Автоматизоване керування порційним виробництвом: реалізація положень стандартів EN серії 61512 на практиці

Процедурне керування відповідає базовим принципам об’єктоорієнтованого програмування, а одна й та сама рецептурна процедура може бути використана в багатьох технологіях

Сучасні технологічні процеси характеризуються великою кількістю технологічних параметрів.

Для підтримки потрібного режиму роботи цих процесів та ефективного керування технологічними параметрами використовують сучасні засоби автоматизації.

Порційне виробництво є найскладнішим з точки зору автоматизованих систем керування.

Під порційним виробництвом мають на увазі спосіб виготовлення продукції, де певна порція (партія) сировини (матеріалів) проходить поступове покрокове оброблення відповідно до технології, визначеної в рецепті.

Поява нового рецепту потребує нового технологічного процесу, який може бути проведений на наявному устаткуванні, але при цьому необхідна підтримка з боку системи керування цим устаткуванням.

Завдання застосування нового рецепту спрощується, якщо змінюються тільки технологічні параметри, які можна змінити у разі оновлення рецепта. Це зумовило необхідність створення відповідної системи керування, яка підтримувала б можливість паралельного виконання технологічних дій для реалізації технологічної програми, а також зміни:

• послідовності оброблення продукції;
• додаткових умов.

Перші стандарти у сфері промислової автоматизації для застосування у порційному виробництві з’явилися у 1995 р., наприклад, ISA-S88.01-1995 «Batch Control. Part 1: Models and Terminology» (Керування партією (порцією). Частина 1: Моделі та термінологія), який призначений для полегшення створення та підвищення функціональності автоматизованих систем керування виробництвами, особливо в тому випадку, коли потрібне виготовлення багатоасортиментної продукції з гнучким керуванням рецептами.

Через кілька років стандарти ISA були затверджені на міжнародному рівні як стандарти серії 61512.

Ці стандарти розроблені передусім для виробництв, що виготовляють продукцію порівняно невеликими партіями (порціями) та мають змінну рецептуру.

З 01.09.2019 в Україні набрали чинності державні стандарти (ДСТУ), гармонізовані з європейськими (EN) та міжнародними (IEC) стандартами серії 61512:

• ДСТУ EN 61512-1:2019 «Керування рецептурним виробництвом. Частина 1: Моделі та термінологія»;
• ДСТУ EN 61512-2:2019 «Керування рецептурним виробництвом. Частина 2: Структури даних і настанови щодо мов»;
• ДСТУ EN 61512-3:2019 «Керування рецептурним виробництвом. Частина 3: Моделі та представлення для загальних і місцевих рецептів»;
• ДСТУ EN 61512-4:2019 «Керування рецептурним виробництвом. Частина 4: Записи рецептурного виробництва».

Основні положення ДСТУ EN серії 61512

Англійський термін «batch» має кілька значень:

• порційне;
• малосерійне (періодичне);
• рецептурне.

Тому в ДСТУ EN серії 61512 не ставилось за мету вказати, що є тільки один спосіб керування виробництвами.

Рецептурне, порційне, малосерійне (періодичне) виробництво об’єднані через спосіб організації виробництва.

Такий тип організації промислового виробництва характеризується одночасним виготовленням на підприємстві широкої номенклатури однорідної продукції у відносно малих кількостях (партіях) за обмежений проміжок часу.

Управління порційним (рецептурним) виробництвом полягає у керуванні рецептами та устаткуванням.

Розглянемо, які рекомендації надано в стандартах цієї серії.

ДСТУ EN 61512-1

У стандарті розглянуто моделі та закріплено термінологію, що застосовується для управління порційним (рецептурним) виробництвом.

У розділі 4:

• запропоновано фізичну модель, яка визначає ієрархію обладнання, використовуваного під час виготовлення партії виробів;
• наведено опис трьох типів керування:
  • базового;
  • процедурного;
  • координаційного.

Застосування таких типів керування забезпечує необхідну функціональність технологічного процесу та керованість устаткування.

У розділі 5 розглядається структура керування порційним виробництвом (взаємозв’язок між рецептурною процедурою та процедурою керування) та поняття, які характеризують технологію й організацію процесу виробництва партії виробів, зокрема, поняття рецептури та змісту цих рецептур (у термінах інформаційних категорій, які використовують під час опису рецептур).

Також у цьому розділі розглянуто інші поняття керування порційним виробництвом:

• план виробництва;
• календарний план;
• технологічний режим;
• технологічний стан тощо.

Моделі та термінологія, визначені у розділі 5, сприяють розумінню процесу керування порційним виробництвом.

У розділі 6 визначено функції та дії, необхідні для організації робіт із виробничою інформацією.

ДСТУ EN 61512-2

У стандарті встановлено метод опису технологічних рецептур та рецептурних процедур керування, що застосовуються в широкому діапазоні завдань.

Також у цьому документі розглядаються структури даних та відповідні програмні мови.

Розділ 4 присвячений визначенню об’єктних моделей виробничої інформації.

У розділі 5 розглянуто таблиці обміну даними історії виробництва партії виробів. Ці таблиці визначають єдиний можливий варіант практичної реалізації виробничої інформації.

Темою розділу 6 є визначення умовних позначень та правил графічної мови, які можуть бути використані для опису рецептур.

ДСТУ EN 61512-3

У стандарті визначено моделі загальних рецептур та рецептур, пов’язаних з місцем виробництва (виконувані в межах одного підприємства або між різними підприємствами). Наприклад, це може бути агропромислове підприємство з кількома цукровими заводами, розташованими в різних місцях.

ДСТУ EN 61512-3 орієнтований на розгляд технологічних аспектів рецептурного виробництва та у порівнянні з ДСТУ 61512-1 містить більш докладний опис загальних рецептур та рецептур, пов’язаних з місцем виробництва.

Розділи 4 і 5 містять опис загальних рецептур та рецептур, пов’язаних з місцем виробництва.

У розділі 6 розглянуто моделі даних, що ідентифікують об’єкти та зв’язки, розглянуті в розділах 4 та 5.

Розділ 7 визначає метод відбиття загальних рецептур та рецептур, пов’язаних з місцем виробництва, що використовуються як для простих, так і для комплексних технологічних вимог, з використанням табличної та графічної форм.

У розділі 8 описано аспекти перетворення загальної рецептури та рецептури, пов’язаної з місцем виробництва, на технологічну рецептуру.

ДСТУ EN 61512-4

У стандарті визначено базову модель даних порційного виробництва, що містить інформацію про виробництво партії виробів і її елементи та призначена для аналізу технологічних процесів.

Також у цьому документі є докладний опис даних порційного виробництва та встановлено відповідні визначення й об’єктні моделі. Об’єктну модель асоціюють із даними про виробництво партії виробів.

З усіх зазначених функцій та елементів даних в ДСТУ EN 61512-4 визначено лише процес реєстрації даних порційного виробництва. Інші функції та елементи даних лише ілюструють відповідне виробниче середовище.

Реалізація основних положень ДСТУ EN серії 61512 на практиці

ДСТУ EN 61512 поділяє функції керування порційним виробництвом (рисунок 1) на:

• керування технологічним процесом (спрямовує виконання технологічних дій у заданій послідовності);
• керування устаткуванням (спрямовує функції устаткування на виконання конкретної технологічної дії).

Під керуванням технологічним процесом розуміють застосування необхідних та послідовних технологічних дій (у термінах стандарту – «рецептурна процедура») з використанням заданих параметрів (у термінах стандарту – «формула»), які описуються в рецепті для конкретного продукту.

Технологія порційного виробництва продукту та/або напівпродукту передбачає виконання технологічної програми, яка складається з кроків, кожен з яких передбачає виконання певної процедури, наприклад:

• додати фермент у пропорції 1:100;
• охолодили до 15 °С тощо (див. рисунок 1).

Партія продукту виготовляється за певним рецептом, який створює технолог, застосовуючи технологічну програму у формі таблиці або діаграми.

Цей рецепт називається майстер-рецептом і є шаблоном.

Для виробництва конкретної партії продукту використовується керівний рецепт, що створюється як копія майстер-рецепта та має унікальний ідентифікатор.

Керівний рецепт супроводжує всю партію продукту від початку до закінчення виготовлення. Таким чином, він керує конкретною партією і залишається в архіві для простежуваності.

Завершення процедури керівного рецепта є завершенням виготовлення партії.

Повний перелік вимог до структури керівного та майстер-рецепту описано в ДСТУ EN 61512-2.

Розділення функцій керування технологічним процесом та устаткуванням пов’язано з тим, що номенклатура продуктів постійно змінюється, а отже, виникає необхідність зміни технологічних процесів – додаються нові рецепти, змінюються параметри тощо. При цьому устаткування може залишатися тим самим (або додається нове устаткування) і функції його також не змінюються.

Відповідно до положень ДСТУ EN 61512-1 усе устатковання на підприємстві посідає певний рівень в ієрархії залежно від його використання в ланцюжку виробництва.

Для того, щоб правильно розподілити, яке устаткування виконуватиме конкретні процедури, у стандарті встановлено ієрархію устаткування за такими рівнями (рисунок 2):

• рівень технологічної комірки, який відповідає за виготовлення усієї партії, тобто за виконання процедури керівного рецепта;
• рівень технологічних вузлів, в яких відбуваються основні технологічні операції з партією;
• рівень модулів устаткування, який відповідає за додаткові технологічні операції;
• рівень модулів керування, які реалізують усі керівні дії на устаткуванні.

Технологічна комірка – це логічно згруповане технологічне устаткування в межах цеху, яке необхідне для виробництва однієї або кількох партій. Наприклад, для молочного виробництва технологічною коміркою може бути лінія приготування йогуртів.

Технологічні операції реалізовуються через певні технологічні дії, які може виконувати устаткування нижніх рівнів (технологічні вузли та модулі). Таким чином, технологічна комірка спрямовує функції устаткування нижніх рівнів для виготовлення конкретної партії продукту відповідно до вказаного рецепту.

Структура порційного виробництва ґрунтується на керуванні трьох типів:

• базовому;
• процедурному;
• координаційному.

1. Базове керування

Призначене для встановлення та підтримки певного стану технологічного устаткування та технологічного процесу.

2. Процедурне керування

Забезпечує роботу технологічного устаткування відповідно до заданої послідовності виконання завдань і встановлених технологічних вимог та складається з процедурних елементів.

Приклад процедурного керування:

• нагріти до 80°С;
• перемішувати протягом 30 хв тощо.

3. Координаційне керування

Ініціює та/або змінює процедурний контроль та використання об’єктів устаткування.

Апаратурні об’єкти (устаткування + функції керування) забезпечують як проходження технологічного процесу, так і керування ним.

Кожний апаратурний об’єкт відповідає за процедурне і базове керування, що є його частиною, а взаємодія між процедурами належить до координаційного керування.

Виділення елементів процедурного керування та апаратурних об’єктів має бути формалізованим, адже кожна рецептурна процедура має узгоджуватися з іншими процедурами у прив’язці до устаткування (процедури є частиною устаткування).

Процес виділення процедурних елементів і апаратурних об’єктів та їхніх взаємозв’язків графічно зображено на рисунку 3.

Процедурне керування відповідає базовим принципам об’єктоорієнтованого програмування, а одна й та сама рецептурна процедура може бути використана в багатьох технологіях.

ДСТУ EN 61512-1 враховує, що кожна процедура може виконуватися на одному з кількох доступних одиниць устаткування. Також у стандарті визначено правила надання процедурі конкретного устаткування.

Одне технологічне устаткування може виконувати кілька процедур – як одночасно, так і послідовно. Кожну процедуру можна виконувати окремо, а потім з них будувати загальну програму виготовлення продукту.

Рецептурні процедури виконуються в певній послідовності:
«початок» → «виконується» → «завершено». 

Процедури вищого рівня охоплюють процедури нижчого рівня, які, своєю чергою, посилаються на конкретне устаткування для їхнього виконання.

Так відбувається зв’язок рецепта з устаткуванням.

Найменші процедури, які не можуть містити у своєму складі інші, називаються етапами (рисунок 4).