一、背 景
隨著近年全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的日新月異，批量生產(chǎn)過(guò)程已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)重要分支，特別是在精細(xì)化工生產(chǎn)中已被廣泛采用，批量生產(chǎn)過(guò)程對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)也提出了越來(lái)越高的要求。隨著批量控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISA S88的制定，近十年來(lái)批量控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各過(guò)程控制及自動(dòng)化系統(tǒng)公司紛紛推出了集成于過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）的批量控制軟件。下面我們以杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化公司推出的UWinBatch批量控制軟件為例，對(duì)批量控制在精細(xì)化工生產(chǎn)中發(fā)揮的巨大作用進(jìn)行詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。
二、精細(xì)化工行業(yè)特點(diǎn)
精細(xì)化工，是生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品工業(yè)的通稱。大致包含40多個(gè)行業(yè)和門類。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，精細(xì)化學(xué)品的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嚅_拓，新的門類將不斷增加。精細(xì)化工的特點(diǎn)如圖1所示，從圖中可以得知，精細(xì)化工是屬于批量生產(chǎn)過(guò)程。
40多個(gè)行業(yè)和門類。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，精細(xì)化學(xué)品的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嚅_拓，新的門類將不斷增加。精細(xì)化工的特點(diǎn)如圖1所示，從圖中可以得知，精細(xì)化工是屬于批量生產(chǎn)過(guò)程。
三、批量生產(chǎn)過(guò)程與批量控制
3.1批量生產(chǎn)過(guò)程
ISA S88標(biāo)準(zhǔn)對(duì)批量生產(chǎn)過(guò)程的定義：將有限量的物料按規(guī)定的加工順序在一個(gè)或多個(gè)設(shè)備中加工以獲得有限量的產(chǎn)品的加工過(guò)程，簡(jiǎn)言之，以順序的操作步驟進(jìn)行批量產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程稱為批生產(chǎn)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是間歇的、不連續(xù)的，而且此操作步驟不是固定不變的，根據(jù)不同的產(chǎn)品可以有相應(yīng)的變化，其廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、食品飲料、生物醫(yī)藥和農(nóng)藥化肥等相關(guān)領(lǐng)域。與之對(duì)應(yīng)的是我們比較熟悉的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，其生產(chǎn)產(chǎn)品單一、生產(chǎn)工藝固定，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，主要應(yīng)用于石油化工、冶金等行業(yè)。表1給出了各行業(yè)中的批量過(guò)程與連續(xù)過(guò)程所占的比例。表2對(duì)連續(xù)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。
3.2 批量生產(chǎn)過(guò)程對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)提出的新挑戰(zhàn)
從表2的對(duì)比中我們可以看出，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，工藝成熟，控制策略一旦建立，不需更改，而批量生產(chǎn)過(guò)程由于存在產(chǎn)品的切換，工藝參數(shù)不存在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，需要控制策略更具有柔性化的設(shè)計(jì)，所以控制更為復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
為適應(yīng)市場(chǎng)需求變化，要求能快速靈活地切換產(chǎn)品
——這就要求控制系統(tǒng)要有柔性設(shè)計(jì)，控制程序代碼能被不同的產(chǎn)品復(fù)用，不能重復(fù)編寫代碼浪費(fèi)時(shí)間；
簡(jiǎn)單易用的配方開發(fā)管理平臺(tái)
——配方開發(fā)管理平臺(tái)，必須簡(jiǎn)單易用，用戶的工藝工程師能輕松掌握，以便快速開發(fā)新的配方、編輯修改、升級(jí)老的配方；
能實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品同時(shí)生產(chǎn)
——支持多個(gè)批次同時(shí)生產(chǎn)，控制系統(tǒng)要能對(duì)共享的資源進(jìn)行合理高效地調(diào)度，并在沖突產(chǎn)生的時(shí)候，能夠進(jìn)行仲裁，設(shè)備故障時(shí)，快速重新建立生產(chǎn)的路徑。
更加嚴(yán)格的權(quán)限分配及管理
——每個(gè)批次生產(chǎn)時(shí)，相關(guān)的生產(chǎn)人員要有嚴(yán)格的權(quán)限劃分，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須要由相應(yīng)權(quán)限人員的簽名確認(rèn)，才能進(jìn)行下一步的生產(chǎn)，并做好記錄。
更加復(fù)雜的歷史報(bào)表記錄，要求符合FDA、GMP規(guī)范
——批次報(bào)表不是簡(jiǎn)單地記錄過(guò)程數(shù)據(jù)，而是要記錄批次生產(chǎn)相關(guān)的所有信息（比如配方、人員、設(shè)備、過(guò)程參數(shù)，控制策略等)，符合FDA、GMP的標(biāo)準(zhǔn)，能全面地追蹤每一個(gè)批次的運(yùn)行情況。
3.3 批量控制系統(tǒng)
鑒于批量生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性要求，批量控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)建立在ISA S88標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，可以快速靈活地響應(yīng)客戶對(duì)批量生產(chǎn)的要求，并提供批量生產(chǎn)管理、控制以及過(guò)程分析，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，幫助客戶提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化公司作為過(guò)程控制系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)廠家，掌握核心技術(shù)，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在這得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)背景下，開發(fā)了符合ISA S88標(biāo)準(zhǔn)的批量控制軟件UWinBatch，為客戶提供完美的批量生產(chǎn)過(guò)程解決方案。UWinBatch通過(guò)配方編輯器、批量控制臺(tái)、批量數(shù)據(jù)庫(kù)、畫面組態(tài)等模塊集配方組態(tài)、批次計(jì)劃與調(diào)度、日志與報(bào)警查詢等功能于一體，提高了批量控制的效率和質(zhì)量。UWinBatch系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于間歇性、批次性比較明顯的食品、飲料、添加劑、制藥、生物化工等領(lǐng)域。
3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)
四、UWinBatch 批量控制系統(tǒng)
4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
模塊化的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)
Batch系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依托于UW500 DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完全基于構(gòu)件設(shè)計(jì)，各模塊獨(dú)立性強(qiáng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展系統(tǒng)方便靈活，保證了Batch能很好地融入到DCS系統(tǒng)的架構(gòu)中，并且可以根據(jù)客戶的需求靈活配置。
安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸
UWinBatch系統(tǒng)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)安全及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?，采用雙網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并且在客戶端和服務(wù)器間通過(guò)防火墻進(jìn)行安全隔離，確保數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定傳輸。
便捷的客戶端訪問(wèn)
除了標(biāo)準(zhǔn)的客戶/服務(wù)器(C/S)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方式，采用IE瀏覽器作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的瘦客戶端(B/S)來(lái)瀏覽畫面，隨時(shí)隨地進(jìn)行服務(wù)器的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和控制，快速了解工藝流程的運(yùn)行狀態(tài)、日志及報(bào)警信息，為用戶節(jié)省大量的時(shí)間，提高管理效率。
開放接口，與生產(chǎn)管理無(wú)縫對(duì)接
Batch是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域一種控制方式，同時(shí)更是代表了一種先進(jìn)的生產(chǎn)管理理念，作為標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，它也是當(dāng)今流程工業(yè)新技術(shù)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的重要組件之一。Batch通過(guò)工廠以太網(wǎng)把當(dāng)前批量運(yùn)行的情況、批量歷史數(shù)據(jù)的內(nèi)容等實(shí)時(shí)或歷史的數(shù)據(jù)上傳，參加工廠MES網(wǎng)的一些優(yōu)化運(yùn)算及處理。MES將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計(jì)整理，建立生產(chǎn)管理與生產(chǎn)過(guò)程控制的聯(lián)系，從而達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程與生產(chǎn)管理統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的。
4.2 系統(tǒng)功能
UWinBatch批量控制系統(tǒng)，集配方組態(tài)、批次生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、批次生產(chǎn)過(guò)程控制、批次報(bào)表和運(yùn)行日志記錄、系統(tǒng)報(bào)警功能于一體，完美貼合精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)。
4.2.1 配方組態(tài)
提供一個(gè)配方編輯器來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)主 Unit 過(guò)程配方，該編輯器主要包括以下功能。
在配方管理器界面，通過(guò)添加步和階段來(lái)創(chuàng)建控制配方，階段包含“手動(dòng)”“等待”“腳本”“設(shè)備”“跳轉(zhuǎn)”，以便適應(yīng)復(fù)雜的工藝需求，通過(guò)改變階段，便可以搭建不同的控制策略，完成不同產(chǎn)品的生產(chǎn)；
同時(shí)支持255個(gè)配方同時(shí)運(yùn)行；
以配置的方式迅速開發(fā)復(fù)雜的配方結(jié)構(gòu)；
配置生產(chǎn)任務(wù)單，將產(chǎn)品所用到的原料按配比關(guān)系羅列出來(lái)。在產(chǎn)品配方運(yùn)行前，工程師需先確定生產(chǎn)任務(wù)單里面的原料配比關(guān)系，確定后開始啟動(dòng)產(chǎn)品配方，生產(chǎn)產(chǎn)品；
為測(cè)試或生產(chǎn)目的發(fā)布主配方 ；
驗(yàn)證配方；
在此配方編輯器界面，具有操作權(quán)限的用戶，只需通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以修改、創(chuàng)建產(chǎn)品配方，非常簡(jiǎn)單易行。
4.2.2 批次生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度
生產(chǎn)計(jì)劃模塊為用戶提供在線管理生產(chǎn)計(jì)劃的功能。可以根據(jù)訂單和生產(chǎn)線的情況事先定制生產(chǎn)計(jì)劃，靈活地設(shè)置某個(gè)配方的計(jì)劃產(chǎn)量、計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間、批次劃分、每個(gè)批次執(zhí)行的順序以及批次所需要的原料設(shè)定。
支持批次在線修改，方便用戶隨時(shí)調(diào)整批次的執(zhí)行情況。實(shí)現(xiàn)快速、靈活相應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)線需求的目的。同時(shí)，提供開發(fā)的數(shù)據(jù)接口，可以直接接受第三方軟件下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)與上層管理軟件的融合，提高生產(chǎn)效率。另外，還支持配比方案參數(shù)和產(chǎn)量的實(shí)時(shí)修改。
4.2.3 批次生產(chǎn)過(guò)程管理
支持從DCS的運(yùn)行畫面中調(diào)出批次過(guò)程監(jiān)控界面，通過(guò)該界面，可以清晰、便捷地了解到各控制配方的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，可以手動(dòng)干預(yù)調(diào)整各配方的執(zhí)行。
監(jiān)控每個(gè)批次目前運(yùn)行的階段以及該階段的執(zhí)行情況，比如完成、正在執(zhí)行、異常等；
記錄生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一系列信息，包括各批次參數(shù)信息、批次運(yùn)行狀態(tài)、控制配方信息、以及配方工藝流程狀態(tài)，方便用戶實(shí)時(shí)查閱和批次報(bào)表記錄的調(diào)用。
可視化每個(gè)設(shè)備的占用情況，沖突仲裁，合理分配設(shè)備資源，提高設(shè)備的使用率和生產(chǎn)效率；
完善的審批授權(quán)機(jī)制，使得每個(gè)關(guān)鍵步驟的執(zhí)行都有據(jù)可查，保證生產(chǎn)過(guò)程安全、穩(wěn)定，可追溯，提升生產(chǎn)管理水平和產(chǎn)品品質(zhì)。
4.2.4 批次報(bào)表和運(yùn)行日志記錄
批次報(bào)表記錄了批次執(zhí)行的過(guò)程和結(jié)果，為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和成品追溯提供數(shù)據(jù)支持。運(yùn)行日志自動(dòng)地記錄所有的在線操作信息，避免繁瑣的文檔記錄和審查。查看日志，能清楚地了解到任何人的任何操作。
一個(gè)Batch運(yùn)行結(jié)束或者被取消之后，批量服務(wù)器會(huì)自動(dòng)生成報(bào)表，系統(tǒng)提供默認(rèn)的報(bào)表模板，用戶也可以自定義報(bào)表。報(bào)表采用通用的MS Excel風(fēng)格，組態(tài)容易；
報(bào)表數(shù)據(jù)包括所有與批次生產(chǎn)相關(guān)的活動(dòng)，比如配方、人員、設(shè)備、過(guò)程參數(shù)，控制策略等；
運(yùn)行日志記錄誰(shuí)操作的、操作時(shí)間、相關(guān)的控制配方、單元程序、操作以及生產(chǎn)計(jì)劃信息等；
運(yùn)行日志可以根據(jù)需求自行配置，通過(guò)配方或批號(hào)的選擇的方式進(jìn)行快速查詢；
可通過(guò)配方+批號(hào)的方式對(duì)每個(gè)生產(chǎn)批次的詳細(xì)情況進(jìn)行查詢；
電子簽名：簽名等級(jí)、注釋、安全要求、日期和時(shí)間戳、要檢驗(yàn)運(yùn)行批次事件，需要至少三個(gè)簽名，全部簽名被存在事件日志中，并不可編輯，完全支持21 CFRPart 11兼容性。
五、批量控制系統(tǒng)為客戶帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)
UWinBatch是靈活、實(shí)用的批控制的解決方案。該產(chǎn)品適用于所有的批過(guò)程控制場(chǎng)合。它既可以用于單路徑結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程控制場(chǎng)合，也可以應(yīng)用于具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過(guò)程控制場(chǎng)合。同樣，它既可以用于生產(chǎn)單一產(chǎn)品的工廠，也可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品的企業(yè)。
優(yōu)勢(shì)一——提高產(chǎn)量，改善質(zhì)量
批量控制軟件可以自動(dòng)地執(zhí)行生產(chǎn)順序，同時(shí)允許產(chǎn)品到產(chǎn)品的快速切換，從而提高總體產(chǎn)出。 針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量，批量控制軟件加強(qiáng)了配方程序的執(zhí)行，并確認(rèn)操作員的各項(xiàng)活動(dòng)，以確保不同批次的產(chǎn)品保持一致的產(chǎn)品質(zhì)量。
優(yōu)勢(shì)二——更加靈活的生產(chǎn)方式
Batch 提供一個(gè)環(huán)境使生產(chǎn)商能夠?qū)π庐a(chǎn)品，隨時(shí)變化的客戶計(jì)劃和突發(fā)的工廠現(xiàn)場(chǎng)事件快速作出反應(yīng)。 每個(gè)配方都具有不同的生產(chǎn)步驟和成份組成， 配方能夠按照可以滿足配方定義的設(shè)備需要的任一生產(chǎn)序列中進(jìn)行計(jì)劃來(lái)生產(chǎn)。這個(gè)可以配置工藝設(shè)備如何使用的功能賦予了在當(dāng)今的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下生產(chǎn)商所需要的靈活性。
優(yōu)勢(shì)三——加快投放市場(chǎng)的時(shí)間
a.Batch 提供快速且容易的配方開發(fā)：Batch 配方管理系統(tǒng)易于使用，無(wú)需昂貴的工程開發(fā)，只要復(fù)用已有的代碼便可完成配方的開發(fā)及維護(hù)；
b.新配方的模擬執(zhí)行：依靠公司的生產(chǎn)設(shè)施的過(guò)程模型，工廠或研發(fā)部門的用戶能夠模擬新配方的執(zhí)行。這同時(shí)可以判斷工廠是否有需要的設(shè)備、過(guò)程功能和原材料來(lái)生產(chǎn)此種配方；
c.對(duì)配方而不是控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證： 當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的配方時(shí)，只需要對(duì)配方進(jìn)行驗(yàn)證，而無(wú)需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)增加新的配方時(shí)控制系統(tǒng)并不需要改變。與驗(yàn)證一個(gè)新的配方的時(shí)間比較，用于重新驗(yàn)證一個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)間和費(fèi)用要多很多。
優(yōu)勢(shì)四——共享設(shè)備資源，多路徑多產(chǎn)品生產(chǎn)
從單一路徑到多產(chǎn)品多路徑的生產(chǎn)方式；
共享時(shí)間和設(shè)備資源，動(dòng)態(tài)單元分配功能可以最大化關(guān)鍵設(shè)備的使用或者在失敗情況下迅速切換裝置，重新規(guī)劃路徑。
優(yōu)勢(shì)五——縮短驗(yàn)證時(shí)間，減少驗(yàn)證費(fèi)用
Batch使我們可以更容易地設(shè)計(jì)和實(shí)施符合21 CFRPart 11、電子記錄和電子簽名的US規(guī)范；可配置的電子簽名模板，它代表了一個(gè)簽名和相關(guān)數(shù)據(jù)，例如：簽名等級(jí)、注釋、安全要求、日期和時(shí)間戳等，完整的批數(shù)據(jù)管理，包括所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如配方、人員、設(shè)備、過(guò)程參數(shù)，控制策略等），這些數(shù)據(jù)將自動(dòng)地以批報(bào)表的形式生成文檔，使生產(chǎn)過(guò)程變得透明化且可追溯，使驗(yàn)證過(guò)程更加簡(jiǎn)單易行。
優(yōu)勢(shì)六——物料跟蹤，更佳的庫(kù)存管理
與物料跟蹤集成，管理原料和配方在生產(chǎn)批次執(zhí)行系統(tǒng)中提供實(shí)時(shí)的原料管理和可跟蹤性，增強(qiáng)企業(yè)庫(kù)存解決方案并允許更有效的原料和配方管理；當(dāng)與公司范圍內(nèi)的庫(kù)存管理系統(tǒng)集成時(shí)，通過(guò)采集詳細(xì)的原料和設(shè)備跟蹤信息，在優(yōu)化供應(yīng)鏈和實(shí)施電子商務(wù)時(shí)，物料跟蹤能夠改善ERP級(jí)資源管理的功能。
