On-Line Steady-State Data Reconciliation for Advanced Cost Analysis in the Pulp and Paper Industry

Abstract

L’industrie nord-américaine des pâtes et papiers fait présentement face à plusieurs défis pour survivre dans le contexte actuel. Dans cette optique, le fait de pouvoir comprendre les marges de chacun des produits devient indispensable afin de déterminer un prix de vente optimal et de montrer la vraie rentabilité de la production. Cependant, les systèmes et les pratiques de comptabilité actuels basés sur des recettes prédéterminées ne fournissent qu’une estimation ad-hoc de ces valeurs, et ne peuvent alors seulement servir que de point de repère pour l’évaluation de la performance. Par ailleurs, l’implantation des systèmes de gestion de l’information dans les entreprises papetières a permis une meilleure compréhension de la dynamique des procédés et des affaires. Ceci a d’ailleurs permis le développement de méthodes avancées qui les assistent dans le contrôle des coûts et donc dans l’amélioration de la rentabilité. Ces systèmes sont d’une importance capitale pour les producteurs de produits de commodité tels que les usines de papier journal, où de faibles coûts de production sont essentiels pour la survie des entreprises. Cette thèse a pour objectif de développer une méthodologie permettant une analyse en ligne des coûts manufacturiers pour l’évaluation des coûts marginaux réels, et d’utiliser cette information pour la prise de décision au niveau tactique et stratégique. Cette méthode utilise des données de procédés en temps réel et de coûts provenant du système de gestion de l’information de l’usine. De plus, l’information obtenue peut être exploitée au niveau stratégique de prise de décision afin d’évaluer les impacts des coûts de procédé de diverses alternatives de projets de rétro-installation. Cette méthodologie comprend trois étapes principales. Lors de la première étape, une technique de traitement de signaux, basée sur la transformation multiéchelle d’ondelettes et leur filtrage, est appliquée afin d’analyser simultanément chaque segment du réseau d’instrumentation de l’usine. Cette étape nettoie les données de mesures du bruit à haute fréquence et des anomalies, et cherche à identifier les périodes où le procédé s’approche d’un régime permanent. La seconde étape améliore davantage la qualité des données de procédés en comparant l’ensemble des variables de l’usine à un modèle fondamental de procédé. Cette information sur les procédés est mise à jour par coaptation et correction des mesures biaisées. Troisièmement, cette information opérationnelle est intégrée aux données financières dans un modèle de coûts axé sur les opérations afin de calculer et d’analyser les coûts de production de différents régimes d’opération. Cette méthodologie a été appliquée à une étude de cas considérant une usine de papier journal et une implantation potentielle du bioraffinage en rétro-installation. Il a été constaté que le fait d’utiliser une combinaison de la technique des ondelettes avec les techniques de réconciliation de données classiques apportait plusieurs avantages au niveau de l’usine. D’abord, une implantation en ligne de cette technique a été en mesure de fournir un nombre important d’ensembles de données extraites du système de gestion de l’information de l’entreprise. Ces ensembles ont pu ensuite être utilisés pour représenter les opérations en régime permanent. Ils ont aussi fourni une base statistique suffisante pour caractériser la production selon différents régimes d’opérations. Ce faisant, la méthodologie a permis d’améliorer la qualité des données et d’identifier les endroits où l’incertitude des mesures était importantes. Pour le cas relativement simple de l’usine de papier journal, la technique a été en mesure d’obtenir plusieurs ensembles de données représentant les opérations avec un niveau de précision acceptable. Par ailleurs, la combinaison de cette implantation en ligne avec la méthode de réconciliation de données a permis d’améliorer la performance du système d’instrumentation en identifiant les appareils présentant des erreurs systématiques. De plus, il a été montré que si cette technique était implantée à l’usine pour une utilisation quotidienne, elle permettrait d’identifier les mesures erronées en temps réel, améliorant significativement l’instrumentation et le diagnostic des anomalies de procédés. Par ailleurs, l’évaluation des coûts manufacturiers des différents régimes d’opération a fourni de nouvelles façons de visualiser la structure de coûts de l’usine, permettant ainsi d’interpréter de façon transparente les coûts de procédé. À titre d’exemple, dans l’application de ce cadre méthodologique à l’étude de cas de l’usine papetière, les régimes d’opération les plus rentables et les plus coûteux pour la production d’un même grade de papier ont pu être identifiés. La caractérisation et l’interprétation des variances de coûts entre les différents régimes d’opération ont aussi permis d’identifier divers problèmes de production. L’application de cette méthodologie pour l’évaluation des coûts manufacturiers de scenarios de rétro-installation a montré la capacité de cette méthodologie pour utiliser les informations opérationnelles basées sur les régimes afin d’améliorer la prise de décision au niveau stratégique de l’usine. Par exemple, il a été montré que la rentabilité opérationnelle de nouvelles lignes de production intégrées dépend fortement de chacun des régimes d’opérations actuels de l’usine papetière. Les différences entre chacun de ces régimes peuvent ainsi être visible d’une perspective de procédé et permettent l’évaluation des marges des futurs produits et combinaisons de produits. Entre autres, ces informations sur les différents régimes d’opérations permettraient d’améliorer la rentabilité de futures bioraffineries en fournissant l’information nécessaire pour utiliser de façon optimale la flexibilité des procédés selon les conditions de marché. Les travaux futurs comprennent l’élargissement de ce travail dans un cadre méthodologique pour l’aide à la prise de décision pour d’investissements stratégiques au niveau corporatif. De plus, une analyse des coûts marginaux basée sur les données réelles et sur une analyse de la performance des opérations pourrait être ajoutée à cette méthodologie afin d’analyser différentes options de procédés de bioraffinage forestier implantés en rétro-installation et différents niveaux de flexibilité. -------- The North American pulp and paper industry currently faces many challenges. Due to its commodity-focused and capital intensive nature, the industry experiences increasing difficulty to survive in the current global market place. Knowing individual product margins becomes essential to determine the optimal unit prices, thus uncovering the real operating profitability of manufacturing. However, current cost accounting systems that are based on predetermined resource spending can provide only ad-hoc assessment of these values, thus serve only as a mill benchmark for cost performance evaluation. The implementation of information management systems in pulp and paper companies has enabled a better understanding of both business and production processes. This allow for the development of advanced methodologies that assist the forestry sector in better controlling costs and improving profits. These systems are of especially critical importance for commodity producers such as newsprint mills, where low production costs are essential for business survivability. The objective of this thesis was to develop a methodology for online manufacturing cost analysis using real-time process and cost data available from the information management systems that would be capable to assess actual product margin costs, and use this information for operational and tactical decision-making. Furthermore, the knowledge from applying this methodology can be explored in the strategic decision-making level for addressing the process-cost impact of retrofit design alternatives. This methodology consists of three major steps. First, a signal processing technique, based on multiscale wavelet transformation and filtering, is applied to simultaneously analyze every segment of the plant-wide instrumentation network. A second step further improves process data quality by confronting the plant-wide set of variables to the underlying fundamental process model using data reconciliation techniques. The plant-wide manufacturing information is updated by coaptation and correction of biased measurements. Third, this operational knowledge is integrated with the financial data in an operations-driven cost model to calculate and analyze production costs of operating regimes for short and long term benefits of the company. The methodology is applied to a case study considering current newsprint mill characteristics and potential retrofit biorefinery implementation. It was found that using a combination of the wavelet technique with classical data reconciliation technique provides multiple facility-level benefits. An online implementation of this technique was able to provide a significant number of data sets that were extracted from the information management systems as potential candidates to represent plant-wide and near steady-state operation. These data sets have provided sufficient statistical basis for characterising manufacturing operation per different operating regime. By doing this automatically, the methodology was able to enhance the quality of data and highlight the manufacturing region where the uncertainty in measurements is significant. The number of near steady-state candidates that can be detected was increased, when state identification parameters were being relaxed. However, it was shown that the uncertainty in the resulting data sets is increasing with relaxing the steady state assumption. In the analyzed rather simple newsprint operation, the technique was able to acquire multiple near steady-state data sets representing plant-wide operation with satisfactory level of accuracy. Moreover, the on-line implementation in combination with data reconciliation method, helped to improve measurement sensor performances by identifying sensors with systematic errors. This valuable information was then used to tune individual instruments further, and hence improve the overall performance of the methodology. Furthermore, it was shown that if this technique is implemented at the facility level for everyday use, it would help identify biased measurements in real-time and thus improve instrumentation and process troubleshooting significantly. The manufacturing cost assessment based on these data sets that represent individual operating regime, has provided a new insights into the cost structure of the facility with transparent and visible process-cost interpretation capabilities. The application of the overall methodological framework, in the context of real production processes, has proved the ability to identify favourable and costly operating regimes when producing the same product grade. The characterisation and interpretation of the cost variances between individual regimes as well as within the same operating regime helped to identify process problems. Further application of the methodology for evaluating manufacturing costs of retrofit design scenarios have shown the ability to exploit the current operations-driven manufacturing knowledge based on regimes to enhance strategic decision-making at the facility. The results from this application showed that the operational profitability of new integrated production lines strongly depends on the operational differences in current manufacturing regimes of core business products. These differences in manufacturing costs can be visible from a process perspective and enable assessment of individual future product and mix-product margins. This information is essential for margin-centric supply chain planning of the enterprise and for exploring process flexibility to achieve an optimal production profile according to market conditions. Future work includes the expansion of this work into strategic investment decision-making at the corporate level in order to enhance tactical and strategic planning. Furthermore, marginal cost analysis based on real-data and operations-performance analysis could be included in the methodological framework in order to obtain more flexible forest biorefinery retrofit designs with good strategic fit.