GESTION DES RESSOURCES AVEC DES OUTILS MODERNES CHEZ WHITE BIRCH PAPER Éric Tremblay 1, Michel Ruel 2 1- White Birch Paper, Québec, QC (Canada) 2- Top Control Inc., Québec, QC (Canada), et Green Bay, WI (États-Unis) Mots-clés : contrôle de procédé, optimisation, oscillation, performance, indicateur-clé de performance, entretien proactif, suivi de performance, gestion des ressources, détection de défaillance, gestion des alarmes, entretien selon l état RÉSUMÉ Pour demeurer concurrentiel sur le marché mondial d aujourd hui, il est primordial d utiliser l information de façon efficace et efficiente. La plupart des usines ont beaucoup de données. En utilisant des outils modernes tels la gestion des alarmes, le suivi de performance des contrôles et l optimisation de procédé, il est maintenant possible de convertir ces données en résultats et diagnostics. Les coûts énergétiques augmentent, les marchés sont de plus en plus concurrentiels et les gestionnaires doivent s assurer que toutes les ressources sont réparties aux endroits où elles sont le plus nécessaires de façon à générer de la valeur ajoutée. Toutes les ressources spécialement les équipements de contrôle de procédé doivent être maintenues dans un état optimal pour assurer les meilleures performances. Pour atteindre cet objectif, les gestionnaires doivent utiliser des outils modernes et s assurer que leurs équipes tirent profit des diagnostics et mesures de performance. La gestion des ressources et l amélioration de la performance ne sont pas de nouveaux concepts : les méthodes traditionnelles peuvent être utilisées, mais les outils modernes avec ordinateurs et logiciels doivent être privilégiés. En fait, la clé est dans l approche : il est important de veiller à faire des efforts constants. La performance des systèmes de contrôle de procédé déclinera s ils ne sont pas optimisés régulièrement. Dans la plupart des usines, la performance des projets d amélioration tend à baisser de 50% après six mois. Dans le passé, White Birch Paper a essayé d utiliser le suivi de performance, mais avec un succès limité. Récemment, le directeur de projet a décidé de déployer des outils dans un secteur pour mobiliser les employés et obtenir de bons résultats. Puisque l énergie représente le coût majeur de cette usine, la chaufferie fut sélectionnée. Trois outils furent utilisés simultanément : 1. Gestion des alarmes, utilisant un logiciel et l expertise d un consultant 2. Suivi de performance des contrôles, utilisant un logiciel et l expertise d un consultant 3. Optimisation de procédé, incluant l utilisant de stratégies de gestion des combustibles La gestion des alarmes consiste à produire un modèle de gestion des alarmes qui améliore la performance opérationnelle tout en respectant les normes de sécurité et de réglementation. Les systèmes d alarmes efficaces assurent l efficacité des opérateurs, mais les systèmes d alarmes inefficaces menacent la sécurité, l environnement et la profitabilité de l usine. Le suivi de performance des contrôles consiste à analyser les signaux d entrée (variables de procédé, signaux de transmetteurs, mesures, points de consigne générés et états) et les signaux de sortie (sorties de contrôleurs et points de consigne) pour déterminer si la performance désirée est atteinte. Tous les signaux sont lus par le système de contrôle (système de contrôle distribué, automate programmable, système de contrôle de qualité, etc.) via les communications numériques. Le système détecte les oscillations, les équipements déviant des spécifications prévues, les problèmes de contrôle de procédé, les problèmes de procédé, les problèmes de fonctionnement, etc. L optimisation de procédé consiste à réduire les coûts énergétiques, à gérer la consommation de combustibles et à améliorer le fonctionnement. Le projet a été exécuté en trois phases d un mois chacune. Le consultant et le personnel de l usine ont travaillé ensemble et leur collaboration a été fructueuse.
INTRODUCTION Comme beaucoup d industries, celle des pâtes et papiers capitalise sur les variables économiques et les bénéfices d un cycle de marché favorable. Ces dernières années, la situation du marché des pâtes et papiers a été difficile et la concurrence a poussé les usines à leur limite. Pour demeurer concurrentiel, les gestionnaires cherchent à miser sur les ressources humaines et stratégiques. Ils adoptent les «meilleures pratiques» et fixent des mesures incitatives liées à la performance, tout en se conformant aux normes liées à la sécurité, la santé et l environnement. Dans ce contexte, l information est une ressource cruciale : si elle est utilisée et gérée correctement, elle peut devenir un fort avantage concurrentiel. Or, même lorsque l information est accessible, les entreprises manquent souvent de ressources et de procédés pour l exploiter à son plein potentiel. Cet article montre comment White Birch Paper a adopté une approche pour mieux utiliser les données dont elle dispose. Pour améliorer la profitabilité et les opérations, ils ont établi une structure moderne et efficace pour la gestion de l information. WHITE BIRCH PAPER White Birch Paper, dont le siège social est situé à Greenwich (Connecticut), est une entreprise familiale privée qui fabrique et expédie des produits de papier pour des clients en Amérique du Nord et dans le monde entier. White Birch Paper exploite quatre usines de pâtes et papiers : trois au Canada et une aux États-Unis. Ensemble, ces usines produisent plus de 1,3 million de tonnes de papier journal et de papier annuaire, dont la teneur en fibres recyclées peut atteindre 50%. Achetée par White Birch Paper en 2004, l usine Stadacona est située à Québec, QC, Canada. Cette usine inclut de la fibre recyclée dans tous ses produits, avec des teneurs atteignant ou dépassant les normes gouvernementales actuelles ou proposées. Récemment, l usine Stadacona a bénéficié de plusieurs investissements : une usine de pâte thermomécanique et une installation ultramoderne de désencrage à haute efficacité se sont ajoutées, et la section de formation (bout humide) de la machine à papier carton a été modernisée. Le Tableau 1 résume les activités et ressources de l usine Stadacona. Produits : Papier journal Papier annuaire Papier carton recyclé Capacité annuelle : P. journal : 410 000 t/an P. annuaire : 95 000 t/an P. carton : 45 000 t/an Machines à papier : Papier journal : 3 Papier annuaire : 1 Papier carton : 1 Autre : Usine de recyclage Tableau 1. Activités et ressources de l usine SÉLECTION DES OUTILS ET DES CONSULTANTS White Birch Paper a développé des approches rigoureuses pour le choix de ses outils et des consultants. Dans le passé, des outils ont été installés avec un succès limité: la connectivité était problématique et les bases de données étaient redondantes. Récemment, White Birch Paper a décidé d adopter une approche structurée pour utiliser les données qui étaient déjà disponibles dans leur historique provenant du système d archivage PI. Ils ont sélectionné trois outils pour améliorer leur performance et leurs opérations : 1. Gestion des alarmes 2. Suivi de performance des contrôles 3. Optimisation de procédé et ajustement des boucles de contrôle et stratégies de contrôle Les critères qui ont été utilisés pour sélectionner les outils et le consultant incluent : 1. Environnement uniforme 2. Présentation des données et rapports sur Internet 3. Installation d un serveur commun
4. Utilisation des données archivées 5. Références, bon support et outils éprouvés, largement utilisés dans l industrie 6. Experts en contrôle de procédé 7. Experts en encadrement et formation du personnel de gestion et de production de l usine Objectifs L objectif de la gestion des alarmes était d implanter un système regroupant toutes les alarmes et événements provenant des opérateurs. Le système génère des rapports sur Internet des indicateurs-clés de performance (KPI), conformes aux normes EEMUA 191 et ISA SP 18.02, qui donnent un instantané précis de l état actuel de la gestion des alarmes dans l usine. L objectif du suivi de performance des contrôles était d implanter un système de surveillance pour (1) détecter, avec les indicateurs pertinents, toute déviation de performance des boucles ou secteurs (selon la référence préétablie), et (2) proposer des actions pour corriger ces déviations. Le système doit détecter tous les problèmes liés aux boucles de contrôle, aux équipements de procédé, aux opérations et à la production. Il doit aussi utiliser des stratégies de contrôle spéciales (en cascade, prédictif, prioritaire, ratio, etc.) et générer les rapports préétablis. L objectif de l optimisation de procédé était d implanter les outils pour l optimisation simultanée de multiples boucles PID, par des tests en boucle fermée sans perturbation, en quelques minutes. Le système conserve en mémoire tous les tests et décisions. Il doit être puissant mais assez simple pour être utilisé par les techniciens. Étapes Le projet a été divisé en cinq étapes : 1. Valider la connectivité et la qualité des données 2. Installer les outils à un endroit spécifique : la chaufferie 3. Impliquer graduellement le personnel pour susciter l intérêt 4. Optimiser la production de vapeur, le fonctionnement des chaudières et les stratégies de contrôle 5. Élaborer des KPI (indicateurs-clés de performance) et quantifier les résultats Portée La gestion des alarmes a été implantée seulement à la chaufferie. Le système de suivi de performance des contrôles a été installé sur 863 boucles, à sept endroits. L outil d optimisation de procédé a été installé sur le serveur et sur un ordinateur portable. La Figure 1 montre la structure du réseau. Figure 1. Structure du réseau EXÉCUTION L installation du système fut achevée en moins de deux semaines. Ensuite, les indicateurs de performance et la structure du système furent adaptés et précisés par étapes successives, en collaboration avec divers services de l usine. Le procédé complet fut supervisé par Top Control Inc. Une équipe de travail est établie depuis janvier 2008. Elle est composée d ingénieurs, de techniciens et d opérateurs de divers services de l usine, et de deux spécialistes de Top Control. Ils s assurent que les outils atteignent les objectifs. Les efforts furent surtout axés sur la chaufferie. Cependant, lorsque des
problèmes sont survenus à d autres endroits, ces outils furent utilisés pour les résoudre. Suivi et encadrement Un directeur de fiabilité a supervisé toutes les étapes et des réunions hebdomadaires furent organisées pour assurer un bon suivi. Partenariat White Birch Paper et Top Control ont une relation de partenariat; ils se rencontrent sur une base régulière. EXEMPLES Gestion des alarmes La gestion des alarmes fut le premier outil utilisé. Les aspects problématiques ont été identifiés et les problèmes résolus. La gestion des alarmes fut aussi utilisée pour décongestionner le procédé, localiser les alarmes nuisibles, réévaluer les alarmes critiques et modifier les priorités d alarmes. La Figure 2 montre les rapports d alarmes obtenus durant deux mois, avant et après la rationalisation des alarmes. Le Tableau 2 compare les statistiques d alarmes pour ces 2 mois. On remarque que la rationalisation des alarmes a permis de réduire de 59% le nombre total d alarmes. Février 2008 Juin 2008 Total 24 269 9978 Pire journée 2974 1399 Moyenne horaire 35 13 Tableau 2. Comparaison des statistiques d alarmes La Figure 3 montre un indicateur de performance d alarme (API) commun, avant et après la rationalisation des alarmes. Chaque symbole correspond à une journée. On remarque que la rationalisation des alarmes a permis de réduire considérablement le nombre d heures pour lesquelles l opérateur était débordé d alarmes. Février 2008 Février 2008 Juin 2008 Juin 2008 Figure 2. Rapports d alarmes pour février 2008 et juin 2008 Figure 3. Indicateur de performance d alarme Suivi de performance des contrôles Le suivi de performance des contrôles a permis d identifier les boucles oscillatoires, les boucles qui fonctionnaient mal et les stratégies de contrôle nécessitant une réévaluation. La Figure 4 montre des rapports de performance des contrôles pour deux mois, avant et après le suivi de performance des contrôles. Les rapports incluent les facteurs de service (c.-à-d. pourcentage de temps pour lequel la boucle est
dans le bon mode). Ces secteurs furent optimisés : ils sont identifiés par des rectangles rouges. On remarque que le facteur de service de la Chaudière 7 a augmenté, passant de 65% à 85%, grâce au suivi de performance des contrôles. Lorsque ce projet a débuté, de nombreuses boîtes Treemap étaient jaunes (avertissement) ou rouges (dépassement des valeurs spécifiées). La section supérieure gauche correspond à la première ligne de la Figure 4 (Chaudière à biomasse). Figure 4. Rapports de performance des contrôles L outil de visualisation Treemap est utile pour identifier en un coup d œil les secteurs et boucles qui fonctionnent. L outil Treemap peut afficher toutes les boucles (à cette usine, il y a 863 boucles) ou les boucles d un secteur spécifique. De plus, il permet d appliquer des filtres pour visualiser seulement des secteurs ou boucles spécifiques. La Figure 5 montre les écrans Treemap pour la chaufferie (101 boucles), divisée par secteurs, pour deux mois. La taille de chaque boîte dépend de la performance (vitesse de réponse) et la couleur dépend du facteur de service. Figure 5. Écrans Treemap Optimisation de procédé L outil d optimisation de procédé fut utilisé pour régler et optimiser les boucles de contrôle, les systèmes en cascade et les stratégies de contrôle complexes. Cet outil fut utilisé par les techniciens et ingénieurs durant le fonctionnement normal. Le logiciel
TaiJi PID a généré une faible excitation aux points de consigne et la réponse fut analysée pour modéliser le procédé, et pour optimiser les boucles et stratégies de contrôles. optimisée avec succès. Dans le passé, les employés essayaient de régler cette boucle avec d autres outils, mais trop de perturbations survenaient durant ces tests. Maintenant, cette boucle réagit bien à toutes les conditions. La Figure 6 montre les résultats. On remarque que l optimisation du procédé a permis d éliminer les oscillations et d améliorer le temps de stabilisation, qui est maintenant de 15 minutes. PERFORMANCE MAINTENUE Déclin de performance Dans toute usine, la performance décline continuellement, pour diverses raisons : Les procédures opératoires varient La qualité des matières premières varie Les équipements s usent L entretien modifie les équipements Des changements de configuration sont faits Les procédés sont modifiés Les coûts augmentent Etc. L utilisation d un logiciel de suivi de performance peut permettre de maintenir la performance (tel que montré à la Figure 7). Lorsqu une valeur limite est atteinte, une alarme est envoyée. Figure 7. Déclin de performance Figure 6. Performance globale de l usine Par exemple, la boucle la plus importante (Pression globale de l usine - PIC1900) a été Petits gestes qui comptent Avec le temps, l intérêt des employés décline, le support diminue et la régularité devient erratique (comme le montre la Figure 8).
Intérêt 7 6 Coût de la vapeur (x/gj) % % % Temps Support Temps Régularité Temps Figure 8. L intérêt, le support et la régularité déclinent Pour éviter cette situation, il est essentiel d établir une séquence de travail avec les procédures quotidiennes, hebdomadaires et mensuelles. De plus, un leader doit prendre la direction du projet. Les gains doivent être quantifiés, communiqués et expliqués, et on doit encourager les employés à consolider leurs efforts pour réussir. La Figure 9 montre la réduction de coût obtenue sur une période de six mois, pour la production de vapeur. Pour des raisons de confidentialité, «x» n a pas d unité; le coût réel a été multiplié par un facteur non divulgué. x 5 4 3 2 1 0 2007-12-242008-01-132008-02-022008-02-222008-03-132008-04-022008-04-222008-05-122008-06-012008-06-21 Semaine Figure 9. Réduction de coût Les résultats dépassent les prédictions : les coûts ont été réduits de 50% même si le coût des combustibles a augmenté durant cette période. Le rendement du capital investi est excellent, puisque la période de rentabilisation est inférieure à trois mois. CONCLUSION Le but de cet article était de montrer les avantages à utiliser des outils modernes pour améliorer la performance d usine. La valeur ajoutée aux données réelles permet un avantage concurrentiel considérable. L utilisation de rapports, de gestionnaires et de personnel de production permet de gérer les ressources plus efficacement. Actuellement, l approche décrite dans cet article est utilisée dans d autres secteurs de l usine. Les outils ont été déployés pour définir des spécifications de référence dans chaque secteur. Grâce à l engagement des employés, à l implication de la direction, à l approche rigoureuse de White Birch et à l expertise de Top Control, ce projet fut un succès. RÉFÉRENCES Gosselin, C. et Ruel, M. (2007), Advantages of Monitoring the Performance of Industrial Process, ISA Management Newsletter, January 2007, pages 6-8.