PAS300DCS系統在SICBatch批量控制中的應用

摘 要 介紹了基于ISA 88批量控制標準的SICBatch批量控制系統以及PAS300 DCS系統的控制方法。給出了SICBatch批量控制系統與PAS300 DCS系統的交互方式和使用方法。通過在某間歇性批量生產鋰離子電解液裝置項目上的實施，驗證了SICBatch系統與PAS300 DCS系統的無縫數據集成，可以滿足配方管理系統和控制系統間數據的可靠、穩定傳遞要求，同時兼顧了系統開放、標準化的數據通信協議標準要求。

關鍵詞 PAS300 DCS系統 SICBatch批量控制系統 ISA 88批量控制標準 鋰電行業

中圖分類號 TP273" "文獻標志碼 B" "文章編號 10003932（2025）02031306

目前，我國大部分鋰電池材料生產企業都采用的是傳統生產模式，但隨著下游企業對電池材料的安全性、穩定性、一致性等要求越來越高，部分電池材料生產企業通過電子化手段對產品的安全性和一致性進行管控，其中Batch批量控制系統是一個主要手段。Batch是處于生產管理層的批量控制軟件，適用于間歇性、批次性比較明顯的精細化工、制藥、食品及化妝品等領域，可實現對配方和批次生產的管理、監控與追溯［1］。

1 SICBatch批量控制系統

重慶川儀自動化股份有限公司（以下簡稱重慶川儀）Batch批量控制系統（即SICBatch批量控制系統）是基于重慶川儀自研PAS300 DCS系統開發的，網絡結構具有可靠、開放的特點，可以滿足客戶對過程控制穩定性與智能化、數字化工廠網絡結構等要求，為實現現代化工廠的管控一體化提供了基礎。SICBatch系統采用層次化、結構化的網絡結構，可以滿足不同工廠、不同生產過程的網絡結構要求。系統組件采用模塊化軟件結構設計，可根據不同用戶的需求靈活配置，并充分考慮網絡的安全性和數據傳輸的可靠性。SICBatch系統與PAS300 DCS系統無縫集成，充分滿足配方管理系統和控制系統間數據的可靠、穩定傳遞要求，同時滿足系統的開放、標準化數據通信協議標準要求。SICBatch系統支持配方管理、版本控制、排產、調度、改單及跳步等功能，從配方量比表到配方組，從簡單順序流程到包含并行、選擇的復雜流程，使用更加靈活多便。SICBatch批量控制系統網絡架構如圖1所示。

SICBatch批量控制系統特性如下：

a. 符合IEC61512標準（即ISA 88批量控制標準）要求；

b. 與PAS300 DCS系統無縫集成；

c. 提供圖形化的、SFC風格的流程組態；

d. 提供主配方的版本管理；

e. 提供生產計劃功能，方便生產管理；

f. 可同時并行運行100個控制配方；

g. 操作和運行情況記錄在日志中，可查詢；

h. 提供過程分析，可對比多個批次間的差異；

i. 自動生成批次報表。

SICBatch批量控制系統開放標準接口，上接MES下連DCS，能夠實現配方及指令的下傳和信息上傳，既是MES層與DCS層的紐帶，也是批量生產控制調度的核心。系統最底層是基礎自動化（DCS+SIS），中間層是批量控制軟件，上層是生產執行系統（MES/ERP）［2］。

2 PAS300 DCS系統

針對鋰電池行業整體解決方案中的DCS系統設備供貨和伴隨服務項目，筆者采用重慶川儀自研PAS300 DCS系統。PAS300 DCS系統具有管理大型聯合裝置的一體化能力。系統在設計時已經充分考慮到大型工廠信息共享與協同工作的需求，其系統結構和系列應用軟件可幫助用戶及時獲得決策信息，協同不同部門的人員工作，減少維護費用，提升生產效率。PAS300 DCS系統具有與OPC等上位信息系統易于進行數據交換的開放接口，能夠充分滿足企業信息系統的各種信息需求。同時，PAS300 DCS系統具備簡潔靈活的系統結構，支持持續的在線系統擴容，從而保護用戶投資。

3 應用案例

3.1 鋰離子電解液生產工藝流程及特點

以某間歇性批量生產鋰離子電解液裝置為研究對象。該裝置以5種原材料、十幾種鋰鹽、三十幾種催化劑之間的混合反應，生產出上百種不同型號、不同配比的產品。其生產工藝基本流程（圖2）如下：生產某種電解液時，原料從原料罐中按照訂單設定比例通過泵打入計量罐進行混合稱重計量，再由計量罐送入攪拌罐中，與鋰鹽、催化劑進行攪拌混合反應，反應完成后輸送至成品罐進行自動灌裝，從而完成一個批次產品的生產。

生產過程中的主要配方控制都集中于計量罐與攪拌罐，因此對其自動化控制要求比較嚴格，同時對稱重、壓力、反應時間及溫度等參數控制都有嚴格要求。生產過程中控制程序相對復雜，采用PAS300 DCS系統與SICBatch批量控制系統相結合的控制方式能夠更加精準、更加便捷地實現控制需求。

3.2 系統設計

項目實施初期，對DCS系統進行設計，包括機柜設計、DCS硬件布置等。本項目DCS系統主要包括2個控制站、1臺工程師站、3臺操作員站、1臺SICBatch批量控制服務器、現場3臺觸摸屏和2個交換機。控制站通過IO卡件采集和控制現場設備信號，控制站控制器采用重慶川儀自研的DPU6410冗余控制器，該控制器具有可在線插拔和雙重網絡冗余功能。工程師站通過工程管理器對工藝流程畫面、用戶管理和控制程序進行組態設計，操作員站通過在線運行軟件對現場數據進行實時監控。觸摸屏通過安裝立柱的形式安裝在計量罐和攪拌罐附近，從而讀取由工程師站下發的配方信息以及讀取現場計量罐和攪拌罐的參數信息，方便操作人員巡檢時查看相關數據并進行記錄。在SICBatch批量控制服務器電腦中對工藝配方進行組態，其中包括搭建物理模型、物料庫、操作庫、配方程序組態、制定生產計劃、選擇參數類型以及對操作進行配點等［3］。

3.3 配方軟件設計

根據現場工藝情況對工藝配方進行解析。由于工藝特殊，將計量罐和攪拌罐統一歸為反應釜，對工藝進行分解，得到的操作工藝配方解析表見表1。

然后在SICBatch客戶端軟件中根據工藝進行配方搭建，步驟如下：

a. 建立物料模型，在配方軟件中定義廠區和車間信息，在車間中創建單元，其中包括原料罐、計量罐和攪拌罐。定義每種物料的行經路徑并約定好其功能碼，路徑是由一系列路徑參數組成的，這些參數一般表示轉料管道上的泵、閥、電動機等設備的編號。與普通操作參數一樣，每個路徑參數都要配置一個相關的點。在執行自動轉料操作時，軟件會根據物料以及轉料目的地的不同，下發相應路徑參數，下位機邏輯可以方便地判斷所需開啟/關閉的設備。例如，某閥門編號為F3310，該閥門是向1號反應釜轉物料A的管道的開關，可以設置一個路徑參數Unit1F3310，設置其值為3310，關聯一個點F3310R1，運行到轉物料A的步驟時，軟件將3310下發到點F3310R1上，控制器邏輯便可根據該值來開啟閥門。

b. 建立配方組態。配方組態包括物料庫和操作庫。物料庫是指所有需要記錄到生產報表中的物料搭建成庫，并把物料庫中的物料綁定至上述單元（罐）中進行對應。根據操作工藝配方解析表（表1）將其操作步驟（計量、壓力控制、轉料、攪拌、加入鋰鹽、加入催化劑、排料灌裝）創建至操作庫中。在操作庫中可對相關參數進行設定，根據實際情況，參數類型可分為輸入（Batch讀取DCS工程測點的參數）、輸出（Batch寫數據到DCS工程測點的參數）、報表輸入（Batch既讀取DCS工程測點，也將讀取到的信息記錄到Batch軟件生成報表內的參數）、報表輸出（Batch既寫數據到DCS工程測點，也將寫入的信息記錄到Batch軟件生成報表內的參數）。

c. 搭建主配方。在主配方編輯中，選擇配方程序項，選中START模塊，點擊“塊（后）”，選中新添加的模塊，再次點擊“塊（后）”，添加兩個新模塊（UP）；選中第1個模塊，點擊“編輯”，在彈出的單元程序頭中輸入名稱“計量”，然后點擊“添加單元”，選擇計量罐，保存關閉對話框，即可將計量罐綁定到混合UP層。攪拌罐的配方設置同理。完成所有UP層的設置后，點擊保存，如圖3所示（括號中的數字均為軟件自動生成數據，為搭建功能塊的先后順序，A1、A2、A3為生產原材料代號）。編輯操作程序（OP層），選中計量模塊，點擊“編輯OP層”。首先點擊“塊（后）”，新增5個新模塊（OP），隨后選中第1個模塊，點擊“編輯”，在彈出的單元程序操作對話框中，填寫名稱“計量罐初始化”，然后點擊“關聯操作”，選擇罐初始化，保存關閉對話框，即可將罐初始化操作綁定到計量罐初始化OP，其余OP設置同理。完成所有OP設置后，點擊保存，如圖4所示。在主配方編輯中，選擇配方量比表項，點擊“顯示所有參數”，在下拉選擇框中選擇“僅顯示需要設置參數”，以方便對參數進行設置。點擊“添加物料”，勾選配方中需要用到的物料。在參數列表中選中勾選的物料相關點的參數，例如加原料A操作的加料設定值，再選擇上方已經添加的物料——原料A，點擊“關聯物料”，將加原料A設定值和原料A物料關聯起來；然后點擊“設置參數值”，設置加原料A的目標量。其余參數的設置方法同理。設置完成后，點擊右上角保存。

d. 創建生產計劃，包括審批生產計劃和分批生產計劃，并根據生產需求進行排單。根據新產品的要求調整單元操作和階段的執行順序以及相互關系，從而完成新配方的生成。

上述操作步驟體現了ISA 88批量控制標準中配方與設備相分離的原則，配方作為程序控制用于規定操作順序，創建配方時不需要掌握設備的內部邏輯，在修改配方時也無需對物理設備的控制邏輯進行重新編程或組態，只需改變程序功能圖中各步之間的鏈接順序或者通過公式改變配方參數即可，有效減小了配方維護的難度，體現了批量控制柔性化的特點。無論控制配方處于何種狀態，都可以生成生產報表。若運行前生成可作為現場領料單，若運行后生成則可查看該控制配方的詳細生產情況。

3.4 DCS程序編寫與運行

生產計劃下發后開始執行生產訂單，程序運行到相應步驟后對應的程序框圖會變為藍色，同時下發該步驟內的相關參數至DCS進行執行。在DCS程序中，擁有固定的功能塊能夠極大地減小編程難度，可采用ST語言、SFC語言和CFC語言相結合的方式進行程序編寫，從而提高編程效率和可讀性。部分固定交互程序語句如下：

4 存在的問題及解決方案

4.1 存在的問題

在該項目實施過程中計量罐只有一臺秤，需要對多種原料進料以及轉料至攪拌罐進行稱重，并將相應數據記錄到生產報表中。

4.2 解決方案

配方組態時定義不同原料為不同的來料路徑，并定義其功能碼，在DCS中同時約定好相同的功能碼，當任務下發后，DCS對計量罐的質量進行記錄，當前原料加料結束后再次記錄，用當前原料加料結束時的計量罐質量減去初始值即可得到當前原料的加料量。同理，轉料時，用初始值減去轉料后的計量罐質量即可得出當前轉料量。

5 總結分析

將PAS300 DCS系統在SICBatch批量控制中的應用情況總結如下：

a. 批量控制中的主要程序由DCS執行，因此在項目執行過程中需要考慮DCS硬件的帶負載能力以及運算能力，在必要時可以考慮增加控制器分多站，從而減小單對控制器的負荷量［1］。

b. 編程過程中以大量的模塊和程序框圖為主，極大地占用了系統內存，對硬件配置也有較高的要求，因此需在DCS系統設計時多加注意，否則會給程序運行的速度帶來很大影響。

c. 由于批量控制主要靠軟件程序來實現，另外在項目實施過程中工程費用在系統費用中占有很大的比重，因此，在項目實施過程中，需要甲方與乙方協商好相關內容，甲方盡可能地為乙方提供完善且準確的工藝流程和相關說明，從而大幅提高乙方的執行效率，減少工程服務時間，降低成本。

6 結束語

在項目執行初期要盡可能掌握工藝，對于較大的項目，需要把設備合理地分配到各個控制站，既能減少站間的通信量，也能降低控制器的負荷，現場用戶通過引進批量控制系統的方式使生產更加靈活、便捷、安全、可靠。SICBatch批量控制系統在多個現場的使用，提高了整個生產線的自動化程度，從而保證了工藝系統的高效、穩定、連續運行。在實際頻繁的配方程序切換過程中，無需進行復雜的程序編譯修改，可以快速適應市場需求，具有一定的推廣應用價值。

參 考 文 獻

［1］ 鄭莉.DCS批量控制在精細化工裝置上的典型應用［J］.醫藥工程設計，2011，32（6）：45-48.

［2］ 袁勇.批量控制在間歇式生產中的典型應用［J］.工業控制計算機，2018，31（6）：19-20；22.

［3］ 譚健.DCS批量控制在生產聚醚中的使用方法與技巧［J］.山東工業技術，2020（4）：116-120.

（收稿日期：2023-11-30，修回日期：2024-12-30）