система рецептурного управления технологическим процессом

Вообще, batch-процесс – это вид технологического процесса, который иногда противопоставляют непрерывному процессу. Иногда batch-процессы называют рецептурными процессами (или просто рецептами); эту терминологию мы и будем в дальнейшем использовать. Слово “batch” еще можно перевести как “партия продукции”, и это тоже относится к затрагиваемой теме, так как в результате рецептурного процесса производится партия продукции. Ладно, хватит путаницы – теперь по делу.

Раньше мы рассматривали технологические процессы, которые идут непрерывно в течение 24 часов в день, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Хотя, на самом деле, раз в году делают плановый останов на несколько дней для выполнения ремонтных и других работ, но это происходит строго в соответствии с планом, и этому предшествуют значительные подготовительные работы. В другое же время остановка производства – это “чрезвычайное” происшествие. При этом отдельно взятая технологическая установка принимает участие в производстве одного вида продукции, а сам процесс идет по фиксированной технологической цепочке с неизменными настройками (уставками). Короче, все скучно, однообразно и весьма предсказуемо.

А теперь представим гипотетический пищевой цех по производству сока. При этом цех может производить несколько видов сока: яблочный, вишневый и апельсиновый, т.е. 3 вида продукции. Пусть сок производится из концентрированного сока в специальной емкости с мешалкой, где он тщательно смешивается с водой, а потом пастеризуется и идет на розлив (пакетирование).

Имеет ли смысл ставить для производства этих трех видов сока три производственные линии (по одной линии на каждый вид сока)? Было бы круто, но чрезвычайно дорого. Выход – использовать одну и ту же линию для выпуска разных видов продукции. При этом понятно, что и технологические параметры для производства различных соков будут заметно друг от друга отличаться. Например, вишневый концентрат нужно смешивать с водой гораздо дольше, чем яблочный, но пастеризовать его надо при меньшей температуре (я на самом деле этого не знаю - чисто предположение:)

Набор технологических параметров для производства определенного вида продукции называется рецептом (recipe). В нашем примере для сока это может быть: соотношение вода/концентрат, длительность и температура смешивания; температура пастеризации + другие параметры. В общем случае, рецепт также может содержать последовательность технологических операций, которые для различных видов продукции могут быть, строго говоря, разными. Хотя на практике, как правило, рецепт не подразумевает различающиеся технологические операции, а содержит всего лишь массив технологических уставок для того или иного продукта.

Рис. 1. Иллюстрация рецептурного управления на примере производства различных видов сока

Это все напоминает процесс приготовления еды на кухне, где мы оттачиваем рецепты разных блюд, но при этом используем одни и те же орудия (кастрюли, ножи, разделочные доски, плиту и т.д.)

Теперь попробуем дать характеристику batch-процессу:

1. На выходе несколько видов продукции.
2. При производстве разных видов продукции задействуется одно и то же технологическое оборудование.
3. Имеется множество рецептов.
4. Производство по “партиям”, которое может быть относительно легко и без последствий остановлено после завершения партии, а потом возобновлено.

Автоматизированное управление batch-процессом называется рецептурным управлением (batch control, или recipe control). Этот вид управления несколько специфичен, и требует от системы управления некоторой смекалки. Конечно, можно использовать для задач рецептурного управления обычные программные блоки, подходящие для управления непрерывным процессом, НО на практике это приводит к огромным трудностям (=головной боли) при попытке все это реализовать, используя стандартные подходы программирования. Поэтому многие производители АСУ ТП разработали специализированные batch-модули, которые адаптированы именно под рецептурные процессы. Эти модули могут выполняться на уровне ПЛК или на выделенном сервере batch. Иногда эти сервера, к тому же, резервируются. Также batch-модули дополняются специализированной средой разработки batch-программ, что сильно облегчает жизнь инженера.

На рисунке ниже в качестве примера приведена конфигурация верхнего уровня АСУ ТП SIMATIC PCS 7, оснащенной выделенным сервером batch.

Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП с выделенным сервером batch

Перечислим основные обязанности системы batch-управления:

1. Ну, собственно, самая главная задача – хранение/загрузка рецептов и их выполнение в режиме реального времени (batch process management).
2. Отслеживание, не занята ли технологическая установка выполнением другого рецепта. Если занята, то выделяется другая аналогичная установка для выполнения данного рецепта (process unit allocation).
3. Формирование отчетов об изготовление партии продукции в задаваемой пользователем форме. Причем, требуются отчеты с возможностью отслеживания истории (ретроспективы) “прогона” партии по технологической цепочке (reporting and batch tracking).
4. Расчет различных показателей эффективности производства, как, например: удельного времени простоя (в %), производительности (в л/c) технологической установки или полного времени изготовления партии продукции (в мин).
5. Планирование изготовления партий, что фактически подразумевает составление производственного расписания. Ну, это на самом деле ни одна система в полном объеме пока не реализует (batch planning).

И еще несколько слов.

Как правило, пакет batch состоит из двух частей – операторской (клиентской) и исполняемой. Клиентская часть устанавливается на АРМы и всего лишь обеспечивает удобный операторский интерфейс. Клиентская часть, как правило, органично вписывается в общую операторскую среду, и работа с ней идет непосредственно из мнемосхем.

Исполняемая часть – это костяк системы. Именно она ответственна за автоматизированное выполнение задач рецептурного управления, описанных выше. Исполняемая часть прогружается в специальные серверы batch или в обычные ПЛК в зависимости от архитектуры АСУ ТП.

И еще. Существует международный стандарт ISA-88, специфицирующий batch-процессы, определяющий модель и философию рецептурного управления, а также стандартизирующий соответствующую терминологию. Документ тяжеловесный, и посему прочитан полностью мной не был. Тем не менее, в следующей части я попытаюсь более детально описать рецептурные системы с привязкой именно к стандарту ISA-88.

[http://kazanets.narod.ru/Batch_P1.htm]