如何通过合理配置批次管理解决方案为先进技术铺平道路，并助力制造企业实现数字化转型？
许多数字化工具的核心功能在于整合来自不同系统的数据资源，包括生产控制系统、企业资源计划（ERP）、实验室信息管理系统（LIMS）及计算机化维护管理系统（CMMS）。通过整合多源异构数据，用户得以全景式洞察工厂运营各环节，形成对实际生产状况的精准认知。这种数据聚合形成的“数据湖”，为企业深度应用人工智能（AI）和大数据分析奠定了坚实基础。
图片来源：Hargrove Controls & Automation
借助这些工具用户可高效完成制造过程的异常诊断、物流瓶颈排查、生产需求的实时响应及维护资源的科学调度。其中，制造执行系统（MES）作为连接控制层与ERP系统的桥梁，不仅优化了排产计划、提升了准时交付能力，还可以显著降低成品库存的水平。数字化项目的另一个关键驱动因素是需要让整个组织的用户更容易访问数据。
通过使用可视化工具和通信技术，制造商得以突破终端设备限制，使一线操作人员与后台管理人员均能通过PC端、平板电脑和其他移动设备实时访问关键数据。对于采用批次生产模式的企业而言，需求更为多样性的数据分析，数据结构也更趋复杂。在此背景下，部署成熟的批次管理解决方案，将成为企业充分释放工业4.0价值的关键抓手。
数字化转型为制造商带来了可观的收益。通过重视经过验证的成熟解决方案，并依托前沿技术构建坚实基础，企业得以实现持续改进、业务增长与运营效率的提升。数字化升级的最大回报来自精心设计和运营的核心流程。以批次管理系统为例，其价值不仅体现在技术架构的合理性，更在于通过灵活的基础技术配置帮助企业根据自身需求选择适配的解决方案，从而实现精准的功能匹配与效益最大化。
批次管理系统的优势
批次生产过程的控制需要额外的编程和控制，而非连续生产过程。即使在单个配方中，批次控制也往往需要协调多个连续的操作步骤，其中流程中的每一步都取决于之前步骤的正确完成。
有些过程甚至会包含并行的分支操作和合并操作。当将批次控制系统用于生产多种产品时，就必须对各种配方进行管理，这些配方涵盖了不同的原材料、设备需求，以及生产每种最终产品所需的相关参数设置。此外，还需满足全面的可追溯性文件记录要求，严格遵守国际自动化学会ISA-88 批次控制标准以及良好生产规范（GMP）标准。这些要求进一步提升了过程管理的复杂性。
部署批次管理系统的制造设施通常更为复杂，其过程分析所需的指标体系也同样繁琐。数字化项目的成功实施高度依赖于原始数据的规范化整理和高效可获取性。然而，对于缺乏完善批次管理系统的工厂而言，尽管仍能从数字化转型中获益，但往往需要投入更多的时间和资源，用于数据治理和清理工作。如果用户正在考虑升级控制系统或规划新的生产装置，应该仔细考量批次管理平台的各种选择方案（见图1）。
▲图1：自动化专家在现场验收测试（SAT）期间对人机界面等设备进行验证。
完善的批次管理系统可为用户提供了强大的功能支持，包括周期时间的精确计算、反应阶段原材料转化情况的实时追踪，以及优质批次特征标识的建立。通过数字化工具的辅助，用户不仅可以深入分析生产性能，还能借助AI技术实现预测性分析，并获得有针对性的过程改进建议。
在选择批次控制系统时，必须全面考虑与具体应用场景相关的所有因素，以及工厂未来的发展规划。这不仅涉及生产规模的扩展需求，还包括技术升级的长远目标。尽管市场上存在许多先进的批次控制软件，但最适配的解决方案并非总是技术最复杂的选项。通过对工厂实际需求的深入评估，制造企业可以精准识别并实施最符合自身需求的系统。
ISA-88标准为批次处理系统的设计与控制提供了一种定义明确且条理清晰的方法，被广泛视为行业最佳实践。不管企业是否有合规方面的要求，遵循 ISA-88的设计原则仍然具有重要意义。该标准通过制定标准化的模型、术语和方法，显著提升了批次处理过程的可重复性、最终产品的一致性，同时增强了代码的可复用性，以及系统的可扩展性与适应性。
选择合适的批次控制解决方案
市面上有许多可用的批次控制软件解决方案，这些方案往往包含多个附加功能层级，并且会带来额外的成本。因此，要从中选出能够满足特定生产过程和工厂需求的最佳方案可能并非易事。
批次管理系统的实施可以根据功能划分为不同层级：
第一层：简单序列/轻型批次。这一层级利用内置的基本过程控制系统功能，允许创建和执行顺序逻辑，这对于在批次生产过程中执行各项操作至关重要。根据控制系统平台的不同，批次代码可以使用专用的顺序功能图（SFC）语言编写，也可以使用标准文本、梯形图逻辑或功能块编程来编写。这些序列可能会遵循ISA-88设计原则，也可能不遵循。如果仅需要轻型的顺序控制，这是一个不错的解决方案，因为它通常不需要额外的许可证，并且设计工作量也最小。
第二层：批次管理。这种解决方案通常作为基础控制系统功能的附加产品出售，通常会根据所需的批次单元数量按比例收费。现代平台会遵循ISA-88标准融入结构化的过程控制和配方管理。这种解决方案可能需要在单独的批次服务器上进行额外投资。此类解决方案通常会为运行人员和工程师提供新的专用界面，以便更好地安排批次生产计划、跟踪批次生产情况并对批次生产过程中出现的问题进行故障排查（见图2）。
▲图2：自动化工程师在安装期间检查布线情况。
第三层：高级批次/系列生产管理。高级批次管理在功能上全面覆盖了第二层的所有功能，并进一步扩展以支持多配方、多生产线以及动态设备选择与预留的复杂需求。此外，该层级还引入了系列生产管理功能，使操作员无需手动安排单个批次的生产任务。针对复杂的生产过程或生产设施，高级批次管理通过优化设备利用率和减少批次启动延迟，显著提升工厂的生产效率。这种优化不仅最大限度降低了设备的闲置时间，还有效缩短了整体生产周期。
定制批次管理解决方案的注意事项
由于每个批次生产过程和制造工厂的需求各不相同，软件需求也会随之变化。值得注意的是，满足系统需求并不总是需要最先进的软件解决方案。在某些情况下，一个具有成本效益的定制化方案可能更为合适企业当下的应用需求。一些需要考虑的关键因素包括：
1.配方中的复杂程度。在一个过程中，有许多顺序步骤以及在重新合并为单个步骤之前并行的分支，通常最好使用集成到符合ISA-88标准的批次软件中的功能来处理。
2.控制系统必须运行的配方数量。一个包含多种配方变体的过程可能会从更高级别的软件中受益。不过，根据具体过程的不同，有时可以通过更具成本效益的定制解决方案来满足需求。
3.运营规模。控制涉及多条生产线、并行过程和动态设备分配的生产过程，最好由更高级别的软件来处理。
4.可追溯性要求。中高端软件解决方案通常可以提供更全面的可追溯性功能，并且符合ISA-88标准，包括生成显示详细批次历史信息的电子批次记录。但是，一些更高级别软件的替代方案也可以满足可追溯性要求。
5.正式的ISA-88和GMP合规性。GMP要求提供产品一致性、质量和详细批次历史记录的证明。支持 ISA-88 合规性和文档记录功能的中级或高级软件最能满足这些要求（见图3）。
▲图3：用符合S88标准的结构化顺序功能图（SFC）语言编写的逻辑示例。
6.未来的增长计划/可扩展性要求。如果合适的话，所选软件应能应对因产量增加而导致的更多批次处理的未来计划。
7.与现有控制系统匹配。当选择批次控制软件以在现有设备上运行时，出于兼容性考虑，最好使用基本过程控制系统供应商提供的批次控制软件。然而，可能存在某些情况（如旧有的控制系统平台、混合控制系统环境等），使得这种选择无法实现。在这些情况下，就需要进行仔细的规划和测试。
MES与批次生产过程
一家化工制造商对一个由可编程逻辑控制（PLC）控制的批次生产过程的工厂进行了扩产。作为工作的一部分，他们需要更新现有的MES系统。他们有两个选择：一是采用PLC供应商提供的更高一级的批次配方管理系统软件；二是对现有的定制MES解决方案进行调整和改进。虽然在其内置功能方面，供应商提供的解决方案有一定的优势，但这家化工制造商对该软件的局限性以及每年都要支付的软件订阅费用心存顾虑。
定制的MES解决方案能更好地与ERP平台相连接，并且具备工厂所需的所有配方管理功能。这使从客户下单到产品发货的整个过程的速度得到提升，同时还减少了人工操作。由于批次生产系统的实施设计得很完善，新的MES系统取得了成功。它与批次生产系统相连，能够执行来自ERP系统的订单，并为几十种产品加载配方。
基于这个改进的批次生产解决方案，使得MES能够将ERP系统与批次生产过程连接起来，充当工艺工程师进行配方管理的用户界面，并将生产过程部门和业务部门联系在一起，从而成功实现了产品扩张。通过该解决方案，这家化工制造商增加了动态参数输入这一新功能，将每个批次阶段的最大参数数量从22个增加到63个，并开发了14个配方管理显示界面。
可视化与批次过程分析
另一家制造商曾因对自身生产过程的可视性和洞察力不足而受到限制。过程分析仅限于控制系统人机界面（HMI）上所呈现的各种趋势数据，以及通过手动导出或记录在日志表上的数据。与此同时，公司的员工们越来越习惯使用 Power BI 和网页浏览器界面来获取其它业务数据。
他们的数字化工作还侧重于将数据从控制系统中提取出来，并导入到更易于访问的数据仓库中。一旦数据进入数据仓库，生产过程数据就可以提供给公司内的任何人，甚至可以推送到云端实施进一步分析。他们还能够将数据推送到生产车间的关键绩效指标显示屏上，以便运行人员能够更好地跟踪生产过程，并实时做出明智的决策。
选择最合适的批次控制软件解决方案，需要仔细考虑当前和未来特定应用的各项要求，然后，可以实施AI和数字化工具以进一步优化生产性能。基础技术与先进解决方案相结合能够实现高效、可靠且可扩展的生产运营，满足生产过程的独特需求，并释放最先进的工业4.0工具所带来的优势。
