Om bedrijfsprocessen te flexibiliseren, moet de ondersteunende software in mootjes worden gehakt.ISA-88 biedt een leidraad om dit te doen op het niveau van de recepturen, die worden gebruikt in de procesindustrie, de voedingsindustrie en de farmaceutische industrie. 

Een (chemisch) recept beschrijft hoe, en met welke grondstoffen, een product zoals soep of een geneesmiddel wordt gemaakt. ISA-88 brengt een scheiding aan tussen zo'n recept (de orkestratie), en de procesbesturingsprogramma's die de apparatuur aansturen.  Anders gezegd: het kookboek wordt gescheiden van de aansturing van de potten en de pannen. Daarna kunnen eenvoudig recepten worden gemaakt of aangepast, door met een receptuurbeheersysteem de gewenste basisbewerkingen te selecteren. 

De onderstaande artikelen, al meer dan tien jaar geleden geschreven maar toch nog steeds actueel, geven inzicht in wat ISA-88 is, en welke voordelen deze leidraad kan opleveren. In het artikel ISA-88 & ICT-flexibilisering wordt dieper op de materie ingegaan.

Digitale recepten maken productie flexibel
In navolging van stuksgewijs producerende bedrijven ondervindt de procesindustrie dat de markt vraagt om meer productie-flexibiliteit. Om die te creëren moeten receptbeschrijvingen op het ERP/MES-niveau worden gekoppeld aan de uitvoering daarvan door het proces control systeem (PCS). PCS-leveranciers bieden hiervoor speciale batchpakketten conform de ISA-88-standaard, die bovenop hun procesbesturingsystemen kunnen worden geïnstalleerd. Wanneer heb je iets aan dit soort software, en wanneer is het beter om een breed Manufacturing Execution System te implementeren? 

In de (semi-)procesindustrie worden de productieprocessen gestuurd op grond van recepten. Die nemen in de logistieke organisatie dezelfde positie in als materiaallijsten bij stuksgewijze productie. Een recept beschrijft hoe, en met welke grondstoffen, een (chemisch) product wordt gemaakt. En welke apparatuur daarvoor nodig is, bijvoorbeeld een geroerd vat of een droogtrommel.

De in een recept genoemde hoeveelheden gaan uit van de bereiding van een eindige hoeveelheid product, de batch. Daarbij wordt aangegeven wanneer iets moet worden toegevoegd en onder welke condities.  

variabele recepten
Net als in een kookboek eigenlijk. Het belangrijkste verschil is, dat industriële recepten variabel zijn. Op grond van de actuele eigenschappen van de grondstoffen kan een recept worden bijgesteld, om een product van constante kwaliteit te garanderen. Vooral in de voedingsmiddelenindustrie komt dat voor: Naarmate de tomaten zuurder zijn, moet er meer suiker in de tomatensoep.

Bovendien vraagt de markt om productvariatie. Recepten worden bijvoorbeeld tijdelijk aangepast, om seizoensproducten als lentesap of oranjevla te maken.

De nieuwste ontwikkeling is, dat de afnemer rechtstreeks het recept beïnvloedt. Cehave Landbouwbelang, gebruiker van het pakket Inbatch van Wonderware, is bijvoorbeeld van plan om haar veevoer met een smaak op klantspecificatie te gaan leveren.

Concepten als efficiënt consumer response dwingen de fabrikanten bovendien om steeds kleinere batches, steeds sneller te leveren. Om dat te kunnen moeten de productie, en dus ook het receptbeheer, zo flexibel mogelijk worden ingericht.

gemakkelijk gezegd
Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan, want in de procesindustrie omvat de productiebesturing maar liefst drie niveau’s. Namelijk de enterprise resource planning (ERP), het manufacturing execution systeem (MES) en het proces control systeem (PCS).

De 3 niveau’s van productiebesturing in de procesindustrie en de rol van receptuurbeheer en batchpakketten. Een batchpakket verzorgt op het MES-niveau de laatste stadia van receptuurbeheer en de detailscheduling. Recepten worden daarbij vertaald naar aansturingsopdrachten voor de procesbesturing, en de benodigde apparatuur wordt gealloceerd.  Na uitvoering van een recept verzorgt het batchpakket een rapportage.

 
Op elk van de drie niveaus speelt receptbeheer een rol. Sinds de invoering van de ISA-88.01-richtlijn wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen master- en controlrecepten.
Masterrecepten beschrijven globaal welke grondstoffen er nodig zijn voor een product, en worden beheerd op het administratieve ERP en/of MES-niveau.
Het controlrecept is het recept zoals dat uiteindelijk wordt uitgevoerd, dus inclusief eventuele wijzigingen op grond van ingrediënteigenschappen en inclusief de toegewezen apparatuur.
De vertaalslag van master- naar controlrecept vindt plaats op het MES-niveau.

Daarmee ben je er echter nog niet, want voordat zo’n recept kan worden uitgevoerd, moet het procesbesturingsysteem worden voorzien van de juiste parameters.

In de procesindustrie worden de productieprocessen veelal automatisch gestuurd met behulp van procescomputers van een Proces Control Systeem (PCS). In de semi-procesindustrie, waarbij de procesvisualisatie plaatsvindt met SCADA-software, zijn dit PLC’s (Programmable Logic Controllers).  De procesindustrie gebruikt de procescomputers van een zogenaamd Distributed Control Systeem (DCS).

Deze procescomputers besturen pompen, verhittingselementen, kleppen in leidingen etcetera. Vroeger bevatte zo’n procescomputer voor elk recept een bijpassend besturingsprogramma. Dit betekende echter dat als een recept gewijzigd werd, dat dan ook het besturingsprogramma moest worden herschreven!

Om dit probleem te ondervangen hebben de PCS-leveranciers batchpakketten ontwikkeld. Een groot aantal van deze pakketten is afgeleid van dezelfde oorsprong, te weten het pakket OpenBatch van het Amerikaanse Sequencia.

Een batchpakket kan worden beschouwd als een verlengstuk van een PCS, dat zich qua functionaliteit uitstrekt tot binnen de MES-laag.  Het belangrijkste doel is dat het variabele deel van de recepten wordt losgekoppeld van de procesbesturing.  

Vervolgens wordt voor elk mootje het bijbehorende procesbesturingsprogramma in de procescomputer(s) ingevoerd. Dit gebeurt echter zónder aan zo’n receptdeel specifieke parameterwaarden toe te kennen, zoals temperaturen en hoeveelheden.

Is dit allemaal achter de rug, dan kunnen met het batchpakket nieuwe of gewijzigde recepten worden gemaakt, door de juiste mootjes achter elkaar te zetten en deze vlak voor de uitvoering van zo’n recept te voorzien van de benodigde parameters. De grote winst is daarbij, dat de procescomputers niet opnieuw hoeven te worden geprogrammeerd.

Een batchpakket verzorgt dus het laatste stadium van het receptuurbeheer op het MES-niveau, want het vertaalt de control-recepten naar specifieke aansturingsopdrachten voor de procesbesturing.

De derde taak van het batchpakket is rapportage. Aan het eind van iedere batch wordt een rapport teruggestuurd naar het MES-niveau, waarin staat hoe en met welke grondstoffen een product is gemaakt.

Cyril Koop, plant manager bij Byk-Cera, legt uit hoe SattBatch als intermediair optreedt tussen het ERP-pakket Exact en het PCS Sattline. ‘Met behulp van Exact worden de voorraadniveau’s in ons magazijn op peil gehouden. Wordt een order vrijgegeven, dan berekent het ERP-systeem welke grondstoffen daarvoor nodig zijn en deze worden gereserveerd. Vervolgens wordt via een soort e-mail systeem de betreffende lijst met grondstoffen en het bijbehorende batchnummer verzonden naar SattBatch. Dit batchpakket voegt aan de masterreceptuur de juiste temperaturen en reactietijden toe, en verstuurt dit tenslotte als controlrecept naar het PCS. Daarna is de procesapparatuur volledig gereed om met de uitvoering van de batch te beginnen.’

Het enige dat bij Byk-Cera nog puur mensenwerk is, is het ophalen van de gereserveerde grondstoffen uit het magazijn !

Byk-Cera, een producent van was-additieven, maakt een groot aantal productvarianten. Flexibel receptuurbeheer is dus belangrijk. Byk-Cera implementeerde in 1999 Sattbatch van ABB. Dit batchpakket is via een soort e-mail systeem gekoppeld met ERP-software van Exact en vertaalt masterrecepten naar controlrecepten.

Dit is bijvoorbeeld het geval bij Nestlé, vertelt informatiemanager Ger van der Peet. ‘Wij hebben wel flexibele recepturen, maar weinig verschillende routings in onze fabrieken. De functionaliteit van een batchpakket is dan een beetje overkill’.

Net als veel andere multinationals streeft Nestlé naar zo min mogelijk verschillende automatiseringsleveranciers. Op ERP-niveau zal iedere fabriek straks met SAP R/3 gaan werken, dit komt dan in plaats van Nestlé’s eigen Factory Management Systeem.
Lange tijd leek het erop dat Nestlé naast SAP R/3 ook het specifiek op de procesindustrie gerichte pakket Protean zou gaan gebruiken, maar dit is nu definitief van de baan. Op het PCS-niveau zijn er wél twee leveranciers overgebleven, namelijk Intellution en Wonderware.

In april werd besloten dat, in elk geval voor Nestlé Nederland, de MES-laag zal worden ingevuld met het pakket Infolink van This Automation. Ger van der Peet vindt de prijzen van de MES-software wel relatief hoog: ‘Een state-of-the-art oplossing is vrijwel net zo duur als een ERP-pakket. Ik vind dat veel geld voor een softwareproduct, dat in de toekomst misschien overbodig wordt’.

Als je naar het prototype van Nestlé’s MES kijkt ben je geneigd van der Peet gelijk te geven. Dit systeem, dat operationeel is in een Maggi-fabriek te Venray, omvat niet meer dan een database van eigen ontwerp.  Orders, ontvangen op ERP-niveau, worden opgesplitst in een aantal batches die dagelijks samen met de bijbehorende bill-of-materials als controlrecept worden weggeschreven in de MES-database.  In deze database staan ook de setpoints (richtwaarden) zoals mengtijden. Zodra het PCS klaar is met de uitvoering van een batch, kijkt deze software via het ODBC-protocol (Open Database Connectivity) in de MES-database wat het volgende product moet worden. De daarmee corresponderende setpoints worden vervolgens gedownload naar de procescomputers.  Na goedkeuring van de procesoperator kan de volgende batch dan beginnen.

In een batchproces wordt volgens een recept een aantal grondstoffen omgezet in een eindige hoeveelheid product, de batch. Een typisch voorbeeld is het bereiden van soep of het mengen van deeg. Het is daarom geen wonder, dat batchprocessen in de voedingsmiddelenindustrie wijdverbreid zijn.

De bovenstaande figuur laat zien dat deze software direct ‘boven’ het Proces Control Systeem (SCADA of DCS) wordt geïnstalleerd, met als doel om de koppeling te leggen tussen de recepturen en de procesbesturing.  Die procesbesturing wordt vervolgens uitgevoerd door PLC’s of de controllers van een DCS.

Hoewel batchpakketten kunnen worden gerekend tot de Manufacturing Execution Systemen is hun taak vrij specialistisch. Batchsystemen omvatten alleen de eindfasen van receptuurbeheer en scheduling plus een deel van het informatiemanagement, in de vorm van batchrapportage. Voor de volledige ondersteuning van dit soort zaken is een breder opgezet MES nodig.

'Een typische omgeving voor de toepassing is een fabriek vol vaten, pijpen en kleppen, die worden bestuurd via SCADA of DCS’, vervolgt Verhagen. ‘Normaliter zal dan worden gekozen voor het bijpassende batchpakket, zoals wij deden bij de implementatie van een batchpakket van Foxboro in een Diosynth-fabriek voor oestrogeenproductie’.

Lars van Beek van This Automation beaamt dit:  ‘In theorie kan ons pakket iBatch zonder SCADA worden toegepast. In de praktijk wordt het echter vrijwel altijd gebruikt samen met het bijbehorende SCADA-pakket iFix van Intellution’.

Uit het voorgaande moet niet de conclusie worden getrokken dat iedere SCADA en DCS-leverancier zijn eigen batchpakket heeft ontwikkeld. Veel batchpakketten blijken afgeleid van hetzelfde pakket ‘OpenBatch’, oorspronkelijk ontwikkeld door het Amerikaanse Sequentia.

• Er verschillende producten zijn (multi-product)

• Verscheidene batches tegelijk worden uitgevoerd (multiple batch)

• Bewerkingen voor één batch gelijktijdig plaatsvinden (multiple stage) 

• Recepturen niet alleen verschillen qua parameters maar ook in de volgorde en het aantal bewerkingen (multiple procedure)

• De routings die de halffabrikaten afleggen elkaar beïnvloeden, bijvoorbeeld als er meerdere vaten beschikbaar zijn voor één bewerkingstype (network) of als er apparatuur bij de uitvoering van batches moet worden gedeeld (common resources)

Van Beek legt uit hoe een batchpakket helpt de logistiek in goede banen te leiden: ‘Batchsoftware voert niet alleen de recepten uit. Het pakket houdt ook bij welke apparatuur bezet is, en welke apparaten kunnen worden toegewezen aan nieuwe batches. Als de situatie complex is, kan de software dit beter overzien dan een operator. Dankzij een optimaal toewijzingsbeleid van de beschikbare apparatuur, allocatie heet dit, kan de doorlooptijd vaak worden verminderd’.

Batchpakketten ondersteunen daarmee de eindfase van scheduling. Voor een eindige detailplanning is dit echter lang niet voldoende, daarvoor blijft specifieke schedulingssoftware nodig, die boven het batchpakket in de MES-laag wordt geplaatst.

receptuurbeheer
Ook bij het receptuurbeheer komt een batchpakket pas op het laatste moment in actie. Sinds de invoering van de ISA-88 leidraad wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen master- en controlrecepturen. 

Masterrecepturen worden beheerd op het administratieve MES- en/of ERP niveau. Zeker bij voedingsmiddelen wordt zo’n masterrecept vaak bijgesteld op grond van de eigenschappen van de grondstoffen, bijvoorbeeld de vochtigheidsgraad. Zo’n bijgesteld recept vormt het uitgangspunt voor het control-recept (=uit te voeren recept) dat wordt beheerd door het batchpakket. Dit pakket verzorgt, via het onderliggende SCADA of DCS-systeem, de vertaalslag van het control-recept naar specifieke aansturingsopdrachten voor de procesbesturing. Die besturing wordt in de voedingsmiddelenindustrie meestal uitgevoerd via PLC’s.

Controlrecepten voor hetzelfde product verschillen alleen qua parameterinstellingen zoals temperaturen, toe te voegen hoeveelheid suiker etcetera, en qua toe te wijzen apparatuur.  Zijn er meerdere producten, dan kunnen de recepturen ook verschillen qua uit te voeren bewerkingen. Zelfs dan blijven echter grote delen van de recepten hetzelfde, bijvoorbeeld de manier van pasteuriseren.

Het batchpakket koppelt dergelijke verschillen los van de procesbesturing (lees: PLC-programma’s). Terwijl vroeger bij elke receptvariant een apart PLC-programma hoorde, wordt een recept nu uitgevoerd door de juiste programmadelen te kiezen en vervolgens de benodigde parameters te ‘downloaden’ naar de PLC’s.

Van Beek licht toe: ‘Een batchpakket hakt elk recept in kleine mootjes, zoals verhitten, toevoegen etcetera, zonder daaraan specifieke parameterwaarden toe te kennen. Vervolgens worden de daarmee corresponderende PLC-routines éénmalig in de PLC’s geprogrammeerd. Is dit eenmaal gedaan, dan kunnen met het batchpakket nieuwe of gewijzigde recepturen worden gemaakt, door eenvoudig de juiste mootjes achter elkaar te zetten en deze vlak voor de uitvoering van zo’n recept te voorzien van actuele parameters. De grote winst is, dat de PLC’s niet opnieuw hoeven te worden geprogrammeerd’. 

Het creëren van flexibele recepten door ze modulair op te bouwen wordt al minstens 15 jaar toegepast. De leveranciersafhankelijkheid van de geboden oplossingen was echter groot, vanwege het gebrek aan standaardisatie in de ontwerpmethodes. Bovendien stond dit een geautomatiseerde uitwisseling van informatie tussen MES- en besturingsniveau in de weg.

Normen, te ontwikkelen door de International Society for Measurement & Control (ISA), moesten daar verandering in brengen. In 1994 kwam de ISA-norm ISA-88.01 gereed. Inmiddels voldoen alle gangbare batchpakketten aan deze norm. 'Voldoen' is echter een groot woord, want ISA-88.01 is geen ‘compliance’ standaard, maar slechts een richtlijn.

Voorlopig heeft ISA-88 nog niet de ‘openheid’ gebracht die ervan werd verwacht. Het is immers nog steeds gangbaar om SCADA/DCS pakketten en batchsoftware van dezelfde leverancier af te nemen. De integratie van batchsoftware binnen een breder MES verbetert wellicht naarmate de aanvullende leidraden ISA-88.02 en ISA-95 bredere ingang vinden.