[科普中国]-批量控制

DCS批量控制概述

随着近年全球经济的发展和现代工业的日新月异，批量生产过程已成为现代工业生产过程的一个重要分支，特别是在精细化工生产中已被广泛采用，因而，对批量控制的可操作性、可靠性及监控水平等各方面也提出愈来愈高的要求。随着批量控制系统标准 ISA S88 的制定，近十年来批量控制技术得到了很大的发展，各过程控制及自动化系统公司都纷纷推出了集成于过程控制系统（DCS）的批量控制软件。这些批量控制软件遵循 ISA S88 标准，从配方的计划到设备控制，从简单的顺序控制到多产品多流量的混合控制，都使得在精细化工装置中的批量控制更易于实现。

精细化工工艺的特点在工业过程中，精细化工的生产过程多为典型的批量生产过程，在生产技术上具有以下共同特点：

（1）精细化学品的品种繁多，有：无机化合物、有机化合物、聚合物以及它们的复合物。精细化工生产过程与一般连续化工生产不同，它的生产全过程，不仅包括化学合成（或从天然物质中分离、提取），而且还包括剂型加工和商品化。其中化学合成过程，多从基本化工原料出发，制成中间体，再制成表面活性剂、染料、添加剂等各种精细化学品。

（2）大多以间歇性方式小批量生产。生产流程较短，规模较小，单元设备投资费用低，需要精密的工程技术。

（3）原料和产品种类多、更新快，对产品纯度和品质要求高，多为专利技术，垄断性强，对控制要求特别高。

批量控制的技术发展及特点批量控制的技术发展

在早期的精细化工生产中，批量控制一般由高精度的流量计、批量控制器及精密控制阀门组成。流量计和控制阀装在物料管道上，测量和控制物料；批量控制器装在控制盘、台上，通过和继电器、手动操作开关的配合来控制批量生产的实现。这样的批量控制可以实现产品简单的配料自动化，也在一定程度上提高了配料的精度和速度。但随着精细化工产业的快速发展，在产业结构上出现了明显的变化，即由大批量、少品种生产方式向小批量、多品种生产方式转变，并需要根据市场的变化及时调整产品种类。

面对这些新的生产变化，原有的批量控制遇到了一些技术难题。首先，数量多达几十种甚至上百种的原料和产品令配方的复杂程度大大增加了，原有批量控制器的处理能力无法满足要求；其次，产品种类的不断调整，导致配方程序修改的难度和工作量都有所增加。同时，随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的不断发展，对于工业控制功能集成化、标准化的要求也越来越高。

美国仪表学会（ISA）在 1995 年 7 月针对批量控制制定了专门的标准 ISA S88。1997 年 8 月，它被国际电工委员会 IEC 采纳定为国际标准。该标准定义了一系列的技术术语和模型，以满足批量生产厂的控制需要，也让批量控制的发展步入一个崭新的台阶。

批量控制的技术新特点：

（1）依托成熟的计算机技术，从传统批量控制器到利用控制器、服务器，从简单的固化程序到模块化的程序控制软件，从以硬件为主的实现方式升级为硬件和软件共同作用、软件为主导的方式。

（2）减少了批量控制执行的硬件环节（如：继电器等），降低了系统中的硬件故障率。

（3）作为数据管理软件，集成于过程控制系统（如：DCS）中，与工厂管理网中的 ERP 等系统相连接，具有一定的开放性。

批量控制中的专业术语和基本模型ISA S88 中批量生产过程的定义是：将有限量的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工以获得有限量的产品的加工过程，简言之，以顺序的操作步骤进行批量产品生产的过程称为批量生产过程。该标准定义了过程模型、物理模型和程序控制模型以及相关的术语，虽然三者从不同角度描述了批量过程，但它们是相互关联的。程序控制模型中的元素与物理模型中的相应元素相结合，便实现了过程模型中相关的生产任务。

过程模型把批量过程分为过程（process）、过程阶段（process stage）、过程操作（process operation）和过程动作（process action）四个部分。过程动作是批量过程中最小的加工活动；过程操作是由一个或几个过程动作组成的比较大的加工活动，它通常会使待加工的物料发生化学或物理变化；过程阶段是由一个或几个过程操作组成的、相对独立的加工活动；过程由一个或几个过程阶段组成，最终完成一次批量生产。

物理模型用来描述批量生产中的设备，分为过程单元（process cell）、设备单元（unit）、设备模（equipment module）和控制模块（control module）四层。其中，控制模块由一组传感器、激励装置和其他控制模块组成，完成一个基本的控制活动；设备模块由完成一个简单任务的某些控制模块组成；设备单元由生产过程中完成某一特定任务的设备模块和控制模块构成；过程单元则包括批量生产中所有的生产操作设备和辅助操作设备。

在批量生产中，产品的加工是按配方规定的顺序及操作参数进行的。配方由批量执行机构实时执行，它包含某一特定批量生产中与产品相关的所有信息，包括产品的原料配比和产品生产的工艺信息。配方由标题、公式、设备要求、程序及附加信息组成。其中程序是配方中最重要的一部分，根据 ISA S88 中的程序控制模型，配方中的程序由上至下分为程序（program）、设备单元程序（unit program）、操作（operation）和阶段（phase）四个层次。其中，阶段是程序控制模型中最基本的构件，它包括对元器件的离散控制、调节回路和联锁保护。若干个阶段则组成操作，它定义了一个主要的、能够使被加工的物料发生化学或物理变化的加工顺序。在一个单独的设备单元中的一组按顺序执行的操作则组成该设备的单元程序。最后，由设备单元程序按照规定的操作顺序来完成整个批量生产的程序。

精细化工工艺中 DCS 批量控制的实现某间歇性生产的工艺流程和特点

以某一间歇性生产活性剂的精细化工装置来说明，基于 ISA S88 标准的 DCS 批量控制是如何实现配方的批量控制。此装置以 10 多种氧化物和催化剂为主要原料，生产 8 大类近 40 个牌号的产品，配方数量约为 40 种，生产流程简要概括如下：当需要生产某种牌号的产品时，将相应的引发醇从装置中间罐区输送到反应釜中，边搅拌边加入一定量的催化剂，生成引发醇的钾盐。向反应釜充入惰性氮气，加压加热反应釜。保持反应釜内的反应温度，在一定时间内向反应釜中连续加入氧化物的混合物（取决于所需要的产品）。在加入氧化物同时，保持一定的反应压力。反应结束后，释放反应釜内压力，同时冷却反应釜。中和后的反应产物，经换热器冷却换热后，用泵抽出。产品经分析合格后，通过不同渠道输送出厂，从而完成一个批次产品的生产。

反应釜作为工艺流程中最重要的工艺生产单元，实现批量配方的关键控制都集中在反应釜中，需以较高的自动化程度来实现预先设定好的反应步骤，要对温度、压力等重要参数进行严格的调控，由于工艺条件精密、控制程序多变，无法通过简单的回路控制实现，针对以上难点，该装置选用了集成于 SIMATIC PCS7 的Simatic Batch 批量控制软件。

批量控制实施步骤

在项目实施阶段，运用此软件按照物理模型进行设计、组态和集成，完成系统功能。首先在进行工艺分析的基础上，对和反应釜相关工艺流程中的设备进行划分和组合。本着平衡灵活性和简单原则，定制相应的流程功能组，也就是基于子设备的思想Unit 中分解EM。在完成物理模型的定义后，在配方编辑器（Recipe Editor）进行反应釜单元配方程序的编辑。该编辑器采用图形用户界面，使配方编辑工作简单易行，按照工艺流程来搭建配方程序组织架构，根据配方程序框图来调用设备模块，同时，建立配方参数和公式来完成主配方（Master Recipe）和库的创建以及修改。在生产、操作周期，通过批生产控制中心（Batch Control Center）来实现配方的运行、管理以及修改。比如生产1# 牌号产品，该程序便启动主配方（Master Recipe）库中1# 牌号对应的配方，将配方公式和参数加载配方程序中，程序启动并运行至阶段层时，相应的控制模块和设备模块会按照之前的配方参数，控制图2 中设备单元中相关的设备，从而实现该批次的批量生产，也就是完成了一次控制配方（Control Recipe）的执行。配方程序中“催化剂反应”单元操作相对应的程序功能图，该程序通过对控制器中搅拌、反应等设备阶段的调用，来完成指定的单元操作。

若生产其它牌号的产品，则按同样方式启动相应配方程序，即便是多达30-40 种的配方均可方便地完成产品批次的转换。在需要生产新牌号的产品时，在配方编辑器中利用已建立好的主配方程序，序和相互关系，从而完成新配方的生成。这体现了ISA S88 标准中配方与设备相分离的原则，配方作为程序控制用来规定操作顺序的，创建配方时不需要关系设备的内部逻辑，在修改配方时也没用必要对物理设备的控制逻辑进行重新编程或组态，只需改变程序功能图中各步之间的链接顺序或者通过公式改变配方参数即可，有效地减小了配方维护的难度，体现了批量控制柔性化的特点。

DCS 批量控制的几点优势

经过 Simatic Batch 在此装置的实际应用后，证实基于 ISA S88 标准的批量控制软件在以下几个方面具有明显的优势：

（1）产品特性描述在配方中，可随时生成、更改产品配方，快速响应原料、市场变化；

（2）基于“类”的软件组态，可反复使用类组件，使组态工作量大大减少；

（3）在不影响正常生产的条件下就可以在线修改控制配方，提高了配方生产的时效性；

（4）生产报表和历史记录便于产品质量分析和质量管理，提高产品质量稳定性；

（5）集成于分散控制系统之中，在硬件和软件上都具有灵活扩展性。

DCS 批量控制的应用体会

通过在该装置 DCS 批量控制的工程实践，总结出几点应用体会：

（1）DCS 批量控制需依托主系统 DCS 的硬件，如输入输出卡件（I/O 卡件）、控制器（CPU）等，来实现对现场仪表信号的采集，在系统配置时需和DCS 一起考虑。

（2）因软件中以大量的模块和程序框图为主，非常占用系统内存，对硬件配置有相当高的要求，需要在 DCS 系统设计时多加注意，否则会给程序运行的速度带来很大影响。

（3）由于批量控制主要靠软件程序来实现，软件的工程费用在系统费用中占有很大的比重，因此，在系统软硬件配置和采购过程中，需要买方和卖方共同合作，买方尽可能地提供详尽的工艺流程和要求，以便于卖方对组态编程的软件工程量和工程费用有准确的判断，从而更好地控制项目成本。

（4）批量控制软件以操作站的形式通过以太网接口直接连在工厂控制网络中，无需额外的通讯协议，与网络上其他系统单元的数据传输速度快、实时性强。

结论从已投入运行的本精细化工装置的实际情况表明，基于 ISA S88 批量控制软件的控制系统稳定性强、可操作性好，提高了产品合格率、产品质量，可根据市场变化进行产品更换，新产品试制时间大幅度减少，产品灵活性大大提升，并提高了生产效率，大大减轻了维护人员的劳动强度，方便了生产管理，取得良好的经济效益和社会效益，得到了操作人员和管理人员的普遍欢迎。同时，Simatic Batch在过程控制领域中成熟的使用经验和良好的应用业绩，也证明 DCS 批量控制在精细化工领域具有更加广阔的发展前景。1

DeltaV系统的批量控制概述批量生产过程是现代工业生产过程的一个重要分支, 在精细化工、制药和食品等生产中都广泛采用了批量生产过程。随着批量控制标准的制定,近10年来批量控制技术得到了很大的发展, 各个过程控制及自动化系统的供应商也都推出了自己的批量控制软件。该文以艾默生过程控制有限公司的DeltaV 批量控制软件为例, 阐述了批量控制标准中的基本模型和关键技术,介绍了在该系统中阶段的实现方法,最后,以某染料生产过程中pH控制为例, 详细论述了批量控制关键技术的具体应用。

批量控制中的基本模型和关键技术批量生产过程是将有限量的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工以获得有限量的产品的过程。目前, 研究批量控制的一个重要的参考资料是由美国仪表学会(ISA)颁布的ISAS88。为满足批量生产厂的控制需要,该标准定义了一系列的模型和技术术语, 正确理解这些模型和术语将有助于更好地设计批量生产过程。

ISAS88标准定义的过程模型、物理模型和程序控制模型以及相关的术语, 非常强调良好的工厂设计和操作实践。虽然3种模型从不同角度描述了批量过程,但它们是相互关联的。程序控制模型中的元素与物理模型中的相应元素相结合,便实现了过程模型中相关的生产任务。过程模型把批量过程分为过程(Process)、过程阶段(ProcessStage)、过程操作(ProcessOperation) 和过程动作(ProcessAction)。过程动作是批量过程中最小的加工活动。过程操作是由一个或几个过程动作组成的比较大的加工活动, 它通常会使待加工的物料发生化学及物理变化。过程阶段是由一个或几个过程操作组成的、相对独立的加工活动。过程由一个或几个过程阶段组成, 最终完成一次批量生产。物理模型用来描述批量生产中的设备,分为过程单元(ProcessCel)、设备单元(Unit)、设备模块(EquipmentModule)和控制模块(ControlModule)4层。其中,控制模块由一组传感器、激励装置和其他控制模块组成,完成一个基本的控制活动。设备模块由完成一个简单任务的某些控制模块组成。设备单元由生产过程中完成某一特定任务的所有设备模块和控制模块构成。过程单元则包括批量生产中所有的生产操作设备和辅助操作设备。

在批量生产中, 产品是按配方规定的加工顺序及操作参数进行生产的。配方由批量执行机构(BatchExecutive)实时执行, 它包含某一特定批量生产中与产品相关的所有信息,包括产品的原料配比、产品生产的工艺信息。配方由标题(header)、公式(formula)、设备要求、程序及附加信息组成。其中程序部分是配方中最重要的一部分, 它规定了一种产品生产的通用策略, 包括必需的生产操作以及顺序、相应的控制要求。根据ISAS88中的程序控制模型, 配方中的程序由上到下分为程序(Proce-dure)、单元程序(UnitProcedure)、操作(Operation)和阶段(Phase)4个层次。其中, 阶段是程序控制模型中最基本的构件,它包括对元器件的离散控制、调节回路和联锁保护。选择和组合阶段, 构成在一个设备单元内进行产品批量生产的单元操作, 进一步组合单元操作就构成了单元程序, 最后由单元程序生成完成整个批量生产的程序。

S88给系统工程师提出了设计批量控制系统的指导原则,那就是配方与设备控制程序相分离。这里所说的分离,指的是配方的设计与设备控制程序的设计相互独立。将设备控制程序设计成一种相对固定的模块,这种模块被称为设备的程序元素。配方与设备控制程序仅仅在控制配方的程序元素与设备的程序元素之间实现结合,在其他方面两者不存在直接联系。配方的程序元素与设备要求这两项信息保证控制配方独一无二、不产生歧义地关联到某一特定设备的程序元素。

DeltaV系统严格遵循S88, 将设备阶段作为设备的程序元素, 配方阶段作为配方的程序元素。阶段是一系列有序组合的步(Step), 用来使一个或者多个设备完成面向过程的动作, 例如加料、搅拌等, 阶段之间相对独立。换言之,阶段是设备控制程序的封装,它对配方屏蔽了设备控制程序。配方阶段是阶段在配方中的副本, 作为配方的程序的最小元素而存在,它只包含阶段的部分信息,例如该阶段的功能描述、状态参数等, 不包含阶段的具体实现部分。在批量执行期间, 控制配方的程序运行到相应的配方阶段时,配方阶段触发控制器中的设备阶段的执行,阶段接收来自配方的参数或系统的操作命令,控制物理设备完成具体的生产任务,另外还在执行期间向系统发出请求或报告,保持配方阶段与设备阶段的状态一致。

DeltaV系统中阶段的实现对于FF来说,功能块(functionblock)是组成控制应用的逻辑单元,所有控制应用都是由一个或多个功能块的组态连接构成。为了实现批量控制的阶段, DeltaV系统为阶段定义了6个由多个功能块组成的复合块(composite), 每个复合块完成某一特定的过程任务。此外DeltaV系统还允许用户自定义功能块或复合块, 所有这些复合块或功能块都是DeltaV系统实现阶段的基础。为了实现批量过程的顺序操作,有效控制程序的执行, 以便在发生设备错误之后能够进行精确定位, 达到工艺的可预见性和可控制性, DeltaV系统为阶段引入了状态转换逻辑和操作命令,操作命令控制状态之间的转换。在静止状态或最终状态下阶段并不做任何动作,所以这里重点介绍5种过渡状态,也被称为转换逻辑。

在一个阶段的运行条件不满足的情况下,使该阶段进入Held状态等待条件的成熟。该逻辑保证了在故障发生时现场设备的安全。重新开始(Restarting), 激活Held状态的阶段,使该阶段重新开始运行。由图1中Restarting复合块实现。中止(Aborting), 非正常情况下终止一个阶段的运行。一个阶段只有在收到ABORT命令之后才执行该逻辑, 使得阶段从Running状态最终转换到Aborted状态。停止(Stopping),在阶段的运行并未结束(正常进入Complete状态)之前终止运行。一个阶段只有在生产事故而采取的紧急措施;停止属于对阶段的正常操作,例如在需要对工艺进行手动调节的场合。

以上5种转换逻辑通过编程实现,程序判断所接收的命令进而决定进入哪种转换逻辑, 执行必要的顺序处理, 完成后设定相应的状态参数, 进入静止状态或者最终状态。DeltaV系统中的故障监控复合块。当阶段运行过程中不满足Running逻辑的条件出现时, 该复合块使阶段的执行由Running逻辑转为Holding,最终进入Held状态。其安全级别低于SIS(SafetyInstru-mentedSystem, DeltaV中的紧急停车系统), 但足以保障现场设备的安全。

pH控制中的应用pH值是酸碱中和反应中对溶液酸碱度的定义, 在化工厂会经常碰到pH值的控制问题,如用pH值来控制某个化学反应的终点,用pH值来控制废水的中和过程等, 但在连续系统中, pH控制由于pH值本身的本质非线性等特点, 其控制效果往往不太理想。某染料生产中的pH控制工艺简要介绍如下: 在将原料打入连续搅拌釜后,首先在线检测原料的pH值, 根据该值与期望值的偏差, 加入适量调节溶液pH值的添加剂。为使添加剂分布均匀并与原料完全反应且由于酸碱中和反应是强放热反应, 此后应对混料作搅拌和冷却处理。最后将经过以上工序的产品进行质量检测, 通过质量检测的产品输出供下一道工序使用, 如果混料的pH值还不在期望范围之内,则对混料重复以上操作。该pH控制中用CAS IN D是在CAS模式下即为DCS(Batch)控制时搅拌器的命令输入, 在AUTO模式下即为搅拌器的设定值(SP), 它是一个Boolean型参数。FV D和OUT D 分别接一个DI功能块和一个DO功能块,用于显示现场反馈值和驱动搅拌马达运转。SIMULATE IN D和INTERLOCK D分别为仿真使能参数和联锁使能参数。当配方程序运行至搅拌阶段时,下装到控制器的设备阶段开始按照配方公式所给的参数执行Running逻辑。

首先将连续搅拌釜所有的进料阀和出料阀关闭,然后启动搅拌马达, 搅拌马达开始按照配方公式所规定的搅拌速度运转, 当公式规定的搅拌时间到达后, 程序再将马达的CAS IN D参数置0,马达停止运转,搅拌过程结束。在搅拌阶段Running逻辑的运行过程中, 当有不满足Running逻辑的条件发生(例如已关闭的进料阀或出料阀由于故障又重新打开了,搅拌马达发生故障停止运转等等)时, DeltaV系统自定义的故障监控复合块FAILURE MONITOR会在100ms内做出反应,使阶段执行Holding逻辑,最终进入Held 状态,从而保证了现场设备的安全。当搅拌阶段的FAILURE MONITOR模块中CND条件块中的条件为真时, BLOCK功能块中的源代码会使阶段进入Holding的运行逻辑, 而FAIL MESSAGE功能块则将最先发生故障的设备找出。操作员可以在阶段的细节面板上看出发生故障的设备, 实时排除故障并重新启动(Restarting)阶段。

阶段是相对固定的程序单元,它在控制器中一般不再需要更改。有了阶段之后,就可以创建pH控制的配方程序。各配方阶段的参数,例如原料种类、用量、搅拌的速度、持续时间等, 由配方的公式给定。可以看到,配方程序很简洁,事实上,配方所给定的关键信息是阶段的名称和阶段之间的关系,并不涉及到阶段的内部实现逻辑(也就是设备的控制程序部分),因为这部分在阶段被设计好以后就不需要改动了。在遇到需要修改生产工艺的情况时,如果是工艺参数需要改动,只要在配方中的公式一项做相应的修改就可以了;如用现有的阶段在需要改动的地方做替换,或者改变阶段之间的连接,如果有必要,还可以根据工艺要求开发新的阶段。工艺工程师在不必了解具体设备控制细节的情况下,通过对配方阶段进行简单的拖拽和连接, 并填写原料组分、过程参数等相应的参数,就可以独立开发能够被控制系统执行、实现批量生产的控制配方。

结束语批量控制是一个范围很广的系统性问题, 还有其他一些方面尚待研究,例如生产的计划与调度、设备的动态分配等, 完成对阶段的研究是实现批量控制的基础。DeltaV批量控制软件源于几十年来艾默生过程控制有限公司在过程控制领域中取得的丰富经验,已成功应用于医药、食品及石化行业。从已投入运行的生产系统的实际情况表明,基于DeltaV批量控制软件的控制系统稳定性强、可操作性好,其生产效率、产品合格率、产品质量在国内外同行业都处于领先地位。2

批量控制的阶段控制1 概述工业生产过程根据工艺流程特点及产品输出方式可分为:连续生产过程、批量生产过程和离散生产过程。批量生产过程是按照顺序的操作步骤进行批量产品生产的过程。批量生产过程即间歇生产过程,广泛应用于精细化工、食品饮料、生物医药和农药化肥等部门。近年来,随着工业结构的调整,由大批量、少品种的生产方式向小批量、多品种转变,采用批量过程的企业为了尽快开发新产品以保持市场竞争力, 要求控制系统也具备相应的控制柔性。为了适应间歇生产周期短、更换品种容易、对多变的市场要求适应性强的特点, 美国仪器仪表学会提出批量控制标准S88,该标准提出了配方程序与设备控制逻辑的分离思想,为进一步确保批量生产过程重复性和操作柔性, 提高产品市场竞争力提供了新的技术支撑。目前,国外相继推出了自己的批量控制软件,并且已经投入到实际生产中,实现了批量控制的自动化, 如:EmersonProcess公司的DeltaV Batch、Wonderware公司的InBatch等。这些批量控制软件均具有配方管理功能。文献[ 3]应用配方管理系统,可以最大限度地提高生产工具的使用,规范生产工艺参数,避免加工产品的废品和产量的损失; 文献[ 4]基于标准中的层次结构,对电厂的安全评估软件系统进行建模,该模型可以获取更高的精度; 文献[ 5]给出了在DeltaV系统中实现配方的具体技术。但对于现有的批量控制软件由于其价格昂贵, 对于投资少的工程项目一般难以承受。本文基于批量控制标准初步尝试开发了批量控制软件,并以啤酒生产中的麦汁制备为例, 详细论述了批量控制在阶段模块的具体控制策略。

2 批量控制标准中的专业术语和模型美国仪器仪表学会ISA早在1988年就成立了一个新的批量标准委员会——— SP88,制定了批量控制的标准。ISAS88规定了批量过程必须遵守的模型和术语, 从系统的设计和硬件的分配上都进行“分层”设计, 并且得到了工业界的认可。在ISA S88中,配方(处方)的定义为:唯一的用来规定一个产品生产所需要的一系列必要的信息。它包含以下几种信息:标题、公式 、设备要求和程序 。其中, 程序规定了一种产品生产的通用策略, 包括必需的生产操作、顺序以及相应的控制要求,它是配方中最重要的一部分。在批量生产过程中,配方具有不同的形式, ISAS88标准中定义了四种类型的配方:通用配方、现场配方、主配方和控制配方。其中控制配方能够由批量服务器实时执行, 完成一次批量生产,它包含某一特定批量生产与产品相关过程的所有信息。

S88中的物理模型定义了在批量控制中涉及到的物理单元间的等级关系。这里只考虑模型中的低四级, 自顶而下分别为:过程单元、设备单元 、设备模块和控制模块 。物理模型的等级结构在一个面向对象的环境中简单明了地得以实现。 它们由工程活动来定义相应的等级结构,从而更好地匹配物理模型。在这些工程活动中, 处在最低层的控制模块是由一组传感器、执行器、其它控制模块以及相关的加工设备组成。从控制的角度来看,它既可以作为单一的实体来操作,也可由其它控制模块组合来操作。通过在较低层次的设备组合在一起,形成一个新的更高层次的设备组合。这样可以大大简化把设备当作一个单一的大块设备来操作。

S88中的程序控制模型同样是一个等级结构。它可以分为:程序 、设备单元程序、操作和阶段。阶段是程序控制模型中的最小元素,它可以实现一个面向过程的任务,如添加催化剂、加热等。程序控制模型定义了被要求的动作的层次结构,这些结构被用来顺序执行完成一个批次,控制面向设备的操作按规定的顺序发生, 以完成面向过程的加工任务。这个模型的设计使配方能够多次使用制造多种不同的产品。

在批量控制过程中,最基本的构件是阶段模块。在这些模块中可以定义一个或多个设备实体相关控制逻辑,它包括对元器件的离散控制回路、带联锁保护的控制回路等。选择和组合这些重复使用的控制方案,即在设备模块和控制模块上赋予相应的阶段程序,从而完成在一个设备单元内进行批量产品生产的相关设备的单元操作, 进一步组态这些单元操作就构成了产品生产的整个生产活动。由此可见,确切地定义并实现阶段模块是设计批处理控制策略的关键。

3 批量生产阶段控制策略传统的批量控制系统采用顺序流程来控制,一旦需要修改产品的生产工艺流程或扩大产品生产线时,就要对批量控制系统进行繁琐的修改和重新编程,影响产品生产效率。在批量控制系统中,基于S88标准的配方程序存在于工作站中, 而触发相应的生产设备使其运行的程序代码存在于PLC或DCS中。因此,可以直接在工作站中编辑和修改配方,而不用修改PLC或DCS中的代码。在批量生产过程中生产一批产品时,配方根据生产要求将配方程序元素连接到批量生产所要求的设备。由于配方程序元素链接到设备控制是在阶段级进行的,所以批量服务器处理在阶段级的连接。位于PLC或DCS系统中的阶段逻辑接口(PLI)是在批量服务器和过程控制器中阶段逻辑间的标准接口,它用于执行状态转换图规则和握手协议,从而控制设备阶段状态之间的转换。批量服务器和阶段逻辑之间使用一套标准的命令, 请求和其它的数据项来进行通信。批次生产的通讯流为批量服务器写命令到PLI, PLI写命令到阶段逻辑, 反过来, PLI接收来自阶段逻辑的命令,批量服务器接收PLI命令。这个数据结构构成配方程序和设备控制的通信接口,使批量服务器、PLI和阶段逻辑能够交换数据,并最终控制物理设备完成一个批次的执行。

位于批量服务器中的配方程序通过服务器中遵循的协议与设备阶段级进行通讯。这个协议是基于批量标准中的状态转换图所描述的一套状态转换路径规则 。状态转换中的阶段逻辑包含以下五个代码模块:运行(Running)、中止(Abor-ting)、停止(Stopping)、重启(Restarting)和保持(Holding)代码模块。它是为执行程序所在阶段级操作顺序和为检测设备实体失败所用的。在设备数据库中的设备阶段能够触发存储在过程控制器中的阶段逻辑的执行,在过程控制器中的阶段逻辑包含一些指令来控制物理设备。在阶段逻辑接口中的状态转换逻辑使阶段能够从一个状态转换到另一个状态,并且必须遵循有效的路径。

4麦汁制备过程中批量控制的实现啤酒生产中的麦汁制备是将固态的麦芽、大米、酒花用水调制加工成澄清透明的麦汁的过程, 制成的麦汁供酵母发酵,加工成啤酒。麦汁制备属于典型的批量生产过程,下面就以麦汁制备工艺为实例, 说明如何实现批量控制的阶段。

基于批量控制标准, 在批量控制系统中, 选用VisualC++作为主要的开发工具,完成在这个平台下的批量处理应用软件。批处理应用软件提供对物理模型和程序模型组态的能力,通过把PLC体系结构和过程相连设备的最佳组合来执行配方处理过程。其功能主要体现在批量控制软件的四个主要组件中,即批量控制软件的设备编辑器:通过简单地图形化,分层次描述指定物理设备,配置多个区域模型;批量控制软件的配方编辑器:通过简单的选择用图形界面显示配方,指定程序控制策略,创建与维护可重用配方的管理工具;批量控制软件的浏览器:提供一个操作员接口用于和批量控制软件的服务器进行通讯;批量控制软件的服务器:执行配方或者协调批量控制软件的浏览器与PLC体系结构或者与过程相连的设备或者组成控制过程的其他元件之间的通讯。

啤酒厂由两个生产线路100和200组成,它们是两个完全相同的装置,每个装置有两个糖化煮沸锅A和B, 1个发酵罐,操作人员选择糖化煮沸锅A 或B将物料在锅中糖化后, 卸到发酵罐中进行反应。根据生产过程, 将批量控制分为混合单元和反应单元两部分进行。在物理模型等级中,设备是以类的形式来定义并完成的。组态时为混合过程和反应过程建立两个批量控制模板, 随后在设备编辑器中建立三个UnitClass, 分别对应混合单元A和B、反应单元的批量控制 。只要组态和修改批量控制的模板, 100和200单元的阶段组态就都完成了,这样设计大大减化了组态时的工作量。确定了工艺流程之后,需要划分生产设备。在麦汁制备过程中,通过设备编辑器划分相应的设备等级, 如图5所示,糖化单元(MIXER)需要用到的主要阶段有:T加料(以吨计,如水)、kg加料(以千克计,如大米粉、麦芽粉)、搅拌、温控和出料,这里只给出阶段中T加料的实现方法, 其它阶段均可以类推。

当配方程序运行至T加料阶段时, 下装到控制器的设备阶段开始按照配方公式所给的参数执行运行(Running)逻辑。初始状态设备中的所有进料阀和出料阀关闭,进入状态后打开进料阀X100, 当液位达到临界状态时,关闭X100, 该阶段进入完成状态,加料过程结束。S88定义了一个模块化的实施方法,此方法是以一种配方相对独立的方式来定义、执行和验证各个阶段。应用顺序功能图来记录批量标准中的各个阶段逻辑状态,从而建立一个系统库来列举这些阶段,最终完成整个工程。例如:在加料阶段运行(Running)逻辑的执行过程中,当有不满足此逻辑条件的情况发生时(如进料阀因故障未开启阀门等), 批量控制系统中的故障监控会迅速做出反应, 找出发生故障的设备,并实时排除故障,使阶段执行保持(Holding)逻辑, 继而进入Held状态, 并重新启动(Restarting)阶段,从而保证了现场设备的安全。批量控制系统中的硬件是固有的模块。至于软件模块是必须执行的。S88为软件定义了正确的模块等级,从而确保了它的有效执行。这个模块等级同样为我们检修故障提供了便利,同时把系统分成若干个阶段,从而提高了模块的可重用性。在单一设备模块中出现的问题可以很快地确定下来。配方中的阶段在程序中是相对固定的单元,一旦创建,一般不再需要在其控制器中进行修改。阶段在程序模型中是最小的单元,有了阶段以后,就可以创建麦汁制备的控制配方程序。应用程序功能图创建控制配方之前, 先假定此控制配方程序仅由配方阶段组成,对于单元程序和操作级已经忽略。用功能图来表示配方逻辑,在创建之前需要定义设备要求, 即选择一个适当的设备单元。它是通过设备容量和设备单元优先权标签配置设备路径来完成的。在配方编辑器中把生产程序分成若干个小的阶段,通过这些阶段来描述批量控制的动作顺序。各配方阶段的具体参数及其逻辑关系是由配方信息中的公式给定的,如生产过程中的原料名、原料量、温度值和持续时间等。在运行程序时,每个阶段设定相应的变量来存储数据。当某一阶段逻辑完成运行逻辑时,将其变量值设置为已完成, PLI从阶段逻辑中接收命令,并设定阶段逻辑状态为已完成, 批量服务器接收PLI的命令, 并开始下一阶段的执行。每个阶段都检索相应的数据持续这个循环直到批量过程结束。

可以看到麦汁制备的配方程序很简洁, 程序中配方所给定的关键信息只有各阶段的名称和阶段间的相互关系, 并不涉及阶段的设备控制程序部分,因为这部分在阶段设计好以后一般不需要更改。当遇到需要修改生产工艺的情况时,根据生产中的具体情况,在现有阶段对配方中的公式做相应的修改,或者改变阶段之间的顺序连接。如果有必要,还可以根据工艺要求给产品开发新的阶段。配方设计师在不必了解具体设备控制细节的情况下, 通过对配方阶段进行简单的拖拽和连接, 并填写原料组分、过程参数等,就可以独立开发能够被控制系统执行、实现批量生产的控制配方。批量标准的最大贡献在于把设备控制逻辑从配方程序中分离出来,对于与其它生产方式有别的批量生产过程基于此标准的分离思想,使得其生产方式具有以下优点:

(1)由于配方不包括所有设备实体的相关逻辑,配方可以从一条生产线传递到另一生产线,也可以从一个生产厂传递到另一生产厂,从而提高配方的可传递性。

(2)模块化等级结构可重复使用,并应用到更大范围的设备实体中,使得批量控制更加具有柔性。

(3)根据生产要求,每次当配方变化时,不必重新对设备逻辑进行验证,使得在生产线上生产的新产品简便快捷地得到验证,并缩短投入市场的时间。

5 结束语讨论了实现批量控制的配方阶段执行策略,并以啤酒生产中的麦汁制备为例进行分析。实践证明,基于批量标准的批量控制系统对于阶段的执行具有良好的操作柔性, 还可将部分组态好的控制方案在线地下装到控制器中而不影响其它回路或控制方案的执行,因此,在批量生产中不用中断生产,或者不用显著地增加成本,就能快速地改变生产的产品以适应市场需求的变化,方便生产管理,满足工艺的灵活性要求,提高批量控制的自动化水平。3