01 什麼是批次處理系統
批次控制系統按照字面理解可知生產過程是按照一批一批的方式進行的，英文是Batch Control System。中文也是根據這個翻譯過來的。主要應用的行業有製藥行業，食品飲料，精細化工和塗料行業。相信大家都有過買飲料或買藥的經歷，那麼這些商品上面不僅會顯示生產日期，有效期，同時也都會顯示批號的，或者叫批次號，代表是那個批次生產出來的。如果有質量問題也便於產品的追溯和原材料溯源。批號英文一般用lot No.或者Lot Number來表示。
下面拿大家時不時都想喝點的可樂來舉例，有原味的可樂，0卡路里可樂，蘋果味可樂以及我最近剛剛品嚐過的咖啡可樂等等。可以說是多種多樣。那麼針對每一個種類的可樂來講裡面的配料是不同的，咖啡味的需要往可樂里加一定比例咖啡，其他的可樂就不需要。但是水， 二氧化碳，糖以及其他的香精等原材料，但是不同類型的可樂那麼原材料的比例是不一樣。那這個就是配方了。不同類型的產品用不同的配方。同一個產品的配方每次生產就是一個批次，就會有一個批次號。
那麼為了實現這種批次生產而部署的控制系統就是批次控制系統了。
隨著社會進步，大家對新產品的需求變化非常快，尤其是現在大家追求個性，都想有自己唯一的訂製化產品。所以批次生產由之前的大批量少種類逐漸向小批量多種類的方式進行轉變。
批次生產中面對複雜的工藝，種類繁多的原材料，再加上產品種類繁多且多變，這時就會會大量的配方出現，並且還需要不斷的創建，更新和維護。同時還需要有原材料溯源，產品溯源，批次生產報表等等需求，如果仍然採用傳統的PLC控制顯然是不能滿足這種不斷變化的需求的。這時就需要上一套批次控制系統了。
02 批次控制系統標準
批次控制早在1995年美國國家標準協會就發表了批次Batch標準了:ANSI/ISA-88。也就是大家常說的S88標準。
在標準裡定義了幾個標準模型如下：
Physical model 物理模型
在物理模型裡定義了幾個層級上圖所示,具體描述如下：
- Enterprise 企業層 ----商業層面的企業
- site 工廠層 ---企業可能有一個或多個工廠
- Area 區域層---工廠裡可能有多個生產區域上面這三個層級不是批次控制考慮的範疇，但是為了物理模型的完整性，列出來。批次控制系統涉及到的是區域往下的層級。
- Cell車間層---生產區域內可能有多個車間
- Unit單元 -- 在車間裡可能有一個或多個生產單元，比如一個生產缸可以當做一個單元，車間裡多個單元可能還有上下游關係或者並行關係。
- Equipment Module 設備模塊 ---簡稱EM模塊，一個Unit生產缸裡可能會包含一個或者多個EM模塊，甚至EM模塊也可以包含EM模塊。EM模塊又稱之為工藝模塊，相當於執行的是一個工藝動作。
- Control Module 控制模塊--- 簡稱CM模塊，控制模塊，是最基礎的控制單元，如一個閥門，一個泵，一個儀表，一個稱重單元都可以稱之為一個控制模塊。同時一個CM也可以包含其他CM控制模塊。
EM設備模塊再解釋下啊，比如在一個Unit單元生產缸裡有多個工藝動作，比如需要加水，加糖，加香精，攪拌以及QA質量檢測，出料都是工藝動作，這樣每種類型的工藝動作可以作為一個EM設備模塊。如加一定重量的水可以作為一個設備EM模塊，需要控制的控制設備有生產缸進水閥門CM，出水泵CM，稱重的CM以及其他的CM等等。
這樣就不是單純某個設備了，而是根據工藝的要求在一定的步驟開對應的閥門，泵並且計算重量是否達到目標，以及加完後需要計算誤差值以及誤差是否在容許範圍內等等。這就是一個設備模塊EM。
Procedural control 程序控制模型
Procedural control程序控制模塊是以設備控制模塊為導向的控制模塊，也就是以一個個的工藝動作模塊為導向的控制方式。模型如下：
程序模塊模型包含四部分內容：
- Procedure 總程序 ---如做可樂就是一個總程序
- Unit Procedure 單元程序---- 單元程序就是做整個產品裡一些部分的程序
- Operation 操作---在一個單元程序裡可能有一個或多個操作
- Phase 階段---每個操作裡可能需要一個或者多個的工藝動作
配方類型
配方主要分為四個大類：
- General Recipe 總體配方，企業級配方，沒有特定的設備信息只標識是那種產品
- Site Recipe 工廠配方，針對一個特定的工廠的產品配方
- Master recipe 主配方，是會標識到實際調用那個設備的配方
- Control Recipe 控制配置，從主配方中拷貝配方並且實際運行的配方就是控制配置。
Master Recipe主配方
在實際的工廠應用中編輯和修改最多的就是master recipe主配方，每個主配方都包含以下幾個方面：
Recipe Procedure 主配方信息---每個產品包含一個主配方- Recipe Unit Procedure 單元配方---每個主配方里可能會包含多個單元配方
- Recipe Operation 操作配方---每個單元裡可能包含一個或者多個操作配方
- Recipe Phase 單元階段---每個操作配方里可能包含多個階段
下面這個圖應該算是S88裡畢竟精髓的一個圖了，從左邊的流程模塊然後對應為配方模型，最終在通過物理模型進行實現。
物理模型再跟PLC系統進行通訊，完成最終的設備模型控制。所以在PLC裡和批次控制模型裡最基礎的控制單元就是Phase以及對應物理模型裡的設備模塊。
03
批次控制標準
與MES標準裡物理模型對比
MES是Manufacturing Execution System生產執行系統的簡稱，和本文主題相比樓稍微有點歪，但是也有點聯繫，所以就放在一起加深鞏固下S88模型的知識吧。MES系統執行的標準的ANSI/ISA 95標準。他在裡面也定義了很多的模型，這裡僅僅展示和S88批次控制相關的物理模型進行一個說明。
由上圖可見，批次控制的S88標準只是定義了一個批次控制的模型，而S95的標準定義了所有的控制類型除批次控制外，還有其他的連續控制，離散控制。
這裡的第2層可以理解為是SCADA監視層，第一層為PLC控制系統層，第0層為具體的現場設備層。
ISA95標準裡主要是定義第三層裡生產操作&控制的模型，和本文主題不太相關就不做過多闡述。放個圖感興趣的可以自己看下研究下。
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同時在最新章節裡還定義了第四層ERP層與第三層MES的接口部分。
跟S88裡的物理模型圖和對應如下所示
S88裡的企業層，Site工廠層以及Area區域層對應S95標準裡的第四層模型，
S88裡的區域層，車間層和單元層對應S95裡的第三層過程執行和操作層；
S88裡的設備模塊和控制模塊在S95標準裡還是在第2和1層。
04 S88實際應用介紹
通過S88的標準裡定義的模型可以看出Phase作為一個基礎的模型，在程序控制流程，配方類型和物理設備模型裡是最最重要和基礎的一個模塊，他們幾個模型之間都是通過Phase進行串聯起來的。
下面拿在批次控制領域裡領先的解決方案提供商Rockwell羅克韋爾的FactoryTalk Batch軟件來進行一個火鍋底料的生產來舉例。
Batch Equipment Editor 設備編輯器
在FT Batch中首先有一個Equipment Editor設備編輯器，對應S88裡的物理模型，可以進行Area區域編輯，Cell車間編輯，同時車間是可以基於Class類的方式進行。如創建一個火鍋底料的車間類，然後還要創建一個火鍋料區1。
點擊下一級箭頭就可以進入Unit單元的編輯，這裡創建一個guo鍋的單元類，然後右邊實例一口guo1，guo2。如果你有多口鍋就可以多創建幾個即可，非常方便。
Unit再下一級就是EM設備控制模塊，也就是對應配方模型和程序流程模型的Phase。Phase也可以創建為class類，然後在不同的Unit裡直接實例對應的Phase即可。
如上圖在火鍋底料的生產中可能涉及到的EM模塊有
- JIAOBAN 攪拌phase
- GANLANYOU 添加橄欖油phase
- NIUYOU 添加牛油Phase
- SHUI 加水Phase
- JIARE 加熱保持溫度Phase
- SHOUDONG 手動添加香精Phase
- QA 質量檢測Phase
- CHULIAO 出料Phase
- QINGXI 最後清洗Phase
打開任意一個EM模塊如加水1可以看到每個EM模塊裡會包含這個Phase的所有參數和報告屬性。
如SP_WEIGHT是設定添加的重量，而ACT_WEIGHT則是添加完成後實際添加的重量，DIFF_PERCENT是添加的誤差百分數等等參數。同時這些參數會自動在程序中創建。工程師需要做的只是一個同步按鈕操作而已。
程序和批次設備編輯器的同步操作如下，然後選擇更新程序或者更新設備編輯器即可。
批次軟件與PLC的通訊除了直接與AB系列的PLC進行CIP的通訊外，也可以採用OPC的方式與其他的PLC進行通訊。
同時通過設備編輯器可以快速的進行配方編輯器界面，也就是下一個小節介紹的內容。
Batch Recipe Editor 配方編輯器
通過FactoryTalk Batch Recipe Editor批次配方編輯器可以配方，這裡的配方結構與S88裡配方結構是一樣的，這裡定義的就是Master recipe主配方，然後主配方里包含一個或者多個Unit單元配方，單元配方里包含Operation Recipe操作程序配方，最後在操作配方里會包含多個Phase塊。和之前在設備編輯器裡定義的類是一樣的，如shui--加水的Phase，NIUYOU---添加牛油Phase等等。
在配方編輯器裡不僅可以順序執行，還可以用並行執行和條件選擇執行。
主配方的header頭部信息，用於定義產品名稱和描述，以及其他的一些描述信息。
FactoryTalk Batch View
通過FT Batch View軟件可以監視創建批次生產，控制和監視批次生產狀態。
可以通過右邊的+號創建批次生產，然後選擇具體的配方，點擊OK即可。
如下圖使用biantaila的配方創建了一個biantaila_20200829的批次生產，選擇用GUO1的一號鍋進行生產。批次大小為100%。
可以選擇具體的批次進行批次的控制和監視。可以按照SFC的進行監視，也可以按照Table表的方式進行監視。
批次的運行界面以及其他的控制界面
還可以支持Phase 手動控制以及查看狀態信息。
通過這個軟件除了可以看這些信息外還可以看日誌信息，未確認的提示信息，簽名信息，報警信息等等。
上述的FactoryTalk Batch View軟件裡這些功能均可以通過ActiveX控件的方式嵌入到SCADA上位機中進行顯示和控制。如在Rockwell的SCADA軟件中進行顯示的界面如下：
FT Batch的其他服務
Batch Service Manager 批次服務管理器控制批次服務器以及數據收集服務器，電子流程Web服務器的啟動停止或者暫停。
FT Batch Material Editor軟件提供了對原材料的管理以及儲罐的管理，方便後期原材料的追溯。
FT Batch提供的報表服務可用於批次生產的分析，批次生產統計，批次生產詳情，原材料使用分析以及前向和反向的追溯等等預定義的報表服務。
BatchSystemStatus這個零費用增值軟件可以將批次軟件的批次信息傳送到PLC中進行存儲，處理和使用。
05 S88在程序裡的實現
在設備編輯器裡編輯完成了，同時也同步完畢了，那麼在Batch的設備編輯器裡所有的Equipment Phase都同步到程序裡。同步後處理全部放在規劃的任務裡所示如下:
通過圖可見Batch軟件裡每個Phase都在程序裡對應的有一個Phase類型的程序塊，為了方便調試和維護將不同的Unit放在不同的任務裡。
打開加水1的塊可以看到他的屬性，如Equipment ID：6也是跟batch 設備管理軟件裡是一一對應的。
程序裡shui1的標籤也是跟Batch軟件裡的一一對應的如下圖所示：
在程序裡每個Phase對應一個Equipment Module，然後每個Equipment Module設備模塊根據工藝要求控制一個或者多個Control Module控制模塊。控制模塊控制著具體設備的打開關閉或啟動停止。
06 Phase狀態機模型
相信各位看官也看到了在SHUI1的Phase程序裡有很多的程序段，包括Running,Aborting,Holding等等的程序，那這些也是在S88的標準裡定義好的狀態機模型。通過Studio/RSLogix 5000軟件裡直接集成了Equipment Phase Monitor的功能，可以非常直觀的看到當前Phase所處的狀態。並且還可以獲取權限來手動的控制Phase的執行。
通過上圖的Phase的狀態 機監視以及S88的標準可知：
- 一個Phase控制工藝塊初始的狀態為idle空閒狀態。
- 當在idle空閒狀態有start命令時會進行到Running的運行程序段中，這個是中間運行狀態，
- 沒有其他命令會自動執行到Complete完成狀態。
- Runing程序執行過程中有Hold暫停命令會跳轉去執行Holding的程序段，這也是中間狀態，Hold完成後會跳轉到Held的狀態
- Held之後可以通過Restart重啟命令會去執行Restarting的程序段，恢復完成後繼續返回Runing程序段執行
- Restarting的程序執行中還可以執行Hold暫停命令繼續跳回執行Holding程序，最終回到Held狀態
- 程序Runing運行或Hold過程中有Stop結束命令則會跳轉到stopping的程序段執行停止程序，停止完成後切換到Stopped狀態
- 程序Runing運行或Hold過程中有Abort放棄命令則會跳轉到Aborting的程序段執行放棄程序，放棄完成後切換到Aborted狀態
- 不管是在Complete完成狀態、Stopped狀態還是Aborted狀態都需要通過Rest復位命令執行Resetting程序段，執行完成後返回IDLE的狀態。
- 在Running運行程序段執行時還可以執行pause 暫停命令進行運行過程中暫停，最終為Paused的狀態，然後還可以通過Resume恢復命令繼續返回running的程序執行。
Phase的狀態機模型交叉矩陣表也可以直接參考S88裡的對應表，如下：
