Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Co lze nalézt v normě ANSI/ISA-88.01

Automa 10/2001

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

Co lze nalézt v normě ANSI/ISA-88.01
Řízení vsádek, část 1: modely a terminologie

Norma ANSI/ISA-88.01-1995, Batch Control, Part 1: Models and Terminology (Řízení vsádek, Část 1: Modely a terminologie; v literatuře běžně označovaná jako S88.01, popř. jen S88 – toto označení je přednostně používáno i v dalším textu) má více než 90 stran. Vzhledem k jejímu významu a současně omezené dostupnosti předkládáme v dalším textu naší technické veřejnosti stručnou informaci o nejdůležitějších částech této normy1). Protože překlad některých termínů není zcela ustálený, je v některých případech uveden v hranatých závorkách i původní anglický termín.

Základní dělení procesů a modely pro řízení vsádkových výrob 

Základnímu dělení vsádkových procesů, jejich modelům a terminologii je věnován 4. oddíl normy S88, nazvaný Vsádkové procesy a zařízení [Batch processes and equipment]. Modely a terminologie, které jsou v něm definovány, umožňují porozumět aplikaci řízení ve vsádkových výrobách v dalších oddílech.

Obr. 1.

Proces je podle S88 sekvence chemických, fyzikálních a biologických dějů a dalších činností uskutečňovaných za účelem změny, přepravy nebo uložení materiálu nebo energie. Procesy se v základě kategorizují podle povahy výstupu: ten může mít podobu kontinuální, diskrétní (v podobě konečného a spočetného množství částí nebo výrobků) nebo vsádky, popř. dávky (konečného, ale nespočetného množství materiálu). Ačkoliv je norma S88 zaměřena na vsádkové procesy, lze ji s úspěchem aplikovat i na procesy diskrétní anebo kontinuální.

Vsádkový proces definuje norma S88 jako děj vedoucí ke vzniku konečných množství materiálu (vsádek, dávek) tím způsobem, že se určitá množství vstupních surovin vystaví nadefinovanému sledu akcí, k čemuž se použije jedno nebo několik zařízení (viz dále).

Jako důležitou součást zavádí norma S88 tři dále uvedené modely (které ovšem nejsou rigidní, ale mohou být určitými způsoby redukovány, popř. rozšiřovány) a definici receptury.

Model procesu [process model]

Model (vsádkového) procesu má celkem čtyři úrovně dějů (činností):

  1. Proces [process] – vede k výrobě konečného množství produktu (vsádky), které vznikne aplikováním definované množiny akcí na vstupní suroviny při použití jednoho nebo několika zařízení (např. proces výroby chloridu železnatého).
  2. Stupeň procesu [process stage] – část procesu obvykle vykonávaná nezávisle na jiných stupních procesu (např. rozpouštění železného drátu).
  3. Operace procesu [process operation] – reprezentuje příslušný hlavní děj (činnost) v procesu; obvykle vyústí v chemické nebo fyzikální změny zpracovávaných surovin či meziproduktů (např. reakce v reaktoru).
  4. Akce procesu [process action] – nejmenší jednotka procesu: kombinace akcí tvoří operaci (akcí je např. načerpání potřebného množství kyseliny chlorovodíkové do reaktoru).

Model zařízení [physical model]

Model zařízení má sedm úrovní (ale vazby na zbývající dva modely existují pouze na úrovních procesního souboru, jednotky a modulu zařízení) Je uspořádán do hierarchické struktury analogické struktuře modelu procesu:

  1. Podnik [enterprise] – organizace, která koordinuje výrobu v jedné i několika lokalitách (např. Precheza, a. s.).
  2. Lokalita [site] – fyzické, geografické nebo logické seskupení, které je určeno podnikem (např. pobočka Přerov).
  3. Provoz [area] – fyzické, geografické nebo logické seskupení určené v rámci lokality (např. provoz výroby chloridu železnatého).
  4. Procesní soubor [process cell] – logické seskupení zařízení (výrobní linka) potřebné k výrobě jedné nebo většího počtu dávek (např. procesní soubor Hala 2).
  5. Jednotka [unit] – skupina modulů zařízení a modulů řízení, ve které mohou být realizovány jedna nebo několik hlavních výrobních aktivit na vsádce (např. rozpuštění železného drátu). Předpokládá se, že jednotka nezpracovává v téže době více než jednu vsádku.
  6. Modul zařízení [equipment module] – může se skládat, kromě vlastního technologického zařízení, také z modulů řízení a popř. podřízených modulů zařízení (např. reaktor).
  7. Modul řízení [control module] – seskupení čidel, akčních členů, podřízených řídicích modulů a dalších zařízení považovaných z hlediska řízení za jednu jednotku (např. modul měření a regulace průtoku páry).

Model procedurálního řízení [procedural control model]

Procedurální řízení (řízení procedur) je zvláštností vsádkových výrob. V diskrétních ani v kontinuálních výrobách se tento druh řízení nevyskytuje. Právě pomocí procedurálního řízení se na technologickém zařízení realizuje vsádkový proces.

Model procedurálního řízení je opět organizován podobně jako model procesu, a to ve čtyřech úrovních:

  1. Procedura [procedure] – nejvyšší úroveň řízení, která definuje strategii pro výrobu vsádky.
  2. Jednotková procedura [unit procedure] – skládá se z uspořádané množiny operací, které v jednotce uskutečňují výrobní proces.
  3. Operace [operation] – definuje rozsáhlejší sekvenci v procesu, která obvykle převádí zpracovávané látky z jednoho chemického nebo fyzikálního stavu do druhého.
  4. Fáze [phase] – nejmenší prvek procedurálního řízení, který může obsahovat jeden i několik řídicích příkazů nebo akcí. Jednotlivé kroky a přechodové stavy jsou popsány v normě IEC 848: 1988.

Vzájemný vztah tří základních modelů řízení vsádkových procesů, tj. modelu procesu, modelu zařízení a modelu procedurálního řízení, je znázorněn na obr. 1.

Receptura, typy receptur

Norma S88 definuje recepturu jako entitu obsahující takové minimální množství údajů, které jednoznačně vymezuje výrobní požadavky vlastní specifickému výrobku.

Obr. 2.

Norma definuje čtyři typy receptur – recepturu generální, místní, hlavní a řídicí (viz obr. 2):

  1. Generální receptura [general recipe] – obsahuje specifické informace o výrobě na obecné (podnikové) úrovni.
  2. Místní receptura [site recipe] – přísluší k jednotlivým lokalitám, což je použitelné zejména v situaci, kdy má podnik jinak uspořádané výroby (a tedy i jiné procedury výroby stejného produktu) na různých místech.
  3. Hlavní receptura [master recipe] – obsahuje specifické údaje o výrobě na úrovni procesního souboru.
  4. Řídicí receptura [control recipe] – vychází z kopie specifické verze hlavní receptury, která je podle nutnosti doplněna o operativní údaje a je unikátní pro každou vsádku.

Při vlastním řízení se používají především hlavní a řídicí receptura a existuje několik možných variant uspořádání s modelem procedurálního řízení.

Součástí receptury (každé, nebo alespoň hlavní a řídicí) jsou položky (viz také obr. 2):

  1. Hlavička – administrativní údaje, jako např. identifikátor receptury a produktu, číslo verze, autor, datum vydání a schválení receptury, status a popř. další potřebné údaje.
  2. Formule – obsahuje údaje o vstupech (surovinách, tj. identifikace a množství), výstupech (údaje o finálních produktech i meziproduktech receptury) a parametrech procesu (např. teplota, tlak nebo doba reakce).
  3. Požadavky na zařízení – určují a omezují výběr možného zařízení pro provedení receptury.
  4. Procedura receptury – definuje strategii nebo postup provádění receptury, na úrovni hlavní a řídicí receptury přímo vyjádřenou pomocí procedurálních prvků modelu procedurálního řízení.
  5. Další údaje – zde mohou být uvedeny další potřebné údaje, které nejsou obsahem předchozích částí – např. o shodě s požadavky dohlédacího úřadu, bezpečnostní údaje nebo údaje o balení a značení výstupů receptury.

Úrovně řízení

Klíčovými aspekty vsádkových procesů a jejich řízení se zabývá 5. oddíl normy S88 s názvem Koncepty řízení vsádkových procesů [Batch Control Concepts] Jsou v něm zavedeny tři druhy řízení (základní, procedurální a koordinační – obr. 3), základní entity zařízení ve vsádkových výrobách a receptury. Dále jsou zde popsány pojmy alokace a přidělování zdrojů, základní režimy a stavy zařízení a zpracování výjimek.

Obr. 3.

Základní řízení – měření a regulace [basic control]

Za základní se považuje řízení určené k dosažení a udržování specifického stavu zařízení a procesu. Základní řízení:

  • obsahuje regulační řízení, blokování (interlocking), monitorování, obsluhu výjimek a cyklické diskrétní nebo sekvenční řízení;
  • může poskytovat odezvy na podmínky procesu, které by mohly ovlivnit výstupy řízení nebo spustit opravné akce;
  • může být aktivováno, deaktivováno nebo modifikováno příkazy operátora nebo procedurálním, popř. koordinačním řízením.

Základní řízení ve vsádkové výrobě se principiálně neliší od řízení kontinuálních procesů. Ve vsádkovém prostředí mohou být ovšem větší nároky na schopnost základního řízení přijímat příkazy a měnit podle nich své chování.

Procedurální řízení [procedural control]

Procedurální řízení ovládá akce týkající se zařízení tak, aby se odehrávaly v dané sekvenci a tak provádí úlohu orientovanou na proces.

Procedurální řízení je pro vsádkové procesy charakteristické. Jde o řízení, které na zařízení umožňuje uskutečnit vsádkový proces.

Procedurální řízení je tvořeno procedurálními prvky zkombinovanými v hierarchické struktuře takovým způsobem, aby provedly a dokončily proces tak, jak je definován modelem procesu. Hierarchie identifikovaných a pojmenovaných procedurálních prvků je opět analogická hierarchii podle obr. 1 a skládá se z procedur, jednotkových procedur, operací a fází.

Koordinační řízení [coordination control]

Koordinační řízení řídí, iniciuje anebo modifikuje postupy procedurálního řízení a využití jednotlivých aparátů. Je v čase proměnlivé, stejně jako procedurální řízení, ale není strukturované podle specifické, na proces orientované úlohy.

Příklady koordinačního řízení jsou algoritmy pro:

  • sledování dostupnosti nebo kapacity zařízení,
  • přiřazování zařízení jednotlivým vsádkám,
  • rozhodování konfliktů mezi požadavky na přiřazení,
  • koordinaci přístupu ke sdílenému vybavení,
  • výběr prvků procedury, které mají být realizovány,
  • šíření módů.

Řídicí činnosti

V 6. oddílu normy S88, nazvaném Činnosti a funkce řízení vsádkových procesů [Batch control activities and functions] , jsou uvedeny základní modely a terminologie pro zajištění nezbytných řídicích činností na základě různých požadavků na řízení vsádkových výrob. Každá řídicí činnost je popsána jednotlivými řídicími funkcemi, které jsou potřebné z hlediska vsádkových procesů, výroby a řídicích požadavků nadefinovaných v předchozích dvou oddílech 4 a 5 normy.

Obr. 4.

Základní součástí normy S88 je model řídicích činností podle obr. 4. Model stručným (neukazuje všechny vazby, ale pouze ty hlavní, které budou rozvedeny dále při rozboru funkcí jednotlivých činností) a účinným způsobem napomáhá k popsání funkční specifikace řídicího systému pro vsádkové procesy. Umožňuje tak nadefinovat a vybrat nejvhodnější řešení jednotlivých řídicích systémů. Samotná norma nenavrhuje řešení ani způsob implementace, „pouze“ jasným způsobem definuje jeho rozsah a uvádí zásadní požadavky v jednotlivých oblastech tak, aby bylo možné realizovat požadované funkce řídicího systému vsádkového procesu kteroukoliv vhodnou technologií (hardwarem i softwarem).

Řídicí činnosti uvedené v obr. 4 jsou v dalších kapitolách stručně popsány.

Správa receptur [recipe management]

Správa receptur zahrnuje dále uvedené funkce zajišťující tvorbu, uchovávání a údržbu generálních, místních a hlavních receptur a definování prvků příslušných procedur.

Správa generálních receptur
Účelem této funkce je vytvářet, udržovat a uchovávat generální receptury se zřetelem na specifické požadavky procesu. K definování generální receptury mohou být požadovány tyto činnosti:

  • výběr a kombinování procedurálních prvků pro vytvoření procedury generální receptury,
  • zahrnutí údajů o formuli receptury,
  • specifikace požadavků na zařízení a další údaje,
  • údržba generální receptury,
  • řízení změn generální receptury.

Definice procedurálních prvků generální receptury
Tato funkce vytváří, udržuje a uchovává pro další použití procedurální prvky, které jsou používány jako základní „stavební kameny“ procedur podle generálních a místních receptur. Těmito prvky mohou být akce procesů, operace, stupně procesu anebo celé generální receptury, přičemž není nutné, aby všechny tyto úrovně byly definovány. Funkce definuje procedurální prvky generální receptury na základě výrobních strategií platných pro různé produkty. Tyto údaje se využívají při definování procedurálních prvků hlavních receptur. Navíc ty modulární akce, operace, stupně procesu anebo celé receptury, které jsou opakovaně užívány, usnadňují transformaci receptur do nižších úrovní a receptury se současně vyznačují větší konzistencí.

Správa hlavních receptur
Hlavní receptury jsou definovány na základě specifických požadavků procesu pro konkrétní produkt vyjádřených v generální nebo místní receptuře. Transformace těchto receptur na hlavní recepturu může být velmi rozsáhlým a obtížným úkolem. Hlavní procedura tvořená na základě předem definovaných procedurálních prvků (operací anebo fází) musí přesně naplnit proceduru generální nebo místní receptury. Tento proces má stejnou logiku jako mapování akcí procesu na fáze procedurálního řízení.

Hlavní receptura, jako výstup této funkce, slouží za vstupní informaci pro činnost označenou jako správa procesů.

Definice procedurálních prvků hlavní receptury
V rámci této funkce se vytvářejí, udržují a pro následné použití uchovávají procedurální prvky používané v procedurách hlavních receptur. Jsou-li tvořeny z generálních nebo místních receptur, je nutné transformovat stupně, operace a akce procesu na jednotkové procedury, operace a fáze. Právě tato řídicí funkce ve skutečnosti definuje vztahy mezi již uvedenými a procedurálními prvky a prvky procesu. Procedurální prvky hlavní receptury musí být, přinejmenším na úrovni fází receptury, schopny odkazovat se na procedurální prvky zařízení, a to v případě realizování řídicí receptury. Proto je v této funkci nutná dobrá koordinace s tvůrci příslušných procedurálních prvků zařízení, aby bylo zajištěno, že receptura respektuje řídicí (a další relevantní) možnosti cílového zařízení.

Plánování a rozvrhování výroby [production planning and scheduling]

Plánování a rozvrhování výroby je vyšší řídicí činnost, jež se nachází na stejné úrovni se správou receptur a správou informací o výrobě. Podstatou této činnosti je rozhodovací proces, jehož výstupem je plán (rozvrh) vsádek, který je vstupem pro správu procesů. Většina funkcí této řídicí činnosti je mimo rozsah normy S88, a do tohoto textu tudíž není zahrnuta. Norma S88 se zabývá pouze funkcí vytváření rozvrhů vsádek, která přijímá vstupy ze zdrojů, jako jsou vyšší úrovně plánů, hlavní receptury, databáze dostupných zdrojů, a z nich, s použitím rozvrhovacího algoritmu, tvoří rozvrh vsádek.

Správa informací o výrobě [production information management]

Správa informací o výrobě je vyšší řídicí činností, která spočívá ve shromažďování, ukládání, zpracování a vykazování údajů o vsádkové výrobě. Nezabýváme se zde údaji o výrobě, které se netýkají vsádkových procesů, přestože v aplikacích jsou obě oblasti velmi často řešeny společně. Navíc je v dalším textu věnována pozornost pouze jedné z řídicích funkcí spadajících do této oblasti – správě historie vsádek, přestože správa informací o výrobě může zahrnovat větší počet funkcí: příkladem mohou být např. funkční schopnosti modulu PP (Production Planning) systému SAP R/3, ale ty jsou mimo rozsah jak normy S88, tak tohoto příspěvku.

Funkce správy historie vsádek obvykle zahrnuje shromažďování a ukládání historických údajů o vsádkách, zpracování historických dat a vytváření výkazů o vsádkách (reportů).

Obr. 5.

Správa procesů [process management]

V rámci správy procesů se rozlišují tři řídicí funkce – správa vsádek (zahrnuje mj. zpracování řídicí receptury), správa zdrojů procesních souborů a zpracování údajů o vsádkách a procesních souborech. Doménou správy procesů je ve vsádkových procesech tzv. procesní soubor. Správa procesu jedné vsádky je skončena tehdy, když je kompletně dokončena (nebo trvale zastavena) procedura prováděná podle řídicí receptury. Správa procesů spolupracuje s moduly řízení jednotek, správy receptur, plánování a rozvrhování výroby a správy informací o výrobě (obr. 5).

Správa vsádek
V rámci funkce správy vsádek je vytvořena řídicí receptura z kopie hlavní receptury, je zahájeno zpracování vsádky na základě rozvrhu a operátorského vstupu a je kontrolován průběh zpracování vsádky.

Správa zdrojů procesních souborů
Funkce řídí zdroje procesních souborů – probíhá alokace a rezervace jednotek a dalšího zařízení, jsou uspokojovány požadavky na tatáž zařízení a je vytvořen mechanismus pro řízení nealokovaných zařízení. Tato funkce zahrnuje také správu materiálů v rámci procesního souboru.

Zpracování informací o vsádkách a procesních souborech
V rámci této funkce jsou shromažďovány údaje o událostech týkajících se vsádky i zařízení, které jsou dále předávány do správy informací o výrobě.

Řízení jednotek [unit supervision]

Podstatou a hlavní náplní činnosti řízení jednotek je propojení řídicí receptury se zařízením pomocí procedurálního řízení. V rámci této řídicí činnosti jsou rozlišovány také tři funkce – příjem a provádění procedurálních prvků, správa zdrojů jednotky a zpracování údajů o vsádkách a jednotkách.

Příjem a provádění procedurálních prvků
Uvedená funkce přijímá ze správy procesů jednotkovou recepturu a další informace potřebné ke zpracování vsádky.

Správa zdrojů jednotky
Správa zdrojů jednotky zahrnuje veškerou správu zdrojů, které jsou součástí jednotky, i dalšího zařízení, které není její součástí. Dále jsou zde zpracovávány požadavky na služby od jiných jednotek a požadované služby jsou také následně poskytovány. V některých řídicích systémech může být pro zajištění přesunu materiálů využívána speciální koordinace mezi jednotkami.

Zpracování informací o vsádkách a jednotkách
Funkce shromažďuje a poskytuje informace jak o událostech jednotkového řízení vsádkového typu, tak týkající se již zmíněné činnosti správa výrobních informací

Řízení technologických procesů [process control]

Řízení technologických procesů jako řídicí činnost zahrnuje procedurální a základní řízení, tzn. sekvenční a diskrétní řízení a regulaci, a současně také měření a zobrazování údajů. Tato činnost bývá distribuována mezi několik různých úrovní řízení – jednotky, moduly zařízení a moduly řízení – a komunikuje se třemi dalšími činnostmi, kterými jsou řízení jednotek, správa informací o výrobě a ochrana pracovníků a životního prostředí. Zahrnuje tedy následující dílčí činnosti.

Provádění fází v zařízení
V rámci této řídicí funkce přijímají a provádějí jednotlivé prvky zařízení procedurální řízení zadané fází.

Základní řízení
Teprve realizace základního řízení způsobuje změny v zařízení a stavech procesu vysláním příslušných signálů akčním členům a dalším modulům zařízení. Příkazy základního řízení mohou vzniknout na základě automatické fáze zařízení nebo ručním zásahem operátora. Základní řízení používá jako vstupy údaje ze snímačů a dalších řídicích funkcí. Tato funkce by ale neměla obsahovat procedurální řízení a měla by být vždy pouze součástí vlastního řízení. Také zde je možné používat parametrizaci. Funkce základního řízení může být realizována jednotkami, moduly zařízení nebo moduly řízení. Měla by také umožňovat řízení módů a stavů jednotlivých prvků zařízení.

Měření a ukládání dat
Tato řídicí funkce zajišťuje, aby byly v historii vsádek shromažďovány a ukládány údaje ze snímačů, odvozené hodnoty a události spadající do oblasti řízení technologických procesů. Sběr dat může být podmíněn nejrůznějšími podmínkami nebo data mohou být sbírána v odlišných časových intervalech např. v závislosti na hodnotě vybraného parametru předané z fáze zařízení.

Ochrana pracovníků a životního prostředí

Do této řídicí činnosti spadají veškeré bezpečnostní otázky, které mohou souviset s daným vsádkovým procesem. Jejím cílem je zajistit požadovaný (definovaný) stupeň bezpečnosti lidem i životnímu prostředí. V modelu řídicích činností na obr. 4 se nachází až pod úrovní činnosti řízení technologických procesů, protože mezi bezpečnostním softwarem (popř. operátorem zajišťujícím tuto činnost) a hardwarem určeným k fyzickému zajištění bezpečnosti by se neměly objevit žádné další činnosti. Podle normy S88 je ochrana pracovníků a životního prostředí oddělena od ostatních řídicích činností, ale přesto může mít vazby i na větší počet úrovní podle druhu organizace.

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.