摘 要：批量生產(chǎn)過程已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的一個(gè)重要分支，美國(guó)儀表學(xué)會(huì)（ISA）在1995年7月針對(duì)批量控制制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)ISA S88。本文從分析S88所定義的技術(shù)術(shù)語和模型出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)過程模型、物理模型和程序模型進(jìn)行了解讀，吸收其配方與設(shè)備控制程序相互分離的核心思想，提出了批量控制系統(tǒng)在建模時(shí)組件的定義原則，并以優(yōu)穩(wěn)公司發(fā)的UWinBatch配方軟件在某間歇性生產(chǎn)活性劑的精細(xì)化工裝置為例，搭建了一個(gè)全自動(dòng)化的DCS批量控制系統(tǒng)，取得了良好的運(yùn)行效果。
關(guān)鍵詞：批量控制 S88標(biāo)準(zhǔn) DCS 建模 配方
背 景
隨著近年全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的日新月異，批量生產(chǎn)過程已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的一個(gè)重要分支，特別是在精細(xì)化工生產(chǎn)中已被廣泛采用，隨著精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了明顯的變化，即由大批量、少品種生產(chǎn)方式向小批量、多品種生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，并需要根據(jù)市場(chǎng)的變化及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品種類。面對(duì)這些新的生產(chǎn)變化，原有的批量控制遇到了一些技術(shù)難題。首先，數(shù)量多達(dá)幾十種甚至上百種的原料和產(chǎn)品令配方的復(fù)雜程度大大增加了，原有批量控制器的處理能力無法滿足要求；其次，產(chǎn)品種類的不斷調(diào)整，導(dǎo)致配方程序修改的難度和工作量都有所增加。同時(shí)，隨著工業(yè)自動(dòng)化過程控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于工業(yè)控制功能集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求也越來越高。
美國(guó)儀表學(xué)會(huì)（ISA）在1995年7月針對(duì)批量控制制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)ISA S88。1997年8月，它被國(guó)際電工委員會(huì)IEC采納定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列的技術(shù)術(shù)語和模型，以滿足批量生產(chǎn)廠的控制需要，也讓批量控制的發(fā)展步入一個(gè)嶄新的臺(tái)階。
一、S88標(biāo)準(zhǔn)定義的技術(shù)術(shù)語
S88定義了一整套的術(shù)語和模型，用于描述批量生產(chǎn)廠家的控制要求，這種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的程序、物理和過程模型及術(shù)語強(qiáng)調(diào)優(yōu)良的工廠設(shè)計(jì)和操作實(shí)踐。標(biāo)準(zhǔn)定義了60多條術(shù)語，包括批量過程、過程、批量、單元、配方等。批量過程是：定質(zhì)、定量的原料用1臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過一系列的處理過程，得到定制定量的產(chǎn)品的過程；它不同于離散量控制，也不同于連續(xù)量控制。標(biāo)準(zhǔn)還定義四種類型的配方：通用配方（general recipe）、工廠配方（site recipe）、主配方（master recipe）和控制配方（control recipe），其中控制配方由批量控制服務(wù)器實(shí)施執(zhí)行，完成一次批量生產(chǎn)，它包含了某一特定批量生產(chǎn)與產(chǎn)品相關(guān)的所有信息。其它術(shù)語的定義讀者可以參考相關(guān)文檔資料，這里不再一一敘述了。
二、S88標(biāo)準(zhǔn)定義的三種模型
批量控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISA S88，定義了過程模型、物理模型和程序控制模型，雖然三者從不同角度描述了批量過程，但它們是相互關(guān)聯(lián)的。程序控制模型中的元素與物理模型中的相應(yīng)元素相結(jié)合，便實(shí)現(xiàn)了過程模型中相關(guān)的生產(chǎn)任務(wù)。三種模型間的關(guān)系見圖1。
過程模型把批量過程分為過程（process）、過程階段（process stage）、過程操作（process operation）和過程動(dòng)作（process action）四個(gè)部分。過程動(dòng)作是批量過程中最小的加工活動(dòng)；過程操作是由一個(gè)或幾個(gè)過程動(dòng)作組成的比較大的加工活動(dòng)，它通常會(huì)使待加工的物料發(fā)生化學(xué)或物理變化；過程階段是由一個(gè)或幾個(gè)過程操作組成的、相對(duì)獨(dú)立的加工活動(dòng)；過程由一個(gè)或幾個(gè)過程階段組成，最終完成一次批量生產(chǎn)。
物理模型用來描述批量生產(chǎn)中的設(shè)備，分為過程單元（process cell）、設(shè)備單元（unit）、設(shè)備模塊（equipmentmodule）和控制模塊（control module）四層。其中，控制模塊由一組傳感器、激勵(lì)裝置和其他控制模塊組成，完成一個(gè)基本的控制活動(dòng)；設(shè)備模塊由完成一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)的某些控制模塊組成；設(shè)備單元由生產(chǎn)過程中完成某一特定任務(wù)的設(shè)備模塊和控制模塊構(gòu)成；過程單元?jiǎng)t包括批量生產(chǎn)中所有的生產(chǎn)操作設(shè)備和輔助操作設(shè)備。物理模型如圖2 所示：
在批量生產(chǎn)中，產(chǎn)品的加工是按配方規(guī)定的順序及操作參數(shù)進(jìn)行的。配方由批量執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)執(zhí)行，它包含某一特定批量生產(chǎn)中與產(chǎn)品相關(guān)的所有信息，包括產(chǎn)品的原料配比和產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝信息。配方由標(biāo)題、公式、設(shè)備要求、程序及附加信息組成。其中程序是配方中最重要的一部分，根據(jù) ISA S88 中的程序控制模型，配方中的程序由上至下分為程序（program）、設(shè)備單元程序（unitprogram）、操作（operation）和階段（phase）四個(gè)層次。其中，階段是程序控制模型中最基本的構(gòu)件，它包括對(duì)元器件的離散控制、調(diào)節(jié)回路和聯(lián)鎖保護(hù)。選擇和組合階段，構(gòu)成在一個(gè)設(shè)備單元內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品批量生產(chǎn)的單元操作，它定義了一個(gè)主要的、能夠使被加工的物料發(fā)生化學(xué)或物理變化的加工順序。進(jìn)一步組合單元操作就構(gòu)成了單元程序。最后，由設(shè)備單元程序按照規(guī)定的操作順序來完成整個(gè)批量生產(chǎn)的程序。程序控制模型如圖 3 所示：
三、 S88標(biāo)準(zhǔn)的核心思想
S88 給系統(tǒng)工程師提出了設(shè)計(jì)批量控制系統(tǒng)的指導(dǎo)原則，也就是 S88 標(biāo)準(zhǔn)的核心思想，那就是配方與設(shè)備控制程序相分離。這里所說的分離，指的就是配方的設(shè)計(jì)與設(shè)備控制程序的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立。將設(shè)備控制程序設(shè)計(jì)成一種相對(duì)固定的模塊，這種模塊被稱為設(shè)備的程序元素。配方與設(shè)備控制程序僅僅在控制配方的程序元素與設(shè)備的程序元素之間實(shí)現(xiàn)結(jié)合，在其它方面兩者不存在直接聯(lián)系。配方的程序元素與設(shè)備要求這兩項(xiàng)信息保證控制配方獨(dú)一無二、不產(chǎn)生歧義地關(guān)聯(lián)到某一特定設(shè)備的程序元素。
由此可見，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)批量控制策略，首先必需進(jìn)行過程分析，即分析一個(gè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程的操作順序。對(duì)批量生產(chǎn)過程進(jìn)行分析時(shí)，一般通過帶控制點(diǎn)的工藝流程圖來了解被控對(duì)象，熟悉生產(chǎn)工藝，研究和分析批量生產(chǎn)過程固有的分層結(jié)構(gòu)和模塊化屬性。進(jìn)行過程分析的目的，是按照ISA S88標(biāo)準(zhǔn)中的物理模型來正確地劃分設(shè)備單元、辨識(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑、各個(gè)元器件和設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)以及按照程序控制模型來辨識(shí)基本的階段。將工廠劃分為設(shè)備單元，隨之決定系統(tǒng)的最終規(guī)模，然后，把產(chǎn)品的生產(chǎn)程序在各個(gè)設(shè)備單元上分解為設(shè)備單元程序。設(shè)備單元程序是發(fā)生在一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備單元中的一組按順序執(zhí)行的操作，這些操作再細(xì)分為階段。
四、 基于S88標(biāo)準(zhǔn)的批量控制系統(tǒng)組件定義
4.1 階段（Phase）的定義
Phase 是批量控制系統(tǒng)中最小的單元，通常來說一個(gè)Phase 就對(duì)應(yīng)一個(gè)順序控制程序，這個(gè)程序是由一組命令和參數(shù)組成用來完成一個(gè)基本工藝過程，而且這個(gè)工藝過程是可以被選擇和反復(fù)調(diào)用的。加料、攪拌、升溫、攪拌、轉(zhuǎn)料等都可以定義為一個(gè)階段。
4.2 單元（Unit）的劃分
單元的劃分歷來就是批量控制系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)橛袃蓚€(gè)主要原因：第一單元?jiǎng)澐钟晒に嚵鞒毯凸に嚶窂竭x擇來決定，其劃分的合理性涉及到程序的編寫架構(gòu)、有效性和靈活性。第二現(xiàn)在大多的批量控制軟件都是以單元為計(jì)費(fèi)單位，所以單元的劃分會(huì)和項(xiàng)目的成本控制有很大的關(guān)系。單元一般是以釜、槽等物料存儲(chǔ)、處理設(shè)備為主，附帶或不附帶其它組成設(shè)備，這樣又可以根據(jù)這個(gè)原則，再作調(diào)整，使單元符合工藝要求。
4.3 配方（Recipe）的編寫
目前批量控制軟件一般都分為兩個(gè)主要組成部分：一個(gè)是批量設(shè)備編輯軟件；另一個(gè)是批量配方編輯軟件。設(shè)備編輯軟件主要是物理模型的建立過程，其主要包括了上面兩節(jié)所描述的 Phase 的定義和 Unit 的劃分。而配方編輯軟件主要是工藝模型的建立。設(shè)備編輯軟件的編寫工作與控制系統(tǒng)關(guān)系緊密，一般是由控制系統(tǒng)工程師來編寫。而配方編輯軟件的工作主要涉及工藝流程的規(guī)劃，一般由工藝工程師主導(dǎo)控制系統(tǒng)工程師輔助完成，其結(jié)構(gòu)必須符合 S88 對(duì)程序控制模型的要求，從上到下分為procedure、unit procedure、operation 和 Phase，每一個(gè)配方都要包含這四層結(jié)構(gòu)。在每層結(jié)構(gòu)中都可以定義本層程序運(yùn)行邏輯，之后的主要工作為程序運(yùn)行邏輯框架的搭建和運(yùn)行步驟轉(zhuǎn)換條件的定義。
五、 批量控制的典型應(yīng)用案例分析
下面以 UWinBatch 在某間歇性生產(chǎn)活性劑的精細(xì)化工裝置上的應(yīng)用來說明基于 ISA S88 標(biāo)準(zhǔn)的 DCS 批量控制是如何實(shí)現(xiàn)配方的批量控制的。此裝置以 10 多種氧化物和催化劑為主要原料，生產(chǎn) 8 大類近 40 個(gè)牌號(hào)的產(chǎn)品，配方數(shù)量約為 40 種。
5.1 工藝流程簡(jiǎn)介
生產(chǎn)流程簡(jiǎn)要概括：當(dāng)需要生產(chǎn)某種牌號(hào)的產(chǎn)品時(shí)，將相應(yīng)的引發(fā)醇從裝置中間罐區(qū)輸送到反應(yīng)釜中，邊攪拌邊加入一定量的催化劑，生成引發(fā)醇的鉀鹽。向反應(yīng)釜充入惰性氮?dú)?，加壓加熱反?yīng)釜。保持反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，在一定時(shí)間內(nèi)向反應(yīng)釜中連續(xù)加入氧化物的混合物（取決于所需要的產(chǎn)品）。在加入氧化物同時(shí)，保持一定的反應(yīng)壓力。反應(yīng)結(jié)束后，釋放反應(yīng)釜內(nèi)壓力，同時(shí)冷卻反應(yīng)釜。中和后的反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)換熱器冷卻換熱后，用泵抽出。產(chǎn)品經(jīng)分析合格后，通過不同渠道輸送出廠，從而完成一個(gè)批次產(chǎn)品的生產(chǎn)。圖 4 為工藝流程圖簡(jiǎn)介：
反應(yīng)釜作為工藝流程中最重要的工藝生產(chǎn)單元，實(shí)現(xiàn)批量配方的關(guān)鍵控制都集中在反應(yīng)釜中，需以較高的自動(dòng)化程度來實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定好的反應(yīng)步驟，要對(duì)溫度、壓力等重要參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控。
5.2 批量控制實(shí)施步驟
在項(xiàng)目實(shí)施階段，按照 S88 規(guī)定的物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、組態(tài)和集成，完成系統(tǒng)功能。首先在進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，對(duì)和反應(yīng)釜相關(guān)工藝流程中的設(shè)備進(jìn)行劃分和組合。本著平衡靈活性和簡(jiǎn)單原則，定制相應(yīng)的流程功能組，也就是基于子設(shè)備的思想在 Unit 中分解單元操作和階段。反應(yīng)釜典型的階段劃分如表 1 所示。
在完成物理模型的定義后，在配方編輯器（RecipeEditor）進(jìn)行反應(yīng)釜單元配方程序的編輯。該編輯器采用圖形用戶界面，使配方編輯工作簡(jiǎn)單易行，按照工藝流程來搭建配方程序組織架構(gòu)，根據(jù)配方程序框圖來調(diào)用設(shè)備模塊，同時(shí)，建立配方參數(shù)和公式來完成主配方（MasterRecipe）和庫的創(chuàng)建以及修改。
在生產(chǎn)、操作周期，通過批生產(chǎn)控制中心（BatchControl Center）來實(shí)現(xiàn)配方的運(yùn)行、管理以及修改。比如生產(chǎn) 1# 牌號(hào)產(chǎn)品，該程序便啟動(dòng)主配方（MasterRecipe）庫中 1# 牌號(hào)對(duì)應(yīng)的配方，將配方公式和參數(shù)加載到圖 5 所示的配方程序中，程序啟動(dòng)并運(yùn)行至階段層時(shí)，相應(yīng)的控制模塊和設(shè)備模塊會(huì)按照之前的配方參數(shù)，控制表 1 中設(shè)備單元中相關(guān)的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)該批次的批量生產(chǎn)，也就是完成了一次控制配方（Control Recipe）的執(zhí)行。圖 6 為與圖 5 配方程序中“催化劑反應(yīng)”單元操作相對(duì)應(yīng)的程序功能圖，該程序通過對(duì)控制器中攪拌、反應(yīng)等設(shè)備階段的調(diào)用，來完成指定的單元操作。
若生產(chǎn)其它牌號(hào)的產(chǎn)品，則按同樣方式啟動(dòng)相應(yīng)配方程序，即便是多達(dá) 30-40 種的配方均可方便地完成產(chǎn)品批次的轉(zhuǎn)換。在需要生產(chǎn)新牌號(hào)的產(chǎn)品時(shí)，在配方編輯器中利用已建立好的主配方程序，根據(jù)新產(chǎn)品的要求來調(diào)整單元操作和階段的執(zhí)行順序和相互關(guān)系，從而完成新配方的生成。這體現(xiàn)了ISA S88標(biāo)準(zhǔn)中配方與設(shè)備相分離的原則，配方作為程序控制用來規(guī)定操作順序的，創(chuàng)建配方時(shí)不需要關(guān)系設(shè)備的內(nèi)部邏輯，在修改配方時(shí)也沒用必要對(duì)物理設(shè)備的控制邏輯進(jìn)行重新編程或組態(tài)，只需改變程序功能圖中各步之間的鏈接順序或者通過公式改變配方參數(shù)即可，有效地減小了配方維護(hù)的難度，體現(xiàn)了批量控制柔性化的特點(diǎn)。
5.3 運(yùn)行效果
從已投入運(yùn)行的本精細(xì)化工裝置的實(shí)際情況表明，基于 ISA S88 批量控制軟件的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、可操作性好，提高了產(chǎn)品合格率、產(chǎn)品質(zhì)量，可根據(jù)市場(chǎng)變化進(jìn)行產(chǎn)品更換，新產(chǎn)品試制時(shí)間大幅度減少，產(chǎn)品靈活性大大提升，并提高了生產(chǎn)效率，大大減輕了維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，方便了生產(chǎn)管理，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，得到了操作人員和管理人員的普遍歡迎。
