ว่าเกิดการขัดสี (Erosion) หรือไม่ หากส่วนใหญ่วาล์วเปิดในช่วงน้อย ๆ ไม่เกิน 20% ก็จะมีความเป็นไปได้สูงว่าความเร็วของของไหลจะขัดสีกับชิ้นส่วนภายในหากวัสดุและชนิดของของไหลไม่เหมาะสมจะเกิดความเสียหายจาก Erosion ขึ้นได้ ตามรูปที่ 5 กราฟ 3 มิติ ทำให้มีข้อมูลว่าวาล์วแต่ละตัวจะเกิดปัญหาจากการใช้งานเพราะเปิดน้อยไป (<20%) หรือมากไป(>80%) หรือไม่

 

 

รูปที่ 5 แสดงกราฟ Travel Histogram  โดยมีแกนนอนคือวาล์วเปิดปิด 16 ช่วง แกนตั้งคือความถี่การเกิด และแกนลึกคือเวลา

 

          3. ความเร็นในการเคลื่อนที่ (Maximum Travel Speed)

 

          เป็นการคำนวณความเร็วการเคลื่อนที่ของก้านวาล์วในแต่ละ 40 มิลลิวินาที ผ่านโพสิชันเนอร์ (Positioner) ว่าเร็วเกินหรือช้าเกินหรือไม่ ทั้งทิศทางด้านเปิด (ช่วงบวก) และด้านปิด (ช่วงลบ) ตามรูปที่ 6 แสดงแกนตั้งคือความเร็ว (m/s, %/s) แกนนอนคือเวลา เพื่อดูความผิดปกติของการเปิดปิดว่าเกิดปัญหาใดที่ทำให้ความเร็วเปลี่ยนไปหรือไม่ อันอาจมาจาก Gland Packing, หัวขับ (Actuator) และมักจะสัมพันธ์กับ ลักษณะการลื่นไถล (Stick-slip) จากรูปที่ 6 เส้นประทั้งด้านบนและด้านล่างคือขอบเขตเพื่อให้เกิดการแจ้งเตือน หากเกิดสถานการณ์ความเร็วของก้านวาล์วเกินที่กำหนดไว้

 

 

รูปที่ 6 แสดงกราฟ Maximum Travel Speed มีแกนนอนป็นเวลา และแกนตั้งเป็น ความเร็ว จาก Total Speed ต่อ วินาที

 

          4. วาล์วนั่งแท่น (Zero Travel)

 

          เพื่อดูความผิดปกติภายในตัววาล์ว (Body) โดยเฉพาะบ่าวาล์ว (Trim) ว่ามีอะไรไปขวางอยู่หรือไม่ หรือมีการสึกหรอของวัสดุ Plug หรือ Seat Ring หรือไม่ โดยการวัดตำแหน่งขณะที่วาล์วถูกสั่งให้ปิด (0%) จากรูปที่ 7 แสดงถึงการเกิดการสึกหรอของ Trim มีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นตามช่วงเวลา ตามวงกลมเส้นทึบในรูปที่ 7 และบางช่วงเวลาเกิดทางด้านบวกอันมาจากสาเหตุที่มีบางสิ่งมาขวางกั้น ดังวงกลมเส้นประแต่ไม่นานก็หายไป เพราะสิ่งนั้นหลุดออกไป

 

 

รูปที่ 7 แสดงกราฟ Zero Travel ที่มีแกนตั้งเป็น %Shift ไปจากตำแหน่งค่า Stroke และแกนนอนเป็นวันเวลา

 

          5. นับจำนวนการปิดแบบกระแทก (Shut Count)

 

          เป็นการนับครั้งการปิดของวาล์ว ตามคำสั่งที่ให้วาล์วปิดสุด เพื่อคาดการณ์การสึกหรอและอายุที่เหลือของ Seat Ring ภายในตัววาล์ว ถ้าการกระแทกเกิดขึ้นบ่อย การสึกก็จะมากตามไปด้วย และเมื่อพิจารณาร่วมกับข้อมูลอื่นเช่น Zero Travel ก็จะช่วยยืนยันการสึกหรอได้อย่างดี จากรูปที่ 8 จะเห็นว่ามีจำนวนครั้งการปิดกระแทกบ่อยมากและสม่ำเสมอ จนเกินค่าเตือน (Alarm) ตามเส้นประ เราสามารถรู้ปัญหาได้โดยไม่ต้องหยุดการผลิตเพื่อเปิดวาล์วออกมาดู

 

 

รูปที่ 8 แสดงกราฟ Shut Count มีแกนตั้งเป็นจำนวนครั้ง และแกนนอนเป็นวันเวลา

 

          6. การเกิดปรากฏการการลื่นไถล (Stick-Slip)

 

          เป็นการเปรียบเทียบค่า RMS กับค่า เฉลี่ยของความเร็วในการเคลื่อนที่ของก้านวาล์ว ถ้าเคลื่อนที่อย่างปกติ ค่าทั้งสองจะใกล้เคียงกันดังรูปที่ 9.1(a) แต่ถ้ามีการติดขัด ลื่นไถล ค่าทั้งสองจะต่างกันดังรูปที่ 9.1(b)

 

 

รูปที่ 9.3 แสดงการเกิดการลื่นไถล (Stick Slip) เป็นรายเดือนของวาล์ว 4 ตัวในโรงงานเคมี (Chemical) แห่งหนึ่ง

 

          โรงงานแห่งนี้เฝ้าติดตามการเกิด Stick-slip แบบ Online เพื่อสังเกตการเกิดปัญหาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ทราบว่าต้องหยุดเดินการผลิตเพื่อซ่อมบำรุง จากรูปที่ 9.3 พบว่า วาล์ว MV9019 มีพัฒนาการเกิดแบบช้า ๆ และใช้เวลาประมาณ 1 ปีถึงเริ่มเกิด ส่วนวาล์ว PV9002-2 เกิดตั้งแต่เริ่มใช้งานและเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อย่างต่อเนื่องและรวดเร็วจนไม่สามารถทำงานได้ ส่วนวาล์ว TV9005 ไม่เกิดการลื่นไถล และไม่มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น จึงไม่ต้องการการซ่อมบำรุงในช่วงเวลานี้ จะเห็นได้ว่าการเก็บข้อมูลขณะใช้งานจะเป็นประโยชน์อย่างมาก

 

          7. อุณหภูมิ (Temperature)

 

          เป็นการบันทึกค่าระดับอุณหภูมิที่ตัวโพซิชันเนอร์ (Positioner) ที่ติดอยู่กับ ตัวคอนโทรลวาล์ว หากค่าอุณหภูมิมีการเปลี่ยนไปมาก อันอาจมาจากสาเหตุการรั่วของของไหลที่มีอุณหภูมิต่างกับบรรยากาศรอบ ๆ ตัววาล์ว ผ่าน Gland Packing ออกมาสู่ภายนอก

 

          8. ค่าสัญญาณต่าง ๆ (Trend)

 

          อาทิเช่น ค่าสัญญาณ จากชุดควบคุม ค่าการเปิดของตัววาล์ว (Valve Open) ทำให้สามารถนำค่าทั้งสองมาเปรียบเทียบกันได้ แล้วดูผลการเปรียบเทียบ หากต่างกันแสดงว่าคอนโทรลวาล์วมีความผิดปกติเกิดขึ้น

 

          9. พีโอ วาลิดิตี้ (PO Validity)

 

          พีโอ วาลิดิตี้ คล้ายกับวาล์ว ซิกเนเจอร์ แต่สามารถ แสดงผลขณะออนไลน์ได้ ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่มีของไหลอยู่ด้วย มีผลกระทบทางอุณหภูมิจากของไหลจริง ๆ วิธีการคือคำนวณแรงจากสมการแรง (Force Balance Equation) ระหว่าง แรงจากสปริง (Spring Force: Fs) แรงจากแรงเสียดทาน (Friction Force:  Ff) แรงจากของไหล (Fluid Force: Fu) และแรงจากความดันของลม (Fa) ตามรูปที่ 10.1 จะได้ว่า Fa = Fs - Ff - Fu

 

          จะพบว่าของไหลส่งผลต่อแรงกระทำ และอุณหภูมิเองก็เช่นกัน ทำให้กราฟมีการเปลี่ยนไปตามแรงที่เปลี่ยนไป เราจึงสามารถทำการเปรียบเทียบคุณลักษณะต่าง ๆ ของวาล์วได้แม้ขณะใช้งานอยู่ โดยไม่ต้องรอให้หยุดใช้งานวาล์วตัวนั้น ๆ อีกทั้งยังประเมินสภาพการณ์ของสปริงได้ด้วย (Po Validity) จากกราฟรูปที่ 10.2 แกนนอนคือค่าความดันจาก ตัววัดความดัน (Pressure Sensor) แกนตั้งคือ ค่าตำแหน่งวาล์วเปิดปิด จากข้อมูลปกติ (Base Line หรือ Standard Line) เมื่อสปริงเกิดการล้าตัวไป เช่นจากที่เคยมีแรง 0.8 ถึง 2.4 kg/cm² สำหรับระยะ 0 ถึง 100% เหลือ 0.5 ถึง 2.0 kg/cm² สำหรับระยะ 0 ถึง 100% ก็จะสามารถรู้ได้ เป็นต้น ดังนั้นไม่ว่าจะมาจากความผิดปกติ ของ สปริง แพ็คกิ้ง หรือแรงจากของไหลก็สามารถรู้ได้จากการดูกราฟ

 

          การรวบรวมการใช้งานของตัวคอนโทรลวาล์วผ่านทางตัว Positioner ที่เป็นแบบ Smart ในขณะทำการผลิต (Operation) ทำให้ได้ข้อมูลต่าง ๆ เพื่อนำไปวิเคราะห์ และใช้ในการวางแผน ออกแบบ ปรับปรุง เปลี่ยนแปลง การบำรุงรักษา ทำให้ลดต้นทุนลง เพิ่มผลผลิตได้  ตามทิศทางการพัฒนาจาก Step1 การตรวจวินิจฉัยระบบสื่อสาร (Communication Diagnostic) ไปสู่ Step 2การตรวจวินิจฉัยตัวอุปกรณ์เอง (Device Diagnostic)  และปัจจุบัน Step 3 การตรวจวินิจฉัยได้ขยายครอบคลุมเครื่องจักร (Field Performance Diagnostic) ในที่นี้คือตัวคอนโทรลวาล์ว และอนาคต Step 4 การวินิจฉัยระบบการผลิต (Plant Diagnostic) ตามมาตรฐาน NE107 นามัว รูปที่ 11

รูปที่ 11 แสดง NE107 Diagnostic Profile

 

 

รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างการรายงานผลแบบภาพรวม บางส่วนเพื่อใช้ในการวินิจฉัยตัวคอนโทรลวาล์วตามช่วงเวลาต่าง ๆ ระหว่าง ธันวาคม 2013 ถึง พฤษภาคม 2014 เป็นรายเดือน ของคอนโทรลวาล์ว  FV702

 

จากการใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ อาทิเช่น เทคโนโลยีการเก็บรวบรวมข้อมูล (Big Data), เทคโนโลยีการสื่อสาร (IT) แบบดิจิตอล (Digital) เช่น HART Communication หรือ Foundation Fieldbus ร่วมกับเทคโนโลยีการวินิจฉัยข้อมูล (Diagnostic) สามารถรายงานความน่าจะเป็นของเครื่องจักร คอนโทรลวาล์ว ว่ามีสภาพเป็นเช่นไร มีความปลอดภัยในการใช้งาน มีความพร้อมในการดำเนินงานการผลิต และไม่มีผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมจากการรั่วไหลของสารเคมีในการผลิตได้

 

 

รูปภาพคอนโทรลวาล์ว

 

ข้อมูลอ้างอิง
          • Azbil Corporation , Diagnostic Software support Condition-Base Maintenance of Control Valve
          • Azbil Corporation , Development of Smart Valve Positioner for Enhanced Safety of Plant Operation
          • Foundation Fieldbus (FCG) Seminar material , Device Diagnostic at Faculty Engineering - KMITL