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批量控制系统——打造精细化工智慧生产模式
一、背 景
随着近年全球经济的发展和现代工业的日新月异，批量生产过程已成为现代工业生产过程的一个重要分支，特别是在精细化工生产中已被广泛采用，批量生产过程对自动化控制系统也提出了越来越高的要求。随着批量控制系统标准ISA S88的制定，近十年来批量控制技术得到了很大的发展，各过程控制及自动化系统公司纷纷推出了集成于过程控制系统（DCS）的批量控制软件。下面我们以杭州优稳自动化公司推出的UWinBatch批量控制软件为例，对批量控制在精细化工生产中发挥的巨大作用进行详细的认识。
二、精细化工行业特点
精细化工，是生产精细化学品工业的通称。大致包含40多个行业和门类。随着国民经济的发展，精细化学品的开发和应用领域将不断开拓，新的门类将不断增加。精细化工的特点如图1所示，从图中可以得知，精细化工是属于批量生产过程。
40多个行业和门类。随着国民经济的发展，精细化学品的开发和应用领域将不断开拓，新的门类将不断增加。精细化工的特点如图1所示，从图中可以得知，精细化工是属于批量生产过程。
三、批量生产过程与批量控制
3.1批量生产过程
ISA S88标准对批量生产过程的定义：将有限量的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工以获得有限量的产品的加工过程，简言之，以顺序的操作步骤进行批量产品生产的过程称为批生产过程。这个过程是间歇的、不连续的，而且此操作步骤不是固定不变的，根据不同的产品可以有相应的变化，其广泛应用于精细化工、食品饮料、生物医药和农药化肥等相关领域。与之对应的是我们比较熟悉的连续生产过程，其生产产品单一、生产工艺固定，连续运转，主要应用于石油化工、冶金等行业。表1给出了各行业中的批量过程与连续过程所占的比例。表2对连续生产和批量生产过程的特点进行了对比分析。
3.2 批量生产过程对过程控制系统提出的新挑战
从表2的对比中我们可以看出，连续生产过程相对稳定，工艺成熟，控制策略一旦建立，不需更改，而批量生产过程由于存在产品的切换，工艺参数不存在稳态工作点，需要控制策略更具有柔性化的设计，所以控制更为复杂，具体表现在以下几个方面：
为适应市场需求变化，要求能快速灵活地切换产品
——这就要求控制系统要有柔性设计，控制程序代码能被不同的产品复用，不能重复编写代码浪费时间；
简单易用的配方开发管理平台
——配方开发管理平台，必须简单易用，用户的工艺工程师能轻松掌握，以便快速开发新的配方、编辑修改、升级老的配方；
能实现多种产品同时生产
——支持多个批次同时生产，控制系统要能对共享的资源进行合理高效地调度，并在冲突产生的时候，能够进行仲裁，设备故障时，快速重新建立生产的路径。
更加严格的权限分配及管理
——每个批次生产时，相关的生产人员要有严格的权限划分，在生产过程中，必须要由相应权限人员的签名确认，才能进行下一步的生产，并做好记录。
更加复杂的历史报表记录，要求符合FDA、GMP规范
——批次报表不是简单地记录过程数据，而是要记录批次生产相关的所有信息（比如配方、人员、设备、过程参数，控制策略等)，符合FDA、GMP的标准，能全面地追踪每一个批次的运行情况。
3.3 批量控制系统
鉴于批量生产过程对控制系统的复杂性要求，批量控制系统应运而生。该系统建立在ISA S88标准的基础上，可以快速灵活地响应客户对批量生产的要求，并提供批量生产管理、控制以及过程分析，历史数据查询等功能，帮助客户提升市场竞争力。杭州优稳自动化公司作为过程控制系统的专业生产厂家，掌握核心技术，具有完全的自主知识产权。在这得天独厚的优势背景下，开发了符合ISA S88标准的批量控制软件UWinBatch，为客户提供完美的批量生产过程解决方案。UWinBatch通过配方编辑器、批量控制台、批量数据库、画面组态等模块集配方组态、批次计划与调度、日志与报警查询等功能于一体，提高了批量控制的效率和质量。UWinBatch系统广泛应用于间歇性、批次性比较明显的食品、饮料、添加剂、制药、生物化工等领域。
3.4 系统特点
四、UWinBatch 批量控制系统
4.1 系统网络结构
模块化的网络配置结构
Batch系统的网络结构依托于UW500 DCS的网络结构，完全基于构件设计，各模块独立性强，在保证系统稳定的基础上，扩展系统方便灵活，保证了Batch能很好地融入到DCS系统的架构中，并且可以根据客户的需求灵活配置。
安全、可靠的数据传输
UWinBatch系统充分考虑了网络安全及数据传输的可靠性要求，采用双网络传输数据，并且在客户端和服务器间通过防火墙进行安全隔离，确保数据的可靠、稳定传输。
便捷的客户端访问
除了标准的客户/服务器(C/S)网络应用方式，采用IE浏览器作为一个标准的瘦客户端(B/S)来浏览画面，随时随地进行服务器的数据访问和控制，快速了解工艺流程的运行状态、日志及报警信息，为用户节省大量的时间，提高管理效率。
开放接口，与生产管理无缝对接
Batch是过程自动化领域一种控制方式，同时更是代表了一种先进的生产管理理念，作为标准化的产品，它也是当今流程工业新技术制造执行系统MES的重要组件之一。Batch通过工厂以太网把当前批量运行的情况、批量历史数据的内容等实时或历史的数据上传，参加工厂MES网的一些优化运算及处理。MES将现场实时的生产数据加以统计整理，建立生产管理与生产过程控制的联系，从而达到生产过程与生产管理统一协调的目的。
4.2 系统功能
UWinBatch批量控制系统，集配方组态、批次生产计划与调度、批次生产过程控制、批次报表和运行日志记录、系统报警功能于一体，完美贴合精细化工生产过程的特点。
4.2.1 配方组态
提供一个配方编辑器来创建和维护主 Unit 过程配方，该编辑器主要包括以下功能。
在配方管理器界面，通过添加步和阶段来创建控制配方，阶段包含“手动”“等待”“脚本”“设备”“跳转”，以便适应复杂的工艺需求，通过改变阶段，便可以搭建不同的控制策略，完成不同产品的生产；
同时支持255个配方同时运行；
以配置的方式迅速开发复杂的配方结构；
配置生产任务单，将产品所用到的原料按配比关系罗列出来。在产品配方运行前，工程师需先确定生产任务单里面的原料配比关系，确定后开始启动产品配方，生产产品；
为测试或生产目的发布主配方 ；
验证配方；
在此配方编辑器界面，具有操作权限的用户，只需通过点击鼠标就可以修改、创建产品配方，非常简单易行。
4.2.2 批次生产计划与调度
生产计划模块为用户提供在线管理生产计划的功能。可以根据订单和生产线的情况事先定制生产计划，灵活地设置某个配方的计划产量、计划生产时间、批次划分、每个批次执行的顺序以及批次所需要的原料设定。
支持批次在线修改，方便用户随时调整批次的执行情况。实现快速、灵活相应实际生产线需求的目的。同时，提供开发的数据接口，可以直接接受第三方软件下达的生产计划，实现与上层管理软件的融合，提高生产效率。另外，还支持配比方案参数和产量的实时修改。
4.2.3 批次生产过程管理
支持从DCS的运行画面中调出批次过程监控界面，通过该界面，可以清晰、便捷地了解到各控制配方的运行状态，同时，根据实际生产情况，可以手动干预调整各配方的执行。
监控每个批次目前运行的阶段以及该阶段的执行情况，比如完成、正在执行、异常等；
记录生产过程中产生的一系列信息，包括各批次参数信息、批次运行状态、控制配方信息、以及配方工艺流程状态，方便用户实时查阅和批次报表记录的调用。
可视化每个设备的占用情况，冲突仲裁，合理分配设备资源，提高设备的使用率和生产效率；
完善的审批授权机制，使得每个关键步骤的执行都有据可查，保证生产过程安全、稳定，可追溯，提升生产管理水平和产品品质。
4.2.4 批次报表和运行日志记录
批次报表记录了批次执行的过程和结果，为生产工艺的改进和成品追溯提供数据支持。运行日志自动地记录所有的在线操作信息，避免繁琐的文档记录和审查。查看日志，能清楚地了解到任何人的任何操作。
一个Batch运行结束或者被取消之后，批量服务器会自动生成报表，系统提供默认的报表模板，用户也可以自定义报表。报表采用通用的MS Excel风格，组态容易；
报表数据包括所有与批次生产相关的活动，比如配方、人员、设备、过程参数，控制策略等；
运行日志记录谁操作的、操作时间、相关的控制配方、单元程序、操作以及生产计划信息等；
运行日志可以根据需求自行配置，通过配方或批号的选择的方式进行快速查询；
可通过配方+批号的方式对每个生产批次的详细情况进行查询；
电子签名：签名等级、注释、安全要求、日期和时间戳、要检验运行批次事件，需要至少三个签名，全部签名被存在事件日志中，并不可编辑，完全支持21 CFRPart 11兼容性。
五、批量控制系统为客户带来的优势
UWinBatch是灵活、实用的批控制的解决方案。该产品适用于所有的批过程控制场合。它既可以用于单路径结构的生产过程控制场合，也可以应用于具有网络结构的过程控制场合。同样，它既可以用于生产单一产品的工厂，也可用于生产多种产品的企业。
优势一——提高产量，改善质量
批量控制软件可以自动地执行生产顺序，同时允许产品到产品的快速切换，从而提高总体产出。 针对产品质量，批量控制软件加强了配方程序的执行，并确认操作员的各项活动，以确保不同批次的产品保持一致的产品质量。
优势二——更加灵活的生产方式
Batch 提供一个环境使生产商能够对新产品，随时变化的客户计划和突发的工厂现场事件快速作出反应。 每个配方都具有不同的生产步骤和成份组成， 配方能够按照可以满足配方定义的设备需要的任一生产序列中进行计划来生产。这个可以配置工艺设备如何使用的功能赋予了在当今的竞争环境下生产商所需要的灵活性。
优势三——加快投放市场的时间
a.Batch 提供快速且容易的配方开发：Batch 配方管理系统易于使用，无需昂贵的工程开发，只要复用已有的代码便可完成配方的开发及维护；
b.新配方的模拟执行：依靠公司的生产设施的过程模型，工厂或研发部门的用户能够模拟新配方的执行。这同时可以判断工厂是否有需要的设备、过程功能和原材料来生产此种配方；
c.对配方而不是控制系统进行验证： 当创建一个新的配方时，只需要对配方进行验证，而无需对控制系统进行验证。当增加新的配方时控制系统并不需要改变。与验证一个新的配方的时间比较，用于重新验证一个控制系统的时间和费用要多很多。
优势四——共享设备资源，多路径多产品生产
从单一路径到多产品多路径的生产方式；
共享时间和设备资源，动态单元分配功能可以最大化关键设备的使用或者在失败情况下迅速切换装置，重新规划路径。
优势五——缩短验证时间，减少验证费用
Batch使我们可以更容易地设计和实施符合21 CFRPart 11、电子记录和电子签名的US规范；可配置的电子签名模板，它代表了一个签名和相关数据，例如：签名等级、注释、安全要求、日期和时间戳等，完整的批数据管理，包括所有的生产数据（如配方、人员、设备、过程参数，控制策略等），这些数据将自动地以批报表的形式生成文档，使生产过程变得透明化且可追溯，使验证过程更加简单易行。
优势六——物料跟踪，更佳的库存管理
与物料跟踪集成，管理原料和配方在生产批次执行系统中提供实时的原料管理和可跟踪性，增强企业库存解决方案并允许更有效的原料和配方管理；当与公司范围内的库存管理系统集成时，通过采集详细的原料和设备跟踪信息，在优化供应链和实施电子商务时，物料跟踪能够改善ERP级资源管理的功能。
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