采用ISA-88设计灵活控制系统的6个步骤

有了ISA-88等级和设备结构的指导方针，如何在此基础上进行灵活的设计?答案很简单:遵循ISA-88策略，将设备模块(EM)功能隔离为包含所有可能的操作标准的简单而有限的流程．另一种陈述整体方法的方法是允许设备排序尽可能简单，但要捕获序列中的每个可能选项。这种方法允许单元操作访问所有可能的物理选项，以实现可用的处理功能。下面将概述使用这种简单的方法六(6)战略设计步骤，将产生灵活的设计．此外，下面的部分进一步解释了每个步骤，以阐明设计标准的功能原则。

1. 定义控制和操作理念
2. 在生成设计之前理解这个过程
3. 推导控制模型
4. 使用良好的细分方法
5. 特别注意异常处理
6. 构建测试模型原型

1.定义哲学

必须定义的第一个标准是系统的控制理念和整体操作方法。这通常定义在功能设计规范(FDS)概述自动化水平和操作员交互的文档。这还应该包括异常处理项目，如联锁、单元到单元同步策略、连续监控功能和仲裁方法。这些信息将提供支配哲学，这些哲学将在以后规定详细设计步骤的使用和方法。

2.了解流程

一旦控制理念被明确定义，下一步就是充分理解流程．这是一个广泛的术语，包括如何执行过程功能的过程模型，以及与设备的物理交互。这个知识库可以从文档和与关键操作人员的对话中获得。典型的参考文档包括工艺流程图(PFD)，管道和仪表图(P&ID)，标准操作程序(SOP)，工艺说明和控制系统说明。每个支持性文档提供了一个不同的方面来解释整个生产过程。在以后确定操作符界面需求时，这些信息将变得非常宝贵。

3.推导控制模型

在这一点上，控制能力，操作理念，以及实际生产过程如何工作是完全理解。给定这些信息，需要导出控制模型识别物理模型和过程模型之间的相互作用。程序控制指导面向设备的行动以有序的顺序发生，以执行面向过程的任务。这可以使用几种不同的理念进行设计，所有这些理念都在ISA-88结构中。然而，为了实现灵活的设计，重要的是使设备功能易于在程序层中实现。下图包括一个典型的控制模型，它描述了过程模型和物理模型之间的关系。

4.使用良好的分割方法

在设计一个灵活的系统时，分割是一个重要的方面，它包括单元边界定义以及相关单元内的设备模块划分。这两个细分决策是携手并进的。在任何方面的细分都很差，结果如下:

• 控制系统难以支持和增强
• 系统未能充分利用工厂固有的灵活性
• 新配方的开发需要控制系统开发人员的协助
• 设备故障和/或错误处理在运行批处理时难以确定

单元边界定义通常遵循物理模型。但界定单位边界的准则应遵循以下原则:

• 围绕着一件主要的加工设备
• 经常操作或包含完整的批处理
• 可以操作或只包含完整批次的一部分
• 不能操作或包含多个批处理
• 必须与程序和操作有直接关系吗
• 根据过程元素验证单元边界(来自控制模型)

一旦确定了单元边界，就可以将EM划分为独立的设备实体组。CM的分组应该受物理处理约束的约束．这意味着设备限制将决定细分。物理限制的一个例子是共享的设备，例如可用于再循环的底部泵，以及将材料转移到另一个单元。在一个单元内划分EM时，应应用以下准则:

• 目的-模块中的所有元素必须支持类似的处理目的，并且是自包含的
• 可移植性—模块必须是可重用的
• 灵活性-设计模块，使其不受限制，可以执行所有可用的处理功能
• 独立-必须有能力在没有其他EM交互的情况下自行操作
• 有些策略将需要相互作用，如转移或材料路由
• 指定设备实体之间的关系和通信(保持一致)
• 扩张有能力通过增加其他CM来增加额外的能力
• 隔离-通过在模块中包含进程异常来最小化进程异常影响的能力
• 验证分割是一个非常重要的设计步骤，需要了解加工设备、工艺操作要求以及上下游设备的相互作用。这些步骤应该与所有需求交叉引用，以确保设计足够健壮，能够处理所有处理活动。下图描述了一个简单的间歇式反应器和电磁分区的例子。

5.注意异常处理

异常是发生在正常或期望行为之外的事件。设计大多数批处理系统的最具挑战性的部分是处理这些事件，这些事件可能发生在控制活动模型的所有级别。必须检测、评估和响应所有异常。执行响应的位置取决于检测到问题的位置，以及纠正情况所需的响应。通常，异常响应向上传播控制活动模型，该模型内置于基本ISA-88模型配方系统中。但是，根据具体情况，响应也可能向下传播控制活动模型以纠正问题。

为了区分异常处理执行的差异，必须对条件的类型进行分类并确定优先级，以确定正确的操作。每个类别和示例在下面的要点中列出。

进程联锁-优先级1(最高)

• 在CM级别实现
• 通过过程危害分析确定安全条件
• 例如压力开关高-高(PSHH1201)

操作条件-优先级2

• 在EM级别实现
• 关键运行参数通常配置为电磁参数;通常与产品质量有关
• 例:TIC高偏差> 1分钟

单元条件-优先级3

• 在单元级别实现
• 执行参数通常与协调和/或同步相关联
• 传送物料，下游单位还没有准备好接收物料

程序条件-优先级4

• 在配方级别实现
• 监测条件可以从整体产品质量和/或设备协调
• 例:在温度爬升阶段，如果超出可接受范围，近红外反馈应保持爬升

在基本过程控制系统(BPCS)中，过程联锁始终是优先级最高的。唯一具有更高优先级的项目是安全仪表系统，它也将在CM层执行。

操作条件通常来自质量关键参数，并指定为设备参数，以便在程序级使用公式图表管理这些参数。单元条件包括更高级别的交互或协调，通常包括相关系统的物理执行约束。执行的最低优先级是在过程级，它可以根据流程的条件反馈执行一组额外的有序阶段。

每个层次的纠正措施可以根据需求向上和向下传播。异常总是对发生问题的上一层产生影响。例如，如果泵在运行过程中发生故障，CM会将错误传播到相关的EM，而EM可能会或不会传播到机组。这可能会影响整个配方，也可能不会，这取决于设计，以及问题在批处理执行期间发生的时间。下图描述了相关层之间的整体双向交互。

6.构建测试模型原型

项目中最容易被低估的阶段之一是测试阶段。此步骤是工作流过程的关键部分，以确保所有方面都按照预期共同工作和交互。其思想是插入任何和每一个可能的方面、事件和/或条件，从而能够预测系统的行为。从本质上讲，这是捕捉和纠正在开发功能规范时可能被忽略的任何类型的细微差别或问题的最后一步。

为了有效地管理一个项目，有一个全面的计划来准确地定义系统将如何被测试是很重要的。此外，当在测试执行过程中发现问题时，需要定义一系列事件来解决和/或纠正手头的问题。基本测试文档通常会参考详细的规范，以确保需求得到满足。下面的图描述了一个典型的测试过程大纲，使用问题与解决(P&R)的形式。这种方法有助于跟踪问题，并为处理和解决问题提供一个整体系统。

Robbie Peoples是Innovative Controls的项目经理和首席系统工程师，这是跨公司集成系统集团．Innovative Controls是一家精英过程控制系统集成商，总部位于田纳西州诺克斯维尔。Robbie在过程控制行业，特别是化学和制药行业拥有超过17年的经验。他拥有电气工程学士学位，是乔治亚州和德克萨斯州控制系统学科的注册专业工程师。

跨公司集成系统集团是一个相2015年3月5日成员

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