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解读批量控制系统尺度 ISA S88

行业计划

戴 要:批量生产过程已成为现代工业生产过程的一个主要分支,美国仪表学会(ISA)正在1995年7月针对批量掌握制订了专门的尺度ISA S88。本文从剖析S88所界说的手艺术语和模子动身,重点对历程模子、物理模子和顺序模子停止了解读,吸取其配方取装备控制程序互相星散的中心头脑,提出了批量控制系统正在建模时组件的界说原则,并以优稳公司发的UWinBatch配方软件正在某间歇性消费活性剂的精细化工装配为例,搭建了一个齐自动化的DCS批量控制系统,与得了优越的运转结果。

关键词:批量掌握 S88尺度 DCS 建模 配方


背 景

跟着比年全球经济的生长和现代工业的一日千里,批量生产过程已成为现代工业生产过程的一个主要分支,特别是正在精细化工消费中已被普遍接纳,跟着精细化工家当的快速生长,正在产业结构上泛起了显着的转变,即由大批量、少种类生产方式背小批量、多种类生产方式改变,并需求凭据市场的转变实时调解产物品种。面临这些新的消费转变,原有的批量掌握碰到了一些手艺困难。起首,数目多达几十种以至上百种的质料和产物令配方的庞大水平大大增添了,原有批量控制器的处置惩罚才能没法知足要求;其次,产物品种的络续调解,致使配方顺序修正的难度和工作量皆有所增添。同时,跟着产业自动化历程掌握实际和计算机技术的不断发展,关于产业掌握功用集成化、标准化的要求也愈来愈下。

美国仪表学会(ISA)正在1995年7月针对批量掌握制订了专门的尺度ISA S88。1997年8月,它被国际电工委员会IEC采用定为国际标准。该尺度界说了一系列的手艺术语和模子,以知足批量消费厂的掌握需求,也让批量掌握的生长步入一个极新的台阶。


一、S88尺度界说的手艺术语

S88界说了一整套的术语和模子,用于形貌批量生产厂家的掌握要求,这类国际标准的顺序、物理和历程模子及术语夸大优秀的工场设想和操纵理论。尺度界说了60多条术语,包孕批量历程、历程、批量、单位、配方等。批量历程是:定量、定量的质料用1台或多台装备正在划定时间内经由一系列的处置惩罚历程,获得定制定量的产物的历程;它不同于离散量掌握,也不同于一连量掌握。尺度借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)和掌握配方(control recipe),个中掌握配方由批量掌握服务器实行实行,完成一次批量消费,它包罗了某一特定批量消费取产物相干的所有信息。别的术语的界说读者能够参考相干文档材料,这里不再逐一叙说了。


二、S88尺度界说的三种模子

批量控制系统尺度ISA S88,界说了历程模子、物理模子和程序控制模子,固然三者从不同角度形貌了批量历程,但它们是互相联系关系的。程序控制模子中的元素取物理模子中的响应元素相结合,便实现了历程模子中相干的消费义务。三种模子间的干系睹图1。

历程模子把批量历程分为历程(process)、历程阶段(process stage)、历程操纵(process operation)和历程行动(process action)四个局部。历程行动是批量历程中最小的加工运动;历程操纵是由一个或几个历程行动构成的比较大的加工运动,它一般会使待加工的物料发生化学或物理变化;历程阶段是由一个或几个历程操纵构成的、相对自力的加工运动;历程由一个或几个历程阶段构成,终究完成一次批量消费。

物理模子用来形貌批量消费中的装备,分为历程单位(process cell)、装备单位(unit)、装备模块(equipmentmodule)和掌握模块(control module)四层。个中,掌握模块由一组传感器、鼓励装配和其他掌握模块构成,完成一个根基的掌握运动;装备模块由完成一个简朴义务的某些掌握模块构成;装备单位由生产过程中完成某一特定义务的装备模块和掌握模块组成;历程单位则包孕批量消费中所有的消费操纵装备和辅佐操纵装备。物理模子如图2 所示:

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正在批量消费中,产物的加工是按配方划定的递次及操纵参数停止的。配方由批量执行机构及时实行,它包罗某一特定批量消费中取产物相干的所有信息,包孕产物的质料配比和产物消费的工艺信息。配方由题目、公式、装备要求、顺序及附加信息构成。个中顺序是配方中最重要的一部分,凭据 ISA S88 中的程序控制模子,配方中的顺序由上至下分为顺序(program)、装备单位顺序(unitprogram)、操纵(operation)和阶段(phase)四个条理。个中,阶段是程序控制模子中最根基的构件,它包孕对元器件的离散掌握、调治回路和联锁珍爱。挑选和组合阶段,组成正在一个装备单位内停止产物批量消费的单位操纵,它界说了一个重要的、可以或许使被加工的物料发生化学或物理变化的加工递次。进一步组合单位操纵便组成了单位顺序。最初,由装备单位顺序根据划定的操纵递次去完成全部批量消费的顺序。程序控制模子如图 3 所示:


三、 S88尺度的中心头脑

S88 给体系工程师提出了设想批量控制系统的指点原则,也就是 S88 尺度的中心头脑,那就是配方取装备控制程序相星散。这里所说的星散,指的就是配方的设想取装备控制程序的设想互相自力。将装备控制程序设想成一种相对流动的模块,这类模块被称为装备的顺序元素。配方取装备控制程序仅仅正在掌握配方的顺序元素取装备的顺序元素之间实现联合,正在别的方面二者不存在间接联络。配方的顺序元素取装备要求这两项信息包管掌握配方无独有偶、不发生歧义天联系关系到某一特定装备的顺序元素。

因而可知,要实现一个批量掌握战略,起首必须停止历程剖析,即剖析一个产物批量生产过程的操纵递次。对批量生产过程停止剖析时,一样平常经由过程带掌握点的工艺流程图去相识被控工具,熟习生产工艺,研讨和剖析批量生产过程固有的分层构造和模块化属性。停止历程剖析的目标,是根据ISA S88尺度中的物理模子去正确地分别装备单位、辨识产物的消费途径、各个元器件和装备的联锁珍爱和根据程序控制模子去辨识根基的阶段。将工场分别为装备单位,随之决意体系的终究范围,然后,把产物的消费顺序正在各个装备单位上剖析为装备单位顺序。装备单位顺序是发作正在一个零丁的装备单位中的一组按递次实行的操纵,这些操纵再细分为阶段。


四、 基于S88尺度的批量控制系统组件界说

4.1 阶段(Phase)的界说

Phase 是批量控制系统中最小的单位,一般来讲一个Phase 便对应一个递次控制程序,这个顺序是由一组下令和参数构成用来完成一个根基工艺历程,并且这个工艺历程是能够被挑选和重复挪用的。加料、搅拌、升温、搅拌、转料等皆能够界说为一个阶段。

4.2 单位(Unit)的分别

单位的分别向来就是批量控制系统可否胜利的关键环节,由于有两个主要原因:第一单位分别由工艺流程和工艺途径挑选去决意,其分别的合理性涉及到顺序的编写架构、有效性和灵活性。第二如今大多的批量掌握软件皆是以单位为计费单元,以是单位的划分会和项目的本钱掌握有很大的干系。单位一样平常是以釜、槽等物料存储、处置惩罚装备为主,附带或不附带别的构成装备,如许又能够凭据这个原则,再做调解,使单位相符工艺要求。

4.3 配方(Recipe)的编写

现在批量掌握软件一样平常皆分为两个重要组成部分:一个是批量装备编纂软件;另一个是批量配方编纂软件。装备编纂软件重要是物理模子的竖立历程,其重要包孕了上面两节所形貌的 Phase 的界说和 Unit 的分别。而配方编纂软件重要是工艺模子的竖立。装备编纂软件的编写事情取控制系统干系严密,一样平常是由控制系统工程师去编写。而配方编纂软件的事情重要触及工艺流程的计划,一样平常由工艺工程师主导控制系统工程师辅佐完成,其构造必需相符 S88 对程序控制模子的要求,从上到下分为procedure、unit procedure、operation 和 Phase,每个配方皆要包罗这四层构造。正在每层构造中都能够界说本层顺序运转逻辑,以后的重要事情为顺序运转逻辑框架的搭建和运转步调转换前提的界说。


五、 批量掌握的典范运用案例剖析

上面以 UWinBatch 正在某间歇性消费活性剂的精细化工装配上的应用来阐明基于 ISA S88 尺度的 DCS 批量掌握是怎样实现配方的批量掌握的。此装配以 10 多种氧化物和催化剂为主要原料,消费 8 大类远 40 个商标的产物,配方数目约为 40 种。

5.1 工艺流程简介

生产流程扼要归纳综合:当需求消费某种商标的产物时,将响应的激发醇从装配中央罐区运送到回响反映釜中,边搅拌边到场一定量的催化剂,天生激发醇的钾盐。背回响反映釜充入惰性氮气,加压加热回响反映釜。连结回响反映釜内的回响反映温度,正在肯定工夫外向回响反映釜中一连到场氧化物的混合物(取决于所需求的产物)。正在到场氧化物同时,连结肯定的回响反映压力。回响反映完毕后,开释回响反映釜内压力,同时冷却回响反映釜。中和后的回响反映产品,经换热器冷却换热后,用泵抽出。产物经剖析及格后,经由过程差别渠道运送出厂,从而完成一个批次产物的消费。图 4 为工艺流程图简介:

回响反映釜作为工艺流程中最重要的工艺消费单位,实现批量配方的要害掌握皆集中正在回响反映釜中,需以较下的自动化水平去实现预先设定好的回响反映步调,要对温度、压力等主要参数停止严厉的调控。

5.2 批量掌握实行步调

正在项目实行阶段,根据 S88 划定的物理模子停止设想、组态和集成,完成体系功用。起首正在停止工艺剖析的基础上,对和回响反映釜相干工艺流程中的装备停止分别和组合。本着均衡灵活性和简朴原则,定制响应的流程功用组,也就是基于子装备的头脑正在 Unit 中剖析单位操纵和阶段。回响反映釜典范的阶段分别如表 1 所示。

正在完成物理模子的界说后,正在配方编辑器(RecipeEditor)停止回响反映釜单位配方顺序的编纂。该编辑器接纳图形用户界面,使配方编辑工作简单易行,根据工艺流程去搭建配方顺序构造架构,凭据配方顺序框图去挪用装备模块,同时,竖立配方参数和公式去完成主配方(MasterRecipe)和库的建立和修正。

正在消费、操纵周期,经由过程批消费控制中心(BatchControl Center)去实现配方的运转、管理和修正。好比消费 1# 商标产物,该顺序便启动主配方(MasterRecipe)库中 1# 商标对应的配方,将配方公式和参数加载到图 5 所示的配方顺序中,顺序启动并运转至阶段层时,响应的掌握模块和装备模块会根据之前的配方参数,掌握表 1 中装备单元中相干的装备,从而实现该批次的批量消费,也就是完成了一次掌握配方(Control Recipe)的实行。图 6 为取图 5 配方顺序中“催化剂回响反映”单位操纵相对应的顺序功用图,该顺序经由过程对控制器中搅拌、回响反映等装备阶段的挪用,去完成指定的单位操纵。

若消费别的商标的产物,则按一样体式格局启动响应配方顺序,即使是多达 30-40 种的配方都可轻易天完成产物批次的转换。正在需求消费新商标的产物时,正在配方编辑器中应用已竖立好的主配方顺序,凭据新产品的要求去调解单位操纵和阶段的实行递次和相互关系,从而完成新配方的天生。那表现了ISA S88尺度中配方取装备相星散的原则,配方作为程序控制用来划定操纵递次的,建立配方时不需要干系装备的内部逻辑,正在修正配方时也没用需要对物理装备的掌握逻辑停止从新编程或组态,只需改动顺序功用图中各步之间的链接递次大概经由过程公式改动配方参数便可,有效地减小了配方保护的难度,表现了批量掌握柔性化的特性。


5.3 运转结果

从已投入运转的本精细化工装配的实际情况注解,基于 ISA S88 批量掌握软件的控制系统稳定性强、可操作性好,进步了产物合格率、产品质量,可凭据市场转变停止产物改换,新产品试制工夫大幅度削减,产物灵活性大大提拔,并提下了消费效力,大大减轻了保护职员的劳动强度,轻易了生产管理,获得优越的经济效益和社会效益,得到了操纵职员和管理人员的广泛接待。


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