S88

ISA-88（S88），批控制(系列)标准，首次发布于1995年，引入了ISA-88模型，现在被认为是自动化的面向对象设计模式。它已经成为结构化自动化项目的公认标准。
国外多数主要的集成商和国际性的主要的自动化供应商都支持ISA-88模型，并在他们的项目中使用该模型。有机构记录了应用模型带来的可衡量的好处，由于在ISA-88中定义的模块化和重用方法，通常在第一个或第二个项目上节省30%，在后续项目上节省高达80%。即使在今天，工业4.0和智能制造项目的工作也使用ISA-88设备和配方模型作为其开发工作的组成部分。
有机构发现，一旦人们学会了如何应用ISA-88模型，他们的个人生产力提高了，他们成为了更好的工程师（有人认为，熟练掌握S88 标准的自控工程师，是高水平自控工程师，本人在猎聘、智联上搜索会S88 的自控工程师，结果非常非常少）。
世界批处理论坛(现在是MESA International的一部分)记录了超过30%的改进，以及批处理过程的吞吐量改进、过程的更好重复性和更高的产品质量。
正是这些直接可测量的改进导致了ISA-88系列的广泛使用。
平均而言，有20至30名专家积极参与ISA-88标准的制定，以及超过100名审稿人。

在本章节中，您将了解到：

S88的定义
	S88背后的理念
	标准的前三个原则
	批次控制的三个要素

# S88的定义
S88 defines hierarchical recipe management and process segmentationframeworks, which separate products from the processes that make them. Thestandard enables reuse and flexibility of equipment, and provides a structurefor coordinating and integrating recipe-related information across thetraditional ERP, MES, and control domains.
S88不仅仅是设计软件、设备或程序的标准;这也是一种思维方式，一种设计哲学。
了解S88将帮助您更好地提升设计流程和设计产品。
利用标准中包含的知识和经验将使您能够更好地识别客户需求，使配方开发更容易，并帮助减少使新系统或新产品达到成熟水平所需的时间。
遵循S88中解释的概念，您可以提高操作的可靠性，并降低批处理过程的自动化生命周期成本。同时，方便ERP、MES、WMS和LIMS、QMS等系统的结合。
# 标准的前三个原则
自从1995年第1部分发布以来，不管S88.01在纸面上可能会说些什么，实际上S88标准已经做了很多很好的工作，澄清了该标准的含义。
一些业内人士已经解释了一些关于标准的基本规则或原则。
所以，在我们深入学习本教程的一些细节之前，我们认为抛出一些原则可能会有帮助。
## 原则一:控制的概念具有特定的意义
我们将控制给一个定义，可以将控制定义为一种使设备做事情的活动。控制必须发生，但发生的方式并不重要:

控制可以完全手动(操作员操作)
	控制可全自动(计算机控制)
	控制可以是两者的某种组合(完全手动和完全自动之间)
![](/media/202403/2024-03-15_083432_003352.png)
图一 控制的基本概念
换句话说，请记住S88的设计是为了处理所有级别的自动化。也就是说，
==该标准可以应用于完全自动化的系统或完全手动的系统……或介于两者之间的任何系统。==
## 原则二:将配方与设备控制分开
从设备控制中分离出来配方，这是S88该标准的一大技术优势。
![](/media/202403/2024-03-15_083445_984418.png)
图二 配方从控制方案中分离
传统的控制方案，都是将控制逻辑写到控制器里，比如PLC（可编程逻辑控制器ProgrammableLogic Controller,或者DCS（分散式控制系统distributed control system）。
问题是，当所有控制逻辑写到控制器里，代码耦合性非常高，如果想进行更改，技术难度非常高。即使同一个产线，每添加一个新产品，改变成分，或者改进过程，都需要花费大量的人力和时间来修改软件。
按照S88标准，将配方与设备控制分开，将可以使不会编程的工艺人员，通过配方编程，为每条产线添加一个新产品，而不用修改PLC或者DCS逻辑。
## 原则三:所有元素都模块化标准化
S88的一个关键方面是它能够对生产过程或者控制系统进行分割。我们也可以称之为过程系统的模块化和标准化。配方和生产过程系统都是由更小的部分组成的。
![](/media/202403/2024-03-15_083504_553546.png)
图三 所有内容都模块化标准化
正是这种模块化使得配方组件和设备控制组件(通常通过过程控制系统和上位机软件实现)的灵活性和重用成为可能。

总结：
好了，我们刚刚在天宫一号的高度得到了S88的解释，包括三个关键原则。
现在，让我们开始深入研究。

# 批次控制的三个要素
为了正确地开发一个成功的批控制系统，你需要定义三个重要的元素:

如何编写配方
	生产设备模型的识别和建模
	如何进行设备控制活动

## 设备与模型
### 一、介绍
在本章节中，您将了解到：

S88物理模型
	单元的重要性(以及如何识别单元)
	设备模块和控制模块
	模块类型之间的差异
	设备模块和控制模块如何组合成单元
我们在上一节中看到，配方是通过过程控制模型进行分割和组织的。
通过使用另一种称为物理模型(Physical Model)的S88工具，设备同样被分割(或模块化)。
该模型有7个级别，如图1所示。与过程控制模型一样，S88使用E-R图来描述物理模型。
![](/media/202403/2024-03-15_083630_077639.png)
图一 S88物理模型
注：前三个级别的方框用虚线显示，表示用这三个级别的边界的标准超出S88描述的范围。
因此，这三个物理模型将不在本文章中重点讨论。

让我们从最上面开始描述物理模型级别。
### 企业（Enterprise）级别
企业（Enterprise）：企业是一个或多个站点（Site，工厂或站点）的集合。它可能包含工厂，区域，过程单元，单元，设备模块和控制模块。企业负责确定在哪个工厂生产什么以及产品是如何被制造出来的。除了批次控制之外，还有许多因素会影响企业的边界。因此，企业边界的标准不在S88标准中涵盖。
### 工厂（Site）级别
工厂（Site）：工厂/站点是由企业决定的物理、地理或逻辑分组。它可能包含区域、过程单元、单元、设备模块和控制模块。工厂/站点的边界通常基于组织或业务标准，而不是技术标准。除了批次控制之外，还有许多因素影响这些边界。因此，站点边界的标准不在本标准中涵盖。Site可以是工厂的另一个名称。也许最常见的选址方法是基于地理位置，但这并不意味着两个选址不能在物理上相邻。不同的Sie可以生产不同的产品，不同的站点可以有不同的制造过程，但它们可能是相同的。
### 区域(Area)级别
区域(Area):
区域是由站点决定的物理、地理或逻辑分组。它可能包含过程单元、单元、设备模块和控制模块。区域的边界通常基于组织或业务标准，而不是技术标准。
除了批次控制之外，还有许多因素影响这些边界。因此，配置区域边界的标准不在本标准中涵盖。
虽然S88一共定义了7个级别，并认为每个级别都很重要，但最下面的4个级别才是真正重要的。
### 工艺单元（Process cell）级别
工艺单元（Processcell）：
工艺单元包含生产一个或多个批次所需的所有单元、设备模块和控制模块。工艺单元是设备的逻辑分组，包括生产一个或多个批次所需的设备。它定义了一个区域内一组过程设备的逻辑控制范围。过程单元的存在允许在过程单元的基础上进行生产调度，也允许设计过程单元范围的控制策略。
在S88里，下分的级别经常叫做Train，一个Train由特定批次使用设备和所有组件如辅助设备、工装等组成。一个批次并不总是使用一个Train上的所有设备。
此外，一共Train可以同时使用多个批次和生产多个产品。一共批次（或工单）实际使用或计划使用的设备的工艺路径或顺序称为路径（Path）。
工艺单元的细分通常遵循下面的原则：

任何设备实体在工艺单元中所实现的功能必须是清楚和明确的。
	设备实体所执行的功能在加工任务方面必须是一致的，并且在给定的时间内无论生产什么产品都应该对该任务是可用的。
	下级设备实体应该能够独立和异步地执行它们自己的任务，允许最高级别的设备实体协调从属设备的活动。
	设备实体之间的相互作用应尽量少。虽然需要定期的、计划的互动，但每个设备实体应在履行其职能的同时，尽可能少地影响其他设备实体。
	设备实体之间必须有明确的边界。
	设备实体的定义需要有一致的规则。操作员之后与类似设备实体进行交互时，应该能够自然地进行操作，而不会产生混淆。
	设备实体之间的必要互动应尽可能由同一层次，或与更高层次的设备实体。
![](/media/202403/2024-03-15_083705_450225.png)
图二 工艺示例
### 单元（Unit）级别
单元（Unit）：
一个单元由设备模块和控制模块组成。组成单元的模块可以配置为单元的一部分，也可以临时获得（和别的单元共享）以执行特定任务。
批处理活动集中在一个单元上。
换句话说，批处理是在单元进行的。
一个单元消耗物料、执行反应、或以其他方式产生产品或中间产品。
单元通常是像反应釜或高自动化成套设备之类的设备。

![](/media/202403/2024-03-15_083813_787351.png)
图三 单元示例

分辨一个单位的一个好方法是确定一个设备是否必须按照配方运行。
如果是，则是一个单元。如果不是，则由一个单元使用。
下表展示了一些我们认为是单元和不认为是单元的例子:

|例子|单元|非单元|
|--|--|--|
搅拌罐|√
反应釜|√
泵||√
原料存储罐|√
清洗设备|√
冰箱|√

泵本身并不是一个单元，它们只是一个小设备，你通常不需要一个完整的配方来操作泵。
(正如我们上面讨论的，泵可以作为一个单元的一部分。)
我们也不认为储罐是单元。
记住，一个单元执行一个主要的处理活动，而储罐仅仅是用来物料存储。
清洗是单元，因为它们或多或少都有一个配方，比如CIP配方。
一个单元经常存储或处理一整批物料。
虽然这很常见，但并非强制要求。
一个单元可以包含一个批次或只处理批次的一部分。
一个批被分成两个或多个亚批是很正常的，其中部分亚批可以与多个单元并行处理，也可以通过同一个单元多次处理。
一个单元不能同时对多个批次进行操作（或者一个单元只能执行一个批次所在的任务）。
从记录的角度来看，这是有道理的。
如果你将两个或更多的产品组合成一个单元，就很难追踪批次。
### 设备模块（EquipmentModule/EM）：
在物理上，设备模块可以由控制模块和下级设备模块组成。一个设备模块可以是一个单元的一部分，也可以是一个工艺单元内独立的设备分组。如果设计成一个独立的设备分组，它可以是一个独占使用资源或共享使用资源。
不像控制模块驱动设备到某个状态，设备模块总是有一些程序控制。也就是说，一个设备模块有一组相当复杂的逻辑来执行排序。
设备模块通常是一个自动控制过程中的主力。它们通常执行一个(而且只有一个)与产品无关的过程任务。
但是，它们非常复杂，操作人员试图手动执行相同功能时，通常需要遵循标准操作程序(SOP)。
设备模块可以独立运行，但通常为单元服务。
当与单位相关联时，设备模块可以永久地附加在单元上，也可以临时附加在单位上。
如果一个设备模块在同一时间只能激活一个单元，它被称为独占资源。如果它可以同时激活多个单元，则称为共享使用资源。
![](/media/202403/2024-03-15_083910_211020.png)
图四 设备模块基本控制面板
### 控制模块（Control Module/CM）
控制模块（Control Module/CM）:
控制模块通常是传感器、执行器、其他控制模块和相关处理设备的集合，从控制的角度来看，它们作为一个单独的实体进行操作。控制模块也可以由其他控制模块组成。例如，一个头部控制模块可以定义为几个开/关自动闭塞阀控制模块的组合。有时候，一个软件功能模块，比如PID也可以是一个控制模块。
控制模块应该提供标准的控制方法和控制功能，一般包括：
命令：比如 “启动, 关闭, 开始, 停止, 温控设定值” ；
状态：比如 “已打开, 已关闭, 运行, , 当前温度” ；
模式 ：自动模式-Batch控制设备状态；手动模式-操作工控制设备状态；模拟模式-允许操作员或工程师不需要连停止接设备而进行测试；
允许条件 ：如果条件不允许，或者生产状况不允许，则不能运行；
错误检查和失败逻辑(alarms)
![](/media/202403/2024-03-15_083931_041239.png)
图五 马达基本控制面板
模块可以根据需要简单或复杂。以下是模块的示例:
一个阀门
搅拌器
一个泵
带有流量变送器的变速泵
一个PID控制模块

![](/media/202403/2024-03-15_083950_592705.png)
图六 控制模块基本例子
下表比较了设备模块和控制模块的特性和行为。

### 十、放在一起
控制和设备模块与其他设备结合形成单元，提供执行过程所需的功能。下图显示了一个简单的示例。
物料选择控制模块：
考虑一组阀门进行选择要传送的材料。
控制系统的程序部分只需要选择要传输的材料，并将多个阀门视为一个单一的控制模块。
加料设备模块：
不像状态驱动的控制模块，设备模块总是有一些程序控制。
也就是说，一个设备模块有一组相当复杂的逻辑来执行排序。
下图包含加料设备模块，该模块选择物料并通过泵和流量变送器加入一定量的物料。
（注意嵌入在设备模块中的控制模块）

![](/media/202403/2024-03-15_085206_469092.png)
图七 单元组成
单元：罐体可以被认为是这个工艺过程的单元。
然而，如果我们认为上图显示的所有设备、控制模块是永久附加的，单元的边界真的延伸到上图所有内容。
下表通过比较单位和装备模块的功能提供了更多的信息。