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批量控制系統——打造精細化工智慧生産模式

行業方案

一、背 景

随着近年全球經濟的發展和現代工業的日新月異,批量生産過程已成為現代工業生産過程的一個重要分支,特别是在精細化工生産中已被廣泛采用,批量生産過程對自動化控制系統也提出了越來越高的要求。随着批量控制系統标準ISA S88的制定,近十年來批量控制技術得到了很大的發展,各過程控制及自動化系統公司紛紛推出了集成于過程控制系統(DCS)的批量控制軟件。下面我們以杭州優穩自動化公司推出的UWinBatch批量控制軟件為例,對批量控制在精細化工生産中發揮的巨大作用進行詳細的認識。


二、精細化工行業特點

精細化工,是生産精細化學品工業的通稱。大緻包含40多個行業和門類。随着國民經濟的發展,精細化學品的開發和應用領域将不斷開拓,新的門類将不斷增加。精細化工的特點如圖1所示,從圖中可以得知,精細化工是屬于批量生産過程。

40多個行業和門類。随着國民經濟的發展,精細化學品的開發和應用領域将不斷開拓,新的門類将不斷增加。精細化工的特點如圖1所示,從圖中可以得知,精細化工是屬于批量生産過程。


三、批量生産過程與批量控制

3.1批量生産過程

ISA S88标準對批量生産過程的定義:将有限量的物料按規定的加工順序在一個或多個設備中加工以獲得有限量的産品的加工過程,簡言之,以順序的操作步驟進行批量産品生産的過程稱為批生産過程。這個過程是間歇的、不連續的,而且此操作步驟不是固定不變的,根據不同的産品可以有相應的變化,其廣泛應用于精細化工、食品飲料、生物醫藥和農藥化肥等相關領域。與之對應的是我們比較熟悉的連續生産過程,其生産産品單一、生産工藝固定,連續運轉,主要應用于石油化工、冶金等行業。表1給出了各行業中的批量過程與連續過程所占的比例。表2對連續生産和批量生産過程的特點進行了對比分析。


3.2 批量生産過程對過程控制系統提出的新挑戰

從表2的對比中我們可以看出,連續生産過程相對穩定,工藝成熟,控制策略一旦建立,不需更改,而批量生産過程由于存在産品的切換,工藝參數不存在穩态工作點,需要控制策略更具有柔性化的設計,所以控制更為複雜,具體表現在以下幾個方面:

為适應市場需求變化,要求能快速靈活地切換産品

——這就要求控制系統要有柔性設計,控制程序代碼能被不同的産品複用,不能重複編寫代碼浪費時間;

簡單易用的配方開發管理平台

——配方開發管理平台,必須簡單易用,用戶的工藝工程師能輕松掌握,以便快速開發新的配方、編輯修改、升級老的配方;

能實現多種産品同時生産

——支持多個批次同時生産,控制系統要能對共享的資源進行合理高效地調度,并在沖突産生的時候,能夠進行仲裁,設備故障時,快速重新建立生産的路徑。

更加嚴格的權限分配及管理

——每個批次生産時,相關的生産人員要有嚴格的權限劃分,在生産過程中,必須要由相應權限人員的簽名确認,才能進行下一步的生産,并做好記錄。

更加複雜的曆史報表記錄,要求符合FDA、GMP規範

——批次報表不是簡單地記錄過程數據,而是要記錄批次生産相關的所有信息(比如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等),符合FDA、GMP的标準,能全面地追蹤每一個批次的運行情況。

3.3 批量控制系統

鑒于批量生産過程對控制系統的複雜性要求,批量控制系統應運而生。該系統建立在ISA S88标準的基礎上,可以快速靈活地響應客戶對批量生産的要求,并提供批量生産管理、控制以及過程分析,曆史數據查詢等功能,幫助客戶提升市場競争力。杭州優穩自動化公司作為過程控制系統的專業生産廠家,掌握核心技術,具有完全的自主知識産權。在這得天獨厚的優勢背景下,開發了符合ISA S88标準的批量控制軟件UWinBatch,為客戶提供完美的批量生産過程解決方案。UWinBatch通過配方編輯器、批量控制台、批量數據庫、畫面組态等模塊集配方組态、批次計劃與調度、日志與報警查詢等功能于一體,提高了批量控制的效率和質量。UWinBatch系統廣泛應用于間歇性、批次性比較明顯的食品、飲料、添加劑、制藥、生物化工等領域。

3.4 系統特點

    

四、UWinBatch 批量控制系統

4.1 系統網絡結構

模塊化的網絡配置結構

Batch系統的網絡結構依托于UW500 DCS的網絡結構,完全基于構件設計,各模塊獨立性強,在保證系統穩定的基礎上,擴展系統方便靈活,保證了Batch能很好地融入到DCS系統的架構中,并且可以根據客戶的需求靈活配置。

安全、可靠的數據傳輸

UWinBatch系統充分考慮了網絡安全及數據傳輸的可靠性要求,采用雙網絡傳輸數據,并且在客戶端和服務器間通過防火牆進行安全隔離,确保數據的可靠、穩定傳輸。

便捷的客戶端訪問

除了标準的客戶/服務器(C/S)網絡應用方式,采用IE浏覽器作為一個标準的瘦客戶端(B/S)來浏覽畫面,随時随地進行服務器的數據訪問和控制,快速了解工藝流程的運行狀态、日志及報警信息,為用戶節省大量的時間,提高管理效率。

開放接口,與生産管理無縫對接

Batch是過程自動化領域一種控制方式,同時更是代表了一種先進的生産管理理念,作為标準化的産品,它也是當今流程工業新技術制造執行系統MES的重要組件之一。Batch通過工廠以太網把當前批量運行的情況、批量曆史數據的内容等實時或曆史的數據上傳,參加工廠MES網的一些優化運算及處理。MES将現場實時的生産數據加以統計整理,建立生産管理與生産過程控制的聯系,從而達到生産過程與生産管理統一協調的目的。

4.2 系統功能

UWinBatch批量控制系統,集配方組态、批次生産計劃與調度、批次生産過程控制、批次報表和運行日志記錄、系統報警功能于一體,完美貼合精細化工生産過程的特點。

4.2.1 配方組态

提供一個配方編輯器來創建和維護主 Unit 過程配方,該編輯器主要包括以下功能。

在配方管理器界面,通過添加步和階段來創建控制配方,階段包含“手動”“等待”“腳本”“設備”“跳轉”,以便适應複雜的工藝需求,通過改變階段,便可以搭建不同的控制策略,完成不同産品的生産;

同時支持255個配方同時運行;

以配置的方式迅速開發複雜的配方結構;

配置生産任務單,将産品所用到的原料按配比關系羅列出來。在産品配方運行前,工程師需先确定生産任務單裡面的原料配比關系,确定後開始啟動産品配方,生産産品;

為測試或生産目的發布主配方 ;

驗證配方;

在此配方編輯器界面,具有操作權限的用戶,隻需通過點擊鼠标就可以修改、創建産品配方,非常簡單易行。

4.2.2 批次生産計劃與調度

生産計劃模塊為用戶提供在線管理生産計劃的功能。可以根據訂單和生産線的情況事先定制生産計劃,靈活地設置某個配方的計劃産量、計劃生産時間、批次劃分、每個批次執行的順序以及批次所需要的原料設定。

支持批次在線修改,方便用戶随時調整批次的執行情況。實現快速、靈活相應實際生産線需求的目的。同時,提供開發的數據接口,可以直接接受第三方軟件下達的生産計劃,實現與上層管理軟件的融合,提高生産效率。另外,還支持配比方案參數和産量的實時修改。

4.2.3 批次生産過程管理

支持從DCS的運行畫面中調出批次過程監控界面,通過該界面,可以清晰、便捷地了解到各控制配方的運行狀态,同時,根據實際生産情況,可以手動幹預調整各配方的執行。

監控每個批次目前運行的階段以及該階段的執行情況,比如完成、正在執行、異常等;

記錄生産過程中産生的一系列信息,包括各批次參數信息、批次運行狀态、控制配方信息、以及配方工藝流程狀态,方便用戶實時查閱和批次報表記錄的調用。

可視化每個設備的占用情況,沖突仲裁,合理分配設備資源,提高設備的使用率和生産效率;

完善的審批授權機制,使得每個關鍵步驟的執行都有據可查,保證生産過程安全、穩定,可追溯,提升生産管理水平和産品品質。

4.2.4 批次報表和運行日志記錄

批次報表記錄了批次執行的過程和結果,為生産工藝的改進和成品追溯提供數據支持。運行日志自動地記錄所有的在線操作信息,避免繁瑣的文檔記錄和審查。查看日志,能清楚地了解到任何人的任何操作。


一個Batch運行結束或者被取消之後,批量服務器會自動生成報表,系統提供默認的報表模闆,用戶也可以自定義報表。報表采用通用的MS Excel風格,組态容易;

報表數據包括所有與批次生産相關的活動,比如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等;

運行日志記錄誰操作的、操作時間、相關的控制配方、單元程序、操作以及生産計劃信息等;

運行日志可以根據需求自行配置,通過配方或批号的選擇的方式進行快速查詢;

可通過配方+批号的方式對每個生産批次的詳細情況進行查詢;

電子簽名:簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳、要檢驗運行批次事件,需要至少三個簽名,全部簽名被存在事件日志中,并不可編輯,完全支持21 CFRPart 11兼容性。


五、批量控制系統為客戶帶來的優勢

UWinBatch是靈活、實用的批控制的解決方案。該産品适用于所有的批過程控制場合。它既可以用于單路徑結構的生産過程控制場合,也可以應用于具有網絡結構的過程控制場合。同樣,它既可以用于生産單一産品的工廠,也可用于生産多種産品的企業。

優勢一——提高産量,改善質量

批量控制軟件可以自動地執行生産順序,同時允許産品到産品的快速切換,從而提高總體産出。 針對産品質量,批量控制軟件加強了配方程序的執行,并确認操作員的各項活動,以确保不同批次的産品保持一緻的産品質量。

優勢二——更加靈活的生産方式

Batch 提供一個環境使生産商能夠對新産品,随時變化的客戶計劃和突發的工廠現場事件快速作出反應。 每個配方都具有不同的生産步驟和成份組成, 配方能夠按照可以滿足配方定義的設備需要的任一生産序列中進行計劃來生産。這個可以配置工藝設備如何使用的功能賦予了在當今的競争環境下生産商所需要的靈活性。

優勢三——加快投放市場的時間

a.Batch 提供快速且容易的配方開發:Batch 配方管理系統易于使用,無需昂貴的工程開發,隻要複用已有的代碼便可完成配方的開發及維護;

b.新配方的模拟執行:依靠公司的生産設施的過程模型,工廠或研發部門的用戶能夠模拟新配方的執行。這同時可以判斷工廠是否有需要的設備、過程功能和原材料來生産此種配方;

c.對配方而不是控制系統進行驗證: 當創建一個新的配方時,隻需要對配方進行驗證,而無需對控制系統進行驗證。當增加新的配方時控制系統并不需要改變。與驗證一個新的配方的時間比較,用于重新驗證一個控制系統的時間和費用要多很多。

優勢四——共享設備資源,多路徑多産品生産

從單一路徑到多産品多路徑的生産方式;

共享時間和設備資源,動态單元分配功能可以最大化關鍵設備的使用或者在失敗情況下迅速切換裝置,重新規劃路徑。

優勢五——縮短驗證時間,減少驗證費用

Batch使我們可以更容易地設計和實施符合21 CFRPart 11、電子記錄和電子簽名的US規範;可配置的電子簽名模闆,它代表了一個簽名和相關數據,例如:簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳等,完整的批數據管理,包括所有的生産數據(如配方、人員、設備、過程參數,控制策略等),這些數據将自動地以批報表的形式生成文檔,使生産過程變得透明化且可追溯,使驗證過程更加簡單易行。

優勢六——物料跟蹤,更佳的庫存管理

與物料跟蹤集成,管理原料和配方在生産批次執行系統中提供實時的原料管理和可跟蹤性,增強企業庫存解決方案并允許更有效的原料和配方管理;當與公司範圍内的庫存管理系統集成時,通過采集詳細的原料和設備跟蹤信息,在優化供應鍊和實施電子商務時,物料跟蹤能夠改善ERP級資源管理的功能。

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