Transcript
Интеграция АСУ ТП с Системами управления предприятием
Практическое моделирование на предприятии:
Стандарты ISA 88 и ISA 95
По материалам презентаций отJean Vieille, Dennis Brandl, Rod Perry
и др источников ISA
Перевод Ассоциации предприятий промышленной автоматизации УкраиныКиев - 2015
В презентации
· ISA 88 и 95 – как базовые стандарты АСУ ТП - АСУП
· ISA 88 и 95 в моделях SCM и Планирования производства
· ISA 95 : Коммуникации «Предприятие – Производство»
· ISA 88 : Управление на уровне технологии
Принятые сокращения
· ISA – International Society of Automation (де-факто, национальный орган стандартов США)
· МЭК – Международная Электротехнический Комитет (англ. IEC)
· SCM – Supply Chain Management, - Управление Цепочкой Поставок
· ISA 88 (S88) – стандарт ISA для периодических (групповых) процессов
· ISA 95 (SD 95) – стандарт ISA для интеграции АСУ ТП с системой управления предприятием
Стандарты ISA 88 и 95 - одним взглядом
ISA 88(МЭК 61512)
Предоставить стандарты и лучшие практики по
разработке и внедрение АСУ ТП периодическими
процессами на предприятии https://www.isa.org/isa88/
Др название – S88, ANSI/ISA 88
1995 – первая редакция в ISA 1997 – первая редакция в МЭК, 61512-12010 – обновление стандарта
предназначение история
ISA 95(МЭК 62264)
Стандарт для интеграции между АСУП и АСУ ТП, - определяет модели и терминологию, для
использования в информационных обменах https://www.isa.org/isa95/
Др название – SP 95, ANSI/ISA 95
1995 – первая редакция в ISA 1997 – первая редакция в МЭК, 62264-12010 – обновление стандарта
Основные преимущества использования
1. Унификция,
ЗАЧЕМ ВСЕ ЭТО НАДО?
WHY?
Конкрентные и Бизнес-драйверы
· Внешняя среда - рынки· Ужесточение конкуренции по всем регионам· Постоянные изменения в циклах, сезонности, тенденциях спроса
и т.д. · Изменения в регуляторной среде
· Заказчики · Сложнее управлять заказчиками и их заказами· При этом требования по поставке вовремя – увеличиваются
· Как результат – значительно сложнее управлять на производстве всем задачами по планированию, производству и вх-вых логистике
Управление цепочкой поставок – все сложнее· Вариации по продуктам соответственно
изменениям сезонности и региональным отличиям· Короче цикли разработки и изготовления· Возросшие ошибки в планировании спроса и
заказов· Жестче регуляторные требования – региональные
и глобальные· Конкуренция = постоянное давление на стоимость· Более динамичные конфигурации цепочек поставок
Ключевые вызовы для производителей
Разрывы в производстве – нет прозрачности
Основные вызовы на уровне технологий
Операционное совершенство – устойчивые процессы и операции
Ответ на эти вызовы - стандарты
ISA 88 и 95
Трансформация предприятия: модель прозрачного управления
Информация о бизнесеФинансы Планы Логистика
Операционное управление и т.п.
Информация о продукте
Что есть Продукт
Информация о производстве
Какие ресурсы доступны
Информация о графиках
Что и когда доступно
Информация о работе
Что уже сделано и как
Информация об управлении производством
Координация Контроль Детальные графикиПроизводства Обеспечение качества ...
Рамки применения ISA 95.01
Source: ISA dS95.01 Enterprise/Control System Integration
Планирование Бизнеса Финансы Планы Логистика
Операционное управление и т.п.
Уровень 4
Управление производствомКоординация Контроль Детальные графики
Производства Обеспечение качества ...
Уровень 3
Уровни2,1,0
АСУпериодических
процессов
АСУ непрерывных
процессов
АСУдискретныхпроцессов
Интерфейс определен в ISA 95.01 / 02
Раздел ISA 95.03
Стандарт ISA 88
Система управления всем предприятием
(ERP)Поддержка
Производственных операций
(MES)
Причины создания ISA 95
· Интеграция АСУП – АСУ ТП – реально сложно
· Разные системы, культуры, термины...· Постоянные попытки разных участников установить стандарты и
«лучшие практики»· Эффективное управление производством – тоже не просто
· Решения MES – слишком специфичны по отраслям и зависимы от типа производств
Растущие потребности бизнесов
· Для управления всегда необходима актуальная информация
· Типичные двигатели бизнеса (и которые зависят от наличия информации) - это:· Заказы – «точно как обещали» · Сокращение временных циклов · Оптимизация цепочки поставок· Эффективность производственных активов· Гибкое производство
S95.01 Структура производственного планирования
График производства
Запросы к производству
Требования по сегментам
Параметрыпроизводства
ТребованияК персоналу
ТребованияПо ресурсу
Требованияпо потербл.материалам
Требованияпроизводимогоматериала
ОжидаемыйРезультат
График делается исходя из Произв. Запросов 1..n
Производственный запрос делается из требований сегментов 0..n
Каждое требование можетсодержать от 0 до n
Прозрачность и управляемость
Преимущества
· Прозрачность производства: с 15 дней – до каждой минуты
· Сокращение производственного цикла: с 23,5 дней до 4 дней
· Увеличенный выход товарной продукции· Рост производственных мощностей· Рост эффективности установленного оборудования· Сокращение незавершенного производства· Улучшение реакции на запросы клиентов
Что такое ISA95 сегодня?
· Комитет SP95 создан в 1996· ANSI / ISA95 доступен от ISA (стандарт в США)· Аналог – IEC 62264 действует в Европе· Сегодня – рабочие 5 разделов стандарта · Действует World Batch Forum и ряд др организаций· Развитие стандарта привело к замене MES на более
современный МОМ (Manufacturing Operation Management)
Кто поддерживает ISA 95 – члены комитета и участники движения· Users
· Eli Lilly DuPont Lyondell Chemical Lubrizol· Dow Corning Ben & Jerry's Novo Nordisk Bechtel· Rohm & Haas Sterling Tava Technologies EastmanK· Bayer IBM Aurora Biosciences Genemtech· Merck Nestle Pharmacia Procter&Gamble· UOP
· Vendors· ABB AspenTech Siemens BaseTen· SAP Sequencia InCode Wonderware· ABB Rockwell Yokogawa Foxboro Propack Data· Honeywell FRSI InCode Oracle· Marcam OSI Intellution Schneider Electric· GSE System HP IBM GS Microsoft ORSI
· General· Purdue Fluor Daniels AMR Jacobs· MESA PDXI NAMUR Keops· KPMG MIT PWC LLC
23
Общий подход - Collaborative Manufacturing Systems· Архитектуры решений должны соответствовать
процессам · Концептуальная топология – ясное соответствие
видению, стратегиям и соответствующим концепциям современного производства
· Четкое очерченные функциональные области · Современные стандарты и принципы· Стандартизация приложений· Дизайн логической архитектуры· Дизайн физической архитектуры
Уровни зрелости в задачах интеграции
результаты
Уровень развития
1
2
3
• Ясные, формализованные требования по сбору данных
• стандартизованные по предприятию KPI
• выравнивание команд – постоянное улучшение
• стандарты для управления жизненным циклом промышленных АСУ
• Ясные требования по операциям в рамках МОМ GAMP
• Формализованные стратегии по АСУ и МОМ
• Сети предприятия и АСУ ТП• Системы качества и соотв. Стандартам• Аналитика процессов, ведомая с
уровня АСУ ТП• Finite Capacity Scheduling (FCS) 1.0• Система произв управления 1.0 (статус
заказов, управление материалами…)• Определения процессов, продуктов,
структура данных• Ур. 2 стандартов по сбору данных• Требования по промышленным сетям• ур. 2 по HMI и программам управления• Системная отчетность на основе KPI
(KPI/CI/Finance)
• Сравнения с лучшими образцами• Интегрированные системы
поддержки• FCS 2.0 интегрир. на уровень PLC• Интеграция цепочек поставок в FCS
2.0• Система управления складским
хозяйством• CAPA System • Систему управления производством
2.0• Беспроводная система алармов и
предупреждений• Система управления активами и ЭГ –
уровни 2и3
5S, Standard Work, Visual Controls, VSM, Flex Training
Cellular Layouts, Line Balancing, Changeover, Rpoduct Definition, Batch Right Size, Error-Proof, Kanban, TPM
Flow Mgt., Pull-based, Leveled Production, Analytis, 6 Sigma
Aberdeen Group, 2011
Задачи проекта
Ясные требования по результатам проектов
1. Сроки проекта – 9-12 месяцев2. Достижение ROI в пределах 12-18
месяцев3. Каждый проект имеет свой бизнес-
кейс4. Планируется следующий этап
(проект)
Детали стандарта
Типичное приложениеS95.01
ПроизводстГрафик
Уставки&
Маршруты
РаспределениеРабот
инструкцииS88.02Вход
графика
Непрерывныепроцессы
Периодическиепроцессы
Дискретныепроцессы
процессы
S88 in Production System Lifecycles
ProductDevelopment
S88 : Recipe
Production Schedule
S88 : Schedule
S88 : Resources
Resources Engineering
S88 : Equipment Procedural Elements
ISA 95 : Коммуникации «Управление предприятием» – «Производство»
Рамки раздела ISA 95.01
· Определение рамок в области систем управления производством
· Определение функций интерфейса между уровнями АСУ производства и управления предприятием
· Определение информации, необходимой для разделения между уровнями АСУ производства и предприятия
· Базируется на модели Purdue для CIM и MESA
Функциональная модель SP95.01 – Предприятие / Производство (PRM)
Закупкиматериалов
(5.0)
Планированиепроизводства
(2.0)
УправлениеМатериалами и
энергией(4.0)
Управлениескладскими
запасами(7.0)
Учет стоимостипроизводства
(8.0)
Обеспечение качества
(6.0)
НИОКР и Разработка
Short T
erm M
aterial
and
Energy
Req
uiremen
t.s
Materia
l and
Energy
Inve
ntory
Maintenance PurchaseOrder Requirements
Product and Process
Know How
Product and Process
Information Request
QA Results
Standards
QA
Res
ults
Prod
uctio
n Cos
t
Objecti
ves
ScheduleCapacity
Produ
ction
Per
forman
ce
and C
osts
Управление Доставкой продукта
(9.0)
Обработка заказа(1.0)
Process Data
Production From Plan
Mat
eria
l and
Ene
rgy
Rece
ipt (
Inco
min
g)
Material and
Energy Order
Requirem
ents
Маркетинги Продажи
Standards and
Customer
Requirements
Prod
uct
and
Proc
ess
Requ
irem
ents
Incoming
Confirm
ation
Finished GoodsWaiverFinished Goods
Inventory
Управлениепроизводством
(3.0)
Process Data
Long
Term
Mat
erial
and
Ener
gy R
equir
emen
t.s
Pack OutSchedule
Rel
ease
To S
hip
Con
firm
To S
hip
In-ProcessWaiver Request
From ANSI/ISA-95.00.01-1995 Copyright ISA 2000. Used with permission. www.isa.org
DomainDefinitions
(Responsibility)
InformationFlows of Interest
Functionsof Interest
Categories ofInformation
InformationDefinitions
Functionsin Domains
Elements of Models & Definitions
Категории информации· Потоки
информации разбиты по категориям
· Многие диаграммы использованы для иллюстрации зон перекрытия информации
Enterprise InformationPlant Production Scheduling,
Operational Management, etc
ManufacturingControl Information
Area Supervision, Production Planning, Reliability, Assurance, etc
ProductDefinition
Information(How to make
a product)
ProductionCapability
Information(What isavailablefor use)
ProductionSchedule
(What tomake and
use)
ProductionPerformance
(What wasmade and
used)
Определения основных объектов
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты
Определенияпродукта
Производственныеграфики
производительность
Ресурсы Мощности, Продукт, Производство
ProductTime
Возможности (мощности)
4 объектные модели ресурсов
Люди
Материалы
Оборудование
Человеческие ресурсы для производства
Ресурсы - оборудование
Материальные ресурсы
Сегменты процессов
Вид на производство со стороны бизнеса
Пример определения материала
· Общая информация на материал
ПартияHCL-50-100019
pH7.0
Плотность1.32
ЦветЖелтый
Чистота.5%
Material
Definitio
n
ОпределениеHCl 50%
Цвет ЧистотаpH
Материал классаКислота
Material
Class
Плотность
Под-партияHCL-50-100019
Бочка15
МестоQA Спецификациятеста
QA Результатытеста
Сегменты процессов
· Взгляд бизнеса на производство
ПокраскаТест
Рабочий3x
8 часовинспектор
2x.25 часа
Тип =Нержавсталь
СертифицМаляр =TRUE
Рейка
Сборка
ЩеткиСмешанведра
Информация - Возможности, Продукт и Производство
Определенияпродукта
График
Производительностьпроизводства
Что доступно, чтобы запустить в производство
Что нужно чтобы сделать продукт
Что и когда сделать
Что было сделано и с какими ресурсами
ProductTime
Возможности
Модели возможностей (мощностей)
Product
TimeВозможности
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов
Производствсистема
Материальнаясистема
Производство
Определения на продукт
Assembly
Instructi
ons
Production Rulese.g.
10 Speed Bicycle
Bill Of
Resource
s
Bill Of Resourcese.g. 10 Speed Bicycle
Bill Of
Materials
Bill Of Materialse.g. 10 Speed Bicycle
ProductSegments
Frame : 1Wheels : 2Chain : 1Seat : 1Handlebars :1Brake Pads : 4 ...
ManufacturingBill
FrameAssembly
FrameType
FinalAssembly
SeatHeight
Color
Paint
График производства
Определениепродукта
График производства
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов
Производительность производства
Продукт
График
Производительностьпроизводства
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов
ProductionCapability
CapabilityProperty
ResourceCapability
ProductionCapability
What resourcesare available
ProductionPerformance
ProductionResponse
SegmentResponse
ActualProperty
ResourceActual
ProductionInformation
What wasmade & used
ProductionRequest
SegmentRequirement
RequirementProperty
ResourceRequirement
ProductionSchedulingWhat is it to bemade & used
ProductionSchedule
ProductionRule
ProductSegment
SpecificationProperty
ResourceSpecification
ProductDefinition
What must be definedto make a product
ProcessSegment
SegmentProperty
ResourceSegmentCapability
ProcessSpecificationWhat can be donewith the resources
Four Models & Segment Resources
ISA 95.00.02 : Отношения с разделом 1
AttributeName
Description Examples
ID A unique identification of a specific piece ofequipment, within the scope of the informationexchanged (Production Capability, ProductionSchedule, Production Performance, …)
The ID is used in other parts of the model whenthe equipment must be identified, such as theproduction capability for this person, or aproduction response identifying the equipment.
R7726
Reactor 101
Lathe machine 33
Description Additional information about the equipment.
dISA95.02
Атрибутыоборудован
ия
ISA95.01 Модель
оборудования
Функции 3-го уровня - ISA 95.00.03
Мощностипроизводства
Управлениересурсами
Управлениеархивами
Выполнениеопераций
Диспетч-цияпроизводства
Отслеживаниепроизводства
Производительностьпроизводства
ДетальныйПроизв-ный
график
Планированиепроизводства
Анализпроцессов
Анализпроизводства
(QA) Анализпродуктов
Управлениепродуктами
Определенияпродукта
АСУМониторингпроцессов
Ручныеоперации
ISA 88 : Modular control
What is ISA 88 ? - Status
· Standard ANSI/ISA 88 « Batch Control »· Comité SP88 lancé en 1988· Partie 1 – ISA 88.00.01
· Publiée et disponible à l’ISA et à l’ANSI· IEC 61512-1 bilingue disponible auprès de l’IEC, l’UTE et l’AFNOR
· Partie 2 – ISA 88.00.02 · Publication imminente· Version IEC (61512-2) bilingue pour 2001?
· Partie 3 – ISA 88.00.03· Début des travaux
Automation Challenge
Ideal automation
S88
Capability
Flexibility
Complexity
Manual Operation
Traditional Automation
Darin FlemmingLou Pillai
The Powerful Tyrex…
· Big brain· Centralized design· OK for steady / slow changing
environment· Shortcomings
· Agility· Availability
· Refer to first computerized systems
…vs Stupid Bird
· Limited intelligence· Mostly decentralized design
· Local decision making at feather level
· Cope well with unexpected situations
· Inherently adaptative structure
chirpingEating
Love.
Walking
Flying
From Goal to Labor
I know What/How
To do
Forecasting, Planning
And Scheduling
Elementary Equipment
Control
Process Control
Definition
EquipmentFunctional
Capabilities
The Goal:
Scheduling hierarchy
MES systemsSCADA systems
Process Control
ISA 88IEC 61512OPC
IEC 61131IEC 61499
Equipment Control
IEC 61158 Fieldbus« Intelligent »
Device
Business system
ISA 95
Product Processing / Equipment Control
• How to make the product…
• … using available services?
Process Control
ISA 88.00.02 (PFC)
Production schedule
R&DIEC 60848IEC 61131IEC 61499IEC 61508IEC61158
Equipment Control
• How to provide the expected services…
• … taking care of safety ?
Equipment allocation
ISA 88
ISA 88 Physical Model
Process CellMust contain
May contain
May contain
May contain
May contain
Unit
Equipment Module
Control Module
EnterpriseMay contain
May contain
May contain
Site
Area
Equipment
Equipment Entities -An Object Approach
PhysicalEquipment
InstrumentsBasic controlCoordination controlProcedural control
EquipmentControl
EquipmentEntities
Example of physical modeling
Process Cell
Unit Unit
EMEM EM
CM
EM
CM
CMCM CM CM
Example of control modules
CM2D4
D3CM1
CM3
CM4
D1
D2D5
PID PID
PID
HIC HIC
Why Control Modules
Treating as a control module simplifies the interface to this group of objects
FC
FO
Pump
Circulate
Pump toProcess
Stop
Shutdown
CommandsCirculating
Pumpingto Process
Stopped
Shutdown
Status
Recipe/Equipment Control Separation
Procedure
UnitProcedure
Operation
Phase
is an ordered set of [Must Always Exist]
Control RecipeProcedure
EquipmentControl
is an ordered set of
is an ordered set of
RecipeProcedure
EquipmentPhase
Recipe/Equipment Control Separation - Typical
Recipe UnitProcedure
Operation
Phase
is an ordered set of
Control RecipeProcedure
is an ordered set of
is an ordered set of
RecipeProcedure
EquipmentPhase
References
Recipe
Recipe
EquipmentControl
Recipe/Equipment Control Separation - Alternate 3
Control RecipeProcedure
RecipeProcedure
EquipmentPhase
References
EquipmentOperation
is an ordered set of
Equip. UnitProcedure
is an ordered set of
is an ordered set of
EquipmentProcedure
EquipmentControl
Phase Interface Logic
· State machine enforcement between recipe phase and equipment phase
· A set of services that support commands to the equipment phase
· A set of services that support requests from the equipment phase to the recipe phase
RecipePhase
EquipmentPhase
PhaseInterface
Logic
Phase Interface Logic
Parameters Requests
StatesCommands StateMachine
Phase Object
StartHold
Pause
ResumeRestart
AbortStop
Reset
RunHeldPausedStoppedAborted
CompletedIdle
Parameters
ControlSteps
ControlActionStatus
Running
Aborting
Holding
Pausing
Stopping DataCollection
Requirements
Data
Restarting
Example Procedural Element States
HoldStart
Restart
StopAbort
Reset
Reset
Reset
Restarting Holding
Running
StoppingAborting
Pausing
Resume
Pause
Aborted Stopped
Paused
HeldComplete
Final States
Quiescent States
Transient States
Idle(Initial State)
Exception Handling In Control Actions
ConsoleControl
Inputs to Control Action Logic:- Set manual mode- Command from operator's
console
Field I/O
Exception Logic
PhaseLogic
Control Module/Control Action State/Mode
ControlAction
ProcessInterlock
SafetyInterlock
Exception Logic
Inhibit manual override(Interlock from phase logic),
Also sent to console to inhibitchoice of manual mode
Control step (command)
The safety interlock logic takes precedence over phase logic or process interlock logic. Typically this logic, when required, is implemented in an independent safety interlock system.
The process interlock logic takes precedence over phase logic and manual override logic. Typically, this logic is implemented in the DPCS.
Control ModuleEquipment Module
Control Module
Control Module
Control Module/Control Action State/Mode
R eaction
P repara tion
T an kA , B o r C
R e ac to r1 o r 2
o pera to r in pu t= O K to s ta rt
S1
S1
T1 T1
R eaction
Prepara tion
T an kA , B o r C
R e a cto r1 o r 2
o pe ra to r in p ut= O K to s ta rt
S1
S1
T1
S a m pleO K
T1
In itia lize
C ha rg e
T ra ns fe r toR e ac tor
S a m pleIn itia lize
R ece ivefrom P rep .
R ea ct
Tra ns fe r toS to ra ge
ISA 88.00.02 : Procedural Function Chart· Unit procedure interactions · Relative timing
· Height of unit procedure symbol· Vertical placement of symbols· Master recipes do not contain
absolute timing· Synchronization points
· Arrowheads indicate material transfer
· Multiple levels of procedures· Encapsulation (contents) of unit
procedure revealed· Provides more detail
THANK YOU
Actual Benefits· Eli Lilly - 19971
· Improvement in process cell throughput up to 20%
· Standard deviation of batch cycle times reduced by 50%
· Yield increase per process cell, up to 10%
· Reduced production losses $120,00 in one process cell
· Operator actions decreased by 80%· Number of operators reduced by 33%
· BP Chemicals - 19982
· Improved batch repeatability saved over $200,000 in one process cell
· 2-3% increase in capacity
· Eastman Chemical - 19993
· 20% reduction in batch cycle time· Production yields increased by 5%· Conformance to specification
increased from 96% to 100%· Biotech - 19984
· Project startup time reduced by 33% over conventional methods
· Total project savings over $1,200,000 over conventional methods
· Chevron - 19995
· 30% reduction in implementation cost· 10% reduction in batch cycle times
May 4, 2013 Dennis Brandl 70
1) Jeffrey Owen, "Evangelizing ISA 88.01: Converting the Masses", World Batch Forum 19972) Patrice Deschilder, "How Batch Control and Continuous Control Optimize a Unit for Expandable Polystyrene", World Batch
Forum 1998 3) Shawn Kerrick, "A Most Unusual Approach to Implementing ISA 88 Recipes", World Batch Forum 1999
4) Thomas Crowl, "ISA 88.01 Concepts save Time and Money", World Batch Forum 19985) Kandasamy Sakthivel, "Automation of a Lub Oil Additives and Blending Plant Using ISA 88.01-consistent Batch Software -
A Case Study", World Batch Forum 1999
top related