设计设备模型

根据ISA/S88准则，一个制造过程可以用两个模型来表示:一个程序模型和一个设备模型。设备模型包括一组能够执行有限数量的特定的、次要的处理活动的设备。重要的是设备模型的良好设计，提供灵活性和模块化，并影响设备的整体性能。设备模型设计的一种方法是基于阶段的使用，即阶段被视为流程的构建块或特定的活动。需要考虑的问题包括:

• 相位如何与操作人员和自动化控制系统相互作用?
• 哪些信息被记录并提供给操作员和日记账?
• 相位如何响应设备中部件的故障?

在考虑设计阶段时，将一个阶段等同于一个理想的操作员可能是有用的，他接近一个单元或选择感兴趣的模块，例如，水添加或温度控制，并使用人机界面(HMI)弹出插入所需的值的过程。

这些动作是阶段的一些功能。此外，在采取任何行动之前，该阶段应确定要使用的设备的状态并通知操作人员异常情况，这一点很重要。任何异常情况都会被记录下来，操作人员可以获得设备的具体信息，如:

• 部件故障?
• 错在哪里?
• 是否有组件处于手动模式?

阶段不应自动改变其从属设备的模式，但如果需要这样的改变，应提示操作人员。例如，如果记录了设备的一个部件处于手动模式，该阶段应该只通知操作人员这种情况，而不是为了运行设备而将其更改为自动模式。所有参数设定值的更改，可能由操作员或代码执行的更改，必须由阶段记录。

如果发生相位故障(通常是设备故障)，应命令该相位进入“HOLD”，并记录有关故障原因的具体信息。除非功能需要，否则一个阶段最好不依赖于完成任务所需的并行阶段。在这种情况下，配方作者必须知道其中的逻辑，这是不可取的。此外，没有这种依赖性可以简化设计。

在某些情况下，协调阶段是必要的。一个例子是发生在单元之间的“转移IN”和“转移OUT”活动。在材料添加活动中，如果发生了加药错误，相应该识别，通知操作人员该错误显示为“高公差超出”或“低公差超出”，并允许调整到该条件。另一种需要阶段协调的情况是使用需要公共资源的多个阶段。例如，当用一个通用流量计将水加到多个位置时，这将需要仲裁。这意味着在一次有多个资源需求时，需要协调控制来确定如何分配资源。

使用一个相位可以最大限度地减少仲裁，它是优选的一个相位由多个单元共享。然而，可能需要使用多个相，其中不同的单元和它们的相由不同的可编程逻辑控制器(plc)控制。在这种情况下，创建的资源在多个阶段之间进行仲裁。

在设备模型的设计中，应充分利用罗克韦尔自动化公司FactoryTalkBatch的一个组件——物料管理器的可用性。物料经理有能力:

• 确定资源的位置，并确定它们是否储存在储罐、筒仓、超袋、桶、桶或托盘上
• 定义和控制每种材料允许的类型
• 当在不同的储存地点发现这些材料时，优先使用它们
• 定义物料特性，如密度，含水量，浓度，效力，湿度，pH值等。这允许相位补偿材料属性的变化，如水分含量和效力。

建议针对每个阶段或阶段类别开发单独的文档，在其中捕获所有相关的设计信息，特别是相逻辑、可能发生的相故障、与操作人员的交互以及设备模型设计。为每个阶段创建文档减少了在开始编程活动之前等待所有文档完成所花费的时间。有些阶段，如搅拌或提示操作人员已经建立，因此可以在所有文件完成之前对这些阶段进行编程。这使得项目可以更早地完成，同时任务也更惊人。用于命名参数和报告(标记)的术语必须是有意义的，而不是晦涩难懂的工程术语，因为这些术语对配方作者或数据的受众几乎没有意义。

阶段可以利用高阶函数在今天的控制器，数学导数和积分或可能使用模糊逻辑或先进的过程控制的可用性。这种能力可能允许确定单一阶段的效率，这可能被指定为阶段整体设备有效性(OEE)。个人信息收集阶段和这些计算计算流量计的流量没有如坦克的重量改变随着时间的推移在添加材料,定义了流量进而允许预测所需的总时间完成给药活动。

加热过程中温度-时间曲线的集成将表明影响产品的热量。这可以指示烹饪量以及在就地清洁(CIP)和就地消毒(SIP)任务期间设备的灭菌情况。积分还可以确定搅拌活动中使用的总功率。通用定时器阶段可用于确定配方活动OEE,通过将把计时器与配方并行活动,允许我们使用这个数据和信息来确定每个活动的OEE的食谱,而不仅仅是整体的时间完成一个配方。

记住这些要求，考虑设计设备模型的七个步骤。

设备模型设计的首选方法是以下七个步骤:

1. 确定过程边界。
2. 确定所涉及的单位和容器。
3. 跟随材料的流动。
4. 对单元中的材料做了什么?
5. 识别单元标记。
6. 确定设备仲裁。
7. 确定参数和报告值。

1.确定过程边界。

上游边界包括来料，而下游边界指的是所有成品储存活动，通常是过程中产品的储存。垂直边界表示与企业资源计划(ERP)的整合，以接收订单并报告生产和消耗的材料。第四个边界包括要生成的报告，特别是客户特别要求的任何报告以及要使用的编程标准。

2.确定所涉及的单位和容器。

这是一个非常重要的活动。FactoryTalkBatch程序是按单位定价的。因此，模型中单位数量的定义不好会导致高成本，导致项目无法实现。集装箱通常是罐，桶和托盘，晚餐袋等。

传统的单位定义是一种设备，它结合和/或转换成分，以增加中间产品或最终产品的价值。这可能会被误解，因此建议将单元考虑为“执行顺序或程序的任何位置，无论是与设备相关的，还是与非设备相关的”。

根据这个定义，一个人工预称量物料的空房间或区域是一个单位，即使不涉及或不需要自动化设备。需要一个顺序或配方来组成清洗溶液的CIP设备也将被定义为一个单元。这种方法延伸到需要独立于罐或容器清洗的CIP设备部分。

什么不是一个单位?通常，热交换器不是一个单元，除非在其中执行一个独立的程序。例如，只用于控制水温度的热交换器不作为一个单位计算。

设备编辑器(FactoryTalkBatch的一个组件)用于设备模型的开发，是记录单元和容器的绝佳场所。

3.跟随材料的流动。

这一步需要识别将物料带入工艺系统、将物料在系统内转移、将物料(通常是产品)从系统转移到仓库的阶段。一种简单的方法是，从管道和仪表图(P&ID)中各单元的顶部和中心开始，沿着图的周长确定与单元相互作用的每一件设备所采取的行动。例如加水、加油、将物料转移到另一罐、卸罐等动作。

4.对单元中的材料做了什么?

这是上一步的延续，在P&ID之后识别发生的操作。例如，一个动作可能是搅拌混合物或加热/冷却到一个特定的温度。有些阶段可用于控制压力，或提示操作人员执行手动任务，如向实验室提交样品或提示关闭容器的盖子。

设备模型中需要识别的所有阶段并非都反映在P&ID中;这些将表明设备可以做什么。该模型将包括操作员执行的任务，这些任务也被定义为阶段。

5.识别单元标记。

单位标签可以是重量，温度，水平或pH值，显示在设备型号的每个单位。它们允许配方作者根据工艺条件在配方中做出决定。例如:“在容器达到所需重量后开始添加第二种材料”或“在温度低于或超过目标温度后添加材料”。

设备编辑器可以用来记录每个单元的阶段。

6.确定设备仲裁。

一个例子是，仲裁只适用于301和302储罐的再循环。操作将使用共享资源一次执行一个。如果单元在不同的控制器中编程，则需要创建两个阶段，一个用于301，一个用于302，并提供一个再循环回路作为资源，以允许仲裁。

7.确定参数和报告值。

这是定义大部分项目工作的地方。请记住，构建项目的工程师可能不是创建菜谱或操作批处理系统的用户。对参数和报表名称使用有意义的名称并与命名约定保持一致是很重要的。例如，参数的表示方式可能是:

SETPOINT_WATER_AMOUNT

而相应的报告应该是:

ACTUAL_WATER_AMOUNT

操作人员可能会更改给定参数的设定值，所有更改都应记录在阶段报告中，这一点非常重要。

使用参数提示操作符很方便。如果设备出现故障或处于手动模式，则动作无法完成。为了解决这个问题，可以创建一个相位参数来提示操作人员检查设备。这显示为:

OO_CHECK设备

OO指示“操作员起源”，指定如何配置阶段。由于配方作者不需要知道设备是如何配置的，一个参数应该与基本功能相关，并允许逻辑适应设备的差异。

参数产生于所有级别。控制模块可能有一个参数，可以解决以下问题:“阀门需要多长时间才能打开，才会被认为是故障?”在过程方面，参数可以在所有级别产生，如过程、单元过程、操作和配方阶段。大多数参数将在配方和设备阶段水平。在过程性方面，菜谱阶段级别的一些参数可能被推迟到过程性级别，以创建与ERP的接口。设备阶段的参数也可以推迟到较低的水平。并不是执行任务所需的所有参数都需要在配方中。

批处理活动记录在事件日志中。报告值需要在确定产品质量以及提供对配方执行过程中发生的情况的理解方面有用。

约翰Parraga批处理专家在ECS的解决方案．他是一名经验丰富的批处理工程师，在Sequentia和罗克韦尔自动化工作过。

ECS Solutions是美国的认证成员控制系统集成商协会．