повна версія з презентації в травні 2015

1. Интеграция АСУ ТП с Системами
управления предприятием

2. Практическое моделирование на
предприятии:
Стандарты ISA 88 и ISA 95
По материалам презентаций от
Jean Vieille, Dennis Brandl, Rod Perry
и др источников ISA
Перевод Ассоциации предприятий промышленной автоматизации Украины
Киев - 2015

3. 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

4. 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

5. 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,
61512-1
2010 – 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,
62264-1
2010 – обновление стандарта
Основные преимущества использования
1. Унификция,

6. ЗАЧЕМ ВСЕ ЭТО НАДО?
WHY?

7. 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

8. 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

9. Ключевые вызовы для производителей

10. Разрывы в производстве – нет
прозрачности

11. Основные вызовы на уровне технологий

12. Операционное совершенство – устойчивые
процессы и операции

13. Ответ на эти вызовы -
стандарты
ISA 88 и 95

14. Трансформация предприятия: модель
прозрачного управления
Информация о бизнесе
Финансы 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 графики
Производства Обеспечение качества ...

15. 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 производством
Координация Контроль Детальные графики
Производства Обеспечение качества ...
Уровень 3
Уровни
2,1,0
АСУ
периодических
процессов
АСУ
непрерывных
процессов
АСУ
дискретных
процессов
Интерфейс
определен в
ISA 95.01 / 02
Раздел ISA 95.03
Стандарт
ISA 88
Система управления
всем предприятием
(ERP)
Поддержка
Производственных
операций
(MES)

16. 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

17. 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

18. S95.01 Структура
производственного планирования
График производства
Запросы к производству
Требования по сегментам
Параметры
производства
Требования
К персоналу
Требования
По ресурсу
Требования
по потербл.
материалам
Требования
производимого
материала
Ожидаемый
Результат
График делается исходя из
Произв. Запросов 1..n
Производственный запрос делается из
требований сегментов 0..n
Каждое требование может
содержать от 0 до n

19. Прозрачность и управляемость

20. 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

21. 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)

22. 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 SystemHP IBM GS Microsoft ORSI
 General
 Purdue Fluor Daniels AMR Jacobs
 MESA PDXI NAMUR Keops
 KPMG MIT PWC LLC

23. 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

24. Уровни зрелости в задачах интеграции
результаты
Уровень развити
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

25. Ясные требования по результатам проектов
1. Сроки проекта – 9-12 месяцев
2. Достижение ROI в пределах 12-18
месяцев
3. Каждый проект имеет свой бизнес-
кейс
4. Планируется следующий этап
(проект)

26. Детали стандарта

27. Типичное приложение
S95.01
Производст
График
Уставки
&
Маршруты
Распределение
Работ
инструкции
S88.02
Вход
графика
Непрерывные
процессы
Периодические
процессы
Дискретные
процессы
процессы

28. S88 in Production System Lifecycles
Product
Development
S88 : Recipe
Production
Schedule
S88 : Schedule
S88 : Resources
Resources
Engineering
S88 : Equipment
Procedural
Elements

29. ISA 95 : Коммуникации «Управление
предприятием» – «Производство»

30. 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

31. Функциональная модель
SP95.01 – Предприятие /
Производство (PRM)
Закупки
материалов
(5.0)
Планирование
производства
(2.0)
Управление
Материалами и
энергией
(4.0)
Управление
складскими
запасами
(7.0)
Учет стоимости
производства
(8.0)
Обеспечение
качества
(6.0)
НИОКР и
Разработка
Maintenance Purchase
Order Requirements
Управление
Доставкой
продукта
(9.0)
Обработка
заказа
(1.0)
Маркетинг
и Продажи
Управление
производством
(3.0)
From ANSI/ISA-95.00.01-1995 Copyright ISA 2000. Used with permission. www.isa.org

32. Domain
Definitions
(Responsibility)
Information
Flows of Interest
Functions
of Interest
Categories of
Information
Information
Definitions
Functions
in Domains
Elements of Models & Definitions

33. Категории информации
 Потоки
информации
разбиты по
категориям
 Многие
диаграммы
использованы
для
иллюстрации
зон перекрытия
информации
Enterprise Information
Plant Production Scheduling,
Operational Management, etc
Manufacturing
Control Information
Area Supervision, Production Planning,
Reliability, Assurance, etc
Product
Definition
Information
(How to make
a product)
Production
Capability
Information
(What is
available
for use)
Production
Schedule
(What to
make and
use)
Production
Performance
(What was
made and
used)

34. Определения основных объектов
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты
Определения
продукта
Производственные
графики
производительность
Ресурсы Мощности, Продукт, Производство
Product
Time
Возможности (мощности)

35. 4 объектные модели ресурсов
Люди
Материалы
Оборудование
Человеческие ресурсы для производства
Ресурсы - оборудование
Материальные ресурсы
Сегменты процессов
Вид на производство со стороны бизнеса

36. Пример определения материала
 Общая информация на материал
Партия
HCL-50-100019
pH
7.0
Плотность
1.32
Цвет
Желтый
Чистота
.5%
Определение
HCl 50%
Цвет ЧистотаpH
Материал класса
Кислота
Плотность
Под-партия
HCL-50-100019
Бочка15
МестоQA
Спецификация
теста
QA
Результаты
теста

37. Сегменты процессов
 Взгляд бизнеса на производство
ПокраскаТест
Рабочий
3x
8 часов
инспектор
2x
.25 часа
Тип =
Нержав
сталь
Сертифиц
Маляр =
TRUE
Рейка
Сборка
ЩеткиСмешан
ведра

38. Информация - Возможности, Продукт и
Производство
Определения
продукта
График
Производительность
производства
Что доступно, чтобы запустить в производство
Что нужно чтобы сделать продукт
Что и когда сделать
Что было сделано и с какими ресурсами
Product
Time
Возможности

39. Модели возможностей (мощностей)
Product
Time
Возможности
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов

40. Производств
система
Материальная
система
Производство
Определения на продукт
Production Rules
e.g.
10 Speed Bicycle
Bill Of Resources
e.g. 10 Speed Bicycle
Bill Of Materials
e.g. 10 Speed Bicycle
Product
Segments
Frame : 1
Wheels : 2
Chain : 1
Seat : 1
Handlebars :1
Brake Pads : 4
...
Manufacturing
Bill
Frame
Assembly
Frame
Type
Final
Assembly
Seat
Height
Color
Paint

41. График производства
Определение
продукта
График
производства
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов

42. Производительность производства
Продукт
График
Производительность
производства
Люди
Материалы
Оборудование
Сегменты процессов

43. Production
Capability
Capability
Property
Resource
Capability
Production
Capability
What resources
are available
Production
Performance
Production
Response
Segment
Response
Actual
Property
Resource
Actual
Production
Information
What was
made & used
Production
Request
Segment
Requirement
Requirement
Property
Resource
Requirement
Production
Scheduling
What is it to be
made & used
Production
Schedule
Production
Rule
Product
Segment
Specification
Property
Resource
Specification
Product
Definition
What must be defined
to make a product
Process
Segment
Segment
Property
Resource
Segment
Capability
Process
Specification
What can be done
with the resources
Four Models & Segment Resources

44. ISA 95.00.02 : Отношения с разделом 1
Attribute
Name
Description Examples
ID A unique identification of a specific piece of
equipment, within the scope of the information
exchanged (Production Capability, Production
Schedule, Production Performance, …)
The ID is used in other parts of the model when
the equipment must be identified, such as the
production capability for this person, or a
production response identifying the equipment.
R7726
Reactor 101
Lathe machine 33
Description Additional information about the equipment.
dISA95.02
Атрибуты
оборудования
ISA95.01
Модель
оборудования

45. Функции 3-го уровня - ISA 95.00.03
Мощности
производства
Управление
ресурсами
Управление
архивами
Выполнение
операций
Диспетч-ция
производства
Отслеживание
производства
Производительность
производства
Детальный
Произв-ный
график
Планирование
производства
Анализ
процессов
Анализ
производства
(QA) Анализ
продуктов
Управление
продуктами
Определения
продукта
АСУ
Мониторинг
процессов
Ручные
операции

46. ISA 88 : Modular control

47. 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

48. Automation Challenge
Ideal automation
S88
Capability
Flexibility
Complexity
Manual
Operation
Traditional
Automation
Darin Flemming
Lou Pillai

49. The Powerful Tyrex…
 Big brain
 Centralized design
 OK for steady / slow changing
environment
 Shortcomings
 Agility
 Availability
 Refer to first computerized systems

50. …vs Stupid Bird
 Limited intelligence
 Mostly decentralized design
 Local decision making at feather
level
 Cope well with unexpected
situations
 Inherently adaptative structure

51. chirping
Eating
Love.
Walking
Flying
From Goal to Labor
I know
What/How
To do
Forecasting,
Planning
And Scheduling
Elementary
Equipment
Control
Process
Control
Definition
Equipment
Functional
Capabilities
The Goal:

52. Scheduling hierarchy
MES systems
SCADA systems
Process
Control
ISA 88
IEC 61512
OPC
IEC 61131
IEC 61499
Equipment
Control
IEC 61158
Fieldbus
« Intelligent »
Device
Business system
ISA 95

53. Product Processing / Equipment Control
• How to make
the product…
•… using
available
services?
Process
Control
ISA 88.00.02
(PFC)
Production
schedule
R&D
IEC 60848
IEC 61131
IEC 61499
IEC 61508
IEC61158
Equipment
Control
•How to provide
the expected
services…
• … taking care of
safety ?
Equipment
allocation
ISA 88

54. ISA 88 Physical Model
Process Cell
Must contain
May contain
May contain
May contain
May contain
Unit
Equipment Module
Control Module
Enterprise
May contain
May contain
May contain
Site
Area
Equipment

55. Equipment Entities -An Object Approach
Physical
Equipment
Instruments
Basic control
Coordination control
Procedural control
Equipment
Control
Equipment
Entities

56. Example of physical modeling
Process Cell
Unit Unit
EMEM EM
CM
EM
CM
CMCM CM CM

57. Example of control modules
CM2
D4
D3CM1
CM3
CM4
D1
D2
D5
PID PID
PID
HIC HIC

58. Why Control Modules
Treating as a control module simplifies
the interface to this group of objects
FC
FO
Pump
Circulate
Pump to
Process
Stop
Shutdown
Commands
Circulating
Pumping
to Process
Stopped
Shutdown
Status

59. Recipe/Equipment Control Separation
Procedure
Unit
Procedure
Operation
Phase
is an
ordered set of[Must Always Exist]
Control Recipe
Procedure
Equipment
Control
is an
ordered set of
is an
ordered set of
Recipe
Procedure
Equipment
Phase

60. Recipe/Equipment Control Separation
- Typical
Recipe Unit
Procedure
Operation
Phase
is an
ordered set of
Control Recipe
Procedure
is an
ordered set of
is an
ordered set of
Recipe
Procedure
Equipment
Phase
References
Recipe
Recipe
Equipment
Control

61. Recipe/Equipment Control Separation -
Alternate 3
Control Recipe
Procedure
Recipe
Procedure
Equipment
Phase
References
Equipment
Operation
is an
ordered set of
Equip. Unit
Procedure
is an
ordered set of
is an
ordered set of
Equipment
Procedure
Equipment
Control

62. 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
Recipe
Phase
Equipment
Phase
Phase
Interface
Logic

63. Phase Interface Logic
Parameters Requests
StatesCommands State
Machine

64. Phase Object
Start
Hold
Pause
Resume
Restart
Abort
Stop
Reset
Run
Held
Paused
Stopped
Aborted
Completed
Idle
Parameters
Control
Steps
Control
Action
Status
Running
Aborting
Holding
Pausing
Stopping Data
Collection
Requirements
Data
Restarting

65. Example Procedural Element States
Hold
Start
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)

66. Exception Handling In Control Actions
Console
Control
Inputs to Control Action Logic:
- Set manual mode
- Command from operator's
console
Field I/O
Exception Logic
Phase
Logic
Control Module/Control
Action State/Mode
Control
Action
Process
Interlock
Safety
Interlock
Exception Logic
Inhibit manual override
(Interlock from phase logic),
Also sent to console to inhibit
choice 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

67. Reaction
Preparation
Tank
A, B or C
Reactor
1 or 2
operator input
= OK to start
S1
S1
T1 T1
Reaction
Preparation
Tank
A, B or C
Reactor
1 or 2
operator input
= OK to start
S1
S1
T1
Sample
OK
T1
Initialize
Charge
Transfer to
Reactor
Sample
Initialize
Receive
from Prep.
React
Transfer to
Storage
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

68. THANK YOU

69. 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 1997
2) 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 1998
5) 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