isa s88程序控制 2019-05-23

一句话
结合实际的设备单元装置模块编写相应的程序，完成相应的工艺动作，操作
实现要点
将设备程序工艺三者分离（类比硬件=身体部件控制=神经肌肉程序=大脑）
实现方式
利用配方程序将设备和程序结合起来依照一定的工艺流程完成批量的生产。
如何实现
通过配方

柔性设计：

基于批处理控制方式，被定义好的物理模型所做出的动作可以按照工艺要求进行组合。从而用同样的物理设备生产出不一样的批次产品。
在 S88 标准出现以前，在批量控制中，设备在预处理阶段对原料进行初步处理，通常这一过程需要程序对其控制，从设备的物理能力来说，它还能够执行其他功能或者执行功能的不同部分，但是，因为过程使用了程序代码，可能会有柔韧性，但是柔性不高。如果想要使用同一设备生产不同的产品，需要控制系统工程师的参与，这也需要时间和金钱。并且由于没有统一的标准，各批量生产商之间分别采用不同的生产标准和技术语言，不同厂商之间很难进行技术交流，而且操作员与设备的互通性很低，这样很不利于生产一体化的发展。
S88 标准定义了通用的模型术语与操作方法，能够有效的促进批量生产过程的发展。它的建立是基于批量生产过程的大量从业者的经验与教训，虽然付出了巨大的努力，但是相对于 S88 标准所带来的好处，这些工作都是值得的。自从ANSI/ISA-88.01 标准颁布以来，已经应用到了世界各地。
在批量控制系统中，软件通常根据物理模型构建。因此，阀门，电机，PID控制器等设备将成为控制模块。这些又将由设备模块控制，而设备模块又属于单元（尽管一些设备模块可以是独立的）。通常，这将通过将软件结构化为分层文件夹结构来实现。
在编写功能要求和设计规范方面，这些文档的结构使用相同的理念：将物理工厂划分为单元，设备模块和控制模块。设备模块将进一步分为各个阶段，每个阶段都有确定其行为的参数。
程序控制通常通过在配方编辑软件包中创建配方来完成。配方将包括调用底层设备模块的单元程序。每次调用设备模块都会指定传递给设备模块的参数值。

所有的批处理控制是对最小批处理控制模型的有效工艺组合。因此，PLC程序
在开发中只需要设计好最小的批处理控制过程．即控制阶段。则可以满足任何不同工艺的批处理过程控制。
对于每个最小批处理控制阶段．$88标准将其状态分为空闲，运行，完成，暂停中，已暂停，保持中，已保持，重启中，停止中，已停止，放弃中，已放弃。所
有的状态需要通过相应的命令使其发生转变。所有逻辑需要编写到每一种状态中去。从而控制相应过程状态下设备的状态。

过程为转换、运输、物质或能量的存储而进行一系列的化学、物理和生物活动。
侧重从物理或化学的变化角度描述生产活动。

生产过程分类

连续生产过程
原材料在生产设备中连续的传送、加工得到连续的产品。一旦建立一个稳定的连续生产过程运行状态，生产过程不会因为生产时间的长短而发生改变，并且每一个生产流程都运行在这稳定的状态上，最终的目的就是得到一个一致性产品。
离散生产过程
批量生产过程 使用一台或几台装置，按规定的次序对输入材料进行处理，从而生产有限的材料。
批处理过程既不是连续的也不是离散的，
批量生产的特点：

生产操作是按配方规定的顺序进行的，产品是批量输出的；
设备要求设计成可以生产不同产品的柔性连接；
不同流程工艺条件和被控对象变化比较显著，对控制系统参数优化要求高；
控制策略上涉及许多顺序操作，步与步之间的切换有的是时间触发，有的
是状态或者事件触发；
批量生产过程的配方管理和生产调度任务复杂繁重
为了描述批处理控制，S88推出了三种模型：
过程（工艺）模型：材料（产品）的化学和物理变化。
物理模型：从硬件角度看待批量控制。
程序控制模型：从软件角度看批量控制。

1. 过程模型（工艺模型）

在S88标准中，批处理过程以称为过程模型的方式组织。它是将批处理过程划分为越来越小的细分层次结构。这样做为我们提供了一种标准化的方式，不仅可以描述整个过程，还可以描述它的细分。
过程为转换、运输、物质或能量的存储而进行的一系列化学、物理和生物活动。

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过程：由一个或一组有序的过程段组成。这些过程段构成一个有序集。或串或并或二者兼有。
过程阶段：由一个或一组有序的过程操作组成。一般会引起被处理材料发生一系列计划好的物理或化学变化.通常是一个独立运作的过程。
过程操作：可细分为一个或一组有序的过程动作。代表主要的处理活动，通常会使材料发生物理或化学变化。
过程动作：组成过程操作的较小活动。

某产品生产过程：

过程:	整个生产产品过程分生产，清洁等阶段
过程阶段	生产阶段分：混合灭菌冷却包装等操作
过程操作	混合阶段有：加水，加糖，搅拌5分钟等动作

2. 物理模型

批生产所涉及的企业实物资产的物理模型，是所有其他ISA-88批处理控制概念（如流程，配方管理等）的基础。所有这些其他概念必须与某些设备相关联，并且需要您定义它们。
从硬件的角度描述生产活动

物理模型

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物理模型中有7个级别。前三个级别被视为业务，未作为标准中批处理的一部分进一步描述。另一方面，较低的四个级别与批处理过程相关。

企业是协调一个或多个工厂操作的组织机构。企业负责决定制造什么产品，他们将在哪个厂制造，他们一般将怎么制造等
现场由企业的物理、地理或逻辑组合来决定。一个工厂的边界通常是基于组织或企业标准，而不是技术标准。
区域一个区域由现场的物理、地理或逻辑分组来决定
过程单元 是一个设备的逻辑分组。其中包括为一个或多个批次生产所需的设备。一个过程单元包含所有的单元设备、设备模块和控制模块来执行一个或多个批次。
设备单元 是相关控制模块和设备模块和其它过程设备的组合。一个单元由设备模块和控制模块组成。组成单元的模块被组态为单元的一部分或暂时性地获取去执行一个具体的任务。
1.单元通常在批次的处理顺序中的某一点包含完整批次的材料。
2.不能同时处理多个批次
3.可以执行一个或多个处理活动
设备模块 可以执行一些指定小型加工活动的设备功能组。
由控制模块或从属设备模块组成。
控制模块 在物理模型中的最低等级设备组，它可以进行基本控制。这个术语同时适用于物理设备和设备实体。一个控制模块通常是一组传感器、执行器、其它控制模块和相关的加工设备。

企业：*****有限公司
现场：下属某制药厂
区域：固体制剂生产车间
过程单元：片剂生产设备
设备单元：混合设备
设备模块：进料模块
控制模块：搅拌电机

3. 程序控制模型

程序控制模型描述了如何执行批处理。该过程描述了所有面向设备的动作，这些动作按顺序执行批处理。

从软件的角度描述生产过程

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阶段程序的最小控制单元，能够完成面向过程的任务。一个阶段可以细分为更小的部分。阶段可以发布一条或几条命令或者采集现场生产数据，或引起一条或几条动作。
阶段通常对应于物理模型中设备模块的单独调用。在每次呼叫中，某些参数被传递到设备模块，该模块指示它如何操作。
操作一组有序的阶段，他确定了把一组材料从一种状态转变到另一种状态，通常伴随物理或化学的变化。
单元程序 在一个单元内执行一个连续过程的策略，它包括连续操作和发起、组织和控制这些操作所需的算法。一个单元程序由一系列有序的操作组成，这些操作会导致一个连续生产序列在一个单元内发生。
程序可由一组有序的单元程序来定义。是层次结构中最高层，它定义了为执行一个主要过程活动如制造一个批次的过程策略。
所谓程序，就是执行一个过程的策略。在一般情况下，它指的是在一个过程单元内为制造一个批次所采取的战略。它也可能是指一个产品生产之外的过程，如就地清洗程序。

一个阶段可以细分为更小的部分。在 IEC 848 中定义了步和转换,1988 年文件中定义了阶段细分的一个方法。一个阶段可以发出一个或多个命令或触发一个或多个动作，如：

启动和禁用调节装置和基本控制的状态导向类型和指定的设定点和初始输出值;
设置、清算和改变报警和其它限制；
设置和改变控制器常数，控制模式和算法的类型；
读取过程变量，如气体密度、气体温度和流量计的体积流量率并计算通过流量计的流量率值；
指导操作员授权检查。
阶段的例子包括以下内容：添加氯乙烯；添加催化剂；加热等

程序控制模型物理模型过程模型三者关系

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
the procedural control model is what you want to do,
the process model is how you do it,
the physical model is with what you do it.
过程控制模型由配方过程组成
流程模型

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结合实际的设备单元装置模块编写相应的程序，完成相应的工艺动作，操作

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装置实体

设备实体是将物理过程、控制设备和设备控制组合在一起，以执行某些控制功能。这种结合形成了四种设备实体：过程单元、单元、设备模块和控制模块。当提到过程单元、单元、设备模块和控制模块，人们通常指的是设备和它相关设备控制。

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批量控制概念

批控制类型

虽然您已将设备与程序绑在一起，但您并不总是希望对设备进行程序控制。有时您只需要对功能进行一些手动或基本控制。
出于这个原因，ISA-88引入了三种不同类型的控制

基本控制：建立或保持装置和过程的基本状态的控制。
1. 监管控制，联锁，监控，异常处理和重复离散或顺序控制
2. 对影响控制输出和触发纠正措施的工艺条件做出响应
3. 可以通过操作员命令或者程序或者协调控制来激活，取消激活或修改的

在批量生产过程中的基本控制与连续生产过程中的控制方式没有本质的区别，但是在批量环境中，对于基本控制接受命令和基于命令修改控制行为的能力提出了更高的要求。

程序控制：指导面向装置的动作按照规定顺序发生，以便指向面向过程的控制。程序控制执行程序控制模型中的程序。您将使用程序控制来对您的设备执行批处理。控制面向设备的行动的程序要素来自模型 - 程序，单元程序，操作和阶段。
协调控制：指导启动和/或修改程序控制的执行和装置实体的使用。
协同控制主要用于以下方面：监督管理设备的可用性和能力；仲裁分配请求；给批处理分配设备；选择执行程序元素；协调共同的设备资源；传播模式等协调，分配。
选择和仲裁是协调控制可以使用的一些典型应用。
这里面会经常用到一些如何协调分配资源或者设备到批次的算法。

模式

程序和设备元素都可以有模式。模式定义了元素如何操作和响应不同的命令。通过程序元素，它们还定义了程序如何继续以及它如何影响流程。

在标准中提出了三种模式：
自动
半自动
手动
程序元素可以是三种模式中的任何一种，而设备元素只能是自动或手动。
半自动定义了处理过程中的转换的方式。当程序元素处于半自动模式时，在转换条件为真之后，该过程还需要手动批准。

不同模式下的行为和允许被使用的命令定义如下。您还应注意，根据您使用的控件类型，模式具有不同的行为。

模式	行为	命令
自动（程序控制模式）	转换在没有中断的情况下执行。	操作员可以暂停进程，但不能强制转换
自动（基本控制模式）	设备由其控制算法操纵。	操作员无法操纵设备
半自动	当转换条件为真时，它们通过手动命令执行。	操作员可以暂停进度或重定向到适当的点。不能强制进行过渡。
手动（程序控制模式）	程序元素按操作员选择的顺序执行。	操作员可以暂停进展或强制转换。
手动（基本控制模式）	设备不受其控制算法的操纵。	设备可以由操作员直接操纵。

状态

状态明确了设备实体和程序元素的当前状况。例如，电动机可以处于运行或停止的状态。
对于一个阀，它的状态可能是“完全开”。而对于程序元素，它可能是“running” 或 “holding”。状态和命令的名称和数目因设备实体和程序元素的不同而不同。
标准中定义了许多状态，其中一些状态更适用于组件。阀门可以打开30％的状态，而电机则不能打开。另一方面，电动机可具有50％的速度状态，这对于阀通常是不可能的。

以下是标准定义的一些程序元素的状态：

英	中
Idle	空闲
Running	运行中
Complete	已完成
Pausing	暂停中
Paused	已暂停
Holding	保持中
Held	以保持
Restarting	重新启动
Stopping	停止中
Stopped	已停止
Aborting	中止中
Aborted	已中止

命令

命令启动了状态的转换。
对状态的改变有一些限制，你不能将状态从空闲状态改为停止状态。对此的说明称为状态转移矩阵或图。可以使用图表或矩阵来查找状态，命令和转换之间的关系。

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异常处理

无论哪种状态或模式，事情总是会出错。我们在出错之后处理事务的方式称为异常处理。如果未发生批处理控件的正常或所需行为，则会发生异常。
异常可能发生在程序或设备的不同级别，并且他们可以是基本控制、程序控制和协同控制的一部分。最常见的是在设备模型的较低级别上发生的例外 - 硬件。但由于缺乏输入材料，过程存在问题等原因，也会出现例外情况。
从控制的角度看，异常处理与检测、评估和反应生产事件中的预期控制战略是一样的。异常反应功能可能会影响设备实体和程序元素的模式与状态。例如，一个反应器的高压可能导致异常反应功能转移过程到 STOPPED 状态，或是操作者检测到异常情况并开始采取类似的行为。
异常处理是实现批量控制长期进行下去的一个关键因素。据分析批量控制中40%-60%的设计和执行都是针对批量过程中的异常行为，正确合理的异常处理是保证生产进程安全，产品质量稳定和生产成本最小化的关键因素。

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