【コラム】備えあれば憂いなし：プロセス分析におけるエラーとリスクの最小化 - Part 3 | メトローム

生きていく中で、私たちは皆、危険だと思われる状況やリスクを避けるために、自分の直感や経験を信じることを学びます。文字通り、潜在的な危険を不安な感覚で察知します。熱いストーブの上に触るのは良くないと痛感したことのない人がいるでしょうか？　あるいは、竜巻の最中に自ら外に出る人はいるでしょうか？

人間は直感や学習したパターンに頼って危険を回避したり、保護戦略を用いることができますが、電子システムや機械の場合ははるかに複雑です。システムのすべてのコンポーネントは、恒久的に安全な状態である必要があります。個々のコンポーネントの故障や誤動作は、生産プロセスやオペレーターの安全に壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。

その一例が1976年のセベソ事故です。この事故で反応プロセスが制御不能となり、猛毒のダイオキシンTCDDが流出し、周囲の動植物を持続的に汚染しました。このような重大な化学事故を防止する目的で、1982年に欧州セベソ指令が制定され、2012年に欧州セベソIII指令として改正されました。

エラーを認識し、マスターし、回避する

継続的に運転されるプロセス・エンジニアリング・システムには、そのライフサイクル中に磨耗したり故障したりする可能性のある部品が無数に含まれています。しかし、測定回路、制御回路、調整回路が影響を受けた場合、故障は甚大な損失を引き起こす可能性があります。いかなる場合においても、人間や環境を危険にさらすべきではありません。このため、コンポーネントの機能安全性は保証されなければならず、そのリスクとハザードの可能性は詳細に分析されなければなりません。

機械部品の耐用年数は、機械の摩耗を観察することで評価できます。しかし、電子部品の経年劣化は評価が困難です。リスク低減と機能安全を定量化できる測定単位は、いわゆる「安全度水準」(SIL:Safety Integrity Level) です。

安全度水準の評価は、次の手順で行います：

リスク分析
リスク削減の実現
実現されたリスク削減が少なくとも必要なリスク削減に相当していることを示す証拠の提示

リスク評価：現在のリスクが許容リスクのレベル以下に削減された場合、プロセスは安全であるとみなされます。安全性が技術的手段によって確保されている場合は、機能的安全性と呼ばれます。

プロセス分析システムの重要性

エラーはどこにでも起こりうるものであり、完全に排除することはできません。したがって、起こりうるエラーを最小限に抑えるためには、リスク分析の一環として、発生リスクとそれによって予想される損害を見積もる必要があります。ここで、”システム・エラー”と”ランダム・エラー”を区別する必要があります。

”システム・エラー”は潜在的に回避可能であり、たとえばソフトウェアエラーや構成の不備などによって発生します。したがって、”システム・エラー”は試運転中または試運転前にすでに存在しています。

対照的に、”ランダム・エラー” は任意に発生するため、潜在的に回避することが困難です。とはいえ、エラー率や故障確率は統計的、実験的に求めることができます。

通常、"ランダム・エラー" は、ハードウェアに起因し、動作中に発生します。最終的に問題のない機能を確保するには、”システム・エラー”を回避し、”ランダム・エラー”を抑制する必要があります。

General process analyzer setup

プロセス分析システムは、手作業によるラボ分析と製造プロセスをつなぐものです。重要なパラメータの連続的かつ完全自動モニタリングが必要なアプリケーションでは、プロセス分析装置は不可欠です。ラボとプロセスでは分析条件が異なるため、測定技術をラボからプロセスに移行する際にはいくつかの課題があります。決定的な要因は、プロセス分析装置がその設計、構造材料、コンポーネントの信頼性に関して満たさなければならない作業・環境条件（高温、腐食性雰囲気、湿気、粉塵、爆発の可能性のある環境など）です。プロセス分析装置は、予防措置によってハードウェアやソフトウェアのコンポーネントが故障するのを防ぐために、システムデータと診断データを自動的かつ継続的に送信します。これにより、"ランダム・エラー" が発生する可能性が大幅に減少します。

プロセス分析装置は、過酷で厳しい現場環境での使用のために特別に開発されました。IP66で保護されたハウジングは、ウェット分析パートと電子機器パートに分かれています。電子機器パートには、プロセス分析装置の制御と操作に関連するすべてのコンポーネントが含まれています。電動ビュレット、バルブ、ポンプ、サンプリングシステム、滴定容器、センサー(電極)などのモジュラーコンポーネントは、プロセス分析装置のウェット分析パートにあります。そのため、数メートル離れたプロセス測定ポイントから代表サンプルを採取することができます。分析手順、使用メソッド、メソッド計算は自由にプログラム可能です。

直感的なメニューナビゲーション機能を備えたタッチスクリーンにより、操作が簡単になり、いつでも生産プロセスを最適化できます。測定の経過は、測定全体にわたってグラフィックで表示、記録されるため、分析プロセスを完全に制御できます。測定結果は 24 時間 365 日生成でき、プロセスを詳細かつ完全に自動的にモニターできます。管理制限、アラーム、または測定結果は、プロセス制御システムに確実に転送されます。

プロセス分析装置を操作する際、ソフトウェアのエラーが故障につながる危険性があります。これを予見して認識するために、システムは電源投入と同時に、また操作中にも自己診断を行います。これには、例えば、ポンプやビュレットのチェック、漏れのチェック、I/Oコントローラー、ヒューマンインターフェース、各分析モジュール間の通信チェックなどが含まれます。

プロセス分析装置の中心的な構成要素は、使用される測定技術です。センサーや電極の場合、耐薬品性、メンテナンスの容易さ、堅牢性、精度など、いくつかの要件を満たす必要があります。安全性に関するリスクは、測定センサーが経年劣化によって故障したり、破損して誤った測定結果を導き出す可能性から生じます。

センサー (電極) の故障、汚染、または損傷は、直ちに報告される必要があります。オンライン分析システムでは、分析は外部の測定セルで行われます。さらに、定期的な校正およびコンデショニングのルーチンが事前に設定されており、自動的に実行されます。センサー(電極)の状態はシステムによって継続的にモニターされています。

測定の間、電極はメンブレン膜に優しい保存液に浸され、乾燥を防ぐと同時に水和層を再生させています。したがって、電極はいつでも使用可能であり、メンテナンスのためにプロセスから取り外す必要はありません。これにより、過酷な条件下でも信頼性の高いプロセス制御が可能になります。

プロセス分析装置は、キャリーオーバーや交差感度の問題を引き起こすことなく、幅広い濃度範囲 (% から微量レベルまで) のサンプルを分析対象として処理できなければなりません。多くの場合、複数の測定ポイントからのさまざまなサンプルが、異なる分析技術を使用して 1 つのプロセス分析システムで並行して測定されます。サンプルの準備 (フィルタリング、希釈、湿式化学分解など) は、プロセス制御システムへの測定結果の完全自動転送と同様に信頼性が高くスムーズでなければならず、迅速な応答が可能でなければなりません。

不正確な測定結果により、システム全体に潜在的な危険が生じる可能性があります。リスクを最小限に抑えるために、測定容器内にサンプルが存在することをシステムに通知するための検出器が使用されます。分析の初期電位のテスト、または測光測定における滴定曲線/発色は、継続的に記録および解釈される診断データです。それらの結果は参照分析によって検証するか、標準溶液とチェック溶液を使用してその妥当性を明らかにすることができます。

エラーの発生を未然に防ぐ

プロセスエンジニアリングプラントの安全度水準(SIL)の中で実施されるリスクアセスメントの手順は、最終的には数学的な計算に基づいています。しかし、プラントの24時間365日の運転では、”ランダム・エラー” を完全に排除することはできません。残留リスクは常に残っています。したがって、運転中のハードウェアやソフトウェアの故障を回避するために、予防保全活動の重要性が非常に高まっています。

プロセス分析装置とその診断データを定期的にチェックすることは、永続的にトラブルのない操作を行うための基本的な要件です。カスタマイズされたメンテナンスおよびサービスコンセプトにより、分析装置はライフサイクル全体にわたって認定サービスエンジニアによってサポートされます。定期的なメンテナンスプラン、アプリケーションサポート、校正、性能証明、修理、純正スペアパーツ、適切な試運転などは、ほんの一例です。

メリット

メトローム・プロセス・アナリティクスの予防メンテナンス：

投資の保全
故障リスクの最小化
信頼性の高い測定結果
算出可能なコスト
純正スペアパーツ
迅速な修理
リモートサポート

さらに、プロセス制御システムと分析装置間の透明性の高いコミュニケーションも、デジタル化の背景に関連しています。制御システムの状態を評価するための分析装置からの性能データの収集は、ひとつの要素に過ぎません。関連するシステムコンポーネントを継続的にモニターすることで、必要なメンテナンスに関する結論を導き出すことができます。収集されたデータをどのように解釈し、どの程度迅速に対処する必要があるかという問題が生じます。ソフトウェア・ケア・パッケージは、メーカーの仕様に従ってソフトウェアをテストし、データのバックアップとソフトウェアのメンテナンスを行うのに役立ちます。