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解读批量节制体系规范 ISA S88

行业计划

摘 要:批量出产进程已成为古代财产出产进程的一个首要分支,美国仪表学会(ISA)在1995年7月针对批量节制拟定了特地的规范ISA S88。本文从阐发S88所界说的手艺术语和模子动身,重点对进程模子、物理模子和法式模子停止领会读,接收其配方与设备节制法式彼此分手的焦点思惟,提出了批量节制体系在建模时组件的界说准绳,并以优稳公司发的UWinBatch配方软件在某间歇性出产活性剂的邃密化工装配为例,搭建了一个全主动化的DCS批量节制体系,获得了杰出的运转结果。

关头词:批量节制 S88规范 DCS 建模 配方


背 景

跟着最近几年环球经济的成长和古代财产的日月牙异,批量出产进程已成为古代财产出产进程的一个首要分支,出格是在邃密化工出产中已被遍及接纳,跟着邃密化工财产的疾速成长,在财产布局上呈现了较着的变更,即由多量量、少品种出产体例向小批量、多品种出产体例转变,并须要按照市场的变更及时调剂产物品种。面临这些新的出产变更,原本的批量节制碰到了一些手艺困难。起首,数目多达几十种乃至上百种的质料和产物令配方的庞杂水平大大增添了,原有批量节制器的处置才能没法知足请求;其次,产物品种的不时调剂,致使配方法式点窜的难度和使命量都有所增添。同时,跟着财产主动化进程节制现实和计较机手艺的不时成长,对财产节制功效集成化、规范化的请求也愈来愈高。

美国仪表学会(ISA)在1995年7月针对批量节制拟定了特地的规范ISA S88。1997年8月,它被国际电工委员会IEC采取定为国际规范。该规范界说了一系列的手艺术语和模子,以知足批量出产厂的节制须要,也让批量节制的成长步入一个极新的台阶。


一、S88规范界说的手艺术语

S88界说了一整套的术语和模子,用于描写批量出产厂家的节制请求,这类国际规范的法式、物理和进程模子及术语夸大杰出的工场设想和操纵理论。规范界说了60多条术语,包罗批量进程、进程、批量、单位、配方等。批量进程是:定质、定量的质料用1台或多台设备在划定时候内颠末一系列的处置进程,获得定拟定量的产物的进程;它差别于团圆量节制,也差别于持续量节制。规范还界说四品种型的配方:通用配方(general recipe)、工场配方(site recipe)、主配方(master recipe)和节制配方(control recipe),此中节制配方由批量节制办事器实行履行,实现一次批量出产,它包罗了某一特定批量出产与产物相干的一切信息。别的术语的界说读者能够或许参考相干文档材料,这里不再逐一论述了。


二、S88规范界说的三种模子

批量节制体系规范ISA S88,界说了进程模子、物理模子和法式节制模子,固然三者从差别角度描写了批量进程,但它们是彼此接洽干系的。法式节制模子中的元素与物理模子中的响应元素相连系,便实现了进程模子中相干的出产使命。三种模子间的干系见图1。

进程模子把批量进程分为进程(process)、进程阶段(process stage)、进程操纵(process operation)和进程举措(process action)四个局部。进程举措是批量进程中最小的加工勾当;进程操纵是由一个或几个进程举措构成的比拟大的加工勾当,它凡是会使待加工的物料产生化学或物理变更;进程阶段是由一个或几个进程操纵构成的、绝对自力的加工勾当;进程由一个或几个进程阶段构成,终究实现一次批量出产。

物理模子用来描写批量出产中的设备,分为进程单位(process cell)、设备单位(unit)、设备模块(equipmentmodule)和节制模块(control module)四层。此中,节制模块由一组传感器、鼓励装配和其余节制模块构成,实现一个根基的节制勾当;设备模块由实现一个简略使命的某些节制模块构成;设备单位由出产进程中实现某一特定使命的设备模块和节制模块构成;进程单位则包罗批量出产中一切的出产操纵设备和帮助操纵设备。物理模子如图2 所示:

在批量出产中,产物的加工是按配方划定的挨次及操纵参数停止的。配方由批量履行机构及时履行,它包罗某一特定批量出产中与产物相干的一切信息,包罗产物的质料配比和产物出产的工艺信息。配方由标题、公式、设备请求、法式及附加信息构成。此中法式是配方中最首要的一局部,按照 ISA S88 中的法式节制模子,配方中的法式由上至下分为法式(program)、设备单位法式(unitprogram)、操纵(operation)和阶段(phase)四个条理。此中,阶段是法式节制模子中最根基的构件,它包罗对元器件的团圆节制、调理回路和联锁掩护。挑选和组合阶段,构成在一个设备单位内停止产物批量出产的单位操纵,它界说了一个首要的、能够或许使被加工的物料产生化学或物理变更的加工挨次。进一步组合单位操纵就构成了单位法式。最初,由设备单位法式按照划定的操纵挨次来实现全部批量出产的法式。法式节制模子如图 3 所示:


三、 S88规范的焦点思惟

S88 给体系工程师提出了设想批量节制体系的指点准绳,也便是 S88 规范的焦点思惟,那便是配方与设备节制法式相分手。这里所说的分手,指的便是配方的设想与设备节制法式的设想彼此自力。将设备节制法式设想成一种绝对牢固的模块,这类模块被称为设备的法式元素。配方与设备节制法式仅仅在节制配方的法式元素与设备的法式元素之间实现连系,在别的方面二者不存在间接接洽。配方的法式元素与设备请求这两项信息保障节制配方唯一无二、不产生歧义地接洽干系到某一特定设备的法式元素。

因而可知,要实现一个批量节制战略,起首必需停止进程阐发,即阐发一个产物批量出产进程的操纵挨次。对批量出产进程停止阐发时,普通经由进程带节制点的工艺流程图来领会被控工具,熟习出产工艺,研讨和阐发批量出产进程固有的分层布局和模块化属性。停止进程阐发的目标,是按照ISA S88规范中的物理模子来准确地分别设备单位、辨识产物的出产途径、各个元器件和设备的联锁掩护和按照法式节制模子来辨识根基的阶段。将工场分别为设备单位,随之决议体系的终究范围,而后,把产物的出产法式在各个设备单位上分化为设备单位法式。设备单位法式是产生在一个零丁的设备单位中的一组按挨次履行的操纵,这些操纵再细分为阶段。


四、 基于S88规范的批量节制体系组件界说

4.1 阶段(Phase)的界说

Phase 是批量节制体系中最小的单位,凡是来讲一个Phase 就对应一个挨次节制法式,这个法式是由一组号令和参数构成用来实现一个根基工艺进程,并且这个工艺进程是能够或许被挑选和频频挪用的。加料、搅拌、升温、搅拌、转料等都能够或许界说为一个阶段。

4.2 单位(Unit)的分别

单位的分别向来便是批量节制体系可否胜利的关头关头,由于有两个首要缘由:第一单位分别由工艺流程和工艺途径挑选来决议,其分别的合感性触及到法式的编写架构、有用性和矫捷性。第二此刻大多的批量节制软件都因此单位为计费单位,以是单位的分别会和名目标本钱节制有很大的干系。单位普通因此釜、槽等物料存储、处置设备为主,附带或不附带别的构成设备,如许又能够或许按照这个准绳,再作调剂,使单位合适工艺请求。

4.3 配方(Recipe)的编写

今朝批量节制软件普通都分为两个首要构成局部:一个是批量设备编辑软件;另外一个是批量配方编辑软件。设备编辑软件首要是物理模子的成立进程,其首要包罗了上面两节所描写的 Phase 的界说和 Unit 的分别。而配方编辑软件首要是工艺模子的成立。设备编辑软件的编写使命与节制体系干系慎密,普通是由节制体系工程师来编写。而配方编辑软件的使命首要触及工艺流程的计划,普通由工艺工程师主导节制体系工程师帮助实现,其布局必须合适 S88 对法式节制模子的请求,从上到下分为procedure、unit procedure、operation 和 Phase,每个配方都要包罗这四层布局。在每层布局中都能够或许界说本层法式运转逻辑,以后的首要使命为法式运转逻辑框架的搭建和运转步骤转换前提的界说。


五、 批量节制的典范操纵案例阐发

上面以 UWinBatch 在某间歇性出产活性剂的邃密化工装配上的操纵来讲明基于 ISA S88 规范的 DCS 批量节制是若何实现配方的批量节制的。此装配以 10 多种氧化物和催化剂为首要质料,出产 8 大类近 40 个商标的产物,配方数目约为 40 种。

5.1 工艺流程简介

出产流程扼要归纳综合:当须要出产某种商标的产物时,将响应的激发醇从装配中间罐区保送到反映釜中,边搅拌边插手必然量的催化剂,天生激发醇的钾盐。向反映釜充入惰性氮气,加压加热反映釜。坚持反映釜内的反映温度,在必然时候外向反映釜中持续插手氧化物的夹杂物(取决于所须要的产物)。在插手氧化物同时,坚持必然的反映压力。反映竣事后,开释反映釜内压力,同时冷却反映釜。中和后的反映产物,经换热器冷却换热后,用泵抽出。产物经阐发及格后,经由进程差别渠道保送出厂,从而实现一个批次产物的出产。图 4 为工艺流程图简介:

反映釜作为工艺流程中最首要的工艺出产单位,实现批量配方的关头节制都集合在反映釜中,需以较高的主动化水平来实现事后设定好的反映步骤,要对温度、压力等首要参数停止严酷的调控。

5.2 批量节制实行步骤

在名目实行阶段,按照 S88 划定的物理模子停止设想、组态和集成,实现体系功效。起首在停止工艺阐发的根本上,对和反映釜相干工艺流程中的设备停止分别和组合。本着均衡矫捷性和简略准绳,定制响应的流程功效组,也便是基于子设备的思惟在 Unit 平分化单位操纵和阶段。反映釜典范的阶段分别如表 1 所示。

在实现物理模子的界说后,在配方编辑器(RecipeEditor)停止反映釜单位配方法式的编辑。该编辑器接纳图形用户界面,使配方编辑使命简略易行,按照工艺流程来搭建配方法式构造架构,按照配方法式框图来挪用设备模块,同时,成立配方参数和公式来实现主配方(MasterRecipe)和库的成立和点窜。

在出产、操纵周期,经由进程批出产节制中间(BatchControl Center)来实现配方的运转、办理和点窜。比方出产 1# 商标产物,该法式便启动主配方(MasterRecipe)库中 1# 商标对应的配方,将配方公式和参数加载到图 5 所示的配方法式中,法式启动并运转至阶段层时,响应的节制模块和设备模块会按照之前的配方参数,节制表 1 中设备单位中相干的设备,从而实现该批次的批量出产,也便是实现了一次节制配方(Control Recipe)的履行。图 6 为与图 5 配方法式中“催化剂反映”单位操纵绝对应的法式功效图,该法式经由进程对节制器中搅拌、反映等设备阶段的挪用,来实现指定的单位操纵。

若出产别的商标的产物,则按一样体例启动响应配方法式,即使是多达 30-40 种的配方都可便利地实现产物批次的转换。在须要出产新商标的产物时,在配方编辑器中操纵已成立好的主配方法式,按照新产物的请求来调剂单位操纵和阶段的履行挨次和彼此干系,从而实现新配方的天生。这表现了ISA S88规范中配方与设备相分手的准绳,配方作为法式节制用来划定操纵挨次的,成立配方时不须要干系设备的外部逻辑,在点窜配方时也没用须要对物理设备的节制逻辑停止从头编程或组态,只要转变法式功效图中各步之间的链接挨次或经由进程公式转变配方参数便可,有用地减小了配方保护的难度,表现了批量节制柔性化的特色。


5.3 运转结果

从已投入运转的本邃密化工装配的现实环境标明,基于 ISA S88 批量节制软件的节制体系不变性强、可操纵性好,进步了产物及格率、产物品质,可按照市场变更停止产物改换,新产物试制时候大幅度削减,产物矫捷性大大晋升,并进步了出产效力,大大加重了保护职员的休息强度,便利了出产办理,获得杰出的经济效益和社会效益,获得了操纵职员和办理职员的遍及接待。


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