批量控制

批量控制廣泛套用於石化、化工、製藥等領域，許多生產過程需要進行批量控制，比如：定量裝車系統和某些化工反應設備的批量裝料等。批量控制的過程是對生產裝置的產品出料或者反應原料進料的流量，進行精確的計量和一些相對簡單的邏輯控制。各過程控制及自動化系統公司都紛紛推出了集成於過程控制系統（DCS）的批量控制軟體。這些批量控制軟體遵循 ISA S88 標準，從配方的計畫到設備控制，從簡單的順序控制到多產品多流量的混合控制，都使得在精細化工裝置中的批量控制更易於實現。

基本介紹

• 中文名：批量控制
• 外文名：job-lot control
• 拼音：pī liàng kòng zhì
• 所屬類別：科學技術
• 作用：批量控制
• 套用領域：石化、化工、製藥等

DCS批量控制

概述

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採用，因而，對批量控制的可操作性、可靠性及監控水平等各方面也提出愈來愈高的要求。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都紛紛推出了集成於過程控制系統（DCS）的批量控制軟體。這些批量控制軟體遵循 ISA S88 標準，從配方的計畫到設備控制，從簡單的順序控制到多產品多流量的混合控制，都使得在精細化工裝置中的批量控制更易於實現。

精細化工工藝的特點

在工業過程中，精細化工的生產過程多為典型的批量生產過程，在生產技術上具有以下共同特點：

（1）精細化學品的品種繁多，有：無機化合物、有機化合物、聚合物以及它們的複合物。精細化工生產過程與一般連續化工生產不同，它的生產全過程，不僅包括化學合成（或從天然物質中分離、提取），而且還包括劑型加工和商品化。其中化學合成過程，多從基本化工原料出發，製成中間體，再製成表面活性劑、染料、添加劑等各種精細化學品。

（2）大多以間歇性方式小批量生產。生產流程較短，規模較小，單元設備投資費用低，需要精密的工程技術。

（3）原料和產品種類多、更新快，對產品純度和品質要求高，多為專利技術，壟斷性強，對控制要求特別高。

批量控制的技術發展及特點

批量控制的技術發展

在早期的精細化工生產中，批量控制一般由高精度的流量計、批量控制器及精密控制閥門組成。流量計和控制閥裝在物料管道上，測量和控制物料；批量控制器裝在控制盤、台上，通過和繼電器、手動操作開關的配合來控制批量生產的實現。這樣的批量控制可以實現產品簡單的配料自動化，也在一定程度上提高了配料的精度和速度。但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，並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複雜程度大大增加了，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，導致配方程式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，對於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 採納定為國際標準。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台階。

批量控制的技術新特點：

（1）依託成熟的計算機技術，從傳統批量控制器到利用控制器、伺服器，從簡單的固化程式到模組化的程式控制軟體，從以硬體為主的實現方式升級為硬體和軟體共同作用、軟體為主導的方式。

（2）減少了批量控制執行的硬體環節（如：繼電器等），降低了系統中的硬體故障率。

（3）作為數據管理軟體，集成於過程控制系統（如：DCS）中，與工廠管理網中的 ERP 等系統相連線，具有一定的開放性。

批量控制中的專業術語和基本模型

ISA S88 中批量生產過程的定義是：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量生產過程。該標準定義了過程模型、物理模型和程式控制模型以及相關的術語，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。程式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。

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（equipment module）和控制模組（control module）四層。其中，控制模組由一組感測器、激勵裝置和其他控制模組組成，完成一個基本的控制活動；設備模組由完成一個簡單任務的某些控制模組組成；設備單元由生產過程中完成某一特定任務的設備模組和控制模組構成；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。

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、程式及附加信息組成。其中程式是配方中最重要的一部分，根據 ISA S88 中的程式控制模型，配方中的程式由上至下分為程式（program）、設備單元程式（unit program）、操作（operation）和階段（phase）四個層次。其中，階段是程式控制模型中最基本的構件，它包括對元器件的離散控制、調節迴路和聯鎖保護。若干個階段則組成操作，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。在一個單獨的設備單元中的一組按順序執行的操作則組成該設備的單元程式。最後，由設備單元程式按照規定的操作順序來完成整個批量生產的程式。

精細化工工藝中 DCS 批量控制的實現

某間歇性生產的工藝流程和特點

以某一間歇性生產活性劑的精細化工裝置來說明，基於 ISA S88 標準的 DCS 批量控制是如何實現配方的批量控制。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，生產流程簡要概括如下：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（取決於所需要的產品）。在加入氧化物同時，保持一定的反應壓力。反應結束後，釋放反應釜內壓力，同時冷卻反應釜。中和後的反應產物，經換熱器冷卻換熱後，用泵抽出。產品經分析合格後，通過不同渠道輸送出廠，從而完成一個批次產品的生產。

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，由於工藝條件精密、控制程式多變，無法通過簡單的迴路控制實現，針對以上難點，該裝置選用了集成於 SIMATIC PCS7 的Simatic Batch 批量控制軟體。

批量控制實施步驟

在項目實施階段，運用此軟體按照物理模型進行設計、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，定製相應的流程功能組，也就是基於子設備的思想Unit 中分解EM。在完成物理模型的定義後，在配方編輯器（Recipe Editor）進行反應釜單元配方程式的編輯。該編輯器採用圖形用戶界面，使配方編輯工作簡單易行，按照工藝流程來搭建配方程式組織架構，根據配方程式框圖來調用設備模組，同時，建立配方參數和公式來完成主配方（Master Recipe）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（Batch Control Center）來實現配方的運行、管理以及修改。比如生產1# 牌號產品，該程式便啟動主配方（Master Recipe）庫中1# 牌號對應的配方，將配方公式和參數載入配方程式中，程式啟動並運行至階段層時，相應的控制模組和設備模組會按照之前的配方參數，控制圖2 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。配方程式中“催化劑反應”單元操作相對應的程式功能圖，該程式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式，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式，序和相互關係，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，配方作為程式控制用來規定操作順序的，創建配方時不需要關係設備的內部邏輯，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，只需改變程式功能圖中各步之間的連結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。

DCS 批量控制的幾點優勢

經過 Simatic Batch 在此裝置的實際套用後，證實基於 ISA S88 標準的批量控制軟體在以下幾個方面具有明顯的優勢：

（1）產品特性描述在配方中，可隨時生成、更改產品配方，快速回響原料、市場變化；

（2）基於“類”的軟體組態，可反覆使用類組件，使組態工作量大大減少；

（3）在不影響正常生產的條件下就可以線上修改控制配方，提高了配方生產的時效性；

（4）生產報表和歷史記錄便於產品質量分析和質量管理，提高產品質量穩定性；

（5）集成於分散控制系統之中，在硬體和軟體上都具有靈活擴展性。

DCS 批量控制的套用體會

通過在該裝置 DCS 批量控制的工程實踐，總結出幾點套用體會：

（1）DCS 批量控制需依託主系統 DCS 的硬體，如輸入輸出卡件（I/O 卡件）、控制器（CPU）等，來實現對現場儀表信號的採集，在系統配置時需和DCS 一起考慮。

（2）因軟體中以大量的模組和程式框圖為主，非常占用系統記憶體，對硬體配置有相當高的要求，需要在 DCS 系統設計時多加注意，否則會給程式運行的速度帶來很大影響。

（3）由於批量控制主要靠軟體程式來實現，軟體的工程費用在系統費用中占有很大的比重，因此，在系統軟硬體配置和採購過程中，需要買方和賣方共同合作，買方儘可能地提供詳盡的工藝流程和要求，以便於賣方對組態編程的軟體工程量和工程費用有準確的判斷，從而更好地控制項目成本。

（4）批量控制軟體以操作站的形式通過乙太網接口直接連在工廠控制網路中，無需額外的通訊協定，與網路上其他系統單元的數據傳輸速度快、實時性強。

結論

從已投入運行的本精細化工裝置的實際情況表明，基於 ISA S88 批量控制軟體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，新產品試製時間大幅度減少，產品靈活性大大提升，並提高了生產效率，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。同時，Simatic Batch在過程控制領域中成熟的使用經驗和良好的套用業績，也證明 DCS 批量控制在精細化工領域具有更加廣闊的發展前景。

DeltaV系統的批量控制

概述

批量生產過程是現代工業生產過程的一個重要分支, 在精細化工、製藥和食品等生產中都廣泛採用了批量生產過程。隨著批量控制標準的制定,近10年來批量控制技術得到了很大的發展, 各個過程控制及自動化系統的供應商也都推出了自己的批量控制軟體。該文以艾默生過程控制有限公司的DeltaV 批量控制軟體為例, 闡述了批量控制標準中的基本模型和關鍵技術,介紹了在該系統中階段的實現方法,最後,以某染料生產過程中pH控制為例, 詳細論述了批量控制關鍵技術的具體套用。

批量控制中的基本模型和關鍵技術

批量生產過程是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過程。目前, 研究批量控制的一個重要的參考資料是由美國儀表學會(ISA)頒布的ISAS88。為滿足批量生產廠的控制需要,該標準定義了一系列的模型和技術術語, 正確理解這些模型和術語將有助於更好地設計批量生產過程。

ISAS88標準定義的過程模型、物理模型和程式控制模型以及相關的術語, 非常強調良好的工廠設計和操作實踐。雖然3種模型從不同角度描述了批量過程,但它們是相互關聯的。程式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。過程模型把批量過程分為過程(Process)、過程階段(ProcessStage)、過程操作(ProcessOperation) 和過程動作(ProcessAction)。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及物理變化。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(ProcessCel)、設備單元(Unit)、設備模組(EquipmentModule)和控制模組(ControlModule)4層。其中,控制模組由一組感測器、激勵裝置和其他控制模組組成,完成一個基本的控制活動。設備模組由完成一個簡單任務的某些控制模組組成。設備單元由生產過程中完成某一特定任務的所有設備模組和控制模組構成。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。

在批量生產中, 產品是按配方規定的加工順序及操作參數進行生產的。配方由批量執行機構(BatchExecutive)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、產品生產的工藝信息。配方由標題(header)、公式(formula)、設備要求、程式及附加信息組成。其中程式部分是配方中最重要的一部分, 它規定了一種產品生產的通用策略, 包括必需的生產操作以及順序、相應的控制要求。根據ISAS88中的程式控制模型, 配方中的程式由上到下分為程式(Proce-dure)、單元程式(UnitProcedure)、操作(Operation)和階段(Phase)4個層次。其中, 階段是程式控制模型中最基本的構件,它包括對元器件的離散控制、調節迴路和聯鎖保護。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, 進一步組合單元操作就構成了單元程式, 最後由單元程式生成完成整個批量生產的程式。

S88給系統工程師提出了設計批量控制系統的指導原則,那就是配方與設備控制程式相分離。這裡所說的分離,指的是配方的設計與設備控制程式的設計相互獨立。將設備控制程式設計成一種相對固定的模組,這種模組被稱為設備的程式元素。配方與設備控制程式僅僅在控制配方的程式元素與設備的程式元素之間實現結合,在其他方面兩者不存在直接聯繫。配方的程式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式元素。

DeltaV系統嚴格遵循S88, 將設備階段作為設備的程式元素, 配方階段作為配方的程式元素。階段是一系列有序組合的步(Step), 用來使一個或者多個設備完成面向過程的動作, 例如加料、攪拌等, 階段之間相對獨立。換言之,階段是設備控制程式的封裝,它對配方禁止了設備控制程式。配方階段是階段在配方中的副本, 作為配方的程式的最小元素而存在,它只包含階段的部分信息,例如該階段的功能描述、狀態參數等, 不包含階段的具體實現部分。在批量執行期間, 控制配方的程式運行到相應的配方階段時,配方階段觸發控制器中的設備階段的執行,階段接收來自配方的參數或系統的操作命令,控制物理設備完成具體的生產任務,另外還在執行期間向系統發出請求或報告,保持配方階段與設備階段的狀態一致。

DeltaV系統中階段的實現

對於FF來說,功能塊(functionblock)是組成控制套用的邏輯單元,所有控制套用都是由一個或多個功能塊的組態連線構成。為了實現批量控制的階段, DeltaV系統為階段定義了6個由多個功能塊組成的複合塊(composite), 每個複合塊完成某一特定的過程任務。此外DeltaV系統還允許用戶自定義功能塊或複合塊, 所有這些複合塊或功能塊都是DeltaV系統實現階段的基礎。為了實現批量過程的順序操作,有效控制程式的執行, 以便在發生設備錯誤之後能夠進行精確定位, 達到工藝的可預見性和可控制性, DeltaV系統為階段引入了狀態轉換邏輯和操作命令,操作命令控制狀態之間的轉換。在靜止狀態或最終狀態下階段並不做任何動作,所以這裡重點介紹5種過渡狀態,也被稱為轉換邏輯。

在一個階段的運行條件不滿足的情況下,使該階段進入Held狀態等待條件的成熟。該邏輯保證了在故障發生時現場設備的安全。重新開始(Restarting), 激活Held狀態的階段,使該階段重新開始運行。由圖1中Restarting複合塊實現。中止(Aborting), 非正常情況下終止一個階段的運行。一個階段只有在收到ABORT命令之後才執行該邏輯, 使得階段從Running狀態最終轉換到Aborted狀態。停止(Stopping),在階段的運行並未結束(正常進入Complete狀態)之前終止運行。一個階段只有在生產事故而採取的緊急措施;停止屬於對階段的正常操作,例如在需要對工藝進行手動調節的場合。

以上5種轉換邏輯通過編程實現,程式判斷所接收的命令進而決定進入哪種轉換邏輯, 執行必要的順序處理, 完成後設定相應的狀態參數, 進入靜止狀態或者最終狀態。DeltaV系統中的故障監控複合塊。當階段運行過程中不滿足Running邏輯的條件出現時, 該複合塊使階段的執行由Running邏輯轉為Holding,最終進入Held狀態。其安全級別低於SIS(SafetyInstru-mentedSystem, DeltaV中的緊急停車系統), 但足以保障現場設備的安全。

pH控制中的套用

pH值是酸鹼中和反應中對溶液酸鹼度的定義, 在化工廠會經常碰到pH值的控制問題,如用pH值來控制某個化學反應的終點,用pH值來控制廢水的中和過程等, 但在連續系統中, pH控制由於pH值本身的本質非線性等特點, 其控制效果往往不太理想。某染料生產中的pH控制工藝簡要介紹如下: 在將原料打入連續攪拌釜後,首先線上檢測原料的pH值, 根據該值與期望值的偏差, 加入適量調節溶液pH值的添加劑。為使添加劑分布均勻並與原料完全反應且由於酸鹼中和反應是強放熱反應, 此後應對混料作攪拌和冷卻處理。最後將經過以上工序的產品進行質量檢測, 通過質量檢測的產品輸出供下一道工序使用, 如果混料的pH值還不在期望範圍之內,則對混料重複以上操作。該pH控制中用CAS IN D是在CAS模式下即為DCS(Batch)控制時攪拌器的命令輸入, 在AUTO模式下即為攪拌器的設定值(SP), 它是一個Boolean型參數。FV D和OUT D 分別接一個DI功能塊和一個DO功能塊,用於顯示現場反饋值和驅動攪拌馬達運轉。SIMULATE IN D和INTERLOCK D分別為仿真使能參數和聯鎖使能參數。當配方程式運行至攪拌階段時,下裝到控制器的設備階段開始按照配方公式所給的參數執行Running邏輯。

首先將連續攪拌釜所有的進料閥和出料閥關閉,然後啟動攪拌馬達, 攪拌馬達開始按照配方公式所規定的攪拌速度運轉, 當公式規定的攪拌時間到達後, 程式再將馬達的CAS IN D參數置0,馬達停止運轉,攪拌過程結束。在攪拌階段Running邏輯的運行過程中, 當有不滿足Running邏輯的條件發生(例如已關閉的進料閥或出料閥由於故障又重新打開了,攪拌馬達發生故障停止運轉等等)時, DeltaV系統自定義的故障監控複合塊FAILURE MONITOR會在100ms內做出反應,使階段執行Holding邏輯,最終進入Held 狀態,從而保證了現場設備的安全。當攪拌階段的FAILURE MONITOR模組中CND條件塊中的條件為真時, BLOCK功能塊中的原始碼會使階段進入Holding的運行邏輯, 而FAIL MESSAGE功能塊則將最先發生故障的設備找出。操作員可以在階段的細節面板上看出發生故障的設備, 實時排除故障並重新啟動(Restarting)階段。

階段是相對固定的程式單元,它在控制器中一般不再需要更改。有了階段之後,就可以創建pH控制的配方程式。各配方階段的參數,例如原料種類、用量、攪拌的速度、持續時間等, 由配方的公式給定。可以看到,配方程式很簡潔,事實上,配方所給定的關鍵信息是階段的名稱和階段之間的關係,並不涉及到階段的內部實現邏輯(也就是設備的控制程式部分),因為這部分在階段被設計好以後就不需要改動了。在遇到需要修改生產工藝的情況時,如果是工藝參數需要改動,只要在配方中的公式一項做相應的修改就可以了;如用現有的階段在需要改動的地方做替換,或者改變階段之間的連線,如果有必要,還可以根據工藝要求開發新的階段。工藝工程師在不必了解具體設備控制細節的情況下,通過對配方階段進行簡單的拖拽和連線, 並填寫原料組分、過程參數等相應的參數,就可以獨立開發能夠被控制系統執行、實現批量生產的控制配方。

結束語

批量控制是一個範圍很廣的系統性問題, 還有其他一些方面尚待研究,例如生產的計畫與調度、設備的動態分配等, 完成對階段的研究是實現批量控制的基礎。DeltaV批量控制軟體源於幾十年來艾默生過程控制有限公司在過程控制領域中取得的豐富經驗,已成功套用於醫藥、食品及石化行業。從已投入運行的生產系統的實際情況表明,基於DeltaV批量控制軟體的控制系統穩定性強、可操作性好,其生產效率、產品合格率、產品質量在國內外同行業都處於領先地位。

批量控制的階段控制

1 概述

工業生產過程根據工藝流程特點及產品輸出方式可分為:連續生產過程、批量生產過程和離散生產過程。批量生產過程是按照順序的操作步驟進行批量產品生產的過程。批量生產過程即間歇生產過程,廣泛套用於精細化工、食品飲料、生物醫藥和農藥化肥等部門。近年來,隨著工業結構的調整,由大批量、少品種的生產方式向小批量、多品種轉變,採用批量過程的企業為了儘快開發新產品以保持市場競爭力, 要求控制系統也具備相應的控制柔性。為了適應間歇生產周期短、更換品種容易、對多變的市場要求適應性強的特點, 美國儀器儀表學會提出批量控制標準S88,該標準提出了配方程式與設備控制邏輯的分離思想,為進一步確保批量生產過程重複性和操作柔性, 提高產品市場競爭力提供了新的技術支撐。目前,國外相繼推出了自己的批量控制軟體,並且已經投入到實際生產中,實現了批量控制的自動化, 如:EmersonProcess公司的DeltaV Batch、Wonderware公司的InBatch等。這些批量控制軟體均具有配方管理功能。文獻[ 3]套用配方管理系統,可以最大限度地提高生產工具的使用,規範生產工藝參數,避免加工產品的廢品和產量的損失; 文獻[ 4]基於標準中的層次結構,對電廠的安全評估軟體系統進行建模,該模型可以獲取更高的精度; 文獻[ 5]給出了在DeltaV系統中實現配方的具體技術。但對於現有的批量控制軟體由於其價格昂貴, 對於投資少的工程項目一般難以承受。本文基於批量控制標準初步嘗試開發了批量控制軟體,並以啤酒生產中的麥汁製備為例, 詳細論述了批量控制在階段模組的具體控制策略。

2 批量控制標準中的專業術語和模型

美國儀器儀表學會ISA早在1988年就成立了一個新的批量標準委員會——— SP88,制定了批量控制的標準。ISAS88規定了批量過程必須遵守的模型和術語, 從系統的設計和硬體的分配上都進行“分層”設計, 並且得到了工業界的認可。在ISA S88中,配方(處方)的定義為:唯一的用來規定一個產品生產所需要的一系列必要的信息。它包含以下幾種信息:標題、公式 、設備要求和程式 。其中, 程式規定了一種產品生產的通用策略, 包括必需的生產操作、順序以及相應的控制要求,它是配方中最重要的一部分。在批量生產過程中,配方具有不同的形式, ISAS88標準中定義了四種類型的配方:通用配方、現場配方、主配方和控制配方。其中控制配方能夠由批量伺服器實時執行, 完成一次批量生產,它包含某一特定批量生產與產品相關過程的所有信息。

S88中的物理模型定義了在批量控制中涉及到的物理單元間的等級關係。這裡只考慮模型中的低四級, 自頂而下分別為:過程單元、設備單元 、設備模組和控制模組 。物理模型的等級結構在一個面向對象的環境中簡單明了地得以實現。 它們由工程活動來定義相應的等級結構,從而更好地匹配物理模型。在這些工程活動中, 處在最低層的控制模組是由一組感測器、執行器、其它控制模組以及相關的加工設備組成。從控制的角度來看,它既可以作為單一的實體來操作,也可由其它控制模組組合來操作。通過在較低層次的設備組合在一起,形成一個新的更高層次的設備組合。這樣可以大大簡化把設備當作一個單一的大塊設備來操作。

S88中的程式控制模型同樣是一個等級結構。它可以分為:程式 、設備單元程式、操作和階段。階段是程式控制模型中的最小元素,它可以實現一個面向過程的任務,如添加催化劑、加熱等。程式控制模型定義了被要求的動作的層次結構,這些結構被用來順序執行完成一個批次,控制面向設備的操作按規定的順序發生, 以完成面向過程的加工任務。這個模型的設計使配方能夠多次使用製造多種不同的產品。

在批量控制過程中,最基本的構件是階段模組。在這些模組中可以定義一個或多個設備實體相關控制邏輯,它包括對元器件的離散控制迴路、帶聯鎖保護的控制迴路等。選擇和組合這些重複使用的控制方案,即在設備模組和控制模組上賦予相應的階段程式,從而完成在一個設備單元內進行批量產品生產的相關設備的單元操作, 進一步組態這些單元操作就構成了產品生產的整個生產活動。由此可見,確切地定義並實現階段模組是設計批處理控制策略的關鍵。

3 批量生產階段控制策略

傳統的批量控制系統採用順序流程來控制,一旦需要修改產品的生產工藝流程或擴大產品生產線時,就要對批量控制系統進行繁瑣的修改和重新編程,影響產品生產效率。在批量控制系統中,基於S88標準的配方程式存在於工作站中, 而觸發相應的生產設備使其運行的程式代碼存在於PLC或DCS中。因此,可以直接在工作站中編輯和修改配方,而不用修改PLC或DCS中的代碼。在批量生產過程中生產一批產品時,配方根據生產要求將配方程式元素連線到批量生產所要求的設備。由於配方程式元素連結到設備控制是在階段級進行的,所以批量伺服器處理在階段級的連線。位於PLC或DCS系統中的階段邏輯接口(PLI)是在批量伺服器和過程控制器中階段邏輯間的標準接口,它用於執行狀態轉換圖規則和握手協定,從而控制設備階段狀態之間的轉換。批量伺服器和階段邏輯之間使用一套標準的命令, 請求和其它的數據項來進行通信。批次生產的通訊流為批量伺服器寫命令到PLI, PLI寫命令到階段邏輯, 反過來, PLI接收來自階段邏輯的命令,批量伺服器接收PLI命令。這個數據結構構成配方程式和設備控制的通信接口,使批量伺服器、PLI和階段邏輯能夠交換數據,並最終控制物理設備完成一個批次的執行。

位於批量伺服器中的配方程式通過伺服器中遵循的協定與設備階段級進行通訊。這個協定是基於批量標準中的狀態轉換圖所描述的一套狀態轉換路徑規則 。狀態轉換中的階段邏輯包含以下五個代碼模組:運行(Running)、中止(Abor-ting)、停止(Stopping)、重啟(Restarting)和保持(Holding)代碼模組。它是為執行程式所在階段級操作順序和為檢測設備實體失敗所用的。在設備資料庫中的設備階段能夠觸發存儲在過程控制器中的階段邏輯的執行,在過程控制器中的階段邏輯包含一些指令來控制物理設備。在階段邏輯接口中的狀態轉換邏輯使階段能夠從一個狀態轉換到另一個狀態,並且必須遵循有效的路徑。

4麥汁製備過程中批量控制的實現

啤酒生產中的麥汁製備是將固態的麥芽、大米、酒花用水調製加工成澄清透明的麥汁的過程, 製成的麥汁供酵母發酵,加工成啤酒。麥汁製備屬於典型的批量生產過程,下面就以麥汁製備工藝為實例, 說明如何實現批量控制的階段。

基於批量控制標準, 在批量控制系統中, 選用VisualC++作為主要的開發工具,完成在這個平台下的批量處理套用軟體。批處理套用軟體提供對物理模型和程式模型組態的能力,通過把PLC體系結構和過程相連設備的最佳組合來執行配方處理過程。其功能主要體現在批量控制軟體的四個主要組件中,即批量控制軟體的設備編輯器:通過簡單地圖形化,分層次描述指定物理設備,配置多個區域模型;批量控制軟體的配方編輯器:通過簡單的選擇用圖形界面顯示配方,指定程式控制策略,創建與維護可重用配方的管理工具;批量控制軟體的瀏覽器:提供一個操作員接口用於和批量控制軟體的伺服器進行通訊;批量控制軟體的伺服器:執行配方或者協調批量控制軟體的瀏覽器與PLC體系結構或者與過程相連的設備或者組成控制過程的其他元件之間的通訊。

啤酒廠由兩個生產線路100和200組成,它們是兩個完全相同的裝置,每個裝置有兩個糖化煮沸鍋A和B, 1個發酵罐,操作人員選擇糖化煮沸鍋A 或B將物料在鍋中糖化後, 卸到發酵罐中進行反應。根據生產過程, 將批量控制分為混合單元和反應單元兩部分進行。在物理模型等級中,設備是以類的形式來定義並完成的。組態時為混合過程和反應過程建立兩個批量控制模板, 隨後在設備編輯器中建立三個UnitClass, 分別對應混合單元A和B、反應單元的批量控制 。只要組態和修改批量控制的模板, 100和200單元的階段組態就都完成了,這樣設計大大減化了組態時的工作量。確定了工藝流程之後,需要劃分生產設備。在麥汁製備過程中,通過設備編輯器劃分相應的設備等級, 如圖5所示,糖化單元(MIXER)需要用到的主要階段有:T加料(以噸計,如水)、kg加料(以千克計,如大米粉、麥芽粉)、攪拌、溫控和出料,這裡只給出階段中T加料的實現方法, 其它階段均可以類推。

當配方程式運行至T加料階段時, 下裝到控制器的設備階段開始按照配方公式所給的參數執行運行(Running)邏輯。初始狀態設備中的所有進料閥和出料閥關閉,進入狀態後打開進料閥X100, 當液位達到臨界狀態時,關閉X100, 該階段進入完成狀態,加料過程結束。S88定義了一個模組化的實施方法,此方法是以一種配方相對獨立的方式來定義、執行和驗證各個階段。套用順序功能圖來記錄批量標準中的各個階段邏輯狀態,從而建立一個系統庫來列舉這些階段,最終完成整個工程。例如:在加料階段運行(Running)邏輯的執行過程中,當有不滿足此邏輯條件的情況發生時(如進料閥因故障未開啟閥門等), 批量控制系統中的故障監控會迅速做出反應, 找出發生故障的設備,並實時排除故障,使階段執行保持(Holding)邏輯, 繼而進入Held狀態, 並重新啟動(Restarting)階段,從而保證了現場設備的安全。批量控制系統中的硬體是固有的模組。至於軟體模組是必須執行的。S88為軟體定義了正確的模組等級,從而確保了它的有效執行。這個模組等級同樣為我們檢修故障提供了便利,同時把系統分成若干個階段,從而提高了模組的可重用性。在單一設備模組中出現的問題可以很快地確定下來。配方中的階段在程式中是相對固定的單元,一旦創建,一般不再需要在其控制器中進行修改。階段在程式模型中是最小的單元,有了階段以後,就可以創建麥汁製備的控制配方程式。應用程式功能圖創建控制配方之前, 先假定此控制配方程式僅由配方階段組成,對於單元程式和操作級已經忽略。用功能圖來表示配方邏輯,在創建之前需要定義設備要求, 即選擇一個適當的設備單元。它是通過設備容量和設備單元優先權標籤配置設備路徑來完成的。在配方編輯器中把生產程式分成若干個小的階段,通過這些階段來描述批量控制的動作順序。各配方階段的具體參數及其邏輯關係是由配方信息中的公式給定的,如生產過程中的原料名、原料量、溫度值和持續時間等。在運行程式時,每個階段設定相應的變數來存儲數據。當某一階段邏輯完成運行邏輯時,將其變數值設定為已完成, PLI從階段邏輯中接收命令,並設定階段邏輯狀態為已完成, 批量伺服器接收PLI的命令, 並開始下一階段的執行。每個階段都檢索相應的數據持續這個循環直到批量過程結束。

可以看到麥汁製備的配方程式很簡潔, 程式中配方所給定的關鍵信息只有各階段的名稱和階段間的相互關係, 並不涉及階段的設備控制程式部分,因為這部分在階段設計好以後一般不需要更改。當遇到需要修改生產工藝的情況時,根據生產中的具體情況,在現有階段對配方中的公式做相應的修改,或者改變階段之間的順序連線。如果有必要,還可以根據工藝要求給產品開發新的階段。配方設計師在不必了解具體設備控制細節的情況下, 通過對配方階段進行簡單的拖拽和連線, 並填寫原料組分、過程參數等,就可以獨立開發能夠被控制系統執行、實現批量生產的控制配方。批量標準的最大貢獻在於把設備控制邏輯從配方程式中分離出來,對於與其它生產方式有別的批量生產過程基於此標準的分離思想,使得其生產方式具有以下優點:

(1)由於配方不包括所有設備實體的相關邏輯,配方可以從一條生產線傳遞到另一生產線,也可以從一個生產廠傳遞到另一生產廠,從而提高配方的可傳遞性。

(2)模組化等級結構可重複使用,並套用到更大範圍的設備實體中,使得批量控制更加具有柔性。

(3)根據生產要求,每次當配方變化時,不必重新對設備邏輯進行驗證,使得在生產線上生產的新產品簡便快捷地得到驗證,並縮短投入市場的時間。

5 結束語

討論了實現批量控制的配方階段執行策略,並以啤酒生產中的麥汁製備為例進行分析。實踐證明,基於批量標準的批量控制系統對於階段的執行具有良好的操作柔性, 還可將部分組態好的控制方案線上地下裝到控制器中而不影響其它迴路或控制方案的執行,因此,在批量生產中不用中斷生產,或者不用顯著地增加成本,就能快速地改變生產的產品以適應市場需求的變化,方便生產管理,滿足工藝的靈活性要求,提高批量控制的自動化水平。