Vägledning MBA

Ökad digitalisering genomsyrar alla processer och är nödvändig för att nå hög effektivitet och konkurrenskraft. Digitala modeller används i syfte att mer effektivt hantera den ökande graden av komplexitet och information. Vägledning MBA beskriver om och när ett modellbaserat arbetssätt bör användas, och hur metodiken kan implementeras och vidareutvecklas.

VÄGLEDNING TILL

Modellbaserat arbetssätt inom LKAB

Foto: Fredric Alm, Alm & ME

Förord LKAB:s framtid är beroende av förmågan till teknik- och processutveckling eftersom företaget står inför stora utmaningar. Malmen måste brytas på ännu större djup till lägre kostnader. Nya och mer komplexa mineraler ska förädlas, energi- användningen effektiviseras och fossila bränslen fasas ut. Miljö- och klimat- påverkan behöver minskas. Logistiken, transporterna till hamnar måste göras ännu mer konkurrenskraftig. Arbetsmetoderna ska präglas av effektivitet, engagemang och nytänkande. Ökad digitalisering genomsyrar alla processer och är nödvändig för att nå hög effektivitet och konkurrenskraft. Ett aktuellt digitaliseringsinitiativ inom LKAB är att generellt öka användningen av digitala modeller i syfte att mer effektivt hantera den ökade graden av komplexitet. Denna vägledning beskriver om och när ett modellbaserat arbetssätt bör användas, och hur metodiken kan implementeras och vidareutvecklas.

Terminologi och definitioner

VAD ÄR EN MODELL?

• En förenklad version av ett koncept, fenomen, relation, struktur eller system • En grafisk, matematisk eller fysisk representation • En abstraktion av verkligheten genom eliminering av onödiga komponenter • Målsättning med modeller inkluderar;

- att underlätta förståelse - att stödja beslutsfattande - att möjliggöra scenarioanalys - att förklara, kontrollera och förutsäga händelser

VAD ÄR ETT SYSTEM?

Ett system är ett arrangemang av komponenter eller element som tillsammans upp- visar beteende eller betydelse som de enskilda beståndsdelarna inte gör.

(översatt text, källa: www.incose.org)

Vägledningen är producerad inom LKAB ´s förstudie ”Modellbaserat Arbetssätt”, april 2021. Författare: Göran Tuomas ( goran.tuomas@lkab.com ) och Peter Lingman ( peter.lingman@optimation.se ). Arbetsgrupp Göran Tuomas (LKAB), Peter Lingman (Optimation), Kjell-Ove Mickelsson (LKAB), Håkan Tyni (LKAB), Bo Lahti (LKAB).

Dokument- och modellbaserat arbetssätt Förenklat uttryckt finns två principiellt olika sätt att arbeta med system och system- information; modellbaserat arbetssätt (MBA) och dokumentbaserat arbetssätt (DBA). Båda metoderna har sina för- och nackdelar. DBA är inarbetat och etablerat men passar bäst för mindre system och organisationer. MBA är bättre på att hantera komplexitet och möjliggör en mer omfattande systemanalys. Ny kompetens, förändrad organisation och nya mind-set är dock nödvändiga för att fullt ut följa med i den pågående intensiva digitaliseringsresan. Tillämpning av traditionellt dokumentbaserat arbetssätt vid utveckling och drift av komplexa system, kan medföra att tiotusentals dokument genereras under ett systems livscykel. Dessa dokument behöver lagras, struktureras, underhållas och delges rätt personer för att verksamheten ska fungera på ett bra sätt. Ändringar i ett dokument kan kräva manuellt arbete för uppdatering av efterföljande beroende dokument. Denna process är inte bara omständlig utan också känslig för fel och misstag. Även fel- aktig hantering av dokument kan i förlängningen medföra allvarliga konsekvenser som skador, haverier eller omfattande merarbete för att återskapa information.

Att arbeta modellbaserat innebär en möjlighet att fånga och harmonisera information från olika arbetsområden och verksamheter. Förändringar i data eller modell, reflek- teras automatiskt i alla berörda system och dess användare. Information kommer där- för att vara konsistent och uppdaterad. Modeller tydliggör även eventuella brister, möjliggör spårbarhet och analys av det modellerade systemet.

Mål med modellbaserat arbetssätt.

DOKUMENTBASERAT ARBETSSÄTT (DBA) Inom LKAB innebär detta att det är olika typer av dokument som huvudsakligen är bärare av information inom verksamheten. Beskrivning av komplexa relationer, krav och system, medför därmed att även dokumentfloran blir komplicerad och omfattande. Ett dokumentbaserat arbetssätt betyder dock inte att all information behöver för- medlas i textform. Dokument kan komplet- teras med modeller som beskriver exempelvis design eller mer abstrakta fenomen. Fokus ligger dock inte på modeller och modellers bidrag till en effektiv verksamhet inom hela LKAB.

DBA – implicita kopplingar mellan dokument / modeller.

MODELLBASERAT ARBETSSÄTT (MBA ) Kan inom LKAB beskrivas som en systematisk, effektiv och gemensam användning av modeller i hela företaget. Användningen börjar i tidiga konceptfaser och fortsätter genom systemets alla livscykler. Modeller används för att beskriva systemkrav, design, sprida information, analysera beteende, styra processer, samt för verifierings- och valideringsaktiviteter. MBA-metodik har mycket gemensamt med det som i litteraturen benämns MBSE - Model Based Systems Engineering. MBA siktar dock på en för LKAB lämpligt avvägd användning av digitala modeller och data, snarare än formell metod.

MBA – verksamheten använder gemensamma systemmodeller / data.

MBA PRINCIPER • Gemensamma data & modeller utvecklas, används, förvaltas och återanvänds över tid och anläggningens livscykler

• Gemensamma data & modeller betraktas som original

• Modellbaserade verktyg används inom samtliga relevanta verksamhetsområden och skapar tillsammans en helhet som möjliggör komplett systemanalys

• Dubbletter av modeller undviks. Olika verksamheter och plattformar använder samma modeller där så är möjligt

• Strukturerade datakällor som möjliggör användning av nya teknologier och metoder • Standardiserade dataformat möjliggör utbyte mellan olika applikationer och plattformar • Säker kommunikation mellan användare, plattformar och system

Principiellt utförande på ett datalager vid modellbaserat arbetssätt (MBA)

Data genereras, förädlas och sparas kontinuerligt under en anläggnings livscykel. Modeller är den mest förädlade typen av data och de kan definieras som beskrivande , vilka beskriver ett läge här och nu. Modeller kan också vara av predikterande typ, med möjligheten att simulera beteende framåt i tiden. Vid utveckling av nya system används prediktiva modeller för att simulera systemets tekniska funktion, produktionsförmåga, ekonomiska påverkan och dylikt. Använd- ningen av modeller när en anläggning är i produktionsfasen av sin livscykel handlar om att nyttja prediktionsförmågan för att stödja resonemang, beslut och optimering. Modeller gör det möjligt att här ersätta slutsatser som baseras på historiska data, med resultat från exempelvis scenarioanalyser med prediktiva modeller.

Val av arbetssätt

BAKGRUND - LKAB:S NYA PRODUKTIONSSYSTEM LKAB har presenterat sin nya strategi för framtiden och pekar ut tre huvudsakliga spår för omställningen; (1) Ny världsstandard för gruvbrytning, (2) Järnsvamp framställd med grön vätgas och (3) Utvinna kritiska mineraler ur gruvavfall. Omställningen kom- mer att kräva investeringar i storleksordningen 10 – 20 miljarder kronor om året under en period om cirka 15 till 20 år. Samtliga primära produktionssystem behöver ses över och vidareutvecklas för att göra detta möjligt. Inom produktionsområde gruva behöver designen för brytning, logistik och infra- struktur utvecklas så att teknik och metoder blir väsentligt effektivare jämfört med i dagens gruvor. Malmen ska brytas på ännu större djup med följande utmaningar i effektivitet, säkerhet, volym och kostnader. Inom förädling ska nya effektiva förädlingsprocesser utvecklas för att möta framtidens krav på fossilfri järnsvampsproduktion. Allt strängare miljökrav behöver hanteras lik- som utmaningar i form av nya, mer komplexa mineraler. Produktutveckling av nya sorters masugns- och direktreduktionspellets fortsätter. Även LKAB:s logistiksystem från gruvor och järnväg till hamnarna behöver översyn. Nästa generation av lok och vagnar är automatiserade, har högre energieffektivitet och klarar en ökad axellast. Dubbelspår på Malmbanan är också en nödvändighet. För att framgångsrikt möta ovanstående utmaningar och ambitioner, krävs att rätt arbetsmetodik tillämpas och att värdet av nya teknologier och metoder nyttjas fullt ut.

Foto: LKAB

MBA ELLER DBA? Mot bakgrund av LKAB:s stora kommande investeringar och behov av omfattande systemutveckling, uppstår frågan vilken arbetsmetodik som är bäst lämpad för att på ett effektivt sätt nå önskade mål. Den totala investeringskostnaden på uppemot 400 miljarder kr, indikerar tydligt att omfattande systemanalyser krävs för att minimera risker och felaktiga val. Detta tillsammans med ambitionen att utveckla världsunik, ny och relativt oprövad teknik. En metod för att beskriva hur valet av dokument- eller modellbaserade arbetssätt (MBSE) påverkar ett systems livscykelkostnad har utvecklats (Madni & Purohit, 2019). Här identifieras tre nyckelparametrar som avgörande för vilken metodik som bör användas: 1. Systemkomplexitet 2. Omgivningskomplexitet 3. Systemets livslängd Systemkomplexitet baseras på antalet komponenter, växelspelet mellan komponen- ter, kompetensbehov för att utveckla systemet, samt mängden information som krävs för att beskriva systemet. Omgivningskomplexiteten definieras av antalet intressenter (stakeholders), regelverk, samt gällande standarder och krav. Den tredje parametern systemlivslängd betraktas som liten (”low”) om livslängden är 0-1 år, medan livslängden 30 år eller mer betraktas som stor (”high”) . Genom att bedöma och klassificera alla dessa tre nyckel parametrar som ”low”, ”medium” eller ”high” för ett antal olika industrisegment, kunde de industrier som mest sannolikt vinner på implementering av MBSE identi fieras. För industrisegmentet ”Natural Resources” (LKAB) gäller att samtliga tre nyckel parametrar klassificerades som ”high” och detta överensstämmer även med den allmänna uppfattningen inom LKAB. Analys med den beskrivna metoden visar därmed att det sannolikt är gynnsamt att implementera och använda MBA-MBSE på LKAB.

Ett modellbaserat arbetssätt kräver ofta en större resursinsats i tidiga projektfaser, jämfört med ett dokumentbaserat arbetssätt (Madni&Purohit, 2019). Detta beror på det initiala arbetet som krävs för att definiera krav, upprätta modeller samt verifiera och validera dessa. MBAs förtjänst kommer från den utökade möjligheten till tidig felupptäckt, optimering, riskminimering, återanvändning och förbättrad kommunikation. Speciellt är det för- mågan till upptäckt av fel och avvikelser från optimal produktion, som senare i system- livscykeln kan leda till betydande kostnads-besparingar. Sammantaget gäller att värdet av MBSE blir större när graden av komplexitet ökar.

Kostnadsjämförelse mellan traditionellt och modellbaserat arbetssätt. (Madni & Purohit, 2019.)

• Vid MBA används modeller för design och analys innan den fysiska anläggningen byggs eller uppdateras.

• Vid DBA används modeller för begränsad analys och/eller design, ibland efter byggd anläggning.

Principiella jämförelser mellan dokument- och modellbaserat arbetssätt.

Komma igång med MBA Ett antal kriterier och arbetsområden har identifierats för att tydliggöra en färd- riktning mot modellbaserat arbetssätt. Förslagen varierar i komplexitet, målsättning och tidsåtgång och ska ej betraktas som en komplett sammanställning. MBA kommer tydligt påverka organisation och arbetsmetodik, och är en del av den allmänna på- gående digitaliseringen. ORGANISATION En vanlig ansvarsfördelning hos företag som bedriver projektbaserad verksamhet är att projekten styr vad som ska göras och när det ska göras, medan linjeorganisationer ansvarar för vem som ska göra arbetet och hur det ska utföras. Denna princip är också tillämplig för att styra en verksamhet mot ett mer modellbaserat arbetssätt. En linje- organisation kan då säkerställa att långsiktig och strategiskt rätt arbetsmetodik används, samt ansvara för kompetensuppbyggnad inom området. Linjeorganisationen är också lämplig för att över tid förvalta resultat, data och modeller. Genom implemen- tering och användning av beskrivna principer, undviks att olika projekt använder olika arbetsmetoder och verktyg, samt att resurser ej används optimalt.

Principiellt viktiga förutsättningar för att nå ett mer modellbaserat arbetssätt är därmed att: • företagsledningen har godkänt färdriktningen och initierar relevanta aktiviteter

• linjeorganisation styr val av verktyg och arbetsmetodik (hur)

• linjeorganisation arbetar med kompetensuppbyggnad (vem)

• resultat, data och modeller förvaltas långsiktigt och strukturerat

MODELLANVÄNDNING Ett effektivt sätt att kvalitetssäkra utvecklingsprojekt är att tidigt använda modeller för både funktionsanalys och visualisering i 2D och 3D. Modeller är också nödvändiga för att möjliggöra bland annat avancerad processtyrning, produktionsplanering och underhåll. Nedan specificeras ett antal användningsområden för modeller, som är av speciellt intresse för LKAB att utveckla. Inom vissa av områden finns pågående initiativ som kräver vidareutveckling och mer fokus för att bilda ett komplett MBA tänk. • I utvecklingsprojekt Modellbaserat arbetssätt initieras tidigt i relevanta utvecklingsprojekt där intelli- genta digitala beskrivningar av processflöden och komponentdata i PDM/ALIM - Product Data Management/Asset Lifecycle Information Management system är startpunkten. Interoperabilitet av genererade underlag möjliggör ett effektivt projektarbete och stödjer efterföljande projektfaser. Strukturer och modeller skapas, återanvänds och förädlas i efterföljande livscykler. Dynamiska systemmodeller upprättas utifrån framtagna statiska beskrivningar och som beskriver överordnade nyckeltal som produktionsförmåga, ekonomi, miljö och energianvändning. Konceptjämförelse upprättas för prioritering mellan alternativen. Krav på systemprestanda tas fram och bildar ett väl genomarbetat underlag för upphandling av komponenter och system. • Anläggningsarbete BIM - Building Information Model är själva modellen av anläggningen eller byggnaden och VDC - Virtual Design and Construction är ett arbetssätt som ser till att alla deltagare i ett projekt har tillgången till modeller på rätt sätt och vid den rätta tidpunkten. VDC är ett systematiserat sätt att göra modeller tillgängliga och värdeskapande genom hela byggprocessen. Den knyter samman alla aktörer såväl på detaljnivå som på projektet i sin helhet. • Produktion Fysikaliska dynamiska modeller som följer processen i realtid ger möjligheter att i varje stund nyttja modellens prediktiva förmågor. Styralgoritmer, produktions- planering, åtgärdsanalys samt utbildning möjliggörs på ett effektivt och distribuerat sätt ute i anläggningarna. Insikter i icke mätbara tillstånd, så kallade soft sensors, ges genom modellbaserad estimering.

• Underhåll Genom att jämföra utfallet mellan en modell och verklighet kan anomalier detek- teras, identifieras och åtgärder initieras. Modeller är en utmärkt metodbas för fel- detektering. Prediktivt underhåll möjliggörs genom modeller som beskriver förslit- ningsmekanismer och därefter används för prediktion av haveritidpunkt.

• Management Modeller inom management används bland annat för: - informationsspridning - beslutsunderlag - utbildning - produktionsplanering - överordnad verksamhetsstyrning

Överordnade modeller skapar insikter i nyckeltal som används för att styra resurser och insatser på mest effektiva sätt sett ur ett plant- och sitewide perspektiv. Med effektiva produktionsplaneringsverktyg kan exempelvis konsekvenser av bergutfall som leder till omplanering i gruvan, direkt testas virtuellt för att se komplett kort- och långsiktig system- och kundpåverkan. Optimala alternativa planer kan simuleras och identifieras, exempelvis korsskörning av gods mellan verk och orter.

Modellanvändning i olika livscykelfaser.

METODUTVECKLING

MBA-metodik Generell MBA-metodik behöver utvecklas och dokumenteras. Viktiga inslag är bland annat att identifiera och definiera gemensamma modeller, både beskrivande modeller och prediktiva modeller, med målsättning att undvika dubbelarbete och öka kvalitén. Projektmanualer kan uppdateras för att på ett tydligt sätt styra projektarbeten mot ett modellbaserat arbetssätt. Även utbildningsinsatser så som webbinarier gentemot berörd personal är nödvändigt för etablering av metodiken. Interoperabilitet Interoperabilitet kan definieras som ” förmågan hos olika system, ofta i dator- sammanhang, att fungera tillsammans och kunna kommunicera med varandra ” . Viktiga standarder inom området är ISO 15926 och Cfihos. Organisationen SEIIA driver standardiseringsarbete i Sverige men behov finns att industrirepresentanter deltar i arbetet för att driva utvecklingen i en riktning som passar aktuell verksamhet.

•

• Automatisk / semi-automatisk modellgenerering

Ett flertal anledningar finns för att ersätta manuell modellgenerering med auto- matisk eller semi-automatisk generering. Risker för fel och avvikelser minskar och en mer konsistent personoberoende arbetsprocess erhålls. Prediktiva modeller kan exempelvis genereras från intelligenta P&ID-schema med kopplade beskrivande modeller och data (ex. ALIM-system och CAD-modeller). Detta medför att utvecklingsfokus och resurser kan riktas mot arbete med överordnad process- funktionalitet och ej gentemot underordnad kodgenerering.

• Generering och uppdatering av modeller

Komplexa anläggningar och system genomgår i praktiken en ständig förändring. Nya krav och ny teknologi medför att föråldrade och mindre lämpade tekniska lösningar/komponenter byts ut. Detta medför att kopplade modeller kan behöva uppdateras för att vara i överenstämmelse med motsvarande fysiska anläggning. Eftersom detta arbete kan vara resurskrävande, behövs metodik för att automati- sera processen för att skapa, kalibrera och integrera modeller i en realtidsmiljö samt hålla dem uppdaterade.

Modulärt arbetssätt När möjlighet finns att dela upp system, modeller och information i moduler, kan en rad fördelar erhållas; - hantering av komplexa processer underlättas - förenklar återanvändning, förändring och bildande av nya kombinationer - förenklar parallellarbete - förenklar samverkan med leverantörer och externa partners - befrämjar kreativitet och samarbete Internationell standard finns även för uppdelning av datorprogram i moduler (FMI). Denna metodik tillför mervärden som plattformsoberoende program- mering samt möjlighet att skapa ”blackbox - moduler”, dvs moduler där koden ej är läsbar för externa personer. Detta kan vara lämpligt vid samarbete med exempelvis externa partners och leverantörer. Modeller med styrmodul Utvecklingen av styrsystemsmodeller bör gå mot att implementera kod i högnivåspråk snarare än i starkt hårdvarukopplade leverantörsspecifika programvaror. Denna metodik har under de senaste 10 åren använts inom fordonsindustrin där man i dag utvecklar en majoritet av modellerna på det sättet, drivet av kortare utvecklingstid, högre kvalitetskrav och fler tillgängliga utvecklingsresurser. Metoden möjliggör också en mer flexibel och distribuerad funktionsutveckling där processmodeller och styrmodeller kan samköras. Pågående aktiviteter inom IEC 61131 – 10 där bland annat PLC open XML formatet specificeras är möjliggörare för denna utveckling av modularisering.

•

VERKTYG OCH INFRASTRUKTUR

• Gemensam utvecklings- och förvaltningsmiljö

En gemensam miljö behöver definieras för utveckling och förvaltning av modeller och relaterad information. Aspekter att beakta är bl.a. access- och rättighets- hantering, utvecklingsverktyg, versions-hantering, interoperabilitet, lagring. Huvud- sakliga syften är att skapa transparens och underlätta praktiskt arbete och hantering.

Visualiseringsverktyg Virtuell verklighet (VR) är datateknik som simulerar verkliga eller virtuella miljöer och vår närvaro och interaktion i dem. Förstärkt verklighet (AR) är en direktsänd betraktelse av en fysisk, verklighetstrogen miljö vars element förstärks med dator- genererade sinnesintryck som ljud, video, grafik eller GPS-data. Till exempel kan man uppleva VR/AR med speciella glasögon som i realtid visar bilder av en dator- baserad bild/modell av miljön. Båda dessa teknologier (VR och AR) har ett flertal användningsområden inom MBA, exempelvis visualisering vid utvecklingsarbete, byggnation, virtuella möten, utbildning, underhåll, mm.

•

LÄS MER OM MBA:

INCOSE incose.org SEIIA seiia.se

VINNOVA AutoTwin vinnova.se/p/autotwin-pre Data Exchange in the Process Industry dexpi.org

Madni, A.M., Purohit, S., Economic Analysis of Model-Based Systems Engineering Systems, 2019, 7(1), 12; doi.org/10.3390/systems7010012

Page 1 Page 2 Page 3 Page 4 Page 5 Page 6 Page 7 Page 8 Page 9 Page 10 Page 11 Page 12 Page 13 Page 14 Page 15 Page 16 Page 17 Page 18 Page 19 Page 20

www.lkab.com

Made with FlippingBook - Online magazine maker