Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Vliv normy ANSI/ISA-88.01 na řízení vsádkových procesů

Automa 10/2001

doc. Ing. Jaroslav Poživil, CSc. (jaroslav.pozivil@vscht.cz)
Ing. Martin Žďánský (martin.zdansky@vscht.cz)
Ústav počítačové a řídicí techniky, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze

Vliv normy ANSI/ISA-88.01 na řízení vsádkových procesů

Příspěvek pojednává o normě ANSI/ISA 88.01, definující standardní terminologii, koncepty a modely pro vsádkové výroby a jejich řízení, a o jejím vlivu především na systémy řízení vsádkových výrobních procesů. Jsou diskutovány přínosy provázející její aplikace při navrhování řídicích systémů, při vlastním řízení vsádkových výrob a také při integraci různorodých informačních a řídicích systémů ve výrobních podnicích.

1. Úvod
Vsádkový způsob provozování chemických a potravinářských procesů má dlouhou tradici. Jde o postupy používané od věků při pečení chleba, vaření piva, kvašení vína, domácí výrobě slivovice atd. Přitom je z našeho pohledu pozoruhodná skutečnost, že ačkoliv jsou vsádkové procesy historicky starší než procesy kontinuální, je úroveň jejich automatizace a řídicích systémů většinou výrazně nižší. Za přelomový okamžik lze považovat až rok 1995, kdy byla uzavřena první etapa prací vedených organizacemi ANSI (American National Standard Institute) a ISA (The Instrumentation, Systems, and Automation Society, dříve známá jako Instrument Society of America) a byla vydána norma věnovaná modelům a terminologii v oblasti řízení vsádkových výrobních procesů [1]. Od té doby se také, za současného tlaku tržního prostředí a nových technologií, datuje bouřlivý rozvoj řídicích systémů vsádkových procesů.

Obr. 1.

Při studiu publikací z oblasti řízení vsádkových procesů z poslední doby si čtenář jistě všimne častých pochvalných zmínek o normě S88.01, popř. S88, a jejích úspěšných aplikacích. Jde o označení běžně používané pro normu [1] v literatuře i v praxi. Jako na S88 tudíž budeme většinou na [1] odkazovat i v tomto článku a s ním souběžném textu (viz dále).

V českém průmyslu, včetně chemického, je však norma S88 dosud méně známa. Tento příspěvek a souběžný samostatný text Co lze nalézt v normě ANSI/ISA-88.01 ([16]), informující o samotné normě S88 podrobněji, si tudíž kladou za cíl seznámit čtenáře s normou S88 a současně naznačit odpověď na důležitou otázkou – jak máme v celkovém kontextu S88 chápat? Obsah normy S88 se zdá být docela jednoduchý – poskytuje obecné modely a terminologii pro definování požadavků na řízení vsádkových výrob. Ovšem její aplikace v praxi již tak jednoduchá není ([3], [4]).

Úvodem ještě konstatujme, že norma [2], přestože je na S88.01 návazná, není v tomto příspěvku v žádném ohledu předmětem našeho zájmu.

2. Charakteristika vsádkových procesů
Přestože ve velkotonážních výrobách chemických komodit (kyselina sírová, kyselina dusičná, louh sodný atd.) převládají kontinuální procesy, mají v chemické výrobě nezastupitelnou roli i procesy diskontinuální (vsádkové). Jsou ekonomicky výhodné zejména pro malotonážní výroby specializovaných produktů s velkou mírou přidané hodnoty (např. farmaka, chemické speciality, barviva, velmi čisté chemikálie apod.). Vsádkové výroby jsou charakterizovány opakovaným zpracováním vsádky surovin či polotovarů podle stejného předpisu. Vsádky postupně procházejí výrobní linkou (obr. 1). Na lince se přitom může střídat výroba podobných produktů, jejichž výrobní postup se do určité míry liší (tzv. víceproduktové výroby). Mezi přednosti vsádkového způsobu organizace výroby patří zejména značná flexibilita, která umožňuje jednak rychle reagovat na změny odbytu, krátce termínované objednávky apod., jednak snadno měnit technologii, zejména zavádět nové, popř. modifikované výrobky. Ve srovnání s kontinuálními umožňují vsádkové výroby mnohem snáze sdílet výrobní zařízení, skladové kapacity, pracovní síly a další zdroje.

Obr. 2. Příklad hierarchie a funkce informačních a řídicích systémů ve výrobním podniku

Obr. 2. funkce:
podpora strategického rozhodování (EIS – Executive Information Systems)
podpora taktického rozhodování (DSS – Decision Support Systems, MIS – Management Information Systems)
podpora operativních činností (TPS – Transaction Processing Systems, ERP – Enterprise Resource Planning)
podpora off-line řízení (CAD – Computer Aided Design, CIS – Customer Information Systems, GIS – Geographical Information Systems)
podpora on-line řízení (CAM – Computer Aided Manufacturing, CIM – Computer Integrated Manufacturing, BCS – Batch Control Systems, DCS – Distributed Control Systems, PLC – Programmable Logic Controller

Požadavky na řízení jsou u vsádkových výrob podstatně větší než u výrob kontinuálních, kde jde většinou o stabilizaci stacionárního režimu výroby. Příčinou je složitost vsádkových výrob (skládají se obvykle z několika desítek výrobních operací) a současně dynamický charakter vsádkových procesů. Ten je dán jak samotnou podstatou vsádkových operací proměnlivých v čase (např. reakční směs v plášťovém reaktoru s mícháním se nejprve ohřeje na reakční teplotu, pak probíhá reakce při měnících se koncentracích a stavových podmínkách, následuje chlazení apod.), tak cyklickým charakterem některých operací ve výrobním procesu (např. v chemii a farmacii seřízení výrobního aparátu, napouštění surovin, vlastní proces, vypouštění produktu, popř. čištění). Velké nároky na řízení jsou dále zapříčiněny především víceproduktovým charakterem většiny vsádkových výrob a častými změnami výrobního postupu, vyplývajícími ze změn technologie i z časté obměny sortimentu výrobků.

Zatím jsme charakterizovali vsádkové procesy víceméně fenomenologicky. A jak je definuje norma S88? Podle ní je vsádkový proces definován jako proces, jenž vede k výrobě konečných množství materiálu (vsádek), tím, že vystaví konečná množství vstupních surovin nadefinované množině výrobních akcí v průběhu konečného času a použije přitom jedno nebo několik zařízení.

Než postoupíme ve výkladu, nelze obejít jednu otázku: Jak vůbec nazývat vsádkové procesy, resp. jak správně překládat termín „batch“?

V chemii pracovalo již od dob alchymistů množství vynikajících badatelů, někdy ale dosti svérázných až podivínských. To se odráželo i v používaném jazyce. Rád vzpomínám na staršího kolegu – výborného učitele, který nenazval procesy, kterými se zde zabýváme, jinak než várkové. Jazykovědci by asi dali přednost termínu vsázka, který je z ryze češtinářského hlediska správnější než vsádka, ale je běžný jen v hutnictví. Termín násadový proces byl již téměř opuštěn, i když ve výrobním provozu se suroviny do aparátu „nevsazují“, ale stále „nasazují“. Termín šaržový proces , který k nám přišel z francouzštiny přes němčinu, se obvykle považuje za nehezký germanismus, ale částečně přežívá ve farmaceutickém průmyslu. Tam termín šarže označuje výrobky vyrobené z téže suroviny (jejíž vlastnosti a skladba se archivují) a za shodných podmínek třeba i kontinuálním procesem. V oblasti chemického školství a pod jeho vlivem většinově i v chemickém průmyslu se nyní používá téměř výhradně termín vsádkový proces, který je podle našeho názoru nejvhodnější. Rozšířený pojem dávka, dávkový proces je, jak se domníváme, velmi vhodný v ekonomice, strojírenském, elektrotechnickém apod. průmyslu, kde se suroviny nevsazují do aparátu, ale výrobky se často produkují v sériích – dávkách.

3. Cíle sledované zavedením normy S88
Komise ISA SP88 (Standards&Procedures), která je hlavním tvůrcem normy S88, si na začátku své práce stanovila osm hlavních cílů [5]:

  1. Zlepšit komunikaci mezi uživateli a dodavateli zavedením společné terminologie a struktury modelů.
  2. Redukovat objem inženýrských činností v životním cyklu vsádkových aplikací.
  3. Usnadnit vývoj a aktualizaci receptur.
  4. Zajistit přenositelnost receptur.
  5. Zmenšit závislost výroby na systémových odbornících, tj. učinit návrh receptury dostatečně jednoduchým, aby mohl být realizován provozním inženýrem nebo technologem, bez účasti systémového specialisty.
  6. Dosáhnout pružnosti oddělením funkčních schopností od hardwaru.
  7. Poskytnout doporučení pro zavádění a používání vsádkových řídicích systémů.
  8. Splnit funkční požadavky uživatelů.

Jak je také uvedeno v její předmluvě, je norma S88 určena pro pracovníky, kteří jsou, byť zčásti:

  • účastni při návrhu anebo provozování vsádkových výrob,
  • zodpovědní za specifikaci systémů řízení včetně souvisejících aplikačních programů pro vsádkové výroby,
  • angažovaní při návrhu nebo nabídce a dodávkách produktů v oblasti řízení vsádkových procesů.

4. Struktura normy S88
Norma S88 je strukturovaná v souladu se směrnicemi IEC (International Electrotechnical Commission), podle kterých první tři oddíly popisují obsah normy, odkazují na jiné normy a definují pojmy. V další části normy S88 jsou její tři hlavní oddíly.

Obr. 3.

Oddíl Vsádkové procesy a zařízení (4. oddíl normy) objasňuje podstatu vsádkových procesů a vsádkové výroby a obsahuje popis dále používaných pojmů (např. klasifikace vsádkových procesů a zařízení). Definované modely a terminologie poskytují základ pro porozumění aplikaci řízení ve vsádkových výrobách popsané v dalších oddílech normy.

Oddíl Koncepty řízení vsádkových procesů (5. oddíl) popisuje klíčové aspekty vsádkových procesů a jejich řízení. Jsou zde představeny tři druhy řízení (základní – regulace, procedurální a koordinační), základní entity zařízení ve vsádkových výrobách, receptury a dále pojmy alokace a přidělování zdrojů, základní režimy a stavy zařízení a zpracování výjimek.

Oddíl Činnosti a funkce řízení vsádkových procesů (6. oddíl) představuje základní modely a terminologii pro zajištění nezbytných řídicích činností na základě různých požadavků na řízení vsádkových výrob. Je zde nadefinován model řídicích činností. Každá řídicí činnost je popsána jednotlivými řídicími funkcemi, které jsou potřebné z hlediska vsádkových procesů, výroby a řídicích požadavků nadefinovaných v předchozích dvou oddílech.

Jak již bylo zmíněno, normě S88 se podrobněji věnuje souběžně s tímto článkem umístěný text Co lze nalézt v normě ANSI/ISA-88.01.

5. Aplikace normy S88
Rádi bychom zdůraznili, že norma S88 není pouze „nějakou teorií“ bez použití v praxi, ale že její aplikace v oblasti řízení (a to nejen vsádkových výrob) poskytují konkrétní přínosy. Popisy úspěšných aplikací lze nalézt např. v [6], [7], [8], [9], [10] a [11].

Zásadní otázkou je proč vůbec používat normu, jako je S88? Dodavatelé řídicích systémů vsádkových procesů (např. DeltaV firmy Fisher-Rosemount [12], InBatch firmy Wonderware, Chemflex firmy Elsag Bailey, TotalPlant Batch firmy Honeywell, FlexBatch firmy GSE aj.) si již pravděpodobně odpověděli a navrhují své systémy na základě této normy (nebo alespoň tvrdí, že jejich systémy jsou v souladu s touto normou navrženy). Ale co jejich zákazníci – vedoucí pracovníci výroby a pracovníci oddělení automatizovaných systémů řízení technologických procesů v podnicích se vsádkovou výrobou? Nejjednodušší odpověď podle tvůrců normy je, že aplikace normy S88 by měla redukovat náklady při zavádění složitých řídicích systémů nejméně o 10 % (a až o 20 % v případech, kdy tyto řídicí systémy mají vazby na další vyšší řídicí systémy).

Jedním z  hlavních cílů používání normy S88 je zavést do řídicího systému jistou dávku modularity. Norma S88 říká, že „Efektivní rozdělení procesního souboru na dobře definované entity je složitá činnost, značně závislá na konkrétních požadavcích specifického prostředí, ve kterém daný vsádkový proces existuje. Nekonzistentní nebo nevhodné rozdělení může zmenšit efektivitu modulárního přístupu k recepturám, který tato norma doporučuje.“ Co ale je zde vlastně jako modularita chápáno?

Modul jako takový má několik klíčových vlastností. Je obvykle součástí větší skupiny podobných entit, kde každý prvek této skupiny má specifickou funkci odlišnou od funkce ostatních prvků ve skupině a existuje standard pro rozhraní mezi prvky skupiny. Pro přiblížení modularity je někdy používána analogie se systémem Lego – modulárním systémem ze světa dětí. Různé typy součástek v něm sice mají unikátní funkci, ale přitom standardní rozhraní, takže z nich lze vybudovat téměř cokoliv. Idea modularity je tedy v používání různých součástek s odlišnými funkcemi, které používají společné standardizované rozhraní. Každý modul je schopen existence jako víceméně nezávislá entita, izolovaná od ostatních, ale může být propojen s kterýmkoliv jiným modulem a tak vytvořit podmnožinu sady modulů s funkcí odlišnou od funkce obou prvků, které ho tvoří. Propojením s jiným druhým prvkem může vzniknout jiná podmnožina – moduly si vždy zachovávají svoji nezávislost a propojitelnost.

Modul je tedy definován jako unikátní prvek z většího souboru entit, vyznačující se takovým společným rozhraním, které dovoluje propojit kterýkoliv modul s kterýmkoliv jiným modulem tak, aby společně vykonávaly složitější funkci, přičemž oba moduly si zachovávají svoji unikátnost i funkční schopnosti.

Při dělení procesu na moduly je třeba zvážit těchto osm hledisek:

  1. Účel: Jaký je zamýšlený účel modulu? Všechny součásti modulu (tj. uvnitř modulu) by měly mít podobný účel a modul by měl operovat jako nezávislý systém.
  2. Použití: Jak modul interaguje s ostatními moduly? Je součástí většího celku nebo funguje nezávisle?
  3. Přenositelnost: Je možné modul kopírovat nebo přesouvat na jiné místo v procesu?
  4. Flexibilita: Moduly by měly být definovány tak, aby nezmenšovaly flexibilitu procesu jako celku.
  5. Nezávislost: Modul by měl být schopen do maximální možné míry fungovat nezávisle.
  6. Rozšířitelnost: Možnost zvětšit kapacitu procesu přidáním nových modulů.
  7. Izolovanost: Schopnost minimalizovat vliv poruch v procesu jejich udržením v modulu, ve kterém k nim došlo.
  8. Technologická omezení: Jsou to jakákoliv omezení daná vybavením, která vynucují určitý způsob modularizace (např. jestliže dvě nádrže sdílejí pumpu, pak musí být pumpa nadefinována vně každého z dvou modulů nádrží).

Z modulů uspořádaných do struktury (ve které některé moduly mohou být složeny z jiných modulů) je potom složen celý proces a jeho řízení.

Bližší informace o využití principu modularity ve vsádkových procesech a jejich řízení jsou uvedeny v článku [8], který se zabývá zejména modularizací návrhu a implementace vsádkového procesu tak, aby bylo s daným zařízením dosaženo maximální pružnosti výroby.

6. Norma S88 a integrace řídicích systémů
Ve výrobních podnicích může být používáno množství různorodých informačních a řídicích systémů – viz např. obr. 2 [13]. V posledních letech byly v širokém měřítku implementovány zejména podnikové informační systémy (ERP – Enterprise Resource Planning), jejichž úlohou je správa vztahů s vnějším světem a řízení „vyšších“ podnikových procesů. Příklady takových podnikových informačních systémů mohou být systémy SAP R/3, Baan, JDA, Oracle nebo Scala.

Obr. 4.

Tytéž společnosti, které používají podnikové informační systémy, rozsáhle automatizují i své výrobní operace s použitím řídicích systémů nižší úrovně. Mezi ně patří již zmíněné řídicí systémy vsádkových procesů, dále např. systémy SCADA (Supervisory Control and Data Acqusition), systémy pro rozvrhování výroby, LIMS (Laboratory Management Information System), DCS (Distributed Control Systems) a mnoho jiných. Logickým požadavkem by byla integrace těchto dvou dobře definovaných a relativně úspěšně vyřešených oblastí – podnikových informačních systémů a řídicích systémů nižší úrovně – do jednoho systému.

V oblasti vsádkových výrob byla integrace různých úrovní řízení v první polovině devadesátých let ve srovnání s jinými průmyslovými obory velkým zklamáním. Jedním z důvodů byl chybějící společný přístup. Nyní jsou k dispozici potřebné koncepty založené na normě S88, na vyšších úrovních řízení podporuje tento standard i integrace založená např. na produktu SAP R/3. Integrované systémy, které spojují dvě výše uvedené oblasti, se většinou nazývají MES – Manufacturing Execution Systems, v USA v poslední době CMS – Collaborative Manufacturing Systems, česky poněkud víceznačně integrované, komplexní řídicí systémy popř. ISV – informační systémy výroby (pro výrobu).

Řešení problémů integrace diskutovaná v tomto příspěvku vycházejí zejména z normy S88, a to především z jejího šestého oddílu – viz kapitola Oblasti řízení v souběžném textu, kde je na obr. 4 uveden standardní model znázorňující vztahy mezi jednotlivými řídicími činnostmi a kde se mj. definují rozsah a zásadní požadavky i v oblastech vyšších řídicích činností, jako je plánování výroby anebo správa informací o výrobě. Základem přístupu podle normy S88 je tzv. přimapování různých řídicích systémů k řídicím činnostem, které by měly pokrývat.

Kappelhoff [15] zjednodušil standardní model na tři úrovně řízení (obr. 3). Obecně je rozpoznání násobných úrovní řízení, které mají dobře definované klíčové události, základem k vývoji integrační strategie od podnikových informačních systémů (ERP) až po řídicí systémy. Zkušenosti získané v praxi při integraci informačních a řídicích systémů ve výrobních podnicích uvádějí např. [14], [15].

Oblast podnikových informačních systémů ERP je implementací nejvyšší úrovně S88, zatímco nižší vrstvy řízení představují v praxi především implementaci fází řízení. Norma S88 nabízí koncepce pro propojení těchto dvou světů poskytnutím definic prvků vsádkového procesu. Klíčem k problému integrace je rozlišovat mezi událostmi ve vsádkovém procesu, které jsou významné na úrovni podniku (např. spotřeba surovin) a událostmi lokálního významu (např. otevření ventilu), a potom formulovat integrační strategii pouze okolo událostí významných na úrovni podniku.

Vazby mezi vrstvou řízení podniku a vrstvou řízení technologických procesů lze dosáhnout např. přímým propojením obou vrstev podle obr. 4. Jeden řídicí systém (v našem příkladu SAP R/3), který je vzat jako hlavní, je propojen mnoha individuálními rozhraními s ostatními řídicími systémy [14]. S modulem PP-PI (Production Planning – Process Industry), který obsahuje i některé prvky řízení vsádkových procesů, umožňuje SAP R/3 koordinovat obchodní činnosti s řízením technologického procesu. Používá přitom modely receptur a modely zařízení, které jsou ve vyšších hierarchických úrovních analogické modelům definovaným v S88 [14]. SAP může pohodlně fungovat na úrovni generální a hlavní receptury.

Druhou možností je vytvořit mezi několika systémy řízení jeden komunikační systém jednotného systému rozhraní (tzv. middleware), který je „prostředníkem“ pro komunikaci jednotlivých systémů mezi sebou a skladuje všechna společná data [15]. Výhodou je zde minimalizace počtu rozhraní, která musí být každým ze systémů podporována. Libovolný systém může být integrován vytvořením jednoho svého rozhraní s middlewarem.

7. Závěr
Oblast automatizace a řízení vsádkových procesů se v současné době nachází ve stadiu prudkého rozvoje. Ten byl do značné míry ovlivněn vydáním a rozšířením normy S88 [1]. Úspěchy dosahované při použití prvků této normy v praxi ukazují na jednu zásadní možnost, jak zefektivnit řízení provozu vsádkových výrob. Zrekapitulujme proto nejdůležitější přínosy – důsledky vhodné aplikace normy S88:

  • S88 může sloužit jako základ programovacího standardu a může být dokonce podkladem při navrhování aplikací od nezávislých dodavatelů, který může být využíván při různých projektech;
  • jednodušší programování programovatelných automatů (PLC);
  • jednodušší a lépe strukturovaná komunikace a výměna dat mezi různými systémy používanými při řízení vsádkové výroby;
  • zkrácení doby potřebné ke schválení nových či modifikovaných aplikací;
  • jednodušší tvorba receptur (zvláště při využití grafických editorů vycházejících z normy S88);
  • zlepšení kvality výrobků jako přirozený důsledek dobře navrženého systému řízení, který umožní kvalitněji realizovat proces a následně také získat kvalitnější produkt.

Spolu s uvedením výčtu přínosů normy S88 upozorňujeme na to, že navrhnout nový řídicí systém (nebo dokonce zcela nový technologický proces) není nikdy snadné, a to ani podle normy S88. Pravděpodobně bude existovat větší počet „správných“ řešení a je třeba komplexních znalostí k tomu, aby bylo možné tato řešení náležitě ohodnotit. Tato pružnost a z ní plynoucí nejistota jsou však pravděpodobně vlastností většiny obecných norem. Zmenšit ji lze použitím vhodných metodologií pro specifikaci, dekompozici a implementaci řídicích systémů pro vsádkové procesy a integraci podnikových informačních a řídicích systémů.

Literatura:

[1] ANSI/ISA-88.01-1995, Batch Control, Part 1: Models and Terminology. ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, USA 1995, ISBN 1-55617-562-0.

[2] ANSI/ISA-88.00.02-2001, Batch Control, Part 2: Data Structures and Guidelines for Languages. ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, USA 2001, ISBN 1-55617-745-3.

[3] Holý, R. – Poživil, J.: Modely a simulace pro řízení vsádkové výroby. Automatizace, 43, 2000, č. 5, s. 315-319.

[4] Holý, R. – Poživil, J.: Batch Control System Project for a Pharmaceutical Plant. ISA Transactions. (V tisku.)

[5] Fisher, T. G.: Batch Control Systems, Design, Application and Implementation. ISA, 1990.

[6] Haxthausen, N.: ISA Transactions, 34, 369, 1995.

[7] Haxthausen, N.: Bottlenecks in Batch Integration – Can Standards Help Remove Them? In: World Batch Forum, 1998.

[8] Fleming, D. W. – Schreiber, P. E.: Batch processing design example or why the time to change was yesterday. In: World Batch Forum, 1998.

[9] Malenfant, M. – LeBlanc, L.: How S88 Provides Consistency in Design and Terminology Beyond Batch Processing. ISA, 1998.

[10] Nelson, P. R. – Shull, R. S.: ISA Transactions, 36, 189, 1997.

[11] Webb, M.: ISA Transactions, 34, 379, 1995.

[12] FISHER-ROSEMOUNT: DeltaV Systém. Firemní literatura, 1998.

[13] Holý, R. – Poživil, J.: Integration of SAP R/3 to lower level control systems. In: Proc. of 11th Conference Process Control ’99, Tatranské Matliare 1999.

[14] Schumann, A.: SAP-R/3 in process industries: expectations, experiences and outlooks. ISA Transactions, Vol. 36, No. 3, pp. 161-166, Amsterdam, Elsevier Science 1997.

[15] Kappelhoff, R.: Integration of ERP to the final control elements. ISA Transactions, Vol. 36, No. 4, pp. 229-238, Amsterdam, Elsevier Science 1998.

[16] Poživil, J.: Co lze nalézt v normě ANSI/ISA-88.01. Automa, 7, 2001, č. 10, s. 28-31.