Основи ISA-88

Олександр Пупена (pupena_san@ukr.net)

доц. ІАСУ, Національний університет харчових технологій Модератор форуму АСУ в Україні (www.asu.in.ua)

1

Про доповідача

Олександр Пупена

- доцент ІАСУ Національного університету харчових технологій (НУХТ)

- координатор вузів в АППАУ

- адміністратор www.asu.in.ua

- програміст АСУТП (PLC, SCADA)

- …

- початківець у вивчені MES/ISA95/ISA88

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

це все автоматизація! на скільки готові до цього ви?

?

?

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);

Неперервне (Continuous )

- неперервний потік матеріалу через обладнання: неперервний вхід сировини та вихід продукції (наприклад цукрове виробництво)

- дуже велика кількість (тривалість) виробництва

- однакова технологія виробництва

- основні діяльності керування – регулювання, інколи послідовні операції

- задані технологічні параметри змінюються тільки із-за причин зміни сировини, зовнішнього середовища…

- основні зміни при пуску, зупинці, нештатних ситуаціях

- сировина в процесі виробництва практично не ідентифікується

ISA 106: TR – 2013 запуск стандарту - 2015 …

Дискретне (Discrete )

- виготовлення окремих речей (наприклад автомобілі, техніка)

- на різних етапах потребує синхронізації, підрахунку, послідовних дій, блокування, обробки матеріалів …

- технологія не змінюється протягом довгого часу з початку виробництва продукції

- потребує за весь період виробництва велику кількість сировини і виготовлює продукцію великими партіями (lot)

- сировина зберігає свою індивідуальність навіть на виході (деталь ідентифікується)

Періодичне (batch – порційне, малосерійне, рецептурне…)

- великий асортимент продукції але у відносно малих кількостях (партіях - batch) за обмежений період часу (пивоварне, молочне виробництво)

- кожна партія за окремим регламентом (рецептом)

- на різних стадіях приготування партії процес потребує багато різних діяльностей як синхронізація, підрахунок, послідовностей, блокування, обробки матеріалу, регулювання…

- матеріальний потік може змінюватися від партії до партії і навіть в межах партії

- вхідна сировина не зберігає свою індивідуальність

- одне і те ж обладнання для різних типів продуктів

Подвійна натура batch

- як неперервне: регулювання, відсутність можливості ідентифікації сировини…

- як дискретне: послідовність операцій, синхронізація …

- НЕ неперервне (обмежений час, обмежена партія)

- НЕ дискретне (розмежування між партіями, але не між деталями)

+ =

Batch Варіант 1

• Один продукт • Фіксована послідовність виробництва • Фіксовані технологічні параметри – немає змін

Batch Варіант 2

• Багато типів (асортименту) продуктів • Фіксована послідовність виробництва • змінні технологічні параметри

Batch Варіант 3

• Багато типів продуктів • багато послідовностей виробництва & наборів параметрів • один реактор або одна послідовність реакторів, • фіксований шлях

Batch Варіант 4

• Багато продуктів • багато послідовностей виробництва & наборів параметрів • багато реакторів і динамічних груп обладнання

найбільш гнучка (економічно вигідна)

але найбільш складна в керуванні

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 загальні ресурси?

• як обробляти помилки проходження процесу (не обладнання!) в залежності від типу продукту?

• як модифікувати технологічну послідовність під час вироблення партій?

• як ефективно планувати використання наявного обладнання?

• як досягнути планового часу виробництва партії?

• як врахувати особливості виготовлення партії наступного разу?

• як розробити ефективний та універсальний інтерфейс для приготування будь якого типу продукції?

ISA 88 саме про це!

Серія стандартів ISA-88

• ANSI/ISA–S88.01–1995 Batch Control Part 1: Models and Terminology

• ANSI/ISA-S88.00.01 Batch Control Part 1: Models and Terminology (Update 2010)

• ANSI/ISA–88.00.02 Batch Control Part 2: Data Structures and Guidelines for Languages (2001)

• ANSI-ISA-88.00.03 Batch Control Part 3: General and Site Recipe Models and Representation (2004)

• ANSI/ISA-88.00.04 Batch Control Part 4: Batch Production Records (2006)

• ANSI/ISA-88.00.05 Batch Control Part 5: Implementation Models & Terminology for Modular Equipment Control

• ISA-TR88.00.02 Machine and Unit States: An Implementation Example of ISA-88 (2008)

• ISA TR88-95.00.01 ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together

http://asu.in.ua/viewtopic.php?f=258&t=1110

https://en.wikipedia.org/wiki/ISA-88

ISA 88 перевірений, методика розвивається і деталізується

1-ший принцип ISA-88

технологія продукту обладнання 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 технології 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) : • описує входи процесу рецепту (інгредієнти,

кількість), • параметри процесу (температуру процесу,

швидкість передачі інгредієнту, швидкість змішування)

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

5. Інша інформація процедура + формула

Recipe entity

Recipe (general recipe, site recipe)

Загальний рецепт (general recipe) - на рівні компанії: • визначає сировину, • її кількість • необхідну обробку • без посилання на обладнання • без посилань на місце виробництва • створюють технологи компанії Місцевий рецепт (site recipe) – на конкретній виробничій площадці (заводу, фабрики): • може походити від загального рецепту • для задоволення конкретних умов або

обмежень місця виробництва продукту • мовна локалізація • сировинна локалізація • місцеві обмеження (на переробку та

збереження, стандарти)

Recipe (general recipe, site recipe)

Майстер рецепт (master recipe) - область технологічного процесу: • може походити від загального

або місцевого рецепту; • локалізований до конкретного

обладнання • є обов’язковим для реалізації

керівного рецепту (control recipe). • є шаблоном для рецептів, що

використовуються для створення окремих партій (control recipe)

Керівний рецепт (control recipe) - для створення конкретної партії: • походить до майстер рецепту • змінюється до потреб конкретної партії:

• об’єму партії • характеристик сировини • фактичне обладнання

• кожна партія має унікальний керівний рецепт, можуть відрізнятися тільки ID

• відслідковується і архівується

Процесна і процедурна моделі

Процесна модель (Process Model) • для загального та місцевого рецепту • зосереджена на описі функціональності процесу

замість опису обладнання

Процедурна керівна модель (Procedural Control Model) • для майстер рецепту та керівного

рецепту • фокусується на описі процесу по

відношенню до фізичного обладнання

Cell Procedure, Unit Procedure

Процедура комірки (procedure, cell procedure): • визначає загальну стратегію для

створення партії; • складається із упорядкованого набору

процедур апарату; Процедура апарату (unit procedure): • упорядкований набір операцій

(operation) в одному апараті до їх повного завершення;

• тільки одна процедура апарату в одному апараті в один момент часу

• декілька процедур апарату можуть виконуватися одночасно в різних апаратах

Operation, phase

Операція (operation): • впорядкований набір етапів (phases),

доведений до кінця в єдиному апараті • наприклад набір матеріалу, обробку його

через деякий тип фізичних, хімічних або біологічних змін

• тільки одна операція є активною в конкретному апараті в один і той же час.

Етап (phase) – найменший елемент процедурного керування: • виконують унікальні і зазвичай незалежні, базові процес-

орієнтовані на базові функції, наприклад: • завантаження інгредієнта • перемішування в танку

• єдиний елемент який виконує конкретні дії, інші (процедури, процедури апаратів і операції) - це прості групи, що організовують і направляють на виконання етапи.

Recipe Representation

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

Process cell

Технологічна комірка (process cell) вміщує в собі обладнання, яке необхідне для створення партій. • 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

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 рецепт.

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) : • може виконувати кінцеве число

конкретних незначних дій процесу • агрегати завжди мають певне

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) : • набір датчиків, виконавчих механізмів, інших модулів керування 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): • 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

Equipment Entity Model (2010) Апаратурні об'єкти

Зв'язування рецептів з обладнанням

розробляє (адаптує) технолог

заводу

розробляє програміст

розробляє технолог компанії

все процедури, але на різних рівнях

Зв'язування рецептів з обладнанням

в рецепті

в обладнан

ні

Зв'язування рецептів з обладнанням (варіанти)

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

Зв'язування рецептів з обладнанням (варіанти)

Control Recipe

Procedure

Recipe

Procedure

Equipment

Phase

References

Equipment

Operation is an

ordered set of

Equip. Unit Procedure

is an

is an

Equipment Procedure

Equipment

Control

в апаратурному об'єкті може бути реалізована вся процедурна ієрархія

Зв'язування рецептів з обладнанням (мультирівнева архітектура)

може бути комбінована реалізація

Зв'язування рецептів з обладнанням (потоки)

двосторонній зв'язок рецептів і апаратурних об'єктів!

керівний рецепт зберігає історію процесу

Phase Interface Logic

Recipe Phase

Equipment Phase

Phase Interface

Logic

Parameters Requests

States Commands State

Machine

Phase Object

Start

Hold

Pause

Resume

Restart

Abort

Stop

Reset

Run

Held

Paused

Stopped

Aborted

Completed

Idle

Parameters

Control

Steps

Control

Action

Status

Running

Aborting

Holding

Pausing

Stopping

Data

Collection

Requirements

Data

Restarting

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)

Example Procedural Element States

ISA-88 та ISA95

ISA 88 – філософія інженера

• програмісту АСУТП – повністю

• програмісту MES, АСУП - повністю

• проектанту АСУТП - ази

• технологу - ази

• керівні посади (головні інженери, технологи, механіки) - ази

Питання слухачам

• на скільки Ви знайомі з ISA - S88 та S95, з якими частинами?

• які приклади реалізації в Україні знаєте? за кордоном?

• чи готові приєднатися до обговорення локалізації в Україні?

• чи зацікавлені в реалізації?

• чи вважаєте Ви за потрібне реалізовувати ISA - S88 на вашому підприємстві, чи в ваших системах?

• чи корисною для вас була ця інформація?

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!

обговорення:

www.asu.in.ua

https://www.facebook.com/groups/asu.in.ua/

https://www.facebook.com/groups/MES.in.ua/

https://www.facebook.com/groups/appau/

https://www.linkedin.com/grp/home?gid=3914892

Посилання

Batch Management and Control / Ashutosh Kshirsagar Title – Global Process Technical consultant Date – 11th February 2015

http://www.iasu-nuft.pp.ua/statti/s88-01-tutorial

Batch Control Using the ANSI/ISA-88 Standard Dennis Brandl BR&L Consulting