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　　前面已經(jīng)介紹了過(guò)程控制優(yōu)化之回路優(yōu)化和先進(jìn)控制，今天給大家介紹控制優(yōu)化的另一個(gè)領(lǐng)域，即操作規(guī)程自動(dòng)化。

　　操作規(guī)程自動(dòng)化

　　(Procedural Automation)概念

　　操作規(guī)程自動(dòng)化（Procedural Automation）是為了解決連續(xù)過(guò)程中過(guò)渡依賴(lài)熟練操作工而誕生的。操作過(guò)程自動(dòng)化，顧名思義就是把生產(chǎn)操作的良好操作規(guī)程或操作程序融進(jìn)自動(dòng)化程序中，使得復(fù)雜的連續(xù)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)開(kāi)車(chē)、運(yùn)行、停車(chē)等復(fù)雜操作，減少人為干預(yù)對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的波動(dòng),也可通過(guò)操作模式智能調(diào)整報(bào)警，減少過(guò)程干擾。操作規(guī)程自動(dòng)化目標(biāo)是讓操作員能操作一個(gè)完整生產(chǎn)流程,而不是操作單個(gè)操作設(shè)備。它可以幫助生產(chǎn)部門(mén)縮短操作持續(xù)時(shí)間、簡(jiǎn)化操作任務(wù)、降低操作負(fù)荷、固化理想操作實(shí)踐，從而提高連續(xù)過(guò)程生產(chǎn)的可靠性和安全性，同時(shí)也能提高操作效率，從而提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　操作規(guī)程自動(dòng)化參考標(biāo)準(zhǔn)

　　隨著操作規(guī)程自動(dòng)化的逐步流行，ISA組織相繼在2013年發(fā)布了用于連續(xù)過(guò)程的操作規(guī)程自動(dòng)化操作模塊和術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)ISA-TR106.00.01-2013，在2017年發(fā)布了用于連續(xù)過(guò)程的操作規(guī)程自動(dòng)化的工作過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)ISA-TR106.00.02-2017。

　　ISA-TR106.00.01 標(biāo)準(zhǔn)共分6章，從操作過(guò)程自動(dòng)化適用范圍、相關(guān)引用標(biāo)準(zhǔn)、主要術(shù)語(yǔ)、操作規(guī)程的技術(shù)歷史演化過(guò)程、價(jià)值定位以及其操作規(guī)程自動(dòng)化最基本的過(guò)程模型做了規(guī)范和介紹。其中，重要的是根據(jù)流程行業(yè)的特定需要確定了規(guī)程需求模型、規(guī)程執(zhí)行模型和物理模型以及與基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）對(duì)應(yīng)的關(guān)系，參考如下圖：

　　ISA-TR106.00.02 共分11章，主要是定義了操作規(guī)程自動(dòng)化的全生命周期參考模型，從規(guī)程自動(dòng)化的原則、計(jì)劃和定義、需求和設(shè)計(jì)、執(zhí)行、運(yùn)行、退役以及變更管理7個(gè)工作過(guò)程，定義了其技術(shù)要求和理想實(shí)踐，其模型參考如下圖：

　　操作過(guò)程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方式

　　隨著連續(xù)過(guò)程的自動(dòng)化樣式復(fù)雜性的增加，它們包含了更多的流程知識(shí)，并能夠執(zhí)行更復(fù)雜的流程操作。當(dāng)使用更復(fù)雜的自動(dòng)化樣式時(shí)，使用流程狀態(tài)是一種為組織操作規(guī)程自動(dòng)化提供框架的方法。這種類(lèi)型的規(guī)程自動(dòng)化稱(chēng)為基于狀態(tài)的控制(SBC)。

　　ISA-TR106.00.01標(biāo)準(zhǔn)第6章6.9節(jié)系統(tǒng)闡述了基于狀態(tài)控制的原理，并確定其為在BPCS層實(shí)現(xiàn)操作規(guī)程自動(dòng)化的技術(shù)手段。

　　當(dāng)使用過(guò)程狀態(tài)時(shí)，操作規(guī)程自動(dòng)化集中在過(guò)程設(shè)備的主要部分，通常是一個(gè)單元。過(guò)程狀態(tài)根據(jù)工藝設(shè)備的物理?xiàng)l件來(lái)定義，以確保安全高效運(yùn)行。SBC主要有如下三個(gè)重要的概念：

　　首先就是狀態(tài)轉(zhuǎn)換（State transition），定義狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換以限制狀態(tài)之間可能的移動(dòng)，并定義觸發(fā)轉(zhuǎn)換的條件。流程狀態(tài)和轉(zhuǎn)換的定義可以在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中規(guī)范化，如下圖左為典型的一個(gè)過(guò)程狀態(tài)切換圖， 有些狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)的，如停用、停車(chē)、就緒和運(yùn)行狀態(tài)；有些狀態(tài)為過(guò)渡狀態(tài)，如準(zhǔn)備、進(jìn)料、加熱、停車(chē)等狀態(tài)；過(guò)渡狀態(tài)用于把過(guò)程從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是一個(gè)有用的工具，有助于確定應(yīng)用的合適的自動(dòng)化方式。

　　SBC的第二個(gè)概念就是操作模式(Operation Mode)，它能提供對(duì)操作員更有用的高級(jí)抽象。一個(gè)操作模式可以包含多個(gè)過(guò)程狀態(tài)，下圖中間顯示了操作模式與過(guò)程狀態(tài)對(duì)應(yīng)的典型例子示意圖，圖中進(jìn)料和加熱狀態(tài)組合成了過(guò)程的開(kāi)車(chē)模式。由于這兩種狀態(tài)都是支持流程從就緒狀態(tài)過(guò)渡到運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)渡狀態(tài)，因此將它們描述為操作員的組合操作模式是合乎邏輯的。同樣運(yùn)行狀態(tài)和異常狀態(tài)也可以合并為運(yùn)行操作模式。

　　SBC的第三個(gè)概念就是操作規(guī)程（Procedures），操作規(guī)程可以與過(guò)程狀態(tài)和操作模式相關(guān)聯(lián)，即可以設(shè)計(jì)操作規(guī)程來(lái)執(zhí)行過(guò)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換，例如啟動(dòng)一個(gè)裝置單元，將裝置轉(zhuǎn)換為新的產(chǎn)率或最裝置單元進(jìn)行受控的停車(chē)。也可以設(shè)計(jì)成對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)條件的監(jiān)控，當(dāng)異常條件發(fā)生時(shí)做出反應(yīng)。下圖右邊提供了根據(jù)一些根據(jù)操作模式設(shè)置操作規(guī)程的例子，如準(zhǔn)備、開(kāi)車(chē)、產(chǎn)率調(diào)整和受控停車(chē)的操作規(guī)程用于實(shí)現(xiàn)裝置單元穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的的切換， 異常條件處理規(guī)程用于單元裝置異常狀態(tài)，以糾正過(guò)程條件，讓裝置返回正常運(yùn)行狀態(tài)。

　　操作員可以用利用操作規(guī)程來(lái)執(zhí)行所需要的操作，改為操作規(guī)程自動(dòng)化后，可觸發(fā)相應(yīng)的執(zhí)行模塊如下圖所示：

　　采用SBC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的操作規(guī)程的核心價(jià)值就是在給定的工藝條件下，操作工不需要將每個(gè)閥門(mén)、控制和電機(jī)操作到所需的位置，自動(dòng)化的規(guī)程可以發(fā)出命令工作項(xiàng)，自動(dòng)執(zhí)行定義的任務(wù)，并驗(yàn)證他們是否執(zhí)行成功。如上圖操作員看到的一個(gè)規(guī)程執(zhí)行實(shí)際上涉及到層次結(jié)構(gòu)中的許多執(zhí)行模塊。

　　使用過(guò)程狀態(tài)的控制機(jī)制，還為報(bào)警管理的觸發(fā)方式提供了一種方便的機(jī)制，即可以實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的報(bào)警（SBA）。SBA是ISA18.2 報(bào)警管理標(biāo)準(zhǔn)所定義的一種先進(jìn)報(bào)警技術(shù)，也叫動(dòng)態(tài)報(bào)警，關(guān)于SBA 請(qǐng)參考本系列報(bào)警管理相關(guān)技術(shù)文章。

　　綜上所述，基于狀態(tài)的控制（SBC）和基于狀態(tài)的報(bào)警（SBA）是實(shí)現(xiàn)操作規(guī)程的重要技術(shù)手段，是操作規(guī)程自動(dòng)化在BPCS系統(tǒng)上的具體表現(xiàn)形勢(shì)。

　　在基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的控制（SBC）

　　在基本過(guò)程控制系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)SBC程序的設(shè)計(jì)，需要BPCS具備如下3個(gè)核心的模塊：

　　第一個(gè)是狀態(tài)模塊（STD）：可以把連續(xù)過(guò)程定義成一組狀態(tài)，各狀態(tài)的表征和顯示需要一個(gè)狀態(tài)模塊來(lái)管理。

　　第二個(gè)是Transition Monitors模塊：表征和監(jiān)控過(guò)程從一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程條件。

　　第三個(gè)是State Engine模塊: 用于輸出當(dāng)前的過(guò)程狀態(tài)的引擎模塊。

　　另外，Control Module、Equipment Module也是編寫(xiě)SBC程序所需的模塊。在進(jìn)行SBC程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要檢查所使用的基本過(guò)程控制系統(tǒng)是否具備這些模塊，注意“不是所有的控制系統(tǒng)都具備這些模塊可以方便去設(shè)計(jì)SBC程序的”。

　　以艾默生DCS DeltaV為例子，其當(dāng)前軟件平臺(tái)都內(nèi)嵌了這些核心 模塊，同時(shí)在它的PCSD的設(shè)計(jì)模板中，還設(shè)計(jì)了用于操作SBC程序的Faceplate模板 ,可大大提高SBC程序設(shè)計(jì)的效率，降低人機(jī)交互的設(shè)計(jì)難度，如下圖所示：

　　另外，要讓SBC發(fā)揮理想的操作規(guī)程自動(dòng)化的價(jià)值，還需要現(xiàn)場(chǎng)裝置具備如下兩個(gè)前提條件：

　　第一， 需要裝置的回路自動(dòng)化率盡量高，建議在90%以上。如果大量回路都是手動(dòng)控制，自動(dòng)操作規(guī)程在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊時(shí)，每次都需要等待操作員手動(dòng)去調(diào)節(jié)閥門(mén)或電機(jī)，這將讓規(guī)程的自動(dòng)執(zhí)行失去意義。

　　第二， 需要裝置的70％以上的現(xiàn)場(chǎng)操作閥（開(kāi)關(guān)閥）或電機(jī)（定頻電機(jī)）改成遠(yuǎn)傳閥進(jìn)入BPCS，即可以通過(guò)BPCS進(jìn)行控制。這樣自動(dòng)化規(guī)程在執(zhí)行開(kāi)停車(chē)和產(chǎn)量切換等過(guò)渡狀態(tài)時(shí)，無(wú)需通知現(xiàn)場(chǎng)操作員人現(xiàn)場(chǎng)操作，從而大大提高規(guī)程的執(zhí)行效率。

　　此外，在設(shè)計(jì)SBC時(shí)，建議現(xiàn)場(chǎng)裝置建立數(shù)字化雙胞胎優(yōu)化平臺(tái)和動(dòng)態(tài)報(bào)警管理平臺(tái)（后續(xù)文章將介紹）。

　　應(yīng)用案例

　　某國(guó)際知名的聚合物生產(chǎn)商在上海的尼龍-66工廠進(jìn)行生產(chǎn)，其連續(xù)聚合的生產(chǎn)線(xiàn)采用了艾默生的DeltaV DCS控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的控制優(yōu)化，盡管其生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化率已經(jīng)很高了，但是依然需要一些手動(dòng)操作，如開(kāi)停車(chē)、緊急停車(chē)等。由于通訊、協(xié)調(diào)和人為操作中誤差的問(wèn)題，這些手動(dòng)操作的失誤將會(huì)給該廠的帶來(lái)很多風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步減少操作失誤、降低操作負(fù)荷、提高生產(chǎn)的安全性，真正實(shí)現(xiàn)操作規(guī)程的完全自動(dòng)化，該廠選擇了SBC技術(shù)在DeltaV平臺(tái)上來(lái)設(shè)計(jì)其操作規(guī)程。如下圖所示：

　　艾默生SBC專(zhuān)家與客戶(hù)工藝生產(chǎn)核心人員共同協(xié)作，幫助用戶(hù)設(shè)計(jì)操作規(guī)程的原則，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝特點(diǎn)幫助用戶(hù)確定過(guò)程狀態(tài)和切換邏輯。同時(shí)采用了Agile Ops先進(jìn)報(bào)警管理平臺(tái)，設(shè)計(jì)SBA的邏輯與SBC的狀態(tài)邏輯進(jìn)行充分配合。

　　在此項(xiàng)目中，SBC程序覆蓋了整個(gè)尼龍66連續(xù)聚合的全操作流程：開(kāi)車(chē)、停車(chē)、過(guò)程擱置、重啟動(dòng)、緊急情況處理和Finisher Switch，設(shè)備范圍包含了45個(gè)容器和設(shè)備，以及429個(gè)控制模塊。SBC程序主要體現(xiàn)了如下幾個(gè)方面：

1. 5個(gè)單元，60種狀態(tài)，325個(gè)轉(zhuǎn)換條件，以及550個(gè)行動(dòng)的SBC邏輯。
2. 艾默生提供AgileOps，作為動(dòng)態(tài)報(bào)警管理平臺(tái)（SBA），實(shí)現(xiàn)SBA邏輯的設(shè)計(jì)。
3. 艾默生提供數(shù)字雙胞胎（Digital Twins）解決方案，用作操作員培訓(xùn)，同時(shí)作為SBC和SBA的開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)SBC和SBA進(jìn)行充分測(cè)試驗(yàn)證后再導(dǎo)入生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　用一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)保持生產(chǎn)過(guò)程的最佳操作知識(shí)，確保執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)程序，使得工廠操作一直處于理想實(shí)踐的狀態(tài)。

　　該項(xiàng)目投運(yùn)后，取得了預(yù)期的效果，主要體現(xiàn)如下：

1. 用規(guī)范的程序執(zhí)行優(yōu)化實(shí)踐，提升了工廠的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。
2. 減少80%開(kāi)車(chē)過(guò)程中的操作員干預(yù) ，減少90%開(kāi)車(chē)過(guò)程中的警報(bào)，更大限度地減少潛在的人為錯(cuò)誤，并提高工廠生產(chǎn)狀態(tài)的應(yīng)對(duì)能力。
3. 減少了意外事件，提高安全和環(huán)境績(jī)效。
4. 鞏固運(yùn)營(yíng)能力，并提升了一線(xiàn)工程師的能力。

　　a. 用于未來(lái)過(guò)程工程師培訓(xùn)和認(rèn)證的創(chuàng)新方法，可縮短獲得完全能力所需的時(shí)間。（從原來(lái)的3-5年，變?yōu)?年）。

　　b. 極少的人為干預(yù)，使過(guò)去具有挑戰(zhàn)性的工作變得自動(dòng)化。

　　5.知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，在控制系統(tǒng)中打包了關(guān)鍵的操作知識(shí)，減少了人為不確定因素。

　　“這是我們第一次在現(xiàn)代化的產(chǎn)線(xiàn)上部署這套完整的艾默生SBC解決方案，這個(gè)先進(jìn)創(chuàng)新的解決方案所呈現(xiàn)出的結(jié)果讓人眼前一亮。很多工藝控制中的癥結(jié)得到根治，并且極大地應(yīng)對(duì)了非計(jì)劃停車(chē)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。”，該客戶(hù)技術(shù)負(fù)責(zé)人說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)有將近80%的過(guò)程人為干預(yù)被消除，同時(shí)有90%的干擾報(bào)警得到抑制，這從根本上改變了我們運(yùn)營(yíng)產(chǎn)線(xiàn)的方式。一線(xiàn)操作人員的時(shí)間被大量釋放出來(lái)，用以關(guān)注在更重要、更高價(jià)值的任務(wù)當(dāng)中。基于此，工藝生產(chǎn)操作被極大地簡(jiǎn)化并平復(fù)，我們?cè)诓渴餝BC后，已取得了生產(chǎn)線(xiàn)零人工誤操作事故的驕人成績(jī)。”

　　價(jià)值總結(jié)

　　綜上所述，SBC作為操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)路徑，同時(shí)也是現(xiàn)代工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)，它改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，主要體現(xiàn)如下：

1. 操作員職責(zé)重新定義，賦能從過(guò)程控制到過(guò)程管理，生產(chǎn)過(guò)程和過(guò)程報(bào)警。
2. 實(shí)現(xiàn)自主優(yōu)化操作，減少意外事件，避免操作錯(cuò)誤，更快的操作，更安全運(yùn)行。
3. 極大降低操作員依賴(lài)，同時(shí)減輕操作員重復(fù)性任務(wù)。
4. 實(shí)施SBC項(xiàng)目是企業(yè)將實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)固化為知識(shí)的理想過(guò)程。
5. SBC可以作為工藝IP范圍 - 控制和操作知識(shí)固化并保護(hù)。
6. 改善生產(chǎn)績(jī)效：提高質(zhì)量，更大限度地減少生產(chǎn)中的可變性，增加產(chǎn)量、減少成本。