ISA-88 як основа інтегрованого виробництва

Олександр Пупена (pupena_san@ukr.net)

доц. ІАСУ, Національний університет харчових технологій

Модератор форуму АСУ в Україні (www.asu.in.ua)

1

Розвиток моделей MESA

c-MES (2004) MESA Strategic Initiatives (2008)

MES-11 (1997)

http://www.mesa.org/en/modelstrategicinitiatives/MESAModel.asp

MESA – загальний опис, рекомендації

Стандарти ISA

серія стандартів ISA-88, ISA-95, ISA-106

International Society of Automation

Стандарти ISA – кращі практики інтегрованого виробництва

MESA – посібники, ISA - стандарти MESA – загальні, ISA – конкретні MESA – про функції, ISA-95 – про

інтеграцію

Інтегроване виробництво - ISA 95 Control Hierarchy Levels

Level 4

Level 0

Level 1

Level 2

Level 3

Business Logistics Plant Production Scheduling, Shipping,

Receiving, Inventory, etc

Manufacturing Operations Management

Dispatching, Detailed Production Scheduling, Production Tracking, ...

Batch Production

Control

Discrete Production

Control

Continuous Production

Control

ISA – IEC/ISO Interface Standards

IEC, OPC, & OMAC Interface Standards

ISA Functional Model

The production processes

ISA-95 1,2

ISA-95 3,4

ISA-88

ISA-TR88.02

ISA-106

Означення продукту: Як (роботи), з чого

(матеріали) на чому (обладнання, ресурси) виготовити продукт?

Доступні ресурси: Що є для виготовлення продукту

(в т.ч. обладнання)?

Виробничий план: Коли і з якими ресурсами (в т.ч. обладнання) планується

виробляти продукт?

Фактичні показники виробництва:

Як проходить виготовлення продукту?

Ключові моделі ISA-88/95

Виробництво

• Однакові основні ідеї для всіх стандартів ISA-88/95/106 • ISA-88 – основи для періодичного виробництва (АСУТП + частково АСУВ) • ISA-95 – на базі ідей ISA-88, тому краще починати вивчення з ISA-88 • ISA-106 (в роботі) – ідеї ISA-88/95 …

Типи технологічних процесів (та виробництв)

Дискретні процеси/виробництво (Discrete processes) : - окремі вироби з окремих деталей

Неперервні процеси/виробництво (Continuous processes): - неперервний потік матеріалу через обладнання

Періодичні процеси / порційне (малосерійне) виробництво (batch process): - виробництво кінцевої кількості продукту (партії -

batch ) з певної кількості сировини, за обмежений період часу, з використанням певного обладнання за певним технологічним регламентом (рецептом);

Чому стандартизувати почали з Batch виробництва ?

• Багато продуктів • багато послідовностей виробництва & наборів параметрів • багато реакторів і динамічних груп обладнання • отже змінний шлях, при обмеженнях у використовуваному

обладнанні/ресурсів та часі

продукт рецепт обладнання

Batch процеси – виклики виробництва

Забезпечити якість і цілісність продукту

Інтеграція АСУТП з АСУП

швидке перемикання на інший продукт

Масштабування розміру партії під виробничі

потреби

Справжні batch-звіти і сильна

функціональність по звітам

Зміна послідовності операцій в он-лайн

Виробництво різної продукції на

різному обладнанні одночасно

Оптимізація виробництва партій

Забезпечити високий ККД обладнання

Координація ручних та

автоматичних дій

Batch процеси – виклики до систем керування • як технологу створити або модифікувати послідовність обробки в

технологічному регламенті без зміни програми в PLC/DCS?

• як робити декілька продуктів з різними послідовностями обробки?

• як розділяти між процесами спільні ресурси (напр., один і той же насос для різних груп танків)?

• як обробляти помилки проходження процесу (не обладнання!) в залежності від типу продукту (напр. якщо продукт протягом часу не дійшов до потрібної pH) ?

• як модифікувати технологічну послідовність (добавити новий етап) під час вироблення партій?

• як ефективно планувати (графіки) використання наявного обладнання і досягнути планового часу виробництва партії?

• як врахувати особливості виготовлення партії наступного разу і відстежити проходження продукту по всім етапам процесу (генеалогія)?

• як розробити ефективний та універсальний інтерфейс для приготування будь якого типу продукції, незалежно від рецепту?

ISA 88 саме про це!

1-ший принцип ISA-88

керування технологією приготування продукту

керування обладнанням для виробництва

послідовність та технологічні параметри приготування конкретного типу продукту і конкретної партії:

"нагріти до 50 °С" але не "відкрити клапан пари TV1 на 100%"

керування конкретним обладнанням:

"відкрити клапан TV2" але не "приготувати кефір"

не думайте про це як неділиме ціле!

RECIPE (рецепт) EQUIPMENT (обладнання)

розділення типів керування: функції керування технологією приготування продукту і функцій керування обладнанням

Recipe & Equipment

• створенням рецепту і системи керування обладнанням займаються різні люди

• ISA-88 описує механізм як взаємодіють рецепти і системи керування обладнанням

декомпозиція + агрегатування

2-ий принцип ISA-88

декомпозиція + агрегатування

Структуризація (модульність) і технологічного процесу і обладнання

декомпозиція процесів декомпозиція обладнання

"Фізична" модульність (основи)

підприємство виробнича площадка ділянка

технологічна комірка

апарат агрегат модуль

керування

3-й принцип в ISA-88

ISA 88 розроблений для будь яких систем: - повністю автоматичних - напівавтоматичних - повністю ручних

Recipe (рецепт, рецептура, регламент…)

необхідний набір інформації, що унікально ідентифікує виробничі вимоги для конкретного продукту

1. Заголовок (Header) – ідентифікатор, автору, номер версії, історія редакцій, дозволи і короткий опис процесу 2.Вимоги до обладнання (Equipment Requirements) – інформація про конкретне обладнання, необхідне для створення партії або про частини партії 3.Процедура (Procedure) – стратегія проведення процесу: кроки рецепту або "інструкції" що надається системі керування або оператору 4.Формула (Formula) : • входи процесу (інгредієнти, кількість), • параметри процесу (температуру процесу,

швидкість передачі інгредієнту, швидкість змішування)

• виходи процесу (продукт і його кількість, що отримується з однієї партії)

5. Інша інформація

процедура + формула + вимоги до обладнання/ресурсів

Загальний вигляд визначення процедури рецепту

Приклад рецепту (морозиво)

суміш приготовлена

ароматизація завершена

пінта наповнена

упаковка завершена

Зробити суміш

Ароматизувати суміш

Заповнити пінту

Упакувати

змішування завершено

Пастеризація завершена

Змішати інгредієнти

Пастеризувати

Добавити воду Добавити

стабілізатор Добавити

підсолоджувач

Добавити молоко

Добавити вершки

відправити в пастеризатор

Добавити яйця

перемішувати

Процедура комірки

Процедура апарату

операція

етап

Фізична модель обладнання

• Підприємство (Enterprise) • Виробнича площадка (Site) • Дільниця (Areas) • Технологічна комірка (process cell) • Апарат (Unit) • Агрегат (Equipment Module) • Модуль керування (Control Module)

ISA - 95

ISA - 88

Process cell

Технологічна комірка (process cell) вміщує в собі обладнання, яке необхідне для створення партій. • партія в межах однієї комірки • технологічні комірки можуть мати більше ніж одну лінію (train),

тому обладнання, що використовується для кожної окремо називають шляхом (path).

• може створювати декілька партій одночасно

Приклад технологічної комірки з 2-ма апаратами на 1 лінію

одна партія - різні процеси

Unit (Апарат)

Апарат (unit) - набір пов'язаних модулів керування та/або агрегатів та іншого технологічного обладнання, в яких можуть бути проведені один або більше основних процесів обробки. • може виробляти всю партію • може виробляти частину партії • може робити деякі процедури апарату для партії • НЕ може оперувати з декількома партіями одночасно

Хороший спосіб виділення апарату - виконує процедуру апарату.

Приклад Є апаратом Не є апаратом

Бак для змішування √

Реактор √

Насос √

Ємність збереження інгредієнтів √

Миюча машина √

Холодильник √

Посудомийна машина √

Агрегат (Equipment Module)

Агрегат (Equipment Module, EM) : • може виконувати кінцеве число

конкретних незначних дій процесу • агрегати завжди виконуються якесь

процедурне керування (на відміну від модулів керування)

Equipment Module Control Module

Виконує процедурну (послідовну) логіку Забезпечує тільки базові функції керування (оперує

станами)

Підключається до обладнання через модулі

керування Безпосередньо з’єднаний з обладнанням

Зазвичай використовується для загального

доступу Не часто використовується для загального доступу

Може вміщувати модулі керування та інші

агрегати Може вміщувати тільки інші модулі керування

межа процес - обладнання

Модуль керування (Control Module) Модуль керування (Control Module, CM) : • набір датчиків, ВМ, інших CM і обладнання зв’язаного з ним, які з точки зору

керування, функціонують як єдине ціле • забезпечує пряме "підключення" процесу через виконавчі механізми та датчики. • отримують команди (відкрити, закрити, запустити, зупинити/запустити насос з

витратою 40 м3/год): • НЕ вміщують процедурного керування • переводять обладнання в стан (такі як відкривання, закривання, виконання, зупинка

або набір швидкості) • можуть надавати інформацію (наприклад, плинний стан або умова тривоги): status

Модуль керування (Control Module)

Режими (Modes) : • автоматичне керування; • ручний режим • імітаційний режим,

Дозволи (Permissives) Логіка зміни станів (State transition logic) – автомат станів. Логіка виявлення помилок та відмов (тривоги) (Error detection and failure logic (alarms)) – забезпечує зворотній зв'язок по експлуатації пристрою..

Приклад фізичного структурування

Апарат Агрегат Розміщується як

основне обладнання Розміщується як додаткове

обладнання Може бути запущено

декілька процедур

(виконання етапів)

одночасно

Як правило виконується

тільки одна процедура

(етап)

Може отримати різні

рецепти для кожного

продукту

Ті ж команди незалежно

від продукту

Самодостатній Як правило пов'язаний з

апаратом Може спілкуватися з

іншими апаратами і

загальними ресурсами

Отримує запити і команди,

тільки відповідає

Варіанти зв'язування (1)

Recipe Unit Procedure

Operation

Phase

is an

ordered set of

Control Recipe

Procedure

is an

ordered set of

is an

ordered set of

Recipe Procedure

Equipment

Phase References

Recipe

Recipe

Equipment

Control

як мінімум етап реалізований в

апаратурному об'єкті

етап рецепту просто посилається на етап

обладнання

Режими

Режим(Mode) Поведінка (Behavior) Команда (Command) Автоматичний (Процедурне керування)

Як тільки будуть виконані відповідні умови переходи всередині процедури переходи проводяться відразу

Оператори можуть призупинити послідовність, але не можуть форсувати переходи

Автоматичний (Базове керування)

Апаратурні об’єкти самі виконують свої алгоритми керування

Обладнання не може керуватися оператором безпосередньо.

Напівавтоматичне (тільки процедурне)

Після того, як відповідні умови переходу виконалися, переход всередині процедури здійснюються після відповідної ручної команди

Оператори можуть призупинити послідовність або перенаправити виконання на відповідний пункт. Переходи не можуть бути форсовані.

Ручний (Процедурне)

Процедурні елементи всередині процедури виконуються в порядку, встановленому оператором.

Оператори можуть призупинити послідовність або форсувати переходи.

Ручний (Базове керування)

апаратурні об’єкти не виконують свої алгоритми керування

апаратурними об’єктами можна маніпулювати безпосередньо оператором.

Режим (Mode) - визначає як процедурний елемент або апаратурний об'єкт працюють і реагують на команди

Режим процедурних елементів – як відбувається перехід (автоматичний, напівавтоматичний, ручний)

Режим апаратурних об'єктів (базового керування) – хто керує виконавчим механізмом (автоматичний, ручний)

Hold Start

Restart

Stop Abort

Reset

Reset

Reset

Restarting Holding

Running

Stopping Aborting

Pausing

Resume

Pause

Aborted Stopped

Paused

Held Complete

Final States

Quiescent States

Transient States

Idle (Initial State)

Стани

Керівна діяльність (Control activity model)

Керування рецептами

Планування і складання графіку виробництва

Керування виробничою інформацією

Керування технологічною коміркою

Керування Апаратом

Керування Процесом

ISA 88 – як модель маленького виробничого підприємства ISA-95