Login                    Nieuwsbrief  |   Agenda   |   Vacatures   |   Forum   |   Advies   |   Adverteer   |   Zoek
Hoe flexibel is ISA-88?
Bron: Procesverbeteren.nl
Software: Lean ICT
ISA-88: Modulaire & flexibele fabriek
Door Dr Ir Jaap van Ede, hoofdredacteur procesverbeteren.nl. De eerste versie verscheen in PT Industrieel Management (aug. 2006)


ISA-88 flexibiliseert de automatisering van batchprocessen, de procesbesturing wordt daartoe opgesplitst in kleine herbruikbare bouwstenen.  Vaak wordt echter vergeten dat ISA-88 naast een besturingsmodel ook een fysiek model omvat, waardoor het mogelijk is om ook de procesapparatuur zélf op te splitsen.

Pas je ISA-88 op die manier toe, dan wordt de modulaire fabriek werkelijkheid. Een fabriek waarin niet alleen de procesbesturing flexibel is, maar waarin je ook alle apparatuur onafhankelijk van elkaar kunt ontwerpen en plug and play vervangen!  KSE, Novo Nordisk Engineering en Unilever vertellen over hun ervaringen.



Wij automatiseren de batchgewijze productie van poedervormige producten, zoals diervoeders, aldus Peter Noten, bedrijfsleider bij KSE Protech BV in Bladel. 

KSE kan daarbij de benodigde weeg- en doseermachines leveren, maar het staat de klant vrij om zelf de apparatuurleveranciers te selecteren.Iedere productielijn die KSE bouwt bestaat daardoor uit andere machines, die diversiteit betekent een extra uitdaging.

Noten: ‘Mengmachines van verschillende fabrikanten verschillen namelijk in de manier waarop ze worden bestuurd. Daardoor moeten wij voor iedere klant een batchbesturing op maat ontwerpen.’

Serie flexibele & modulaire bedrijfssoftware

Door continu en stapsgewijs de bedrijfsprocessen te verbeteren via methodes zoals Lean Manufacturing, Six Sigma en Total Productive Maintenance moeten bedrijven efficiënter en slagvaardiger worden. Bedrijfsprocessen continu verbeteren, snel nieuwe producten ontwikkelen, en wendbaar reageren op marktveranderingen lukt echter alleen, als de bedrijfssoftware voldoende flexibel is.

Op het werkvloer- , het tussen- en het businessniveau zijn daarom verschillende flexibele ICT-oplossingen en data-modellen ontwikkeld:
  • Voor het werkvloer-niveau:   ISA-88
  • Voor het tussen-niveau:  ISA-95
  • Het business-niveau:  SOA (Service Oriented Architecture)
In een serie artikelen verkende procesverbeteren.nl, in samenwerking met het blad PT Industrieel Management, de grenzen van de bovenstaande ICT-architecturen, onder meer door deze langs een meetlat voor flexibiliteit te leggen.

Wat zijn de mogelijkheden en de beperkingen, en voor welke typen bedrijven zijn de ICT-architecturen geschikt?

In dit artikel worden de grenzen van ISA-88 verkend


Tot het einde van de jaren negentig werden de batchbesturingen op traditionele wijze gebouwd, dus met Programmable Logic Controllers (PLC’s) voor de aansturing van de weeg-, meng- en doseerinstallaties, en daarboven PC’s met software voor supervisory control and data acquisition (SCADA). In die jaren kon KSE maar heel weinig eerder ontwikkeldebesturingsoplossingen opnieuw gebruiken.

Minder programmaregels
‘Later zijn we gaan zoeken naar methodes om onze batchbesturingen modulair op te gaan zetten. De belangrijkste wens daarbij was, om per project zo min mogelijk nieuwe programmaregels te hoeven schrijven. Dat levert tijdwinst op, het werkt kwaliteitsverhogend en je hoeft ook minder te testen.’

In eerste instantie werd gekeken naar een zogenaamd ‘batchpakket’, conform de ISA-88 leidraad. Dergelijke batchpakketten splitsen de besturingsprogramma’s op in generiek toepasbare basisbewerkingen zoals mengen of doseren.  Batchrecepten kunnen daarna op een flexibele manier worden gedefinieerd, door de juiste basisbewerkingen te selecteren en achter elkaar te plaatsen.

Flexibel besturingsontwerp
‘Je besturing wordt daardoor flexibel, je kunt gemakkelijk recepten wijzigen. Ons ging dat echter niet ver genoeg, want wij wilden óók flexibiliteit in de machinekeuze.'

"Om dat voor elkaar te krijgen, moet je de besturingsprogramma’s in nog veel kleinere brokjes opsplitsen, op equipment-niveau. Pas dan vallen je batchbesturingsprogramma’s namelijk uitéén in generieke componenten, waarmee je een besturing voor een doseer- of mengunit van willekeurig fabrikaat kunt opbouwen.’

De traditionele batchsoftware, afgeleid van Openbatch van Sequencia, stond zo’n vérgaande opsplitsing niet toe. Daarom werd gekozen voor het ontwikkelplatform OA Enterprise van Object Automation. ‘Daarmee kun je vrijelijk modulaire besturingen ontwerpen. Zelfs PLC’s heb je niet meer nodig, want OA Enterprise omvat ook een softPLC component. Dat houdt in dat je PLC-besturingen kunt laten uitvoeren door een industriële PC.’

Bij het gebruik van OA Enterprise werd gekozen voor vrijheid in gebondenheid. ‘We wilden zo veel mogelijk vasthouden aan de ISA-88 norm. En dat kon gemakkelijk, want ISA-88 geeft richtlijnen om besturingsprogramma’s verder op te splitsen dan de batchpakketten doen. Het gebruik van ISA-88 zorgt dus voor structuur, waardoor onze projectontwikkelaars beter kunnen samenwerken. Bovendien zijn veel van onze klanten bekend met ISA-88.

ISA-88: wat & waarom

Wat:    Door de International Society for Measurement & Control (ISA) werd in 1988 een comité gevormd dat richtlijnen ontwikkelt voor de flexibilisering van batchgewijze productie. Het belangrijkste resultaat was ISA-88.01, geïntroduceerd in 1994.
Synoniemen voor deze leidraad zijn S88, S88.01, ANSI/ISA-88.01 en  IEC 61512.1.
Later volgden aanvullingen: ISA-88.02 t/m ISA-88.04.

Waarom:    Een (chemisch) recept beschrijft hoe, en met welke grondstoffen en apparatuur, een product zoals soep of een geneesmiddel wordt gemaakt. In de chemische, de farmaceutische en de voedingsmiddelenindustrie moet echter steeds vaker van recept worden gewisseld, want afnemers bestellen steeds kleinere hoeveelheden en ze willen die bestellingen steeds sneller uitgeleverd hebben. Bovendien komen er steeds meer seizoensproducten en klant-specifieke bestellingen. Daardoor ontstond er behoefte aan een procesbesturing, waarmee je op een flexibele manier verschillende recepten zou kunnen maken en aanpassen.

ISA-88 biedt een leidraad om zo’n systeem te bouwen, gebruik makend van het feit dat recepten slechts varianten zijn op een aantal basisbewerkingen. ISA-88 splitst de recepten namelijk op in steeds kleinere stukken, totdat er een bibliotheek ontstaat van herbruikbare basisbewerkingen.

ISA-88 is van origine ontwikkeld voor batchprocessen, processen dus waar stoffen ingaan en na enige tijd weer uitgaan. Een zeer groot aantal industriële bewerkingen voldoet echter aan die beschrijving, denk bijvoorbeeld aan het transporteren van grondstoffen of aan het verpakken van producten. Bovendien omvat ISA-88 naast het besturingsmodel ook een fysiek model, zodat naast de automatisering ook de procesapparatuur kan worden opgesplitst in onafhankelijk van elkaar functionerende componenten.

ISA-88 kan daarom worden gebruikt om fabrieken te ontwerpen waarin de procesbesturing flexibel is, en waarbij je alle apparatuur onafhankelijk van elkaar kunt ontwerpen en plug and play vervangen.

Zie ook: ISA-88 scheidt receptbeschrijvingen en procesbesturing (introductie ISA-88)


Bibliotheek
Om bekend te worden met de ISA-88-leidraad volgden maar liefst 50 medewerkers van KSE een cursus bij The Whole Picture (TWP). De invoering begon daarna, met het opzetten van een bibliotheek met daarin kleine en herbruikbare besturingsmodules.
ISA-88 schrijft voor dat die besturingsbibliotheek wordt gekoppeld aan een receptbeheersysteem. Afhankelijk van het gekozen recept activeert dat overkoepelende systeem dan besturingsmodules naar keuze.

In het geval van KSE bleek het echter niet slim, om zonder meer voor die opzet te kiezen. Peter Noten: ‘Onze besturingsbibliotheek bevat modules voor de aansturing van verschillende machines, dus daar zitten dan ook apparaten bij die een klant niet eens heeft.’

Daarom werd er voor gekozen om het ISA-88-systeem in twee lagen op te bouwen.
Het onderste niveau bestaat uit de bibliotheek met daarin de kleinste besturingsmodules. ‘Die bibliotheek gebruiken wij alleen intern. Tijdens een project bouwen we daarmee grotere besturingsmodules op, die passen bij de apparatuur van een specifieke klant. Op die manier bouwen we een tweede bibliotheek op. Alleen die tweede besturingsbibliotheek leveren we aan de klant, en die koppelen we daarbij aan het meegeleverde receptuurbeheersysteem.’

Zoals eerder vermeld is dat systeem ontwikkeld met OA Enterprise. Een voordeel van dat systeem is, dat bij elke besturingsmodule een bijpassend grafisch element kan worden ontworpen. SCADA-software wordt daardoor overbodig. ‘Alle grafische elementen die je in een bepaald project gebruikt, vormen tezamen het visualisatieysteem. Het zijn meteen levende plaatjes, die bijvoorbeeld de status van een weegschaal of menger weergeven.’

Volgens Noten kan ISA-88 veel breder worden toegepast, dan alleen voor typische batchprocessen zoals het bereiden van soep. ‘Een batchproces is niets meer of minder dan een proces van een bepaalde duur, waar stoffen in en uitgaan. Ook het verplaatsen van producten naar een silo of het vullen van vrachtwagen kun je zo beschrijven. Het wordt pas moeilijk als je continu een bepaalde bewerking uitvoert.’

Door het gebruik van OA Enterprise in combinatie met ISA-88 kan KSE de batchbesturingen nu veel sneller ontwerpen dan voorheen. ‘In het begin hebben we veel tijd moeten investeren om de softwarebibliotheken op te bouwen, maar inmiddels plukken we daarvan de vruchten. Bij elk nieuw project kijken we nu eerst, welke besturingsmodules we daarvoor al in huis hebben. Alleen wat nodig is ontwikkelen we op maat’, besluit Noten.

Unilever verpakkingslijn
Fabrieken moeten steeds flexibeler produceren. Batches worden steeds kleiner, en de levenscyclus korter (foto Unilever)


Novo Nordisk

Novo Nordisk Engineering (NNE) is een ander voorbeeld van een bedrijf dat ISA-88 gebruikt om het ontwerpen en bouwen van procesinstallaties te versnellen.

‘Ook in ons geval gaat het niet alleen om de automatisering’, aldus Niels Haxthausen, directeur sales en marketing bij NNE. ‘Wij bouwen complete fabrieken, in opdracht van farmaceutische bedrijven. In verband met de octrooirechten willen zij nieuwe geneesmiddelen zo snel mogelijk op de markt brengen, en daar spelen wij op in.’

NNE ontwerpt de benodigde installaties op basis van units, die onafhankelijk van elkaar complete processtappen uitvoeren.
Bij het ontwerpen geldt het adagium: a unit owns the batch.
‘Dankzij die modulaire aanpak kunnen wij een fabriek nu in 12 maanden ontwerpen en bouwen. En we kunnen daarmee zelfs al beginnen, als een geneesmiddel nog niet volledig is uitontwikkeld.’

Haxthausen was persoonlijk betrokken bij de ontwikkeling van de ISA-88-leidraad. ‘Het procedurele model van ISA-88 sloot aan op onze wens om de automatisering modulair op te gaan zetten. Dat was echter onvoldoende, want wij wilden ook het ontwerpen van de installaties zélf modulair gaan aanpakken. Daarom heb ik er op gehamerd, dat ISA-88 ook een fysiek model zou gaan omvatten. Op basis van dat fysieke model splitsen we de fabrieksapparatuur nu op in onafhankelijke units. Dergelijke units kun je gelijktijdig ontwerpen, bouwen, testen en valideren, concurrent engineering dus.’

Uiteindelijk bleek het fysieke model van ISA-88 misschien nog wel belangrijker voor NNE dan het procedurele model. ‘Door hergebruik van procesbesturingsprogramma’s houd je meer tijd over voor de echt nieuwe zaken. De grootste tijdwinst bij het bouwen van fabrieken boeken wij echter door concurrent engineering. Het feit dat we een fabriek kunnen opbouwen uit onafhankelijke units is veel belangrijker, dan dat die units keer op keer hetzelfde zijn of identiek worden aangestuurd.’

Gewaagd doel
Haxthausen benadrukt dat versneld ontwerpen alleen lukt, als die werkwijze onderdeel is van de bedrijfscultuur. ‘Een groot en gewaagd doel, zoals in ons geval het bouwen van een hele fabriek in 12 maanden, werkt daarbij goed als katalysator. Onze directeur, Hans Ole Voigt, kwam op dat idee na het lezen van het managementboek Built to last van Jerry Porras en Jim Collins. In dat boek wordt zo’n strategische doelstelling een Big Hairy Audacious Goal genoemd’ 

Het procedurele model van ISA-88 is strikt genomen alleen toepasbaar bij batchprocessen.

Het fysieke model werkt echter altijd.  Haxthausen: ‘De productie van gesteriliseerd water is een voorbeeld van continu proces in de farmaceutische industrie. Aan het procedurele model heb je dan weinig, maar je kunt wel het fysieke model gebruiken om de installatie op te splitsen in units. Hetzelfde geldt voor verpakkingsmachines, ook die kun je goed opsplitsen in onafhankelijk van elkaar werkende modules.’

Unilever
Dat laatste wordt beaamd door Andrew McDonald. Namens Unilever neemt hij deel aan de werkgroep packaging machine language (PackML), binnen de organisatie voor Open Modular Architecture Control (OMAC).

Tot 2001 werkte McDonald bij Unilever Sunlight in Vlaardingen. McDonald: ‘Daar waren we gewend best-of-breed oplossingen te kiezen voor de verschillende units van verpakkingslijnen. Het probleem was echter, dat we vervolgens erg veel tijd nodig hadden om die units te koppelen. Wat wij wilden waren modules die je plug and pack kon installeren.’

Theoretisch biedt het bestaande ISA-88-model voldoende mogelijkheden om dergelijke modules te ontwerpen. ‘In ISA-88-terminologie kun je een verpakkingslijn zien als een process cell, en die kun je dan opbouwen uit onafhankelijke units voor bijvoorbeeld afvullen, schroefdoppen plaatsen, en labelen. De verpakkingsopdrachten die je met de units uitvoert zijn dan de batches.’

Andrew McDonald
Andrew McDonald (Unilever):  "Wij willen machine-units die je plug and pack kunt opnemen in een verpakkingslijn "


ISA-88 bleek onvoldoende aan te sluiten op de huidige praktijk van de machinebouwers. Bovendien bleken de ISA-88-voorschriften onnodig complex voor de aansturing van verpakkingsmachines.

Daarom startte McDonald samen met Fred Putman van Markem, een Amerikaanse producent van labeling-apparatuur, de eerdergenoemde PackML-werkgroep.
‘We zijn begonnen om de gangbare werkwijzen van de machinebouwers in kaart te brengen. Daarna zijn we hun methodes gaan harmoniseren, in de richting van het state-model van ISA-88. Een verpakkingsunit is per definitie namelijk een state-based machine, dus die kun je prima beschrijven met statussen zoals aan, uit, wachten, processing etcetera.’

Toen PackML gereed was, werd gecontroleerd of deze besturingstaal nog voldoende aansloot op de rest van ISA-88. ‘Die controlestap vonden we heel belangrijk, want in feite bestaat een productieorder uit een recept voor de samenstelling van het product, én een recept voor het verpakken daarvan. In het ideale geval wil je een productieorder uit je ERP-systeem in één keer door kunnen sluizen naar zowel je productiestraat als je verpakkingslijn.’

Het meest recente nieuws is, dat er inmiddels een nieuwe werkgroep is gevormd, make-to-pack. Die zal PackML verder gaan formaliseren tot een echte ISA-88 sub-norm, onder het kopje ‘ISA-88.05’.

Pilot
Bij Unilever draaien inmiddels enige verpakkingslijnen die zijn opgezet conform PackML. ‘Het gaat daarbij om een pilot. Het is nog niet mogelijk om plug-and-play units te vervangen.’

Inmiddels begint PackML geleidelijk ingang te vinden binnen de verpakkingswereld. Dit gaat langzaam, want  machinebouwers zijn meestal kleine bedrijven. Vanwege het accent op het gebruik van modulaire (PLC-) software voor de aansturing zijn ook bedrijven zoals Siemens en Rockwell geïnteresseerd. ‘In Europa worden relatief vaak PLC-aansturingen gebruikt, dus daar hebben de machinebouwers wellicht een voorsprong.’

De voordelen van PackML liggen niet alleen bij de eindgebruiker. ‘De machinebouwers kunnen hun verpakkingsmachines assemble-to-order te gaan bouwen, en zo kosten besparen.’

Wordt PackML een succes, dan maakt deze leidraad verpakkingsmachines op twee manieren flexibeler: ‘Ten eerste wordt de besturing veelzijdiger, dus je kunt met één machine meer verschillende soorten verpakkingen maken. En ten tweede kun je gemakkelijker units vervangen. Voor voedingsmiddelenproducenten is flexibiliteit erg belangrijk. Aansprekende verpakkingen zijjn namelijk steeds belangrijker, om de consument te interesseren voor je producten’, besluit McDonald.

De meetlat© voor ICT-flexibiliteit
De ideale bedrijfssoftware heeft, volgens de meetlat van procesverbeteren.nl,
de volgende drie eigenschappen:
  1. Er is een scheiding tussen de beschrijving van de bedrijfsprocessen en de uitvoering
  2. Het uitvoerende deel bestaat uit een bibliotheek van kleine herbruikbare bouwstenen, die op afroep vast omlijnde functies uitvoeren. In het ideale geval is het daarbij mogelijk om softwarebouwstenen van verschillende softwareleveranciers te gebruiken.
  3. Het beschrijvende deel bestaat uit een orkestratiesysteem, waarmee de bovengenoemde bouwstenen steeds opnieuw met elkaar kunnen worden ge(re)combineerd tot bouwwerken, die complete bedrijfsprocessen ondersteunen.

© C.J. van Ede 2006,2007

 

ISA-88 langs deze meetlat

ISA-88 voldoet aan alle drie de kenmerken van flexibele bedrijfssoftware:

ISA-88 langs de flex-meetlat

  1. Scheiding beschrijving en uitvoering:  ISA-88 brengt een scheiding aan tussen de receptbeschrijvingen (het industriële kookboek) en de procesbesturingsprogramma's (de potten en pannen)
  2. Herbruikbare bouwstenen:  Het uitvoerende deel van ISA-88 bestaat uit een softwarebibliotheek met daarin herbruikbare procesbesturingsprogrammaatjes. Die besturingsprogramma’s worden op afroep uitgevoerd door procescomputers, de Programmable Logic Controllers1 (PLC’s). Elk programmaatje zorgt daarbij voor de uitvoering van één bepaalde basisbewerking, zoals doseren of mengen.
  3. Orkestratiesysteem:  Het orkestratiesysteem bestaat uit software voor receptbeheer. Daarmee kunnen recepten worden ontworpen en gewijzigd. In elk recept staat aangegeven welke procesapparatuur nodig is, welke basisbewerkingen achtereenvolgens moeten worden uitgevoerd, en welke procesparameters (mengtijden, roersnelheden, hoeveelheden, temperaturen etcetera) bij die basisbewerkingen horen.




Hulp nodig bij de implementatie van Agile en Lean software?

Verwijzen naar dit artikel op internet?
Gebruik als link: http://www.procesverbeteren.nl/flexibilisering/ISA88/ISA88.php