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批量控制系統——打造精細化工智慧生產模式

行業方案

一、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,批量生產過程對自動化控制系統也提出了越來越高的要求。隨著批量控制系統標準ISA S88的制定,近十年來批量控制技術得到了很大的發展,各過程控制及自動化系統公司紛紛推出了集成于過程控制系統(DCS)的批量控制軟件。下面我們以杭州優穩自動化公司推出的UWinBatch批量控制軟件為例,對批量控制在精細化工生產中發揮的巨大作用進行詳細的認識。


二、精細化工行業特點

精細化工,是生產精細化學品工業的通稱。大致包含40多個行業和門類。隨著國民經濟的發展,精細化學品的開發和應用領域將不斷開拓,新的門類將不斷增加。精細化工的特點如圖1所示,從圖中可以得知,精細化工是屬于批量生產過程。

40多個行業和門類。隨著國民經濟的發展,精細化學品的開發和應用領域將不斷開拓,新的門類將不斷增加。精細化工的特點如圖1所示,從圖中可以得知,精細化工是屬于批量生產過程。


三、批量生產過程與批量控制

3.1批量生產過程

ISA S88標準對批量生產過程的定義:將有限量的物料按規定的加工順序在一個或多個設備中加工以獲得有限量的產品的加工過程,簡言之,以順序的操作步驟進行批量產品生產的過程稱為批生產過程。這個過程是間歇的、不連續的,而且此操作步驟不是固定不變的,根據不同的產品可以有相應的變化,其廣泛應用于精細化工、食品飲料、生物醫藥和農藥化肥等相關領域。與之對應的是我們比較熟悉的連續生產過程,其生產產品單一、生產工藝固定,連續運轉,主要應用于石油化工、冶金等行業。表1給出了各行業中的批量過程與連續過程所占的比例。表2對連續生產和批量生產過程的特點進行了對比分析。


3.2 批量生產過程對過程控制系統提出的新挑戰

從表2的對比中我們可以看出,連續生產過程相對穩定,工藝成熟,控制策略一旦建立,不需更改,而批量生產過程由于存在產品的切換,工藝參數不存在穩態工作點,需要控制策略更具有柔性化的設計,所以控制更為復雜,具體表現在以下幾個方面:

為適應市場需求變化,要求能快速靈活地切換產品

——這就要求控制系統要有柔性設計,控制程序代碼能被不同的產品復用,不能重復編寫代碼浪費時間;

簡單易用的配方開發管理平臺

——配方開發管理平臺,必須簡單易用,用戶的工藝工程師能輕松掌握,以便快速開發新的配方、編輯修改、升級老的配方;

能實現多種產品同時生產

——支持多個批次同時生產,控制系統要能對共享的資源進行合理高效地調度,并在沖突產生的時候,能夠進行仲裁,設備故障時,快速重新建立生產的路徑。

更加嚴格的權限分配及管理

——每個批次生產時,相關的生產人員要有嚴格的權限劃分,在生產過程中,必須要由相應權限人員的簽名確認,才能進行下一步的生產,并做好記錄。

更加復雜的歷史報表記錄,要求符合FDA、GMP規范

——批次報表不是簡單地記錄過程數據,而是要記錄批次生產相關的所有信息(比如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等),符合FDA、GMP的標準,能全面地追蹤每一個批次的運行情況。

3.3 批量控制系統

鑒于批量生產過程對控制系統的復雜性要求,批量控制系統應運而生。該系統建立在ISA S88標準的基礎上,可以快速靈活地響應客戶對批量生產的要求,并提供批量生產管理、控制以及過程分析,歷史數據查詢等功能,幫助客戶提升市場競爭力。杭州優穩自動化公司作為過程控制系統的專業生產廠家,掌握核心技術,具有完全的自主知識產權。在這得天獨厚的優勢背景下,開發了符合ISA S88標準的批量控制軟件UWinBatch,為客戶提供完美的批量生產過程解決方案。UWinBatch通過配方編輯器、批量控制臺、批量數據庫、畫面組態等模塊集配方組態、批次計劃與調度、日志與報警查詢等功能于一體,提高了批量控制的效率和質量。UWinBatch系統廣泛應用于間歇性、批次性比較明顯的食品、飲料、添加劑、制藥、生物化工等領域。

3.4 系統特點

    

四、UWinBatch 批量控制系統

4.1 系統網絡結構

模塊化的網絡配置結構

Batch系統的網絡結構依托于UW500 DCS的網絡結構,完全基于構件設計,各模塊獨立性強,在保證系統穩定的基礎上,擴展系統方便靈活,保證了Batch能很好地融入到DCS系統的架構中,并且可以根據客戶的需求靈活配置。

安全、可靠的數據傳輸

UWinBatch系統充分考慮了網絡安全及數據傳輸的可靠性要求,采用雙網絡傳輸數據,并且在客戶端和服務器間通過防火墻進行安全隔離,確保數據的可靠、穩定傳輸。

便捷的客戶端訪問

除了標準的客戶/服務器(C/S)網絡應用方式,采用IE瀏覽器作為一個標準的瘦客戶端(B/S)來瀏覽畫面,隨時隨地進行服務器的數據訪問和控制,快速了解工藝流程的運行狀態、日志及報警信息,為用戶節省大量的時間,提高管理效率。

開放接口,與生產管理無縫對接

Batch是過程自動化領域一種控制方式,同時更是代表了一種先進的生產管理理念,作為標準化的產品,它也是當今流程工業新技術制造執行系統MES的重要組件之一。Batch通過工廠以太網把當前批量運行的情況、批量歷史數據的內容等實時或歷史的數據上傳,參加工廠MES網的一些優化運算及處理。MES將現場實時的生產數據加以統計整理,建立生產管理與生產過程控制的聯系,從而達到生產過程與生產管理統一協調的目的。

4.2 系統功能

UWinBatch批量控制系統,集配方組態、批次生產計劃與調度、批次生產過程控制、批次報表和運行日志記錄、系統報警功能于一體,完美貼合精細化工生產過程的特點。

4.2.1 配方組態

提供一個配方編輯器來創建和維護主 Unit 過程配方,該編輯器主要包括以下功能。

在配方管理器界面,通過添加步和階段來創建控制配方,階段包含“手動”“等待”“腳本”“設備”“跳轉”,以便適應復雜的工藝需求,通過改變階段,便可以搭建不同的控制策略,完成不同產品的生產;

同時支持255個配方同時運行;

以配置的方式迅速開發復雜的配方結構;

配置生產任務單,將產品所用到的原料按配比關系羅列出來。在產品配方運行前,工程師需先確定生產任務單里面的原料配比關系,確定后開始啟動產品配方,生產產品;

為測試或生產目的發布主配方 ;

驗證配方;

在此配方編輯器界面,具有操作權限的用戶,只需通過點擊鼠標就可以修改、創建產品配方,非常簡單易行。

4.2.2 批次生產計劃與調度

生產計劃模塊為用戶提供在線管理生產計劃的功能??梢愿鶕唵魏蜕a線的情況事先定制生產計劃,靈活地設置某個配方的計劃產量、計劃生產時間、批次劃分、每個批次執行的順序以及批次所需要的原料設定。

支持批次在線修改,方便用戶隨時調整批次的執行情況。實現快速、靈活相應實際生產線需求的目的。同時,提供開發的數據接口,可以直接接受第三方軟件下達的生產計劃,實現與上層管理軟件的融合,提高生產效率。另外,還支持配比方案參數和產量的實時修改。

4.2.3 批次生產過程管理

支持從DCS的運行畫面中調出批次過程監控界面,通過該界面,可以清晰、便捷地了解到各控制配方的運行狀態,同時,根據實際生產情況,可以手動干預調整各配方的執行。

監控每個批次目前運行的階段以及該階段的執行情況,比如完成、正在執行、異常等;

記錄生產過程中產生的一系列信息,包括各批次參數信息、批次運行狀態、控制配方信息、以及配方工藝流程狀態,方便用戶實時查閱和批次報表記錄的調用。

可視化每個設備的占用情況,沖突仲裁,合理分配設備資源,提高設備的使用率和生產效率;

完善的審批授權機制,使得每個關鍵步驟的執行都有據可查,保證生產過程安全、穩定,可追溯,提升生產管理水平和產品品質。

4.2.4 批次報表和運行日志記錄

批次報表記錄了批次執行的過程和結果,為生產工藝的改進和成品追溯提供數據支持。運行日志自動地記錄所有的在線操作信息,避免繁瑣的文檔記錄和審查。查看日志,能清楚地了解到任何人的任何操作。


一個Batch運行結束或者被取消之后,批量服務器會自動生成報表,系統提供默認的報表模板,用戶也可以自定義報表。報表采用通用的MS Excel風格,組態容易;

報表數據包括所有與批次生產相關的活動,比如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等;

運行日志記錄誰操作的、操作時間、相關的控制配方、單元程序、操作以及生產計劃信息等;

運行日志可以根據需求自行配置,通過配方或批號的選擇的方式進行快速查詢;

可通過配方+批號的方式對每個生產批次的詳細情況進行查詢;

電子簽名:簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳、要檢驗運行批次事件,需要至少三個簽名,全部簽名被存在事件日志中,并不可編輯,完全支持21 CFRPart 11兼容性。


五、批量控制系統為客戶帶來的優勢

UWinBatch是靈活、實用的批控制的解決方案。該產品適用于所有的批過程控制場合。它既可以用于單路徑結構的生產過程控制場合,也可以應用于具有網絡結構的過程控制場合。同樣,它既可以用于生產單一產品的工廠,也可用于生產多種產品的企業。

優勢一——提高產量,改善質量

批量控制軟件可以自動地執行生產順序,同時允許產品到產品的快速切換,從而提高總體產出。 針對產品質量,批量控制軟件加強了配方程序的執行,并確認操作員的各項活動,以確保不同批次的產品保持一致的產品質量。

優勢二——更加靈活的生產方式

Batch 提供一個環境使生產商能夠對新產品,隨時變化的客戶計劃和突發的工廠現場事件快速作出反應。 每個配方都具有不同的生產步驟和成份組成, 配方能夠按照可以滿足配方定義的設備需要的任一生產序列中進行計劃來生產。這個可以配置工藝設備如何使用的功能賦予了在當今的競爭環境下生產商所需要的靈活性。

優勢三——加快投放市場的時間

a.Batch 提供快速且容易的配方開發:Batch 配方管理系統易于使用,無需昂貴的工程開發,只要復用已有的代碼便可完成配方的開發及維護;

b.新配方的模擬執行:依靠公司的生產設施的過程模型,工廠或研發部門的用戶能夠模擬新配方的執行。這同時可以判斷工廠是否有需要的設備、過程功能和原材料來生產此種配方;

c.對配方而不是控制系統進行驗證: 當創建一個新的配方時,只需要對配方進行驗證,而無需對控制系統進行驗證。當增加新的配方時控制系統并不需要改變。與驗證一個新的配方的時間比較,用于重新驗證一個控制系統的時間和費用要多很多。

優勢四——共享設備資源,多路徑多產品生產

從單一路徑到多產品多路徑的生產方式;

共享時間和設備資源,動態單元分配功能可以最大化關鍵設備的使用或者在失敗情況下迅速切換裝置,重新規劃路徑。

優勢五——縮短驗證時間,減少驗證費用

Batch使我們可以更容易地設計和實施符合21 CFRPart 11、電子記錄和電子簽名的US規范;可配置的電子簽名模板,它代表了一個簽名和相關數據,例如:簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳等,完整的批數據管理,包括所有的生產數據(如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等),這些數據將自動地以批報表的形式生成文檔,使生產過程變得透明化且可追溯,使驗證過程更加簡單易行。

優勢六——物料跟蹤,更佳的庫存管理

與物料跟蹤集成,管理原料和配方在生產批次執行系統中提供實時的原料管理和可跟蹤性,增強企業庫存解決方案并允許更有效的原料和配方管理;當與公司范圍內的庫存管理系統集成時,通過采集詳細的原料和設備跟蹤信息,在優化供應鏈和實施電子商務時,物料跟蹤能夠改善ERP級資源管理的功能。

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