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解讀批量控制系統標準 ISA S88

行業方案

摘 要:批量生產過程已成為現代工業生產過程的一個重要分支,美國儀表學會(ISA)在1995年7月針對批量控制制定了專門的標準ISA S88。本文從分析S88所定義的技術術語和模型出發,重點對過程模型、物理模型和程序模型進行了解讀,吸收其配方與設備控制程序相互分離的核心思想,提出了批量控制系統在建模時組件的定義原則,并以優穩公司發的UWinBatch配方軟件在某間歇性生產活性劑的精細化工裝置為例,搭建了一個全自動化的DCS批量控制系統,取得了良好的運行效果。

關鍵詞:批量控制 S88標準 DCS 建模 配方


背 景

隨著近年全球經濟的發展和現代工業的日新月異,批量生產過程已成為現代工業生產過程的一個重要分支,特別是在精細化工生產中已被廣泛采用,隨著精細化工產業的快速發展,在產業結構上出現了明顯的變化,即由大批量、少品種生產方式向小批量、多品種生產方式轉變,并需要根據市場的變化及時調整產品種類。面對這些新的生產變化,原有的批量控制遇到了一些技術難題。首先,數量多達幾十種甚至上百種的原料和產品令配方的復雜程度大大增加了,原有批量控制器的處理能力無法滿足要求;其次,產品種類的不斷調整,導致配方程序修改的難度和工作量都有所增加。同時,隨著工業自動化過程控制理論和計算機技術的不斷發展,對于工業控制功能集成化、標準化的要求也越來越高。

美國儀表學會(ISA)在1995年7月針對批量控制制定了專門的標準ISA S88。1997年8月,它被國際電工委員會IEC采納定為國際標準。該標準定義了一系列的技術術語和模型,以滿足批量生產廠的控制需要,也讓批量控制的發展步入一個嶄新的臺階。


一、S88標準定義的技術術語

S88定義了一整套的術語和模型,用于描述批量生產廠家的控制要求,這種國際標準的程序、物理和過程模型及術語強調優良的工廠設計和操作實踐。標準定義了60多條術語,包括批量過程、過程、批量、單元、配方等。批量過程是:定質、定量的原料用1臺或多臺設備在規定時間內經過一系列的處理過程,得到定制定量的產品的過程;它不同于離散量控制,也不同于連續量控制。標準還定義四種類型的配方:通用配方(general recipe)、工廠配方(site recipe)、主配方(master recipe)和控制配方(control recipe),其中控制配方由批量控制服務器實施執行,完成一次批量生產,它包含了某一特定批量生產與產品相關的所有信息。其它術語的定義讀者可以參考相關文檔資料,這里不再一一敘述了。


二、S88標準定義的三種模型

批量控制系統標準ISA S88,定義了過程模型、物理模型和程序控制模型,雖然三者從不同角度描述了批量過程,但它們是相互關聯的。程序控制模型中的元素與物理模型中的相應元素相結合,便實現了過程模型中相關的生產任務。三種模型間的關系見圖1。

過程模型把批量過程分為過程(process)、過程階段(process stage)、過程操作(process operation)和過程動作(process action)四個部分。過程動作是批量過程中最小的加工活動;過程操作是由一個或幾個過程動作組成的比較大的加工活動,它通常會使待加工的物料發生化學或物理變化;過程階段是由一個或幾個過程操作組成的、相對獨立的加工活動;過程由一個或幾個過程階段組成,最終完成一次批量生產。

物理模型用來描述批量生產中的設備,分為過程單元(process cell)、設備單元(unit)、設備模塊(equipmentmodule)和控制模塊(control module)四層。其中,控制模塊由一組傳感器、激勵裝置和其他控制模塊組成,完成一個基本的控制活動;設備模塊由完成一個簡單任務的某些控制模塊組成;設備單元由生產過程中完成某一特定任務的設備模塊和控制模塊構成;過程單元則包括批量生產中所有的生產操作設備和輔助操作設備。物理模型如圖2 所示:

在批量生產中,產品的加工是按配方規定的順序及操作參數進行的。配方由批量執行機構實時執行,它包含某一特定批量生產中與產品相關的所有信息,包括產品的原料配比和產品生產的工藝信息。配方由標題、公式、設備要求、程序及附加信息組成。其中程序是配方中最重要的一部分,根據 ISA S88 中的程序控制模型,配方中的程序由上至下分為程序(program)、設備單元程序(unitprogram)、操作(operation)和階段(phase)四個層次。其中,階段是程序控制模型中最基本的構件,它包括對元器件的離散控制、調節回路和聯鎖保護。選擇和組合階段,構成在一個設備單元內進行產品批量生產的單元操作,它定義了一個主要的、能夠使被加工的物料發生化學或物理變化的加工順序。進一步組合單元操作就構成了單元程序。最后,由設備單元程序按照規定的操作順序來完成整個批量生產的程序。程序控制模型如圖 3 所示:


三、 S88標準的核心思想

S88 給系統工程師提出了設計批量控制系統的指導原則,也就是 S88 標準的核心思想,那就是配方與設備控制程序相分離。這里所說的分離,指的就是配方的設計與設備控制程序的設計相互獨立。將設備控制程序設計成一種相對固定的模塊,這種模塊被稱為設備的程序元素。配方與設備控制程序僅僅在控制配方的程序元素與設備的程序元素之間實現結合,在其它方面兩者不存在直接聯系。配方的程序元素與設備要求這兩項信息保證控制配方獨一無二、不產生歧義地關聯到某一特定設備的程序元素。

由此可見,要實現一個批量控制策略,首先必需進行過程分析,即分析一個產品批量生產過程的操作順序。對批量生產過程進行分析時,一般通過帶控制點的工藝流程圖來了解被控對象,熟悉生產工藝,研究和分析批量生產過程固有的分層結構和模塊化屬性。進行過程分析的目的,是按照ISA S88標準中的物理模型來正確地劃分設備單元、辨識產品的生產路徑、各個元器件和設備的聯鎖保護以及按照程序控制模型來辨識基本的階段。將工廠劃分為設備單元,隨之決定系統的最終規模,然后,把產品的生產程序在各個設備單元上分解為設備單元程序。設備單元程序是發生在一個單獨的設備單元中的一組按順序執行的操作,這些操作再細分為階段。


四、 基于S88標準的批量控制系統組件定義

4.1 階段(Phase)的定義

Phase 是批量控制系統中最小的單元,通常來說一個Phase 就對應一個順序控制程序,這個程序是由一組命令和參數組成用來完成一個基本工藝過程,而且這個工藝過程是可以被選擇和反復調用的。加料、攪拌、升溫、攪拌、轉料等都可以定義為一個階段。

4.2 單元(Unit)的劃分

單元的劃分歷來就是批量控制系統能否成功的關鍵環節,因為有兩個主要原因:第一單元劃分由工藝流程和工藝路徑選擇來決定,其劃分的合理性涉及到程序的編寫架構、有效性和靈活性。第二現在大多的批量控制軟件都是以單元為計費單位,所以單元的劃分會和項目的成本控制有很大的關系。單元一般是以釜、槽等物料存儲、處理設備為主,附帶或不附帶其它組成設備,這樣又可以根據這個原則,再作調整,使單元符合工藝要求。

4.3 配方(Recipe)的編寫

目前批量控制軟件一般都分為兩個主要組成部分:一個是批量設備編輯軟件;另一個是批量配方編輯軟件。設備編輯軟件主要是物理模型的建立過程,其主要包括了上面兩節所描述的 Phase 的定義和 Unit 的劃分。而配方編輯軟件主要是工藝模型的建立。設備編輯軟件的編寫工作與控制系統關系緊密,一般是由控制系統工程師來編寫。而配方編輯軟件的工作主要涉及工藝流程的規劃,一般由工藝工程師主導控制系統工程師輔助完成,其結構必須符合 S88 對程序控制模型的要求,從上到下分為procedure、unit procedure、operation 和 Phase,每一個配方都要包含這四層結構。在每層結構中都可以定義本層程序運行邏輯,之后的主要工作為程序運行邏輯框架的搭建和運行步驟轉換條件的定義。


五、 批量控制的典型應用案例分析

下面以 UWinBatch 在某間歇性生產活性劑的精細化工裝置上的應用來說明基于 ISA S88 標準的 DCS 批量控制是如何實現配方的批量控制的。此裝置以 10 多種氧化物和催化劑為主要原料,生產 8 大類近 40 個牌號的產品,配方數量約為 40 種。

5.1 工藝流程簡介

生產流程簡要概括:當需要生產某種牌號的產品時,將相應的引發醇從裝置中間罐區輸送到反應釜中,邊攪拌邊加入一定量的催化劑,生成引發醇的鉀鹽。向反應釜充入惰性氮氣,加壓加熱反應釜。保持反應釜內的反應溫度,在一定時間內向反應釜中連續加入氧化物的混合物(取決于所需要的產品)。在加入氧化物同時,保持一定的反應壓力。反應結束后,釋放反應釜內壓力,同時冷卻反應釜。中和后的反應產物,經換熱器冷卻換熱后,用泵抽出。產品經分析合格后,通過不同渠道輸送出廠,從而完成一個批次產品的生產。圖 4 為工藝流程圖簡介:

反應釜作為工藝流程中最重要的工藝生產單元,實現批量配方的關鍵控制都集中在反應釜中,需以較高的自動化程度來實現預先設定好的反應步驟,要對溫度、壓力等重要參數進行嚴格的調控。

5.2 批量控制實施步驟

在項目實施階段,按照 S88 規定的物理模型進行設計、組態和集成,完成系統功能。首先在進行工藝分析的基礎上,對和反應釜相關工藝流程中的設備進行劃分和組合。本著平衡靈活性和簡單原則,定制相應的流程功能組,也就是基于子設備的思想在 Unit 中分解單元操作和階段。反應釜典型的階段劃分如表 1 所示。

在完成物理模型的定義后,在配方編輯器(RecipeEditor)進行反應釜單元配方程序的編輯。該編輯器采用圖形用戶界面,使配方編輯工作簡單易行,按照工藝流程來搭建配方程序組織架構,根據配方程序框圖來調用設備模塊,同時,建立配方參數和公式來完成主配方(MasterRecipe)和庫的創建以及修改。

在生產、操作周期,通過批生產控制中心(BatchControl Center)來實現配方的運行、管理以及修改。比如生產 1# 牌號產品,該程序便啟動主配方(MasterRecipe)庫中 1# 牌號對應的配方,將配方公式和參數加載到圖 5 所示的配方程序中,程序啟動并運行至階段層時,相應的控制模塊和設備模塊會按照之前的配方參數,控制表 1 中設備單元中相關的設備,從而實現該批次的批量生產,也就是完成了一次控制配方(Control Recipe)的執行。圖 6 為與圖 5 配方程序中“催化劑反應”單元操作相對應的程序功能圖,該程序通過對控制器中攪拌、反應等設備階段的調用,來完成指定的單元操作。

若生產其它牌號的產品,則按同樣方式啟動相應配方程序,即便是多達 30-40 種的配方均可方便地完成產品批次的轉換。在需要生產新牌號的產品時,在配方編輯器中利用已建立好的主配方程序,根據新產品的要求來調整單元操作和階段的執行順序和相互關系,從而完成新配方的生成。這體現了ISA S88標準中配方與設備相分離的原則,配方作為程序控制用來規定操作順序的,創建配方時不需要關系設備的內部邏輯,在修改配方時也沒用必要對物理設備的控制邏輯進行重新編程或組態,只需改變程序功能圖中各步之間的鏈接順序或者通過公式改變配方參數即可,有效地減小了配方維護的難度,體現了批量控制柔性化的特點。


5.3 運行效果

從已投入運行的本精細化工裝置的實際情況表明,基于 ISA S88 批量控制軟件的控制系統穩定性強、可操作性好,提高了產品合格率、產品質量,可根據市場變化進行產品更換,新產品試制時間大幅度減少,產品靈活性大大提升,并提高了生產效率,大大減輕了維護人員的勞動強度,方便了生產管理,取得良好的經濟效益和社會效益,得到了操作人員和管理人員的普遍歡迎。


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