Norme ANSI/ISA-88 : Organisation « avancée » du Contrôle de Processus
Jean Vieille
Consultant
ISA SP88
4, rue des Ecrivains
BP46
67061 Strasbourg cedex
06 11 62 52 61
jean-vieille@isa-france.org
Mots Clés
ISA, WBF, FBF, S88, PFC, PPC, B2M, batch, processus, procédé, flexibilité, robustesse, conception objet
Résumé
Le "Contrôle avancé" s'intéresse en premier lieu à l'algorithmique de base permettant d'améliorer les comportements des dispositifs de contrôle automatique. Il s'agit de compenser les perturbations et d'obtenir les valeurs des paramètres physico-chimiques souhaitées en termes qualitatif et financier dans un environnement donné.
Par contre, lorsqu'il s'agit de mettre en oeuvre un système dont les perturbations ne sont plus seulement d'ordre physico-chimique, mais également organisationnelles et économiques jusqu'à remettre en cause les équipements, les méthodes et les résultats des processus de fabrication, on doit s'intéresser à la façon même de concevoir le système dans son ensemble.
Le contrôle Batch est considéré comme complexe par rapport aux autres stratégies de production (continue, discrète) parce qu'il pose ces problèmes de façon habituelle.
L'explosion des technologies de communication force les entreprises à plus de flexibilité et de réactivité dans toutes leurs composantes. Le contrôle de processus est en première ligne pour le pilotage de la production (MES - Manufacturing Execution Systems) et le support cohérent des échanges B2M (Business-to-Manufacturing) avec la chaîne logistique.
La norme ANSI/ISA-88 propose des concepts efficaces pour l'organisation fonctionnelle des applications en vue d'atteindre un degré de robustesse qui permette l'adaptation continuelle des systèmes soumis à ces contraintes.
Contrôle Avancé et hiérarchie décisionnelle
A tous les niveaux de l’entreprise, la prise de décision est un élément déterminant de la performance du système face à ses objectifs.
Lorsque l’on parle de Contrôle Avancé, on pense généralement aux dispositifs d’asservissement d’une grandeur réglée à l’aide d’algorithmes sophistiqués.
Le cahier des charges peut par exemple spécifier le respect du profil de monté en température du réacteur à +/- 0,5°C, le maintien du niveau de la chaudière à +/- 50mm pour des variations de débit vapeur de 30 T/H…
Il s’agit d’un niveau décisionnel situé à un niveau élémentaire dans la hiérarchie, en prise directe avec le modèle comportemental d’un équipement déterminé.
On peut représenter la hiérarchie décisionnelle de l’entreprise sur la figure ci-dessous :
Figure 1 : Hiérarchie décisionnelle et optimisation
Au 1er niveau, le contrôle local du système de production ou son télé-contrôle est assuré par l’opérateur.
L’optimisation à ce niveau concerne l’efficacité des rapports entre l’homme et l’équipement, le cas échéant à travers le système de contrôle.
L’ergonomie est invoquée pour optimiser ce niveau décisionnel
Le 2ème niveau concerne l’automatisme de base, dit « réactif ». On parle d’asservissements pour désigner aussi bien les verrouillages de sécurité discrets que les boucles de régulation.
L’optimisation à ce niveau fait précisément l’objet du contrôle avancé au sens commun. Il s’agit généralement de faire mieux qu’une simple boucle PID en élaborant des stratégies mathématiques capables de contrôler les évolutions du processus dans les limites fixées par les exigences qualitatives et économiques du produit à fabriquer.
Le 3ème niveau concerne l’automatisme « fonctionnel » visant à exprimer des services de l’équipement ayant un sens pour les processus, par exemple : séquence d’allumage d’un brûleur, monté en température d’un réacteur, rabotage d’un chevron à une section déterminée.
L’optimisation consiste ici à organiser les services fonctionnels de l’installation de façon la rendre « robuste » vis-à-vis des perturbations organisationnelles et logistiques : réponse aux modifications du processus et des équipements, inter-verrouillage des fonctionnalités exclusives.
Le 4ème niveau concerne le contrôle de processus qui va permettre d’élaborer le produit : Cycle de fonctionnement d’une chaudière, exécution du processus de fabrication d’un polymère, d’un montant d’huisserie.
L’optimisation permettra de choisir les équipements alternatifs en fonction de leur disponibilité ou de leurs caractéristiques. Elle repose également sur l’organisation fonctionnelle en accord avec les services équipement précédents.
Ces 2 points seront développés ici.
Le 5ème niveau correspond au pilotage de la fabrication, : enchaînement des ordres de fabrication, choix des équipements à utiliser, réaction aux incidents (arrêts machines, qualité, indisponibilité du personnel ou des matières).
L’optimisation de l’activité d’ordonnancement met en œuvre des solutions de planification à capacité finie qui calcule un compromis de programmation pour toutes les ressources de l’atelier, à supposer qu’elles soient facilement mobilisables grâce à une bonne aptitude des niveaux 3 et 4.
Le dernier niveau de pilotage opérationnel et stratégique de l’entreprise peut être décomposé à l’intérieur de l’entreprise et selon la place quelle occupe dans la chaîne logistique : quels produits doivent être fabriqués, à quelle date, par quelle usine, atelier, sous-traitant ; quels nouveaux produits lancer, quelle relations stratégiques développer…
L’optimisation du pilotage de l’entreprise met en œuvre de nombreuses solutions : Manufacturing Resources Planning, Advanced Planning Scheduler, Prévisions de vente, Supply Chain Management/Execution, Customer Relationship Management…
Nous nous intéresserons ici exclusivement aux niveaux 3 et 4 couverts par la norme ANSI/ISA-88.
Processus Batchs
On distingue généralement 3 types de processus de fabrication :
Processus Continus (distillation, production d’énergie, laminage…)
Processus Discrets (usinage, assemblage de connecteurs, de bicyclettes, d’avions…)
Processus Batchs ou Discontinus (Polymérisation, fermentation, biscuiterie…)
La norme ANSI/ISA-88définit les processus batchs comme suit :
Les processus batchs conduisent à la production de quantités finies de matières (batchs) en soumettant des quantités de matières entrantes à une suite définie d'actions de traitement à l'aide d'un ou plusieurs équipements. Le produit résultant d'un processus batch est appelé un batch. Les processus batch sont des processus discontinus. Les processus batch ne sont ni discrets, ni continus; cependant, ils possèdent les caractéristiques de ces deux processus
.
Seuls le contrôle des processus batch a fait l’objet d’une action normative (en dehors des réseaux, de la sécurité et des langages de programmation). La raison tient dans la problématique particulière de ces processus :
Une prédominance des états transitoires inhérents à la nature séquentielle de ces processus. On rencontre d’ailleurs fréquemment des régulations « avancées » sur ces installations pour améliorer les comportements dynamiques largement sollicités
Les états successifs du processus participent activement pour la plupart à l’élaboration du produit. Ce n’est pas le cas dans les processus continus dans lesquels une seule étape « Production » assure la spécification du produit à l’inverse des autres étapes sans valeur ajoutée (démarrage, arrêt).
Le même équipement peut jouer plusieurs rôles, y compris pour un batch donné. Un réacteur peut servir de mélangeur, puis de réacteur, et enfin de stockage à différents stades de la fabrication. Dans les processus continus, la continuité du flux interdit de faire des boucles, alors que les temps de réglages suggèrent d’éviter l’utilisation multiple des équipements dans les processus discrets.
La même installation peut exécuter des processus différents. C’est souvent la raison même des cellules de production batch que de pouvoir être facilement adaptées et reconfigurées. En effet, en terme de productivité, un processus discontinu est toujours moins efficace qu’un processus continu.
Mais en y regardant de plus près, tous les processus peuvent présenter de telles contraintes, même si les processus batch sont les « cumulards » du groupe. De plus, la classification batch d’un processus n’est pas toujours évidente.
Si la norme ANSI/ISA-88 a été développée spécifiquement pour les processus batch, ses concepts sont généralisables dans une large mesure : la menuiserie nous servira à illustrer les contraintes de la flexibilité dans les sections suivantes.
Exemples de processus
A travers ces exemples, nous allons illustrer les difficultés que doit surmonter le système de contrôle pour ne pas entraver la flexibilité inhérente du système de production tout en assurant une exploitation sûre.
Cas N°1 : Plusieurs produits sont fabriqués avec les mêmes équipements
Figure 2 : Plusieurs produits fabriqués avec les même équipements
Le premier processus « Huisserie » utilise les 5 machines de l’atelier. 3 machines sont utilisées plusieurs fois (2 passes de rabotage et de toupillage, 3 passes de ponçage)
Le second processus « Parquet lames courtes » n’utilise pas la tenonneuse.
Dans chaque cas, les réglages et l’outillage sont différents.
Le système de contrôle devra enchaîner les différentes opérations sur les machines adéquates avec les bons paramètres pour chacun des processus.
Cas N°2 : Ressources alternatives
Figure 3 : Ressources alternatives
Le processus huisserie peut être exécuté en utilisant les ressources adéquates en fonction de leurs caractéristiques et de leur disponibilité. Dans ce cas, les passes successives de rabotage et de toupillage sont effectuées sur des machines différentes afin d’augmenter la cadence ; 2 passes de ponçage sont effectuées sur la même machine, la dernière sur une autre machine. Toute combinaison valable doit pouvoir être exploitée pour tirer partie au mieux des ressources de l’atelier.
Le système de contrôle doit être capable pour chaque opération de permettre la sélection par le planificateur et même l’opérateur de toute machine convenable pour un même processus.
Cas N°3 : Fabrications simultanées
Figure 4 : Fabrications simultanées
3 processus se déroulent simultanément dans l’atelier :
Des montants d’huisserie sur le chemin DEG-1, RAB-1, RAB-2, TOUP-3, TOUP-4, TEN-4, PONC-2 et PONC-3
Des montants d’huisserie sur le chemin DEG-3, RAB-3, TOUP-2, TEN-1, PONC-1
Des lames de parquet sur le chemin DEG-4, RAB-4, TOUP-1, PONC-2
Le même processus pour les huisseries est exécuté simultanément sur deux trains de machines. L’opération de ponçage est exécutée sur 1 ou 2 machines selon les cas.
La ponceuse N° 2 sera utilisée par 2 processus indépendants, et son utilisation pourra faire l’objet d’un arbitrage en cas de conflit.
Les transferts entre postes de travail pourront générer des encombrements aux croisements des cheminements des produits.
Le système de contrôle devra prévenir les collisions pendant les transferts et permettre l’attente des produits devant la machine déjà occupée par un autre ordre de fabrication.
Cas N°4 : Modification de l’équipement
Figure 5 : Modification de l'équipement
Une nouvelle machine est installée. La raboteuse 4 face est capable de traiter le dégauchissage, les 2 passes de rabotage et les 2 passes de toupillage en une seule opération.
Un nouveau processus de fabrication des montants d’huisserie peut être développé en utilisant les services plus complets de cette machine.
Le système de contrôle doit permettre d’intégrer les nouveaux services fonctionnels offerts par cette machine, ainsi que de définir les nouveaux processus de fabrication tirant partie de ce nouvel équipement sans remettre en cause d’intégrité du système en place (problème de la Validation en pharmacie)
Cas N°5 : Produits complexes
Figure 6 : Produits complexes
Les procédés précédents produisent des pièces simples. On a à présent affaire à un produit complexe, c’est-à-dire composé de plusieurs sous-ensembles assemblés. Un bloc-porte est un ensemble pré-assemblé d’une porte et de son huisserie prêt à poser. L’huisserie se compose de 2 montants et d’une traverse. La fabrication de la porte n’est pas détaillée.
Pour définir ce produit, il faut spécifier les sous-ensembles nécessaires et la façon de les assembler.
A titre d’exemple, la spécification des montants est complètement définie par la section la caractéristique des feuillures, l’état de surface souhaité –la longueur est supposée standard).
Par contre, nous savons que notre atelier dispose de 2 processus différents pour les fabriquer.
Cas N°6 : l’entreprise virtuelle
Figure 7 : Entreprise virtuelle
Le produit complexe précédent peut être mis en œuvre par un processus collaboratif faisant intervenir plusieurs entreprises interagissant dans une chaîne logistique (Supply Chain). Chacune assume un rôle qu’elle peut déléguer à une autre entreprise de façon à optimiser ses opérations propres tout en respectant les contraintes logistiques et qualitatives de l’ensemble de la chaîne vues du client final.
Le contrôle de processus face à la flexibilité
A travers ces exemples, on peut relever quelques-une des contraintes imposées au système de contrôle en charge du contrôle de processus :
Utilisation d’un même équipement pour des usages différents
Utilisation de différents équipements pour une même fonctionnalité
Gestion des conflits d’utilisation des équipements
Gestion des conflits de cheminement des produits à travers l’atelier
Modification fiable des équipements existants,
Ajout simple de nouveaux équipements
Création de nouveaux processus sans modification du contrôle de processus
Distribution des opérations avec des processus locaux différents
Ces contraintes sont toutes issue d’un même objectif : la FLEXIBILITE.
La flexibilité est la capacité du système à s’adapter aux évolutions du contexte (produits, équipements, logistique) sans modification. Elle est en cela très semblable à la robustesse d’un régulateur auto-adaptatif.
On conçoit qu’une méthodologie appropriée doive être mise en œuvre pour répondre à ces contraintes.
Figure 8 : Contrôle de processus idéal
La figure illustre le défit du contrôle de processus confronté à la flexibilité. On considère 3 axes :
La « capabilité » du contrôle de processus est sa capacité à exécuter des services plus ou moins sophistiqués jusqu’à l’exécution entièrement automatique de la fabrication
Un défaut de capabilité interdira de prendre en compte certains processus.
La flexibilité du contrôle de processus est sa capacité à tirer parti des ressources disponibles du système de production sans re-programmation, sa robustesse. D’une façon générale, un système d’information ne permet jamais de tirer davantage de services que ce que les équipements correctement pilotés (manuellement ou par tout autre moyen) peuvent fournir. Il agit donc toujours comme un frein à la flexibilité et tend asymptotiquement vers une flexibilité maximale déterminée par les ressources disponibles elles-mêmes.
Un défaut de flexibilité interdira l’utilisation optimale des ressources, diminuera la productivité de l’atelier et augmentera le temps de mise en production des nouveaux produits.
La complexité du contrôle de processus peut s’exprimer subjectivement par la difficulté à intervenir dans l’application ou objectivement par la taille du programme, le temps moyen d’apprentissage pour sa maintenance, le temps moyen de dépannage…
Une trop grande complexité pèsera à la fois sur les dépenses opérationnelles pour la maintenance du système, sur l’investissement par la difficulté à construire et qualifier le système et sur la capacité de production par l’allongement des temps d’immobilisation.
A présent, considérons 3 situations :
Le système de production est piloté manuellement, le système de contrôle n’assure pas de rôle décisionnel actif. Il est donc pour ainsi dire inexistant :
La capabilité du système d’information est nulle, puisqu’il est virtuellement inexistant
La flexibilité est totale, puisque le système d’information n’induit aucune contrainte par son absence
La complexité est nulle
Système de contrôle parfait :
La capabilité est totale, toutes les fonctionnalités utiles sont exprimées
La flexibilité est totale, le système peut se prêter à toutes les configurations possibles sans restreindre les possibilités inhérentes au système de production
La complexité est nulle, ce qui représente le seul point irréaliste de cette vision.
Conception classique du système de contrôle :
La complexité croît avec la capabilité et la flexibilité
La flexibilité est rarement à la hauteur des exigences
L’objectif de la norme ANSI/ISA-88 est justement de rapprocher les caractéristiques du système d’information de la situation idéale (2)
La réponse ANSI/ISA-88
Il ne s’agit pas ici de présenter la norme mais de faire ressortir quelques-un de ses aspects face à la problématique énoncée ci-dessus.
Modèles et Terminologie
La norme repose sur des modèles et une terminologie qui facilitent la communication et la spécification et permettent de supporter ses concepts. Les modèles Physiques (Physical Model) et fonctionnels (Process Model, Procedural Model) sont en relation mutuelle :
Figure 9 : Modèles physiques et fonctionnels
Le modèle physique permet une modélisation des équipements disponibles au sein d’une hiérarchie dans laquelle certains niveaux sont fortement typés. La notion d’Entité d’Equipement associe l’élément physique simple (Control module) ou composés (tous les autres niveaux) avec le contrôle de processus correspondant sous trois angles :
contrôle de base (asservissements, régulations, combinatoires élémentaires, contrôle des instruments, commandes directes…)
Contrôle procédural exprimant les services de l’équipement orientés processus (phases, opérations, procédures d’unité, procédure d’Equipement
Contrôle de coordination assurant la communication entre les différents modules (propagation des modes et états, allocation des ressources, supervision des états…)
Le modèle procédural définit la hiérarchie fonctionnelle pour spécifier :
le déroulement opératoire pour l’exécution du processus
Le niveau et la consolidation fonctionnels au sein de l’équipement lui-même, capable de fournir des services élémentaires (phases équipement) et complexes (opérations, procédures d’unité, procédures complète)
Le modèle Procédé définit le procédé générique de fabrication, indépendant des ressources effectivement utilisées. C’est la transformation de ce modèle vers le modèle procédural qui permet le pilotage de macro-ressources à partir d’un niveau supérieur de la chaîne logistique (voir cas N°6)
Ces modèles doivent permettre une modélisation physique et fonctionnelle efficace : le découplage des aspects procédé (générique), processus (applicable à des ressources déterminées) et physique est la clé de la flexibilité par l’évolution indépendante qu’elle autorise à chacun des domaines.
De plus la norme est elle-même « flexible », autorisant des altérations des modèles (extensions, réductions) pour couvrir tous les besoins potentiels
Figure 10 : Modèles des activités
Le modèle des activités précise la mise en oeuvre opérationnelle du contrôle de processus (gestion des processus, supervision des Unités, contrôle de processus) dans l’environnement documentaire (gestion des recettes), logistique (Planification et ordonnancement) et informationnel (Gestion de l’information de production).
Concepts
3 concepts sont à la base de la norme :
Conception objet
Elle est garante de la fiabilité et de la simplicité du système. C’est un élément majeur de réduction du coût de possession du système sur l’ensemble du cycle de vie.
Figure 11 : conception objet
Chaque module physique ou fonctionnel peut utiliser des automates d’états pour clarifier les méthodes des objets. Chaque sous-ensemble d’automatisme est ainsi extrêmement simple, et le confinement du code dans un état comportemental exclusif induit un fonctionnement très sûr.
Figure 12 : Automate d'état d'une phase
Séparation du contrôle de processus et de l’automatisme des équipements
En découplant les cycles de vie sous les angles des ressources et des processus, on obtient le degré de flexibilité requis pour prendre en compte les évolutions à ces 2 niveaux.
La figure ci-dessous montre la répartition du modèle procédural entre la recette (contrôle du processus) et l’automatisme d’équipement.
La plus grande flexibilité vis-à-vis de la conception des processus est obtenue lorsque le modèle procédural est implanté en totalité du coté de la recette, le mapping se produisant au niveau de la phase.
Figure 13 : Séparation Contrôle de Processus / Contrôle de l'Equipement
Grâce à ce découplage on peut représenter l’interaction des cycles de vie du système de production comme sur la figure ci-dessous :
Figure 14 : cycles de vie du système de production
L’ingénierie des ressources (construction de l’usine, des ateliers, des machines), l’ingénierie produit (R&D, industrialisation, création des recettes) et l’exécution de la production sont gérés par 3 types de cycles de vies asynchrones avec des périodes très variables. La norme autorise un découplage efficace permettant à chaque cycle de se développer sans être perturbé par les autres tout en s'y appuyant. L’équipement est vu sous ses 2 angles physique (Entités d’équipement) et fonctionnel (éléments procéduraux d’équipement). Le programme de production (schedule) s’appuie sur la recette (mode opératoire) et les entités d’équipement (ressources), la recette et les entités d’équipement établissent des liens de communication l’intermédiaire des éléments procéduraux d’équipement (fonctionnalités)
Séparation du Procédé et du processus
Le procédé définit de façon indépendante des équipements la méthode d’élaboration du produit. Le processus écrit par la recette s’appuie sur les équipements. L’un est la réponse opérationnelle à la spécification de l’autre. Dans le cas de notre huisserie, le procédé définira la matière, le profil, la finition attendus, alors que le processus décrira les opérations nécessaires selon que l’atelier dispose de telles ou telles machines (raboteuse simple ou 4 faces par exemple). Dans la chaîne logistique, l’information de procédé sera suffisante pour piloter des ressources de production différentes, mais capable de répondre aux spécifications.
Cette notion rejoint le concept Process / Product segment de la norme ANSI/ISA-95.
Langages
La responsabilité de la définition des procédés et des processus incombe à l’ingénieur procédé. Les langages classiques de l’automaticien ne sont pas satisfaisants pour le besoin ni le public visés.
La norme propose 2 langages pour la définition des recettes : le Procedural Function Chart (PFC) de la partie 2 de la norme pour les recettes exécutables sur la cellule de processus correspondant au modèle procédural et le Process Procedure Chart (PPC) de la future partie 3 pour les recettes de spécification correspondantes au modèle Procédé.
Figure 15 : Procedural Function Chart (PFC)
Figure 16 : Process Procedure Chart (PPC)
Comité ISA SP88
L’ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society est une association internationale qui couvre tous les domaines de l’automatique et du contrôle de processus. Son département Normalisation est très actif avec une centaine de normes ou recommandations publiées. Le comité SP88 lancé en 1988 est en charge de la norme ANSI/ISA-88 « Batch Control ». La situation des travaux est la suivante (juillet 2002):
Partie 1 – ANSI/ISA-88.00.01 (modèles et terminologie)
Publiée par l’ISA en 1995, par l’IEC (IEC 61512-1)en 1997
Partie 2 – ANSI/ISA-88.00.02 (Structures de données et langage PFC)
Publiée par l’ISA et l’IEC (IEC 61512-2)en 2001
Partie 3 – ANSI/ISA-88.00.03
En cours de développement, principalement sur les sujets suivants :
« General Recipe » : la recette de spécification s’appuyant sur le modèle procédé. Elle définit entre autres le langage PPC.
Batch Record Specification : structures de données pour l’enregistrement de l’information de production (en conformité avec 21CFRpart 11)
Autres travaux
Le World Batch Forum a été créé pour promouvoir le contrôle batch et particulièrement la norme ANSI/ISA-88.
Il anime 2 groupes de travail sur des sujets périphériques à la norme :
Traduction des modèles de données ANSI/ISA-88.00.02 et ANSI/ISA-95.00.02 en schemas XML
Développement de l’analyse des flux « Flow Analysis »
Ce dernier groupe de travail est commun avec un groupe du French Batch Forum. Issu des méthodes ASTRID (RP) et DeltaNodes (JMR Conseils), il développe la modélisation des entités physique simple (Control Module) en précisant les notions de la norme de façon à assurer une sécurité fonctionnelle directement au niveau des actionneurs.
Figure 17 : Sécurité des flux
Cette approche originale permet de garantir l’absence de collisions ou de contamination en surveillant au niveau de chaque actionneur les conditions physico-chimico-sanitaires.
Conclusion
Ce bref survol de la norme ANSI/ISA-88 montre quelques aspects en rapport avec la problématique des contraintes imposées par la flexibilité des installations de production.
En adressant le problème de la flexibilité, ses objectifs de réduction de la complexité et des temps de développement, et de la maîtrise des processus sont largement démontrés par l’usage.
L’approche objet n’est pas originale, mais le cadre de modélisation proposé permet une réelle réutilisabilité des classes d’objets.
La séparation Procédé/Processus/Equipement est la véritable clé de la flexibilité, tant au niveau de l’utilisation optimale des machines que de la planification globale au niveau de la chaîne logistique.
Elle s’applique efficacement à l’ensemble des types de processus qui sont généralement moins contraignants que les ateliers chimiques multi-usages qui lui ont servi de champ d’expérimentation.
L’organisation fonctionnelle des systèmes de contrôle est un élément majeur de la performance de l’entreprise en agissant sur la réactivité du système de production, le raccourcissement des temps de mise en production des nouveaux produits, l’utilisation optimale des ressources à tous les niveaux et la cohérence de la chaîne d’information du capteur au décisionnaire.
Jean Vieille – SP88 – Forum IRA “advantic” 11-12 septembre 2002 V0 : 29/03/2018 Page
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