评估过程控制的实施变得更容易

关键字 过程控制与仪器仪表 批量控制 控制架构 对象技术 规范 系统分析或设计 系统集成商 栏: S88定义

当ISA的S88委员会发布ANSI/ISA S88.01批处理控制:模型和术语过程控制行业接受了一种方法，使项目计划和评估从一门艺术转变为一门科学。该标准创建的基本模块永远不会失去其独立的标识、功能和互连性。

使用S88及其建议可以帮助确保用户创建有用且准确的项目规范。

从历史上看，工艺设施的设计是为了生产特定产品的定义吞吐量。物料平衡方程和设备的选择，以满足吞吐量的要求，再加上可能的10%。当一个工厂的产量比设计高出25%时，可以听到部门经理吹嘘。很少有人为更小的吞吐量进行计算和设计。当市场需求减少和生产率降低时，超大的设备，不同的过程动态和控制系统调谐参数使生产高质量的产品变得困难。同样，当竞争、监管或市场需求要求改变产品时，工厂通常需要延长关闭时间，并进行大量投资，以准备生产新产品。

如今，对灵活性和上市时间的需求已经成为关键的业务驱动因素。为了快速生产出符合客户要求数量的新产品，生产商正在转向批量加工和过程自动化。敏捷是一个流行词——模块化是实现它的方式。

实现灵活的批处理设施需要遵循自顶向下、自底向上的开发方法
物理和程序模型。

认为模块化

就像今天分布式的、基于对象的商业软件应用程序的模块化一样，S88.01提供了以模块化方式定义过程控制应用程序的机会，并构建了类似于其他软件开发组织所使用的评估工具。

当考虑模块化时，想象乐高品牌的积木。每一块砖和元件都有与其他砖和元件连接的标准化方法(见S88.01模型图)。这种模块化的结构系统，其标准化的接口，允许使用和重用相同的部件来构建几乎任何你能想象的。

模块化流程要求用户:

• 定义和调整模块及其组件的目的。几乎任何可以称为系统的东西都可以称为模块。在开发模块时避免混淆使用与目的。用途定义了设备的用途;

• 通过定义每个模块与相邻模块的交互方式，确定每个模块的用法。它是独立使用、共享使用还是作为专用模块使用?

• 确定一个模块是否可以移植。它可以(或已经)被复制或移动到另一个进程或位置吗?让流程共享设计、测试和验证的模块是模块化的目标，也是实现“敏捷”制造的关键;

• 设计和定义模块以充分利用设备功能，即使不是每个产品都需要每种功能;

• 定义功能独立的模块。例如，如果联锁、消息传递和警报是模块安全独立运行所必需的，那么这些应该是模块的组成部分;

• 确保模块允许通过添加和/或复制现有模块来扩展流程的容量(参见模块可移植性);

• 使模块能够最大限度地减少或隔离自身的过程中断;和

• 确定模块的物理过程约束。例如，如果多个储罐使用一个泵，则必须在任何储罐的边界之外定义该泵。

在制定S88.01之前，控制系统规范的内容和组织方式与准备每项报价规范请求的人员数量一样不同。S88引入了一种类似于面向对象方法的结构，但是使用了过程控制术语(参见S88定义)。

过程和过程控制一直是面向对象的实体。容器、泵、阀门、变送器和控制器代表通过管道和电线连接在一起的物理对象。当原料、化学品和能源被引入时，程序会使物体移动、旋转、加热、冷却，并有希望根据规定的程序生产出所需的产品(参见使用模块化设计的PVC工艺图)。

通过过程和控制系统并行设计，将自动化集成到每个设备实体中。例如，如果将p&id(管道和仪表图)安排为控制系统元素和相关单元出现在同一图纸上，则更容易理解。

进程一直都是由对象组成的，但是直到S88出现之前，方法
描述对象和程序的方式因行业而异
有时甚至从一个项目到另一个项目。

开始

通常，第一个工作是定义物理过程、组织过程及其能力。与pfd(工艺流程图)的开发同时进行，这是一个自上而下的练习，其中用一般术语定义整个过程，并确定主要设备需求。重复的设计“关卡”会添加越来越多的细节。

使用七步流程定义物理流程实体将交付模块化设计。

1. 识别过程单元;

2. 确定每个过程单元中的单元;

3. 确定每个单元的设备模块;

4. 确定每个设备模块和/或单元的控制模块;

5. 重新评估每个设备模块的边界;

6. 重新评估每个单元的边界;和

7. 重新评估每个流程单元的边界。

定义物理实体后，下一步使用自底向上的方法定义过程需求。对配方和设备都有程序要求。它们独立于设备或与设备相关联，这是存在差异的地方。配方程序独立于设备。在硬件/软件体系结构中，配方过程驻留在批管理器设备中，设备过程驻留在控制器中。

程序的制定应遵循四个步骤，自下而上的顺序。用户应该:

1. 定义可跨多个产品重用的操作;

2. 定义特定产品的操作;

3. 使用操作来构建产品特定的单元程序;和

4. 使用单元程序构建产品配方。

为了允许过程元素与物理实体交互，需要某种形式的“阶段逻辑接口”来定义数据结构和通信协议(参见阶段逻辑接口图)。对于某些系统，用户需要编写、购买或以某种方式获取相逻辑接口软件。其他系统供应商已经在他们的系统软件中嵌入了相位逻辑接口。

虽然S88标准(S88.01和dS88.02)提供了额外的信息，但使用上述方法足以进行初步设计和实施评估。

将程序实体和物理实体捆绑在一起是使用阶段逻辑完成的。
在一些批处理系统中，相位逻辑是嵌入的，而在另一些批处理系统中，用户必须获取、写入或购买相位逻辑。

测试方法

为了验证所描述的方法的有效性，控制工程开发了一个样品流程，并将其发送给14个提供批量解决方案的控制系统供应商。请求是一个

尽管请求是一个

• 所需的可交付文档级别。一些公司已经开发了“标准化”的文档交付物，并在准备文档交付物(和时间)时改进了他们的交付物

• 系统集成商在多平台上实现硬件和软件平台的类型至关重要;

• 启动和/或培训支持。这一点被反复提到，其中一些包括了从16到300小时不等的估计时间。培训的估计时间为16至40小时;和

• 国外设备，特别是需要串行接口的设备。这些集成起来可能很复杂，特别是如果设备有自己的操作界面。

答复者还关切估计数将如何解释和提出。7人接受培训的“平均”时间为694小时，另外132小时用于启动、培训和管理支持活动。

这项不科学的调查并没有回答DCS和PLC供应商之间关于实施时间的长期问题。收到的估计显示DCS实现花费的时间稍微少一些，但并不是所有情况都如此。

将估计细化到±10%(或更好)是通过合同安排来开发详细的功能规范。这种方法的一个切实的好处是，如果项目继续进行，组装的项目团队在实现、培训和启动过程中保持在一起。

大多数应答者都列出了类似的信息需求，以准备批处理过程实施评估，并且他们的需求与S88的模型和术语密切匹配。一些意外包括希望接收详细的配方信息、站点和建筑计划以及企业集成需求。大多数应答者也想要一个I/O列表，但他们补充说这并不重要。

吸取的教训是——要实现敏捷过程自动化功能，请使用上述方法准备文档，但在将文档发送出去征求报价之前，请询问应该包括哪些其他文档。

S88定义

S88.01的目标是建立一套可用于沟通过程自动化需求的通用术语和模型。S88模型图中所示的八个模块的定义如下:

物理模型

过程单元(有时称为列车)定义了生产一个或多个批次(虽然不一定是最终产品)所需的设备的逻辑分组。定义过程单元使生产调度更容易。定义过程单元时需要考虑的因素包括:

建立清晰的界限;

无论生产的是什么产品，所执行的功能必须是一致的;

与其他过程单元进行最小程度的交互，必要时在相同或更高的实体级别进行，即过程单元到过程单元;和

保持一致性，以便与类似实体交互的操作符能够自然地进行交互，而不会产生混淆。

单位是一组设备和控制模块的集合，主要的加工活动，如反应、蒸馏、结晶、制溶液等都可以在其中进行。装置特点:

一次只操作一批;

不能收购另一个单位;和

独立于其他单位运作。

设备模块是围绕一件加工设备的功能组，它们执行规定的活动，如箱控制、加药、称重、夹套服务管理、洗涤器控制等。如果控制模块的集合执行一个或多个设备阶段，则该集合可以成为设备模块。

控制模块是能够进行基本控制的最低组设备。例如，螺线管和限位开关组合可以形成Off/On阀控制模块，变送器和阀门可以组合成PID控制模块。

过程模型

阶段完成特定的面向流程的任务，可以顺序执行或并行执行，可以是自终止的，并且需要考虑异常条件的处理。在定义阶段时，需要考虑的一些因素包括:

一致地使用预定义的状态，如持有、持有、重新启动、失败等;

一致地使用预定义的命令，如保持、停止、中止等;

定义每个阶段的模式，以及阶段如何响应每个模式。例如，故障排除是否需要单步模式?

异常处理和恢复机制的定义;和

阶段相关活动的数据收集。

操作是独立的加工活动，通常会导致所处理的材料发生化学或物理变化。操作包括启动、组织和完成诸如准备反应器、充电、加热、冷却、反应等活动所需的指令。

单元过程提供在单个单位内以连续的方式执行操作和方法的策略。一个单元过程可以在不同的单元上并发地执行。

程序是在过程单元内执行批处理活动的策略。程序，如就地清洁，并不总是产生产品或产品中间体。

有关S88.01定义的更多信息，请联系ISA(919) 549-8411。

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