批次控制技术在制丝生产线中的应用研究

批次控制技术在制丝生产线中的应用研究

摘要:当前烟草行业制丝生产线大多使用传统PLC控制系统,使用传统控制系统不利于生产线的柔性化生产。Proficy Batch Execution 是遵循ISA S88.01标准设计的批次控制软件系统,有通用的物理模型、过程模型和处理模型,可以实现将底层对设备的操作与用于制造成品的生产过程相分离,并且通过配方来定义产品的加工程序、工作流、加工参数以及所需的加工设备。文章就Proficy Batch Execution批次控制系统在厦门烟草工业有限责任公司“金桥”制丝生产线中的应用进行了分析与研究。

关键词:ISA S88.01 模型proficy batch execution SFC

随着卷烟产品市场竞争激烈,各个卷烟生产企业都想方设法通过增强产品柔性化、精细化、均质化加工形成对市场快速反应。但是当前烟草行业制丝生产线大多使用传统PLC控制系统,这种传统控制系统不利于生产线柔性化生产。解决这个问题的关键是:将对底层设备操作与用于制造成品的生产过程相分离,而对该过程的更改将不更改控制系统,或者是尽量少的更改控制系统。美国仪表学会ISA(Instrument Society of America)1995年7月针对批量控制制定了专门的标准ISA S88。

厦门烟草工业有限责任公司“金桥”生产线以打造“世界一流”的中式混合型卷烟生产线为目标,设计上突出“柔性化、均质化、特色化”

的特点。本文结合“金桥”制丝生产线介绍电控系统中如何应用Proficy Batch Execution构建物理模型、过程模型和处理模型、并举例讨论了如何运用顺序功能图来实现批次控制策略。

1 ISA S88的专业术语和基本模型

1.1 物理模型

物理模型定义了多个层次的层级结构用于表示企业中的设备,为设备定义物理模型的目的是:将一些设备组织在一起用于表示特定功能,并且各个物理模型之间尽可能独立运行[2]。

1.2 程序控制模型

程序控制将面向设备的所有动作排序,以便于执行一个面向过程的任务,程序控制模型为完成一个批次所需的全部动作定义一个层级结构。

1.3 配方模型

S88.01标准中对配方的定义是:唯一的用来规定一个产品生产所要求的一系列必要的信息,包括所必须的物料,每种物料的数量,生产一个产品所需的生产设备,任务的执行顺序。

S88.01定义了4种配方类型可以用于批次过程。

(1)General Recipe(通用配方)分别定义现场和设备。通用配方包括生产所需设备,原料和生产程序等信息,但不考虑具体如何生产。这种配方一般是由企业的工艺工程师等人创建。

(2)Site Recipe(现场配方)由过程工程师从通用配方基础上引申而来。现场配方将通用配方转化成更加具体的版本,它涉及到现场可用的设备类型和原料。这个版本的配方设计用于不同的process cells。

(3)Master Recipe(主配方)从现场配方引申而来,它包括特定process cell的信息和实际设备性能所占的比重。该配方由控制工程师创建,设计用于process cell中不同的工艺段。

(4)Control Recipe(控制配方),当调度一个批次任务用于生产时,控制配方从主配方中创建。控制配方是配方中最为详细的版本,当一个批次调度时控制配方被创建,包含批次产品生产时所使用的设备和原材料的信息。

1.4 过程模型

过程模型是过程中在设备上执行程序控制的描述。当映射到设备上时,程序控制模型提供了在过程模型中描述的处理功能[3]。

2 顺序功能图

2.1 SFC简介

顺序功能图就是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。顺序功能图的三个要素是步、转换条件与动作[7]。SFC将控制系统内部组织加以结构化,将一个程序分解成若干个可管理的单元,并利用“步”和“转换点”来描述这些单元之间的控制逻辑[1]。

2.2 Proficy Batch Execution中SFC的基本结构和基本方法

Proficy Batch Execution支持工业标准IEC1131-3的图标和SFC 顺序功能图,并且支持通过图形化的组态完成批次生产的要求。Proficy Batch Execution中SFC使用的基本图形和基本方法如图1。

初始步表示逻辑开始,终止步表示逻辑的结束。这两个步骤是每个顺序功能图必须包含的。使用Batch Execution配方编辑器编辑新的Recipe时会自动将加载这两个步骤。

转换定义了一个Recipe何时从一个步骤转换到另外一个步骤。每个转换都定义了一个布尔量的转换条件,只有当条件为真是才能转换到下一个步骤。默认情况下,Batch Execution中的配方编辑器会将加入的每个转换的条件设置为真,并且只有当前步为完成或者是到达每个特定条件时,配方才不会执行到下一个步骤。

或结构包括一或分支和或汇聚,或分支从一个步道多个转换,或汇聚从多个转换到同一个步。

与结构包括与分支和与汇聚,与分支从一个转换到多个步,与汇聚从多个步道同一个转换。

循环定义了一些逻辑来重复一系列步,直到某一个条件被满足。

通常情况下,两个设备单元需要物理上的直接连接才能使一个Recipe运行正常。为了自动绑定设备单元到unit procedure,Batch Execution Server必须知道Recipe中物理上直接连接的设备,因此可以使用Jacobson连接来指定物理上直接连接的设备。

3 “金桥”制丝生产线批次控制系统设计与实现

3.1 批次控制系统总体架构

根据企业的实际需求,设计了“金桥”制丝生产线批次控制系统总体架构,如图2。

Batch Execution Server需要关系数据库的支持,我们选用了Oracle 10g标准版,用于存储批次控制过程中的归档数据,归档部分数据开放给MES,用于分析批次控制情况,便于MES实时分析并进行生产任务排产,并且在数据库中部署了Web Service用于同步制丝工艺参数和物料信息。SCADA选用的是GE Fanuc开发的IFix 5.0,Batch Execution Server通过SimaticNet 2008 OPC服务器与PLC进行通讯。