Mes конспект

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ЗАТВЕРДЖУЮ

Ректор__________ А.І. Українець (Підпис)

«____» ___________2016р.

О.М. ПУПЕНА

Р.М. МІРКЕВИЧ

АВТОМАТИЗОВАНІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ВИРОБНИЦТВОМ

(MES-РІВЕНЬ)

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів освітнього ступеня "магістр"

спеціальності 151 "Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології"

спеціалізації "Інтегровані автоматизовані системи управління"

денної та заочної форм навчання

Всі цитати, цифровий та фактичний

матеріал, бібліографічні відомості

перевірені. Написання одиниць

відповідає стандартам

Підпис(и)

автора(ів)________________

«____» ______________ 20__ р.

Реєстраційний номер

електронного конспекту

лекцій у НМУ

___________________

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри

ІАСУ

як конспект лекцій

Протокол № 3

від 13.10.2015 р.

КИЇВ НУХТ 2016

2

Пупена О.М. [Електронний ресурс]: Автоматизовані системи

управління виробництвом (MES-рівень): курс лекцій для студ. освіт. ст.

"магістр" спец. 151 "Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології"

спеціалізації "Інтегровані автоматизовані системи управління " денної та

заочної форм навчання / О.М. Пупена, Р.М. Міркевич. – К.: НУХТ, 2016. –

135 с.

Рецензент І.В.Ельперін, канд. техн. наук

О.М.Пупена, канд. техн. наук

Р.М. Міркевич

Подається у авторській редакції

© О.М. Пупена, 2016

© Р.М. Міркевич, 2016

© НУХТ, 2016

3

Зміст

Терміни та означення ........................................................................................................ 7

Скорочення ...................................................................................................................... 12

Вступ ................................................................................................................................ 14

1. Загальні принципи побудови інтегрованих автоматизованих системи керування

підприємством та виробництвом ................................................................................... 15

1.1. Типова структура автоматизованого керування підприємством ........................ 15

1.2. Роль стандартів в розробці інтегрованих автоматизованих систем керування 16

1.3. Основні ідеї керування виробничим підприємством ........................................... 19

Запитання для самоперевірки ........................................................................................ 20

2. Основні моделі ISA 88 та ISA 95 ............................................................................... 22

2.1. Поняття означення продукту (виробу) .................................................................. 22

2.2. Поняття ресурсів ...................................................................................................... 24

2.3. Поняття виробничих планів, графіків та виробничих вимог .............................. 28

2.4. Фактичні показники виробництва .......................................................................... 32

2.5. Підсумки використання ISA-88 та ISA-95 ............................................................ 34


3. Основи керування періодичним процесом згідно ISA-88 ..................................... 36

3.1. Типи та особливості виробництв. .......................................................................... 36

3.2. Специфіка керування періодичними виробництвами .......................................... 38

3.3. Означення технологічного процесу ....................................................................... 40

3.4. Означення обладнання ............................................................................................ 42

3.5. Поняття процедурної моделі та зв'язок з моделлю обладнання ......................... 44

3.6. Виконання рецепту .................................................................................................. 47


4. Фізична модель ISA-88 ............................................................................................... 50

4.1. Ієрархія моделі ......................................................................................................... 50

4.2. Верхні рівні фізичної моделі .................................................................................. 51

4.3. Технологічні комірки............................................................................................... 51

4

4.4. Апарати ..................................................................................................................... 52

4.5. Агрегати та модулі керування ................................................................................ 53

4.6. Класифікація технологічних комірок за фізичною структурою ......................... 54


5. Типи керування та процедурні елементи ................................................................. 58

5.1. Типи керування ........................................................................................................ 58

5.2. Процедурні елементи ............................................................................................... 60

5.3. Налаштування функціонування процедурних елементів .................................... 61

5.4. Рецептурні та апаратурні процедурні елементи ................................................... 63


6. Апаратурні об’єкти ..................................................................................................... 65

6.1. Ієрархія апаратурних об’єктів ................................................................................ 65 6.1.1. Технологічна комірка ........................................................................................ 66 6.1.2. Апарат ................................................................................................................. 68 6.1.3. Агрегат ................................................................................................................ 68 6.1.4. Модуль керування ............................................................................................. 68

6.2. Структурування апаратурних об’єктів .................................................................. 69 6.2.1. Структурування технологічної комірки .......................................................... 70 6.2.2. Означення апаратів періодичної дії ................................................................. 70 6.2.3. Означення агрегатів. ........................................................................................ 71

6.3. Режими і стани апаратурних об'єктів і процедурних елементів ......................... 71 6.3.1. Режими (Modes) ................................................................................................. 71 6.3.2. Стани (States) ..................................................................................................... 72 6.3.3. Стани процедурних елементів (Procedural states) .......................................... 73 6.3.4. Команди (Commands) ........................................................................................ 75


7. Рецепти ......................................................................................................................... 78

7.1. Типи рецептів ........................................................................................................... 78

7.2. Зміст рецептів ........................................................................................................... 79

7.3. Загальний та місцевий рецепт ................................................................................ 81

7.4. Майстер рецепт ........................................................................................................ 83

7.5. Керівний рецепт ....................................................................................................... 85

7.6. Рецептурний об’єкт .................................................................................................. 85

7.7. Транспортабельність рецептів ................................................................................ 86

5

7.8. Обробка винятків ..................................................................................................... 87


8. Підключення рецептурних об’єктів до апаратурних об’єктів ............................... 88

8.1. Загальні ідеї .............................................................................................................. 88

8.2. Зв’язування рецептурних та апаратурних процедурних елементів та базового

керування. ................................................................................................................. 89

8.3. Використання рецептурних процедурних елементів у майстер-рецептах ........ 91

8.4. Варіанти зв’язування при неповній процедурній моделі в рецепті .................... 92


9. Планування та контроль виконання .......................................................................... 95

9.1. Виробничі плани та графіки ................................................................................... 95 9.1.1. Графік виготовлення партій ............................................................................. 95 9.1.2. Кампанія (Campaign) ......................................................................................... 96

9.2. Виробнича інформація ............................................................................................ 97 9.2.1. Інформація по конкретній партії (Batch-specific information) ....................... 97 9.2.2. Загальна інформація по партіям (Common (non-batch specific) batch

information) ......................................................................................................... 98 9.2.3. Архів партії (Batch history) ............................................................................... 98 9.2.4. Звіти по партіям (Batch reports) ........................................................................ 98

9.3. Розміщування і арбітраж ......................................................................................... 99 9.3.1.Спільні ресурси ................................................................................................... 99 9.3.2. Арбітраж (Arbitration) ..................................................................................... 100

Запитання для самоперевірки ...................................................................................... 101

10. Керівні діяльності та функції керування періодичним виробництвом згідно ISA

88 ..................................................................................................................................... 102

10.1. Модель керівної діяльності ................................................................................. 102

10.2. Керування Рецептами .......................................................................................... 103 10.2.1. Означення процедурних елементів загального рецепту ........................... 104 10.2.2. Означення процедурних елементів майстер рецепту ................................ 105 10.2.3. Керування загальними, місцевими та майстер рецептами ........................ 106

10.3. Нотація PFC для означення рецептів ................................................................. 107 10.3.1. Елементи ......................................................................................................... 107 10.3.2. Переходи ......................................................................................................... 110 10.3.3. Базові структури ............................................................................................ 112 10.3.4. Ініціація та виконання процедури технологічної комірки і процедури

апарату .............................................................................................................. 114

6

10.3.5. Інша інформація рецепту .............................................................................. 115

10.4. Планування і Складання Графіку Виробництва ............................................... 116

10.5. Керування Виробничою Інформацією ............................................................... 116 10.5.1. Отримання і зберігання інформації з інших частин системи керування . 117 10.5.2. Операції з архівними даними ....................................................................... 120 10.5.3. Створення звітів по партії (Producing batch reports) .................................. 120

10.6. Керування технологічною коміркою ................................................................. 122 10.6.1. Керувати партіями (Manage batches) ........................................................... 123 10.6.2. Прокласти шлях і виділити ресурси технологічної комірки (Track and

allocate process cell resources) ......................................................................... 124 10.6.3. Збирати інформацію технологічної комірки і партії (Collect batch and

process cell information) ................................................................................... 126

10.7. Керування Апаратом ........................................................................................... 126 10.7.1. Заволодіти і виконати процедурні елементи (Acquire and execute

procedural elements) ......................................................................................... 127 10.7.2. Керувати ресурсами апарату (Manage unit resources) ................................ 128 10.7.3. Збирати інформацію про партію і апарат (Collect batch and unit

information) ....................................................................................................... 129

10.8. Керування Технологічним Процесом ................................................................ 129 10.8.1. Виконати апаратурний етап (Execute equipment phases) ........................... 130 10.8.2. Виконати базове керування (Execute basic control) .................................... 131 10.8.3. Збирати дані (Collect Data) ........................................................................... 131

10.9 Захист персоналу і навколишнього середовища ............................................... 132

Запитання для самоперевірки ...................................................................................... 132

Література. ..................................................................................................................... 135

7

Терміни та означення

Агрегат (equipment module) - функціональна група обладнання, яка може

виконувати кінцеву кількість конкретних незначних дій по обробці; агрегат, як

правило, розміщується навколо основного технологічного обладнання (дозатор,

підігрівач, скруббер і т.д.); цей термін відноситься як до фізичного обладнання так і

до апаратурного об’єкту.

Апарат (Unit) - набір пов'язаних модулів керування та/або агрегатів та іншого

технологічного обладнання, в яких можуть бути проведені один або більше основних

технологічних діяльностей.

Апарат періодичної дії (Batch Unit),– апарат що виконує роль періодичного

виробництва; цей термін відноситься як до фізичного обладнання так до

апаратурного об’єкта; приклади основних заходів переробки: реакція, кристалізація, і

зробити рішення.

Апаратурна операція (equipment operation) - дія, яка є частиною апаратурного

керування.

Апаратурний етап (equipment phase) - етап, який є частиною апаратурного

керування

Апаратурне керування (equipment control) - функціональність для

конкретного обладнання, що забезпечує реальну можливість керування для

апаратурного об’єкту, в тому числі процедурне, основне і координаційне керування, і

що не є частиною рецепта.

Апаратурна процедура (equipment procedure) - процедура, яка є частиною

апаратурного керування.

Апаратурна процедура апарату (equipment unit procedure) - процедура

апарату, яка є частиною апаратурного керування

Апаратурна процедура етапу (equipment phase procedure) - частина

апаратурного етапу, яка направляє одну або кілька стратегій задач обладнання.

Апаратурна процедура операції (equipment operation procedure) - Частина

апаратурної операції, яка означує послідовність і впорядкованість апаратурних

етапів; апаратурна процедура операції не направляє апаратурну стратегію задачі.

Апаратурна процедура технологічної комірки (equipment process cell

procedure) – частина апаратурної процедури технологічної комірки, що означує

послідовність і порядок апаратурної процедури апарату

Апаратурний об’єкт (equipment entity) – набір фізичного обладнання для

процесу, керуючої апаратури та апаратурного керування згрупованих разом, щоб

виконувати певну функцію або набір функцій керування.

Відслідковування (Tracking) – діяльність, що реєструє атрибути ресурсів і

продуктів на всіх етапах їх реалізації, використання, змінювання і розміщення (ISA-

95)

Виробнича площадка (Site) - це група об’єднаних об’єктів що забезпечують

виробництво, згідно календарного плану. Наприклад, це може бути завод.

Вихід процесу (process output) – ідентифікатор і кількість речовини або енергії

які очікуються в результаті виконання керівного рецепту

8

Вхід процесу (process input) – ідентифікатор і кількість сировини або іншого

ресурсу, необхідного, для вироблення продукту

Дільниця (Area) – це група об’єктів в рамках виробничої площадки, що

забезпечує виробництво згідно виробничої потужності, характеризуються

виробничими можливостями. Наприклад, для цукрового заводу це може бути лінія

виробництва цукру-піску, для молочного – сирний цех або масло-цех;

Дискретне виробництво, процеси дискретного виробництва (discrete parts

manufacturing process) – технологічні процеси, в яких певна кількість продукту

рухається як єдине ціле (групи деталей) між робочими станціями, а кожна деталь

зберігає свою унікальну ідентичність.

Загальний рецепт (general recipe) – тип рецепту, який виражає вимоги до

обробки, які незалежні від обладнання та місця виробництва

Заголовок (header) – інформація про цілі, ресурси та версію рецепту такі як

ідентифікатор рецепту, ідентифікатор продукту, автор і дата затвердження

Захист персоналу та навколишнього середовища (personnel and

environmental protection) - керівна діяльність, яка запобігає виникненню подій, що

могли б поставити під загрозу безпеку персоналу та/або шкоди навколишньому

середовищу; та/або приймає додаткові заходи, такі як запуск резервного обладнання,

для запобігання ненормальних ситуацій, виходячи з небажаного стану, що могла б

поставити під загрозу безпеку персоналу та/або шкоди навколишньому середовищу

Етап (phase) – низько-рівневий процедурний елемент в моделі процедурного

керування

Керівний рецепт (control recipe) - тип рецепта, виконання якого означує

виробництво однієї партії конкретного продукту; керівний рецепт не може бути

виключений з моделі типів рецептів.

Керування апаратом (unit supervision) - керівна діяльність, яка включає в себе

функції керування що потребуються для керування апаратами та ресурсами апаратів.

Керування виробничими операціями (Manufacturing operations management,

MOM) - дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координує роботу

персоналу, обладнання а також використання матеріалів на виробництві (ISA-95).

Стандарт ISA-95 деталізує керування виробничими операціями в термінах 4-х

категорій: керування операціями вироблення продукції (production operations

management), керування операціями технічного обслуговування (maintenance

operations management), керування операціями забезпечення якості (quality operations

management), керування операціями з запасами (inventory operations management) а

також забезпечує посилання на інші підприємницькі діяльності, що впливають на

виробничі операції.

Керування операціями вироблення продукції (Production operations

management) - дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують,

направляють, організовують і відслідковують функції використання матеріалів,

енергії, обладнання, персоналу та інформації для вироблення продукту з

затребуваними затратами, якістю, кількістю, безпечністю і часовими рамками (ISA-

95).

9

Керування операціями забезпечення якості (Quality operations management )

- дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують, направляють,

організовують роботу і відслідковують функції вимірювання і протоколювання

(report) показників якості (ISA-95).

Керування операціями технічного обслуговування (Maintenance operations

management) - дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують,

направляють, організовують і відслідковують функції, що підтримують в робочому

стані обладнання, інструменти і відповідні активи для забезпечення їх доступності

при виробництві, а також для забезпечення планування оперативного, періодичного,

профілактичного або випереджувального технічного обслуговування (ISA-95).

Керування операціями з запасами (Inventory operations management) - дії 3-

го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують, направляють,

організовують і відслідковують переміщення запасів (inventory) і матеріалів в рамках

виробничих операцій (ISA-95).

Керування періодичним процесом (batch control) – керівна діяльність та

функції керування, які забезпечують способи для обробки кінцевої кількості вхідних

матеріалів, піддаючи їх упорядкованому набору діяльностей по обробці в

обмежений період часу з використанням одного або більше одиниць обладнання.

Керування рецептами (recipe management) - керівна діяльність, яка включає в

себе функції керування, що необхідні для створення, зберігання і підтримання

загальних, місцевих і майстер рецептів

Керування технологічним процесом (process control) - керівна діяльність, яка

включає функції керування, необхідні для забезпечення послідовного,

регулювального та дискретного керування а також збору і відображення даних

Керування технологічною коміркою (Process Cell Management) - керівна

діяльність, що включає в себе функції керування, необхідні для керування порційним

виробництвом в технологічній комірці.

Координаційне керування (coordination control) – тип керування, яке

спрямовує, ініціює та/або змінює виконання процедурного керування і

використовується апаратурними об’єктами.

Лот (lot) – унікально ідентифікована кількість речовини, що має набір спільних

рис; деякі приклади спільних рис є: джерело речовини; майстер рецепт, який

використовується для виробництва речовини; і різні фізичні властивості.

Майстер рецепт (master recipe) – тип рецепту, що відповідає можливостям

обладнання конкретної технологічної-комірки і може включати додаткову

інформацію про технологічну комірку; майстер рецепт не може бути виключеним з

моделі типів рецептів;

Місцевий рецепт (site recipe) – тип рецепту що визначається для виробничої

площадки; місцеві рецепти можуть бути отримані з загального рецепту, приймаючи

локальні обмеження такі як мова, сировина; місцеві рецепти можуть включати

інформацію про маршрутизацію, необхідну для координації виробництва через

технологічні комірки і планування виробництва

Модуль керування (control module) - низькорівнева група обладнання в

фізичній моделі, яка може здійснювати базове керування; цей термін відноситься як

10

до фізичного обладнанням так і до апаратурного об’єкту; рівень модулів керування

не може бути виключений з фізичної моделі.

Неперервний процес (Continuous processes) – технологічний процес, в якому

речовини (матеріали) передаються через технологічне обладнання у вигляді

безперервного потоку.

Обробка винятків (exception handling) - це функції, які мають справу з

непередбачуваними обставинами на установці або в технології та іншими подіями,

які відбуваються за межами нормальної або бажаної поведінки керування

періодичним процесом.

Означенням технологічного процесу (process definition) - Означення

послідовності обробки для продукту називається.

Операція (operation) - процедурний елемент визначений незалежною

оброблювальною діяльністю, що складається з алгоритму, необхідного для

ініціювання, організації та керування етапами

Параметр процесу (технологічний параметр, process parameter) – інформація

що потребується для виробництва речовини але не підпадає під визначення входу чи

виходу процесу.

Партія (batch) – продукт (напівпродукт), що отримують в періодичному

процесі.

План-графік (графік, розклад) виготовлення партій (batch schedule) - список

партій, що буде вироблятися в конкретній технологічній комірці.

Підприємство (Enterprise) – це виробничий комплекс, що відповідає за певну

номенклатуру виробів, які випускаються, виробничих площадок, на яких вони

випускаються та способів виробництва

Періодичний процес (Batch processes) – це процес, результатом якого є

виробництво кінцевої кількості продукту шляхом виконання над деякою кількістю

вхідного матеріалу (сировини) упорядкованої послідовності дій за обмежений період

часу з використанням однієї або більше одиниць обладнання

Процедура (procedure) - означена послідовність кроків, дій чи діяльностей з

означеним початком і кінцем, яка призначена для виконання конкретного завдання

або задачі; стратегія для створення партії в межах технологічної комірки зазвичай

описується за допомогою процедури що називається процедурою технологічної

комірки.

Процедура апарату (unit procedure) - стратегія виконання суміжних процесів в

одному апараті; вона складається з суміжних операцій і алгоритму, необхідних для

ініціювання, організації та керування цими операціями

Процедурний елемент (procedural element) - компонувальний блок для

процедурного керування, що означений в моделі процедурного керування

Процедурне керування (procedural control) – тип керування, яке виконує

процедури

Режим (mode) - манера, в якій здійснюється перехід в послідовних функціях

процедурного елементу або доступність для маніпулювання станами апаратурних

об’єктів вручну або за допомогою інших видів керування.

11

Ресурс із колективним користуванням (shared-use resource) – спільний

ресурс, який може бути використаний більше ніж одним користувачем в один момент

часу

Рецепт (recipe) - необхідний набір інформації, що унікально означує виробничі

вимоги для конкретного продукту або технологічної процедури; існує 4-ри типи

рецепта означені в цьому стандарті: загальний, місцевий, майстер і керівний.

Рецепт апарату (unit recipe) – частина керівного рецепту що унікально означує

вимоги до послідовності виробництва в одному апараті; рецепт апарату містить

процедуру апарату, формулу, заголовок, вимоги до обладнання, а також іншу

інформацію.

Рецептурна процедура (recipe procedure) – загальне визначення процедури, що

використовується в рецепті; рецептурна процедура призначена для надання

можливості зміни в продукті параметрів і формул, але без внесення змін в

обладнання

Рецептурна процедура етапу (recipe phase procedure) – частина рецепту, в якій

означені посилання на апаратурний етап.

Рецептурна процедура операції (recipe operation procedure) – частина

рецепту в якій означені послідовності і порядок виконання рецептурних етапів, або

посилання на апаратурні операції

Рецептурна процедура технологічної комірки (recipe process cell procedure) -

частина рецепту, яка означує послідовність і порядок рецептурних процедур апаратів,

або посилань на апаратурну процедуру технологічної комірки.

Ресурс з ексклюзивним користуванням (exclusive-use resource) – спільний

ресурс, що в один момент часу може використовувати тільки один користувач

Робочий центр (Work Center) – це технологічна комірка (Process Cell) для

періодичних процесів, виробнича установка (Production Unit) для неперервних чи

виробнича лінія (Production Line) для дискретних. У робочому центрі відбуваються

технологічні процеси для виготовлення напівпродукту чи продукту.

Спільний ресурс (common resource) - ресурс, який може надати послуги більш

ніж одній запитуючій стороні; спільні ресурси ідентифікуються як ресурси з

винятковим користуванням або як ресурси з колективним користуванням.

Стан (state) - стан апаратурного об’єкту або процедурного елемента в даний

момент часу; кількість можливих станів і їх імена різні для обладнання і процедурних

елементів.

Технологічна дія (Process actions) означує незначні діяльності по обробці, що

об'єднуються для створення технологічної операції.

Технологічна комірка (Process cell) - логічно згруповане обладнання, що

включає обладнання, необхідне для виробництва однієї або кількох партій; вона

означує область логічного керування одним комплектом технологічного обладнання

в межах дільниці; цей термін відноситься як до фізичного обладнання так і до

апаратурного об’єкту.

Технологічна лінія, лінія (train, line) – підрозділ технологічної комірки, що

включає в себе усі апарати та інше обладнання, що можуть бути використані у

виготовленні конкретної партії.

12

Технологічна операція (Process operations) - це основна технологічна

діяльність, що зазвичай призводить до хімічної або фізичної зміни оброблюваного

матеріалу.

Технологічний процес (Process) є послідовністю хімічних, фізичних або

біологічних діяльностей для перетворення, транспортування або зберігання матеріалу

чи енергії.

Технологічна стадія (Process stages) - частина технологічного процесу, яка, як

правило, виконується незалежно від інших стадій, що і зазвичай призводить до

запланованої послідовності хімічних або фізичних змін в матеріалі, що

переробляється.

Формула (formula) – категорія інформації рецепту що включає входи,

параметри та виходи процесу.

Шлях, потік (path, stream) - порядок обладнання в межах технологічної

комірки, який використовується, або як очікується, буде використовуватися, у

виробництві конкретної партії.

Скорочення

AGV – Автоматизований транспортний; робокар (Automated guided vehicles);

AMS – Система керування активами (Asset management system);

ASRS – Автоматизована траснпортно-складська система (Automated storage and

retrieval system);

CAPE – Система автоматизованої розробки технологічних процесів (Computer-

aided process engineering);

CAD (САПР) - Система автоматизованого проектування (Computer-aided design);

CAE - Система автоматизованого конструювання (Computer-aided engineering);

CASE - Система автоматизованої розробки програмного забезпечення

(Computer-aided software engineering);

CIM – Комп’ютерно-інтегроване виробництво (Computer integrated

manufacturing);

CNC (ЧПУ) – Комп’ютерне цифрове керування (Computerized numerical control),

Числове програмне управління;

DCS (РСУ) - Система розподіленого керування (Distributed control system);

ERP – Планування ресурсів підприємства (Enterprise resource planning);

EWI – Електронна робоча інструкція (Electronic work instructions);

HR – Людський ресурс (Human resources);

KPI – Ключовий показник ефективності (Key performance indicator);

ISA - International Society of Automation, міжнародна організація по

стандартизації в області автоматизації

LIMS – Система керування лабораторною інформацією (Laboratory information

management system);

MES – Система керування виробничими процесами (Manufacturing execution

system);

13

MOM - Керування виробничими операціями (Manufacturing Operations

Management)

MPS – Основний план-графік вироблення продукції (Master production schedule);

MRP – Планування матеріальних ресурсів (Material resource planning);

ОЕЕ – Загальна ефективність обладнання (Overall equipment effectiveness);

PAT - Процесна аналітична технологія (Process analytical technology);

PERA – Еталонна архітектура підприємства Пурдьє (Purdue enterprise reference

architecture);

PDM – Керування даними продукту (Product data management);

PLC – Програмований логічний контролер (Programmable logic controller);

PLM – Керування життєвим циклом продукту (Product life-cycle management);

PRM – Еталонна модель комп’ютерно-інтегрованого виробництва Пурдьє

(Purdue reference model for computer-integrated manufacturing);

QA - Гарантія якості (Quality assurance);

R&D – Дослідження і розробка (Research and development);

RFQ – Запит цінової пропозиції (Request for quote);

ROA – Повернення ресурсів (Return on assets);

SCADA – Супервізорне керування і збір даних (Supervisory control and data

acquisition);

SOC – Стандартні умови роботи (Standard operating conditions);

SOP – Стандартний технологічний регламент (Standard operating procedure);

SQC – Статистично-якісне керування (Statistical quality control);

SPC – Статистичне керування технологічним процесом (Statistical process

control);

WIP – Незакінчене виробництво (Work in process);

WMS - Система керування складом (Warehouse management system)

АСУВ(АСКВ) – автоматизовані системи управління (керування) виробництвом

АСУП (АСКП) – автоматизовані системи управління (керування) підприємством

АСУТП(АСКТП) – автоматизовані системи управління (керування)

технологічним процесом

ІАСУ (ІАСК) – інтегровані автоматизовані системи управління (керування)

14

Вступ

Світова практика впровадження інтегрованих систем керування виробничим

підприємством показує значне підвищення ефективності їх роботи за рахунок

зменшення енергозатрат, виробничих простоїв, оптимального розподілу

матеріальних та енергетичних потоків, використання прихованих резервів,

підвищення спостережності та керованості об’єкту. За останні 20 років людство

значно просунулось у напрямку від часткової автоматизації технологічних та

організаційно-економічних процесів до створення єдиного інтегрованого цифрового

виробництва (digital factory), впроваджуючи кращі практики в керуванні та новітні

інформаційні технології. Результати цієї діяльності були затверджені у ряді

міжнародних стандартів а також описані у великій кількості статей та посібників. З

приходом 4-ї промислової революції (Industry 4.0) технічні та програмні технології

інтеграції дещо змінилися в напрямку промислового Інтернету речей (IIOT), однак на

функціональному рівні підходи до інтегрованого керування підприємством

розвиваються в тому ж напрямку.

Предметом вивчення навчальної дисципліни "Автоматизовані системи

управління виробництвом (MES)" є принципи та методи побудови ІАСУ, принципи

розробки прикладного програмного забезпечення для програмованих логічних

контролерів, засобів SCADA/HMI, MES/MOM для реалізації функцій управління

виробництвом. Метою дисципліни є засвоєння принципів побудови інтегрованих

автоматизованих систем управління виробництвом, вивчення та опрацювання

стандартів MESA, ISA-88, ISA-95 та сучасних підходів побудови MES-систем.

У даному конспекті лекцій розглядаються загальні питання побудови ІАСУ,

функції рівня управління виробництвом а також більш детально розглянуті принципи

побудови систем управління періодичним (порційним) виробництвом з

використанням стандартів ISA-88.

15

1. Загальні принципи побудови інтегрованих автоматизованих системи

керування підприємством та виробництвом

План.

1.1. Типова структура автоматизованого керування підприємством.

1.2. Роль стандартів в розробці інтегрованих автоматизованих систем

керування.

1.3. Основні ідеї керування виробничим підприємством.

1.1. Типова структура автоматизованого керування підприємством

Сучасні системи автоматизації є інтегрованими, оскільки включають у себе

взаємопов’язані різні за функціями та рівнями управління підсистеми (рис.1.1).

Функції перших трьох рівнів реалізовуються системами АСУТП (Автоматизовані

системи управління (керування) технологічними процесами, або АСКТП) і

забезпечують оптимальне протікання технологічного процесу. На більшості

українських підприємств системи АСУТП в певній степені впроваджені, однак мало

де пов’язані між собою. Тим не менше, в інтегрованих автоматизованих системах

управління (ІАСУ або ІАСК) для ефективної роботи всього виробництва необхідна

узгоджена робота всіх ділянок технологічного процесу, що можливо тільки при

скоординованій роботі всіх АСУТП. Для цього використовуються системи

управління виробництвом (АСУВ або АСКВ), які також слугують зв’язувальною

ланкою між АСУТП та АСУП. На сучасних підприємствах на рівні АСУВ

впроваджують системи MES (Manufacturing Execution System), де збираються і

обробляються дані всього виробництва, проводиться їх аналітичний аналіз з

використанням статистичних методів, проводиться аналіз якості продуктів та

напівпродуктів відповідно до лабораторних показників, готуються виробничі звіти,

виконується оперативне планування виробництва, відповідно до чого формуються

завдання для технологічних процесів. Грамотна побудова таких систем дає

колосальні економічні ефекти. Нижче буде зазначено, що окрім функцій вироблення

продукції, на цьому рівні також вирішуються інші діяльності, в тому числі по

керуванню якістю продукції, технічного обслуговування обладнання та запасами.

Весь перелік цих функцій входить до операцій MOM (Manufacturing operations

management).

Автоматизовані системи управління підприємством (АСУП або АСКП)

орієнтовані на вирішення завдань автоматизації управлінською і фінансово-

господарською діяльністю, а також на планування ресурсів підприємства. Це рівень

різноманітних бізнес-застосунків, які як правило входять в пакети систем ERP.

16

Ефективна робота всього підприємства може проходити тільки при взаємодії

всіх підсистем, що можливо тільки при реалізації їх функціональної, технічної та

програмної інтеграції. Технічна та програмна інтеграція проводиться з

використанням різноманітних промислових мереж та технологій міжпрограмної

взаємодії, які є предметом вивчення дисциплін "Промислові мережі та інтеграційні

технології", "Промислові контролери", "Людино-машинний інтерфейс та SCADA".

Промислові мережі використовуються як для об'єднання АСУТП між собою, так і для

підключення до них інтелектуальних засобів. Технології міжпрограмної інтеграції

використовуються на всіх рівнях ІАСУ. У даному посібнику розглядаються

технології інтеграції на функціональному рівні, де визначається як взаємодіють між

собою функції різних рівнів керування для досягнення задано мети.

1.2. Роль стандартів в розробці інтегрованих автоматизованих систем

керування

Великий внесок у розвиток систему управління виробництвом зробила

некомерційна організація MESA International, членами якої є виробники

спеціалізованого програмного забезпечення, інтегратори, промисловці і фізичні

особи у тому числі з академічної спільноти. Найбільш передові стандарти затвердила

організація ISA (International Society of Automation). Наявність світових стандартів

говорить про успішне використання затверджених в них технологій, а наявність

навчальних посібників – існуючих шкіл підготовки кадрів.

Рис. 1.1. Приклад архітектури сучасної інтегрованої автоматизованої системи

управління підприємством (ІАСУ)

17

Серед найбільш важливих стандартів, в яких систематизовані кращі практики

розробки інтегрованих автоматизованих систем керування (ІАСК) є американські

стандарти ANSI/ISA-95 та аналогічні їм світові аналоги IEC-62264 (МЕК-62264), які

по суті являються адаптацію ISA. В Україні, нажаль, ці стандарти не прийняті на

державному рівні, не дивлячись на спрямованість на гармонізацію українських

стандартів з європейськими. Для порівняння, у Росії прийняті та локалізовані ці

стандарти як ГОСТ Р МЭК 62264-1 ще починаючи з 2010 року, що робить їх

використання пріоритетними над корпоративними.

Для розуміння місця сучасних стандартів в інтегрованому виробництві, слід

розглядати їх в контексті функціональної структури, яка наведена в першій частині

ISA-95 (див. рис.1.2). Згідно цього стандарту ієрархія керування виробничим

підприємством описується 4-ма рівнями: 1-й та 2-й рівень призначений для керування

технологічним процесом, 3-й – керування виробничими операціями (MOM), 4-й – для

бізнес-планування та логістики.

Слід звернути увагу, що ця структура інтегрованого виробництва ніяким чином

не накладає вимоги щодо конкретної реалізації функцій. Так, наприклад, деякі

всесвітньо відомі програмні продукти охоплюють частину функцій з кожного з

наведених рівнів, але не реалізовують весь перерахований функціонал. З цих же

причин 3-й рівень прийнято називати MOM (Manufacturing Operations Management,

Керування виробничими операціями) в противагу MES (Manufacturing Execution

System), так як MOM охоплює більше функцій, ніж це заявлено моделлю MESA. Так,

наприклад, MOM включає в себе ряд функцій оперативного керування

обслуговування фізичних активів підприємства, що не передбачається моделлю MES.

Виконання функції 4-го рівня як правило охоплюються системами типу ERP

(Enterprise Resource Planning). Перша та друга частина стандарту ISA-95, які були

затверджені першочергово, якраз призначені для вирішення проблем інтеграції

систем ERP та MOM. Тобто вони направлені на опис (моделі) представлення даних,

якими будуть обмінюватися ці системи та в деякій мірі правила цього обміну. Слід

зазначити, що в стандартах немає вимог до внутрішньої структури цих систем та

реалізації конкретних функцій, а тільки до їх взаємодії (опису даних) на різних рівнях

керування, що дозволить інтегрувати різні, навіть існуючі реалізації, вносячи певні

зміни до їх інтерфейсної частини.

Третя та четверта частина стандарту (ISA-95.03 та ISA-95.04) зосереджується на

взаємодії функцій в середині рівня MOM, та з 2-м рівнем функціональної моделі. У

деякій мірі цей стандарт описує модель самих функцій з точки зору взаємодії між

ними. Як і в перших частинах описується тільки структура самих даних, якими

обмінюються функції, а не програмний інтерфейс.

18

Реалізація першого та другого рівня, згідно наведеної моделі, охоплюються

автоматизованими системами керування технологічними процесами (АСКТП), на які

не поширюється стандарт. Слід звернути увагу, що на відміну від моделі

підприємства, наведеної на рис.1.1 функціональна структура ISA-95 передбачає 2-

рівневу ієрархію АСКТП.

У моделі ISA-95 прийнято розділення між типами виробничих процесів:

1. Batch Control – керування періодичним (порційним, малосерійним)

виробництвом

2. Continues Control – керування неперервним виробництвом

3. Discrete Control – керування дискретним виробництвом

Це розділення зумовлене певними особливостями виробництва, що, як відомо,

накладає свій слід на особливості керування виробничими процесами. Для

інтегрування систем цих рівнів у загальну систему керування виробництвом вони

повинні бути попередньо підготовлені. По-перше, керування виробничим

підприємством вимагає представлення ресурсів і діяльності цих рівнів у вигляді

моделей, які відрізняються для різних типів виробництв. По-друге, алгоритми

керування 2-го рівня повинні враховувати необхідність реалізації двохсторонньої

інтеграції за принципом: вниз – планування, вгору – фактичний стан. Для цього, в

керуванні періодичним виробництвом (Batch Control) вже довгий час

використовується стандарт ISA-88. У певній мірі адаптація стандарту зроблена також

і для дискретних виробництв. Для неперервних виробництв теж існують адаптації

стандартів ISA-88, тим не менше, вже біля десяти років ведуться роботи над

стандартом ISA-106, який призначений саме для таких об’єктів. Зараз робота над

стандартом триває, а попередні результати висвітлені в технічному звіті (ISA-TR106).

У стандартах ISA-88 та ISA-106 закладені такі правила побудови систем керування

Рівень 4 Business Planning

& Logistics

Plant Production Scheduling, Operational Management, etc

4 - Встановлення і забезпечення довгострокових планів підприємства - виробництва, використання матеріалів, доставки та відвантаження. Визначення рівня запасів.

Рівень 3

Manufacturing

Operations Management

Dispatching Production, Detailed Production Scheduling, Reliability Assurance, ...

3 - Керування виконанням робіт для отримання бажаних кінцевих продуктів. Ведення записів і оптимізації виробничого процесу.

Масштаб часу Дні, зміни, години, хвилини, секунди

Рівень 2

Batch

Control Рівень 1 1 - Вимірювання технологічних змінних, керування

технологічними операціями

2 - Контроль, диспетчерське та автоматизоване керування виробничим процесом Масштаб часу Години, хвилини, секунди, долі секунд

Continuous Control

Discrete Control

Рис.1.2. Функціональна ієрархічна структура керування виробничим

підприємством згідно ISA-95 (МЕК 62264)

19

технологічними процесами, які передбачають їх інтеграцію в єдину ІАСК,

побудовану згідно стандарту ISA-95.

Таким чином, на сьогоднішній день група стандартів ISA охоплює керівну

діяльність практично усіх 3-х нижніх рівнів ієрархії керування виробничим

підприємством:

1. ISA 95.01 та ISA 95.02 – моделі даних в обміні між 3-м (MOM) і 4-м (ERP)

рівнем

2. ISA 95.03 та ISA 95.04 – моделі даних в обміні між функціями 3-го рівня

(MOM) та в деякій мірі обміну з 2-м

3. ISA 95.05 – високорівневий протокол для обміну даними 3-го (MOM) і 4-го

(ERP) рівня

4. ISA 88.01, ISA 88.02, ISA 88.03, ISA 88.04, ISA-88.05 – стандарти для

керування періодичним виробництвом

5. ISA TR88.02 – адаптація стандартів ISA-88 для задач пакування продукції

(дискретні процеси)

6. ISA TR88-95.00.01 – технічний звіт про сумісне використання ISA-88 та ISA-

95

7. ISA TR106 – технічний звіт по розробці стандартів керування неперервним

виробництвом

Вище наведені тільки стандарти ISA, хоч у більшості з них є аналоги МЕК, які

переважно приймаються шляхом простого затвердження. Враховуючи певну

інерційність (не менш ніж три роки) в процесі затвердження європейських аналогів,

нижче ми зупинимося на огляді тільки оригінальних американських версій.

1.3. Основні ідеї керування виробничим підприємством

Для можливості аналізу плинного стану виробничого підприємства та

керуванням ним, його активи та діяльність повинні бути описані набором

взаємопов’язаних моделей. Ключовою ідеєю стандартів є означення цих моделей на

різних рівнях керування та в різних виробничих областях.

Стандарти дають чіткі інструкції щодо представлення виробничих ресурсів

підприємства, їх стану, потенціалу та фактичного використання, щодо декомпозиції

загальних функцій моніторингу та керування виробничими процесами, щодо

планування випуску продукції та гнучкого формування нового типу продукту. Ці

рекомендації були неодноразово перевірені на виробництві, тобто є кращими

практиками. Тому навіть у випадку побудови систем керування без посилання на ці

стандарти як на нормативні, їх використання дає досить повне представлення

категорій, якими можна описати будь-яке виробництво.

У загальному випадку, керування виробничими операціями можна описати

набором взаємопов’язаних моделей:

означення продукту, тобто з чого(матеріали) яким чином (необхідні

роботи і вимоги до обладнання) виготовити продукт;

20

доступні ресурси, тобто що є (матеріали, обладнання, інші ресурси) для

виготовлення продукту;

виробничий план-графік, тобто коли і з якими доступними ресурсами

планується виготовлювати продукт;

фактичні показники виробництва, тобто як проходить виготовлення

продукту.

У новій версії стандарту ISA-95, подібні моделі використовуються для опису

керування виробничими операціями (MOM), що описується в термінах 4-х категорій:

керування операціями вироблення продукції (production operations management),

керування операціями технічного обслуговування (maintenance operations

management), керування операціями забезпечення якості (quality operations

management), керування операціями з запасами (inventory operations management) а

також забезпечує посилання на інші підприємницькі діяльності, що впливають на

виробничі операції. Таке представлення розширює область дії стандарту ISA-95 на

всі функції рівня MOM промислового підприємства а не тільки на виробничі. Нижче

записані означення видів діяльності по кожній категорії згідно ISA-95.

Production operations management (керування операціями вироблення

продукції) - дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують,

направляють, організовують і відслідковують функції використання матеріалів,

енергії, обладнання, персоналу та інформації для вироблення продукту з

затребуваними затратами, якістю, кількістю, безпечністю і часовими рамками.

Quality operations management (керування операціями забезпечення якості) -

дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що координують, направляють,

організовують роботу і відслідковують функції вимірювання і протоколювання

(report) показників якості.

Maintenance operations management (керування операціями технічного

обслуговування) - дії 3-го рівня виробничої діяльності підприємства, що

координують, направляють, організовують і відслідковують функції, що підтримують

в робочому стані обладнання, інструменти і відповідні активи для забезпечення їх

доступності при виробництві, а також для забезпечення планування оперативного,

періодичного, профілактичного або випереджувального технічного обслуговування.

Inventory operations management (керування операціями з запасами) - дії 3-го

рівня виробничої діяльності підприємства, що координують, направляють,

організовують і відслідковують переміщення запасів (inventory) і матеріалів в рамках

виробничих операцій.

У наступній темі коротко опишемо призначення кожної з видів моделі в

контексті керування операціями вироблення продукції. Більш детально ці моделі а

також діяльності, пов’язані з ними будуть описані в інших розділах.

Запитання для самоперевірки

1. Що представляє собою типова структура управління підприємством?

21

2. Яке призначення систем АСУТП(АСКТП) та АСУП(АСКП)? Розшифруйте

абревіатури ERP та SCADA, та поясніть їх.

3. Яке місце в архітектурі займають системи MES-рівня? Яке їх призначення?

4. Які функції не прийнято відносити до MES але являються частиною MOM?

5. Які аспекти інтеграції розглядаються в даному посібнику?

6. Які переваги може надати інтеграція систем керування на різних рівнях?

7. Назвіть організації по стандартизації, які займаються питаннями автоматизації

виробництва. Які з їх стандартів найбільш важливі на сьогоднішній день, чи

діють вони сьогодні на території України?

8. Які рівні визначені в функціональній моделі ISA-95? Прокоментуйте як на ці

рівні відображаються АСУП, АСУТП, АСУВ?

9. Використовуючи функціональну структуру прокоментуйте область діяльності

1-4 частин стандартів ISA-95.

10. Прокоментуйте розділення нижніх рівнів функціональної моделі ISA-95 на

різні типи систем керування: Batch Control, Continues Control, Discrete Control. З

чим пов'язане таке розділення?

11. Які стандарти використовуються для систем Batch Control, Continues Control,

Discrete Control в контексті інтегрованого виробництва?

12. Як відносяться стандарти ISA та ISO/IEC?

13. На що направлені стандарти ISA-88/95?

14. Якими групами моделей можна описати керування операціями виробничого

підприємства?

15. Які типи операцій виділені в ISA-95 і яке їх призначення?

22

2. Основні моделі ISA 88 та ISA 95

План.

2.1. Поняття означення продукту (виробу).

2.2. Поняття ресурсів.

2.3. Поняття виробничих планів, графіків та виробничих вимог.

2.4. Фактичні показники виробництва.

2.5. Підсумки використання ISA-88 та ISA-95.

2.1. Поняття означення продукту (виробу)

Першим розробленим стандартом із наведених вище став ISA-88, саме він заклав

дуже важливі фундаментальні принципи керування виробництвом. Мабуть,

найбільш новаторською концепцією в ньому стало розділення керівних діяльностей

на дві різні категорії: керування технологічним процесом та керування роботою

обладнання (див. рис.2.1). Таке розділення дає можливість використовувати одне і те

саме обладнання для виробництва різних продуктів, що є принциповим при

виготовленні багатоасортиментної продукції за змінного технологічного регламенту.

Необхідні матеріали (тип, кількість, вимоги), очікувані продукти (кількість,

параметри), вимоги до обладнання, вимоги до додаткових ресурсів, потрібні роботи

по керуванню процесом – все це описується в означенні продукту.

У термінах ISA-88, таке означення продукту записується в рецепті (Recipe), а в

ISA-95 – в моделі означення виробу (Product definition model). Слід зазначити, що в

самому означенні продукту вказується послідовність технологічних операцій, що

Рис.2.1. Розділення типів керування: функції керування технологією

приготування продукту і функцій керування обладнанням згідно ISA-88

23

дозволяє «програмувати» виробничий процес для окремого продукту. Це є

принципово новим підходом, що дозволяє виробляти новостворені продукти, не

вносячи при цьому зміни в структуру і програму системи керування. Однак такий

підхід вимагає його підтримки на всіх рівнях керування, задіяних в цій функції. У

термінах ISA-88 такі технологічні програми, які записуються в рецепті оперують

технологічними термінами типу «нагріти до 80°С», «перемішувати протягом 30 хв», і

називається процедурним керуванням (Procedural Control). Програма в рецептах

(рецептурне керування) не може виконуватися без обладнання, тому передбачається

що воно буде реалізоване з використанням апаратурного керування (equipment

control), що реалізоване в системі керування конкретним обладнанням.

У ISA-88 загальне означення продукту для конкретної технологічної комірки

(виробничої ділянки, що випускає якусь продукцію чи напівфабрикат) описується

майстер рецептом (Master Recipe). Він включає в себе (див.рис.2.2):

заголовок (Header) з загальною інформацією про рецепт;

формулу (Formula), куди входять параметри та кількісні характеристики

сировини та інших видів ресурсів, що задіяні у виробленні партії;

вимоги до обладнання (Equipment Requirements), де наведені

характеристики та тип обладнання, що може виробляти даний продукт

процедура (Procedure), в якому записана «технологічна програма», тобто

рецептурне процедурне керування

Майстер рецепт, по суті, є шаблоном, у якому вказується які ресурси

(матеріали і людські ресурси у формулі, устаткування у вимогах до обладнання) і

яким чином (процедура) можуть бути задіяні у виробленні продукту. За цим

«шаблоном» створюється унікальна копія для конкретної партії продукту, яка

називається керівним рецептом (Control Recipe). У керівному рецепті інформація

Рис.2.2. Принципи виконання процедурного керування, означеного в

рецепті на конкретному обладнанні згідно ISA-88

24

деталізується і в процесі приготування партії може змінюватися (технологічні

параметри, обладнання та навіть технологічна програма). Крім того, керівний рецепт

являється тим об’єктом, на якому зосереджується вся архівна інформація по

проходженню процесу приготування цієї партії продукту, це дозволяє проводити її

відслідковування.

У ISA-95 означення продукту описується моделлю означення виробу (Product

Definition), яка в свою чергу є частковим випадком моделі означення операції

(Operation Definition). Нагадаємо, що нова версія стандарту ISA-95 надає

універсальні моделі операцій (Operation), оскільки в перелік функцій входять не

тільки діяльності по виробленню продукції, а і технічне обслуговування, організація

робіт по забезпеченню якості та матеріально-технічного забезпечення. Хоч опис

моделей може здатися досить складним (усі моделі в стандартах даються в нотації

UML) та має ієрархічну структуру (від 4-го до 3-го функціонального рівня), за

великим рахунком, вони описуються за тим же принципом що і в ISA-88.

2.2. Поняття ресурсів

Для вироблення необхідного виробу (продукту) необхідні ресурси, які згідно

стандартів також описуються набором моделей. У ISA-88 та ISA-106 окремо

виділеними ресурсами є обладнання (Equipment) яке забезпечує вироблення

продукції. Усі інші ресурси (необхідні матеріали, енергетичні ресурси, персонал)

входять як параметри керування обладнанням. У стандарті ISA-95 ресурси діляться

на дві категорії: витрачувані (як правило матеріали та енергія) та невитрачувані (як

правило персонал та обладнання). Для усіх видів ресурсів у ньому передбачені окремі

моделі.

Тим не менше ієрархія моделі обладнання (фізичної моделі підприємства)

пересікається у всіх наведених вище стандартах і являється їх «спільним

знаменником» (рис.2.3).

25

Стандарт ISA-95 охоплює діяльність верхніх чотирьох рівнів фізичної моделі:

1. Підприємство (Enterprise) – це виробничий комплекс, що відповідає за певну

номенклатуру виробів, які випускаються, виробничих площадок, на яких вони

випускаються та способів виробництва. Наприклад, це може бути

агропромислове підприємство з декількома цукровими заводами,

розташованими в різних місцях.

2. Виробнича площадка (Site) - це група об’єднаних об’єктів що забезпечують

виробництво, згідно календарного плану. Наприклад, це може бути завод.

3. Дільниця (Area) – це група об’єктів в рамках виробничої площадки, що

забезпечує виробництво згідно виробничої потужності, характеризуються

виробничими можливостями. Наприклад, для цукрового заводу це може бути

лінія виробництва цукру-піску, для молочного – сирний цех або масло-цех;

4. Робочий центр (Work Center) – це технологічна комірка (Process Cell) для

періодичних процесів, виробнича установка (Production Unit) для неперервних

чи виробнича лінія (Production Line) для дискретних. У робочому центрі

Рис.2.3 Загальна модель ієрархії обладнання (фізична модель

підприємства) для ISA-95 та ISA-88

26

відбуваються технологічні процеси для виготовлення напівпродукту чи

продукту.

o Представлення моделі технологічної комірки описується в ISA-88.

Наприклад, для молочного виробництва технологічною коміркою може

бути лінія приготування цільно-молочної продукції, або її частина;

o Представлення моделі виробничої установки описується в технічних

звітах ISA-106. Прикладом виробничої установки для цукрового

виробництва є усі відділення з неперервними процесами, в т.ч. тракт

подачі і мийки буряку, дифузійне відділення, відділення очистки і т.д.

o Представлення моделі технологічної лінії для дискретних виробництв

може бути описана аналогічно як в ISA–TR88.00.02. Це, наприклад,

можуть бути складальні лінії виробництва побутової техніки.

Крім того, четвертий рівень також описується стандартами ISA-88 або ISA-106

разом з нижними 3-ма.

У фізичній моделі під «обладнанням» розуміється певна сутність, яка має свою

роль у виробничих операціях, а також керуюче обладнання, яке впливає на них або

визначає стан (датчики, виконавчі механізми, регулюючі органи). Однак окрім

фізичних об’єктів є ще керуючі функції, які виробляють сигнали керування або/і

обробляють вимірювальні сигнали. Разом з фізичним обладнанням ці функції

керування поєднуються в модель сутності, яка згідно ISA-88 називається

апаратурним об’єктом (Equipment Entity). Апаратурний об’єкт має базові функції

керування, які призначені для виконання певних операцій з конкретним обладнанням.

Базове керування повністю зав’язане на конкретному обладнанні і виконує свої

функції, незалежно від продукції, що виготовлюється.

Крім базового керування обладнанням, апаратурний об’єкт повинен

підтримувати «функціональні блоки» процедурного керування, з яких будується

"технологічна програма" в рецепті. Ці блоки, з одного боку, керуються

«технологічною програмою» (процедурою) рецепту, а з іншого - керують

обладнанням через функції базового керування.

Таким способом взаємодіють рецепт і апаратурний об’єкт, що дозволяє

реалізовувати керування обладнанням окремо від реалізації алгоритмів керування

технологічним процесом, а потім зв’язувати їх. Приклад такого зв’язування

схематично показаний на рисунку 2.4. Таким чином, наприклад, етапи типу «нагріти

до…», «перемішувати протягом…», «набрати …» реалізовані і в процедурному і в

апаратурному об’єкті, які при виконанні рецепту з’єднуються інформаційними

потоками для передачі команд, параметрів та отримання плинних значень.

У наступних розділах цей зв'язок буде розглянутий більш детально.

27

Подібним чином відбувається взаємодія на верхніх рівнях, де означення

необхідного продукту «спускається» з верхніх рівнів ієрархії керування до рівня

робочих центрів (Work Center).

Моделі ресурсів, описані відповідно до ISA-95, дають можливість зробити запит

на доступне на даний момент обладнання, персонал, матеріали та інші ресурси, які

можуть бути або вже задіяні у виробництві. Враховуючи, що всі моделі

взаємозв’язані, ресурс може бути вказаний в якості елементу посилання в означенні

продукту, виробничого плану та фактичних показників виробництва.

Рис.2.4. Зв'язок рецепту з апаратурним об’єктом на рівні етапу (phase)

згідно ISA-88

28

2.3. Поняття виробничих планів, графіків та виробничих вимог

Правила формування виробничих планів-рафіків не описані в наведених вище

стандартах, так як це сильно залежить від об’єкта керування та підходів до

організації виробничих процесів. Тим не менше, передбачається, що підсистема, яка

буде займатися формуванням та керуванням виробничим планом-графіком буде

оперувати описаними в стандартах моделями. Зокрема, вона буде орієнтуватися на

необхідний план вироблення продукції, який передається з верхніх рівнів, означення

продукту і доступних в потрібний момент ресурсів, які в ньому вказані.

Згідно ISA-95 загальний план вироблення продукції (Production Schedule) (див.

рис.2.5), який визначений на рівні організаційно-економічного керування,

опускається до функцій детального планування вироблення продукції (Detailed

Production Scheduling), які формують робочий план-графік (Work Schedule).

Формування проводиться відповідно до означення продуктів, які необхідно виробити

та доступних для цього ресурсів (обладнання, персоналу, матеріалів). Нижче

розглянемо цей процес з використанням діаграми Ганта.

Рис.2.5. Ієрархія планування.

29

На рис.2.6 показаний приклад вироблення шести лотів (великих партій)

продуктів у вигляді діаграми Ганта. Горизонтальні лінії представляють собою робочі

центри (Work Centers), які знаходяться на 4-му рівні ієрархії обладнання (див.

рис.2.3). У даному прикладі для виготовлення лотів необхідно використовувати

декілька робочих центрів (для вироблення напівпродуктів), кожен з яких у свою

чергу приймає участь у послідовності виробництва різних лотів продукції. Роботи на

виробництво запланованих лотів у виробничому графіку називаються запитами на

роботу (Work Request). У межах кожного робочого центру для виготовлення

напівпродукту виконуються роботи (job). Кожна партія для напівпродукту

виробляється в робочих апаратах (Work Unit), це найменша частина обладнання,

якою може оперувати рівень MES/MOM згідно ISA-95 (див. рис.2.3). Таким чином,

для кожного робочого центру створюється свій план-графік (Resource Schedule) і в

кожен момент часу для виробничої ділянки формується список робіт (Job List). Самі

роботи виконуються згідно означеного в шаблоні робіт (Work Master) порядку робіт

(Job Order).

Згідно ISA-88, планування та виробничі графіки є одним із видів керівної

діяльності, необхідного для керування періодичними процесами. Графік виробництва

партій визначає які апарати в який момент часу будуть використовуватися для

вироблення конкретної партії продукту (напівпродукту). Розглянемо зв'язок

планування через призму всіх рівнів підприємства (див. рис.2.6, рис.2.7).

Виробничий план (нагадуємо, що вироблення продукції один з видів операційної

діяльності підприємства) у результаті детального планування (Detailed Scheduling)

розподіляється між робочими центрами у вигляді робочих планів-графіків (Work

Schedule). Функція диспетчерського керування (Dispatching) в реальному часі формує

та відслідковує виконання списку робіт в конкретному робочому центрі

(технологічній комірці). Керування та контроль технологічною коміркою

Рис.2.6. Приклад робочого план-графіку у вигляді діаграми Ганта.

30

виконується відповідно до означення продукту, який згідно ISA-88 для кожної партії

задається керівним рецептом (Control Recipe).

Слід зауважити, що послідовне «опускання» графіків проводиться тільки після

функції планування, яка в свою чергу запитує з нижніх рівнів наявні ресурси. Тобто

таке рішення приймається в результаті постійного двостороннього обміну між

різними рівнями керування. На рис 2.7 видно, що організаційно-економічний рівень

отримує з MES/MOM інформацію про виробничі можливості (Production Capability).

Тут доречно відмітити, що в ISA-95 є ряд моделей, які об’єднують різні типи

інформації (різних ресурсів, діяльності) і називаються сегментами (сегмент процесу,

сегмент продукту). Виробничі можливості надаються верхньому рівню через сегмент

процесу.

За рис.2.6 та 2.7 можна прослідити ієрархію означення продукту: Product

(Operation) Definition (рівень ERP) -> Work Master (рівень MES/MOM) -> Master

Recipe (рівень АСКТП). Враховуючи, що означення продукту передбачає можливість

його використання на різному обладнанні, для конкретного лоту і партії будуть

створені унікальні їх екземпляри, відповідно Work-Directive та Work Recipe, які

також будуть слугувати маркером для історії створення партії та лоту. Слід в

черговий раз відмітити, що партія в даному випадку буде являтися частиною лоту.

При детальному вивченні стандартів можна помітити, що функції планування,

які визначені в ISA-88 та ISA-95 можуть не тільки являтися частиною єдиної ієрархії

але і перекриватися. Це саме стосується і інших керівних функцій. Наприклад згідно

стандарту ISA-88 партія продукту (Batch) може бути як повністю готовим до

споживання продуктом, так і напівпродуктом (проміжним продуктом виробництва).

Насамперед це пов’язано з універсальністю моделі, адже MES/MOM функціонує не

тільки в періодичному виробництві. Крім того, не всі системи керування

реалізовують повний функціонал ISA-88. З іншого боку, програмні продукти, що

реалізовують весь функціонал ISA-88 можуть використовуватися на рівні MES/MOM.

31

Рис.2.7. Діаграма взаємозв’язку діяльностей, описаних в ISA-95 та ISA-88

32

2.4. Фактичні показники виробництва

Для контролю за виконанням виробничих графіків, аналізу виробництва в

реальному часі та ретроспективних даних система повинна надавати інформацію про

стан об’єкту та процесів. Для опису цієї інформації означено ряд моделей та їх

комбінацій. Розглянемо слідування інформаційних потоків фактичних показників

виробництва через ієрархію керування (див. рис.2.8).

Дані про стан процесу надходять на рівень MES/MOM через функцію збору

даних (Data Collection). Окрім збору і надання іншим функціям даних режиму

реального часу, ця функція також забезпечує архівування даних з наступним їх

переглядом. Зібрані дані в «сирому» вигляді не потрібні виробничому персоналу

MES/MOM та ERP, тому їх попередньо необхідно обробити до максимальної

інформативності. Тобто зібрані дані, як правило, перевіряються на знаходження в

межах нормативних значень (Alert) а також відображаються у вигляді ключових

показників ефективності (KPI). Останні можуть також проходити перевірку для

формування в реальному часі попереджень (Work Alert) про недостатньо хорошу

роботу апарату, процесу чи машини через функції аналізу ефективності (Performance

Analysis). Враховуючи велике значення методики розрахунку KPI на виробництві,

був розроблений стандарт ISO 22400, друга частина якого описує типовий набір

показників ефективності та алгоритми їх розрахунку.

Важливою функцією MES/MOM є відслідковування (Tracking) або яку ще

називають генеалогією, що дозволяє визначати історію виготовлення конкретної

партії чи лоту продукту: задані та дійсні технологічні параметри, при яких готовився

продукт; якісні так кількісні показники сировини та продукту; означення продукту,

тощо. Згідно ISA-88, для періодичних процесів відслідковування забезпечується

шляхом аналізу архівних записів керівного рецепту (Batch Production Record) по його

номеру партії.

33

Рис.2.8 Інформаційні потоки між функціями рівня MES/MOM та іншими згідно ISA-95

34

2.5. Підсумки використання ISA-88 та ISA-95

Підводячи риску під описом основних ідей керування виробничим

підприємством наведемо тезисно їх функціонал.

ISA-95 – це стандарти, в яких описується організація функціонування

інтегрованого виробництва та наведені моделі даних, якими обмінюються

функціональні частини інтегрованої системи керування підприємством. Тобто

ISA-95 – це стандарт інтеграції ERP з MOM, MOM з АСКТП, та складових

MES/MOM між собою.

ISA-88 – це стандарти керування періодичними процесами. Так як і в ISA-95,

у основі стандарту лежать принципи означення продукту (в рецепті) та означення

невитрачуваного ресурсу – обладнання, на якому виконується цей рецепт. Усі

інші ресурси (персонал, матеріали, енергоресурси) входять в рецепт в якості

формули або додаткових вимог. У рецепт окрім формули входить також

процедура – «технологічна програма» виготовлення продукту. Рецепт, в тому

числі і процедура, створюється технологами без необхідності внесення змін в

систему керування. Це і є основною перевагою систем, побудованих на базі ISA-

88 над класичними монолітними системами керування, адже нові продукти можна

створювати без модернізації існуючої системи. Зауважимо, що в параметри

рецепту можуть входити також аварійні межі та алгоритми обробки винятків, які

залежать від технології продукту.

Кожна партія (batch) виготовленого продукту керується на базі унікального

керівного рецепту, який зберігається в архів разом зі значенням технологічних

змінних процесу, при яких готовилася ця партія. Такий підхід дає можливість

відслідковувати історію виготовлення партії по її ідентифікатору. Це ще один

великий здобуток даного стандарту. Технології стандарту полегшують

планування та робить гнучкішим використання обладнання.


1. Яка головна концепція лягла в основу стандарту ISA-88 і що вона дає

порівняно з традиційним під’їздом до автоматизованого керуванням? Як ця

концепція співвідноситься до принципу означення продукту і ресурсів?

2. Поясніть сутність означення виробу. Які моделі для означення виробу є в

ISA-88 та ISA-95?

3. Поясніть яким чином стає можливим змінювати програму керування

технологічним процесом не змінюючи структуру і програмне забезпечення

системи керування?

4. Поясніть своїми словами що в загальному значить процедурне керування

(Procedural Control)?

5. Поясніть відмінність понять "рецептурне керування" та "апаратурне

керування". Навіщо існування кожного з них?

6. Що в загальному представляє собою майстер рецепт і які складові він

включає? Де в ньому вказуються вимоги до різних ресурсів? Де в ньому

вказується "технологічна програма"?

7. Поясніть чим відрізняються поняття "означення виробу" (Product

Definition) від "означення операції" (Operation Definition) згідно ISA-95?

35

8. Якими типами моделей означені ресурси в ISA-95 та ISA-88?

9. Прокоментуйте за що відповідає обладнання 3-х верхніх рівнів фізичної

моделі ISA-95/88.

10. Що таке робочий центр (Work Center) в термінах ISA-95? Яким об’єктам

відповідає робочий центр в ISA-88?

11. Поясніть що таке апаратурний об’єкт (Equipment Entity). Чим апаратурний

об'єкт відрізняється від обладнання фізичної моделі?

12. Як принципово відбувається зв'язок рецептурного керування з

апаратурним?

13. Для чого можуть використовуватися моделі ресурсів в ISA-95?

14. З урахуванням чого проводиться детальне планування вироблення

продукції та формування робочого план-графіку?

15. Прокоментуйте складові робочого план-графіку за діаграмою Ганта

(рис.2.6).

16. Що таке запит на роботу (Work Request) відповідно до ISA-95?

17. Що включає в себе графік робочого центру? Чим є прямокутники на рис.2.6

з технологічної комірки 1 з точки зору ISA-88?

18. Що таке графік виробництва партії продукту (напівпродукту) з точки зору

ISA-88?

19. Поясніть в чому є двосторонність обміну інформації для функцій

планування.

20. Поясніть що таке моделі-сегменти в ISA-95?

21. Які функції приймають участь у формуванні та аналізі фактичних

показників виробництва?

22. Навіщо потрібні ключові показники ефективності (KPI)? Як вони

використовуються в MOM? Чи існують стандартні KPI?

23. Поясніть необхідність і призначення функції відслідковування (Tracking).

36

3. Основи керування періодичним процесом згідно ISA-88

План.

3.1. Типи та особливості виробництв.

3.2. Специфіка керування періодичними виробництвами

3.3. Означення технологічного процесу

3.4. Означення обладнання

3.5. Поняття процедурної моделі та зв'язок з моделлю обладнання

3.6. Виконання рецепту

3.1. Типи та особливості виробництв.

Технологічний процес є послідовністю хімічних, фізичних або біологічних

діяльностей для перетворення, транспортування або зберігання матеріалу чи

енергії. Промислові виробничі процеси в загальному можна класифікувати як

неперервні (continuous), дискретні (discrete), або періодичні (batch).

Приналежність до певного типу визначається за характером формування виходу

продукції з процесу: в безперервному потоці (для неперервного), в кінцевих

кількостях виробів (дискретне виробництво), або в кінцевих кількостях речовини

(періодичні процеси, періодичне/порційне виробництво).

У неперервному процесі (Continuous processes), речовини (матеріали)

передаються через технологічне обладнання у вигляді безперервного потоку.

Після встановлення стаціонарного режиму, характер процесу не залежить від

тривалості роботи. Запуски, переходи і зупинки зазвичай не сприяють досягненню

бажаного протікання процесу. Неперервне виробництво може включати не тільки

неперервні процеси але і періодичні чи навіть дискретні. Особливість

неперервного виробництва в безперервному вхідному (сировина) та вихідному

(продукція) потоках. Нижче наведемо перелік інших особливостей неперервного

виробництва:

неперервний потік матеріалу через обладнання: неперервний вхід

сировини та вихід продукції (наприклад цукрове виробництво);

дуже велика партія (лот) та тривалість її виробництва (тижні, місяці)

без штатних (запланованих) зупинок;

однакова технологія виробництва;

основні діяльності керування – регулювання, інколи послідовні

операції;

задані технологічні параметри змінюються тільки із-за причин зміни

сировини, зовнішнього середовища, нештатних ситуацій і погано

впливають на якість продукції із-за перехідних процесів;

основні зміни при пуску, зупинці, нештатних ситуаціях;

речовини (сировина) в процесі виробництва втрачає свою

ідентифікацію і практично не відстежується;

Технологія приготування продукту визначається перед проектуванням

обладнання, і не змінюється при його експлуатації. Іншими словами, обладнання

неперервного виробництва повністю відповідає технології приготування

37

конкретного типу продукту. Тому основними проблемами, які повинні

вирішуватися системами керування неперервними процесами є стабілізація

потоку, вихід з нештатних ситуацій, зменшення часу запуску та зупинки

виробництва. Ці проблеми можуть бути вирішені з використанням автоматизації

процедур, які на даний момент дуже активно розглядаються науковою

спільнотою, зокрема 106-й комітет організації ISA. Для автоматизації

неперервних процесів на момент написання посібника вийшов технічний звіт по

роботі над стандартом ISA-106.

У процесах дискретного (поштучного) виробництва (discrete parts

manufacturing process), продукти випускаються великими партіями - лотами

(lots), кожен з яких виробляється з однієї сировини, згідно однакових вимог до

виробництва і має єдину історію виробництва. У процесах дискретного

виробництва, певна кількість продукту рухається як єдине ціле (групи деталей)

між робочими станціями, а кожна деталь зберігає свою унікальну ідентичність.

Нижче наведемо перелік особливостей дискретного виробництва:

виготовлення окремих одиниць продукції (наприклад автомобілі,

техніка)

на різних етапах потребує синхронізації, підрахунку, послідовних дій,

блокування, обробки матеріалів і т.д;

технологія не змінюється протягом довгого часу з початку виробництва

продукції;

потребує за весь період виробництва велику кількість сировини і

виготовляє продукцію великими партіями (лотами)

сировина зберігає свою індивідуальність навіть на виході (кожна

деталь ідентифікується), можливе відстеження;

Періодичні процеси (Batch processes), призводять до виробництва кінцевих

кількостей матеріалу (партій), піддаючи певну кількість вхідних матеріалів

означеному порядку технологічних дій, використовуючи одну або кілька одиниць

обладнання. Продукт, що отримують шляхом періодичного процесу називається

партією (batch). Періодичні процеси є перервними. Періодичні процеси не є ні

дискретними ні неперервними, однак, вони мають характеристики обох. Нижче

наведемо перелік особливостей періодичного (порційного) виробництва:

великий асортимент продукції але у відносно малих кількостях (партіях

- batch) за обмежений період часу (фармацевтика, пивоварне

виробництво)

кожна партія виробляється за окремим регламентом (рецептом, recipe)

на різних стадіях приготування партії процес потребує багато різних

діяльностей як синхронізація, підрахунок, послідовносте керування,

блокування, обробки матеріалу, регулювання;

маршрут матеріальних потоків може змінюватися від партії до партії і

навіть в межах партії;

вхідна сировина не зберігає свою індивідуальність, її можна

відслідкувати тільки по партії;

38

одне і те ж обладнання використовується для різних типів продуктів,

необхідне планування завантаження;

З одного боку, періодичне виробництво має ознаки неперервного, наприклад

потребує регулювання і не має можливості відстеження сировини. З іншого –

воно має функції дискретного, оскільки керування передбачає виконання певної

послідовності операцій, необхідність синхронізації дій, а також є необхідність у

відстеженні історії процесів виготовлення продукції. Однак є принципові

відмінності періодичного виробництва від обох інших типів. Нижче зупинимося

більш детально на особливостях керування періодичним виробництвом.

3.2. Специфіка керування періодичними виробництвами

Порівняно з неперервним виробництвом, періодичне значно обмежене в часі

(години, доби) від моменту пуску до завершення, оскільки вся продукція разом

проходить послідовні стадії обробки (нерідко в одному апараті). Крім того

кількість продукції (і відповідно сировини) обмежена величиною партії, яка як

правило залежить від ємності обладнання, в якій вона готується. Для

виготовлення однієї й тієї ж партії може використовуватися різне обладнання, що

потребує планування використання цього типу ресурсу.

Порівняно з дискретним виробництвом, сировина не може ідентифікуватися

однозначно, оскільки з однієї й тієї ж ємності з сировиною може виготовлятися

декілька різних партій та навіть типів продуктів. Тобто сировина може

ідентифікуватися в межах партій, але тільки логічним визначенням.

Серед наведених вище типів виробництв періодичне є найбільш гнучким, але

потребує більш складних алгоритмів керування. На рис.3.1 показаний один з

варіантів реалізації обладнання періодичного виробництва. Одна виробнича

площадка може мати багато однотипного обладнання, що здатна виконувати

певний набір технологічних операцій. Якщо цей набір задовольняє параметрам

означеним для продукту в рецепті, то це обладнання може використовуватися для

його приготування. Однак для кожного продукту визначений свій перелік

послідовностей операцій, тобто своя «технологічна програма». Найбільш гнучким

і ефективним буде використання такого способу керування цим обладнанням,

коли будь який продукт може вироблятися на будь якому обладнанні, яке здатне

виконувати технологічні операції.

39

Вище ми зазначили, що для неперервних виробництв технологія

визначається ще перед проектуванням обладнання і принципово не змінюється

протягом життєвого циклу роботи системи. Звичайно, в певній мірі можуть

змінюватися параметри технологічного процесу, зокрема при зміні параметрів

сировини чи вимог до якості продукції. Для такої ситуації достатньо, щоб в

системі керування для однієї і тієї самої програми змінювалися завдання або певні

коефіцієнти. Однак в періодичному виробництві, одне і те саме обладнання може

використовуватися для приготування різних продуктів. Тому при проектуванні

обладнання визначаються певним набором технологічний операцій та праматерів

їх виконання, а при розробці технології продукту оперують саме цими операціями

та їх послідовностями виконання. Тобто принциповою відмінністю для

періодичних виробництв є необхідність в означенні цієї послідовності а не тільки

значень параметрів.

Нижче наведемо основні вимоги до системи керування періодичними

процесами та виробництвом в комплексі.

1. Система керування повинна передбачати можливість створення та

модифікації означення продукту (не тільки параметрів а і послідовності

обробки) без втручання в програмне та технічне забезпечення, тобто без її

зміни. Модифікація послідовності обробки повинна бути доступна як

перед запуском виробництва продукту, так і під час його вироблення.

2. Система керування повинна передбачати використання одного і того

самого обладнання для приготування будь якого продукту, технологічні

операції якого здатне виконувати це обладнання.

3. У означенні продукту повинна міститися також логіка обробки

технологічної (тобто не пов’язаної з помилками роботи обладнання)

нештатної ситуації. Наприклад, якщо величина pH речовини протягом

заданого часу не дійшла до заданого значення, включається технологічна

програма додаткової обробки.

Рис.3.1. Гнучке використання обладнання в періодичних процесах.

технологічне програма

обладнання означення продукту

40

4. Система керування повинна передбачати можливість виконання як

автоматичних так ручних операцій, передбачених в означенні продукту.

Наприклад, система повинна очікувати внесення закваски в танк з

молоком, з підтвердженням оператором даної операції.

5. Система керування повинна передбачати ручного введення значень

вимірювань, наприклад результатів лабораторних аналізів.

6. Система керування повинна давати можливість використання спільних

ресурсів для різних апаратурних послідовностей. Наприклад один і той же

насос може використовуватися для різних груп танків і при цьому для

різних продуктів.

7. Система керування повинна давати можливість розробляти план-графіки

для вироблення продукту з урахуванням специфіки обладнання.

8. Система керування повинна давати можливість відстеження історії

приготування конкретної партії продукту, формування звітів по партіям.

9. Система керування повинна передбачати її інтегрування з верхнім рівнем

ієрархії.

Таким чином класичний підхід побудови систем керування, при якому вся

логіка технологічного процесу жорстко задається в ПЛК (PLC) чи вузлі DCS для

керування періодичним виробництвом не підходить. Як ми вже зазначили в п.1.2

для керування такими процесами визначені стандарти групи ISA-88 та їхні

аналоги МЕК. Коротко в контексті ідеології роботи MES ці стандарти описані в

першому розділі. Тут розглянемо ISA-88 вже з точки зору керування

періодичними процесами та виробництвами. У наступному пункті коротко

оглянемо ідею batch-керування, а в наступних розділах зупинимося на деталях

реалізації.

3.3. Означення технологічного процесу

Як вже було зазначено в першому розділі, ISA-88 базується на 2-х основних

моделях – це означення продукту та означення обладнання. Інші моделі слугують

тільки для універсалізації обміну між компонентами, на них зупинимося пізніше.

Стандарт ISA-88 базується на таких основних принципах:

відокремлення логіки приготування продукту від керування

обладнанням, тобто логіка приготування продукту визначається в

означенні продукту а не в системі керування;

модульність моделей означення продукту та обладнання, що дозволяє

будувати ієрархічні моделі та реалізовувати їх взаємопов’язаними

блоками одного засобу або на різних засобах автоматизації;

система керування повинна передбачати як автоматичні так і ручні

операції

керування базується на станах (автоматі станів)

Нагадаємо, що означення продукту в термінах ISA-88 (див. 2.1) називається

рецептом (recipe). Він включає в себе опис ресурсів які необхідні для вироблення

продукту та означення послідовності технологічних операцій. Необхідна

сировина, її кількість, що потребується для виготовлення певної кількості

продукту є частиною формули (Formula). Устаткування, яке необхідне для

41

вироблення продукції вказується у вимогах до обладнання (Equipment

Requirements).

Означення послідовності обробки для продукту називається означенням

технологічного процесу (process definition). Частини означення періодичного

процесу можуть бути організовані в ієрархічному порядку, як показано на

рисунку 3.2. Розглянемо це на прикладі приготування морозива.

Означення процесу складається з однієї або декількох технологічних стадій

(Process stages), що організовуються у впорядковані набори, які можуть

відбуватися послідовно, паралельно, або змішано. Технологічна стадія є частиною

означення процесу, яка зазвичай працює незалежно від інших технологічних

стадій. Це зазвичай призводить до запланованої послідовності хімічних або

фізичних змін в оброблюваному матеріалі. Типовими технологічними стадіями в

процесі вироблення морозива можуть бути:

- зробити суміш

- ароматизувати суміш

- заповнити пінту

- упакувати

Кожна технологічна стадія складається з упорядкованого набору однієї або

декількох технологічних операцій. Технологічні операції (Process operations)

представляють основні технологічні діяльності. Технологічна операція зазвичай

призводить до хімічної або фізичної зміни оброблюваного матеріалу. Типовими

технологічними операціями для технологічної стадії вироблення суміші для

морозива можуть бути наступні:

- змішати інгредієнти

Рис.3.2. Модель означення технологічного процесу (процесна модель) для

періодичних виробництв.

42

- пастеризувати

Кожна технологічна операція складається з упорядкованого набору однієї або

декількох технологічних дій, які здійснюють обробку, необхідну для

технологічної операції. Технологічні дії (Process actions) описують незначні

діяльності по обробці, що об'єднуються для створення технологічної операції.

Типовими технологічними діями для технологічної операції «змішати

інгредієнти» можуть бути наступні:

- наповнити водою ємність на ¾ від загального об’єму,

- одночасно добавляти стабілізатор в пропорції 1/100,

- одночасно добавляти підсолоджувач в пропорції 1/100,

- одночасно перемішувати

- добавити молоко 1/10 від загального об’єму

- добавити вершки 1/20 від загального об’єму

- добавити яєчний порошок 1/10 від загальної маси

Нижче ми розглянемо, що на різних етапах означення продукту, тобто

рецептів, і на різних рівнях керування модель має дещо різний вигляд. Однак

основна ідея залишається та сама. Означення технологічного процесу в кінцевому

етапі формує процедуру (Procedure).

3.4. Означення обладнання

Описане вище означення технологічного процесу практично не враховує

особливості конкретного обладнання, хоч і формує вимоги до нього. Рецепти з

такою формою моделі процедури формуються на загально-корпоративному рівні

без прив’язки до конкретної виробничої площадки. Такі рецепти в ISA-88 звуться

загальними рецептами (general recipe) а їх локалізовані копії (по мові та

особливостям сировини) місцевими рецептами (site recipe). Для виготовлення

продукції використовуються інші типи рецептів, які адаптовані до конкретного

обладнання та підтримуються системою керування цим обладнанням. Для того

щоб такі рецепти виконувалися, необхідно спочатку означити модель обладнання,

а потім зв'язок репетів з цим обладнанням.

Обладнання, яке використовується на виробництві описується моделлю,

спільною як для ISA-88 так і для ISA-95 (див.2.3). На рис.3.3 проілюстрована

декомпозиція обладнання для періодичних виробництв. Нижче розглянемо за

яким принципом будується така модель.

Верхні три рівні моделі виділяються за організаційно-економічним

принципом і не входять до області дії ISA-88. Ці рівні знаходяться в області

компетенції MES та ERP систем, і більш детально означені в стандарті ISA-95. Як

вже зазначалося вище єдина модель обладнання для ISA-88 та ISA-95 спрощує

інтеграцію різних рівнів керування.

В область дії ISA-88 входить технологічна комірка (Process Cell), що

відповідає за випуск однієї або більше партій продукту. У свою чергу

технологічна комірка включає один або більше апаратів (Unit), в яких продукт

готовиться відповідно до означеної послідовності технологічних операцій.

Апарати в середині технологічної комірки можуть об’єднуватися матеріальними

потоками і формувати технологічні лінії (train), що дозволяє в межах комірки

виготовляти декілька партій одночасно з використанням різних апаратів.

43

Маршрут переміщення продукту однієї партії від апарату до апарату формують

шлях (path).

Апарат (Unit) - набір пов'язаних модулів керування та/або агрегатів та іншого

технологічного обладнання, в яких можуть бути проведені один або більше

основних процесів обробки. Апарат може виробляти всю партію, частину партії

але не може оперувати з декількома партіями одночасно.

Апарати та технологічні комірки можуть включати в себе агрегати

(Equipment Module), які можуть виконувати деякі технологічні операції.

Наприклад насосний агрегат може перекачувати сировину при заданій витраті.

Кінцевими елементами обладнання, які безпосередньо реалізовують

вимірювання та керування є модулі керування (Control Module).

Рис.3.3. Модель обладнання

44

Така декомпозиція обладнання на рівні є невипадковою. Ключовим фактором

для цього слугує модель означення продукту, тобто рецепт. Для можливості

виконання означення технологічного процесу на конкретному обладнанні,

загальний або місцевий рецепт перетворюють на майстер рецепт (master recipe),

який враховує модель обладнання.

3.5. Поняття процедурної моделі та зв'язок з моделлю обладнання

На рис.3.5 показана перетворення процесної моделі в процедурну модель

майстер рецепту. Технологічна процедура по виготовленню продукту може

виконуватися в конкретній технологічній комірці як процедура технологічної

комірки (process cell procedure). Технологічні стадії виконуються в конкретних

апаратах, як процедури апарату (unit procedure), які в свою чергу складаються з

послідовностей операцій. Найменші дії, які описуються в рецептах – це етапи

(phase).

Як вже зазначалося, декомпозиція означення продукту в майстер-рецепті

проводиться з урахуванням наявного обладнання, а означення обладнання - з

урахуванням можливого виконання етапів, операцій та процедур апаратів та

технологічної комірки даним набором обладнання. При створенні системи

керування для технологічної комірки, визначають компонувальні блоки

(наприклад етапи) з яких можна буде формувати процедури майстер-рецептів.

Давайте розглянемо як в загальному відбувається перетворення загального

рецепту на майстер-рецепт на прикладі.

Рис.3.4. Приклад технологічної комірки

45

При створенні системи керування для наявного обладнання (або при

побудові підприємства чи цеху) визначають набір технологічних дій, операцій та

процедур які може виконувати дане обладнання. Так, наприклад, на підприємстві

є цех з ємностями (танками), в яких можна готовити суміші, перемішуючи їх,

підігріваючи та охолоджуючи в певних температурних діапазонах. Ємності

зроблені з нержавіючої сталі і передбачають мийку, що дозволяє виготовлювати в

них харчові продукти. Ємності мають зв'язок з пастеризаційною установкою і

фасувальними апаратами. Таким чином в ємності можуть проходити певні

послідовні операції, включаючи набір сировини, підігрів, охолодження,

перемішування (з різною частотою), злив на фасування з попереднім

охолодженням, мийка. З точки зору ієрархії обладнання, така ємність означується

в моделі як апарат (Unit), тому що саме в апараті проходять послідовно основні

технологічні перетворення. Цех з танками та охолоджувачами спільно з

пастеризатором (теж апарат) і фасувальними апаратами можуть розглядатися як

технологічна комірка, яка може проводити такі стадії (процедури технологічної

комірки) як пастеризація сировини, формування сумішей з їх додатковим

підігрівом/охолодженням, сквашуванням і т.д, а також фасування продукції в

певні види упаковок.

У цьому прикладі насосні агрегати, мішалки, підігрівники та охолоджувачі

не виконують ніяких послідовних операцій, тому не являються апаратами. Однак

вони виконують технологічні дії (етапи). Так, наприклад, насосний агрегат разом

з частотним перетворювачем може забезпечувати подачу продукції на фасування

з заданим тиском в трубопроводі, відповідно до типу продукту, що визначний в

рецепті. Такий об’єкт добре підходить в означенні обладнання як агрегат

(equipment module, EM). Насосний агрегат не належить жодному апарату, так як

Рис.3.5. Перетворення процесної моделі в процедурну модель майстер-

рецепту

46

знаходиться на загальній лінії фасування, тому він є безпосередньою частиною

технологічної комірки. Мішалка, як частина танку, забезпечує виконання такого

етапу, як перемішування, тому з точки зору ISA-88 теж може бути агрегатом.

Усі наведені вище елементи виконують певні дії, які можуть бути означені в

рецепті. Іншими словами вони виконують процедурне керування. Тому при

розробці системи керування згідно ISA-88 буде формуватися набір бібліотечних

елементів, які звуться компонувальними блоками (building blocks), які можуть

реалізувати на конкретному обладнанні ці дії. Людина, яка формує майстер-

рецепт (наприклад технолог), буде набирати для нього технологічну програму,

тобто процедуру рецепту, з цих готових компонувальних блоків. Враховуючи, що

ці елементи будуть однотипними для однотипного обладнання, у майстер рецепті

буде вказуватися тільки сама процедура та вимоги до обладнання. А при

виконанні рецепту, процедури рецепту будуть викликати однойменні процедури в

конкретному обладнанні, запускаючи їх на виконання.

Для реалізації вимірювання та керування на конкретному обладнанні

використовуються різноманітні клапани з датчиками кінцевого положення,

датчики вимірювання температури, рівня, тиску, пускачі двигунів, перетворювачі

частоти і т.п. які забезпечують роботу апаратів та агрегатів. Якщо в рецептах

означене тільки набір процедур (процедурне керування), то в обладнанні повинні

бути прописані дії з цим обладнанням. Такі дії виконуються модулями керування

(control module, CM), а самі дії відносяться до базового керування (basic control).

Якщо процедурне керування означене в рецепті (як означення продукту) і в

обладнанні (як ресурс для виконання через компонувальні блоки), базове

керування стосується тільки обладнання і по суті робить зв'язок універсальних

процедур з конкретним обладнанням.

На рис.3.6 показаний приклад майстер рецепту для приготування морозива,

який описаний вище в означенні технологічного процесу. У даному випадку

процедури апарату можуть виконуватися як в різних апаратах так і в одному. Так,

наприклад, якщо апарат може готовити суміш і ароматизувати її, то це може бути

один і той самий апарат. Однак на тому ж виробництві можуть бути апарати як

проводять ці процедури окремо, тому в майстер рецепті вони теж прописані як

окремі процедури апарату. Усі операції в апараті проходять послідовно, а етапи

можуть проходити паралельно. За етап перемішування може відповідати окремий

агрегат, який входить в апарат як обладнання.

47

3.6. Виконання рецепту

Отже, загальний та місцевий рецепти створюються без означення конкретики

обладнання, хоч і мають в своїй структурі певні вимоги до нього. Майстер рецепт

створюється з місцевого рецепту (хоч може створюватися без нього) з

урахуванням наявного на виробництві обладнання та його можливостей. Ці

можливості визначаються набором заздалегідь створених компонувальних блоків,

що реалізовують процедури в керуванні обладнанням. Формуючи продеру

рецепту з таких блоків-процедур, технолог практично означує, які саме процедури

необхідно виконувати на обладнанні і в якій послідовності. Слід звернути увагу,

що така система передбачає наявність в системі керування обладнанням

реалізованих процедур як мінімум на рівні етапів (phase).

Майстер-рецепт по своїй суті є шаблоном, в якому задана множина

обладнання, що може бути використане при виробництві даного типу продукту.

Його створює технолог для конкретного типу продукту, що може виготовлятися в

конкретній технологічній комірці. Однак, при виконанні рецепту необхідно

додатково:

вказати кількість продукту, що необхідно зробити (величина партії)

згідно цього рецепту

Рис.3.6. Приклад процедури майстер рецепту морозива

48

конкретизувати обладнання, що буде використовуватися при

виготовленні саме даної партії

вести архівування по технологічним процесам виготовлення партії, з

можливістю подальшого відслідковування

Для цього з майстер рецепту створюється керівний рецепт (control recipe),

який являється унікальним для кожної партії продукту. Керівний рецепт отримує

унікальний ідентифікатор, у ньому вказується шлях проходження продукту і є

«маркером» для ведення архіву партії.

Вище описане загальне представлення роботи системи керування відповідно

до принципів ISA-88. У наступних розділах воно показано більш деталізовано.


1. За яким принципом визначається тип до якого відноситься виробництво

(неперервне, дискретне, періодичне/порційне)?

2. Назвіть основні особливості неперервного виробництва.

3. Назвіть основні особливості дискретного виробництва.

4. Назвіть основні особливості періодичного (порційного) виробництва.

5. Як часто змінюються технологічні умови в неперервному виробництві? в

дискретному? в періодичному?

6. Як часто проводиться зупинка та запуск в неперервному виробництві? в

дискретному? в періодичному?

7. Які величини партій в неперервному виробництві? в дискретному? в

періодичному?

8. Як ідентифікується сировина (складові, деталі) для вихідного продукту в

неперервному виробництві? в дискретному? в періодичному?

9. Прокоментуйте фразу "технологія продукту задається в процесі створення

обладнання для його виготовлення". Для якого типу виробництва найбільш

характерна така властивість?

10. Які важливі проблеми керування в неперервних процесах вирішуються в

стандарті ISA-106?

11. Для яких типів технологічних процесів найбільш типовим керуванням є

регулювання?

12. Для яких типів технологічних процесів найбільш типовим керуванням є

дискретні послідовності дій?

13. Для яких типів технологічних процесів потребуюється і послідовносте

керування і регулювання?

14. Поясніть що таке batch? Які означення для batch є в стандарті ISA-88?

15. Які додаткові вимоги ставляться до системи керування при

багатоасортиментному випуску продукції з можливістю зміни асортименту?

16. У чому проявляється гнучкість використання однотипного обладнання в

періодичному виробництві? Які додаткові задачі при цьому виникаються з

точки зору керування?

17. Яким чином може ідентифікуватися (визначатися походження) сировина з

якої була виготовлена партія продукції для періодичного виробництва?

49

18. Які додаткові задачі необхідно вирішувати в системах керування

періодичним виробництвом порівняно з неперервним виробництвом?

19. Чому саме для автоматизованого керування періодичними виробництвами

необхідне означення продукту (технології виготовлення), в якому

вказується не тільки параметри а і послідовність операцій?

20. Поясніть необхідність передбачення ручних операцій саме для системи

керування періодичними виробництвами.

21. Поясніть необхідність вироблення план-графіку виготовлення саме для

системи керування періодичними виробництвами.

22. Поясніть необхідність відстеження продукту саме для системи керування

періодичними виробництвами.

23. Поясніть в чому основні недоліки класичних систем керування

періодичними процесами, в яких технологічна програма задається

безпосередньо в програмі контролерів.

24. На яких основних принципах базується стандарт ISA-88?

25. Поясніть що таке рецепт (recipe) в термінах ISA-88. З чого складається

рецепт і що задається в цих складових?

26. Покажуть на якомусь прикладі принципи означення процесу. Що таке

процедура рецепту?

27. Чим загальні (general recipe) та місцеві (site recipe) рецепти принципово

відрізняються від майстер рецептів (master recipe)?

28. Навіщо для майстер-рецептів необхідно означувати обладнання? Навіщо

потрібна декомпозиція обладнання?

29. Що таке компонувальні блоки? Що враховують при створенні

компонувальних блоків в системі керування?

30. Розкажіть за яким принципом в означенні обладнання виділяються

технологічні комірки, апарати, агрегати та модулі керування.

31. Яке призначення керівного рецепту?

50

4. Фізична модель ISA-88

План.

4.1. Ієрархія моделі

4.2. Верхні рівні фізичної моделі

4.3. Технологічні комірки

4.4. Апарати

4.5. Агрегати та модулі керування

4.6. Класифікація технологічних комірок за фізичною структурою

4.1. Ієрархія моделі

Фізичні активи підприємства, що беруть участь у порційному виробництві

(batch manufacturing), як правило, організовані в ієрархічному порядку, як

показано на рис. 4.1. Угруповання нижнього рівня об'єднуються в більш високі

рівні ієрархії. У деяких випадках угруповання в межах одного рівня можуть бути

включені в інше угруповання того ж рівня.

Модель має сім рівнів, починаючи з верхніх – підприємства (enterprise)

виробничої площадки (site) та дільниці (area). Як вже зазначалося вище, ці три

рівні часто означуються з комерційних міркувань і більш детально розглянуті в

стандартах IEC/ISO 62264 та ANSI/ISA 95.

Рис.4.1. Фізична модель обладнання

51

Нижні чотири рівні цієї моделі відносяться до конкретних типів обладнання.

На рис.4.1 показана сукупність різних типів обладнання як для фізичної обробки

так і для керування, які згруповані разом з певною метою. Чотири нижні рівні

обладнання (технологічна комірка, апарат, агрегат та модулі керування)

означуються при розробці системи і змінюються при реконструкції її складових.

При розробці системи керування логічне групування обладнання нижніх рівнів

разом формують більш верхні рівні що дозволяє розглядати їх як єдине ціле.

Після створення моделі обладнання, воно на цьому рівні не може бути розділене,

за винятком реінжинірингу моделі.

Представлена фізична модель є повною, але може бути згорнутою або

розгорнутою, тобто певні рівні можуть бути вилучені або добавлені. Тим не

менше, з фізичної моделі не можуть бути виключені рівень апаратів (unit levels) та

рівень модулів керування (module levels).

4.2. Верхні рівні фізичної моделі

Підприємство (enterprise) - це набір з однієї або більше виробничих

площадок (sites). Воно може містити виробничі площадки, дільниці, апарати,

агрегати та модулі керування. Підприємство відповідає за означення того, які

продукти будуть вироблятися, на яких виробничих площадках вони будуть

виготовлятися, і в загальному, яким чином вони будуть виготовлені.

Виробнича площадка (site) є фізичним, географічним або логічним

угрупованням, що визначене підприємством. Вона може включати дільниці

(areas), технологічні комірки (process cells), апарати (units), агрегати (equipment

modules) та модулі керування (control modules).

Дільниця (area) є фізичним, географічним або логічним угрупованням,

визначеним виробничою площадкою. Вона може вміщувати технологічні комірки

(process cells), апарати (units), агрегати (equipment modules) та модулі керування

(control modules).

Визначення меж підприємства, виробничих площадок, дільниць як правило

базується на організаційних та економічних критеріях, а не технічних. Є багато

факторів для визначення цих меж які не пов’язані з керуванням періодичними

процесами, тому в стандарті ISA-88 вони не розглядаються.

4.3. Технологічні комірки

Технологічна комірка (Process cell), що описана в стандарті ISA-88

відповідає робочому центру (Work Center) означеному в IEC/ISO 62264 та

ANSI/ISA 95 (див.рис.2.3). У той час, як робочий центр може бути означений для

різних типів виробництв, технологічна комірка означена тільки в термінах

періодичної обробки, що характерно для стандарту ISA-88. Технологічна комірка

представляє собою логічне угруповання, яке вміщує обладнання, що необхідне

для виробництва однієї або декількох партій. Вона означує діапазон логічного

керування одним набором технологічного обладнання в межах дільниці.

Наявність технологічної комірки дає можливість планувати на основі неї

виробництво і розробити стратегію керування усім процесом (див. розділ 2).

Технологічна комірка включає апарати (units), агрегати (equipment modules) та

52

модулі керування (control modules) що потрібні для створення однієї або більше

партій.

Часто, підрозділом технологічної комірки є технологічна лінія (train, line).

Технологічна лінія включає усі апарати та інше обладнання, що можуть бути

використані у виготовленні конкретної партії. При виготовленні партії не завжди

використовується все обладнання в лінії. Крім того, одну лінію може

використовувати одночасно більш ніж одна партія, і більш ніж один продукт.

Порядок фактично використовуваного або очікуваного при виготовленні партії

обладнання, називається шляхом (path). Хоч технологічна комірка може містити

більше однієї лінії, лінія не може містити обладнання за межами технологічної

комірки.

4.4. Апарати

Апарат періодичної дії, або просто Апарат (Unit) складається з агрегатів та

модулів керування. Модулі керування та агрегати, які входять до апарату можуть

бути налаштовані як його частина або можуть тимчасово ним заволодіватися для

виконання конкретних завдань.

У апараті можуть бути проведені один або декілька основних процесів таких

як хімічна реакція, кристалізація і розчинення. Як незалежне угруповання, він

поєднує в собі все необхідне обладнання для фізичної обробки та керування, що

потребується для виконання цих заходів. Апарат, як правило, зосереджений на

основній частині технологічного обладнання, такого як змішувальна ємність, або

реактор. Фізично він включає в себе, або може заволодівати послугами всього

логічно-пов'язаного обладнання, необхідного для завершення основних процесів

обробки в ньому. Апарати працюють відносно незалежно один від одного.

Нагадаємо, що апарат, який описаний в стандарті ISA-88, відповідає типу

робочого апарату (Work Unit), означеного в IEC/ISO62264 та ANSI/ISA 95. Він

означує чотири типи робочих апаратів: апарати періодичної дії, апарати

неперервної дії, дискретні робочі комірки (work cell) та апарати зберігання

(storage unit). Унікальність апарату періодичної дії є в тому, що він не може

обробляти одночасно декілька партій.

Апарат періодичної дії як правило містить всю партію матеріалу (весь обсяг)

або працює в деякому місці послідовності обробки цієї партії. Тим не менше, в

деяких випадках він може містити або працювати тільки з частиною партії

(частиною обсягу).

Зазвичай, в один момент часу апарат періодичної дії містить тільки одну

партію, і в цих випадках фізичний поділ між партіями є звичайним явищем.

Величина партії при цьому визначається економічними вимогами і фізичними

обмеженнями апарату. Однак, у деяких процесах поділ відповідно до апарату є не

таким очевидним, і використовується логічна межа між окремими партіями. Така

ситуація часто зустрічається в гібридних процесах, що складаються з періодичних

та неперервних процесів. У гібридних процесах в рамках технологічної комірки

використовуються обидва типи технологічного обладнання: апаратів періодичної

та неперервної дії. У апаратах неперервної дії процес є загальним для двох або

більше партій які знаходяться в межах апарату в один момент часу.

53

Робочий апарат може бути спеціалізованим для різних типів виробництв і

функцій. У технологічній комірці періодичної дії може навіть знадобитися більш

ніж один тип робочого апарату, таких як апарати зберігання або апарат

неперервної дії. Якщо спеціально не вказано інше, робочий апарат, згаданий далі

в якості «апарату» є апаратом періодичної дії і не відноситься до інших видів

роботи робочих апаратів, зазначених у IEC/ISO 62264 та ANSI/ISA 95.

4.5. Агрегати та модулі керування

Агрегат (Equipment module) може виконувати кінцеву кількість конкретних

незначних технологічних діяльностей, таких як, наприклад, дозування і

зважування. Він поєднує в собі все необхідне обладнання для проведення

фізичних процесів та обладнання для керування, необхідного для виконання цієї

діяльності. Агрегат, як правило, зосереджений на частині технологічного

обладнання, такого як насосний агрегат. Функціонально, сфера дії агрегату

означується кінцевими задачами, для яких він створений. З точки зору керування

періодичними процесами, агрегат може виконувати мінімальну технологічну дію,

яка задається в рецепті.

Фізично агрегат може бути складений з модулів керування і

підпорядкованих агрегатів (subordinate equipment modules). З точки зору ієрархії

обладнання, агрегат може бути частиною апарату або автономним угрупованням

обладнання всередині технологічної комірки. Якщо угруповання обладнання

проектується як автономне, а не в складі якогось апарату, то воно може бути

доступне тільки в зв’язці з якимось одним обладнанням, або з декількома, тобто з

використанням різних наборів обладнання. Наприклад, насосний агрегат, що

забезпечує подачу речовини з декількох ємностей на фасування може вважатися

спільним (common) ресурсом, так як почергово задіюється в керуванні різними

танками. Спільні агрегати можуть займатися для використання одночасно тільки

одною технологічною програмою (ресурс з ексклюзивним використанням) або

декількома (ресурс із колективним користуванням).

Модуль керування (Control module), як правило, це набір датчиків,

виконавчих механізмів, інших модулів керування і зв’язаного з ними

технологічного обладнання, що, з точки зору керування, працює як єдине ціле.

Модуль керування також може бути складений з інших модулів керування.

Наприклад, модуль керування колектором подачі речовини може бути означений

як сукупність декількох модулів керування дискретними клапанами (виконавчі

механізми + датчики). Якщо модуль керування містить в собі ще один модуль

керування, він називається сполученим модулем керування (compound control

module). Сполучений модуль керування не враховується як додатковий рівень у

фізичній ієрархії.

Модулі керування можуть бути частиною агрегату або безпосередньо

підпорядкованими апарату чи технологічній комірці. Фізична модель не

передбачає, що модуль керування може одночасно безпосередньо входити в

апарат і бути частиною агрегату. Якщо одиничний модуль керування є

безпосередньою частиною апарату, тоді він не може бути частиною жодного

агрегату.

54

Деякі приклади модулів керування:

— регулюючий пристрій що керується уставкою, який складається з

передавача, регулятора, і регулюючого клапану;

— орієнтований на стан пристрій, що керується уставкою, який складається

з автоматичного запірного клапана (on/off) з встановленими на ньому

кінцевими вимикачами за положенням;

— модуль керування колектором, що містить блок з кількох автоматичних

запірних клапанів (on/off) і координує подачу на один або декілька

напрямків, в залежності від уставки спрямованої на модуль;

— модуль керування витратою, що регулює витрату речовини в кільцевому

колекторі системи живлення, яка може бути частиною технологічної

комірки і не бути частиною якого-небудь апарату.

4.6. Класифікація технологічних комірок за фізичною структурою

У стандарті ISA-88 визначені основні типи фізичних структур технологічних

комірок: це одношляхові, багатошляхові, і мережні.

Одношляхову структуру (single-path structure) формують група апаратів,

через які послідовно проходить партія (дивися рис. 4.2). Одношляхова структура

може мати один апарат, такий як реактор, або кілька апаратів, з’єднаних

послідовно. Може використовуватися кілька типів вхідних матеріалів, з яких

може бути отримано кілька типів готових продуктів. Однак одночасно в

технологічній комірці може виготовлятися кілька партій.

Багатошляхова структура (multiple-path structure) показана на рис.4.3.

Вона складається з декількох паралельних одношляхових структур без

переміщення матеріальних потоків між ними. Апарати можуть користуватися

одними і тими самими джерелами сировини і ємностями зберігання продуктів.

Одночасно (паралельно) може виготовлятися кілька партій. Хоч апарати в

багатошляховій структурі можуть бути фізично схожими, дозволяється існування

шляхів та апаратів які мають зовсім іншу фізичну конструкцію.

Рис.4.2. Одношляхова структура

55

Мережна структура (network structure) показана на рис.4.4. Шляхи можуть

бути або фіксованими або змінними. Якщо шляхи фіксовані одні і ті ж апарати

використовуються в тій же послідовності. Якщо шлях є змінними, послідовність

може бути визначена як на початку так і в процесі виготовлення партії. Шлях

може бути також повністю гнучким.

На прикладі, що показаний на рис.4.4, партія не почне вироблятися, поки не

запуститься Unit1 або Unit3. Вона може починатися з будь-якого апарату і піти

кількома шляхами в технологічній комірці. Самі апарати в середині технологічної

комірки можуть бути пересувними або розбірними. У цьому випадку, важливою

частиною процедур технологічних комірок може бути перевірка технологічних

з’єднань. Зверніть увагу, що в даному прикладі одночасно може виготовлятися

кілька партій. Апарати можуть розділяти між собою джерела сировини і

зберігання продуктів, які являються спільними ресурсами із колективним

користуванням.

Рис.4.3. Багатошляхова структура

56


1. Чому деякі рівні ієрархії фізичної моделі не входять до області діяльності

стандарту ISA-88? Назвіть ці рівні.

2. Як може змінюватися ієрархія фізичної моделі, відповідно до ISA-88 щодо

добавлення чи вилучення рівнів? Об’єкти якого рівня не можна вилучати з

моделі?

3. Назвіть перелік і призначення об’єктів верхніх рівнів фізичної моделі.

Якими типами критеріїв користуються при визначенні меж об’єктів цих

рівнів?

4. Як співвідносяться робочий центр (Work Center) в ISA-95 та технологічна

комірка (Process cell) в ISA-88?

5. Яким чином визначаються межі технологічної комірки? Чи може

технологічна комірка робити більш ніж одну партію одночасно?

6. Які фізичні складові можуть входити до технологічної комірки? Розкрийте

поняття технологічної лінії, шляху.

7. Які типи робочих апаратів означений в ISA-95? Який тип апарату

розглядається в ISA-88, в чому його особливість?

8. Чи може апарат містити і обробляти матеріал для апарату періодичної дії:

всієї партії, частини партії, декількох партій одночасно?

9. З яких частин конструктивно може складатися агрегат (Equipment module)?

Чим принципово агрегат відрізняється від модуля керування?

10. Чи може агрегат використовуватися сумісно з декількома апаратами або

іншими складовими ієрархії обладнання? Прокоментуйте відповідь.

Рис.4.4. Мережна структура

57

11. З яких частин конструктивно може складатися модуль керування (Control

module)? Чим принципово модуль керування відрізняється від агрегату?

12. Чи може модуль керування використовуватися сумісно з декількома

агрегатами, апаратами або іншими складовими ієрархії обладнання?

Прокоментуйте відповідь.

13. Наведіть приклади модулів керування.

14. Розкажіть про одношляхову структуру технологічної комірки.

15. Розкажіть про багатошляхову структуру технологічної комірки.

16. Розкажіть про мережну структуру технологічної комірки.

58

5. Типи керування та процедурні елементи

План.

5.1. Типи керування

5.2. Процедурні елементи

5.3. Налаштування функціонування процедурних елементів

5.4. Рецептурні та апаратурні процедурні елементи

5.1. Типи керування

Вище ми зазначили, що згідно ISA-88 в рецепті означується «технологічна

програма» базові компонувальні блоки для якої підтримуються програмою

керування обладнанням. Такий тип керування називається процедурним

(procedural control). Керування для обладнання разом з означенням обладнання

вважається апаратурним об’єктом (equipment entity), в наступному розділі це буде

розглянуто більш детально. Тобто процедурне керування може бути частиною

рецепту або апаратурного об’єкту. Окрім процедурного керування, в

апаратурному об’єкті також повинно бути базове керування (Basic Control), яке

реалізовує це процедурне керування з використанням датчиків, виконавчих

механізмів і ручних операцій. Для упорядкування роботи процедур різних

апаратів, керування режимами є також координаційне керування (Coordination

control). Нижче наведені означення з стандартів для цих типів керування.

Базове керування (Basic control) – керування, яке призначене для

встановлення та підтримки певного стану або поведінки обладнання та процесу.

Базове керування:

- включає в себе такі функції як регулювання, блокування, контроль,

обробку виняткових ситуацій, дискретне або покрокове керування,

необхідне для встановлення або підтримки певного стану або поведінки;

- може реагувати на зміну процесу маніпулюючи керуючими виходами

або викликати коригувальні дії;

- може бути активоване, деактивоване або змінене командами оператора,

процедурним або координаційним керуванням;

- показує інформацію про стан обладнання та технологічного процесу.

Базове керування в періодичному процесі в принципі не відрізняється від

аналогічного керування в неперервних процесах. Тим не менше, в періодичному

процесі, можуть бути більш високі вимоги по здатності базового керування до

прийому команд та зміни своєї поведінки на основі цих команд. Базове керування

не може бути означене в рецепті, воно завжди є реалізованою в системі керування

обладнанням.

Процедурне керування (Procedural control) спрямовує на виконання дії, що

виставлені у впорядкованій послідовності для певної процесно-орієнтованої

задачі. Це форма керування, що має послідовний характер і складається з кроків

(steps) і переходів (transitions). Процедурне керування реалізовує процедуру, що

означена в рецептах або обладнанні.

59

Процедурне керування характерне для періодичного процесу. Це керування,

яке організовує виконання функцій базового керування відповідно до

запланованої і явно заданої впорядкованої послідовності кроків. Воно вказує на

порядок і зміст процедурної послідовності, що дозволяє обладнанню виконувати

періодичні процеси.

Існує різниця між неявними послідовностями в базовому керуванні і явними

послідовностями в процедурному. У базовому керуванні, послідовність, в першу

чергу орієнтована на обладнання. Вона закладена в конструкції елементу

базового керування (наприклад програмі) і є невід'ємною частиною функції

встановлення і підтримки стану або умов роботи обладнання.

Прикладом послідовності в базовому керуванні є керування запірними

клапанами у збірці блокуючого і випускного клапанів. У цьому прикладі,

відкриття випускного клапану може відбуватися тільки після закриття

блокуючого, що супроводжується послідовністю операцій по керуванню з

контролем їх стану. Хоч дана функція передбачає певну послідовність дій

(спочатку закрити блокуючий, дочекатися спрацювання датчика положення, потім

відкрити випускний і дочекатися його відкриття), вона відноситься не до

процедурного керування, а до базового, так як не може бути задана в рецепті і

являється особливістю керування даним обладнанням.

Прикладом процедурного керування може бути алгоритм упорядкованого

завантаження сировини в реактор, або послідовність дій, необхідних для

виконання певної процес-орієнтованої задачі, такої як завантаження різних

обсягів та видів сировини, необхідних за різних умов. Таке керування може бути

означене як в рецепті так і в системі керування обладнанням.

Координаційне керування (Coordination control) направляє, ініціює та/або

змінює виконання процедурного керування та використання ресурсів для

періодичних процесів. Воно має змінний в часі характер, подібно процедурному

керуванню, але не означене для конкретної процес-орієнтованої або обладнання-

орієнтованої задачі.

Прикладами координаційного керування є алгоритми для:

- контролю наявності та можливості (у тому числі потужності)

обладнання;

- резервування обладнання для приготування партій;

- арбітражні запити на розміщування (allocation);

- координація спільних апаратурних ресурсів;

- вибір процедурних елементів що повинні бути виконані;

- керування режимами і станами, що включають поширювання режимів

(зв'язок між режимами) та станів.

Функції, які необхідні для здійснення координаційного керування

обговорюються більш детально в розділі 10 в темі керівних діяльностей.

Координаційне керування безпосередньо не впливає на процес і на обладнання, а

тільки змінює режими та стани елементів (складових) базового та процедурного

керування.

60

5.2. Процедурні елементи

Процедурне керування створюється з процедурних елементів (ПЕ,

Procedural elements, PE), що об'єднуються в ієрархічну структуру для виконання

поставленої технологічної задачі. На рис.5.1 показана ієрархія процедурних

елементів, що складається з процедури технологічної комірки (process cell

procedure), процедур апаратів (unit procedures), операцій (operation) і етапів(phase).

Для урахування різних вимог автоматизації модель процедурного керування,

що показана на рис.5.1, може бути згорненою (collapsed), шляхом виключення з

неї одного або більше рівнів процедурних елементів, або розширеною (expanded),

шляхом додавання нових рівнів.

Процедура технологічної комірки (Process Cell Procedure) займає

найвищий рівень в ієрархії і означує стратегію для проведення основної

технологічної функції - створення партії. Вона означена в термінах впорядкованої

множини процедур апаратів (unit procedures).

Процедура апарату (Unit procedure) означує стратегію обробки матеріалу в

межах одного апарату. У один момент часу в одному апараті може бути активною

тільки одна процедура апарату. Процедура апарату доводиться до кінця в тому

самому апараті. Але можуть одночасно виконуватися декілька процедур апаратів

однієї процедури технологічної комірки у різних апаратах. Як правило, процедуру

апарату означують таким чином, щоб тільки одна процедура виконувалася в

одному апараті. Тим не менше в ряді випадків в одному апараті можуть

виконуватися послідовно декілька процедур апаратів. Процедура апарату у свою

чергу складається з упорядкованого набору операцій, які зумовлені суміжними

виробничими послідовностями, що повинні відбутися в межах одного апарату.

Рис.5.1. Модель процедурного керування

61

Операція (Operation) – означує якусь одну технологічну діяльність що

переводить оброблювальний матеріал з одного стану в інший, як правило, за

участю хімічних або фізичних змін. Межі операцій вибираються таким чином,

щоб технологічний процес в апараті (процедуру апарату) можна було безпечно

призупинити. У один момент часу в одному апараті може бути активною тільки

одна операція. Звісно, що операція до завершення виконується в тому самому

апараті. Тим не менше, у різних апаратах можуть одночасно виконуватися

декілька операцій однієї процедури технологічної комірки. Операція складається з

впорядкованого набору етапів.

Етап (Phase) - це найменший елемент процедурного керування, який може

виконуватись в процес-орієнтованій задачі. Етап може бути використаний для

формування завдання на виконання однієї або більше команд, або викликати одну

або кілька дій, таких як:

- активування і деактивування регулювальних і стано-орієнтованих видів

базового керування, вказавши свої уставки і початкові вихідні значення

- налаштування, очищення та зміна меж тривог та інших налаштувань

- налаштування і зміна коефіцієнтів для регуляторів, режимів регуляторів, і

типів використовуваних алгоритмів

- зчитування змінних процесу, таких як густина газу, температура газу,

об'ємна витрата з витратоміра для обчислення масової витрати

- перевірка авторизації оператора.

Виконання етапу може призвести до

- відправки команди до базового керування;

- відправки команди до інших етапів (в тому ж або в іншому апаратурному

об’єкті);

- збору даних.

Ціллю етапу є виклик або означення процес-орієнтованих дій, в той час як

набір кроків, що складають етап, залежать від обладнання.

5.3. Налаштування функціонування процедурних елементів

Із наведеного вище слід розуміти, що процедурні елементи нижчих рівнів

означують тільки частину технологічного процесу, а їх ієрархія задає весь

технологічний процес для обробки матеріалу в апараті (на рівні процедури

апарату) або всієї партії (на рівні процедури технологічної комірки). Ця ієрархія

означує взаємну поведінку процедурних елементів, тобто зв'язки визначають

вплив елементів один на одного. При реалізації кожен елемент виконується

умовно незалежно один від одного, а зв'язок відбувається через координаційне

керування. Хоч реалізація може бути різною в різних системах керування, наразі

можна представляти процедурний елемент як певний функціональний блок або

його модель. При будь-якому способі реалізації, для можливості взаємодії між

процедурними елементами та з зовнішніми підсистемами передбачаються

машино-машинні інтерфейси (М2М) та людино-машинні інтерфейси (ЛМІ).

Процедурні елементи означуються наступними компонентами:

- Стратегія;

- Стани;

- Режими;

62

- Атрибути;

Стратегія (strategy) процедурного елементу означує потрібну операційну

поведінку процедурного елементу при його виконанні. Вона може містити один з

трьох елементів:

1) інструкції про те, які процедурні елементи нижчого рівня в ієрархії

повинні бути виконані і в якій послідовності;

2) просте посилання на інший процедурний елемент, який повинен бути

виконаний;

3) команди та/або інструкції до базового керування обладнанням.

Кожен процедурний елемент має одну стратегію. Тим не менше, стратегія

може бути модульною і містити в собі умовно-визначені стратегії, засновані на

станах, режимах елементу і умовах процесу. Наприклад, може бути основна

стратегія для нормальної роботи і інша – що використовується в станах

ПЕРЕРВАНО або УТРИМАННЯ (див.6.3).

Стани (state) процедурних елементів показують його статус. Стани

описуються автоматом станів (state model), який означує стани, переходи між

ними і команди, пов'язані з процедурним елементом. Режими (modes)

процедурного елементу передбачають правила для виконання автомату станів.

Для кожного процедурного елементу повинні бути зазначені режими, їх значення

і як вони впливають на виконання моделі станів. Більш детально режими і стани

процедурних елементів розглядаються у розділі 6.3.

Атрибути (attributes) процедурного елементу надають дані про цей елемент.

Мінімальний набір атрибутів для процедурного елемента наведений в таблиці 3.1.

Таблиця 5.1 – Мінімальний набір атрибутів процедурного елементу

Ім'я Опис

ID Для унікальної ідентифікації елементу

Version Версія процедурного елементу

Version Date Дата і час, коли ця версія була створена або модифікована

Approval Date Дата і час, коли ця версія була схвалена

Expiry Date Дата і час, до якого цю версію можна використовувати

Author Ідентифікує особу або систему, яка являється автором (напр..

Петров).

Approved By Ідентифікує особу або систему, яка схвалювала цю версію

Description Описує функцію, яка досягається при виконанні даного

процедурного елементу

Level Показує рівень процедурного елементу. Наприклад процедура

технологічної комірки, процедура апарату, операція або етап

Mode Показує плинний режим процедурного елементу

State Показує плинний стан процедурного елементу

63

5.4. Рецептурні та апаратурні процедурні елементи

Кожен з чотирьох типів процедурних елементів, означених у моделі

процедурного керування може бути частиною рецепту або обладнання. Коли

елемент є частиною рецепту він називається рецептурним процедурним

елементом (RPE recipe procedural elements), коли частиною обладнання –

апаратурним процедурним елементом (EPE equipment procedural elements).

Рецептурні процедурні елементи, як правило, означені автором рецепту і

можуть значно відрізнятися від рецепту до рецепту. Апаратурні процедурні

елементи, як правило, реалізовуються інженером з автоматизації в системі

керування обладнанням. Апаратурні процедурні елементи не змінюються від

рецепту до рецепту і, як правило, для їх зміни, доповнення або видалення

потребують інженерної діяльності. Таблиця 5.2 означує перелік RPE та EPE на

кожному рівні ієрархії процедурних елементів.

Таблиця 5.2 – Рівні процедурних елементів рецептів і обладнання Тип процедурного

елементу

якщо використовується в

рецепті

якщо використовується в

обладнанні

Процедура технологічної

комірки

Рецептурна процедура

технологічної комірки

Апаратурна процедура


Процедура апарату Рецептурна процедура апарату Апаратурна процедура апарату

Операція Рецептурна операція Апаратурна операція

Етап Рецептурний етап Апаратурний етап

Наприклад, етап «Перемішувати з заданою швидкістю», що задається в

рецепті, є рецептурним процедурним елементом (рецептурним етапом). Однак для

його реалізації в конкретному апараті, система керування апаратом повинен мати

такий саме етап. Тобто в ПЛК має бути функціональний блок, що забезпечує

виконання даного етапу. Такий функціональний блок і буде апаратурним

процедурним елементом (апаратурним етапом).

Структура і властивості рецептурних і апаратурних процедурних елементів

однакові, але вони мають різні обмеження. Таблиця 5.3 означує допустимий вміст

стратегії процедурних елементів для кожного типу, отриманих з процедурної

моделі.

Таблиця 5.3 Вміст стратегій апаратурних та рецептурних процедурних елементів Тип процедурного

елементу

Варіант стратегії процедурного елементу

стратегія може координувати

виконання нижніх рівнів

процедурних елементів

стратегія може посилатися

на процедурний елемент



так на апаратурну процедуру



апарату

так на апаратурну процедуру

апарату

Рецептурна операція так на апаратурну операцію

Рецептурний етап ні на апаратурний етап



так ні

64


апарату

так ні

Апаратурна операція так ні

Апаратурний етап ні ні

Наведена вище таблиця означує можливості означених процедурних

елементів.

Рецептурний процедурний елемент може означити виконання рецептурного

процедурного елементу підлеглого. Альтернативою цьому є посилання на

виконання апаратурного процедурного елементу, що знаходиться на тому ж

ієрархічному рівні.

Апаратурний процедурний елемент може означити виконання апаратурного

процедурного елементу підлеглого. Іншим варіантом є виконання процедури, що

може бути реалізовано через інструкції для ручних операцій, програмний код,

стандартні операційні процедури, і т.д.

Оскільки етап знаходиться на нижньому рівні ієрархії, означення для

рецептурних етапів не може вказувати на підлеглі процедурні елементи, тому

воно повинно посилатися на апаратурний етап. Так само означення апаратурного

етапу, якщо воно існує, може тільки виконувати процедуру і не може посилатися

на жодний процедурний елемент. Виконання процедури, наприклад, може

відбуватися через базове керування.


1. Що таке базове керування?

2. Що таке процедурне керування?

3. Розкажіть в чому принципові відмінності послідовностного виконання в

процедурному і базовому керуванні.

4. Що таке координаційне керування?

5. Яке призначення процедури технологічної комірки (Process Cell Procedure)?

6. Яке призначення процедури апарату (Unit procedure)? Які особливості

виконання процедури апарату?

7. Яке призначення операції (Operation)? Які особливості виконання операції?

8. Яке призначення етапів (Phase)? Які особливості виконання етапів?

9. Яким чином реалізовуються ієрархічні зв’язки між процедурними

елементами? Який тип керування це забезпечує?

10. Якими компонентами означуються процедурні елементи? Яке їх

призначення?

11. Поясніть що таке стратегія процедурного елементу? Які елементи можуть

бути частиною стратегії?

12. Що таке рецептурні (recipe procedural elements) і апаратурні (equipment

procedural elements) процедурні елементи?

13. Які обмеження у стратегії керування мають апаратурні та процедурні

елементи на різних рівнях ієрархії?

14. Чому рецептурний етап не може посилатися на інші RPE? Чому

апаратурний етап не може посилатися на інші EPE? Як тоді буде

виконуватися апаратурний етап?

65

6. Апаратурні об’єкти

План.

6.1. Ієрархія апаратурних об’єктів

6.2. Структурування апаратурних об’єктів

6.3. Режими і стани апаратурних об'єктів і процедурних елементів

6.1. Ієрархія апаратурних об’єктів

Апаратурні об’єкти (equipment entities) утворюються шляхом поєднання

апаратурного керування (equipment control) та фізичного обладнання (physical

equipment). Це поєднання утворює чотири типи апаратурних об’єктів (рис.6.1):

технологічні комірки (process cells), апарати (units), агрегати (equipment modules)

та модулі керування (control modules). Нижче обговорюються принципи

структурування цих апаратурних об'єктів.

Рис.6.1. Апаратурні об’єкти

Терміни технологічна комірка, апарат, агрегат та модуль керування в

основному використовуються для позначення обладнання разом з асоційованим з

ним апаратурного керування. Апаратурне керування може бути реалізоване як

через ручні так і через автоматичні дії.

Під апаратурним керуванням (equipment control) розуміється та логічна

(програмна) частина апаратурного об'єкту, яка відповідає за виконання керуючих

функцій. Тобто апаратурне керування є нефізичною сутністю, і може бути

66

програмою в ПЛК або ПК, або окремим програмним елементом. Тим не менше

елементи апаратурного керування повинні унікально ідентифікуватися в межах

конкретного апаратурного об’єкту.

Взаємодія апаратурного керування та фізичного обладнання описана в

стандарті ISA-88 навмисно без посилання на мову або реалізації. Ідея полягає в

описі каркасу, в якому можуть бути означені і обговорені апаратурне керування

та фізичне обладнання. Загальні зв’язки між моделлю процедурного керування,

фізичною моделлю, і моделлю технологічного процесу показані на рис.6.2.

Технологічна функціональність, що описана в моделі процесу, забезпечується

шляхом відображення процедурних елементів на конкретне обладнання.

Рис.6.2. Відображенням процедурного керування на обладнання для забезпечення

технологічної функціональності

Процедурне керування апаратурних об’єктів є якраз тим механізмом, що

забезпечує можливості апаратурного об’єкта виконувати технологічні задачі.

Процедурне керування може бути повністю означене як частина апаратурного

керування, або воно може базуватися на процедурній інформації, переданій від

рецепта апаратурному об'єкту.

Доступність можливості керування в різних апаратурних об’єктах є

важливими характеристиками і базовою основою для їх класифікації. Нижче

обговорюється апаратурне керування для різних апаратурних об’єктів.

6.1.1. Технологічна комірка

Технологічна комірка здатна до організації всіх технологічних дій для однієї

або декількох партій. Вона отримує рецепти, які містять процедуру технологічної

67

комірки, параметри та іншу інформацію і план-графік, що містить експлуатаційні

вимоги для кожної партії. Вона може також потребувати підготовки і моніторингу

обладнання або ресурсів, які в даний час не беруть участь у процесі. Наприклад,

визначення того, які апарати доступні, які апарати і трубопроводи

використовуються в мийці (CIP), або які зараз є запаси сировини.

Складність апаратурного керування технологічної комірки залежить від

наявного обладнання в її рамках, взаємопов'язаності цього обладнання, ступені

свободи переміщення партій через це обладнання, і арбітражу використання

даного обладнання.

Апаратурне керування у технологічній комірці може бути розподілене між

об’єктами таким же чином, як поділене фізичне обладнання. Наприклад, якщо

технологічна комірка ділиться на технологічні лінії (train), апаратурне керування в

ній може бути розподілене між різними лініями. Агрегати та модулі керування в

межах технологічної комірки можуть існувати у вигляді окремих об'єктів під

безпосереднім керуванням технологічної комірки або у підпорядкуванні апаратів.

Процедурне керування в технологічній комірці зводиться до виконання

процедур технологічної комірки та ініціювання процедур окремих апаратів.

Виконання може бути частиною координаційного керування, пов'язаного з

переміщенням партій.

Найбільш важливим типом керування в технологічній комірці є

координаційне. Нижче розглянемо декілька прикладів такого координаційного

керування.

1. Технологічна комірка може містити кілька апаратів і обробляти кілька

партій одночасно. Це передбачає координацію виконання декількох різних

процедур технологічної комірки.

2. Керування переміщенням партії може передбачати кілька варіантів вибору

серед альтернативних шляхів. Вибір наступного апарату може бути

реалізований координаційним керуванням апарату, однак таку

маршрутизацію можна реалізувати і координаційним керуванням

технологічної комірки.

3. На рівні технологічної комірки можуть використовуватися ресурси зі

спільним доступом (наприклад агрегати). Для оптимізації їх використання

може знадобитися арбітраж який буде вирішуватися на рівні


Прикладами координаційного керування в технологічній комірці можуть

включати такі алгоритми, як

- керування ініціалізацією і переміщення партій, що оброблюються в

рамках технологічної комірки;

- ініціювання та/або зв’язування процедури апарату, параметрів та іншої

інформації в окремих апаратах в правильному порядку, щоб змусити їх

переробляти продукт, описаний в унікальній комбінації план-графіків і

рецептів.

Технологічна комірка може включати в себе також модулі керування для

підтримки базового керування, що охоплює кілька апаратів. Наприклад, функцію

блокування нижнього апарату при закінченні роботи верхніх по потоку апаратів,

які його живлять.

68

6.1.2. Апарат

Апарат координує функціонування об’єктів нижчих рівнів, таких як агрегати

та модулі керування. Основною метою функцій керування обладнанням в апараті

є керування виготовленням партії (або її частини), що в даний час пов'язана з

апаратом.

Апарати можуть включати в себе і виконувати апаратурні етапи, апаратурні

операції та апаратурні процедури апарату або вони можуть виконувати

рецептурні операції і рецептурні процедури апаратів що викликаються рецептом.

Апаратурне керування в апараті може включати в себе координаційне

керування нижнім рівнем. Це може бути, наприклад: алгоритми, які керують

апаратом і спільними ресурсами якими він оволодіває; арбітраж запитів на

послуги від інших апаратів або технологічної комірки; оволодінням послуг

ресурсів із-за меж апарату; спілкування з іншими апаратурними об’єктами в

межах апарату.

Базове керування в апараті виконується регулюванням і дискретним

керуванням в модулях керування в середині апарату або в якійсь мірі, на які

посилається апарат.

6.1.3. Агрегат

Основною метою апаратурного керування в агрегаті є координація

функціонування агрегатів та модулів керування на нижчому рівні. Агрегат може

керуватися технологічними комірками, апаратом, оператором, або, в деяких

випадках, іншим агрегатом.

Щодо процедурного керування, агрегати можуть виконувати тільки

апаратурні етапи. Ті не обов’язково пов'язані з рецептурним етапом. Тобто

агрегат може виконати процедурне керування, яке не означене в рецепті.

Прикладом є агрегат, що виконує послідовність дій на своїх модулях керування,

які не залежать прямо від рецептурної процедури.

Агрегат може не містити процедурних елементів, тобто він може являти

собою набір модулів керування без будь-яких додаткових означень процедурного

керування.

Координаційне керування в агрегаті включає в себе координацію своїх

складових частин і може включати в себе алгоритми для розповсюджуються від

апаратів режимів та арбітражу запитів.

Базове керування в агрегаті здійснюється регулюванням і дискретним

керуванням в модулях керування, що містяться всередині агрегату, або в якійсь

мірі, на яку посилається агрегат.

6.1.4. Модуль керування

Модулі керування, що зазвичай знаходяться на цьому рівні, безпосередньо

маніпулюють виконавчими механізмами і іншими модулями керування. Модуль

керування може направити команди на виконавчі механізми, якщо вони

налаштовані як частина модуля керування. Модуль керування може також

направити команди на інші модулі керування, якщо вони містяться, або в якійсь

69

мірі, на які посилається цей модуль керування. Керування процесом відбувається

через обладнання, яке керується модулем керування і виконавчими механізмами.

Приклади апаратурного керування в модулях керування

- відкриття або закриття клапану, з підтвердженням тривог пов’язаних з

клапаном;

- зміна положення регулюючого клапану на основі показань датчика і ПІД

алгоритму;

- встановлення і підтримання стану декількох клапанів в колекторі; це

може бути один модуль керування, сконфігурований для прямого

керування усіма клапанами безпосередньо, або скомпонований блок,

сконфігурований для утримування кількох модулів керування, кожен з

яких налаштований для безпосереднього керування одним клапаном.

Якщо модуль керування містить ще один модуль керування, він є

скомпонованим модулем керування (compound control module). Скомпонований

модуль керування не рахується як додатковий рівень у фізичній ієрархії.

Агрегати, апарати, і технологічні комірки можуть виконувати базове

керування тільки через підлеглі їм модулі керування. Хоч це керування, як

правило, є або регулюючим або стано-орієнтованим, в деяких випадках воно

буває двояким. Керування може також включати умовну логіку, наприклад,

«відкрити клапан, якщо температура знаходиться у визначених межах і нижче за

потоком клапан відкритий».

Регулювання (Regulatory control) забезпечує підтримку змінної або змінних

процесу в межах якогось заданого значення. До категорії регулювання можуть

також потрапити комплексні стратегії керування, такі як багатофакторне

керування, моделе-орієнтоване керування, і керування на базі штучного інтелекту.

Стан-орієнтоване керування (State-oriented control) базується на керуванні

станами обладнання, а не станах змінної або змінних процесу. Стано-

орієнтований пристрій має кінцеве число станів. Він означує незалежну від

продукту послідовність обробки.

Модулі керування можуть також містити обробку винятків.

Модулі керування не виконують процедурного керування.

Координаційне керування в модулях керування можуть включати в себе,

наприклад, алгоритми для поширення режимів, для арбітражу запитів від апаратів

або для використання інших модулів.

6.2. Структурування апаратурних об’єктів

Нижче розглянемо загальні принципи, на базі яких проводиться розбиття

технологічної комірки на дрібніші апаратурні об’єкти, що можуть займатися

певною технологічною діяльністю або обробкою дій, специфічних для цього

обладнання.

Важливо відзначити, що фізична конструкція технологічної комірки може

значно впливати на здійснення керування періодичним процесом. Незначні

відмінності у фізичній системі можуть істотно вплинути на організацію

апаратурних об’єктів і процедурних елементів.

Усі розділи стандарту ISA-88, що пов’язані з керуванням, передбачають, що

технологічна комірка (в сенсах як фізичного обладнання так і пов'язаних з ними

70

керівних діяльностей) була розбита на чітко означені апаратурні об’єкти, такі як

апарати, агрегати та модулі керування. Ефективне розбиття технологічної комірки

на чітко означені апаратурні об'єкти – це складна діяльність, яка в значній мірі

залежить від індивідуальних вимог конкретного середовища, в якій виконується

періодичний процес. Суперечливе або недоречне розбиття на обладнання може

поставити під загрозу ефективність модульного підходу до рецептів, описаного

стандартом.

Розбиття технологічної комірки вимагає чіткого розуміння цілей обладнання

комірки. Таке розуміння дозволяє ідентифікувати апаратурні об’єкти, що повинні

працювати разом для впізнанності процесу.

6.2.1. Структурування технологічної комірки

Розбиття технологічної комірки зазвичай слідує наступним принципам:

- Функція будь-якого апаратурного об’єкта, що виконує якусь обробку

матеріалу для продукції має бути чіткою і однозначною.

- Функція, що виконується апаратурним об'єктом повинна бути узгоджена

з точки зору задачі технологічного процесу, і повинна бути доступна для

виконання цієї задачі, незалежно від того, який продукт виробляється в

даний момент часу.

- Підлеглі апаратурні об’єкти повинні мати можливість виконати свою

задачу (-чі) незалежно і асинхронно, дозволяючи апаратурним об’єктам

вищого рівня координувати діяльність своїх підлеглих.

- Взаємодія між апаратурними об'єктами повинна бути зведена до

мінімуму. У той час, як запланована взаємодія є періодично необхідною,

кожен апаратурний об'єкт повинен виконувати свої функції, і впливати на

функціонування інших апаратурних об'єктів якомога менше.

- Апаратурні об’єкти повинні мати чіткі межі.

- Для означення апаратурних об'єктів необхідний узгоджений базис.

Оператор, який в майбутньому буде взаємодіяти з аналогічними

апаратурними об’єктами повинен бути в змозі зробити це природно і без

плутанини.

- При необхідності взаємодії між апаратурними об’єктами, необхідно

намагатися координувати її апаратурними об'єктами того ж рівня або

наступного вищого рівня.

6.2.2. Означення апаратів періодичної дії

Для означення апарату періодичної дії (Batch unit) потрібне знання основних

видів технологічної діяльності, а також можливостей обладнання. При цьому

застосовуються наступні принципи:

- У одному апараті може мати місце одна або кілька основних

технологічних діяльностей, таких як реакція або кристалізація;

- Апарати періодичної дії повинні бути означені таким чином, щоб вони

могли працювати незалежно один від одного.

- Апарати періодичної дії в один момент часу можуть працювати тільки з

однією партією.

71

6.2.3. Означення агрегатів.

Означення агрегату вимагає знання конкретних незначних технологічних

діяльностей та характеристик обладнання. Агрегат може здійснювати кінцеве

число дрібних технологічних діяльностей, наприклад, дозування та зважування, і,

як правило, зосереджується навколо набору технологічного обладнання.

Збірки (набори) модулів керування можуть бути означені у вигляді як

агрегатів так і модулів керування. Якщо збірка виконує один або більше

апаратурних етапів, то це є агрегатом.

6.3. Режими і стани апаратурних об'єктів і процедурних елементів

Усі моделі діяльності передбачають керування, що базується на кроках і

переходах між ними. Процедурні елементи та апаратурні об’єкти (базове

керування) усіх рівнів мають стани і переходи між ними. Статуси апаратурних

об’єктів і процедурних елементів можуть бути описані їх режимами і станами.

Режими показують, яким чином ці переходи відбуваються а стани визначають їх

поточний статус. Станами також можна означити інші ресурси, такі як матеріали.

6.3.1. Режими (Modes)

Апаратурні об’єкти та процедурні елементи можуть передбачати різні

режими (Modes) роботи. Приклади режимів, що описані в стандарті ISA-88

стосуються керування періодичними процесами. Режим апаратурного об’єкта

може базуватися на процедурних елементах або базового керування апаратурних

об’єктів, в залежності від основних керувальних характеристик об'єкта.

Стандарт ISA-88, у якості прикладу, використовує три режими

(автоматичний, напівавтоматичний і ручний) для процедурних елементів, і два

режими (автоматичний і ручний) для апаратурних об’єктів. Модулі керування

містять функції базового керування і матимуть автоматичний і ручний режими, в

той час як процедурне керування що виконується також матиме ще

напівавтоматичний режим.

Стандарт ISA-88 не виключає можливість додаткових режимів та не вимагає

використання тих режимів, які в ньому означені. Функціональність режимів,

представлених в ньому у загальному можуть бути корисним в більшості

застосувань для періодичних процесів. Тому даючи назви режимам відповідно до

стандарту, робить можливим їх використання при спілкуванні з питань керування

періодичними процесами.

Режим означує, як апаратурні об’єкти і процедурні елементи будуть

реагувати на команди і як при цьому вони будуть працювати. У разі процедурних

елементів, режим означує спосіб у який процедура буде покроково виконуватися і

хто може вплинути на це виконання. У разі модуля керування, такого як

автоматичний запірний клапан, який містить функції базового керування, режим

означує механізм, що використовується для приведення в дію положення клапана

і хто/що, наприклад, інший пристрій чи оператор, може маніпулювати ним,

змінюючи його стан.

72

Для процедурних елементів, режим означує спосіб обробки переходу. В

автоматичному режимі переходи відбуваються автоматично (без перерви і

підтверджень) при спрацюванні умов переходу. У напівавтоматичному режимі

після виконання умов переходу для того, щоб процедура продовжилась, необхідне

підтвердження оператора. Як правило, дозволяється пропуск або повторне

виконання одного або більше процедурних елементів, не змінюючи їх порядок. У

ручному режимі, процедурні елементи і їх порядок виконання вказуються

оператором вручну, незалежно від умов спрацювання переходів.

Для апаратурних об’єктів, що містять функції базового керування, режими

означують, як можна керувати їх станами. У автоматичному режимі апаратурні

об’єкти керуються їх алгоритмами керування а в ручному режимі апаратурні

об’єкти керуються оператором. У таблиці 4 показані приклади можливих

реалізацій поведінки і команд, пов'язаних з режимами.

Апаратурні об’єкти або процедурні елементи можуть змінювати свій режим

самостійно. Ця зміна може відбутися при виконанні певних логічних умов, що

задані внутрішньою логікою, або зовнішньою командою (command), породженою

іншим процедурним елементом або оператором.

Зміна режиму в одному типі апаратурного об’єкта або процедурного

елементу може призвести до відповідної зміни в інших. Наприклад, поставивши

процедуру апарату в напівавтоматичний режим можна призвести до переводу усіх

процедурних елементів нижчих рівнів теж напівавтоматичний режим. Інший

приклад: запобіжний блокуючий розмикач може привести до переходу в ручний

режим декількох модулів керування. Поширення режиму може відбуватися в

будь-якому напрямку, з більш високого на більш низький рівень об’єктів, або

навпаки.

Таблиця 6.1 — Приклади можливих реалізацій режимів Режим(Mode) Поведінка (Behavior) Команда (Command)

Автоматичний

(Процедурне керування)

Як тільки будуть виконані

відповідні умови, переходи

всередині процедури

проводяться без перерви

Оператори можуть призупинити

послідовність, але не можуть

форсувати переходи

Автоматичний

(Базове керування)

Апаратурні об’єкти самі

виконують свої алгоритми

керування

Обладнання не може керуватися

оператором безпосередньо.

Напівавтоматичний

(тільки процедурне)

Після того, як відповідні умови

переходу виконалися, перехід


здійснюються тільки після

відповідної ручної команди

Оператори можуть

призупинити послідовність або

перенаправити виконання на

відповідний пункт. Переходи

не можуть бути форсовані.

Ручний

(Процедурне)

Процедурні елементи


виконуються в порядку,

встановленому оператором.

Оператори можуть призупинити

послідовність або форсувати

переходи.

Ручний

(Базове керування)

апаратурні об’єкти не

виконують свої алгоритми

керування

апаратурними об’єктами

можна маніпулювати

безпосередньо оператором.

6.3.2. Стани (States)

73

Апаратурні об’єкти та процедурні елементи можуть мати стани (states).

Стан повністю означує поточне становище апаратурних об’єктів чи процедурних

елементів. Наприклад клапан (з базовим керуванням), може бути в стані

"ВІДКРИТИЙ НА ПЕВНИЙ ВІДСОТОК", а процедурний елемент – і стані

"ВИКОНУЄТЬСЯ" або "УТРИМУЄТЬСЯ".

Стани можуть змінюватися внутрішньою логікою процедури або базового

керування, або командами, що генерується іншим процедурним елементом або

оператором.

Стандарт ISA-88 використовує як приклад самоузгоджений набір станів і

команд тільки для процедурних елементів. Враховуючи велику кількість

можливих апаратурних об’єктів, в стандарті перелік станів для них не наведені.

Прикладами станів апаратурних об’єктів можуть бути:

- «увімкнений» («on») та «вимкнений» («off»),

- «закритий» («closed») та «відкритий» («open»),

- «помилка» («failed»),

- «пересувається» («traveling»),

- «розімкнений» («tripped»),

- «відкритий на 35%» («35% open»),

- «доступний» («available»)

- …

Нерідко загальний стан апаратурного об’єкта означується комбінацією станів

різного типу. Наприклад двигун може бути «вимкнений» і при цьому

«заблокований» (недоступний для автоматичного керування) а також «є тривога».

У даному прикладі загальний стан двигуна означується трьома різними але

пов’язаними автоматами станів: живлення, керування та тривог.

Приклади команд, застосовних до апаратурних об’єктів можуть бути:

«включити», «розблокувати», «підтвердити».

Так само, як і для режимів, стандарт ISA-88 не вимагає наявності описаних

нижче станів і не виключає можливості використання інших станів.

Функціональність станів і команд, представлених нижче повинен в цілому бути

корисним для більшості застосувань періодичних процесів. Тому даючи назви

станам відповідно до стандарту, робить можливим їх використання при

спілкуванні з питань керування періодичними процесами.

Зміна стану в одному типі апаратурного об'єкту або процедурного елементу

може призвести до відповідної зміни в інших. Наприклад, поставивши процедуру

апарату в стан "УТРИМУВАННЯ" (HELD) можна привести усі процедурні

елементи в цьому апараті до такого ж стану. Інший приклад: запобіжний

блокуючий розмикач може привести до переводу всіх процедурних елементів в

цьому апараті до стану "ПЕРЕРИВАЄТЬСЯ" (ABORTING). Поширення станів

може бути в будь-якому напрямку, з більш високого на більш низький рівень

об’єктів, або навпаки.

6.3.3. Стани процедурних елементів (Procedural states)

У стандарті ISA-88 наведений набір процедурних станів і команд, найбільш

характерний для процедурних елементів періодичних процесів. Список станів і

команд наведені у матриці переходів між станами (див. таблицю 6.2). Приклад

74

діаграми станів виведений з матриці для перших трьох рядків матриці (Idle,

Running, Complete) (рис 6.3).

Рис. 6.3 — Приклад автомату станів для процедурних елементів.

Нижче наведений список станів процедурних елементів:

— IDLE (ОЧІКУВАННЯ): процедурний елемент чекає команди START, яка

викликає перехід в стан ВИКОНАННЯ.

— RUNNING (ВИКОНУЄТСЯ): Нормальне функціонування

— COMPLETE (ЗАВЕРШЕНО): Нормальне функціонування дійшло до

завершення. Процедурний елемент чекає команду RESET, що викличе

перехід в режим IDLE (ОЧІКУВАННЯ).

— PAUSING (ПРИЗУПИНЯЄТЬСЯ): процедурний елемент або апаратурний

об’єкт отримав команду PAUSE. Це викличе зупинення виконання

процедурного елементу на наступному означеному безпечному або

стійкому місці в її логіці нормального виконання. Після зупинки

75

відбувається перехід в PAUSED (ПАУЗА).

— PAUSED (ПАУЗА): Після того, як виконання процедурного елементу

зупинилося на означеному безпечному місці, стан змінюється в PAUSED.

Цей стан, як правило, використовується для короткострокових зупинок.

Введення команда RESUME приводить до переходу в стан RUNNING

(ВИКОНАННЯ), продовжуючи виконання одразу після означеного місця

зупинки.

— HOLDING (УТРИМУЄТЬСЯ): процедурний елемент отримав команду

HOLD і виконує виконання логіки УТРИМУВАННЯ для переведення

його або апаратурного об'єкту у необхідний стан. Якщо ніякого

виконання послідовності не потрібно, то процедурний елемент або

апаратурний об’єкт негайно переходить в стан УТРИМУВАНЕ.

— HELD (УТРИМУВАНЕ): процедурний елемент завершив логіку

УТРИМУВАННЯ (HOLDING). Цей стан, як правило, використовується

для передбачуваної або планової довгострокової зупинки. Процедурний

елемент або апаратурний об’єкт чекає команди ПРЕЗАПУСТИТИ

(RESTART), щоб продовжити.

— RESTARTING (ПЕРЕЗАПУСКАЄТЬСЯ): процедурний елемент отримав

команду RESTART (ПЕРЕЗАПУСТИТИ) в той час як знаходився в стані

HELD(УТРИМУВАНЕ). Він виконує свою логіку перезапуску, щоб

повернутися в стан нормальної роботи.

— STOPPING(ЗУПИНЯЄТЬСЯ): процедурний елемент отримав команду STOP

і виконується логіка ЗУПИНЯЄТЬСЯ (STOPPING), що виконує

нормальну керовану зупинку. Якщо послідовність виконання не

потребується, тоді процедурний елемент або апаратурний об’єкт негайно

переходить в стан ЗУПИНЕНО.

— STOPPED(ЗУПИНЕНО): процедурний елемент завершив свою логіку

ЗУПИНКИ. Процедурний елемент або апаратурний об’єкт чекає команди

СКИНУТИ (RESET) для переходу в стан IDLE (ОЧІКУВАННЯ)

— ABORTING(ПЕРЕРИВАЄТЬСЯ): процедурний елемент отримав команду

ABORT (ПЕРЕРВАТИ) для виконання логіки ПЕРЕРИВАННЯ, що

сприяє більш швидкій, але не обов'язково керованій ненормальній

зупинці. Якщо послідовне виконання не потрібне,процедурний елемент

негайно переходить до стану ПЕРЕРВАНО.

— ABORTED(ПЕРЕРВАНО): процедурний елемент ПЕРЕРИВАЄТЬСЯ

завершив свою логіку і чекає команди RESET (СКИНУТИ) для переходу

в IDLE (ОЧІКУВАННЯ)

6.3.4. Команди (Commands)

У цьому прикладі наведений список чинних команд:

— START (ЗАПУСТИТИ): ця команда наказує процедурному елементу почати

виконувати логіку нормального ВИКОНАННЯ (RUNNING). Ця команда

виконується лише у тому випадку, коли процедурний елемент

76

знаходиться в стані ОЧІКУВАННЯ (IDLE).

— STOP (ЗУПИНИТИ): ця команда наказує процедурному елементу виконати

логіку ЗУПИНЯЄТЬСЯ (STOPPING). Ця команда виконується лише в

тому випадку, коли процедурний елемент знаходиться в станах

RUNNING, PAUSING, PAUSED, HOLDING, HELD, або RESTARTING.

— HOLD (УТРИМАТИ): ця команда наказує процедурному елементу виконати

логіку HOLDING (УТРИМУЄТЬСЯ). Ця команда виконується лише в

тому випадку, коли процедурний елемент знаходиться в станах

RUNNING, PAUSING, PAUSED або RESTARTING.

— RESTART (ПЕРЕЗАПУСТИТИ): ця команда наказує процедурному

елементу виконати логіку RESTARTING (ПЕРЕЗАПУСКАЄТЬСЯ) -

безпечного повернення до стану RUNNING. Ця команда виконується

лише під час стану HELD (УТРИМУВАНО) процедурного елементу.

— ABORT (ПЕРЕРВАТИ): ця команда наказує процедурному елементу

виконати логіку ABORTING (ПЕРЕРИВАЄТЬСЯ). Команда виконується

у будь-якому стані, за винятком IDLE, COMPLETED, ABORTING і

ABORTED.

— RESET (НА ПОЧАТОК): ця команда викликає перехід до стану IDLE

(ОЧІКУВАННЯ). Вона виконується тільки при станах COMPLETE,

ABORTED та STOPPED.

— PAUSE (ПРИЗУПИНИТИ): ця команда наказує процедурному елементу

зробити паузу для наступного запрограмованого переходу в межах його

логіки послідовності виконання і чекає команди RESUME, перш ніж

продовжити. Ця команда діє тільки в стані RUNNING.

— RESUME (ВІДНОВИТИ): ця команда наказує процедурному елементу, який

знаходиться в стані PAUSE (ПАУЗА) із-за команди PAUSE або із-за

режиму ПОКРОКОВОГО виконання (SINGLE STEP), відновити

виконання. Ця команда застосовується лише тоді, коли процедурний

елемент знаходиться в стані PAUSED.

Таблиця 6.2 Приклад матриці автоматів станів для процедурних елементів. Команда Start Stop Hold Restart Abort Reset Pause Resume

Початковий стан

кінцевий стан без команди

Матриця переходів між станами

Idle Running

Running Complete Stopping Holding Aborting Pausing

Complete Idle

Pausing Paused Stopping Holding Aborting

Paused Stopping Holding Aborting Running

Holding Held Stopping Aborting

Held Stopping Restarting Aborting

Restarting Running Stopping Holding Aborting

Stopping Stopped Aborting

Stopped Aborting Idle

Aborting Aborted

Aborted Idle

77

Стани, назви яких закінчуються на "ING" є перехідними станами. Якщо їх

логіка завершується нормально, відбувається перехід до стану, зазначеного в

колонці у колонці "Кінцевий стан без команди". Наприклад, якщо стан RUNNING

завершується нормально, то процедурний елемент автоматично переходить у стан

COMPLETE. Виконання перехідних станів (що закінчуються на ING) регулюється

режимами.


1. Що таке апаратурний об’єкт та апаратурне керування?

2. Наведіть приклади координаційного керування технологічної комірки.

3. Наведіть приклад базового керування в модулі керування, що безпосередньо

входить до технологічної комірки.

4. Наведіть приклад базового, процедурного та координаційного керування в

апараті.

5. Наведіть приклад базового, процедурного та координаційного керування в

агрегаті.

6. Які типи базового керування визначені в стандарті ISA-88? Наведіть

приклади.

7. Який тип керування не містить модуль керування?

8. Наведіть основні рекомендації до структурування технологічної комірки.

9. Наведіть основні рекомендації до означення апарату періодичної дії.

10. Поясніть призначення режимів і станів для процедурних елементів та

апаратурних об’єктів.

11. Які режими для базового керування і процедурних елементів визначені

стандартом ISA-88?

12. На що і як впливають режими апаратурного об’єкта?

13. На що і як впливають режими процедурного елемента?

14. Наведіть приклади станів для апаратурного об’єкта.

15. Наведіть приклади поширення станів та режимів між процедурними

елементами та апаратурними об’єктами.

16. Прокоментуйте автомат станів для процедурних елементів наведений в

стандарті ISA-88

78

7. Рецепти

План.

7.1. Рецепти

7.2. Зміст рецептів

7.3. Загальний та місцевий рецепт

7.4. Майстер рецепт

7.5. Керівний рецепт

7.6. Рецептурний об’єкт

7.7. Обробка винятків

7.8. Транспортабельність реецптів

7.9. Нотація PFC для означення рецептів.

7.1. Типи рецептів

Рецепт (Recipe) є об'єктом, який містить мінімальний набір інформації, що

однозначно означує вимоги до виробництва для конкретного продукту. Рецепти

надають спосіб для опису продуктів і способу вироблення цих продуктів. Залежно

від конкретних вимог підприємства, можуть існувати різні типи рецепту. Проте, в

стандарті ISA-88 обговорюються лише чотири типи рецептів (рис.7.1):

- Загальний рецепт (на рівні підприємства)

- Місцевий рецепт (на рівні виробничою площадки)

- Майстер рецепт (шаблонний рецепт технологічної комірки)

- Керівний рецепт (конкретний екземпляр рецепту для кожної партії)

Ці рецепти означуються на різних рівнях керування періодичним

виробництвом і по суті перетворюються з одного типу в інший. Кожен тип

рецепта містить вказані вище п'ять категорій інформації, проте для різних типів

рецептів інформація має інший вигляд.

Як правило, рецепти потребують постійного добавлення, видалення, або

модифікації для підтримки потреб виробництва і часто керуються особами або

організаціями які розташовані не за місцем виробництва з реальним обладнанням.

Рецепти, як правило, створюються/модифікуються окремими особами, які

розуміють той технологічний процес, що потребується для виробництва

продукції, наприклад технологами. Як правило, ці особи не розуміють деталей

конфігурування бібліотеки обладнання та побудову процедурних елементів, що

використовується в якості інструментів створення і підтримки рецептів. За

конфігурування обладнання та побудову бібліотеки процедурних елементів, як

правило, відповідають інженери з автоматизації.

У стандарті ISA-88 рецепти визначені як формальні послідовності,

призначені для створення продуктів. У деяких випадках, рецепт може описувати

просту ручну дію над процесом і не обов’язково спрямований на створення

продукту. Такий рецепт може бути ініціюванням процедури очистки чи

стерилізації обладнання.

79

Рис.7.1. Типи рецептів.

Слід зазначити, що, в дійсності існування певного типу рецепту, те що він

генерує, і де він генерується буде варіюватися від випадку до випадку і від

підприємства до підприємства. Наприклад, підприємство може не реалізовувати

один або більше з наведених типів рецептів. Модель типів рецептів, представлена

в стандарті ISA-88 показана повною, але може бути згорнутою і розширеною. Тим

не менше, майстер рецепт і керівний рецепт не може бути виключений з моделі

типів рецептів.

Продукт може бути виготовлений на різних устаткуваннях і на різних

виробничих площадках. Рецепти, які підходять для однієї виробничої площадки

або набору обладнання, може не підходити для інших. Це може призвести до

кількох рецептів для одного продукту. У означенні рецептів повинна бути

достатня структура, щоб дозволити відстежити генеалогію будь-якого заданого

рецепта.

Рецепт не містить ні інформацію про планування, ні про апаратурне

керування. Рецепт містить технологічну інформацію для конкретного продукту.

Це дозволяє обладнанню для періодичних процесів робити різні продукти без

необхідності зміни означення апаратурного керування для кожного продукту.

Існує значна різниця між загальними/місцевими рецептами і

майстер/керівними рецептами. Загальні/місцеві рецепти описують технологію

(technique), тобто, як може продукт бути зроблений в принципі. Майстер рецепти і

керівні рецепти описують задачу (task), тобто, як це зробити з наявними на

виробничій площадці ресурсами.

7.2. Зміст рецептів

Як вже зазначалося, рецепти містять п'ять категорій інформації:

- Заголовок

- Формула

- Вимоги до обладнання

- Процедура

- Інша інформація.

80

Правила формування змісту рецепту відрізняються в залежності від типу.

Нижче опишемо загальні правила, які застосовуються до всіх типів рецептів,

відповідно до ISA-88.

Адміністративна інформація в рецепті називається заголовком (Header).

Типова інформація заголовка повинна включати

- ідентифікатор Рецепту

- ідентифікатор продукту

- ідентифікатор Версії

- інформацію про зміни в рецепті , що складається з: автору, дати

створення, ідентифікація осіб, що змінювали рецепт, дати зміни та

інформації про зміну

- інформацію про затвердження, що складається з: ідентифікації осіб з їх

повноваженнями що затверджували та дату затвердження; термін

придатності

- Статус Рецепту, наприклад: знаходяться в стадії розробки, затверджений

для тестування, затверджений для виробництва, виведений з вжитку;

- інша адміністративна інформація; наприклад, місцевий рецепт може

містити ім'я та версію загального рецепта, з якого він був створений.

Формула (Formula) є категорією інформації рецепта, що включає вхід,

параметри та вихід процесу.

Вхід процесу (Process Input) – це ідентифікатор і кількість сировини або

іншого ресурсу, необхідного, для вироблення продукту. При виготовленні

продукту у періодичному процесі окрім використовуваної сировини, вхідні дані

процесу можуть також включати необхідні енергетичні та інші види ресурсів, такі

як людські ресурси. Вхід процесу складається з імені ресурсу та необхідної його

кількості для виготовлення певної кількості готового продукту. Необхідні

кількості можуть бути вказані в абсолютних значеннях або у вигляді рівнянь, у які

входять інші параметри формули або розміри партії чи обладнання. Входи

процесу можуть встановлювати припустимі заміни, виражені в тій же основній

формі.

Параметри процесу (технологічні параметри, Process parameters)

деталізують інформацію, таку як температура, тиск, або час, яка має відношення

до продукту, але не підпадає під означення входу або виходу процесу. Параметри

процесу можуть бути використані в якості заданих значень, порівнювальних

значень або в умовній логіці.

Вихід процесу (process output) – це ідентифікатор і кількість речовини або/та

енергії які очікуються в результаті виконання керівного рецепту. Ці дані можуть

деталізувати вплив на навколишнє середовище, а також можуть містити іншу

інформацію, таку як специфікації передбачуваних виходів з точки зору кількості,

маркування і обсягу виходу.

Типи даних для формули відмінні для надання інформації в різні частини

підприємства і повинні бути доступні без надмірної деталізації процесу.

Наприклад, список входів процесу може бути представлений у вигляді кінцевого

списку інгредієнтів для рецепта або у вигляді сукупності окремих інгредієнтів для

кожного відповідного процедурного елемента в рецепті.

81

Вимоги до обладнання (Equipment requirements) обмежують вибір

обладнання, що в кінцевому підсумку буде використовуватися для реалізації

певної частини процедури.

На рівні керівного рецепту, вимоги до обладнання такі ж самі, або є

підмножиною допустимого обладнання в майстер рецепті. Коли це стає відомим -

керівний рецепт може використати вимоги для включення конкретного

розміщування обладнання технологічної комірки, таких як наприклад Reactor R-

501.

Процедура означує стратегію виконання технологічного процесу. Процедура,

яка по суті є рецептурною процедурою технологічної комірки може складатися з

ієрархії рецептурних процедурних елементів або посилатися на асоційований з

ним апаратурний процедурний елемент.

Автор рецепту обмежується використанням процедурних елементів, які були

або будуть, зконфігуровані і доступні для використання в створенні процедур

технологічних комірок. Ці набори процедурних елементів називаються

бібліотекою (library), а процедурні елементи в них називаються

компонувальними блоками (building blocks) рецептурної процедури

технологічної комірки. Таким чином щоб означити в рецепті процедуру

технологічної комірки автори рецептів використовують компонувальні блоки.

Визначення того, які з цих процедурних елементів можуть бути частиною

процедури технологічної комірки є проектним рішенням конкретного

застосування, що в свою чергу залежить від багатьох факторів, у тому числі

можливості керування і ступенів вільності, що підходять для автора рецепту в

цьому застосуванні.

Інша інформація є категорією інформації рецепту, яка може містити

інформацію про підтримку періодичних процесів, що не міститься в інших

частинах рецепта. Наприклад, вона може включати інформацію про сумісність,

матеріали та інформацію по безпеці процесу, технологічні схеми, а також

інформацію про упаковку/маркування.

7.3. Загальний та місцевий рецепт

Загальний рецепт (General recipe) є рецептом рівня підприємства, який

служить основою для рецептів нижчих рівнів. Загальний рецепт створюється без

конкретних знань про обладнання технологічної комірки, що буде

використовуватися для виготовлення продукту. Він означує сировину, її питому

кількість і необхідну обробку, але без відношення до конкретної виробничої

площадки або наявного обладнання на ній. Він створюється людьми зі знанням

технології, властивостей товару, і відображає їх інтереси і задачі.

Загальний рецепт не є конкретним для обладнання або для певної виробничої

площадки, а технологія виготовлення продукту, як правило, створюється в межах

лабораторії. Тим не менше, щоб означити тип обладнання, необхідного для

конкретної ділянки, можуть бути описані досить докладно вимоги до обладнання.

Вони виражаються в термінах атрибутів, необхідних для обладнання, наприклад

82

вимоги до зовнішнього тиску і матеріалів конструкції (наприклад нержавіюча

сталь).

Кількості в формулі можуть бути виражені як у фіксованих так і в

нормованих значеннях.

Процедури загального рецепту структуровані з використанням рівнів,

описаних в процесній моделі, так як ці рівні дозволяють описувати процес, в

термінах, незалежних від обладнання. Процедурна інформація в загальному

рецепті виражається в трьох-рівневій ієрархії: процедур технологічних стадій

(Process Stages), процедур технологічних операцій (Process Operations),

процедур технологічних дій (Process Actions) як це показано на рис. 7.2.

Функціональність процедур цих рівнів відповідає функціональності аналогічних

рівнів в процесній моделі, що показані на рис.2.2.

Процедури технологічних стадій, технологічних операцій, і технологічних

дій не обмежується межами апарату чи будь-якою реальною установкою. Вони

описують технологічні діяльності, які можуть бути вибрані для виконання в

одному або в різних апаратах, перетворивши загальний і місцевий рецепт для

роботи в одному або декількох реальних установках.

Рис 7.2. Процедурні рівні Загального/місцевого рецепту

Місцевий рецепт (Site recipe) є характерним для конкретної виробничої

площадки. Він, як правило, виведений з загального рецепта для виконання умов,

характерних для конкретного місця виробництва і забезпечує рівень деталізації,

необхідний для рівня виробничої площадки, для планування довготривалого

виробництва. Тим не менше, він також може бути створений безпосередньо, без

існування загального рецепта. Місцевий рецепт пристосований до таких речей як

мова, на якому він пишеться, або особливостей місцевої сировини. Він не

відноситься до конкретного набору обладнання технологічної комірки.

83

Може бути кілька місцевих рецептів отриманих із загального рецепта, кожен

з яких охоплює частину загального рецепта що може бути реалізована на

конкретній виробничій площадці.

Як і для загального рецепту, процедури місцевого рецепту структуровані як

показано на рис.7.2.

7.4. Майстер рецепт

Майстер рецепт (Master recipe), як вже було зазначено вище, орієнтований

на конкретну технологічну комірку і являється «шаблоном» для керівного

рецепту, що використовується для створення однієї партії продукту

(напівпродукту). Він може бути отриманий із загального або місцевого рецепту,

однак може бути створений як незалежна сутність, якщо автор рецепту має знання

про необхідний процес і продукт.

Нижче наведені деякі характеристики майстер рецептів:

— Може бути кілька майстер рецептів, отриманих з одного місцевого рецепту,

кожен з яких охоплює тільки його частину, яка може бути реалізована в

технологічній комірці.

— Майстер рецепт повинен бути в достатній мірі адаптований до властивостей

обладнання технологічної комірки для забезпечення правильної обробки

партії. Це робиться шляхом об'єднання функціональності конкретного

набору обладнання технологічної комірки і інформації з майстер рецепту.

— У майстер рецепті, дані в формулі можуть бути означені як нормалізовані

значення, розраховані значення, або фіксовані значення.

— Майстер рецепт може містити специфічну для продукту інформацію,

необхідну для складання детального план-графіку, наприклад, інформацію

про вхід процесу чи вимоги до обладнання.

— Майстер рецепт є обов’язковим, бо без нього не може бути створений

керівний рецепт і, отже, не може бути вироблена партія.

— У залежності від того, чи експлуатується виробниче обладнання вручну або

повністю автоматично, майстер рецепт існує або як ідентифікований набір

письмових інструкцій або у вигляді електронної сутності.

На рівні майстер рецепту, вимоги до обладнання можуть бути виражені в

будь-якій формі, яка означує допустиме обладнання у технологічних комірках.

Якщо були означені технологічні лінії, то можливо щоб майстер рецепт (і

отриманий керівний рецепт) базувався на обладнанні ліній, а не на повному

наборі засобів в технологічній комірці.

Рецептурна процедура технологічної комірки є складовою майстер рецепту, і

може містити рецептурні процедури апарату, рецептурні операції, і рецептурні

етапи, як показано на рис.7.3.

84

Рис. 7.3 — Рівні процедур майстер рецепту

Створення процедури в майстер рецепті з процедури місцевого рецепту може

бути досить складним. Майстер рецепт повинен містити достатньо докладну

інформацію вимог до обладнання для того, щоб могли бути означені і виділені

ресурси для створення і ініціювання керівного рецепту. Саме на цьому рівні

рецепта означується набір рецептурних етапів, що необхідний для виконання

призначених технологічних дій, технологічних операцій, а також технологічних

стадій.

Це може бути відношення між процедурними елементами загального або

місцевого рецепту і майстер рецепту виражені як 1:1, 1:N, або N:1. Фактичне

співвідношення може залежати від використовуваного обладнання. Хоч існує

загальна подібність між призначенням технологічних дій (process actions) і

функціями обробки, що означені в рецептурних етапах, вони не обов'язково

взаємно однозначно відповідають один одному. Одна технологічна дія може

відповідати кільком рецептурним етапам, або, навпаки, кілька технологічних дій

можуть відповідати одному рецептурному етапу.

Подібний взаємозв'язок і між технологічними операціями (process operation) і

рецептурними операціями (operation). Але існують і значні відмінності між ними.

У цільовому обладнанні операції проводяться до завершення в єдиному апараті, в

той час як технологічні операції в будь-якому конкретному об'єкті не обмежені

апаратом. Одна технологічна операція може зажадати одну або кілька операцій,

для здійснення визначеної обробки.

Подібний взаємозв'язок є і між технологічними стадіями (process stages) і

процедурами апарату (unit procedures). Процедури апарату в цільовому

обладнанні також доводяться до кінця в одному апараті, тоді як технологічні

стадії не обмежені межами обладнання в будь-якому конкретному об'єкті. Одна

85

технологічна стадія може потребувати одну або кілька процедур апаратів для

здійснення визначеної обробки.

7.5. Керівний рецепт

Нагадаємо, що керівний рецепт (Control recipe) використовується для

створення конкретної партії. Його створюють шляхом копіювання одного з

екземплярів майстер-рецепту, а потім за необхідністю модифікують. Керівний

рецепт повинен містити інформацію про продукт, яка необхідна для виготовлення

конкретної партії цього продукту; про обладнання та апаратурні об’єкти

технологічної комірки, що будуть використовуватися для приготування з

достатньою деталізацією для їх ініціації і моніторингу. Керівний рецепт може

бути змінений для врахування фактичної якості сировини і фактичного

обладнання, що необхідно використовувати. Деякі приклади необхідної зміни:

— При ініціюванні партії або безпосередньо перед використанням визначають

обладнання, яке насправді буде використовуватися для керівного рецепта.

— На основі якості сировини, що використовується, або проміжних аналізів

якості продукції партії, додають нові або змінюють існуючі параметри;

— При нештатній ситуації може бути змінена процедура керівного рецепту.

Процедура технологічної комірки керівного рецепта складається з

рецептурних процедур апаратів, рецептурних операцій і рецептурних етапів, що

відносяться безпосередньо до тих, які означені в майстер рецепті. У момент

створення керівного рецепта, вони «копіюються» 1:1 з майстер рецепту.

Керівний рецепт використовується для збору інформації про хід

виготовлення конкретної партії.

7.6. Рецептурний об’єкт

Рецептурний об’єкт (Recipe entity) є фізичною реалізацією рецепту, і є

поєднанням процедурного елементу рецепту з супутньою інформацією рецепту

(заголовок, формула, вимоги до обладнання та іншої інформації). Реалізація

загального, місцевого, майстер і керівного рецепту є рецептурними об’єктами.

Рисунок 7.4 показує структуру майстер рецепту, як набору інкапсульованих

рецептурних об’єктів.

86

Рис.7.4. Інкапсуляція рецептурних об’єктів

7.7. Транспортабельність рецептів

Транспортабельність рецептів (Recipe transportability) гарантує

можливість переміщення рецептурної інформації однакового рівня між різними

системами керування періодичним/порційним виробництвом. Рецептурна

інформація повинна бути зрозумілою в кожній реалізації.

Загальний рецепт може переноситись з місця створення на будь-яку

виробничу площадку. Місцевий рецепт є теж транспортабельним, але не до такої

ж міри, як загальний рецепт, оскільки призначений для використання в межах

певної виробничої площадки і є переносним в її межах.

Майстер рецепт можна транспортувати до іншої технологічної комірки, при

цьому усвідомлюючи, що він був налаштований для певного набору обладнання

технологічної комірки у якій був створений. Якщо майстер рецепт

транспортується до іншої технологічної комірки, може знадобитися певний

процес інженерного аналізу і переробки:

— визначення того, що набір обладнання технологічної комірки призначення

виконаний аналогічно тому, як в майстер рецепті і може бути

використаний без його змін або;

— внести необхідні зміни так, щоб модифікований майстер рецепт працював

на наборі обладнання технологічної комірки призначення.

Керівний рецепт не являється транспортабельним.

87

7.8. Обробка винятків

Подія, яка відбувається за межами нормальної або бажаної поведінки

керування періодичними процесами зазвичай називають винятком (exception).

Оброблення виняткових ситуацій може відбуватися на всіх рівнях моделі керівної

діяльності, і може бути частиною процедурного, базового а також

координаційного керування.

Оброблення винятків є важливою функцією високотехнологічного

виробництва. Оброблення винятків є невід'ємною частиною всіх типів керування і

зазвичай складає дуже велику частину визначення елемента керування.

Прикладами подій, які можуть свідчити про необхідність обробки винятків є

— відсутність сировини, засобів та обладнанням заводу, коли це необхідно;

— проблеми в продукті або процесі;

— несправність керуючого обладнання;

— небезпечні умови, такі як вогонь або хімічний розлив.

З точки зору керування, обробка винятків нічим не відрізняється від стратегії

звичайного керування, в тому плані, що подія виявлена, оцінена і генерується

відповідь.

Функції виняткової обробки можуть вплинути на режими і стани

апаратурних об’єктів та процедурних елементів. Наприклад, високий тиск в

реакторі може призвести до виняткової функції відгуку, що переводить процес до

стану STOPPED (ЗУПИНЕНО), або оператор може виявити деякі незвичайні

умови та ініціювати аналогічні дії.


1. Яке призначення різних категорій інформації рецепту?

2. Розкажіть про призначення усіх складових формули рецепту.

3. Яке призначення вимог до обладнання в рецепті?

4. Яке призначення бібліотеки рецептурних елементів і компонувальних

блоків з неї?

5. Які типи рецептів є обов’язковими і чому?

6. Яке призначення загального та місцевого рецепту? Як в них описуються

вимоги до обладнання? Яка в них процедурна структура?

7. Назвіть основні характеристики майстер рецепту.

8. Які загальні правила перетворення місцевого рецепту в майстер рецепт?

9. На основі якої інформації створюється керівний рецепт?

10. За яких причин може змінюватися керівний рецепт? Що при цьому

змінюється?

11. Поясніть що таке рецептурний об’єкт і яка його структура?

12. Що таке транспортабельність рецептів? Які обмеження транспортабельності

для кожного типу рецептів?

13.

88

8. Підключення рецептурних об’єктів до апаратурних об’єктів

План.

9.1. Загальні ідеї

9.2. Зв’язування рецептурних та апаратурних процедурних елементів та

базового керування.

9.3. Використання рецептурних процедурних елементів у майстер-рецептах

9.4. Підключення рецептурного процедурного елементу, апаратурного

процедурного елементу і апаратурного об’єкту

8.1. Загальні ідеї

Процедурні елементи самі по собі не мають здатність безпосередньо

впливати на обладнання. Керування обладнанням досягається шляхом зв’язування

процедурних елементів найнижчого рівня в керівному рецепті (наприклад

рецептурного етапу) з відповідним апаратурним процедурним елементом в

апаратурному об’єкті (наприклад апаратурним етапом), та наступну реалізацію

останнього через базове керування модуля керування. Зв'язування між

рецептурним і апаратурним процедурним елементом залежить від реалізації, але

керується посиланням від стратегії процедурного елементу до будь-якого

апаратурного процедурного елементу або до команди базового керування.

Процедурні елементи найнижчого рівня у майстер-рецептах повинні містити

достатньо інформації для забезпечення зв’язування щоб перенести їх в керівний

рецепт. Тим не менше, процедурні елементи майстер рецепту насправді не

виконуються, або виконуються тільки перебуваючи в керівних рецептах.

Звісно, що загальні (general) та місцеві рецепти (site recipes), не містять

зв'язків або посилання на конкретні апаратурні об’єкти, оскільки не мають

відношення до конкретного обладнання,.

На рисунку 8.1 показаний інформаційний потік від загального рецепта до

фактичного апаратурного об’єкта, що експлуатується з використанням керівного

рецепта. Цей рисунок показує абстрактний характер загальних, місцевих і майстер

рецептів і їх рецептурних процедурних елементів. Інформаційний потік

перетворюється, проходячи через різні типи рецептів. З керівного рецепту до

апаратурного об’єкту, і в самому апаратурному об’єкті існує менш абстрактний і

більш фізичний зв'язок, який повинен бути досягнутий для роботи фізичного


89

Рис.8.1. Інформаційний потік від загального рецепту до Апаратурного

об’єкту.

Зв'язні потоки даних показані як двонаправлені потоки інформації, оскільки

вони відображають потоки оперативної інформації, що складається з:

- команд відправлених з керівного рецепту до фізичного технологічного

обладнання та

- стану і звітної інформації, відправленої від фізичного технологічного

обладнання до керівного рецепту.

Яка фактична інформація передається в будь-якому з потоків залежить від

застосування. Нижче обговорюються зв'язні інформаційні потоки, зокрема:

поділ між рецептурними процедурними елементами у керівних

рецептах і апаратурних об’єктах,

як рецептурні процедурні елементи посилаються на апаратурні

процедурні елементи,

як апаратурні процедурні елементи діють на базове керування, і

правила для згортання та розширення процедурної моделі

керування по відношенню до підключених рецептурних

процедурних елементів, апаратурних процедурних елементів та

апаратурних об'єктів.

8.2. Зв’язування рецептурних та апаратурних процедурних елементів та

базового керування.

Логічне розділення рецептів і обладнання дає можливість розділити

конкретні означення, інструкції та інформацію для продукту (тобто, рецепти) від

можливостей обладнання (тобто апаратурних об’єктів). Це розділення є

абстрактним, логічним і природнім. При реалізації не обов’язково робити фізичне

розділення, що відповідає логічному. Розглянемо два приклади:

- Керівний рецепт, або його частина можуть бути завантажені у

вбудований в систему керування комп'ютер, що був поставлений

виробником фізичного обладнання, яке також містить апаратурні

90

об’єкти керуючої апаратури.

- Керівний рецепт може працювати в спеціально виділеному комп'ютері,

який використовує підключення до мережі, щоб спілкуватися з

апаратурними об’єктами та його керуючою апаратурою.

Як ми розглянемо нижче, у обох випадках логічне розділення існує, хоча

фізичне розділення в першому випадку не так очевидно.

Рисунок 8.2 показує логічне розділення між процедурними елементами

керівного рецепту і апаратурного об’єкту, використовуючи повну модель

процедурного керування в керівному рецепті. Нагадаємо, що процедурна модель

рецепту може бути згорнутою, коли в рецепті відсутні етапи, а зв’язування

елементів відбувається на вищих рівнях. На рисунку 8.2 рецептурний етап містить

посилання на апаратурний етап, тобто, який є частиною конкретного

апаратурного об'єкту. Вимогою такого посилання є однаковість типів

рецептурного та апаратурного процедурних елементів.

Рис.8.2. Розділення типів процедурних елементів і зовнішнього процедурного

елементу

Оскільки рецептурний етап і апаратурний етап являються процедурними

елементами вони мають аналогічну структуру та зміст, які були означені вище,

тобто стани, режими, атрибути і стратегії. Рецептурний етап і апаратурний етап

можуть мати людино-машинні і машино-машинні інтерфейси для прийому

91

вхідних команд, режимів та даних, а також для відображення і передачі свого

статусу, режиму і даних.

Апаратурні етапи повинні посилатися на джерело зовнішнього апаратурного

керування яке командує базовим керуванням. Між апаратурними етапами та

функціями базового керування існує відношення "багато до багатьох", оскільки

один апаратурний етап може посилатися на один або кілька наборів функцій

апаратурного керування, так само як той же модуль апаратурного базового

керування може посилатися на один або декілька різних апаратурних етапів. У

апаратурних етапах для вибору правильного апаратурного базового модуля

керування, а також відправки правильних команд, режимів та даних і отримання

відповідних даних та стану в зворотному напрямку, використовуються функції

координаційного керування. Координаційне керування також відповідає за збір

даних, отриманих назад з стратегії задачі процесу. Це потрібно для того, щоб

визначити поточний стан і режим апаратурного етапу, а також обробити

виключення або зробити дії, визначені конфігурацією.

Оскільки кожен з трьох елементів (рецептурних етапів, апаратурних етапів та

базового керування) в конкретній конфігурації застосування може працювати

асинхронно, поширення їх поточних статусів має проводитися в порядку від

обладнання базового керування - до апаратурного етапу - до рецептурного етапу з

можливістю відображення і забезпечення керування на будь-якій з цих точок.

8.3. Використання рецептурних процедурних елементів у майстер-

рецептах

Для того, щоб рецептурний процедурний елемент в керівному рецепті

пов'язати з апаратурним об’єктом, майстер рецепт з якого створюється керівний

рецепт повинен містити достатньо інформації.

Автори рецепту повинні могти побудувати майстер-рецептурну процедуру

технологічної комірки, використовуючи компонувальні блоки для рецептурних

об’єктів, що існують в бібліотеці. Компонувальні блоки (building blocks) – це

багаторазові набори рецептурних процедурних елементів, які містять

інкапсульовані процедурні елементи та/або посилання на апаратурні процедурні

елементи. Це дозволяє автору рецепту створювати нові і підтримувати існуючі

майстер рецепти без детального знання взаємозв'язків з апаратурними об’єктами,

необхідними для реальної роботи.

Компонувальні блоки повинні бути розроблені і підтримуватися інженерами

автоматизації, які розуміють посилання і зв'язки між окремими рецептурними

процедурними елементами і апаратурними об’єктами. Для того, щоб рецептурний

процедурний елемент мав можливість посилатися на апаратурний процедурний

елемент, він повинен бути ідентифікований, що дозволяє правильно пов'язати ці

елементи. У іншому випадку, він повинен посилатися на інші рецептурні

процедурні елементи або включати їх і визначати порядок виконання цих

процедурних елементів.

Апаратурні процедурні елементи зв’язуються як правило з використанням:

- Ідентифікатору, через який може посилатися на нього рецептурний

процедурний елемент, або апаратурний процедурний елемент, що

92

знаходиться вище в ієрархії

- Опису функціональних можливостей, що надаються

- Змінних, які можуть отримати формулу та іншу інформацію про

параметри з рецепту

- Команд або/та інструкцій для базового керування

Це дозволяє автору рецепту працювати з більш високорівневим процедурним

елементом для визначення процедури а також мати процедурні елементи більш

низького рівня, як частину цієї процедури. Це може мати місце тоді, коли

процедурний елемент вищого рівня був попередньо налаштований щодо одного

або більше процедурних елементів нижчого рівня. Якщо автор рецепту викликає

процедурний елемент вищого рівня, виконуються процедурні елементи нижчого

рівня і стають частиною процедури, навіть якщо вони невидимі для автора

рецепту.

Якщо процедурний елемент в рецепті використовується більш, ніж один раз,

може виникнути необхідність для однозначної ідентифікації кожного екземпляру

процедурного елементу для оператору і архіву партії (batch history).

8.4. Варіанти зв’язування при неповній процедурній моделі в рецепті

Вище описано, як керівні рецепти підключаються до апаратурних об’єктів у

тому випадку, коли в керівному рецепті використовується повна модель

процедурного керування. Коли повна модель процедурного керування не

використовується є ще багато варіантів для налаштування з'єднання між керівним

рецептом і апаратурним об’єктом.

Керівний рецепт, як мінімум повинен містити процедури технологічної

комірки, так як вони не можуть бути вилученими з моделі. Однак процедурна

ієрархія в керівному рецепті не обов’язково повинні включати в себе процедури

апарату, операції і етапи. Така рецептурна процедура повинна бути пов'язана (за

посиланням) з процедурними елементами в апаратурних об’єктах. Якщо

процедурний елемент, такий як рецептурна процедура технологічної

комірки/апарату/етапу, пов'язаний з апаратурним об’єктом, він повинен бути

пов'язаний з апаратурним процедурним елементом на тому ж рівні (наприклад,

рецептурна процедура апарату з апаратурною процедурою апарату).

На рис.8.3 видно, як в межах того ж керівного рецепту, процедури

рецептурної процедури апарату, рецептурної операції та рецептурного етапу

можуть посилатись на апаратурні об’єкти. Для відображення рецептурних

процедурних елементів що посилаються на апаратурні процедурні елементи (EPE)

в апаратурних об’єктах на рисунку використовуються округлені прямокутники.

93

Рис.8.3. Посилання на апаратурні об’єкти на різних рівнях в середині процедури

технологічної комірки керівного рецепту (EPE - equipment procedural elements)

При згортанні повинні бути прийняті до уваги наступні міркування:

- Якщо рівень процедурних елементів вилучається, наступний вищий за нього

рівень повинен взяти на себе його функції і містити стратегію порядку

виконання задач по керуванню наступним нижчим за нього рівнем і будь-яку

іншу інформацію, яка б була викладена в вилученому рівні, в тому числі вимог

до обладнання та іншої інформації

- Найнижчий рівень обладнання процедурного керування повинен мати

функціональність для активації обладнання через базове керування.

Якщо повна модель процедурного керування розширюється за рахунок

додавання нових рівнів рецептурних процедурних елементів або нових рівнів

апаратурних процедурних елементів повинні бути дотримані ті ж принципи

використання як для повної і згорнутої процедурної моделі.


1. Прокоментуйте інформаційний потік від загального рецепту до об’єкту, що

показаний на рис.8.1. Чому частина потоків однонаправлені а частина

двонаправлені?

2. Яка вимога ставиться до процедурних елементів в рецептурному та

апаратурному об’єкті, щоб вони могли зв’язуватися?

3. Як відбувається зв'язок між апаратурним етапом та базовим керуванням?

4. Яким чином досягається можливість зв’язування процедурних елементів в

майстер рецепті з апаратурними елементами у новостворюваних рецептах

без участі інженера з автоматизації?

5. З використанням якої інформації відбувається зв’язування між

апаратурними та рецептурними процедурними елементами?

94

6. Назвіть можливі варіанти реалізації майстер рецепту, якщо не

використовується повна рецептурна модель? Які вимоги при цьому

ставляться до реалізації апаратурного процедурного керування?

7. Розкажіть про правила згортання для процедурної моделі рецепту?

95

9. Планування та контроль виконання

План.

9.1. Виробничі плани та графіки

9.2. Виробнича інформація

9.3. Розміщування і арбітраж

9.1. Виробничі плани та графіки

Виробничі плани і графіки формулюють виробничі вимоги для підприємства,

виробничих площадок, дільниць і технологічних комірок. Так як ці рівні фізичної

моделі працюють на різних часових горизонтах, в межах підприємства, як

правило, потребується набір різних типів планів і графіків. Докладне обговорення

їх виходить за рамки стандарту ISA-88. Нижче обговорюються тільки планування

що потребується на рівні технологічної комірки, а також графік виготовлення

партій.

9.1.1. Графік виготовлення партій

Графік виготовлення партій (batch schedule, план-графік виготовлення

партій) зазвичай містить більш детальну інформацію, ніж виробничі плани і

графіки, що націлені на вищі рівні підприємства. Він містить інформацію про

кількість і тип продуктів, які повинні бути зроблені, а також час виготовлення в

конкретній технологічній комірці. Це визначає, які партії повинні бути зроблені,

порядок їх виготовлення, і обладнання, яке для цього буде використовуватися.

Цей графік також має справу з такими питаннями, як потреби в людських

ресурсах, варіанти сировини, а також вимоги до пакування.

Часові горизонти для графіку виготовлення партій залежать від швидкості

процесів і можуть бути виміряні в хвилинах, годинах, змінах або днях. Графік

виготовлення партій базується на конкретних ресурсах і потребах технологічної

комірки. При розробці графіку визначаються можливі варіанти шляхів і

використовуваного обладнання. Щоб графік виготовлення партій був

повнозначним, у будь який час, при значних відхиленнях від запланованого часу,

запланованих ресурсів, або інших передбачуваних чинників, на яких базується

графік, його необхідно оновлювати. Наприклад, оновлення графіку може

потребуватися тоді, коли технологічна діяльність не встигає закінчитись до

запланованого часу. Незалежно від того, чи затримується закінчення

технологічної діяльності, чи навпаки - завершується достроково, головним

фактором є те, чи може це вплинути на інші графіки в цій технологічній комірці

або в інших комірках, пов'язаних з нею.

У графіку виготовлення партії міститься наступна типова інформація:

- Назва продукту

- Ім'я майстер рецепта для партії

- Кількість продукту (в інженерних одиницях)

- Обладнання та матеріали, дозволені для використання, наприклад,

перелік шляхів і сировини

96

- Плановий режим роботи

- Порядок ініціювання та пріоритетність партії

- ID лоту (попередньо призначений)

- ID партії (якщо попередньо призначений)

- Планові час початку і час закінчення

- Розташування готової партії

- Вимоги, залежні від замовника

Ключовим для ефективного порційного(періодичного) виробництва є

комплексний метод, який пов'язує різні плани і графіки з наборами даних для

партії. Набір даних для партії (Batch data collection) є джерелом своєчасної

інформації, що забезпечує зворотний зв'язок від процесу для точного

налаштування планів і графіків. Щоб під час фактичного виробництва партії

графіки могли бути оновлені протягом короткого часового горизонту, інформація

необхідна в реальному часі. Ця оновлена інформація також дозволяє

користувачеві бути поінформованим про стан лотів і/або партій в графіку.

9.1.2. Кампанія (Campaign)

Заплановану послідовність виготовлення партій можна назвати кампанією

(Campaign). Цей термін описує загальний спосіб експлуатації виробничих

об'єктів, що відносяться до вироблення партій. Кампанії можуть бути означені з

однієї або декількох причин. Зокрема, наприклад:

— Кожна партія є меншою ніж необхідна кількість речовини, що потрібно

виробити, так що тільки декілька партій разом можуть відповідати

запитам виробництва. Партії все ще пов'язані з конкретним запитом на

виробництво та колективно можуть бути описані як кампанії продуктів

(product campaign).

— Декілька партій можуть бути виготовлені з використанням одного майстер-

рецепту, навіть якщо запити на виробництво не пов'язані, за винятком

того, що вони вказують на той ж самий отриманий продукт. Це може

бути визначено як кампанія партій (batch campaign).

— Послідовність рецептів, як виробничих і невиробничих (наприклад мийка),

можуть бути пов'язані в послідовності виконання для формування

кампанії.

— Послідовність рецептів можуть бути виконані для здійснення процедур не

пов’язаних з продуктом, таких як мийка і стерилізація устаткування. Це

може бути описано як кампанія мийки або стерилізації (cleaning or

sterilization campaigns), що виконують той же непродуктовий майстер

рецепт але для різних одиниць обладнання.

Кампанії зазвичай не видно в технологічній комірці, вони є результатом

процесу планування, що призводить до послідовності виконання запланованих

партій для однієї або декількох технологічних комірок.

97

9.2. Виробнича інформація

Інформація, яка генерується в процесі виробництва повинна бути зібрана і

надана за місцем призначення у потрібному вигляді. На найвищому рівні

підприємства, наприклад, може бути підсумкова інформація по всьому

виробництву, така як обсяг виробництва того або іншого продукту, який був

досягнутий на конкретній ділянці або на всіх виробничих площадках, або скільки

продукту доступно.

З метою виконання статистики і порівнянь розробники технології (Process

development) також можуть потребувати детальну інформацію про проходження

процесу для окремих партій. На рівні технологічної комірки, в якій фактично

створюються партії, є потреба в більш докладній і оперативній інформації. Це

потрібно для повсякденного моніторингу за виробництвом, для внесення коректив

до графіку, або, щоб вдосконалювати процес від партії до партії.

Виробнича інформація може бути надана для конкретної партії, або бути

загальною для декількох або всіх вироблених партій.

9.2.1. Інформація по конкретній партії (Batch-specific information)

Інформація по конкретній партії може включати в себе:

— Копію керівного рецепта, який був використаний для створенні партії. Копія не

обов’язково має бути ідентичною початковому (оригінальному) рецепту,

оскільки може змінюватися із-за дій оператору, проблем з обладнанням і т.д.

Може бути бажаною фіксація початкового (оригінального) і фактичного

керівного рецепту.

— Дані рецепту (Recipe data). Це фактичні дані процесу, які співвідносяться з

заданими в формулі рецепту, такі як кількість і тип завантаженого матеріалу.

Це може потім бути використано для порівняння зі значеннями в

оригінальному рецепті.

— Специфічні для рецепту дані (Recipe-specified data). Це дані, набір яких

задається рецептом. Прикладом є інформація по керуванню процесом, що

повинна записуватися в тренд.

— Сумарні дані по партії (Summary batch data). Це такі дані, як споживання

енергоресурсів, час роботи обладнання, температури для всієї партії.

— Коментарі оператора

— Неперервні дані (Continuous data). Це дані процесу, які записуються в

трендовий архів всередині партії незалежно від конкретних подій з метою

надання точної передісторії цих вимірювань.

— Дані про події (Event data). Це дані з передбачуваних і непередбачуваних

подій, таких як початок та закінчення виконання процедурних елементів, або

непередбачуваних подій процесу або обладнання.

— Дані по діям оператора (Operator data). Вони включають в себе записи про

будь-яке втручання оператора, що могли вплинути на обробку партії (включно

ID оператора).

— Дані лабораторних аналізів (Analysis data). Це дані, які пов'язані з офф-лайн

вимірюванням і аналізом. Сюди може входити вимірювана величина, ID

оператора, ID лаборанта, час внесення результатів, і час відбору проби.

98

9.2.2. Загальна інформація по партіям (Common (non-batch specific) batch

information)

Приклади загальної інформації по партіям (не по конкретній) включають в себе:

— Інформація по контролю якості (Quality control information). Це інформація, що

відноситься до моніторингу якості сировини і якості обробки.

— Інформація по інженерним системам (Utility systems information). Це процесна

інформація для такого обладнання, як нагрівачі та охолоджувачі, що

безпосередньо не приймають участі у виготовленні партій, але підтримують

роботу обладнання, що задіяне в виготовленні партій.

— Архів дій по обладнанню (Equipment history). Це історичні відомості, такі як

використання обладнання, калібрування і технічного обслуговування.

— Експлуатаційна документація (Operational documentation). Це включає в себе

таку документацію, як наприклад, обсяги виробництва, зведення по

матеріальним затратам і статистики по запасам.

— Інформація по матеріалам (Materials information). Це, як правило, така

інформація, як якість, інформація про упаковку та маркування вхідних та

вихідних матеріалів.

9.2.3. Архів партії (Batch history)

Всю записану інформацію, що відноситься до партії називають архівом

партії (batch history). Архів партії, як правило, включає в себе інформацію по

конкретній партії однак також може включати загальну інформацію по партіям,

або посилання.

У багатьох регульованих галузях, ведення архіву по партіям так само

важливо, як і сам продукт. Без надійного і точного обліку партії, не може бути

забезпечена якість продукції та відслідковуваність. Повний облік по партії також

надає інформацію, яка має неоціненне значення в процесі аналізу і постійного

вдосконалення.

Архів партії повинен зберігатися таким чином, щоб дати можливість зв'язати

дані з цієї партії (або партій), до якого вона належить з процесами, які відбулися.

Це значить, що додатково до конкретної ідентичності партії, дані повинні

асоціюватися з фактичним виконанням відповідних процедурних елементів, з

якими вони пов’язані. Структура виконуваної процедури може відрізнятися від

тієї, що зазначено в первинному (оригінальному) рецепті через втручання

оператора, обробку винятків або навіть із-за запланованої різноманітності в

процедурі, таких як зміни, викликані варіаціями ресурсних обмежень.

9.2.4. Звіти по партіям (Batch reports)

Вибірка даних, пов'язаних з однією або декількома партіями називається

звітом по партіям (Batch reports). Вибірка і впорядкування даних в звіті може

змінюватися в залежності від передбачуваного отримувача звіту по партії. Нижче

99

наведені деякі з типових одержувачів звітів по партіям а також тип інформації, що

як правило, включається в ці звіти:

— для керівництва виробництвом (production management): ці звіти зазвичай

надають ключову економічну інформацію про результати процесу і

використання ресурсів з кількох партій.

— для розробників продукту (технологи, product development): ці звіти зазвичай

включають детальну інформацію про процес для окремої партії або

порівняльні аналогічні дані між групами партій.

— для експлуатаційного персоналу виробництва (plant operations): ці звіти

зазвичай включають дані, зібрані на поточний момент проходження процесу.

— для менеджерів по якості (quality management): ці звіти зазвичай містять

інформацію для документування по якості партії, яка може бути корисна в

статистиці по якості.

— для контролюючих органів (authorities): ці звіти зазвичай надаються в якості

документації по виробництву, що відповідають певним правилам.

— для споживачів (customers): ці звіти, як правило, являються документацією по

якості продукції і рівномірності процесу.

9.3. Розміщування і арбітраж

При використанні спільних ресурсів (common resource) необхідно визначити

механізми їх розподілу для партії або обладнання і арбітраж їх використання у

випадку, коли ними повинні скористатися одночасно більш ніж один запитувач.

Такі спільні ресурси, як обладнання, повинні назначатися (assigned)

конкретній партії або апарату, якщо їм потрібно їх використати для завершення

або продовження обробки. Розміщування (Allocation) є однією з форм

координаційного керування, що займається цим назначенням. Якщо для

розміщування існує більш ніж один кандидат, в якості основи для вибору ресурсу

може бути використаний такий алгоритм вибору, як "вибір найкоротшого часу

заповнення". Якщо для одного ресурсу проводиться більш ніж один запит, щоб

визначити, якому запитувачу буде надано даний ресурс необхідний арбітраж

(arbitration). У якості основи для арбітражу може бути використаний такий

алгоритм, як "перший прийшов/першим обслужений".

Нижче розміщування і арбітраж обговорюються тільки стосовно обладнання.

Тим не менше, ці концепції застосовуються однаково добре і до інших ресурсів,

таких як оператори.

9.3.1.Спільні ресурси

Сама природа періодичного процесу вимагає того, щоб декілька асинхронних

діяльностей проходило ізольовано один від одного, з періодичними точками

синхронізації. На час, який необхідний для однієї або декількох асинхронних

діяльностей від однієї точки синхронізації до наступної можуть впливати багато

факторів, як очікуваних так і несподіваних. З цих причин, і через властиві зміни в

будь-якому виробничому процесі, дуже важко точно передбачити заздалегідь те

обладнання, яке буде доступне у потрібний момент часу. Навіть у тому випадку,

коли був запланований графік з повною оптимізацією, з точки зору використання

100

обладнання, послідовності обробки, бажано давати можливість використовувати

альтернативне обладнання, що буде зроблено у випадку, коли заплановані для

партії апарати недоступні. У цьому випадку при розміщуванні апаратів на партії,

якщо партія може пройти різними шляхами через доступне обладнання, кожного

разу робиться рішення по маршрутизації через обладнання та вибору шляху.

Якщо більш ніж один апарат може оволодіти (acquire) або запитувати

послуги одного ресурсу, то він позначається як спільний ресурс (common

resource). Спільні ресурси часто присутні в складних періодичних процесах.

Спільні ресурси часто реалізовуються у вигляді агрегатів або модулів керування.

Спільний ресурс може бути ресурсом ексклюзивного користування (exclusive-use)

або колективного користуванням (shared-use).

Якщо ресурс позначений як ексклюзивного користування (exclusive-use), то

в один момент часу тільки один апарат може використовувати цей ресурс.

Прикладом ресурсу з ексклюзивним користуванням може бути спільний для

всього заводу зважувальний танк. Він може бути використаний тільки одним

реактором одночасно. Графік або інша сутність, що базується на розміщуванні,

повинні врахувати ексклюзивність ресурсу. Якщо реактор очікує доступності

зважувального танку в той час як інший використовує його, він простоює а отже

не виробляє продукт, що негативно впливає на оптимальність використання


Якщо спільний ресурс позначений як колективного користування (shared-

use), кілька апаратів можуть використовувати ресурс одночасно. Прикладами

ресурсів колективного користування на заводі з порційним виробництвом можуть

бути: підігрівачі, які служать для декількох апаратів одночасно; системи

розподілу сировини, які здатні забезпечити матеріалом більш ніж один апарат

одночасно. Якщо можливості ресурсів колективного користування обмежені, то

може скластися ситуація, що запити на надання послуг можуть перевищити

пропускну здатність ресурсу. У цьому випадку ті ж аспекти, що враховувалися

при розміщуванні ресурсів ексклюзивного користування застосовуються і для

ресурсів колективного користування. Також необхідно слідити за тим, щоб один

апарат не зміг вимкнути або деактивувати ресурс, в той час як інші апарати

використовують його.

9.3.2. Арбітраж (Arbitration)

За наявності кількох запитувачів для ресурсу, для того, щоб можна було

зробити необхідне розміщування потрібен арбітраж. Арбітраж розв’язує

конкуренцію за ресурси відповідно за деяким заздалегідь заданим алгоритмом і

забезпечує остаточну маршрутизацію або напрямок розміщування. Алгоритм

арбітражу може приймати різні форми, такі як за заздалегідь визначеним

розкладом з резервуванням, схем пріоритету партій, або він може покладатися на

вибір оператора. Арбітраж може вирішуватися за допомогою резервування

ресурсів (resource reservation) і витіснення (preemption).

Резервування (Reservation) дозволяє претендувати на розміщення в ресурсі

до фактичного розміщування. Резервування дає змогу арбітражу базуватися на

майбутніх потребах, що надає йому більшого пріоритету ніж перший запит на

розміщування даного ресурсу коли той простоює. Витіснення (Preemption) має

101

місце в тому випадку, якщо партія з більш високим пріоритетом може скасувати

або перервати використання ресурсу, призначеного партії з нижчим пріоритетом.

Якщо це дозволено, то найчастіше пов'язано з розміщуванням ресурсу

ексклюзивного користування, але можна застосувати для розміщування будь-

якого ресурсу.


1. Яку інформацію містить графік (план-графік) виготовлення партії?

2. Що враховує план-графік виготовлення партії на відміну від плану верхніх

рівнів керування?

3. Розкажіть про причини коригування план-графіків під час їх виконання. Як

при цьому використовується набір даних для партії?

4. Що таке кампанії? У яких випадках доцільно використовувати кампанії?

5. Яке призначення виробничої інформації?

6. Яка інформація по конкретній партії і для чого може використовуватися?

7. Що може включати в себе загальна інформація по партіям і для чого вона

може використовуватися?

8. Що таке архів партії і для чого він використовується?

9. Навіщо потрібні звіти по партіям? Яку інформацію вони можуть включати в

залежності від призначення звіту?

10. Для чого використовується розміщування (allocation)? У чому є

необхідність розміщування?

11. Для чого використовується арбітраж?

12. Що таке спільний ресурс? Які апаратурні об’єкти можуть бути спільними

ресурсами?

13. Як типи спільних ресурсів визначені в ISA-88? Чим вони відрізняються?

14. Для чого використовується резервування та витіснення?

102

10. Керівні діяльності та функції керування періодичним виробництвом

згідно ISA 88

План.

10.1. Модель керівної діяльності.

10.2. Керування рецептами

10.3. Нотація PFC для означення рецептів

10.4. Планування і складання графіку виробництва

10.5. Керування виробничою інформацією

10.6. Керування технологічною коміркою

10.7. Керування апаратом

10.8. Керування технологічним Процесом

10.9. Захист персоналу і навколишнього середовища

10.1. Модель керівної діяльності

Для успішного керування порційним (періодичним) виробництвом повинно

бути реалізовано багато керуючих функцій, характерних для цього типу

виробництва. Ці керуючі функції означують як в порційному виробництві буде

керуватися обладнання, створюватися рецепти, плануватися та контролюватися

випуск продукції по партіям, які були описані вище. Ці функції об'єднуються в

сім керівних діяльностей, які показані у вигляді моделі керівної діяльності

(Control Activity Model) на рис.10.1

Рис.10.1. Модель керівної діяльності

103

Модель керівної діяльності, що показана на рис.10.1 показує тільки основні

залежності між різними керівними діяльностями і не призначена для

відображення усіх можливих зв'язків. Показані залежності досягаються через

інформаційний потік між керівними діяльностями. Метою цього рисунку є тільки

відображення зв’язку а не означення типів залежностей. Означення основних

залежностей наведено в цьому розділі нижче як керівні функції, що згруповані в

межах кожного виду керівної діяльності. Слід зазначити, що наведена на рис.10.1

модель перекликається з функціональною моделлю MOM, що показана на рис.2.8.

З цієї точки зору, системи керування, що виконані відповідно до ISA-88

перекриваються частиною функцій з ISA-95 щодо функцій вироблення продукції.

Керівна діяльність показує відношення до реальних потреб в середовищі

порційного виробництва. Функції керування загальними, місцевими та майстер

рецептами потребують діяльності таких підсистем, як Керування Рецептами

(Recipe Management). Виготовлення партій повинно відбуватися в межах

запланованого раніше часу. Ці функції керування відносяться до Планування і

складання графіку виробництва (Production Planning and Scheduling). Різні типи

виробничої інформації повинні бути доступними, збиратися і зберігатися в архіві

партії (batch history). Ці функції керівної діяльності в моделі бере на себе

керування виробничою інформацією (Production Information Management).

Функції генерування керівного рецепту, ініціювання та контролювання

виготовлення партії, координація апаратів, отримання журналів та звітів

підпадають під Керування технологічною коміркою (Process Management, Process

Cell Management). Є багато затребуваних функцій, наприклад виділення ресурсів,

керування виконанням процедурних елементів і координація діяльностей, що

відбуваються на рівні керування процесом, які відносяться до Керування

апаратом (Unit Supervision). У керуванні процесом (Process Control),

обговорюються функції керування, якими займається безпосередньо обладнання,

такі як функцій керування за допомогою регульованих пристроїв та/або стано-

орієнтованих пристроїв.

Нарешті, поряд із захистом навколишнього середовища, головною турботою

повинні бути безпека персоналу та оточуючих людей. Ці функції керування

охоплює керівна діяльність Захисту персоналу та охорони навколишнього

середовища (Personnel and Environmental Protection).

Стандарт ISA-88 не накладає обмеження щодо реалізації цих керівних

діяльностей. Це можуть бути як функції однієї спеціалізованої системи керування,

так і окремих програмних модулів.

10.2. Керування Рецептами

Керування рецептами (Recipe Management) – це набір функцій для

створення, зберігання і підтримки загальних, місцевих та майстер рецептів.

Підсумковим виходом цієї керівної діяльності є майстер рецепт, який потрібен

для Керування технологічною коміркою (Process Cell Management), яка в свою

чергу використовує його для створення керівного рецепту (див рис.10.2).

104

Рис. 10.2. Керування рецептами

10.2.1. Означення процедурних елементів загального рецепту

Керуюча функція «означити процедурні елементи загального рецепту»

(define general recipe procedural elements) створює, підтримує і робить

доступними для подальшого використання процедурні елементи, які

використовуються в якості компонувальних блоків в означенні процесу

загального рецепту і місцевого рецепту.

Процедурні елементи, означені цією керуючою функцією можуть бути

технологічними діями, технологічними операціями, технологічними стадіями

і/або повним означенням процесу загального рецепту. Не всі рівні процедурних

елементів повинні бути означені.

Ця керуюча функція означує процедурні елементи загального рецепту, що

засновані на технологічній стратегії, що необхідна для різних продуктів і

описаних розробниками технології. Потім ця інформація стає доступною для

керуючої функції «означити процедурні елементи майстер рецепту». Таким

способом намір процесу процедурних елементів загального рецепту може бути

відомий на рівні майстер рецепту. Стратегії повинні бути інтерпретовані і

перетворені в процедурні елементи, які уможливлюють гнучку і модульну

конструкцію загальних рецептів. Чим ширше діапазон продуктів, що можуть

використовувати цю модульність опису технологічної діяльності, тим легше

створити загальний рецепт. Що ще більш важливо, модульні технологічні дії,

технологічні операції, технологічні стадії і/або повний набір означення процесу,

105

що часто повторно використовуються, як правило роблять перетворення рецептів

на нижчі рівні набагато легшим а рецепти - більш послідовними.

10.2.2. Означення процедурних елементів майстер рецепту

Керуюча функція «означити процедурні елементи майстер рецепту» створює,

підтримує і робить доступними для подальшого використання процедурні

елементи, які використовуються в процедурах майстер рецептів технологічної

комірки. Вони стають будівельними блоками процедури майстер рецепта


Процедурні елементи майстер рецепту повинні відображувати технологічні

можливості, необхідні майстер рецептам. Якщо вони генеруються із загальних і

місцевих рецептів, тоді технологічні стадії, технологічні операції та технологічні

дії будуть відображатися відповідно на процедури апаратів, операції і етапи. Ця

керуюча функція означує відношення між технологічними діями і етапами, між

технологічними стадіями і операціями, і між технологічними стадіями і

процедурами апарату. Вона також означує загальний вміст процедур

технологічних комірок, процедур апаратів, операцій і етапів для забезпечення

максимально послідовного використання наперед означених процедурних

елементів по всьому діапазону продуктів, які будуть виготовлені на об'єкті.

Коли виконується похідний від майстер рецепту керівний рецепт, його

процедурні елементи повинні мати можливість посилатися на апаратурні

процедурні елементи, принаймні, на рівні рецептурного етапу. Тому повинна

відбуватися тісна координація з розробленням апаратурних процедурних

елементів, гарантуючи, що рецептурні процедурні елементи адекватно

відображають керуючі можливості цільового обладнання. При необхідності, будь-

яка нова функціональність доступна через створення нових процедурних

елементів, разом зі зміною асоційованого керування та обладнання.

У доповнення до створення компонувальних блоків для процедури

технологічної комірки, ця керуюча функція може також означувати обмеження на

конфігурування майстер рецептів, таких як правила, що стосуються допустимого

порядку рецептурних етапів і обмежень в правах автору рецепту використовувати

рецептурні етапи в якості компонувальних блоків. Визначення таких обмежень

повинні бути зроблені на основі багатьох факторів, таких як безпека, складність

створюваної задачі, необхідної гнучкості і перевірки окремих процедурних

елементів.

У різних реалізаціях представлення означення процедурних елементів

(компонувальних блоків) може бути різним. У SCADA Zenon наприклад це

відбувається в середовищі розробки шляхом означення етапів доступних для

технологічної комірки, апарату чи агрегату (на рівні бібліотеки розділення між

типами обладнання не проводиться). Самі етапи як компонувальні блоки мають

зв’язки з реалізацією процедурних елементів через змінні та функції Zenon, які в

свою чергу взаємодіють з ПЛК. Інші процедурні елементи (процедури апарату та

операції) створюються в Zenon тільки в режимі виконання.

106

Рис. 10.3. Приклад означення процедурних елементів майстер рецепту в SCADA

Zenon (COPA DATA)

10.2.3. Керування загальними, місцевими та майстер рецептами

Функції «Керувати загальними рецептами» та «Керувати місцевими

рецептами» є керівними функціями, за допомогою якої ці рецепти створюються,

підтримуються і зберігаються. Основою для загального рецепта служать

конкретні технологічні вимоги, що надаються в результаті розробки

технологічного процесу для створення продукту. Місцевий рецепт створюється

шляхом об'єднання інформації з відповідного загального рецепта з конкретною

інформацією виробничої площадки. Для створення цих типів рецептів

використовуються тільки елементи, що означені керуючою функцією «означити

процедурні елементи загального рецепту».

«Керувати майстер-рецептами» є керуючою функцією, за допомогою якої

майстер рецепти створюються, підтримуються і зберігаються. Майстер рецепти

означуються на основі конкретних технологічних вимог для розглянутого

продукту. Ці конкретні технологічні вимоги можуть бути виражені в загальному

або місцевому рецепті.

Перетворення місцевих рецептів в майстер рецепти може бути складним

завданням. Створення процедури технологічної комірки на основі наперед

визначених процедурних елементів, повинні відповідати наміру означення

процесу місцевого рецепту. Перетворення (або створення) змісту формули слідує

тій же самій загальній логіці, що використовується для відображення

технологічних дій на рецептурні етапи. Розмір партії є фіксованим або

встановлюється допустимий діапазон розміру партії. Відповідним чином

коригується інформація для формули. Вимоги до обладнання перетворюються у

107

вимоги, що можуть бути перевірені порівнянням з фактичним кінцевим

обладнанням.

Для створення процедур рецептів ("технологічної програми") можуть

використовуватися різні інструменти та підходи. Зокрема відомі табличний,

текстовий, або у вигляді діаграми Ганта. У ряді випадків використовується мова

SFC (Sequential Function Chart) або GRAFCET які добре знані інженерам з

автоматизації. Хоч ці мови досить добре підходять для означення процедурного

керування, вони безпосередньо не призначені для створення рецептів. У якості

альтернативи до них можна використовувати іншу нотацію, яка наведена у другій

частині стандарту ISA-88 (ANSI/ISA-88.02) і називається Procedure Function Chart

(PFC). У наступному пункті розглянемо її більш детально.

10.3. Нотація PFC для означення рецептів

Мова PFC (Procedure Function Chart), як означено в стандарті ANSI/ISA-

88.02, призначена для підтримки рецептів зі складними процедурами (наприклад,

паралельні кроки, вибірка), які варіюються від одного продукту до іншого.

PFC базується на Функціональних Схемах (Function Charts), означених в IEC

60848 (GRAFCET). Так само як в GRAFCET або SFC, у PFC передбачається, що

кроки слідують за переходами а переходи за кроками. Однак існують значні

відмінності між GRAFCET/SFC і PFC, що пов'язані з відповідністю до вимог

процедурного керування. Наприклад, у batch-керуванні, апаратурні процедурні

елементи містять процедурну логіку, яка сама регулює, коли і як елементи

виконуються і завершуються. А у Grafcet та SFC крок завершується тоді, коли

спрацьовує умова переходу за ним. Іншою принциповою відмінністю є

обов’язкова циклічність мережі Grafcet/SFC, і в противагу до нього - завершеність

апаратурних етапів в batch-керуванні. Підхід PFC підтримує незалежне виконання

процедурних елементів. Ще одна відмінність, яку слід розглядати в PFC є

багаторівнева структура рецептурних процедурних елементів. Тому повинно бути

ясно, чи на схемі зображений символ рецептурного етапу, рецептурної операції,

рецептурної процедури апарату, або всієї рецептурної процедури технологічної

комірки.

Для означення послідовності виконання процедурних елементів в PFC

зображують процедурну логіку, використовуючи послідовність символів, які

з'єднані між собою за допомогою направлених зв'язків. Виконання процедурних

елементів може відбуватися послідовно або паралельно, і виконання може

залежати від умовної логіки. Можуть бути зображені такі види діяльності, як

виконання процедури апарату, операцій, етапів та перевірка переходів. Загалом,

потік виконання відбувається зверху вниз і зліва направо.

Діаграма PFC використовується для відображення процедурної логіки для

всіх рівнів рецепта: рецептурна процедура технологічної комірки, рецептурна

процедура апарату, і рецептурна операція.

10.3.1. Елементи

Діаграма PFC означується набором символів для

1. процедурних елементів (elements)

108

2. точок початку та кінця (begin and end points);

3. розміщування ресурсів (resource allocation);

4. синхронізації процедурних елементів (element synchronization);

5. рецептурних переходів (recipe transitions);

6. базових структур (basic structures) : прямий зв'язок (directed links),

альтернативна послідовність (sequence selection), одночасна послідовність

(simultaneous sequences).

Накладаються вимоги тільки для глобального представлення символів;

розміри і деталі (наприклад, товщина ліній і шрифту символів) залишаються на

розгляд кожної реалізації.

Для зображення різних типів процедурних елементів використовуються

прямокутники з різним "кутовим" маркуванням (див. рис.10.3). Всередині

прямокутника вказується ідентифікатор процедурного елементу, тобто

бібліотечного компонувального блоку, який буде викликаний в даному місці

процедури. Процедурні елементи, що вміщують інші (нижче по ієрархії)

процедурні елементи можуть маркуватися "+" в правому верхньому кутку (див.

також 10.6 та 10.8). Приклади процедурних елементів з інкапсуляцією показані на

рис.10.6(а) та 10.6(б).

Рис. 10.4. Графічні символи для позначення початку та кінця процедури та різних

типів процедурних елементів: вверху без позначення інкапсульованих ПЕ; внизу з

позначенням інкапсуляції ПЕ.

PFC повинен на містити як мінімум один символ початку і один символ кінця

процедури (рис.10.4).

Нагадаємо, що деякі ресурси повинні розміщуватися (allocated) на партію

перед тим, як партія може використовувати їх. Для відображення в PFC

розміщування конкретного ресурсу при виконанні цього рецепту

використовується овальний значок (дивись рис. 10.4). Символ розміщування може

представляти дані і/або логіку, яка визначатиме, що буде виділено на партію

(наприклад, які конкретні апарати, або яким критеріям повинні задовольняти

109

апарати, агрегати, матеріали чи персонал) і коли буде зроблене розміщування на

партію (наприклад, через дві години після початку процедури іншого апарату).

Символ розміщування може містити логіку, яка повинна бути виконана при

керуванні технологічним процесом або за допомогою апаратурних процедурних

елементів, які не обов'язково пов'язані з фактичним фізичним обладнанням. Для

вказівки початкової умови для наступного рецептурного об’єкту, який слідує за

символом розміщування може бути використаний явний перехід. Символ

розміщування також може бути використаний для вказівки явного вивільнення

(de-allocation) ресурсу, який вказаний в символі.

Між рецептурними елементами можна зробити синхронізацію, яка теж

показується на PFC (дивись рис. 10.5 та 10.6(а) та 10.6(б)). Синхронізація

передбачає одночасне виконання процедурних елементів до їх завершення.

Синхронізація повинна бути зображена у вигляді прямокутників біля елементів

що синхронізуються, які з’єднані між собою лінією. Лінія графічно повинна

відрізнятися від звичайної зв’язної лінії для елементів. Якщо синхронізація

відбувається з переміщенням (транспортування) матеріалу, лінія може

закінчуватися стрілкою для визначення напрямку руху матеріалу. Замість лінії

синхронізації може використовуватися унікальний ідентифікатор, який

ідентифікує конкретну взаємодію.

Рис. 10.5. Приклади синхронізації процедурних елементів

110

Рис. 10.6(а). Приклади з синхронізацією процедурних елементів та прихованою

структурою процедур апаратів

10.3.2. Переходи

У PFC зображуються два типи переходів – неявні і явні. Прямий зв'язок, що

складається з однієї лінії між рецептурними об'єктами (дивись рис. 10.7) вказує на

перехід, єдиною умовою для якого має бути те, що об’єкти, які безпосередньо

передують переходу завершили своє виконання. Для цього типу переходу не

потрібно вводити логіку переходу.

Для вказівки явного рецептурного переходу на прямому зв'язку вказується

подвійна лінія перпендикулярно до лінії зв’язку (рис.10.7) в якій означується

умова переходу. Перехід до наступного елементу PFC відбувається після того, як

апаратурний етап закінчить виконання і умова переходу виконалася. Цей перехід

означується виразом, який приймає значення істини (TRUE) або хибності

(FALSE). Після того, як об’єкт, що безпосередньо передує переходу стає

активним, перехід постійно перевіряється на виконання умови.

Перехід використовується для виконання двох функцій:

1. для переривання виконання гілки процедурної логіки рецепта;

2. для запиту завершення всіх безпосередньо попередніх процедурних

111

елементів (наприклад, процедури, операції, етапу).

Рис. 10.6(б). Приклади з синхронізацією процедурних елементів та розкритою

структурою процедур апаратів

Завершення безпосередньо передуючого процедурного елемента може бути

умовою виразу. Якщо умова виконується, то до активних процедурних елементів,

які безпосередньо передують переходу, буде відправлено запит на завершення.

Якщо безпосередньо передуючі процедурні елементи припиняються до того, як

умова виконується, то перехід буде продовжувати оцінювати свою логіку, поки це

не стане істиною.

Об'єкт, який безпосередньо слідує за переходом повинен приводитися в дію

тільки після того, як умова переходу стає істиною і процедурні елементи, що

передували їй завершуються.

112

Рис. 10.7. Неявні та неявні переходи.

10.3.3. Базові структури

Структури визначають передбачуваний потік виконання рецептурних

елементів. Найпростіший випадок являє собою послідовність (ланцюжок)

рецептурних процедурних елементів, які будуть активовані один за іншим. Більш

складні структури включають в себе вибір послідовності (альтернативне

розгалуження) і одночасне виконання послідовностей (паралельне розгалуження).

Альтернативне розгалуження та сходження позначаються горизонтальними

одинарними лініями, аналогічно як в SFC чи Grafcet. Приклад альтернативного

розгалуження та сходження показаний на рис.10.8 та 10.10. Кожна гілка (branch)

вибраної послідовності повинна починатися з переходу. Вибір одного шляху, з

декількох можливих варіантів, представлена у вигляді декількох можливих

переходів (тобто під горизонтальною лінією). З них тільки одна послідовність

повинна бути обрана. Умови переходів повинні перевірятися по пріоритету зліва

направо. Закінчується гілка явним або неявним переходом.

Паралельне розгалуження та сходження позначаються горизонтальними

одинарними лініями, аналогічно як в SFC чи Grafcet. Приклад паралельного

розгалуження та сходження показаний на рис.10.9 та 10.11. При виконанні умови

переходу 1 одночасно активуються елементи усіх гілок, що знаходяться нижче

неї. Сходження відбувається при виконанні умови переходу 2 і закінченні

виконання усіх елементів в гілках вище умови.

113

Рис. 10.8. Альтернативне розгалуження та сходження.

Рис. 10.9. Паралельне розгалуження та сходження.

Необхідно виконувати певні правила при побудові діаграм PFD. Паралельні

розгалуження не можна закінчувати альтернативним сходженням, та навпаки –

альтернативні розгалуження не можна закінчувати паралельним сходженням.

Стандарт не забороняє використання циклічних структур, але при цьому треба

бути обережним щоб виконання рецепту не зависло в нескінченному циклі.

114

Рис. 10.10. Приклад базової структури.

10.3.4. Ініціація та виконання процедури технологічної комірки і процедури

апарату

На рис.10.11 показаний приклад рецептурної процедури технологічної

комірки. Процедура технологічної комірки активується при старті керівного

рецепту. На кожному рівні нижче технологічної комірки, прямі зв’язки чітко

вказують порядок, в якому рецептурні процедурні елементи стають активними.

Ініціювання рецептурної процедури апарату може бути пов’язано з виконанням

план-графіку. Процедура апарату активується тоді, коли спрацьовує умова

переходу, що йде наступною за символом розміщування.

Коли в діаграмі досягається символ кінця, включений процедурний елемент

завершується.

115

Рис. 10.11. Приклад рецептурної процедури технологічної комірки.

10.3.5. Інша інформація рецепту

Вся інша інформація, яка є частиною майстер рецепту але графічно не

показується пов'язується з конкретним елементом або символом в процедурі

майстер рецепта. Стандарт ISA-88 навмисно не означує, як реалізується ці

відношення або посилання. У графічній реалізації, наприклад, посилання можуть

бути показані чимось подібним до виноски, а інформація може бути записана

разом з процедурним елементом. В електронній реалізації це може бути зроблено,

наприклад, через спливаючі вікна.

Нагадаємо що у рецепті необхідно передбачити налаштування інформації з

формули, що складається з входів процесу, параметрів процесу і виходів процесу.

У залежності від контексту і передбачуваного використання, інформація формули

повинна бути в змозі відобразитися в повному обсязі (наприклад, пов'язані з

рецептурною процедурою технологічної комірки), в частинах (наприклад, тільки

вхід процесу або для конкретної процедури апарату) або як підсумкова формула

нижнього рівня. При цьому формула повинна бути пов'язана з процедурним

елементом рецепта. Наприклад, кількість продукту, який виробляє рецепт може

бути пов'язана з рецептурною процедурою технологічної комірки, в той час як

кількість матеріалу для додавання в реактор, може бути пов'язана з певним

етапом. Застосування формули допускає підсумовування всіх процедурних

параметрів рецептурних елементів, які були означені в якості вхідних даних

процесу, так що може бути наданий список входів процесу для всього рецепта,

процедури апарату, або операції.

Для виконання рецептурних процедурних елементів є специфічними вимоги

до обладнання. Інструмент PFC повинен надавати користувачу можливість

переглянути вимоги до обладнання, які пов'язані з кожним процедурним

елементом окремо або для всіх елементів в сукупності.

116

10.4. Планування і Складання Графіку Виробництва

Планування і Складання Графіку Виробництва (Production Planning and

Scheduling) це діяльність пов'язана зі створенням план-графіку для партії, який

передається керуванню технологічною коміркою (Process Cell Management).

Більшість функцій, що потрібні для забезпечення роботи цієї керівної діяльності

знаходяться поза сферою застосування стандарту ISA-88. У стандарті

розглядається тільки одна керуюча функція - «Розробити графіки виробництва

партій» (develop batch schedules). Вона приймає вхідні сигнали від інших типів

план-графіків, майстер рецептів, а також бази даних ресурсів, і на основі

алгоритму планування (автоматичного або ручного), розробляє графік

виробництва партії.

У цю керуючу функцію, як правило, включені наступні можливості:

- Розроблення план-графіку виробництва партії, що базується на інформації з

відповідного джерела і вибраного алгоритму планування

- Розроблення модифікованого план-графіку партії на вимогу, що базується

на істотних змінах на виробництві партії та інформації про стан

технологічної комірки, наданої функціями Керування технологічної

комірки (Process Cell Management)

- Враховування ручного втручання в процес планування

- Визначення доступних ресурсів в якості входу у процес планування

- означення розміру партії

- Визначення можливості виконання план-графіка на вказаному цільовому

обладнанні

10.5. Керування Виробничою Інформацією

Керування виробничою інформацією (Production information management) –

це керівна діяльність, яка бере участь в процесі збору, зберігання, оброблення та

звітування виробничої інформації, що використовується в періодичному

виробництві. У стандарті ISA-88 розглядаються тільки ті керуючі функції що

відповідають за роботу з архівом партії.

Архів партії (Batch history) являє собою сукупність даних, що відносяться до

однієї партії. Він може бути зорганізований в одному або декількох файлах або

таблиць на кожну партію, або представлений як частина бази даних що

відшукується через індексне поле і т.д.

Архів партії побудований із записів. Запис (entry) являє собою частину

інформації про партію, що представляє одне значення або набір значень, які

описують одну подію, зареєстровану в архів партії за одну дію.

«Керувати архівом партії» (Manage batch history) – є керуючою функцією,

що як правило, включає в себе наступні можливості:

— отримання і зберігання інформації з інших частин системи керування

— операції з архівними даними (Manipulating historical data)

— створення звітів партії (batch reports)

117

Керуюча функція «Керувати архівом партії» здійснюється незалежно від

використовуваного обладнання і від часу виготовлення партії. Наприклад, після

виконання партії можуть бути додані лабораторії дані.

10.5.1. Отримання і зберігання інформації з інших частин системи керування

Введення даних із зовні в архів партії ініціюється системами керування

технологічної комірки (Process Cell Management), Керування апаратом (Unit

Supervision) і керування технологічним процесом (Process Control)

Всі дані по архіву партії слід збирати і зберігати таким чином, щоб включати

в себе або надавати простий доступ до:

— ідентифікатора партії (batch identification);

— абсолютна відмітка часу (реального часу);

— ідентифікатора процедурних елементів, з якими дані асоціюються;

— часу, відносно початку або кінця партії, або виконання процедурного

елементу;

— незалежних від обладнання ідентифікаторів записів (equipment-independent

entry identification);

— використовуваного обладнання.

Для необхідної кількості архівів партій потребується відповідний обсяг

пам'яті. Він повинен включати в себе достатню ємність для зберігання архівів як

для всіх запущених партій, так і для завершених партій аж поки не будуть

прийняті відповідні заходи (друкування звітів, довгострокове резервне

копіювання або дія, яка буде вказана). Якщо необхідно зберігати дані за межами

максимального часу, дозволеного обсягом пам’яті, повинна існувати можливість

експорту архіву партії на носії довгострокового зберігання або зовнішні системи.

Повинна бути забезпечена можливість отримати ці архіви партій для подальшого

вилучення даних.

Для кожного типу запису повинні бути обрані відповідні властивості, що

включають:

— керування доступом: керування доступом до системи збору даних (data-

gathering system), включаючи конфігурацію і фактичні зібрані дані;

— контрольний журнал (audit trail): визначення всіх маніпуляцій, що сталися з

кожною окремою частиною інформації, в тому числі визначення

особистості або частини системи керування, що брали участь в цьому;

час і, в деяких випадках, пояснення;

— надійність архівування (logging reliability): опис необхідної надійності

архівування. Можна виділити три рівня надійності архівування (logging

reliability):

a) Бажаний (Nice to have) – в разі виходу з ладу не робити ніяких

конкретних дій. Наприклад, дані для оптимізації, статистики

відмови обладнання (equipment reliability statistics) і т.д.;

b) Обмежений – допустима наявність «отворів», якщо в архіві партії

вказується відмова (архівні дані відсутні з … по ….).;

c) Критичний – дані повинні бути доступні. Якщо вони відсутні, то

повинні бути доступні процедури резервування (електронне або

ручне резервне копіювання, можливість відтворення і т.д.).

118

Важливість точного архівування інформації цього типу може бути

такою самою як досягнення якості продукції, як по фінансовим

причинам (бухгалтерського обліку) так і з причин

безпеки/відповідальності продукції. Тому приймаюча функція

повинна мати можливість забезпечувати зворотній інформаційний

зв'язок по загальному її стану (а також окремий зворотній зв'язок

підтвердження по кожному запису керівної діяльності, що

архівується), що дозволяє їй виконувати буферизацію,

резервування чи реінтеграцію, або, за необхідності і наявності

дозволу, затримки процесу.

— рівень деталізації (level of detail): в рецепті повинен бути чітко визначений

рівень деталізації, і бути пов'язаний з технологічною коміркою або

частиною технологічної комірки. Повинна бути забезпечена можливість

відображення відсутності запису, за причини відсутності події, або із-за

того, що він нижче встановленого рівня деталізації.

— архівування фактичної історичної інформації (logging of actual historic

information): записи архіву партії повинні, в міру можливості,

відображати фактичні фізичні/хімічні події, які впливають на партію, а не

тільки ту, що передбачалося в рецепті. Це значить, що характер і обсяг

даних, що реєструються буде варіюватися в залежності від змін у

виробництві партії.

— довгострокова цілісність (long-term consistency): Повинна бути добре

описана міра, в якій інтерпретація даних партії покладається на

інформацію за межами архіву партії. Це може бути списки перехресних

посилань між тегами плинних значень і тегами записів партії або імен

змінних. Така інформація повинна бути стабільною в довгостроковій

перспективі. Якщо відбуваються зміни або модифікації, то для

використання в пошуку даних повинні бути збережені версії, які мають

відношення до моменту обробки.

— Швидкість збору (speed of collection): Швидкість збору слід вважати

критичним фактором. Для того щоб проаналізувати причини будь-яких

аномальних умов, важливо, щоб система була здатна записувати події і

дії в точному порядку, в якому вони мали місце.

Сукупність архівів партії може підтримувати відстеження партії та матеріалу,

якщо архіви підтримують повний огляд партій, в тому числі обладнання, що

використовувалося, і ідентифікаторів сировини. Архів партії забезпечує зворотне

відстеження (backwards tracing) у тому випадку, якщо для певного кінцевого

продукту архіву партії можна відстежити всі залучені для нього процеси,

обладнання та інгредієнти (і залучені процеси, обладнання та інгредієнти цих

інгредієнтів). Пряме трасування (Forward tracing) доступне, якщо можна

простежити як певна подія або використання певної сировини впливає на всі

кінцеві задіяні продукти.

Архів діяльності функції "Керування технологічною коміркою" повинен

включати в себе записи інформації, пов'язаної з ініціюванням і маршрутизацією

партії, а також незалежної від обладнання інформації пов’язаної з партією. Ця

інформація включає

119

— майстер рецепт з якого був отриманий керівний рецепт – або у вигляді копії

або у вигляді посилання;

— інформацію про будь-які зміни та виконання керівного рецепту, включаючи

розміщування обладнання (equipment allocation), час початку

виготовлення партій і процедур апаратів;

— опис або коментарі операторів, що базується на їх спостереженнях при

обробці партії та ідентифікатори цих операторів

Архівовані дані з систем керування апаратами та керування процесом можуть

стосуватися однієї або декількох партій, або загальних ресурсів, інженерних

систем і т.п. В останньому випадку дані повинні бути доступними для всіх

необхідних архівів партій. Ці дані включають:

— неперервні дані (continuous data): неперервні дані означуються як дані

процесу, що зібрані незалежно від конкретних подій в межах партії, з

метою надання точної історії вимірювання про цей процес.

— попередньо задані дані партії (pre-specified batch data): дані, зазначені для

архівування під час виконання керівного рецепту. Специфікація цих

даних може виходити з рецепта або бути попередньо налаштована. Це

може бути, наприклад, необхідні кількості поданої речовини, або час

перемішування.

— передбачувані події (predictable events): події, виконання яких очікується, це

наприклад, час початку і завершення процедурних елементів.

— непередбачувані події (unpredictable events): дані кожної непередбачуваної

події означуються як окремий запис на основі непередбачуваного

процесу або фізичного стану в межах партії. Вони включають в себе такі

елементи, як тривоги процесу, відмови обладнання або інші позаштатні

умови. У разі тривог процесу, архівні дані можуть включати в себе

наступне:

d) Час активації

e) Час підтвердження

f) Час зникнення умови тривоги

g) Межа тривоги

h) Максимальне відхилення під час активності тривоги

i) Трендова інформація під час активності тривоги

— втручання оператору: будь-які втручання оператору, які можуть вплинути

на обробку партії. Втручання оператору, як правило, записується з

наступною інформацією:

a) тип втручання

b) ідентифікатор оператору (Operator ID)

Дані пізнього запису (Late entry data), це дані, які введені після виконання

частини процедури керівного рецепту, з яким вони пов'язані, або після

виробництва партії. Це такі дані, які, як правило, пов'язані з вимірюванням і

аналізом в офф-лайн (лабораторні аналізи). Керування архівом партії включає

записування таких даних, в тому числі встановлення зв'язку з відповідними

подіями партій (наприклад, відбір проб).

З пізніми записами можуть бути пов'язані наступні дані:

— Виміряне(ні) значення (Measured value(s))

120

— Ідентифікатор оператору (Operator ID)

— Ідентифікатор лаборанта (Lab technician ID)

— Час запису (Time of entry)

— Час заміру (відбору проби, Time of sample)

10.5.2. Операції з архівними даними

Типовими є наступні функції:

— Операції з даними (Data manipulation): зміна (якщо легальна) або

доповнення до архівних даних партії.

— Розрахунки (Calculations): виконання по даним партії розрахунків,

результатом яких є нові дані партії, пов'язані з цією партією.

— Стиснення даних (Data reduction): скорочення обсягу даних по історичній

інформації партії, що є особливо доречним для трендів. Втрати даних у

зв'язку зі стисненням повинні бути чітко означені і пов'язані з динамікою

даних, а також вимогами інформації що базуються на цих даних.

— Відстеження інформації по партії (Batch tracking information): встановлення

або підтримання зв'язку між архівами партій, що відповідають фізичному

переміщенню партій, починаючи від використання однієї партії в якості

сировини для іншої, до розщеплення або об'єднання архівів партій

внаслідок розщеплення або об'єднання партій.

10.5.3. Створення звітів по партії (Producing batch reports)

У стандарті ISA-88 будь-який експорт даних – в електронному вигляді або на

паперовому носії – називається звітом (report). Звіт по партії (batch report), як

правило, робиться за конкретним запитом. Має бути можливість зробити такий

запит без знання часу виробництва та обладнання, на якому воно проводилося. У

цьому випадку:

— у якості ідентифікатору запису для доступу до даних використовується

ідентифікатор партії (batch ID), а не частина обладнання;

— синхронізація проводиться по визначеним подіям партії (початок партії,

початок операції і т.д.);

— в загальному, записи вказані в термінах пов’язаних з партією, а не в

специфічних для обладнання тегах.

Дані архіву партії можуть бути отримані за запитами наступних замовників:

— Керування виробництвом (Production management): підсумковий огляд

виробництва, споживання сировини та інших ресурсів, інформація про

відстеження партії та лоту

— Керування рецептами (Recipe management): відомості про оптимізацію

рецептів, порівняння рецептурних даних і фактичних значень, аналіз

кореляції між декількома партіями і порівняння трендової інформації

— Керування технологічною коміркою (Process Cell Management): архів

поточних партій і порівняння зі старими партіями для відображення

оператору і оптимізації керування технологічним процесом

— Зовнішні системи (External systems):

a) керування якістю (quality control): статистичне керування процесом

121

(statistical process control), дотримання технічних характеристик

продукту, документація GMP (Good Manufacturing Practice)

b) технічне обслуговування (maintenance): тривоги, документація по

використанню обладнання

c) фінансові (financial): споживання сировини, продуктивність (yields),

вироблена кількість і т.д.

d) підтримка клієнтів (customer support): документація по продукту

— Внутрішні системи в керуванні архівом партії: Керування технологічною

коміркою може включати в себе функції для виконання зазначених вище

запитів і можливість експортувати або роздрукувати їх за запитом, через

регулярні проміжки часу, або після кожної партії.

Нижче наведене деякі з можливих елементів звітів по партіям:

— заголовок звіту (report header): цей заголовок містить інформацію про тип

звіту, про партію або партії, що представлені в звіті, описовий текст і т.д.

— окремі елементи (single elements): ці елементи даних можна побачити десь

на сторінці/екрані.

— списки подій (event lists): ці хронологічні списки одіємо-орієнтованих

записів із супутніми даними. Наприклад, це може включати в себе список

тривог або список втручання оператора.

— злиття записів в списки подій (merging of entries in event lists): записи з

різними тегами і різними типами можуть бути об'єднані в тому самому

списку.

— вибірка записів у список (selection of entries into lists): перед формуванням

списків записи можуть бути обрані у відповідності з різними критеріями.

Наприклад, записи можуть включати в себе тільки тривоги з високим

пріоритетом.

— тренди: ці дисплеї відображають одне або кілька значень на одній осі часу.

e) тренд однієї партії (single batch trend): це тренди, які відображають

дані з однієї партії або частини партії. Вони можуть відображати

кілька значень на одній осі часу. Відображення може бути в

відносному або абсолютному часі.

f) тренд для декількох партій (multi-batch trend): це тренди, які

порівнюють в одному екрані тренду значення від декількох партій.

Вони повинні бути з відносною віссю часу. Деякі змінні можуть

бути нормалізовані до стандартної величини.

g) маркування події в тренді: на трендовому дисплеї події можуть бути

показані у вигляді "позначок" на самому тренді або інших

індикаторів. Позначка повинна посилатися до конкретного запису

по події.

— часові ряди (time-series): це відображення часових рядів одного або

декількох записів у форматі таблиці. У дисплеях часових рядів (time

series displays) повинна бути вказана часова зона нечутливості (time-

deadband), в межах якої записи з різними тегами повинні відображатися в

тому самому рядку.

— інтерполяція (interpolation): повинні бути встановлені правила для

122

інтерполяції даних, якщо в одному рядку повинні бути відображені дані з

різними часовими записами (entry-times) або якщо ці дані

використовуються при розрахунках.

10.6. Керування технологічною коміркою

Підсистема Керування Технологічною Коміркою (Process Cell Management)

являє собою набір функцій, які керують всіма партіями і ресурсами в межах

технологічної комірки. У рамках даної керівної діяльності, з майстер рецептів

створюються керівні рецепти, кожна партія означується як сутність (об’єкт),

ініціюються і контролюються виготовлення окремих партій, для розрішення

конфліктів в рамках технологічної комірки організовуються ресурси для їх

використання, збираються дані технологічної комірки і дані партії (див рис.

10.12).

Рис.10.12. Керування технологічною коміркою

На рівні технологічної комірки часто виробляються декілька партій і може

бути декілька апаратів, кожен з яких може виконувати процедуру апарату для

окремої партії. Ця керівна функція на основі отриманої інформації з керівного

рецепту, планування, стану обладнання та інших спільних ресурсів повинна

скоординувати виконання процедур апаратів для кожної партії використовуючи

конкретне обладнання.

Успішне виконання керівного рецепту приводить до створення партії. У той

момент, коли процедура технологічної комірки керівного рецепту завершує своє

виконання, підсистема Керування Технологічної Комірки завершує створення

партії. Партія, яка була вироблена, не обов’язково повинна бути кінцевим

123

продуктом. Щоб зробити кінцевий продукт(и) може знадобитися виконання

кількох керівних рецептів в тій же або в різних технологічних комірках і/або

виробничих площадок. Коли партія залишає технологічну комірку, підсистема

Керування Технологічною Коміркою більше не відповідає за неї з точки зору

ідентифікації, відстеження партії і т.д.

Підсистема Керування Технологічною Коміркою може бути обговорена з

точки зору наступних трьох керівних функцій (див рис.10.12):

— Керувати партіями (Manage batches)

— Керувати ресурсами технологічних комірок (Manage process cell resources)

— Збирати інформацію про партію і технологічну комірку (Collect batch and

process cell information)

10.6.1. Керувати партіями (Manage batches)

Ця керуюча функція відповідає за створення керівного рецепту з майстер

рецепту, ініціювання початку виготовлення партії з урахуванням планування і

введеної оператором інформації, а також контролю за виконанням партії.

У цю керуючу функцію як правило включені наступні можливості:

— Створення керівного рецепту з майстер рецепту, на основі інформації з

планування і введеної оператором. Це може бути зроблено як

безпосередньо перед запуском виготовлення партії, так і задовго до

запланованого часу виконання. Керівний рецепт може бути створений

повністю з самого початку, або наповнюватися інформацією поступово

по мірі необхідності.

— Присвоєння унікального ідентифікатора партії (ID партії) для кожної партії і

пов'язаного з нею керівного рецепту. Партія може бути ідентифікованою

або названою по різному, але, принаймні повинен бути один

ідентифікатор, який використовується для посилання на неї – це ID партії

(batch ID). Batch ID в будь-який момент часу повинен бути перевірений

на абсолютну унікальність в межах технологічної комірки. ID партії може

бути заданий оператором, в план-графіці, або в підсистемі Керування

Технологічною Коміркою. Але перш ніж ID буде пов'язаний з партією,

спочатку як правило, перевіряється його унікальність.

— Перевірка керівного рецепту на правильність створення. Перевірка полягає

в гарантуванні того, що керівний рецепт є повним і може виконуватися на

обраному наборі апаратів. Це включає в себе перевірку того, що всі

процедурні елементи доступні, що інформація формули вірна, і що

необхідні ресурси можуть бути доступними в разі потреби.

— Задавання розмірів партії в керівному рецепті для задоволення необхідної

кількості, виходячи з правил визначення розмірів в майстер рецепті і

кількості, зазначеній в інформації планування партії. Рецепт може

включати в себе діапазон, в якому він може масштабуватися.

— Підтримка всіх поточних керівних рецептів в рамках підсистеми Керування

Технологічної Комірки аж до завершення виробництва партії.

— Призначення умов запуску рецепту як це зазначено в інформації планування

і/або задано оператором. Нижче наведені деякі з можливих умов запуску

виготовлення партії, які можуть бути використані або окремо, або в

124

деякій комбінації:

a) Запустити, як тільки апарат стає доступним

b) Запустити за спрямуванням оператора

c) Запустити, коли доступні вказані апарати

d) Запустити на підставі запланованого пріоритету партії

— Зміна будь-якої частини керівного рецепта, який ще не виконався. Це може

включати в себе можливість змінити процедуру технологічної комірки,

наприклад додати чи видалити процедуру апарату, операцію, і/або етап,

або повернення назад, щоб повторити процедуру апарату, операцію і/або

етап, які раніше були виконані.

— Запитування (Requesting) і вивільнення (releasing) апаратів та іншого

обладнання, змінюючи їх статус для відображення використання, і

оновлення функції Керування технологічної комірки на статус

виробництва партії.

— Моніторинг і контролювання виконання керівного рецепту(-ів), в тому числі

поточного стану партії, наприклад, визначення виконаних процедур

апаратів і наступних що слідують за ними.

— Оброблення запитів на зміну станів та режимів процедур технологічної

комірки, процедур апаратів, операцій і етапів.

— Надання дозволів керівному рецепту на розміщування в апаратах однієї

технологічної комірки, в тому числі своєчасного розподілу рецептів

апаратів підсистемам Керування Апаратами.

— Надання дозволу партії бути призупиненою, видаленою з обробки

обладнанням (запакованою (packaged) для тимчасового зберігання), і тим

самим виведеною з контролю підсистеми Керування Технологічною

Коміркою, з пізнішим повторним викликом для завершення обробки

партії.

— Збереження інформації про стан обробки партії. Керівний рецепт,

включаючи усі його модифікації, в процесі виконання або, принаймні,

після покидання партією технологічної комірки, повинен бути записаний

(зареєстрований) як частина архіву партії,.

— Оновлення інформації про партію для функцій збору партії і керування

технологічною коміркою.

10.6.2. Прокласти шлях і виділити ресурси технологічної комірки (Track and

allocate process cell resources)

Ця функція забезпечує розміщування апаратів та іншого обладнання

технологічної комірки на рецепт та їх резервування для доступності їх в керуванні

партіями. Для вирішення колізії між кількома запитами на той же ресурс

використовується арбітраж, як описано в попередніх розділах. Функція слідкує за

керування станом обладнання як зайнятого (allocated) і незайнятого (unallocated).

Ресурси технологічної комірки також включають матеріали (речовини), які

знаходяться в її межах. Відстеження та виділення ресурсів технологічної комірки

повинні включати інформацію про:

матеріали, які знаходяться в технологічній комірці,

125

матеріали, які попередньо розміщені за графіком виробництва партії,

матеріали, які доступні для розміщування під час виконання рецепта,

апарати, що містять матеріали і їх зайнятість.

Для того, щоб підсистема Керування Технологічною Коміркою мала

можливість назначати (to assign) обладнання або частини обладнання на активні

виконувані рецепти відповідно до графіку виробництва партії, має бути

передбачено закріплення (assignment) ресурсів на рівні технологічної комірки або

апарату (розміщування ресурсів). Під час виконання зміна розміщування

обладнання також повинна бути доступною операторам. Це нове розміщування

ресурсів може бути необхідне із-за несправності в обладнанні під час виконання

або наявності сировини, яка не може бути передбачена плануванням і складанням

графіку виробництва.

Нижче наведені можливості, які як правило, включені в цю керуючу

функцію:

— Отримання інформації про планування від підсистеми Планування і

складання графіку виробництва і надання цієї інформації функції

керування партіями;

— Розміщування або резервування обладнання при запиті функції керування

партіями (manage batches). Усередині технологічної комірки, партії

можуть переміщатися від апарату до апарату. У кожному апараті,

виконується частина керівного рецепту, що відповідає процедурі апарату.

Керування тим, яке обладнання розміщується на конкретну партію, і коли

може відбуватися переміщення, може потребувати вирішення на рівні

технологічної комірки. Нижче наведені деякі приклади того, як таке

розміщування може бути зроблено:

o відповідно до графіку виробництва партії, що позначає кожний

окремий апарат розміщування;

o відповідно до стратегії, визначеної на рівні технологічної комірки, що

поєднує вимоги до обладнання керівного рецепта і наявності та

можливостей обладнання під час виконання.

— Арбітраж, у міру необхідності, між декількома запитами для резервування

або розміщування одного і того ж обладнання під час виконання

керівного рецепту. Правила арбітражу може бути простим або складним,

в залежності від застосування. Прикладами арбітражних наборів правил

є:

o у порядку приходу запиту (FIFO – першим зайшов, першим вийшов)

o синхронізація запитів (наприклад, шляхом резервування обладнання)

o пріоритет партії

o максимізація коефіцієнта використання обладнання (наприклад, за

рахунок мінімізації вимог до мийки, мінімізації споживання енергії,

або максимізації пропускної здатності)

o рішення оператора

— Відстеження як виділеного так і незайнятого обладнання всередині


— Отримування інформації про стан виділеного та незайнятого обладнання

технологічної комірки;

126

— Оновлення інформації на всіх ресурсах технологічної комірки для функції

збирання інформації партії і керуючої функції технологічної комірки

— Оновлення підсистеми Планування і складання графіку виробництва

інформацією про хід виробництва партії, такою як

o batch ID;

o ID партії

o події зміни стану партії;

o фактичні кількості сировини, продуктів і інших ресурсів;

o закріплення (assignments) обладнання; і

o прогнозовані і фактичні розміщення і час звільнення ресурсів


10.6.3. Збирати інформацію технологічної комірки і партії (Collect batch and

process cell information)

Ця функція забезпечує збір інформації від функцій керування партіями і

функцій керування ресурсами технологічної комірки про події виробництва партії

та обладнання, яка потрібна підсистемам Керування виробничою інформацією. Ця

інформація може включати в себе:

— зміни режиму і стану

— покрокові копії керівних рецептів, при закінченні виготовлення кожної

частини

— час відправлення команд підсистемам Керування Апаратом і Керування

Процесом

— час відправки рецепту апарату підсистемі Керування Апаратом

— затримки зіткнення через відсутність готовності обладнання

— час розміщення, резервування та вивільнення кожного ресурсу


— запити і результати запитів на розміщення обладнання або резервування, які

вимагають арбітражу

— зміни стану в нерозміщеному (unallocated) обладнанні

— Втручання оператора

10.7. Керування Апаратом

Керування Апаратом (Unit Supervision) - це керівна діяльність, яка пов'язує

керівний рецепт з апаратурним керуванням використовуючи підсистему

Керування технологічним процесом (див рис.10.13). У цій керівній діяльності

існують три основні керуючі функції: заволодіти та виконати процедурні

елементи (acquiring and executing procedural elements); керувати ресурсами апарату

(managing unit resources), а також збирати інформацію по партії та апарату

(collecting batch and unit information).

127

Рис. 10.13.Керування Апаратом

10.7.1. Заволодіти і виконати процедурні елементи (Acquire and execute

procedural elements)

Підсистема Керування технологічною коміркою поставляє цій функції

інформацію про рецепт для апарату, а також іншу інформацію, яка потрібна для її

виробництва. Підсистема Керування апаратом повинна бути в змозі визначити з

рецепту:

процедурну логіку, яку потрібно запустити,

параметри,

апаратурні об’єкти які будуть використовуватися,

назву продукту

обмеження обладнання

номер партії.

Функція заволодіння процедурними елементами і їх виконання включає в

себе виконання процедур апаратів. Якщо процедура апарату є частиною

апаратурного керування в апараті, то ця керуюча функція пов'язує рецептурну

процедуру апарату (в тому числі параметри) з апаратурною процедурою апарату.

Функція заволодіння процедурними елементами і їх виконання включає в

себе також виконання операцій. Якщо операція є частиною апаратурного

128

керування в апараті, то вона пов'язується з рецептурною операцією (в тому числі

параметри). Ініціювання та параметризація етапів є частиною виконання операції.

Заволодіння процедурними елементами і їх виконання включають в себе

ініціювання та/або виконання апаратурних етапів. Є дві можливі ситуації:

Якщо етап є частиною апаратурного керування в апараті, ця керуюча

функція пов'язує рецептурний етап (в тому числі параметри), з

апаратурним етапом. Потім підсистема Керування апаратом виконує етап

обладнання в рамках даної керуючої функції.

Якщо етап є частиною апаратурного етапу в агрегаті, ця керуюча функція

повинна ініціювати і параметризувати даний апаратурний процедурний

елемент. Виконання апаратурного етапу здійснюється за допомогою

агрегату, і не являється діяльністю Керування апаратом.

У цю керуючу функцію як правило включені наступні можливості:

- Визначення того, які процедурні елементи повинні бути виконані

- Перевірка того, чи існують процедурні елементи

- Виконання процедур апаратів, операцій і апаратурних процедурних елементів

- З’єднування рецептурних процедурних елементів з апаратурними

процедурними елементами

- Ініціювання та параметризація апаратурних процедурний елементів.

10.7.2. Керувати ресурсами апарату (Manage unit resources)

Ця керуюча функція включає в себе керування ресурсами, які є частиною

апарату, керування ресурсами, які могли бути у володінні і до сих пір не

вивільнені (released), ініціювання запитів на ресурси, які в даний час не є

частиною апарату, запитів на послуги від інших апаратів, а також надання послуг

іншим апаратам.

Під час виконання рецепта, може виникнути необхідність заволодінням

ресурсу з колективним користуванням та/або ресурсом з ексклюзивним

користуванням, які згодом будуть вивільнені. Незважаючи на те, апарати не

можуть заволодіти іншими апаратами, вони можуть запитувати послуги від них

або надавати послуги іншому апарату в той час, поки рецепт визначає сумісну

процедурну логіку для обох апаратів. Етапи або операції в апаратах можуть

взаємодіяти між собою для того щоб виконати координаційну функцію.

Для того, щоб активувати функції, такі як переміщення речовини між

апаратами, може бути використана координація від апарату до апарату.

У цю керуючу функцію, як правило, включені наступні можливості:

— Видача запитів на обладнання, реагування на зворотний зв'язок з

обладнання, і взаємодія з арбітражними функціями, пов'язаними з

обладнанням в запиті.

— Забезпечення належного поширення станів та режимів апаратів та

процедурних елементів.

— Створення умов для збору інформації, що відноситься до виробничої партії

від зовнішніх пристроїв

129

10.7.3. Збирати інформацію про партію і апарат (Collect batch and unit

information)

Керуюча функція Збирати інформацію про партію і апарат (Collect Batch

and Unit Information) робить для підсистеми Керування Виробничою

Інформацією доступною інформацію про події Керування апаратом.

Збір даних може відбуватися за умовою. Тобто, деякі дані не завжди повинні

бути зібрані або можуть бути виміряні в різні часові інтервали, в залежності від

інформації, отриманої від іншої керуючої функції, наприклад, від параметрів,

переданих обладнанню від процедурного елемента.

Нижче наведені приклади типів зібраної інформації:

— Зміни режиму і стану

— відмітки часу (Timing) надсилання підсистемі Керування Технологічним

Процесом (Process Control) команд

— відмітки часу (Timing) виконання подій рецептурних процедур апаратів

— відмітки часу (Timing) та послідовності розміщування, резервування, і

вивільнення апаратурних об’єктів якими оволодівали апарати

— Зміни стану в апаратурному об’єкті

— Значення, отримані в ході виконання рецепту апарату

10.8. Керування Технологічним Процесом

Ця керівна діяльність охоплює процедурне і базове керування, включаючи

послідовне, регулювальне та дискретне керування, а також збір і візуалізацію

даних. Ця керівна діяльність може бути розподілена між декількома

апаратурними об’єктами, в тому числі апаратами, агрегатами і модулями

керування.

Керування Технологічними процесами може бути обговорено з точки зору

трьох керуючих функцій: виконати апаратурний процедурний елемент (execute

equipment procedural element), виконати базове керування (execute basic control) і

збирати дані (collect data) (див. рис. 10.14).

130

Рис. 10.14. Керування технологічним процесом

10.8.1. Виконати апаратурний етап (Execute equipment phases)

Це керуюча функція призначена для виконання логіки обробки команд,

отриманих від керування апаратом, з направленням команд на базове керування.

Вона ініціалізуєтся через керуючу функцію «Оволодіти і виконати процедурний

елемент» (Acquire and execute procedural element) в підсистемі Керування

апаратом.

Координаційне керування для етапів та апаратурний процедурний елемент є

частиною апаратурного об'єкта. Функція «Виконати апаратурний етап» (Execute

equipment phase) інтерпретує команду ініціалізації процедури і пов'язує необхідні

параметри рецепту з апаратурною процедурою. Апаратурним процедурним

елементом можна командувати і параметризувати до, або під час виконання.

Апаратурні об’єкти, що здатні виконувати цю керуючу функцію є агрегатами та

апаратами.

Ця керуюча функція не діє безпосередньо на фізичне обладнання. Вона

впливає на процес тільки через базове керування в модулі керування

(див.рис.10.15).

Ця керуюча функція включає в себе контроль режимів і станів апаратурних

процедурних елементів, зокрема:

— Поширення режимів і станів від/до будь-якого процедурного елемента і/або

апаратурного об'єкта;

— Поширення режимів і станів з апарату або агрегату, що виконує

апаратурний процедурний елемент; і

— Ручне втручання у виконання апаратурного процедурного керування.

131

10.8.2. Виконати базове керування (Execute basic control)

Виконання базового керування є керуючою функцією, яка викликає зміни в

обладнанні та станах процесу, посилаючи команди на виконавчі механізми і інші

модулі керування. Команди для базового керування можуть виходити з виконання

апаратурного процедурного керування або з іншої керуючої функції, такої як

ручні команди від оператора. Для виконання своєї функції базове керування

використовує значення від датчиків та інших керівних функцій. Виконання цієї

керуючої функції також може привести до інформування стану процесу,

обладнання, а також іншої інформації, що надається керуючим функціям вищого

рівня. За потреби можуть бути включені деякі інші базові керуючі функції, які

виконують послідовність переходів станів, обробку виключень, розрахунок та

обробку введеної оператором інформації і т.д.

Виконання базової керуючої функції не повинні містити елементи

процедурного керування і завжди конфігуруються як частина апаратурного

об'єкта. Ця керуюча функція також включає в себе зв'язок необхідних параметрів

з відповідною базовою керуючою функцією. Апаратурними об’єктами, які

безпосередньо здатні виконувати цю керуючу функцію є модулі керування.

Агрегати, апарати, і технологічні комірки також можуть виконувати базове

керування але тільки через модулі керування, які містяться в них або

використовуючи координовані ними модулі керування.

Ця керуюча функція також включає в себе контроль режимів і станів

апаратурних об’єктів, в тому числі:

— Поширення режимів і станів від/до будь-яких апаратурних об’єктів

і/або процедурних елементів; і

— Ручне втручання.

У разі, якщо апаратурний об’єкт є спільним ресурсом, ця керуюча функція

також може бути залучена в арбітраж конфліктуючих запитів і команд.

Зв'язок базового керування з етапом показані на рис.10.15.

10.8.3. Збирати дані (Collect Data)

У керуючій функцій Збирати Дані (Collect Data) дані з датчиків, отриманих

значень і подій, які відбуваються в області Керування Технологічними Процесами

збираються і зберігаються в архіві партій. Збір даних може відбуватися за

умовою. Тобто, деякі дані можуть не завжди бути зібрані або можуть бути зчитані

в різному часовому інтервалі, в залежності від інформації, отриманої від іншої

керуючої функції, наприклад, від параметрів, переданих в апаратурному етапі.

132

Рис. 10.15. Інтерфейс апаратурного етапу

10.9 Захист персоналу і навколишнього середовища

Керівна діяльність Захист персоналу і навколишнього середовища

(Personnel and environmental protection) забезпечує безпеку для людей і

навколишнього середовища. У моделі керівної діяльності ця діяльність показана

нижче діяльності Керування Технологічними Процесами, тому що ніяка інша

керівна діяльність не повинна втручатися між "Захистом персоналу і

навколишнього середовища" і польовою апаратурою, призначеною для роботи з

нею. Захист персоналу і навколишнього середовища, за означенням, виділяється

від рівнів керівної діяльності..

Захист персоналу і навколишнього середовища включена в модель керівної

діяльності для того, щоб підкреслити важливість цих типів систем захисту і

вказати місце розташування в моделі, яке підходить для введення окремої системи

захисту даного типу. Повне обговорення даної діяльності, класифікація цих типів

систем, а також поділ рівнів блокувань всередині цих систем є окремою темою і

виходить за рамки стандарту ISA-88.


1. Які керівні діяльності виділені в стандарті ISA-88 для реалізації функцій

керування періодичним виробництвом?

2. Яке призначення керівної діяльності керування рецептами? Які складові

функції входять до неї?

3. Яке призначення функцій керування загальними, місцевими і майстер

рецептами?

133

4. Виходячи з яких ґрунтувань створюються компонувальні блоки (процедурні

елементи) для загальних та місцевих рецептів?

5. Виходячи з яких ґрунтувань створюються компонувальні блоки (процедурні

елементи) для майстер рецептів?

6. Яким чином відбувається перетворення місцевого рецепту в майстер рецепт

у функції керування майстер-рецептами?

7. Для чого призначена мова PFC? На яку мову програмування МЕК-61131

вона схожа? Які основні відмінності від неї?

8. Розкажіть про основні принципи побудови діаграми PFC. Які основні

елементи і для чого використовуються в PFC?

9. Яким чином на PFC показуються процедурні елементи різного типу?

10. Навіщо і яким чином використовується символ розміщування? Яким чином

ресурс розміщений в партії можна явно вивільнити?

11. Що таке синхронізація процедурних елементів? Як показується на PFC

синхронізація?

12. Як в PFC показуються переходи? Чим відрізняються явні та неявні

переходи?

13. Як перехід впливає на логіку виконання процедурних елементів, що

передують йому?

14. Розкажіть про використання альтернативного та паралельного

розгалуження.

15. Які можливості, як правило, доступні в функції "Розроблення графіків

виробництва партій"?

16. Що таке Архів партії (Batch history) та запис архіву(entry)?

17. Які можливості надає функція керування архівом партії?

18. До яких даних архіву партії к правило необхідний доступ?

19. Які властивості налаштовуються для кожного типу запису?

20. Які типи відстеження можуть підтримуватися функціями керування архівом

партії?

21. Яку інформацію про діяльність функцій керування технологічною коміркою

повинен включати архів партії?

22. Які дані з систем керування процесом та апаратом необхідно архівувати в

архіві партій?

23. Що таке дані пізнього запису? У яких випадках вони потрібні в функції

керування архівом партії?

24. Які типові операції можна провести з архівними даними при керуванні

виробничою інформацією?

25. Чому звіт по партіям повинен бути доступним без вказівки часу та

обладнання виробництва при генерації звіту? Які ж тоді вхідні параметри

використовуються для звітування?

26. Для кого може формуватися звіт по партіям? Які при цьому дані

відображаються в звіті?

27. Наведіть можливі елементи звітів по партіям.

28. Яке призначення підсистеми Керування технологічною коміркою (Process

Cell Management)

134

29. Використовуючи рис.10.12 прокоментуйте функції керування

технологічною коміркою, їх взаємозв’язок та зв'язок з зовнішніми

системами.

30. За що відповідає керуюча функція "Керувати партіями"? Які можливості

вона як правило надає?

31. На основі якої інформації і коли створюється керівний рецепт?

32. Як і коли партії присвоюється ідентифікатор?

33. Які можливі умови запуску виготовлення партії можуть бути надані

функцією "Керувати партіями"?

34. Які можливості по зміні керівного рецепту як правило доступні в керуванні

партіями?

35. Яке призначення функції "Прокласти шлях і виділити ресурси технологічної

комірки"?

36. Що впливає на розміщування ресурсів технологічної комірки на партію?

Хто або що і в які моменти часу може проводити це розміщування?

37. Які можливості, як правило, включені в функцію "Прокласти шлях і

виділити ресурси технологічної комірки"?

38. Наведіть приклади арбітражних правил щодо розміщування обладнання.

39. Яке призначення функції "Збирати інформацію технологічної комірки і

партії"?

40. Яке призначення функції "Заволодіти і виконати процедурні елементи"?

41. Як відбувається заволодіння і виконання процедури апарату?

42. Як відбувається заволодіння і виконання операції?

43. Як відбувається заволодіння і виконання етапу?

44. Яке призначення функції " Керувати ресурсами апарату "? Якими ресурсами

може заволодіти апарат?

45. Яким чином апарат може скористатися послугами іншого апарату? У яких

випадках це потрібно?

46. Яке призначення функції "Збирати інформацію про партію і апарат"? Які

дані як правило потрібно збирати і коли?

47. Розкажіть про призначення керуючих функцій керування технологічним

процесом та їх взаємодію, використовуючи рис.10.14.

48. Яке призначення функції "Виконати апаратурний етап"? Яким чином

апаратурний етап взаємодіє з реальним обладнанням?

49. Яке призначення функції "Виконати базове керування"? У яких

апаратурних об’єктах повинна виконуватися дана функція?

135

Література.

1. Автоматизація виробничих процесів [Текст] : підручник / І. В. Ельперін,

О. М. Пупена, В. М. Сідлецький, С. М. Швед ; Нац. ун-т харч. технол. — 2-ге

вид., випр. — К. : Ліра-К, 2015. — 378 с.

2. Промислові мережі та інтеграційні технології в автоматизованих системах

[Текст] : навч. посіб. / О. М. Пупена, І. В. Ельперін, Н. М. Луцька,

А. П. Ладанюк. — К. : Ліра-К, 2011. — 552 с.

3. Промислові контролери [Текст] : навч. посіб. / І. В. Ельперін ; МОН України,

НУХТ. — К. : НУХТ, 2003. — 320 с.

Mes конспект

Engineering

Transcript of Mes конспект