Dekompozice procesu a návrh řídicího systému vsádkových výrob podle normy S88

Dekompozice procesu a návrh řídicího systému vsádkových výrob podle normy S88

Hlavním cílem zavedení normy ISA S88.01 bylo zlepšit a zefektivnit řízení vsádkových výrob a komunikaci mezi uživateli a dodavateli řídicích systémů. Proto norma definuje strukturu příslušných modelů a terminologii. V normě však není dostatečně popsáno a vysvětleno, jakým způsobem modely aplikovat na stávající nebo nový technologický proces a jak nejlépe navrhnout nový řídicí systém. Proto byla zpracována vlastní metodika dekompozice procesu a návrhu specifikace jeho řídicího systému. Navržená metodika byla ověřena realizací prototypu řídicího systému procesu izolace nystatinu s použitím softwaru Wonderware InBatch.

1. Úvod

Vsádkové výrobní procesy jsou ekonomicky výhodné zejména pro malotonážní výroby specializovaných produktů s velkou přidanou hodnotou (např. ve farmaceutickém průmyslu a při výrobě chemických specialit). Nejzajímavějším rysem vsádkových výrob je velká pružnost při výrobě většího počtu produktů v jediném výrobním provozu, při modifikaci stávajících a zavádění nových výrobků a při úpravách výrobního postupu. Aby bylo možné změny provádět efektivně, rychle a kvalitně, musí být pružnost výrobních zařízení podpořena vhodným řídicím systémem.

Rozvoj automatizace a řízení vsádkových procesů byl v poslední době výrazně ovlivněn vydáním a rozšířením normy běžně označované jako ISA S88, popř. jen S88 [1]. Zkratka ISA je označením společnosti The Instrumentation, Systems, and Automation Society, která je původcem normy (resp. v době vzniku normy byla zkratkou pro Instrument Society of America, jak se společnost tehdy nazývala). Norma S88 určuje rámec pro specifikování požadavků na řízení vsádkových procesů a pro jejich následné převedení do aplikačního programového vybavení. Tento rámec sestává z celé škály definicí, modelů a struktur. Naše práce vychází především z první části normy označené S88.01 Batch Control, Part 1: Models and Terminology (Řízení vsádek, část 1: Modely a terminologie). Ta definuje standardní terminologii, koncepty a modely pro vsádkové výroby a zejména modely pro řízení zpracování vsádek.

Norma S88 není pouze „nějakou teorií“ bez využití v praxi. Její použití v oblasti řízení vsádkových výrob znamená konkrétní přínosy, jak uvádějí zejména [4], [5], [6], [7], [8] a [9].

Navrhnout nový řídicí systém není snadné, a to ani při použití normy S88. Přestože norma S88 důkladně definuje potřebné modely, není v ní dostatečně popsáno a vysvětleno, jakým způsobem je aplikovat na stávající nebo nový technologický proces a jak nejlépe sestavit nový řídicí systém. Návrh řídicího systému může výrazně usnadnit vhodná metodika, která by měla poskytovat nástroje pro alokaci zdrojů a informací organizovaným a efektivním způsobem. Existence dobré metodiky projektování je přitom nutná pro jakýkoliv větší projekt. Ve snaze vyplnit dosavadní mezeru se předložená práce zabývá návrhem původní metodiky pro tvorbu specifikací, dekompozici a implementaci řídicích systémů pro vsádkové procesy.

2. Model procesu, model zařízení a model procedurálního řízení

Cílem tohoto článku není seznámit čtenáře s normou S88 jako takovou. Za tím účelem lze doporučit nejlépe samotnou normu [1], popř. články [2] a [3]. Pro snazší porozumění dalšímu textu se však v této kapitole alespoň velmi stručně zmíníme o některých modelech, které norma S88 definuje, a vztazích mezi nimi.

Vsádková výroba je založena na zpracování jednotlivých vsádek výchozích materiálů podle příslušných receptur, které mj. definují procedury potřebné pro vyrobení určitého množství výsledné látky (konečného produktu nebo meziproduktu). V praxi se tento proces označuje jako tzv. výroba vsádky. Receptura se vytváří s použitím modelu procesu, ve kterém jsou definována výrobní zařízení a jejich výrobní činnosti, společně s dalšími parametry. Nejmenším prvkem modelu výrobního procesu je tzv. fáze. Fáze vykonává určitou činnost a je konfigurována při použití parametrů. Model umožňuje snadno přeskupit výrobní zařízení a rekonfigurovat řídicí systém i pro zcela odlišné vsádky (viz pravá strana obr. 1). Pro vsádkové procesy je charakteristické procedurální řízení, které ovládá akce orientované směrem k zařízení tak, aby se odehrály v určeném pořadí. Nejvyšším stupněm procedurálního modelu je procedura (viz levá strana obr. 1), definující posloupnost jednotlivých operací nutných k tomu, aby byl vyroben žádaný výrobek nebo meziprodukt.

Co přináší norma S88 zásadně nového, je vzájemný vztah tří základních modelů řízení vsádkových procesů, tj. modelu procesu, modelu zařízení a procedurálního řídicího modelu (obr. 1). Uvedené vztahy musí být chápány především logicky. Procedurální řízení totiž nemusí být fyzicky součástí zařízení, ale může být vykonáváno na základě informací předávaných řídicí recepturou. Na uvedených modelech je založena naše práce i systém InBatch, který byl použit pro realizaci ověřovacího řídicího systému.

Samotná řídicí receptura neobsahuje dostatek informací k uskutečnění procesu. Musí být napojena na řídicí systém fyzického zařízení, např. programovatelný automat (Programmable Logic Controller – PLC) , který skutečně řídí výrobní zařízení produkující vsádky. Řízení zařízení není považováno za součást receptury a právě oddělení těchto dvou úrovní a modelu procedurálního řízení od modelu zařízení je jednou z nejsilnějších stránek normy S88. Tento způsob, kdy lze definovat různé pořadí i parametry provádění operací a fází, aniž by bylo nutné měnit model procesu nebo přeprogramovávat PLC či jiné nižší řídicí jednotky, se často označuje jako proces řízený recepturou. Příklad vztahu mezi řídicí recepturou a zařízením je uveden na obr. 2. Ze čtyř variant povolených a definovaných normou jsme vybrali napojení na úrovni fází zajišťující největší flexibilitu řídicího sytému.

3. Navrhování a zavádění řídicích systémů podle normy S88

Při aplikaci modelů podle normy S88 se opakují problémy a potíže zejména v těchto dvou bodech:

• stanovení hranic mezi jednotlivými částmi modelů,
• určení vztahů mezi jednotlivými částmi různých modelů.

Podle základního přístupu k dekompozici procesu a specifikaci řídicího systému uvedeného v [10] by měl být příslušný návrh prováděn se zaměřením na proces a zařízení. Řízení je součástí každého prvku zařízení, ale nikoliv produktu. Každá procedura (receptura) pak používá prvky zařízení, včetně jejich řídicích částí, za účelem výroby požadované vsádky – produktu (obr. 3). Nejprve se definuje vlastní proces – model zařízení přístupem „shora – dolů“. Poté, co byl definován proces, jsou definovány procedurální požadavky, a to způsobem „zdola – nahoru“. Tento přístup je dále rozveden algoritmy, které poskytují návod pro dekompozici modelu zařízení na jednotky, moduly zařízení a moduly řízení (viz [10] na str. 72–93). Nevýhodou této metodiky podle našeho názoru je to, že se zaměřuje převážně na model zařízení a nedostatečně se zabývá modelem procedurálního řízení. Kromě uvedených algoritmů nejsou ostatní prvky přesně definovány.

Zatím nejúplnější metodika je popsána v [11]. Jde o práci založenou na dvou teoretických a jednom příkladu z praxe, bohužel bez výsledné implementace řídicího programového vybavení. Tato metodika splňuje již zmíněný požadavek na analýzu postupem „shora – dolů“ a implementace řízení způsobem „zdola – nahoru“. Při podrobnějším studiu se však objevují některé její nedostatky a slabiny. Mezi hlavní nedostatky patří např. to, že neurčuje přesně, jak provést rozdělení na úrovních modulů zařízení, modulů řízení a provozních přístrojů (snímačů a akčních členů). Dále to, že používá pouze sekvenční řazení operací a fází, které definuje jednoduše výčtem. Taktéž zde nejsou definována žádná spojení mezi jednotkami, což je sice v duchu normy S88, která se touto problematikou nezabývá, ale komplikuje to dekompozici. Pro přesun jednoho materiálu jsou pak v procedurálním modelu třeba nejméně dvě přesně nakonfigurované a propojené (v PLC nebo operátorem) fáze – pro vypouštění jedné jednotky a pro napouštění druhé jednotky. Přitom většina řídicích systémů umožňuje nadefinovat i toto spojení. Uvedená metodika dále obsahuje podle našeho názoru zbytečná a ne zcela účelná pravidla a nemá žádnou návaznost na softwarovou realizaci.

4. Návrh nové metodiky dekompozice procesu a návrhu řídicího systému

Na základě zkušeností s předchozími přístupy k dekompozici procesu a specifikaci řídicího systému byla navržena vlastní metodika ([12], [13]), která podle našeho názoru plně vyhovuje duchu normy S88 a současně také odpovídá koncepci systému InBatch [14], s jehož použitím byl ověřen návrh skutečného řídicího systému procesu izolace nystatinu.

Tab. 1. Nová metodika dekompozice – část 1: model zařízení (pokračuje v tab. 2)

Tab. 2. Nová metodika dekompozice – část 2: model procedurálního řízení (navazuje na tab. 1)

Základem navržené metodiky dekompozice procesu a specifikování řídicího systému jsou vztahy mezi jednotlivými částmi modelů, zobrazené v obr. 4 (srovnej s obr. 2). Struktura modelů podle normy S88 byla rozšířena tak, aby vyhovovala nové metodologii. Hlavní změna takto aplikované struktury modelů normy S88 spočívá v tom, že používá a definuje fázi jako prvek společný dvěma modelům – jak modelu zařízení, tak modelu procedurálního řízení. Teprve na tyto fáze jsou navázány další prvky modelu zařízení – moduly zařízení a moduly řízení. Postup (algoritmus), podle kterého by měly dekompozice procesu a specifikace řídicího systému probíhat, je uveden v tab. 1 a tab. 2.

Navržená metodika je formulována natolik obecně, že by měla vyhovovat pro návrh řídicího systému v jakémkoliv programovém vybavení, které se odkazuje na fáze zařízení. Její algoritmus je pro větší přehlednost znázorněn vývojovým diagramem na obr. 5.

5. Ověření metodiky – příklad použití

Nově navržená metodika dekompozice byla použita a ověřena při návrhu a realizaci prototypu řídicího systému části vsádkové farmaceutické výroby – procesu izolace nystatinu – v programovém vybavení InBatch [14]. Provoz izolace nystatinu představuje jednoproduktovou výrobu s několikacestnou strukturou. Je rozdělen do pěti relativně samostatných technologických celků – extrakce suchého mycelu, filtrace extraktu, úprava extraktu, krystalizace, separace a promývání produktu.

Mezi cíle projektovaného řídicího systému patří zajištění opakovatelnosti (snížení kolísání kvality produktu), validace podle požadavků FDA (US Food and Drugs Administration), efektivnější zpracování a archivace dat v databázi MS-SQL, generování výkazů, zajištění flexibility (možnosti změn požadovaných parametrů), zajištění velké spolehlivosti, bezpečnosti a budoucí rozšiřitelnosti. Uživatelské požadavky byly definovány ve spolupráci se zodpovědnými pracovníky výrobního závodu.

Postupem podle již popsané metodiky byl vytvořen model zařízení a procedurální řídicí model (receptura). I stručný popis jednotlivých kroků dekompozice a vytvořených modelů představuje asi jedenáct stran textu, a proto ho zde nebudeme uvádět. Ke konkrétní realizaci se váže jen malá poznámka: v programu InBatch se procedurální model (jehož nejvyšším stupněm je procedura – viz obr. 1) nevyskytuje samostatně, ale navrhuje se v rámci receptury, což je logické, protože tam se také používá. V editoru systému InBatch se vytváří jediný model, zahrnující v sobě dva z modelů definovaných v normě S88 – modely procesů a modely zařízení). Je to však také logické – každá jednotka má nějaké výrobní vlastnosti a samotný model procesu je v podstatě abstraktní pojem, který se stává skutečností až tehdy, když se konkrétní procedura (procedurální model) aplikuje na konkrétní zařízení (model zařízení) a začne se simulovat (probíhat) konkrétní vsádkový proces.

Funkce prototypu byla ověřena simulací. Model procesu umožňuje vyzkoušet navržené receptury a celý průběh řízení před připojením ke skutečným zařízením. Podstata celého procesu simulace spočívá v proměně obecných tříd procesů a tříd transportních zařízení (hlavní receptura) na konkrétní výrobní jednotky a spojení mezi nimi (řídicí receptura). Zatímco hlavní receptura je nezávislá na konkrétním zařízení a použité cestě, po spuštění vsádky se dynamicky vytváří řídicí receptura, která používá konkrétní zařízení (buď simulačně nebo reálně), receptura pro jednotlivé vsádky se liší časem, může se lišit množstvím surovin, produktů a použitým zařízením a má konkrétně nastavené parametry. Tento proces je v zásadě stejný jak při simulaci, tak při skutečném řízení. Prototyp řídicího systému byl testován kontrolou výpisů ze systému, testováním jednotlivých jednotkových procedur v rámci receptury, testováním simulací zpracování celé receptury (vzhledem ke schváleným standardním operačním postupům – SOP) a kontrolou vygenerovaných výkazů.

6. Diskuse

Nová metodika odstraňuje většinu nedostatků vlastních předešlým postupům. Pro rozdělení na úrovních modulů zařízení a řízení přejímá přesné algoritmy. Definuje a používá pojem fáze jako prvek společný dvěma modelům. Definuje a rozlišuje manuální fáze, transportní i výrobní, což má velký význam v podnicích s nižším stupněm automatizace. Dále používá pojmy třída procesu a třída transportních zařízení, které umožňují a velmi zjednodušují definici stejných nebo podobných (tj. se stejnými fázemi) jednotek a spojení mezi nimi, což je důležité zejména při dekompozici rozsáhlých modelů procesu. Definice transportních tříd pro specifikaci spojení mezi jednotkami značně zjednodušuje tvorbu receptur a nároky na operátora anebo řídicí systém při definování modelu procesu. Definice pojmu spojení mezi jednotkami jde nad rámec normy S88, avšak toto rozšíření normu nijak neomezuje ani se nevymyká z jejího rámce. Umožňuje použít v procedurální části algoritmu sekvenční funkční diagramy (Sequential Function Chart – SFC) a paralelní řazení fází a operací, a tak značně zvětšuje pružnost a přehlednost metodiky.

7. Závěr

Řízení vsádkových procesů má množství specifik a rozdílů oproti řízení kontinuálních procesů. Odlišnou roli hraje čas – např. zobrazení pro operátory musí být strukturována nejen v prostoru, ale i v čase, nové spuštění po výpadku řídicího systému vyžaduje znalost předchozího stavu a historie minulých stavů apod. Rozvoj automatizace a řízení vsádkových procesů byl významně podpořen vydáním a rozšířením normy ISA S88 [1], která sjednocuje používané modely a odbornou terminologii při navrhování výrobních procesů a systémů řízení v této oblasti. Při použití prvků této normy lze výrazně zefektivnit řízení vsádkových výrob, a nejen jich. Jak naznačuje poslední vývoj, uplatňují se principy normy S88 s výhodou také při řízení výrob závislých na procesech kontinuální povahy, např. při výrobě polymerů a v papírenském a textilním průmyslu [15].

V samotné normě S88 však není dostatečně popsáno a vysvětleno, jakým způsobem v ní popsané modely aplikovat a jak nejlépe navrhnout nový řídicí systém. Z analýzy nedostatků dosud používaných přístupů k řešení úloh navrhování a řízení vsádkových výrob vyplynula mj. nutnost navrhnout novou původní metodiku pro specifikaci a dekompozici řídicích systémů pro vsádkové procesy. Proto byla doporučení uvedená v normě doplněna návrhem takovéto metodiky. Správnost navržené metodiky byla ověřena řešením příkladu v praxi – realizací prototypu řídicího systému pro izolaci nystatinu.

V publikovaných pracích lze nalézt příklady aplikací struktur podle S88, které jsou však specifické pro daný průmyslový proces. Na rozdíl od nich je popsaná metodika obecně použitelná a mohla by poskytnout bázi, na jejímž základě by bylo možné vyvinout nástroje a systémy pro její implementaci do praxe. Jedním z motivů předkládané práce je snaha přispět k vytvoření praktického, ale dostatečně teoreticky zdůvodněného návodu („kuchařky“) pro zavádění nových řídicích systémů v podnicích se vsádkovou výrobou. Užitečné by také bylo mít k dispozici oficiální a názvoslovně závazný překlad normy S88.

Poděkování

V článku byly využity výsledky vědeckého výzkumu podporovaného projektem MŠMT ČR (výzkumným záměrem) MSM 223400007.

doc. Ing. Jaroslav Poživil, CSc.
(jaroslav.pozivil@vscht.cz)
Lektoroval: doc. Ing. Stanislav Krejčí, CSc.