ISA-95 (IEC 62264) là gì: năm cấp, hoạt động MOM cấp 3, phân cấp thiết bị và tích hợp ERP – MES

ISA-95 là gì

ANSI/ISA-95, bản quốc tế là IEC 62264, là bộ tiêu chuẩn về tích hợp hệ thống kinh doanh và hậu cần của doanh nghiệp với hệ thống điều khiển sản xuất. ISA bắt đầu soạn từ giữa thập niên 1990, và phần 1 được phê duyệt tháng 5/2000, do ủy ban ISA SP95 soạn. Báo cáo kỹ thuật của Yokogawa nêu mục tiêu của ủy ban là giảm rủi ro, chi phí và sai sót khi xây dựng giao diện giữa chức năng kinh doanh và chức năng sản xuất; Wikipedia bổ sung mục tiêu thống nhất thuật ngữ làm nền cho trao đổi giữa nhà cung cấp và nhà sản xuất.

Yokogawa gọi ISA-95 là một mô hình logic, ở mức cao, để tổ chức việc trao đổi dữ liệu. Tiêu chuẩn mang tính trừu tượng: OPC 10030 của OPC Foundation ghi rõ ISA-95 không kèm cách hiện thực nào, nên không quy định phần mềm nào phải làm việc gì, và B2MML của MESA là một cách hiện thực nó.

Các cấp từ đâu ra: mô hình Purdue

Phần 1 dẫn mô hình tham chiếu Purdue cho sản xuất tích hợp máy tính (Purdue Reference Model for CIM); Wikipedia mô tả cùng các cấp này dưới tên Purdue Enterprise Reference Architecture (PERA), do Theodore J. Williams và liên minh công nghiệp – Đại học Purdue xây dựng vào thập niên 1990. OPC 10030 mô tả ISA-95 gồm năm cấp hoạt động, từ quá trình vật lý ở cấp 0 tới kế hoạch kinh doanh ở cấp 4. Cũng các cấp này là điểm xuất phát của phần lớn sơ đồ mạng và an ninh nhà máy; bài về IEC 62443 cho thấy kiến trúc an ninh gom chúng thành zone và conduit ra sao.

Năm cấp và nhịp thời gian

Mỗi cấp hiểu "thời gian thực" theo cách riêng. OPC 10030 mô tả thông tin cấp 3 có sẵn vài giây sau sự kiện dưới xưởng, còn cấp 4 cần thông tin hậu cần và vật tư theo ngày hoặc trong vài giờ sau khi hết ca. ISA-95 chủ yếu bàn về trao đổi giữa cấp 3 và cấp 4, và giữa các hệ trong cấp 3.

Các tài liệu xếp thiết bị khác nhau. OPC 10030 đặt PLC và DCS ở cấp 2 và xếp SCADA vào các hệ hỗ trợ cấp 3, trong khi phần mô tả mô hình Purdue trên Wikipedia đặt DCS, HMI và SCADA ở cấp 2, và một hình trong hướng dẫn thiết kế an ninh của Rockwell (CPwE) ghi bộ điều khiển ở cấp 1. Nhịp thời gian cấp 3 cũng hơi khác giữa các nguồn (Wikipedia ghi từ giây đến ca). Với công việc tích hợp, điều quan trọng là hệ thống làm hoạt động gì, không phải con số cấp ghi bên cạnh.

Các phần của tiêu chuẩn

ISA liệt kê tám phần. Năm ban hành theo isa.org; Wikipedia vẫn ghi bản 2010 của phần 1.

Phần 1, 2 và 3 là bản IEC chấp nhận (IEC 62264-1, -2, -3, mỗi bản ghi "Mod"). Theo mô tả của Yokogawa, phần 1, 2 và 5 định nghĩa việc trao đổi dữ liệu sản xuất giữa hệ kinh doanh và hệ nhà máy, còn phần 3 và 4 bao các chức năng MES điển hình và thêm trao đổi dữ liệu bảo trì, kho và chất lượng.

Cấp 3: quản lý vận hành sản xuất

Phần 3 mô hình hóa các hoạt động nằm giữa kế hoạch cấp 4 và điều khiển cấp 2, và phần giới thiệu ghi rằng chúng áp dụng bất kể nhà máy tự động hóa tới mức nào. Các hoạt động được chia thành bốn nhóm, mỗi nhóm điều phối, chỉ đạo và theo dõi phần việc của mình:

• Vận hành sản xuất: làm ra sản phẩm bằng tài nguyên sẵn có, gồm cả điều khiển theo quy trình như chạy công thức.
• Vận hành bảo trì: chăm sóc thiết bị, dụng cụ và tài sản liên quan.
• Vận hành chất lượng: thử nghiệm, đo và báo cáo chất lượng, gồm cả công việc phòng thí nghiệm.
• Vận hành kho: chuyển vật tư trong và giữa các work center, cùng vị trí và trạng thái vật tư.

Mục lục bản 2013 mô tả mỗi nhóm bằng cùng một bộ hoạt động: quản lý định nghĩa (definition management), quản lý tài nguyên (resource management), lập lịch chi tiết (detailed scheduling), điều độ (dispatching), quản lý thực hiện (execution management), thu thập dữ liệu (data collection), theo dõi (tracking) và phân tích hiệu quả (performance analysis). Charlie Gifford mô tả dòng chảy: lịch từ phía kinh doanh dẫn tới lập lịch chi tiết, tạo ra lệnh công việc; lệnh được điều độ xuống work center và work unit, được thực hiện và theo dõi, rồi dữ liệu đi vào phân tích hiệu quả. Quản lý định nghĩa giữ công thức, quy trình, định mức vật tư (BOM) và routing; quản lý tài nguyên báo năng lực hiện tại và sắp tới ngược về bộ phận lập kế hoạch kinh doanh.

Trong thực tế, ma trận này là một bảng kiểm: với từng ô, hôm nay hệ thống nào — hay người nào với bảng tính nào — đang làm việc đó?

Phân cấp thiết bị

ISA-95 gọi tên thiết bị theo vai trò của nó trong sản xuất. OPC 10030 liệt kê các cấp:

• Doanh nghiệp (enterprise), cấp trên cùng, gồm các địa điểm;
• Địa điểm (site), nhóm theo vật lý, địa lý hoặc logic do doanh nghiệp đặt;
• Khu vực (area), nhóm do địa điểm đặt, chứa các work center;
• Work center: process cell (batch), production unit (liên tục), production line (rời rạc), storage zone (vùng kho);
• Work unit, mọi phần tử dưới một work center và là cấp thấp nhất thường được cấp 3 lập lịch: ví dụ unit, work cell hay storage unit;
• dưới nữa là equipment module và control module theo định nghĩa của ISA-88 / IEC 61512-1.

OPC 10030 định nghĩa process cell và unit theo IEC 61512-1, cùng thuật ngữ dùng trong các dự án điều khiển batch. Tài liệu này cũng tách thiết bị (equipment), mô tả một vai trò, khỏi tài sản vật lý (physical asset), nhận diện bằng số serial kèm hãng và model. Vị trí cái bơm trong phân cấp và cái bơm có số serial đang lắp ở đó là hai đối tượng khác nhau.

ERP và MES: cái gì đi qua ranh giới

Báo cáo kỹ thuật của Yokogawa chia thông tin trao đổi giữa hệ kinh doanh và hệ sản xuất thành các nhóm sau:

• Thông tin tài nguyên: nhân sự, thiết bị, vật tư và process segment;
• Định nghĩa sản phẩm: những gì phải định nghĩa để làm ra một sản phẩm;
• Năng lực sản xuất: tài nguyên nào đang sẵn sàng;
• Lịch sản xuất: làm gì và dùng gì;
• Kết quả sản xuất (production performance): thực tế đã làm gì và đã dùng gì (hình trong báo cáo gọi là production response).

Cũng báo cáo đó gọi hai luồng là được dùng nhiều nhất: tải lịch sản xuất từ ERP xuống MES, và đưa kết quả sản xuất từ MES lên ERP. Gifford bổ sung luồng năng lực đi ngược lên: quản lý tài nguyên báo cho bộ phận lập kế hoạch kinh doanh những gì cấp 3 có thể sản xuất.

B2MML là một bản hiện thực ISA-95 bằng XML, có thêm schema JSON từ phiên bản 7. B2MML do World Batch Forum tạo ra đầu tiên, nay do Ủy ban XML của MESA International duy trì. Phiên bản 7, công bố tháng 11/2020, hỗ trợ bản 2018/19 của ISA-95 và IEC 62264, gồm cả các schema BatchML, và được dùng miễn phí bản quyền nếu ghi công MESA. OPC 10030 ánh xạ ISA-95 sang OPC UA và bám theo cách ánh xạ của B2MML khi có thể.

Áp dụng trong một dự án nhà máy

• Vẽ ranh giới cấp 3 / cấp 4 trước. Lập danh sách giao diện: mỗi thông điệp, đối tượng ISA-95 tương ứng, chiều đi, điều kiện kích hoạt, tần suất và hệ thống giữ bản gốc của dữ liệu.
• Phân việc cho từng hệ. Điền ma trận của phần 3 bằng các hệ thống thật, và quyết sớm lập lịch chi tiết nằm ở đâu: ERP, một công cụ lập lịch riêng hay MES. Bản 2013 của phần 3 có một phụ lục về ranh giới kỹ thuật và ranh giới trách nhiệm.
• Khớp nhịp thời gian. Gửi lên ERP kết quả đã tổng hợp theo lệnh hoặc theo ca, không gửi giá trị tag thô.
• Chốt mô hình thiết bị sớm. Dùng một quy tắc đặt tên chung cho tag PLC, điểm historian và đối tượng MES. Tài liệu mô hình sản xuất của Sepasoft (gồm cả enterprise, site, area, process cell, unit, line, cell, storage zone và storage unit) khuyên đặt tên đúng ngay từ đầu, vì đổi tên sẽ tạo ra phần tử mới và dữ liệu trước đó không còn gắn với nó.
• Đặt historian và MES ở cấp 3. OPC 10030 xếp historian, điều khiển batch, quản lý công thức và SCADA vào các hệ cấp 3. Sổ tay người dùng của Sepasoft có riêng một phần tổng quan ISA-95 và mô tả các đối tượng MES bằng thuật ngữ ISA-95 như segment, definition, request và response. MES trên Ignition dùng module Sepasoft có ở trang MES; historian có ở trang SCADA và historian.
• Để ý mạng. Máy chủ giao diện trong báo cáo Yokogawa được thiết kế để chạy trong vùng DMZ có tường lửa giữa hai miền; xem bài về IEC 62443 về IDMZ.
• Làm rõ "tuân thủ ISA-95". Hỏi rõ phần nào, đối tượng nào, phiên bản B2MML nào và giao dịch nào.