Категорія: МЕК 61512

Щоб зрозуміти, як саме стандарт IEC 61512 дозволяє добитися виконання тих чи інших заявлених функцій, і пояснити яким чином він допоміг при впровадженні нам та нашим колегам по цеху, треба хоч поверхово розглянути його фундаментальні засади. Наведений нижче текст ніяк не претендує на повноту викладення матеріалу, а радше служить в якості дуже коротких нотаток. Ми рекомендуємо ознайомитися з самим стандартом, зокрема з його першою частиною, переклад якої українською мовою доступне за посиланням  https://tk185.appau.org.ua/61512/ukr/ .

Перша частина стандарту вийшла в світ у 1995-му році, як ANSI/ISA–S88.01–1995 “Batch Control Part 1: Models and Terminology”. Через кілька років стандарт ISA (International Society of Automation www.isa.org ) був затверджений на міжнародному рівні як  IEC 61512-1. З того часу вийшло ще кілька частин стандартів ISA та їх зеркальних варіантів IEC, зокрема:        

• IEC 61512-1 (ANSI/ISA–S88.01–1995) Batch Control Part 1: Models and Terminology.
• ANSI /ISA–88.00.01 –2010 Batch Control Part 1: Models and Terminology (Update 2010)
• IEC 61512-2 (ANSI/ISA–88.00.02) Batch Control Part 2: Data Structures and Guidelines for Languages (2001)
• IEC 61512-3 (ANSI-ISA-88.00.03) Batch Control Part 3: General and Site Recipe Models and Representation (2004)
• IEC 61512-4 (ANSI/ISA-88.00.04) Batch Control Part 4: Batch Production Records (2006)
• IEC 61512-5 (ANSI/ISA-88.00.05) Batch Control Part 5: Implementation Models & Terminology for Modular Equipment Control
• ISA-TR88.00.02 Machine and Unit States: An Implementation Example of ISA-88 (2008)
• ISA TR88-95.00.01 ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together

Як видно, кілька документів ISA так і не знайшли свого відображення в IEC. Зокрема, оновлена версія 2010-го року. Тим не менше, фундаментальні основи 2-х версій залишаються незмінними, саме про них описано нижче. 

Розділення типів керування. Основним, можна сказати навіть фундаментальним принципом побудови систем керування порційним виробництвом згідно стандарту є розділення функцій керування на дві взаємопов’язані групи:  

• керування технологічним процесом, що відповідає за виконання послідовності технологічних дій;
• керування устаткованням, що відповідає за виконання устаткованням його функцій;

Таке розділення пов’язано з тим, що номенклатура продуктів постійно змінюється, а отже виникає необхідність в створенні чи зміні технологічних процесів: добавляються нові рецепти, змінюються їх властивості, видаляються старі. При цьому устатковання може залишатися тим самим і функції його також не змінюються. Може бути і інша ситуація, коли добавляється нове устатковання (і система керування), яка повинна вміти використовувати існуючі рецепти.

Під керуванням технологічним процесом розуміється вся необхідна послідовність технологічних дій (процедура) з використанням заданих параметрів (формула), які описуються в рецепті для конкретного продукту. Якщо дуже спрощено, то в системі керування устаткованням реалізовані самі маленькі процедурні елементи рецепту (етапи) типу «нагріти», «набрати», «додати» «перемішати», «охолодити». Вони будуть направлятися на виконання рецептом, який до цього створив технолог. Назва таких етапів буде співпадати для всього устатковання, але реалізація може бути зовсім різною (рис.3).

Тобто технолог створює процедуру рецепту, набираючи технологічну програму з блоків (етапів), тестує, зберігає у бібліотеці рецептів і випускає у використання на виробництві. Така програма може мати вигляд як таблиця, або як діаграма (рис.4). Послідовність роботи з рецептом можна подивитися, наприклад, за цим посиланням https://youtu.be/jCCe0jQ84fk

Рецепти можуть добавлятися, видалятися, змінюватися, але незмінними будуть залишатися будівельні блоки, які будуть частиною системи керування устаткованням. Зрештою, якщо етапи на якомусь обладнанні мають виконуватися в ручному режимі, рецепти будуть ті самі, зміниться тільки реалізація керування устаткованням.

Керування партіями. Порційне виробництво виготовляє партію продукту за певним рецептом, який створює технолог (або хтось за його вказівкою). Цей рецепт називається майстер рецептом. Виготовлення конкретної партії продукту може мати певні особливості, зумовлені рядом факторів. Тому для кожної партії створюється унікальний керівний рецепт, який за необхідності може змінюватися. Уся інформація про історію виготовлення партії зберігається з посиланням на керівний рецепт. По суті, він відповідає за конкретну партію, тобто керує нею і залишає свій слід в архіві для прослідковуваності.      

Керування станами та режимами. Для виготовлення конкретної партії з майстер рецепту створюється керівний рецепт, назначається йому унікальний ідентифікатор партії (Batch ID), змінюються параметри і запускається на виконання процедура рецепту. Завершення процедури керівного рецепту приводить до завершення виготовлення партії, а уся інформація залишається в історії. Така послідовність роботи процедури («початок» –> «виконується» –> «завершено») буде у ідеальному випадку. А що, якщо щось піде не так при виготовленні партії? Що, якщо під час виготовлення партії:

• не вистачатиме сировини або енергії? 
• потрібно призупинити роботу на певний час?
• потрібно перейти на інший крок (етап), бо фізично не може виконатися умова переходу?
• потрібно зупинити виготовлення партії?
• потрібно терміново відмінити виконання усієї процедури або одного етапу?

Стандартом передбачено, що для кожної такої ситуації у системі керування будуть означені певні дії, а сама ситуація називається станом (state). Побудова керування технологічним процесом на основі станів дає можливість чітко узгодити технологу та автоматнику, як себе буде вести система у кожній ситуації. Стандарт пропонує один із варіантів набору станів та умов переходу між ними (рис.5). Перехід від стану до стану відбувається за командою, або за внутрішньою умовою завершення (для перехідних станів). Оскільки процедура рецепту складається з етапів, кожен з них має свій набір станів.

Наприклад, коли запускається процедура рецепту, вона переходить зі стану «ПРОСТІЙ» в стан «ВИКОНУЄТЬСЯ», і перший етап в процедурі також переходить в стан «ВИКОНУЄТЬСЯ». Якщо необхідно призупинити технологічний процес за командою оператору, або за відсутністю сировини чи енергії процедура рецепту переходить в стан «ПРИЗУПИНЯЄТЬСЯ», що приведе до переходу в такий же стан усі активні етапи.

Зміна станів може відображатися на засобах людино-машинного інтерфейсу, наприклад зміною кольорів та написів, як це показано на рис.4. Для можливості опису різної поведінки станів в залежності від ситуації, стандарт означує поняття режимів. Так наприклад, переводити процедуру на будь який крок можна тільки в ручному режимі, а в напівавтоматичному – після завершення одного кроку наступний запуститься тільки після підтвердження оператором.

Ієрархія устаткування. Для того, щоб правильно розподілити яке устатковання буде виконувати конкретні процедурні елементи (етапи) стандарт означує ієрархію устатковання. У стандарті виділяються такі рівні устатковання:

• рівень технологічної комірки (Process Cell), який відповідає за виготовлення усієї партії, тобто за виконання процедури керівного рецепту;
• рівень технологічних вузлів (Unit), в яких проходять основні технологічні операції з партією;
• рівень модулів устаткування (Equipment Module), який відповідає за додаткові технологічні операції;
• рівень модулів керування (Control Module), які невидимі для процедури але реалізовують усі керівні дії на устаткованні.

Поєднання керування устаткованням з процедурою керівного рецепту забезпечує виготовлення конкретної партії. Кожен об’єкт устатковання має свій набір станів та режимів. У стандарті також означені правила надання процедурі конкретного устатковання. Тобто етап в майстер рецепті може передбачати виконання на різному устаткуванні. Перед задіянням одного з них в керівному рецепті, устатковання надається (allocation) даному рецептурному елементу, що гарантує відсутність колізій його використання при одночасному виконанні кількох рецептів.

Ієрархія устатковання в IEC-61512 співпадає з IEC-62264 (стандарт про інтегрування MOM та ERP), що спрощує інтегрування системи з рівнем керування усім виробництвом та підприємством.     

Простежуваність процесу. Стандарт передбачає, що усі дії з рецептами, переходи між станами, зміна параметрів та значення технологічних змінних фіксується в історії виготовлення партії (Batch History). Таким чином, для вибраного ідентифікатора партії можна простежити за яким майстер рецептом вона була зроблена, які параметри формули змінювалися, яке устатковання було задіяне при виготовленні, коли і як змінювався стан кожного процедурного елементу. Простежуваність процесу «генетично закладено» через автомати станів, режими, послідовностне керування та керування рецептами. Навіть якщо у зміні процедури немає потреби, реалізація системи керування згідно стандарту значно спрощує механізм простежуваності.

     Крім детального опису наведених вище основних концепцій, в першій частині стандарту також описані:

• різні види керування, та їх особливості
• структура рецептів
• типи рецептів на різних рівнях керування підприємством та їх зв’язок
• ієрархія процедур
• календарне планування порційного виробництва
• склад виробничої операції
• правила надання та арбітражу
• діяльності керування порційним виробництвом
• звітність по виготовлення партії
• координація роботи підсистем    

Для ознайомлення з усіма функціями Ви можете прочитати навчальні матеріали за посиланням.  

Приймаючи участь у розробці систем керування нам неодноразово довелося спілкуватися з різними представниками (стейкхолдерами) виробництва: начальниками КВПіА, головними технологами, головними інженерами, начальниками виробництва і т.п. Також ми маємо постійні контакти і з представниками інтеграторів та інжинірингових компаній. Мусимо констатувати, що більшість з них не можуть відрізнити ділянки підприємства з порційним виробництвом від неперервного чи дискретного. На нашу думку, перш за все це пов’язано з тим, що їм ніколи не доводилося займатися такою класифікацією, бо не було на то причин.  Іншим фактором, що особливо зустрічається у автоматників,  є сприйняття виробничої діяльності через нерозривність технологічного процесу і устатковання, яка є характерною для неперервних виробництв. Зрештою, ми самі колись так сприймали виробництво J. Саме тому ми вважаємо варто тут навести особливості порційного виробництва та задачі, які ставляться перед розробниками систем автоматизації.             

 Під порційним виробництвом (Batch production) розуміється спосіб виготовлення продукції, за якого певна порція матеріалу (партія, batch) проходить поступову покрокову обробку відповідно до технології, що означена в рецепті. Наявність різних рецептів (регламентів) виготовлення ще не робить установку або частину її устатковання (обладнання) виробництва порційним. Ключовим моментом тут є проведення кожної технологічної дії над усією порцією (партією) матеріалу одночасно. Тому, скажімо, ємність, в якій готується суміш (змішується, проходить термічну обробку) відноситься до устатковання порційного виробництва. А пастеризаційна установка (набір теплообмінників в потоці) – ні, так як порція проходить через установку поступово, і в один момент часу обробляється тільки її частина.

Слід зазначити, що установка для виробництва одного і того самого продукту може бути як порційного так і неперервного типу. «Порційність» має певні переваги та недоліки порівняно з неперервною обробкою.  Неперервний спосіб потребує обробки в потоці, тобто усі технологічні процеси проходять на різних ділянках установки. Це дає велику продуктивність, однак потребує додаткового обладнання для змішування, рециркуляцій і т.д (див.рис.1). Такий спосіб виробництва передбачає постійного виготовлення продукції  (великих партій) за однією технологією, тому запускається на досить тривалий період (тижні, місяці). Найбільш важкими для такого виробництва з точки зору керування є запуски, заплановані та нештатні зупинки.

Порційний спосіб передбачає проходження технологічних процесів розподілено не за потоком а за часом. Найбільшим недоліком такого виробництва є його менша продуктивність порівняно з неперервним. Але «порційність» дає певні переваги:

1. як правило використовується менша кількість обладнання, ніж для неперервного виробництва;
2. невеликі розміри партій і відповідно час виготовлення;
3. одне і те саме обладнання можна використовувати для виробництва різних продуктів.

Таким чином порційне виробництво дає можливість на одному і тому самому устаткованні виробляти невеликі партії продукту за різними рецептами. Це основа гнучкого виробництва, яка надає  можливість швидко підлаштуватися під кон’юнктуру ринку. Не дивлячись на такі потенційні переваги самого типу виробництва, для максимального «вижимання» з нього усіх можливостей потребується просунута система керування. Деякі методи керування неперервним виробництвом тут можуть бути просто неефективними. Які ж додаткові завдання повинна реалізовувати система керування порційним виробництвом? Зупинимося на найбільш важливіших.

1. Можливість виготовлення продукції на будь якому устаткованні, що фізично на це здатне. Припустимо, якийсь апарат фізично може проводити усі необхідні технологічні дії для виготовлення продукції. Цього повинно бути достатньо, щоб використовувати його в системі керування. Однак, якщо рецепт продукту в системі не закладений, керування виготовленням можна  зробити тільки вручну. Поява нового рецепту потребуватиме нового технологічного процесу, який по суті фізично може бути проведений на наявному устаткованні, але потребує підтримки зі сторони системи керування цим устаткованням. Задача спрощується, якщо в рецептах продукту змінюються тільки технологічні параметри, які можна змінювати за зміни рецепту. Але не тривіальною задачею є розробка системи керування, яка б підтримувала зміни послідовності кроків, зміни додаткових умов, або необхідність паралельного виконання технологічних дій, оскільки це потребує нового означення технологічної програми.

2. Планування та перепланування. Гнучкість порційного виробництва потребує швидкого планування. Навіть якщо на виробництві є система MES, як правило вона забезпечує планування до рівня робочого центру, але не до технологічного устатковання всередині нього. Крім того, постійні зміни умов проходження процесу в середині робочого центру потребує перепланування.          

3. Координація ручних та автоматичних операцій. Порційне виробництво нерідко потребує використання ручних операцій, наприклад дозування або проведення замірів. Система керування повинна передбачати такі дії, зокрема формувати завдання для операторів відповідно до рецепту (наприклад у вигляді повідомлень), отримувати підтвердження виконання та робити відмітки в журналі. Навіть якщо технологічні дії відбуваються повністю в ручному режимі, їх координація та фіксація у виробничих журналах має також проводитися системою керування.

4. Простежуваність процесів. Простежуваність виробництва включає три складові:

1. простежуваність постачальника (зовнішня простежуваність, крок назад);
2. простежуваність процесів (внутрішня простежуваність);
3. простежуваність покупця (зовнішня простежуваність, крок вперед).

Внутрішня простежуваність потребує попередньої фіксації параметрів проходження всіх технологічних процесів виробництва та задіяного при цьому устатковання з можливістю їх визначення за сировиною (пряме простежування) або за продуктом (зворотне простежування). Система керування повинна забезпечувати фіксацію виконання усіх технологічних операцій (у тому числі ручних) та виведення їх у звіти за ідентифікатором партії продукту або за ідентифікатором партії сировини.         

5. Інтегрування з верхнім рівнем. На відміну від неперервних виробництв, для вищих рівнів керування (MES/MOM, або ERP) недостатньо передавати тільки агреговані та усереднені значення основних виробничих параметрів. Необхідно надавати дані про партію, зокрема про рецепт та технологічні параметри, при яких вироблялась партія. У свою чергу система керування виробничими операціями (MOM) повинна також передавати календарний план виготовлення партій, який узгоджений зі станом виробничого устатковання.

Реалізація наведених вище завдань потребує достатньо трудоємких процесів як при розробці, так і супроводженні систем керування. Вирішування їх «з нуля» навіть з використанням сучасних засобів автоматизації приводить до затяжних, а інколи невдалих проектів. З точки зору замовника, такі проекти можуть привести до створення унікальних рішень АСКТП для кожної технологічної ділянки, що ускладнює обслуговування та інтеграцію. Замість цього, можна використовувати кращі практики затверджені в стандарті ISA-88 та його аналозі IEC-61512, які вже існують більше 20-ти років. Вони повністю означують правила побудови таких систем з забезпеченням усіх наведених вище додаткових функцій. Цей стандарт перевірений на багатьох порційних і не тільки виробництв. Це значить, що використання його є фундаментом для розробки високоефективних систем керування порційним виробництвом. Знання його основ повинно бути обов’язковим для  всіх автоматників, а також для технологів, які розробляють та супроводжують рецепти порційного виробництва.