Использование в данном контексте термина “рецептура”, как последовательности выполнения определенных действий для изготовления конечного продукта, возможно, и не очень удачно, но стало на сегодняшний день стандартом де-факто.

Иногда такой тип производств называют процессным. Понятно, что на предприятиях используется самое разнообразное оборудование, системы управления строятся на основе различных вычислительных средств. Для обеспечения их совместного функционирования необходимо, чтобы все эти системы соответствовали единым стандартам, использовали унифицированный способ записи рецептур,  отображения текущего состояния оборудования и т.д. Тенденция развития корпоративных систем привела к пониманию, что для эффективного управления такими сложными производствами нужен единый стандарт, и в конце 80 х гг. ХХ века была начата работа по созданию стандарта ANSI/ISA 88 (часто также используется сокращение S88). Разработчик стандарта – комитет SP88 международной организации ISA, объединившей конечных пользователей и поставщиков оборудования и решений для периодического производства. В 1995 г. стандарт был одобрен сообществом ISA и получил официальный статус. За прошедшие годы ISA 88 получил широкое распространение и стал признанным стандартом реализации систем управления периодическим производством. Несмотря на кажущуюся очевидность востребованности, для признания стандарта S88 потребовались годы. Но в результате стандарт стал широко применяться на практике и получил дальнейшее развитие в виде стандарта ISA 95. В настоящее время стандарт развивается и совершенствуется, большой объем информационных материалов можно найти на официальном сайте организации www.isa.org. В статье сделана попытка проанализировать имеющиеся материалы по практическому использованию стандарта S88 при решении различного рода задач как самостоятельно, так и в связке с другими нормативными документами. При подготовке статьи использовались материалы ассоциации ISA, World Batch Forum, ассоциации MESA International, а также материалы специализированных Internet сайтов. К сожалению, на нашем рынке ISA 88 пока недостаточно популярен, переводных материалов по применению стандарта практически нет, статьи в специализированных изданиях носят единичный характер. Настоящая статья ставит своей целью не предоставить детальное описание стандарта, а осветить основные подходы, заложенные в нем, и зародить интерес к более подробному изучению сути вопроса. За рамками статьи сознательно оставлены вопросы программной реализации, а также сравнение существующих систем управления периодическим производством. Предпочтение отдано более “концептуальным” темам, ориентируясь в которых, заинтересованный специалист без труда выберет средство реализации.

Структура стандарта ISA-88

Стандарт ISA-88 разрабатывался на базе существовавшего на тот момент стандарта NAMUR N33 и был призван помочь в решении нескольких фундаментальных проблем, таких как отсутствие единой модели рецептурного производства, сложность согласования требований, трудности интеграции решений различных поставщиков, сложное управление рецептурным производством. Для решения этих проблем необходимо было определить единые модели, терминологию, структуру данных и язык описания процесса. Структура стандарта соответствует поставленным задачам и включает четыре части: 

• ISA88.01 1995, Batch Control Part 1: Models and Terminology – определяет стандартные модели и терминологию для формализации требований к системам управления периодическим производством, его эквивалент – IEC 61512 1; 
• ANSI/ISA 88.00.02 2001, Batch Control Part 2: Data Structures and Guidelines for Languages – определяет модели данных для управления производством, структуры данных для обмена информацией, а также форму записи рецептуры;
• ANSI/ISA 88.00.03 2003, Batch Control Part 3: General and Site Recipe Models and Representation – определяет модели для представления обобщенных рецептур и обмена такими рецептурами между подразделениями предприятия, а также между предприятием и его партнерами;
• ANSI/ISA 88.00.04 2006, Batch Control Part 4: Batch Production Records – определяет модели данных и ориентировочную модель системы для записи, хранения, извлечения и анализа данных о ходе периодического производства. 

Кроме того, готовится к выходу пятая часть стандарта Implementation Models & Terminology for Modular Equipment Control, цель которой состоит в определении методов формализации интеграции производственного и упаковочного оборудования, а также корпоративных информационных систем. Также на основе концепций стандарта ISA 88 разработаны конструкции XML для обмена данными в системах управления периодическим производством – BatchML.

Основные понятия и модели ISA-88 

Прежде всего, стандарт ISA 88 определяет понятие периодического процесса (batch process) – это процесс, результатом которого является производство конечного количества продукта путем выполнения над некоторым количеством исходных материалов (сырья) упорядоченной последовательности воздействий за ограниченный период времени с использованием одной или более единиц оборудования. Это определение однозначно указывает на наличие ограниченного интервала времени (периода) изготовления конечного количества продукта (то есть партии) и тем самым отделяет  периодический производственный процесс от непрерывного или дискретного процесса. Термин “партия” (“batch”) имеет значения: во-первых, “материал, который производится в результате одной стадии batch process”, а во-вторых – некая сущность, определяющая производство материала на любой стадии процесса. Под термином “рецептура” (“recipe”) определяется минимально необходимый набор информации, которая уникальным образом определяет требования к производству конкретного продукта. Для управления периодическим производством необходимы три сущности (и именно их охватывает стандарт):

• формальное определение процесса изготовления партии продукта – рецептуры (recipe); 
• информация об оборудовании, которым нужно управлять (модель оборудования);
• формальное определение управляющих воздействий. 

Чуть более подробно остановимся на модельных представлениях, описанных в стандарте. Стандарт ISA 88.01 определяет физическую и процедурную модели производства. Физическая модель  в целом определяет производственную ячейку оборудования, необходимого для производства партии продукции. Основным понятием здесь является модуль – основная единица оборудования, выполняющего главный шаг процесса. Физическая модель (модель оборудования) в общем случае включает семь уровней:

1. блок управления (Control Module); 
2. агрегат (Equipment Module); 
3. установка (Unit); 
4. ячейка про цесса (Process Cell); 
5. производственный участок (Area); 
6. производство (Site); 
7. предприятие (Enterprise). 

Ячейка процесса (Process cell) – единственный обя зательный уровень модели. Она включает все установ ки, агрегаты и блоки управления, требуемые для про изводства одной или нескольких партий. Ячейка процесса может включать линии (train), состоящие из оборудования, необходимого для изготовления определенной партии. При изготовлении партии необязательно используется все оборудование, входящее в линию, в то же время одна линия может быть задействована одновременно в изготовлении нескольких партий и/или продуктов. Ячейка процесса может включать более одной линии, при этом линия не может вклю чать оборудования, не входящего в ячейку процесса. Ячейки процесса служат основой для планирования и управления производством продукции. Процедурная модель (модель ТП) в общем случае включает четыре уровня:

• фаза (Phase); 
• производст венная операция (Operation); 
• процесс (Unit Procedure); 
• технология (Procedure). 

Технология (Procedure) на стратегическом уровне определяет по следовательность мероприятий, которые необходимо выполнить для производства партии. Она состоит из требуемого числа процессов (Unit Procedure). А про цесс, в свою очередь, состоит из связной последова тельности производственных операций, выполняемых на одной установке, и  моделирует один из ос новных шагов (стадий) создания партии. Предпола гается, что в каждый момент времени на установке выполняется только одна операция, при этом каждая операция полностью завершается в пределах установки. Тем не менее множество процессов одной технологии может выполняться на нескольких установках одновременно, а каждый процесс на своей установке. Применимость моделей стандарта ISA- 88 как к крупным производствам со сложными ТП и структурой оборудования, так и к простым по структуре предприятиям неоднократно проверена на практике. Определяемые стандартом модели позволяют встраивать простые процессы в процессы более высокого уровня, наличие которых не предполагалось изначально. Данный факт дает возможность небольшим предприятиям благодаря применению стандарта ISA-88 получить больше возможностей в части кооперации с крупными предприятиями – заказчиками их продукции. Подходы, аналогичные модели оборудования стандарта ISA- 88, и ее развитие в стандарте ISA -95 могут использоваться и при описании не только производственных технологических объектов и структур. При практической реализации иерархия моделей стандарта используется как этапность для внедрения системы управления. Внедрение происходит снизу вверх: сначала блоки управления, затем модели оборудования, затем фазы оборудования и далее до моделей процедур. Этот процесс внедрения может быть прекращен на любой стадии, как только будут выполнены требования к системе управления. При этом на каждой из стадий внедрения (на каждом из уровней модели) достигаются вполне определенные результаты, что дает возможность оценить экономическую эффективность каждого из этапов внедрения в отдельности. 

Совместное использование ISA-88 и ISA-95 

На современном производственном предприятии АСУ ТП должны взаимодействовать не только с аналогичными системами, но и с системами управления верхнего уровня, в том числе MES и ERP. Если обмен данными с MES еще может быть описан в рамках ISA 88, то передача данных от MES к ERP требует уже других стандартов. Один из наиболее известных стандартов обмена информацией между MES и корпоративными информационными системами – стандарт ISA-95. На первый взгляд, ISA-95 и ISA-88 прекрасно дополняют друг друга, так что складывается впечатление, что вместе они охватывают все производственные системы – от MES до локальных систем управления. Но в то же время между двумя стандартами существуют серьезные различия, касающиеся моделей оборудования, функциональных и информационных моделей. Без учета таких различий трудно рассчитывать на положительный результат при совместном использовании стандартов.

Рис. 1. Взимное наложение охвата функций ISA-88 и ISA-95

Рассмотрим сначала, чем отличаются модели оборудования в ISA-95 и ISA-88. В основе иерархической модели оборудования ISA-95 лежат физическая модель ISA-88 и модель производственного предприятия университета Пердью PERA (Purdue Enterprise Reference Architecture). От первой взята общая структура модели, а от второй – деление модели на уровни управления. Кроме того, в модель ISA-95 добавлены элементы для производств дискретного и непрерывного цикла, а также для складского хранения. В модели же ISA-88 учитывалось только периодическое производство, хотя имеется достаточно много примеров ее использования на производствах другого типа. Так как стандарт ISA-95 ориентирован в первую очередь на организацию обмена информацией между корпоративными и производственными системами, в модель оборудования ISA-95 не входят модули оборудования и управления. Теми же обстоятельствами обусловлены различия в функциональных моделях стандартов. Цель создания функциональной модели ISA-88 – описать ход производственного процесса, в то время как в ISA-95 отдельные функции рассматриваются, прежде всего, как источники информации, передаваемой между MES и системами верхнего уровня. Большинство функций ISA-88 и ISA-95 можно сопоставить друг другу (рис. 1), правда, при этом нужно учитывать, что функции ISA-95 более “общие”. Причина этого все та же – приоритет batch процессов в ISA-88. Например, один из элементов модели ISA-88 – управление рецептурными данными (Recipe Management). Но на производствах другого типа для описания последовательности этапов производственного процесса могут использоваться стандартные процедуры (Standard Operation Procedure, SOP) или сборочные инструкции. Поэтому вместо управления рецептурными данными в ISA-95 говорится об управлении определениями продукции (Production Definition Management). Рецептурные же данные рассматриваются как частный случай определения. С другой стороны, в ISA-88 значительно больше внимания уделяется функциям, работающим на уровнях 0 (уровень физических процессов), 1 (уровень средств измерения и исполнительных механизмов) и 2 (уровень мониторинга, автоматизированного и диспетчерского управления процессами производства), таким как “Управление оборудованием” (Unit Supervision) и “Управление процессом” (Process Control). ISA-95, напротив, лишь вскользь упоминает подобные функции.

Основное внимание в ISA-95 уделено взаимодействию систем управления и корпоративных информационных систем, поэтому передаются только данные, нужные системам верхнего уровня для планирования и контроля производственного процесса. ISA-88 описывает данные, необходимые для совместной работы систем управления, а также для детального планирования работы. Например, при описании потенциальной производительности (Production Capability Information) в ISA-95 используется информация об оборудовании, материалах и персонале. Из трех понятий только одно – оборудование – применяется в ISA-88. Но в системе, реализованной в соответствии с ISA 88, оборудование может быть описано гораздо более подробно, с делением на отдельные модули. Для каждого модуля, в свою очередь, можно хранить информацию о возможной производительности и использовать ее при выборе маршрута материала в реальном времени. Но системам верхнего уровня ничего об этом известно не будет, они будут получать информацию о производительности единицы оборудования в целом. Из вышесказанного становятся понятны возможности совместного применения ISA-95 и ISA-88. MES, реализованная в соответствии с ISA-95 может “знать”, какие данные можно получить от систем управления периодическими процессами, соответствующими ISA-88. С другой стороны, разработчики системы управления могут предположить, какие данные потребуется передавать на верхний уровень. Знание стандартов, умение их применять и находить точки соприкосновения необходимо и для постановки задачи на разработку интегрированной системы управления, и для технического проектирования такой системы.

Применение ISA-88 для производственных процессов другого типа

Несмотря на то, что ISA- 88 разрабатывался для периодического производства, стандарт довольно успешно применяется и для непрерывного и дискретного производства. Можно назвать довольно много отличий непрерывного производства от периодического, среди которых и более высокий расход ресурсов, и меньшая номенклатура выпускаемой продукции, и большая продуктивность непрерывных производственных процессов. Однако с точки зрения управления непрерывный производственный процесс очень похож на периодический процесс с нулевым временем простоя при смене рецептуры, длительными интервалами между сменой рецептов и отсутствием остановки материальных потоков. С дискретными производственными процессами ситуация сложнее, общих черт с периодическим производством здесь еще меньше. Но и здесь вполне можно определить единицы оборудования, модули оборудования и управления. Вопрос лишь в том, насколько оправданно использование ISA-88 в “неродной” для него области. Производственные процессы, в том числе периодические, зачастую тесно связаны с производственными процессами другого типа. Например, после выпуска партии таблеток (периодический процесс) их необходимо расфасовать по упаковкам (дискретный процесс). В этом случае удобно было бы описать обе производственные линии на одном и том же языке, например, на языке ISA-88. При наличии такого описания гораздо проще обеспечить взаимодействие систем управления производственными линиями. Именно в подобных случаях применение ISA-88 к процессам, отличным от batch, выглядит оправданным. Особого внимания заслуживает использование ISA-88 для управления безостановочными (non stop) производственными процессами. Такие процессы могут быть как непрерывными, так и дискретными: их отличительная особенность – недопустимость прерывания производственного процесса, обусловленная физическими особенностями процесса (производство стекла) или требованиями оптимального использования оборудования (розлив и упаковка). Главное препятствие к применению ISA-88 – правило, согласно которому в одной единице оборудования в каждый момент времени используется только одна рецептура.  Очевидно, что в случае безостановочного процесса это правило не реализуемо, иначе при переходе с одного вида продукции на другой неизбежно возникали бы остановки, недопустимые в нашем случае по определению. Поэтому для безостановочных процессов правила ISA-88 были модифицированы следующим образом:

• единица оборудования завершает выполнение главной фазы обработки в тот момент, когда на ее входе появляется последний элемент старой партии; 
• старая рецептура используется до тех пор, пока элементы старой партии не выйдут за пределы единицы оборудования; 
• перемещение последнего элемента старой партии отслеживается; 
• сигнал об окончании партии посылается в тот момент, когда первый элемент новой партии выходит за пределы единицы оборудования. 

 

Рис.2. Пример использования NS-88

Пусть имеется участок производственной линии, состоящий из двух аппаратов. Первый аппарат заполняет упаковочную емкость, а второй – закрывает ее крышкой (рис. 2). Рассмотрим, как будет работать линия в ходе смены партии с B1 на B2. При этом вы полняются следующие действия: 

Следовательно, измененные правила (их еще называют NS88 – non stop S88) позволяют формализовать непрерывные процессы и тем самым значительно расширяют сферу применения ISA-88.

Заключение

Ключевым аспектом ISA-88 является то, что стандарт поддерживается большинством крупных поставщиков оборудования, поэтому и специалистам производственных предприятий, и системным интеграторам, и разработчикам оборудования необходимо иметь как минимум общее представление о самом стандарте и его применении. Физическая модель ISA-88 может применяться для иерархического представления технологического оборудования, когда каждая единица оборудования делится на модули, состоящие в свою очередь из более мелких модулей. Такое деление позволяет структурировать описание производства, а также может служить в качестве основы для разработки системы кодирования этапов производства. Наличие иерархической модели позволяет также четко определить модули ПО системы управления и связи между ними и избежать “спагетти эффекта”. Модульный подход к построению системы управления имеет множество преимуществ. Например, система управления единицей оборудования может быть заменена или модифицирована без особого влияния на другие модули. Достаточно только потратить некоторое время и средства на создание структурированного описания и разработку модулей. В дальнейшем затраты окупятся за счет возможностей повторного использования и увеличения гибкости систем управления оборудованием.

Авторы:  И.С. Решетников (ООО “Газпромремонт”), А. П. Козлецов (ООО “АМастер”), Д.Е. Анисимов (ООО Ктмпания “ТЕРСИС”

Источник: “Автоматизация в промышленности”, апрель 2010