Аналитический контроль: перспективы развития

Автоматизированная система аналитического контроля АСАК

АСАК представляет собой комплекс оборудования, программного обеспечения, методологических и математических инструментов, необходимых для анализа и контроля промышленных процессов [1]. Целью внедрения системы является обеспечение точного и надежного анализа исходного сырья и продуктов производства в соответствии с современными требованиями эффективных производственных процессов [2]. Важность АСАК в производственных процессах заключается в том, что она позволяет оперативно контролировать и анализировать параметры производства, такие как состав материалов, содержание элементов, физико-химические и другие свойства [3]. Это позволяет понизить количество брака при выпуске продукции, уменьшить использование ресурсов и энергетические затраты [4] а также АСАК является подсистемой систем управления предприятием (MES, LIMS, ERP), позволяющих организовать производственную деятельность в интеллектуальную и управляемую систему [5]. Система состоит из различных компонентов и обладает разнообразием свойств. В ее состав входят средства анализа на основе рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, системы пробоотбора, транспорта, подготовки и анализа образцов [6].

Преимущества внедрения АСАК в промышленных условиях. Внедрение аналитической системы в промышленных условиях имеет ряд преимуществ, которые обеспечивают безопасность процесса и производства. АСАК представляет собой комплекс технических средств рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, подсистему для обеспечения безопасности выборки, транспортировки и анализа образцов [3]. Это позволяет оперативно контролировать показатели эффективности процессов после каждого этапа производства [5]. Система использует автоматическую обработку, сбор, хранение и анализ результатов, что позволяет сократить время и ресурсы, ранее затрачиваемые на ручную обработку данных [7]. АСАК предоставляет достоверные и точные данные о составе и свойствах продукции, позволяя оперативно выявлять и исправлять отклонения от состава продукта [5]. Автоматический контроль также помогает выявить риски и возможные аварии, связанные с ручными операциями, и повысить безопасность процесса. Благодаря этому можно достичь более высокого уровня удовлетворенности клиентов. Внедрение аналитической системы также приводит к экономии средств за счет сокращения ручного труда и отходов. АСАК позволяет автоматизировать ряд операций, которые ранее выполнялись регулярно, такие как выборка, транспортировка и анализ образцов [6]. Это предполагает привлечение меньшего количества персонала и вероятность возникновения ошибок, связанных с человеческим риском. Автоматизация аналитического контроля позволяет более эффективно использовать ресурсы и сократить количество отходов, что связано с экономической выгодой для предприятия [5]. Таким образом, использование АСАК позволяет снизить затраты и повысить эффективность в производственных условиях.

Рис. 1. Типовой комплекс оборудования АСАК

Ключевые функции и возможности АСАК

Одной из функций, позволяющих эффективно контролировать и анализировать данные является мониторинг технологических параметров. АСАК позволяет исключить сбор субъективных данных, оперативно фиксировать искажения данных, имеющиеся в аналитическом оборудовании, такие как флуоресцентные анализаторы [3]. Флуоресцентный анализ позволяет получать оперативную информацию о состоянии процессов и позволяет оперативно реагировать на любые отклонения. На рис. 1 изображено типовое оборудование используемое в составе АСАК.

Автоматический анализ и отчетность являются еще одним из значимых возможностей АСАК. Система автоматизированной обработки и анализа данных, позволяет быстро выявлять аномалии и проблемы в технологическом процессе [1]. Интеграция с другими системами управления такими как MES, SCADA, ERP является еще одним преимуществом АСАК, которое позволяет получить сложную картину производственных процессов и более точное управление. Система может быть автоматизирована, позволять контролировать процесс анализа и передачи результатов анализа заказчику в автоматическом режиме [3]. Наблюдение за состоянием технологических параметров, сбора данных, автоматический анализ и отчетность позволяет повысить эффективность и надежность производственных процессов и производить продукцию с максимальным качеством [5].

Компоненты АСАК и их роли

Автоматизированная система аналитического контроля состоит из различных компонентов, играющих решающую роль в ее функционировании. Одним из ключевых компонентов являются датчики и аналитические приборы. Эти датчики отвечают за сбор данных о различных параметрах, таких как химический состав, температура и давление [3]. Аналитические приборы, такие как рентген флуоресцентные анализаторы, используются для анализа собранных образцов и обеспечения точных измерений [1]. Комбинация датчиков и аналитических приборов обеспечивает точный и надежный сбор данных для целей анализа и контроля [6]. Функциональная схема АСАК проиллюстрирована на Рис. 2. Еще одним важным компонентом АСАК являются блоки сбора и обработки данных. Эти блоки отвечают за получение данных от датчиков и аналитических приборов, их хранение и обработку, а также формирование значимой информации для дальнейшего анализа. Данные, собранные с датчиков и приборов, обрабатываются и анализируются с использованием программного обеспечения и математических инструментов для извлечения соответствующих сведений и параметров управления [5], что позволяет в режиме реального времени отслеживать и контролировать анализируемый процесс, обеспечивая оптимальную производительность и качество [1].

АСАК включает в себя интерфейсы для связи и управления. Данные интерфейсы позволяют интегрировать АСАК с другими системами и устройствами, такими как панели управления, базы данных и сети связи. Они позволяют передавать данные и команды управления между АСАК и внешними системами, обеспечивая бесперебойную работу и интеграцию в общий производственный процесс. Интерфейсы управления предоставляют операторам удобную платформу для мониторинга и управления АСАК, делая ее более доступной [4]. Датчики и аналитические приборы собирают данные о соответствующих параметрах, а блоки сбора и обработки данных обрабатывают и анализируют данные. Интерфейсы для связи и управления обеспечивают плавную интеграцию и удобную работу.

Рис. 2. Функциональная схема АСАК

Особенности реализации

Внедрение АСАК включает в себя несколько ключевых особенностей, которые способствуют ее эффективности. Во-первых, крайне важно определить конкретные потребности и цели аналитического контроля. Это включает в себя определение параметров и переменных, которые необходимо отслеживать и контролировать для обеспечения оптимальной производительности и качества. Четко определяя эти требования, АСАК можно адаптировать к конкретным требованиям отрасли или процесса, в котором он внедряется.

Одним из важных аспектом внедрения является выбор подходящих датчиков и инструментов. Датчики отвечают за сбор данных и измерений, которые затем анализируются системой для обеспечения обратной связи и контроля в реальном времени [7]. Выбор сенсоров зависит от конкретных аналитических требований и может включать различные технологии, такие как рентген флуоресцентный анализ [3]. Интегрируясь с существующей инфраструктурой, АСАК может использовать уже имеющиеся ресурсы и возможности, максимально повышая эффективность и сводя к минимуму простои.

Успешные внедрения АСАК на примере компании ТЕХНОЛИНК (СПб)

Компания ТЕХНОЛИНК активно занимается разработкой, продажей и внедрением систем производственного управления, включая автоматизированную систему аналитического контроля (АСАК), системы производственной аналитики, системы управления производственными операциями (MES) и лабораторные информационные системы управления (LIMS). Дополнительно, в компании имеется учебный центр решений GE Digital и Emerson, что подчеркивает их компетентность и доверие в отрасли. Одним из ярких примеров успешного внедрения компанией ТЕХНОЛИНК (СПб) в цветной металлургии является проект рентген флуоресцентного анализа растворов в потоке продуктов ГМУ ХКЦ Никелевого завода ГМК Норильский Никель разработанного на базе поточного спектрометра "СПЕКТРОСКАН МАКС FC".

Рис. 3. АРМ наладчика

Применяемый рентгеноспектральный флуоресцентный метод анализа (РСА) основан на возбуждении первичным излучением рентгеновской трубки характеристического (вторичного или флуоресцентного) рентгеновского излучения определяемых элементов, кристалл-дифракционном способе выделения этого излучения и измерения его интенсивности газонаполненными (отпаянными) пропорциональными детекторами.

Интенсивность флуоресцентного излучения (аналитической линии) определяемого элемента зависит не только от его содержания в пробе, но и от общего химического состава и микро-абсорбционной неоднородности пробы, условий возбуждения и регистрации вторичного рентгеновского спектра, а также других многочисленных факторов. Некоторые из этих факторов (например, микро-абсорбционная неоднородность) в связи с трудностями учета обусловливают определенные требования к пробам, поступающим на анализ, другие (например, общий химический состав) учитываются выбором соответствующих уравнений связи содержаний элементов с интенсивностями их аналитических линий.

В качестве таких уравнений связи используются частные формы (индивидуальные для каждого контролируемого продукта) уравнения множественной регрессии следующего вида:

    (1)

где  – концентрация определяемого элемента;  – интенсивности, соответственно, аналитических линий определяемого (i) и “мешающих” (j) элементов, включая j = i, j = s и j =1/s;  – интенсивность рассеянного излучения; a₀, a_j, b_j, d_j – коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов по образцам с известным химическим составом.

В случае анализа растворов или гомогенных (однородных) объектов для РСА выражение (1) может быть значительно упрощено, исходя из следующих соображений.

Эффект абсорбции для флуоресцентного излучения в первом приближении может быть представлен следующим образом:

 (2)

где C_i,j – содержание определяемого (i) и мешающих (j) элементов в растворе, включая i=j; μ_i, μ_s – массовые коэффициенты абсорбции, соответственно, для элементов и растворителя.

Эффект абсорбции для рассеянного первичного излучения в первом приближении может быть представлен следующим образом:

    (3)

Отношение выражений (2) и (3) является основанием для упрощенной модели РСА растворов, т.е. , которая с учетом свободного члена имеет вид:

    (4)

В связи с взаимным влиянием элементов, обобщенная модель для анализа растворов, предусмотренная в программном обеспечении АРМ аналитика, имеет следующий вид:

    (5)

где F_j – фактор уравнения связи вида J_i, J_iJ_j или Ji/J_j включая случаи, когда j = i и j = s. Данное уравнение – упрощенный вид уравнения (1).

Как следует, из приведенных регрессионных уравнений связи массив исходных данных для градуировки аналитического комплекса составляют измеренные интенсивности аналитических линий определяемых элементов и рассеянного излучения, а также содержания элементов, определенные химическим методом анализа.

Аппаратура и условия РСА

Для проведения экспрессного РСА используется аналитический комплекс на основе поточного рентген-флуоресцентного спектрометра «Спектроскан МАКС FC» (рис. 4) при следующем режиме функционирования:

• напряжение на рентгеновской трубке БХ-7 (Мо) - 40 кВ, анодный ток – 100 мкА;
• в спектрометрических каналах используются кристалл-анализаторы LiF (200) с межплоскостным расстоянием d = 2,01А и общая остро-фокусная рентгенооптическая схема по Иоганссону;
• максимум амплитудного распределения в спектрометрических каналах, настроенных на аналитические линии NiKa, CoKa и некогерентное рассеянное излучение MoKaa выведено на оптимальное значение (950 ± 50 В) шкалы амплитудного анализатора импульсов, при котором «окно» дискриминатора обеспечивает максимальную контрастность при напряжениях на газонаполненных пропорциональных детекторах в диапазоне от 1630 В до 1700 В;
• значения контрастности аналитических линий NiKa и CoKa согласно методике поверки спектрометра должны быть не ниже 30 при скорости счета не ниже 10000 имп/с на образцах, содержащих 1 % определяемого элемента в Н3ВО3;
• способ измерения интенсивностей – таймер, экспозиция 20 с, кратность – 3;
• основная аппаратурная погрешность должна быть не более 0,5 % при обеспечении условий эксплуатации, регламентируемых методикой поверки спектрометра.

Наладка и поверка спектрометра осуществляется с помощью прикладной программы АРМ наладчика, графический интерфейс пользователя проиллюстрирован на Рис.3. Программное обеспечение АРМ наладчика реализовано на основе пакета GE CIMPLICITY HMI/SCADA. Градуировка и проверка адекватности уравнений связи с помощью прикладной программы АРМ аналитика. АРМ аналитика реализован при помощи прикладной программы, разработанной на С++Builder от Embarcadero.

Рис. 4. Спектроскан МАКС FC

Интерфейс градуировки проиллюстрирован на Рис.5. Управление работой комплекса в процессе проведения РСА осуществляется с помощью системы управления на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) VersaMax (Emerson).

Автоматизированные системы аналитического контроля позволяют принимать все этапы работы и получать актуальную аналитику. Они проводят полный анализ парка техники, контроль качества продукции и эффективность [8]. В горнодобывающей промышленности АСАК для анализа состава обогатительных продуктов и получения объективной информации о пищевых продуктах [9]. Компания ТЕХНОЛИНК (СПб) внедряет системы контроля и их компоненты для отбора, транспорта и анализа пульпы [6]. В цветной металлургии АСАК используется для контроля состава и качества металлических сплавов. Он позволяет автоматизировать процессы отбора, транспортировки и подготовки образцов для анализа [6]. Интеграция АСАК с автоматической системой управления технологическим процессом (АСУТП) позволяет выполнять полную автоматизацию производства и мониторинг всех параметров процесса. Таким образом, примеры успешного внедрения решений АСАК компанией ТЕХНОЛИНК (СПб) подтверждают, что безопасная аналитическая система контроля является эффективной для повышения качества производства в горнодобывающей промышленности и цветной металлургии.

Процедуры калибровки и обеспечение качества являются важными компонентами АСАК. Используемое оборудование, должно быть откалибровано для обеспечения точных и надежных измерений. Кроме того, реализованы протоколы обеспечения качества для поддержания целостности и надежности аналитических данных, генерируемых системой [1]. Аналитические процедуры помогают обеспечить точность и согласованность аналитических результатов, полученных с помощью АСАК, обеспечивая уверенность в данных для принятия решений. АСАК также предъявляет требования к управлению данными и документации. Система предназначена для управления и хранения аналитических данных в структурированном и организованном виде [6], что облегчает поиск и анализ данных, позволяя эффективно отслеживать процессы и выявлять тенденции или аномалии [3]. Требования к документации гарантируют, что все этапы процесса аналитического контроля должным образом регистрируются и документируются, обеспечивая прослеживаемость и подотчетность.

Рис. 5. АРМ аналитика. Интерфейс градуировки

Аспекты внедрения АСАК

При рассмотрении вопроса о необходимо учитывать несколько аспектов. Одним из ключевых соображений является стоимость внедрения и обслуживания. Целью АСАК является предоставление оперативной аналитической информации с минимальными капитальными затратами [3]. Однако могут возникнуть расходы, связанные с приобретением и установкой необходимого оборудования и программного обеспечения. Перед внедрением системы важно тщательно оценить бюджет и разработать подробный план работ [10]. Другим аспектом, который следует учитывать, является техническая сложность и требования к квалификации для его эксплуатации. АСАК представляет собой сложную систему, состоящую из технических средств, математических моделей и программного обеспечения [5]. Для этого требуется опыт работы с оборудованием рентген флуоресцентного анализа и знакомство со специальным программным обеспечением, используемым в АСАК. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы персонал, задействованный в реализации и эксплуатации, обладал необходимыми навыками и знаниями [11].

Выбор поставщиков основного оборудования также является важным фактором. Доступны как иностранные, так и отечественные поставщики, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Крайне важно оценить возможности и надежность поставщиков и выбрать тех, которые лучше всего соответствуют требованиям реализации АСАК [3] в условиях импортозамещения. Реализация системы включает в себя такие соображения, как стоимость, техническая сложность и выбор поставщика. Тщательное планирование и оценка этих аспектов имеют решающее значение для успешной интеграции АСАК в существующие операционные процессы.

Будущие тенденции и достижения в АСАК

Интеграция с искусственным интеллектом и машинным обучением является одной из современных тенденций в эволюции производственных систем. Это позволяет значительно повысить функциональность и эффективность системы [12]. Такая возможность позволяет интегрировать прогнозирование, а также автоматически принимать решения на основе анализа данных.

Миниатюризация и портативность компонентов АСАК также являются важными трендом в этой области. Современные технологии позволяют создавать компактные и портативные устройства, которые могут быть использованы на различных объектах и в условиях ограниченного пространства [13]. Это особенно актуально для промышленных предприятий, где требуется регулярный контроль и анализ качества продукции. Например, компания ООО «Уралавтоматика Инжиниринг» специализируется на разработке АСАК в производстве на основе целлюлозы [3]. Компания поставляет компактные и портативные системы позволяют эффективно контролировать и анализировать производство на месте ее производства.

Облачные решения также играют важную роль в развитии АСАК. Облачные технологии позволяют хранить и обрабатывать большие объемы данных, а также позволяют получать удаленный доступ к системе. Это особенно полезно для предприятий с многочисленными объектами или распределенными производственными мощностями. Такой подход позволяет централизованно контролировать и управлять системой АСАК, а также получать оперативную информацию о ее состоянии [5].

Отраслевые стандарты и правила для АСАК

Автоматизированные системы аналитического контроля должны разрабатываться в соответствии с отраслевыми стандартами и нормами для обеспечения их эффективности и надежности. Эти стандарты включают соответствие требованиям ISO (Международная организация по стандартизации) и FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) [6]. При внедрении в АСАК в нефтехимическом секторе должны учитываться стандарты API 571, API 580 и API 581.

Перспективы внедрения АСАК в нефтеперерабатывающей отрасли

В нефтеперерабатывающей отрасли современные технологические вызовы требуют точного контроля и анализа всех этапов производственного процесса. В этом контексте внедрение Автоматизированных систем аналитического контроля (АСАК) обещает значительные перспективы. АСАК предоставляют возможность непрерывного мониторинга качества и состава сырья, промежуточных продуктов и конечных товаров, что способствует оптимизации производственных операций и снижению рисков. Благодаря интеграции современных технологий анализа, таких как спектрометрия и хроматография, АСАК позволяют оперативно выявлять несоответствия стандартам качества и принимать меры по их устранению. Это способствует повышению эффективности производства, снижению затрат и содействует соблюдению экологических норм. Внедрение АСАК в нефтеперерабатывающей отрасли перспективно не только с точки зрения повышения качества продукции, но и с учетом требований к инновационной и устойчивой производственной деятельности.

Вывод: АСАК меняет правила игры в автоматизированном аналитическом контроле

АСАК – это следующий шаг в эволюции автоматизации аналитического контроля производства. Одним из ключевых преимуществ внедрения АСАК является сокращение времени, затрачиваемого на доставку проб из точек отбора в лабораторию [1]. Это повышает эффективность аналитического процесса. В системе используется рентген флуоресцентный анализ, представляющий собой комплекс технических средств, предназначенных для повышения точности и скорости анализа [3].

АСАК приобретает все большее значение и широко внедряется в различных секторах внедрение которой позволяет сократить время отбора проб и выполнение ручных операций, а также время доставки проб из точек отбора в лабораторию [6]. Это упрощает аналитический процесс и позволяет быстрее принимать решения на основе точных и своевременных результатов. Универсальность АСАК проявляется в её поэтапной реализации, когда в техпроцесс изначально вводится лишь часть ОТК, что позволяет осуществлять постепенную интеграцию [3]. Эта гибкость делает АСАК, адаптируемым к различным отраслям и их конкретным потребностям. Внедрения систем аналитического контроля в нефтехимической отрасли открывают огромные перспективы для всех участников рынка.

Будущий потенциал АСАК огромен благодаря постоянному развитию технологий и их применению. Разработка автоматизированной системы мониторинга окружающей среды на основе информационных технологий удаленного доступа еще больше расширяет возможности АСАК [14]. Это позволяет в режиме реального времени отслеживать и анализировать условия окружающей среды, помогая предотвращать и смягчать потенциальные опасности. Поскольку технология продолжает развиваться, АСАК готова сыграть ключевую роль в улучшении процессов аналитического контроля и повышении эффективности в различных отраслях.

В заключение следует сказать, что Автоматизированная система аналитического контроля (АСАК) – это мощный инструмент, который произвел революцию в области автоматизированного аналитического контроля. АСАК предлагает множество преимуществ, в том числе повышенную эффективность процесса, улучшенный контроль качества и экономию средств. Ключевые функции и компоненты позволяют осуществлять мониторинг в режиме реального времени, автоматический анализ и интеграцию с другими системами управления. Успешные примеры внедрения, в горнодобывающей промышленности и металлургии, подчеркивают эффективность АСАК. Однако необходимо учитывать такие аспекты, как стоимость реализации и техническая сложность. Тем не менее, будущее АСАК выглядит многообещающим благодаря достижениям в области интеграции искусственного интеллекта, миниатюризации и облачных решений. Соблюдение отраслевых стандартов и правил также имеет решающее значение для успешного внедрения системы. В целом АСАК меняет правила игры в автоматизированном аналитическом контроле и может преобразовать различные отрасли.

Рецензент – Айткенов Д. Е.