批处理控制的新应用

可转移的ANSI/ISA-88标准以及软件优化正在帮助批处理控制跳出其传统的加工应用,进入全新的应用领域。



尤利乌斯·凯撒一直以“先分割后征服”的战略而闻名,但有证据表明他只是众多使用这一战略的古代统治者中最知名的一位。正如所有伟大思想一样,每个人都想让这一战略为自己所用。当然,将一个高难度的挑战分割为可控的小任务超越了击败军队和统治帝国。对普通人来说,这一方法非常适用于日常工作以及所有个人或专业的项目。



ANSI/ISA-88标准已经占据离散与过程行业超过15年时间,而更强的软件和更快的微处理器已经为其带来了更大的性能提升。他们让控制变得更简单,可以应用于有规则的批量应用,而且利用S88的逻辑流程图原则能更快、更有效的升级到新设置。



 



分离、简单化和速度 



S88的特别作用是将设备控制模型从配方控制模型中解耦,这让重复使用编程代码与模板、调整应用程序以及构建新系统变得更简单、更容易(如图1所示)。






 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 









 
 


 
 


 
 


 

Typical ISA-88 Software System


 

 

典型的ISA-88软件系统


 

 

Batch Management System


 

 

批量管理系统


 

 

BPCS


 

 

BPCS


 



连续的批处理 



图1:ANSI/ISA-88批量标准将设备控制模型从配方控制模型中解耦,这让重复使用编程代码与模板、调整应用程序以及构建新系统变得更简单、更容易。



来源:ISA和ECS解决方案



 “采用模型控制可以将控制器程序配置为控制多种过程单元,类似于微软Excel解决各种工程或财务问题,”位于印地安那州埃文斯维尔的系统集成商ECS解决方案公司的总裁Tim Matheny说。ECS公司是控制系统集成商协会(CSIA)的认证会员。“该程序不会改变,就像Excel不会改变一样。表示过程单元变化的数据模型就像表示工程或财务问题变化的数据一样。针对基本过程控制系统的模型控制是批处理过程自动化领域的一项伟大创新,因为它非常灵活—可以快速开发并快速改变。



例如,当位于佛罗里达州克利尔沃特的莫宁调味糖浆厂的产能变为原来两倍时,工厂的工艺工程师和管理人员意识到他们必须更新手工的配料工序,同时需要让众多的配方符合S88的自动化要求。莫宁公司与位于佛罗里达州奥兰多的系统集成商Altra系统公司合作,整合工厂与企业数据,改进配方与管理,并且利用其Navision企业资源规划(ERP)系统进行集成。因此,莫宁公司采用了FactoryTalk (FT) Batch,PhaseManager,PlantPAx过程对象软件库及其他来自罗克韦尔自动化的解决方案。



“莫宁公司希望在未来实现完全集成制造,所以必须整合信息技术与过程控制,” Altra系统公司的技术经理Armando Di Francesco说。“Plant PAx软件对象为我们提供了多种所需的工具,也为我们的过程提供了控制模块,并且减少了30%到50%的工程设计与编程时间。我们使用PhaseManager来集成ControlLogix PLC与FactoryTalk,这简化了我们的阶段性编程,还减少了为搅拌、混合、添加成分等普通任务开发阶段性模板所需的时间。



“这六七个模板存储于FT Batch批处理服务器中,它们可以从200个配方中提取数据。此外,如果我们需要改变配方或添加新配方是非常容易的。我们甚至有针对不同操作的电子签名,可以记录谁做了何种操作,并且遵守电子批处理记录(EBR)的要求。”



适应S88的技术 



也许是因为批处理控制始于离散制造行业,一些潜在用户不愿将批处理技术应用于他们的过程应用。这种态度正在发生改变,因为他们明白连续过程可以被分割并组织成S88过程模型中的多个阶段、操作和行为,但许多用户仍然需要学习一些新技能。



“我们的团队采用了一种系统方法来进行过程集成,这意味着可编程逻辑控制器、人机界面、数据采集和远程连接设备共享一个网络。我们已经见证了网络从控制网络向以太网、无线网发展的过程,它们也已经证明了自身的可靠性,可以处理大量数据而且价格便宜,”位于佛蒙特州伯灵顿的Hallam-ICS公司(CSIA会员)的高级过程控制工程师Jamie Godbout说。“但它们要求工程师具备新技巧,比如理解寻址的原理,避免广播回路以及建立虚拟局域网。我是从事信息技术与编程的,所以我具有面向对象的思维方式。我认为这就是现在过程控制迁移的方向—少使用梯形逻辑—这就是S88等批处理原则可以帮忙的地方。”



Godbout称Hallam-ICS公司最近与位于康涅狄格州沃灵福德的BYK美国公司合作,帮助BYK公司全新的30000平方英尺专业化工厂实现自动化,该工厂生产约150种产品,主要是涂料、润滑油的添加剂。作为德国阿尔塔纳集团的子公司,BYK过去采用手工方式运营,但它希望将母公司的做法带到美国以减少产品差异并满足日益高涨的需求。新工厂包括15个反应器,由2200个I/O点控制。许多BYK产品需要三个容器,而更复杂的配方需要使用两个独立的反应器,然后在包装前将其倒入第三个混合容器。



“手动控制带来了差异性,难以控制质量。在复杂应用中使用自动化控制可以减少差异性,让过程可重复。BYK的过程通常需要复杂的同步操作,比如在危险区域的真空环境内控制放热反应,”Godbout解释说。“因此,我们采用了PlantPAx解决方案,它可以从控制器层控制装置,而测序/配方由FactoryTalk
Batch批处理服务器控制。例如,FT Batch告诉控制器加热并将温度保持在80°C,而控制器知道打开哪些阀门,使用哪些温度传感器可以保持指定温度。



Godbout补充说,传统的过程控制通过一个专用控制器为特定的最终产品运行流程图,但这样很难改变序列,所以通常无法使用多种配方。然而,以S88为基础的软件建模更灵活,无需改变程序,模型就能定义并指引设备在不同场合和配方中重复使用。”如果2号罐装有糖,它需要移动到生产容器,然后批处理模型定义设备,最后PLC负责转移,”Godbout补充道。“如果3号罐也有糖,我们可以为其采用相同的配方,重新分配资源而无需更改程序。”



“过程工程师利用这一灵活性为配方编程并修改程序,这样就不需要在每次需要编程时寻找控制工程师和程序员。例如,从温度切换到pH值控制方式通常需要在PLC中进行,这意味着需要做很多修改。然而,FT Batch等批处理软件拥有简单的功能模块和转换方式,但其编码与实际设备分离,因此只需要修改流程图就能改变加热、搅拌、混合等功能。



“同样地,如果一个罐需要加热到80°C,并且它有两个线圈,一个在箱内,另一个在箱外,这时批处理软件会告诉PLC同时打开箱内和箱外的阀门。但是如果另一个罐只有一个线圈,这时如果它们使用了相同的PLC就需要预先设置如何让任意一个罐达到80°C。这些配置与工艺配方分离,其中一个功能模块可以将温度设定为80°C,然后传送到PLC用于控制设备。这能让任意一个罐满足所需的相同结果。将设备配置从批处理配方中分离出来可以使这些配方便于携带,同时使其软件模块化而且可以重复使用。



计算帮助改变思维方式 



除了学习新技能,工程师和操作员往往需要采用全新的视角在其应用中实施批处理控制和S88。幸运的是更快、更强大的计算能力可以帮助他们改变。



“鉴于S88拥有正式的程序结构和语言,所以批处理需要完全不同的思维方式,”位于密苏里州圣路易斯的Malisko工程公司(CSIA认证的系统集成商)的总裁兼首席执行官Steve Malyszko说:“S88是一个值得遵循的好标准。除了为控制代码设定通用结构,S88还说明了代码如何执行,这意味着客户和用户可以更有效地应用所需的自动化技术。系统集成商的优势在于我们可以开发一个基于行业标准的可重复使用的程序模块库,从中选出与客户的过程结构相匹配的正确模块,然后将模块组装起来,就像叮叮玩具或乐高积木。因此,我们的制药客户等用户可以采用S88,然后在整个运营过程中使用通用编程与数据交换结构来收集过程数据。”



Malyszko补充说,由于控制系统不再需要额外的计算机或服务器来监控S88的数据流与程序模块处理,因此批处理越来越具有吸引力,它在中小规模的过程中得到了有效应用。“此前的许多批处理应用需要PC来监控其中的PLC,但现在的许多S88系统不再需要额外的PC,因为S88内置了各种PLC软件,”Malyszko解释说。“以前一个额外的PC会花费5000美元,而S88软件可能会花费20000至30000美元,这使S88不适用于多数中小型应用。如今技术进步了,如果你为PLC及其软件花费约15000美元,那么一个控制平台无论是否配备S88都可能花费相同的数额。”



遵循S88的控制程序原则大大帮助了用户,甚至还迫使他们预定义设备与系统应当如何操作和互动。”例如,如果一个应用有三个原料罐和两个配料罐,用户必须确定哪一个原料罐供应哪一个配料罐,整个过程如何运行—它们能同时进行配料吗?或者它们必须等到其他罐完成配料工序?”Malyszko补充说。“以前这些问题都由程序员处理,或者在现场调试时决定。但S88迫使用户提前确定原料罐是否共享资源,然后决定是否需要使用仲裁规则。有了S88,用户需要在设计控制代码时确定他们需要从过程中获得什么。



批处理资源 



由于S88已经成功应用于许多不同的制造业应用,因此许多支持者提供了S88的使用说明。以下是一些最有用的:



•ISA88,批处理控制是ISA针对S88标准的网页,它拥有关于标准本身的更新、参考文献和链接。



•“采用ANSI/ISA-88标准的批处理控制”是一个由BR&L咨询公司Dennis Brandl制作的资料性幻灯片。



•BatchControl.com的S88.01教程简要概述了批处理控制标准三个部分中的第一部分。



• “ISA S88.01标准2.0版”是一个由OSIsoft制作的视频,它解释了S88的许多重要细节。



 



“由于用户和集成商都在部署S88控制系统,所以其他用户在为生产系统开发新配方或者做出改变时无需求助于程序员。如果用户和集成商很好地完成了S88模块的配置,那么整个系统将更高效、更耐用。控制技师和过程工程师可能需要一些时间来学习S88的理念,但这能省去很多技术支持的时间。在某些情况下这可能是一个陡峭的学习曲线,但长期来看它绝对有助于提升用户的能力。



解决难题,辅助工具 



除了减少代码和增加产量,批处理方法还可以发现控制方面的难题,与专家和DAQ设备合作,进一步缩短周期并提高质量。



为了减少间歇式反应器的时间并保证聚酯树脂的质量,位于俄亥俄州格林维尔的巴斯夫工厂最近采用ABB的批处理指纹服务以分析反应器数据,找出可以改进的工序,同时在保证质量的前提下提出增加产量的建议。



以前聚酯是在间歇式反应器中生成,过程非常漫长,因此很难存储库存产品。指纹服务首先从工厂的DCS收集数据,以离散事件的形式进行编排,然后将其与代表反应器理想生产状况的KPI相比较。在超过三个月的时间里,巴斯夫和ABB将重点放在关键的聚酯生产组件上,包括具有导热油加热的夹套间歇式反应器、分馏柱、用于采集水的冷凝器与滗水器。



通过分析间歇式反应器的工艺信息并评估控制回路的性能,ABB和巴斯夫团队发现聚酯工艺中的真空步骤需要提高效率,还提出了几点减少差异的建议(如图2所示)。其他建议包括调整环路振荡以及评估油路驱动力。ABB还建议温度控制增加一个前馈,同时发现一个分馏器的温度回路失效,还发现一个超负荷的发射机。这些改进让巴斯夫工厂获得了更短的批处理周期,这既提高了产量又不影响质量。









 
 


 
 


 

Graph


 

 


 

 

Step


 

 

步骤


 



识别并优化 



图2:位于俄亥俄州格林维尔的巴斯夫树脂工厂最近采用ABB的批处理指纹服务以减少聚酯反应器中真空步骤的差异。时间图显示生产步骤4耗费了最长的时间,如果提升其效率可以大大缩短批处理周期。



来源:巴斯夫和ABB



为了扩大涂料业务,位于南非夸祖鲁-纳塔尔省Mobeni的Plascon公司最近在不中断运营的情况下升级了施耐德电气的Wonderware InBatch和InTouch HMI软件,以此改进调色板、均匀性、配方控制、可追溯性参数和批量一致性。它们由Wonderware的系统平台与记录软件集成,因此Plascon公司拥有了一个可扩展的SCADA系统用于更快更便捷的系统升级,还有一个用于所有SCADA、监管HMI、MES功能的平台。



“虽然生产油漆听起来像一个很简单的过程,但它涉及许多非常精细的过程,必须在特定时间发生反应从而获得一致的颜色并保持产品的一致性,”位于南非德班的便捷软件解决方案(控股)有限公司(CSS)系统集成师Gus Kruger说。该公司为Plascon安装了InBatch和InTouch软件。“在Wonderware InBatch的帮助下,Plascon可以自定义特定的命令与方法,由工厂操作员快速而轻松地执行。”



因此,Plascon的操作员和管理者可以利用InBatch准确地确定适合的配方,并通过人机界面实时观察颜料的混合过程。此外,它还会显示储存罐的水平以检查每天的供应量,而拼接的显示器会显示批处理状态。InBatch还提供材料谱系数据和网络报告以简化整个生产过程的监控与测量。结合Wonderware的系统平台与记录软件可以归档生产记录,进行高效数据压缩,自动配置历史数据,从而避免了重复性工作。



由于InBatch是基于S88的,Plascon创建了一个对象与图形模板库,它可以重复使用并迁移到其他设施,这节省了软件开发和安装的时间。此外,标签命名也基于S88,这为批处理控制带来了统一的术语,有利于实现应用集成。S88也帮助InBatch优化并最大限度地利用设备,它可以同时执行多个批处理,并提供电子批记录与报告。



未来向全方位普及 



除了带来多种全新的批处理过程应用,更灵活的软件以及更快的微处理器使S88原则超越了传统标准,它可以管理从物料处理到厂区生产系统的所有业务。事实上S88已经与一些ISA现有或即将推出的标准产生重叠和竞争。最引人注目的是用于连接过程控制和工厂业务级、企业系统的ISA95标准,以及计划推出的用于采用批处理方法管理过程系统的ISA106标准,但S88原则与ISA99网络安全标准和ISA100无线标准也有着功能联系。



“ISA-88是一个公认的批处理标准,它也能应用于以顺序方式启动和停止的连续过程。我们采用该标准和ISA-95标准来连接企业资源规划(ERP)系统。同时,企业制造标记语言(B2MML)基于ISA-95的XML模式,这大大促进了ERP系统与制造系统的集成。”矩阵技术公司的MES实施主管Divya Prakash说。该公司是一家CSIA认证的系统集成商,位于俄亥俄州莫米。



“ISA-88过去只是一个批处理标准,而现在它更接近于一个灵活的制造与排序标准,我们发现它可以与MES/ERP系统一起使用,用于执行计划的生产订单并报告原材料消耗和生产情况,这样可以更好地管理库存和批记录。批处理现在是完整集成供应链的一部分。”



ECS两次将面包房效率提高了20%



在大多数过程控制应用中,减少两位数的生产时间并且增加两位数的产量是罕见而令人惊讶的。在同一个应用中两次做到这一点是前所未有的,非常不可思议。

位于印地安那州埃文斯维尔的系统集成商ECS解决方案公司的总裁Tim Matheny称2012年ECS公司使亚利桑那州凤凰城的西南烘焙有限公司缩短了20%的周期,使用FactoryTalk Batch代替之前的OEM批量管理系统,这提高了面团搅拌及其他设备的利用率(“模块化批量灵活性带来无法预见的好处,”控制,七月'13,p.43)。ECS公司是控制系统集成商协会(CSIA)的认证会员。

然而,就在几个月前Matheny称ECS公司回到西南烘焙公司,用ECS公司正在申请专利的S88 Builder批处理软件替代了之前的OEM控制软件,并且再次提高了20%的生产效率,这主要是通过提高机器(即西南烘焙公司的罐、泵、真空装置及其他生产线设备)之间的通信与协作。由于S88 Builder能更准确的管理原料,不会超出配方量,西南烘焙公司将生产出质量和一致性更高的产品,而且将大大节省原料成本。

“注意到批处理过程控制有许多重复步骤之后,我们开始研发S88 Builder,而其他公司则使用软件模板和可重用代码来解决这一问题,”Matheny解释说。“所以就像不同的业务都使用微软Excel一样,我们研发了一种数据定义的、基于模型的低级别批处理软件,它可以使用所有类型的数据,无论是生产啤酒、面包或是意大利面酱。

“用户只需要思考如何使用他们的设备,而他们的配方表明了应该在什么位置、什么条件下添加糖浆或执行其他任务。S88标准让这一切成为可能,因为它将设备模型与配方模型分离开来。设备模型指导设备,而配方模型决定使用哪些设备以及如何使用设备。S88 Builder是一个ControlLogix程序,用于处理低级别设备,并且与FactoryTalk Batch结合。举例来说,当配方要求为一个罐添加原料,我们的软件会通知罐以激活相关的设备模块。S88 Builder是与众不同的,因为它只配置设备,而无需编程。由于ECS不编写梯形逻辑或其他程序,因此只需要约十分之一的工程设计时间就可以构建一个S88 Builder系统。”

评价!您认为该篇文章:

非常好          一般           没有价值

无需注册,直接提交,定期抽奖,祝您好运!

  • 转发至:
  • 收藏到QQ书签

相关报导