遵循IEC 61512/ ISA 88构建数字化工厂

一个制造型企业的信息系统基本上由ERP系统、MES系统、生产单元的控制系统和设备模块控制系统构成。这些系统的种类繁多，不同的行业，企业对信息系统的需求也不同，这给软件开发商、系统设计商带来了复杂性。
01 / 建立数字化工厂的困惑
开发数字化工厂信息系统的困惑包括下面几个方面：
传统制造商提不出完整，明晰的需求。向软件开发商提供的只是企业现有的业务流程和现场管理方式。如果完全遵循客户提出的需求，采用IT 技术来实现，定制化程度高，开发和更新的工作量非常大。另一方面，工厂现有的管理模式并不完全合理，管理的基础工作薄弱（比如物料编码，审批流程），因此，即使建立了信息管理系统，收效并不明显。甚至带来更大的麻烦，受到公司管理层的抵触。一个好的软件开发商应该是一个咨询公司，要对客户现有的业务流程，现场操作进行调查，梳理和调整。使其更合理和高效，同时要说服客户的管理者接受这样的改变，这也是一个不小的挑战，特别是如果遇到一位固执的主管，会有相当的难度，因此，一个好的软件开发商还应该是一个布道师。
客户工厂的制造设备无法提供信息系统管理接口
客户工厂的设备往往都是不同时期安装，不同供应商提供的。它们大多数是一个封闭式的控制系统，客户在购买设备时也没有提出IT接口的需要。这为日后构建MES 系统带来了困难。这样造成了许多MES 没有和制造单元相连接，或者与制造设备的交互非常少，采集的生产数据非常少。只是实现了安灯，生产信息看板，RFID 扫码枪等功能，有些MES 采用额外添加传感器和网桥来采集制造系统的物理数据。
02 / 解决问题的方法
如果从根本上构建数字化制造工厂， 参与者要对制造工厂有一种整体的框架，也就是为制造工厂建模。在完整的模型指导下实现各个子系统，以及它们之间的数据格式，语义和协议。IEC 61512/ ISA 88是针对批量控制（batch Control）的国际标准，它对批量控制建立了完整的模型，IEC61512 是一个关于批量控制的国际标准，它和美国的ANSI/ISA-88 标准是相同的。ISA-88是1995年制定的。IEC61512 是1997年制定的。
何为批量控制(Batch Control)  呢？批量控制是以化学过程的方式连续生产有限数量的材料（continuous production of finite quantities of materials (batches) in chemical processes）。比如生产一百吨活性剂就是批量控制的过程。它的生产过程是连续的，而每次生产的数量是有限的，或者说产品的生产间隙性的。这个批次生产的是产品A，下一个批次生产的可能是产品B。化工，制药行业比较常见批量控制的生产方式。对于像电子产品装配，机械加工等离散加工过程，ISA-88 的概念也同样具有指导意义。
批量生产的特点生产过程是连续的，产品生产是批量方式的。它的特点是
·  生产操作是按配方规定的顺序进行的，产品是批量输出的；
·  设备要求设计成可以生产不同产品的柔性连接；
·  不同流程工艺条件和被控对象变化比较显著， 对控制系统参数优化要求高；
·  控制策略上涉及许多顺序操作，步与步之间的切换有的是时间触发，有的是状态或者事件触发；
·  批量生产过程的配方管理和生产调度任务复杂繁重。
ISA –88标准对批量控制建利一个完整的模型，它并不是一个技术实现的标准，没有涉及具体的协议和表达方式。它只是对批量控制进行了规范，提出了许多的术语，结构和流程。它对软件，设备开发 ，系统集成具有指导意义。能够建立一个完整的框架。进一步地，人们又提出了更为具体的行业标准，例如packML 是是包装行业的批量控制具体实施标准，batchML 是批量控制的具体实施标准。在这些标准的指导下，MES 软件，控制单元的控制软件研发有了明确的规范，促进了数字工厂各个部分的互联互通和相互协同。数字工厂系统，软件和设备设计人员，了解和研究ISA-88是非常有必要的。、
03 / ISA - 88 标准的主要概念
物理模型（Physical model）
一个制造型企业的物理资产是一个分层的金字塔结构。它们分别是
企业（Enterprise）
场所（Site）
区域（Area）
过程单元（process cell）
设备单元（Unit）
设备模块（Equipment Module）
控制模块（Control Module）
一个企业由若干个生产场所（site）。你可以将场所理解为工厂，每个场所可能生产多种材料（应为批量控制的是连续的生产过程的产品，因此称为材料更加贴切）。它们可能是化学材料，生物制剂，软饮料，药品等等。每个场所分为多个区域（你可以理解为车间），而每个区域中包含了多个过程单元。它可能是一个加热炉，发酵系统，反应釜等。过程单元可以由多个部件构成。比如阀门。而部件可以进一步分为设备模块和控制模块。
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过程分层模型
ISA-88 标准将批量生产过程分为下面几个层次：
过程（process）
过程段（process stage）
过程操作（process Operation）
过程动作（process action）
过程
通过聚合氯乙烯单体生产聚氯乙烯。
过程段
过程包含一个或多个过程段，这些阶段按有序集合进行组织，可以是串行，并行或两者。流程阶段是流程的一部分，通常独立于其他过程段进行操作。它们会导致材料的化学或物理变化。在典型的过程阶段，聚氯乙烯工艺可能如下：
—聚合：将氯乙烯单体聚合成聚氯乙烯。
—回收：回收残留的氯乙烯单体。
—干燥：干燥的聚氯乙烯。
流程操作
每个过程段都包含一个或多个过程操作。流程操作代表了主要的加工活动。过程操作通常会导致材料的化学或物理变化。氯乙烯单体聚合成聚氯乙烯工艺阶段可能是
—准备反应器：抽空反应器以除去氧气。
—装料：添加软化水和表面活性剂。
—反应：加入氯乙烯单体和催化剂，加热至55-60°C，并在此温度下保持
直至反应器压力降低。
04 / 配方（recipes）的概念
前面提到过，材料的生产过程是连续的，生产的数量是有限的，而且是可以生产多种材料。显然，如果是连续生产一种产品，事情就比较简单，生产过程中的大部分参数都不需要改变，完全可以将这些工艺参数编写到控制软件中，由设备执行。当生产多种材料时，事情就变得复杂一点，针对每一种材料，需要设置不同的工艺参数。比如加入的催化剂，升温时间，反应时间等等都会不同。正是应为如此，ISA-88 将配方(Recipes)管理与设备分离了。这就好比早期的计算机硬件和软件是不分的，在发展的过程中，逐步将硬件和软件分离了。实践上，数字化生产系统就好比是一个可编程的硬件，注入不同的配方生产不同的材料。这才是数字化制造的愿景。
与硬件的分层结构相对应，配方也是分层结构。
通用配方（General Recipe）
这是企业级的配方，每个生产的材料有一个通用配方，在企业级别维护比如一个企业生产1000种材料，就有1000个配方。
场地配方（Site Recipe）
这是工厂级的配方，每个工厂和生产的材料就都一个配方，在工厂本地维护。
主配方（Master Recipe）
这是生产单元的配方，每个生产单元和生产的材料就都一个配方。
控制配方（Control Recipe）
每个批次有一个配方，比如每年生产100万个批次。描述客户的选项和公式化的值。
下面是设备单元配方的例子
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05 / 生产计划，调度
生产计划和调度是MES必需要的部分，它分解成为企业，工厂，过程单元几个层面。指出了生产的要求。
模式和状态
物理设备和过程单元的模式包括了自动（基本），自动（过程），半自动，手动（基本），手动（过程）。
物理设备和过程单元的状态和状态转移矩阵：
![](/media/202401/2024-01-12_202049_306856.png)
活动与功能
批量生产的活动
标准中描述了控制活动的模型（Control activity model）
批量生产的功能包括：
控制操作
配方管理
过程计划和调度
过程信息管理
过程管理
设备单元监控
过程控制
人员和环境保护
标准中的这些概念和模型，帮助我们勾勒出来批量制造生产执行系统（MES）的大致轮廓，为开发MES 系统具有很强的指导意义。
## 06 / 符合ISA - 88 的信息系统架构
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ERP 是企业业务管理系统，它通过网络协议与MES 系统交互信息。比如下达生产任务，提供客户的可选项，等等。
MES 主要实现ISA-88 中与设备无关的信息管理，比如生产调度，配方管理，MES 通过MES 接口与车间的过程单元交换信息。
过程单元，以及其中的设备，控制模块完成生产过程的底层控制。
## 07 / 开发符合ISA - 88 的设备系统
在ISA-88 标准中，车间里的设备成为unit，翻译成设备单元比较贴切。为了能在符合ISA-88 标准的数字工厂中使用，设备要具有如下的数字化能力：
 1 从MES下载配方
 2 接受来自MES 的命令，例如调度命令，改变状态等等
 3 向MES提供过程信息
 4 向MES提供监控信息
因此，至少开发设备时，要保留与MES 交换信息的数据格式，语义和协议。
设备要尽量采用开放型协议向目前和未来的IT系统提供更多的信息，设备具备更多可编程能力，最好做到硬件和配方（控制程序） 分离，解耦。尽管你可能认为一个封闭式的系统更能保护自己的技术。不过具有数字工厂的特性，能提升产品竞争能力。而且也可以通过其它技术手段保护你合理的知识产权。
具有ISA-88 标准特征的设备能够与国际大厂的软硬件系统相融合，这也提升了设备的竞争能力，而且这是一种发展趋势。尽快告别裸机，拥抱数字化。