一、背 景
隨著近年全球經(jīng)濟的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的日新月異，批量生產(chǎn)過程已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的一個重要分支，特別是在精細化工生產(chǎn)中已被廣泛采用，批量生產(chǎn)過程對自動化控制系統(tǒng)也提出了越來越高的要求。隨著批量控制系統(tǒng)標準ISA S88的制定，近十年來批量控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各過程控制及自動化系統(tǒng)公司紛紛推出了集成于過程控制系統(tǒng)（DCS）的批量控制軟件。下面我們以杭州優(yōu)穩(wěn)自動化公司推出的UWinBatch批量控制軟件為例，對批量控制在精細化工生產(chǎn)中發(fā)揮的巨大作用進行詳細的認識。
二、精細化工行業(yè)特點
精細化工，是生產(chǎn)精細化學(xué)品工業(yè)的通稱。大致包含40多個行業(yè)和門類。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，精細化學(xué)品的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嚅_拓，新的門類將不斷增加。精細化工的特點如圖1所示，從圖中可以得知，精細化工是屬于批量生產(chǎn)過程。
40多個行業(yè)和門類。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，精細化學(xué)品的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嚅_拓，新的門類將不斷增加。精細化工的特點如圖1所示，從圖中可以得知，精細化工是屬于批量生產(chǎn)過程。
三、批量生產(chǎn)過程與批量控制
3.1批量生產(chǎn)過程
ISA S88標準對批量生產(chǎn)過程的定義：將有限量的物料按規(guī)定的加工順序在一個或多個設(shè)備中加工以獲得有限量的產(chǎn)品的加工過程，簡言之，以順序的操作步驟進行批量產(chǎn)品生產(chǎn)的過程稱為批生產(chǎn)過程。這個過程是間歇的、不連續(xù)的，而且此操作步驟不是固定不變的，根據(jù)不同的產(chǎn)品可以有相應(yīng)的變化，其廣泛應(yīng)用于精細化工、食品飲料、生物醫(yī)藥和農(nóng)藥化肥等相關(guān)領(lǐng)域。與之對應(yīng)的是我們比較熟悉的連續(xù)生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)產(chǎn)品單一、生產(chǎn)工藝固定，連續(xù)運轉(zhuǎn)，主要應(yīng)用于石油化工、冶金等行業(yè)。表1給出了各行業(yè)中的批量過程與連續(xù)過程所占的比例。表2對連續(xù)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)過程的特點進行了對比分析。
3.2 批量生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)提出的新挑戰(zhàn)
從表2的對比中我們可以看出，連續(xù)生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定，工藝成熟，控制策略一旦建立，不需更改，而批量生產(chǎn)過程由于存在產(chǎn)品的切換，工藝參數(shù)不存在穩(wěn)態(tài)工作點，需要控制策略更具有柔性化的設(shè)計，所以控制更為復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
為適應(yīng)市場需求變化，要求能快速靈活地切換產(chǎn)品
——這就要求控制系統(tǒng)要有柔性設(shè)計，控制程序代碼能被不同的產(chǎn)品復(fù)用，不能重復(fù)編寫代碼浪費時間；
簡單易用的配方開發(fā)管理平臺
——配方開發(fā)管理平臺，必須簡單易用，用戶的工藝工程師能輕松掌握，以便快速開發(fā)新的配方、編輯修改、升級老的配方；
能實現(xiàn)多種產(chǎn)品同時生產(chǎn)
——支持多個批次同時生產(chǎn)，控制系統(tǒng)要能對共享的資源進行合理高效地調(diào)度，并在沖突產(chǎn)生的時候，能夠進行仲裁，設(shè)備故障時，快速重新建立生產(chǎn)的路徑。
更加嚴格的權(quán)限分配及管理
——每個批次生產(chǎn)時，相關(guān)的生產(chǎn)人員要有嚴格的權(quán)限劃分，在生產(chǎn)過程中，必須要由相應(yīng)權(quán)限人員的簽名確認，才能進行下一步的生產(chǎn)，并做好記錄。
更加復(fù)雜的歷史報表記錄，要求符合FDA、GMP規(guī)范
——批次報表不是簡單地記錄過程數(shù)據(jù)，而是要記錄批次生產(chǎn)相關(guān)的所有信息（比如配方、人員、設(shè)備、過程參數(shù)，控制策略等)，符合FDA、GMP的標準，能全面地追蹤每一個批次的運行情況。
3.3 批量控制系統(tǒng)
鑒于批量生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的復(fù)雜性要求，批量控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。該系統(tǒng)建立在ISA S88標準的基礎(chǔ)上，可以快速靈活地響應(yīng)客戶對批量生產(chǎn)的要求，并提供批量生產(chǎn)管理、控制以及過程分析，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，幫助客戶提升市場競爭力。杭州優(yōu)穩(wěn)自動化公司作為過程控制系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)廠家，掌握核心技術(shù)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。在這得天獨厚的優(yōu)勢背景下，開發(fā)了符合ISA S88標準的批量控制軟件UWinBatch，為客戶提供完美的批量生產(chǎn)過程解決方案。UWinBatch通過配方編輯器、批量控制臺、批量數(shù)據(jù)庫、畫面組態(tài)等模塊集配方組態(tài)、批次計劃與調(diào)度、日志與報警查詢等功能于一體，提高了批量控制的效率和質(zhì)量。UWinBatch系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于間歇性、批次性比較明顯的食品、飲料、添加劑、制藥、生物化工等領(lǐng)域。
3.4 系統(tǒng)特點
四、UWinBatch 批量控制系統(tǒng)
4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
模塊化的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)
Batch系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依托于UW500 DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完全基于構(gòu)件設(shè)計，各模塊獨立性強，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，擴展系統(tǒng)方便靈活，保證了Batch能很好地融入到DCS系統(tǒng)的架構(gòu)中，并且可以根據(jù)客戶的需求靈活配置。
安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸
UWinBatch系統(tǒng)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)安全及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?，采用雙網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并且在客戶端和服務(wù)器間通過防火墻進行安全隔離，確保數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定傳輸。
便捷的客戶端訪問
除了標準的客戶/服務(wù)器(C/S)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方式，采用IE瀏覽器作為一個標準的瘦客戶端(B/S)來瀏覽畫面，隨時隨地進行服務(wù)器的數(shù)據(jù)訪問和控制，快速了解工藝流程的運行狀態(tài)、日志及報警信息，為用戶節(jié)省大量的時間，提高管理效率。
開放接口，與生產(chǎn)管理無縫對接
Batch是過程自動化領(lǐng)域一種控制方式，同時更是代表了一種先進的生產(chǎn)管理理念，作為標準化的產(chǎn)品，它也是當今流程工業(yè)新技術(shù)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的重要組件之一。Batch通過工廠以太網(wǎng)把當前批量運行的情況、批量歷史數(shù)據(jù)的內(nèi)容等實時或歷史的數(shù)據(jù)上傳，參加工廠MES網(wǎng)的一些優(yōu)化運算及處理。MES將現(xiàn)場實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計整理，建立生產(chǎn)管理與生產(chǎn)過程控制的聯(lián)系，從而達到生產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的。
4.2 系統(tǒng)功能
UWinBatch批量控制系統(tǒng)，集配方組態(tài)、批次生產(chǎn)計劃與調(diào)度、批次生產(chǎn)過程控制、批次報表和運行日志記錄、系統(tǒng)報警功能于一體，完美貼合精細化工生產(chǎn)過程的特點。
4.2.1 配方組態(tài)
提供一個配方編輯器來創(chuàng)建和維護主 Unit 過程配方，該編輯器主要包括以下功能。
在配方管理器界面，通過添加步和階段來創(chuàng)建控制配方，階段包含“手動”“等待”“腳本”“設(shè)備”“跳轉(zhuǎn)”，以便適應(yīng)復(fù)雜的工藝需求，通過改變階段，便可以搭建不同的控制策略，完成不同產(chǎn)品的生產(chǎn)；
同時支持255個配方同時運行；
以配置的方式迅速開發(fā)復(fù)雜的配方結(jié)構(gòu)；
配置生產(chǎn)任務(wù)單，將產(chǎn)品所用到的原料按配比關(guān)系羅列出來。在產(chǎn)品配方運行前，工程師需先確定生產(chǎn)任務(wù)單里面的原料配比關(guān)系，確定后開始啟動產(chǎn)品配方，生產(chǎn)產(chǎn)品；
為測試或生產(chǎn)目的發(fā)布主配方 ；
驗證配方；
在此配方編輯器界面，具有操作權(quán)限的用戶，只需通過點擊鼠標就可以修改、創(chuàng)建產(chǎn)品配方，非常簡單易行。
4.2.2 批次生產(chǎn)計劃與調(diào)度
生產(chǎn)計劃模塊為用戶提供在線管理生產(chǎn)計劃的功能?？梢愿鶕?jù)訂單和生產(chǎn)線的情況事先定制生產(chǎn)計劃，靈活地設(shè)置某個配方的計劃產(chǎn)量、計劃生產(chǎn)時間、批次劃分、每個批次執(zhí)行的順序以及批次所需要的原料設(shè)定。
支持批次在線修改，方便用戶隨時調(diào)整批次的執(zhí)行情況。實現(xiàn)快速、靈活相應(yīng)實際生產(chǎn)線需求的目的。同時，提供開發(fā)的數(shù)據(jù)接口，可以直接接受第三方軟件下達的生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)與上層管理軟件的融合，提高生產(chǎn)效率。另外，還支持配比方案參數(shù)和產(chǎn)量的實時修改。
4.2.3 批次生產(chǎn)過程管理
支持從DCS的運行畫面中調(diào)出批次過程監(jiān)控界面，通過該界面，可以清晰、便捷地了解到各控制配方的運行狀態(tài)，同時，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，可以手動干預(yù)調(diào)整各配方的執(zhí)行。
監(jiān)控每個批次目前運行的階段以及該階段的執(zhí)行情況，比如完成、正在執(zhí)行、異常等；
記錄生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一系列信息，包括各批次參數(shù)信息、批次運行狀態(tài)、控制配方信息、以及配方工藝流程狀態(tài)，方便用戶實時查閱和批次報表記錄的調(diào)用。
可視化每個設(shè)備的占用情況，沖突仲裁，合理分配設(shè)備資源，提高設(shè)備的使用率和生產(chǎn)效率；
完善的審批授權(quán)機制，使得每個關(guān)鍵步驟的執(zhí)行都有據(jù)可查，保證生產(chǎn)過程安全、穩(wěn)定，可追溯，提升生產(chǎn)管理水平和產(chǎn)品品質(zhì)。
4.2.4 批次報表和運行日志記錄
批次報表記錄了批次執(zhí)行的過程和結(jié)果，為生產(chǎn)工藝的改進和成品追溯提供數(shù)據(jù)支持。運行日志自動地記錄所有的在線操作信息，避免繁瑣的文檔記錄和審查。查看日志，能清楚地了解到任何人的任何操作。
一個Batch運行結(jié)束或者被取消之后，批量服務(wù)器會自動生成報表，系統(tǒng)提供默認的報表模板，用戶也可以自定義報表。報表采用通用的MS Excel風格，組態(tài)容易；
報表數(shù)據(jù)包括所有與批次生產(chǎn)相關(guān)的活動，比如配方、人員、設(shè)備、過程參數(shù)，控制策略等；
運行日志記錄誰操作的、操作時間、相關(guān)的控制配方、單元程序、操作以及生產(chǎn)計劃信息等；
運行日志可以根據(jù)需求自行配置，通過配方或批號的選擇的方式進行快速查詢；
可通過配方+批號的方式對每個生產(chǎn)批次的詳細情況進行查詢；
電子簽名：簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳、要檢驗運行批次事件，需要至少三個簽名，全部簽名被存在事件日志中，并不可編輯，完全支持21 CFRPart 11兼容性。
五、批量控制系統(tǒng)為客戶帶來的優(yōu)勢
UWinBatch是靈活、實用的批控制的解決方案。該產(chǎn)品適用于所有的批過程控制場合。它既可以用于單路徑結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程控制場合，也可以應(yīng)用于具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程控制場合。同樣，它既可以用于生產(chǎn)單一產(chǎn)品的工廠，也可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品的企業(yè)。
優(yōu)勢一——提高產(chǎn)量，改善質(zhì)量
批量控制軟件可以自動地執(zhí)行生產(chǎn)順序，同時允許產(chǎn)品到產(chǎn)品的快速切換，從而提高總體產(chǎn)出。 針對產(chǎn)品質(zhì)量，批量控制軟件加強了配方程序的執(zhí)行，并確認操作員的各項活動，以確保不同批次的產(chǎn)品保持一致的產(chǎn)品質(zhì)量。
優(yōu)勢二——更加靈活的生產(chǎn)方式
Batch 提供一個環(huán)境使生產(chǎn)商能夠?qū)π庐a(chǎn)品，隨時變化的客戶計劃和突發(fā)的工廠現(xiàn)場事件快速作出反應(yīng)。 每個配方都具有不同的生產(chǎn)步驟和成份組成， 配方能夠按照可以滿足配方定義的設(shè)備需要的任一生產(chǎn)序列中進行計劃來生產(chǎn)。這個可以配置工藝設(shè)備如何使用的功能賦予了在當今的競爭環(huán)境下生產(chǎn)商所需要的靈活性。
優(yōu)勢三——加快投放市場的時間
a.Batch 提供快速且容易的配方開發(fā)：Batch 配方管理系統(tǒng)易于使用，無需昂貴的工程開發(fā)，只要復(fù)用已有的代碼便可完成配方的開發(fā)及維護；
b.新配方的模擬執(zhí)行：依靠公司的生產(chǎn)設(shè)施的過程模型，工廠或研發(fā)部門的用戶能夠模擬新配方的執(zhí)行。這同時可以判斷工廠是否有需要的設(shè)備、過程功能和原材料來生產(chǎn)此種配方；
c.對配方而不是控制系統(tǒng)進行驗證： 當創(chuàng)建一個新的配方時，只需要對配方進行驗證，而無需對控制系統(tǒng)進行驗證。當增加新的配方時控制系統(tǒng)并不需要改變。與驗證一個新的配方的時間比較，用于重新驗證一個控制系統(tǒng)的時間和費用要多很多。
優(yōu)勢四——共享設(shè)備資源，多路徑多產(chǎn)品生產(chǎn)
從單一路徑到多產(chǎn)品多路徑的生產(chǎn)方式；
共享時間和設(shè)備資源，動態(tài)單元分配功能可以最大化關(guān)鍵設(shè)備的使用或者在失敗情況下迅速切換裝置，重新規(guī)劃路徑。
優(yōu)勢五——縮短驗證時間，減少驗證費用
Batch使我們可以更容易地設(shè)計和實施符合21 CFRPart 11、電子記錄和電子簽名的US規(guī)范；可配置的電子簽名模板，它代表了一個簽名和相關(guān)數(shù)據(jù)，例如：簽名等級、注釋、安全要求、日期和時間戳等，完整的批數(shù)據(jù)管理，包括所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如配方、人員、設(shè)備、過程參數(shù)，控制策略等），這些數(shù)據(jù)將自動地以批報表的形式生成文檔，使生產(chǎn)過程變得透明化且可追溯，使驗證過程更加簡單易行。
優(yōu)勢六——物料跟蹤，更佳的庫存管理
與物料跟蹤集成，管理原料和配方在生產(chǎn)批次執(zhí)行系統(tǒng)中提供實時的原料管理和可跟蹤性，增強企業(yè)庫存解決方案并允許更有效的原料和配方管理；當與公司范圍內(nèi)的庫存管理系統(tǒng)集成時，通過采集詳細的原料和設(shè)備跟蹤信息，在優(yōu)化供應(yīng)鏈和實施電子商務(wù)時，物料跟蹤能夠改善ERP級資源管理的功能。
