ISA S88

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# 一、S88标准定义的技术术语
S88定义了一整套的术语和模型，用于描述批量生产厂家的控制要求，这种国际标准的程序、物理和过程模型及术语强调优良的工厂设计和操作实践。标准定义了60多条术语，包括批量过程、过程、批量、单元、配方等。批量过程是：定质、定量的原料用1台或多台设备在规定时间内经过一系列的处理过程，得到定制定量的产品的过程；它不同于离散量控制，也不同于连续量控制。标准还定义四种类型的配方：通用配方（general recipe）、工厂配方（site recipe）、主配方（master recipe）和控制配方（control recipe），其中控制配方由批量控制服务器实施执行，完成一次批量生产，它包含了某一特定批量生产与产品相关的所有信息。其它术语的定义读者可以参考相关文档资料，这里不再一一叙述了。
# 二、S88标准定义的三种模型
批量控制系统标准ISA S88，定义了过程模型、物理模型和程序控制模型。
虽然三者从不同角度描述了批量过程，但它们是相互关联的。
程序控制模型中的元素与物理模型中的相应元素相结合，便实现了过程模型中相关的生产任务。
三种模型间的关系见图1。
![](/media/202401/2024-01-03_224002_618880.png)
## 过程模型
过程模型把批量过程分为过程（process）、过程阶段（process phase）、过程操作（process step）和过程动作（process action）四个部分。
过程动作是批量过程中最小的加工活动；
过程操作是由一个或几个过程动作组成的比较大的加工活动，它通常会使待加工的物料发生化学或物理变化；过程阶段是由一个或几个过程操作组成的、相对独立的加工活动；
过程由一个或几个过程阶段组成，最终完成一次批量生产。
## 物理模型
物理模型用来描述批量生产中的设备，分为过程单元（process cell）、设备单元（unit）、设备模块（equipmentmodule）和控制模块（control module）四层。
控制模块由一组传感器、激励装置和其他控制模块组成，完成一个基本的控制活动；
设备模块由完成一个简单任务的某些控制模块组成；设备单元由生产过程中完成某一特定任务的设备模块和控制模块构成；
过程单元则包括批量生产中所有的生产操作设备和辅助操作设备。
物理模型如图2 所示：
![](/media/202401/2024-01-03_224208_644212.png)
## 程序控制模型
在批量生产中，产品的加工是按配方规定的顺序及操作参数进行的。配方由批量执行机构实时执行，它包含某一特定批量生产中与产品相关的所有信息，包括产品的原料配比和产品生产的工艺信息。
配方由标题、公式、设备要求、程序及附加信息组成。
其中程序是配方中最重要的一部分，根据 ISA S88 中的程序控制模型，配方中的程序由上至下分为
程序（program）、设备单元程序（unit program）、操作（operation）和阶段（phase）四个层次。
其中，阶段是程序控制模型中最基本的构件，它包括对元器件的离散控制、调节回路和联锁保护。
选择和组合阶段，构成在一个设备单元内进行产品批量生产的单元操作，它定义了一个主要的、能够使被加工的物料发生化学或物理变化的加工顺序。
进一步组合单元操作就构成了单元程序。
最后，由设备单元程序按照规定的操作顺序来完成整个批量生产的程序。
程序控制模型如图 3 所示：
![](/media/202401/2024-01-03_224346_907269.png)
三、 S88标准的核心思想
S88 给系统工程师提出了设计批量控制系统的指导原则，也就是 S88 标准的核心思想，那就是==配方与设备控制程序相分离==。
这里所说的分离，指的就是配方的设计与设备控制程序的设计相互独立。
将设备控制程序设计成一种相对固定的模块，这种模块被称为设备的程序元素。
配方与设备控制程序仅仅在控制配方的程序元素与设备的程序元素之间实现结合，在其它方面两者不存在直接联系。
配方的程序元素与设备要求这两项信息保证控制配方独一无二、不产生歧义地关联到某一特定设备的程序元素。
由此可见，要实现一个批量控制策略，首先必需进行过程分析，即分析一个产品批量生产过程的操作顺序。
对批量生产过程进行分析时，一般通过带控制点的工艺流程图来了解被控对象，熟悉生产工艺，研究和分析批量生产过程固有的分层结构和模块化属性。
进行过程分析的目的，是按照ISA S88标准中的物理模型来正确地划分设备单元、辨识产品的生产路径、各个元器件和设备的联锁保护以及按照程序控制模型来辨识基本的阶段。
将工厂划分为设备单元，随之决定系统的最终规模，然后，把产品的生产程序在各个设备单元上分解为设备单元程序。
设备单元程序是发生在一个单独的设备单元中的一组按顺序执行的操作，这些操作再细分为阶段。
# 四、 批量控制系统组件定义
## 4.1 阶段（Phase）的定义
Phase 是批量控制系统中最小的单元，通常来说一个Phase 就对应一个顺序控制程序，这个程序是由一组命令和参数组成用来完成一个基本工艺过程，而且这个工艺过程是可以被选择和反复调用的。加料、搅拌、升温、搅拌、转料等都可以定义为一个阶段。
## 4.2 单元（Unit）的划分
单元的划分历来就是批量控制系统能否成功的关键环节，因为有两个主要原因：第一单元划分由工艺流程和工艺路径选择来决定，其划分的合理性涉及到程序的编写架构、有效性和灵活性。第二现在大多的批量控制软件都是以单元为计费单位，所以单元的划分会和项目的成本控制有很大的关系。单元一般是以釜、槽等物料存储、处理设备为主，附带或不附带其它组成设备，这样又可以根据这个原则，再作调整，使单元符合工艺要求。
## 4.3 配方（Recipe）的编写
目前批量控制软件一般都分为两个主要组成部分：一个是批量设备编辑软件；另一个是批量配方编辑软件。设备编辑软件主要是物理模型的建立过程，其主要包括了上面两节所描述的 Phase 的定义和 Unit 的划分。而配方编辑软件主要是工艺模型的建立。设备编辑软件的编写工作与控制系统关系紧密，一般是由控制系统工程师来编写。而配方编辑软件的工作主要涉及工艺流程的规划，一般由工艺工程师主导控制系统工程师辅助完成，其结构必须符合 S88 对程序控制模型的要求，从上到下分为procedure、unit procedure、operation 和 Phase，每一个配方都要包含这四层结构。在每层结构中都可以定义本层程序运行逻辑，之后的主要工作为程序运行逻辑框架的搭建和运行步骤转换条件的定义。