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| 批量配料系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISAS88 | 2020-03-03 |
| 摘要：批量配料系統(tǒng)過程已成為現(xiàn)代工業(yè)配料過程的一個重要分支，美國儀表學(xué)會（ISA）在1995年7月針對批量控制制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)ISAS88。自動配料系統(tǒng)從分析S88所定義的技術(shù)術(shù)語和模型出發(fā)，重點對過程模型、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，提出了批量配料系統(tǒng)在建模時組件的定義原則，并以CASGOOD發(fā)的UWinBatch配方軟件在某間歇性配料系統(tǒng)活性劑的精細(xì)化工裝置為例，搭建了一個全自動化的DCS批量配料系統(tǒng)，取得了良好的運行效果。 背景 隨著近年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的日新月異，批量配料系統(tǒng)過程已成為現(xiàn)代工業(yè)配料系統(tǒng)過程的一個重要分支，特別是在精細(xì)化工配料系統(tǒng)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、少品種配料系統(tǒng)方式向小批量、多品種配料系統(tǒng)方式轉(zhuǎn)變，并需要根據(jù)市場的變化及時調(diào)整產(chǎn)品種類。面對這些新的配料系統(tǒng)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，隨著工業(yè)自動化過程控制理論和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于工業(yè)控制功能集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求也越來越高。 美國儀表學(xué)會（ISA）在1995年7月針對批量控制制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)ISAS88。1997年8月，稱重配料系統(tǒng)被國際電工委員會IEC采納定為國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列的技術(shù)術(shù)語和模型，以滿足批量配料系統(tǒng)的控制需要，也讓批量控制的發(fā)展步入一個嶄新的臺階。 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，用于描述批量配料系統(tǒng)廠家的控制要求，這種國際標(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)計和操作實踐。稱重配料系統(tǒng)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臺或多臺設(shè)備在規(guī)定時間內(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；稱重配料系統(tǒng)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、工廠配方、主配方和控制配方，其中控制配方由批量控制服務(wù)器實施執(zhí)行，完成一次批量配料系統(tǒng)，稱重配料系統(tǒng)包含了某一特定批量配料系統(tǒng)與產(chǎn)品相關(guān)的所有信息。其稱重配料系統(tǒng)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 批量配料系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISAS88，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，但稱重配料系統(tǒng)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，便實現(xiàn)了過程模型中相關(guān)的配料系統(tǒng)任務(wù)。 過程模型把批量過程分為過程、過程階段、過程操作和過程動作四個部分。過程動作是批量過程中最小的加工活動；過程操作是由一個或幾個過程動作組成的比較大的加工活動，稱重配料系統(tǒng)通常會使待加工的物料發(fā)生化學(xué)或物理變化；過程階段是由一個或幾個過程操作組成的、相對獨立的加工活動；過程由一個或幾個過程階段組成，最終完成一次批量配料系統(tǒng)。 物理模型用來描述批量配料系統(tǒng)中的設(shè)備，分為過程單元、設(shè)備單元、設(shè)備模塊和控制模塊四層。其中，控制模塊由一組傳感器、激勵裝置和其他控制模塊組成，完成一個基本的控制活動；設(shè)備模塊由完成一個簡單任務(wù)的某些控制模塊組成；設(shè)備單元由配料系統(tǒng)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；過程單元則包括批量配料系統(tǒng)中所有的配料系統(tǒng)操作設(shè)備和輔助操作設(shè)備。 在批量配料系統(tǒng)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)實時執(zhí)行，稱重配料系統(tǒng)包含某一特定批量配料系統(tǒng)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)品配料系統(tǒng)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)ISAS88中的程序控制模型，配方中的程序由上至下分為程序、設(shè)備單元程序、操作和階段四個層次。其中，階段是程序控制模型中最基本的構(gòu)件，稱重配料系統(tǒng)包括對元器件的離散控制、調(diào)節(jié)回路和聯(lián)鎖保護(hù)。選擇和組合階段，構(gòu)成在一個設(shè)備單元內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品批量配料系統(tǒng)的單元操作，稱重配料系統(tǒng)定義了一個主要的、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。 三、S88標(biāo)準(zhǔn)的核心思想 S88給系統(tǒng)工程師提出了設(shè)計批量配料系統(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)計與設(shè)備控制程序的設(shè)計相互獨立。將設(shè)備控制程序設(shè)計成一種相對固定的模塊，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現(xiàn)結(jié)合，在其稱重配料系統(tǒng)方面兩者不存在直接聯(lián)系。配方的程序元素與設(shè)備要求這兩項信息保證控制配方無二、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，要實現(xiàn)一個批量控制策略，首先必需進(jìn)行過程分析，即分析一個產(chǎn)品批量配料系統(tǒng)過程的操作順序。對批量配料系統(tǒng)過程進(jìn)行分析時，一般通過帶控制點的工藝流程來了解被控對象，熟悉配料系統(tǒng)工藝，研究和分析批量配料系統(tǒng)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ISAS88標(biāo)準(zhǔn)中的物理模型來正確地劃分設(shè)備單元、辨識產(chǎn)品的配料系統(tǒng)路徑、各個元器件和設(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)品的配料系統(tǒng)程序在各個設(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)生在一個單獨的設(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)的批量配料系統(tǒng)組件定義 4.1階段（Phase）的定義 Phase是批量配料系統(tǒng)中最小的單元，通常來說一個Phase就對應(yīng)一個順序控制程序，這個程序是由一組命令和參數(shù)組成用來完成一個基本工藝過程，而且這個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階段。 4.2單元（Unit）的劃分 單元的劃分歷來就是批量配料系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為有兩個主要原因：單元劃分由工藝流程和工藝路徑選擇來決定，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費單位，所以單元的劃分會和項目的成本控制有很大的關(guān)系。單元一般是以反應(yīng)罐、槽等物料存儲、處理設(shè)備為主，附帶或不附帶其稱重配料系統(tǒng)組成設(shè)備，這樣又可以根據(jù)這個原則，再作調(diào)整，使單元符合工藝要求。 4.3配方的編寫 目前批量控制軟件一般都分為兩個主要組成部分：一個是批量設(shè)備編輯軟件；另一個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配料系統(tǒng)關(guān)系緊密，一般是由配料系統(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)配料系統(tǒng)工程師輔助完成，其結(jié)構(gòu)必須符合S88對程序控制模型的要求，從上到下分為procedure、unitprocedure、operation和Phase，每一個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行邏輯，之后的主要工作為程序運行邏輯框架的搭建和運行步驟轉(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在某間歇性配料系統(tǒng)活性劑的精細(xì)化工裝置上的應(yīng)用來說明基于ISAS88標(biāo)準(zhǔn)的DCS批量控制是如何實現(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，配料系統(tǒng)8大類近40個牌號的產(chǎn)品，配方數(shù)量約為40種。 5.1工藝流程簡介 配料系統(tǒng)流程簡要概括：當(dāng)需要配料系統(tǒng)某種牌號的產(chǎn)品時，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)釜充入惰性氮氣，加壓加熱反應(yīng)釜。保持反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，在一定時間內(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，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，從而完成一個批次產(chǎn)品的配料系統(tǒng)。 反應(yīng)釜作為工藝流程中最重要的工藝配料系統(tǒng)單元，實現(xiàn)批量配方的關(guān)鍵控制都集中在反應(yīng)釜中，需以較高的自動化程度來實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定好的反應(yīng)步驟，要對溫度、壓力等重要參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控。 5.2批量控制實施步驟 在項目實施階段，按照S88規(guī)定的物理模型進(jìn)行設(shè)計、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。 在完成物理模型的定義后，在配方編輯器進(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，建立配方參數(shù)和公式來完成主配方和庫的創(chuàng)建以及修改。 在配料操作周期，通過批配料系統(tǒng)控制中心來實現(xiàn)配方的運行、管理以及修改,將配方公式和參數(shù)加載配方程序中,完成了一次控制配方的執(zhí)行.比如配料系統(tǒng)1牌號產(chǎn)品，該程序便啟動主配方庫中1牌號對應(yīng)的配方，程序啟動并運行至階段層時，相應(yīng)的控制模塊和設(shè)備模塊會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，從而實現(xiàn)該批次的批量配料系統(tǒng)，也就是完成了一次控制配方的執(zhí)行。配方程序中“催化劑反應(yīng)”單元操作相對應(yīng)的程序功能圖，該程序通過對控制器中攪拌、反應(yīng)等設(shè)備階段的調(diào)用，來完成的單元操作。 若配料系統(tǒng)其稱重配料牌號的產(chǎn)品，則按同樣方式啟動相應(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。在需要配料系統(tǒng)新牌號的產(chǎn)品時，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ISAS88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)建配方時不需要關(guān)系設(shè)備的內(nèi)部邏輯，在修改配方時也沒用必要對物理設(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。 5.3運行效果 從已投入運行的本精細(xì)化工裝置的實際情況表明，基于ISAS88批量控制軟件的配料系統(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)市場變化進(jìn)行產(chǎn)品更換，新產(chǎn)品試制時間大幅度減少，產(chǎn)品靈活性大大提升，并提高了配料系統(tǒng)效率，大大減輕了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，方便了配料系統(tǒng)管理，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，得到了操作人員和管理人員的普遍歡迎。 | |
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