Prozesssteuerung

Siehe auch: Kontrolltheorie

Eine Industrie Prozesssteuerung in kontinuierliche Produktionsprozesse ist eine Disziplin, die verwendet Industrial Control Systems Um ein Produktionsniveau an Konsistenz, Wirtschaft und Sicherheit zu erreichen, die nicht nur durch die manuelle Kontrolle des Menschen erreicht werden konnten. Es ist in Branchen wie z. B. weit verbreitet Automobil, Bergbau, Bagger-, Ölraffinierung, Zellstoff- und Papierherstellung, chemische Verarbeitung und Stromerzeugungspflanzen.[1]

Es gibt eine breite Palette von Größe, Typ und Komplexität, ermöglicht jedoch eine kleine Anzahl von Operatoren, komplexe Prozesse mit einem hohen Grad an Konsistenz zu verwalten. Die Entwicklung großer industrieller Prozesskontrollsysteme war maßgeblich zur Ermöglichung des Designs großer Volumen- und komplexer Prozesse, die nicht wirtschaftlich oder sicher betrieben werden konnten.[2]

Die Anwendungen können von der Steuerung der Temperatur und des Niveaus eines einzelnen Prozessgefäßes bis hin zu einer vollständigen chemischen Verarbeitungsanlage mit mehreren Tausend reichen Kontrollschleifen.

Geschichte

Frühe Durchbrüche der Prozesskontrolle ereigneten sich am häufigsten in Form von Wassersteuergeräten. Ktesibios von Alexandria wird für die Erfindung von Schwimmerventilen zur Regulierung des Wasserspiegels der Wasseruhren im 3. Jahrhundert v. Chr. Zugeschrieben. Im 1. Jahrhundert n. Chr. Heron von Alexandria Erfunden Sie ein Wasserventil, das dem in modernen Toiletten verwendeten Füllventil ähnlich ist.[3]

Spätere Prozesskontrollen Erfindungen umfassten grundlegende Physikprinzipien. 1620 erfand Cornlis Drebbel einen bimetallischen Thermostat zur Steuerung der Temperatur in einem Ofen. 1681 entdeckte Denis Papin, dass der Druck innerhalb eines Gefäßes reguliert werden konnte, indem Gewichte auf den Gefäßdeckel gelegt wurden.[3] 1745 schuf Edmund Lee den Fantail, um die Windmühleneffizienz zu verbessern. Ein Fantail war eine kleinere Windmühle, die 90 ° der größeren Ventilatoren platzierte, um das Gesicht der Windmühle direkt in den entgegenkommenden Wind aufzurichten.

Mit dem Morgengrauen der industriellen Revolution in den 1760er Jahren zielten die Erfindungen der Prozesssteuerungen darauf ab, menschliche Betreiber durch mechanisierte Prozesse zu ersetzen. 1784 schuf Oliver Evans ein wasserbetriebenes Mehl, das mit Eimern und Schraubenförderern arbeitete. Henry Ford wandte 1910 die gleiche Theorie an, als die Montagelinie erstellt wurde, um die menschliche Intervention im Automobilproduktionsprozess zu verringern.[3]

Für kontinuierlich variable Prozesskontrolle dauerte es erst 1922 ein formelles Kontrollgesetz für das, was wir jetzt nennen, was wir jetzt nennen PID -Kontrolle oder dreifristige Kontrolle wurde zuerst unter Verwendung der theoretischen Analyse entwickelt, durch Russischer Amerikaner Techniker Nicolas Minorsky.[4] Minorsky recherchierte und entworfen automatische Schiffssteuerung für die US -Marine und stützte seine Analyse auf Beobachtungen von a Steuermann. Er stellte fest, dass der Helmsman das Schiff nicht nur auf dem aktuellen Kursfehler, sondern auch auf den vergangenen Fehler sowie auf die aktuelle Änderungsrate lenkte.[5] Dies wurde dann eine mathematische Behandlung von Minorsky erhalten.[6] Sein Ziel war die Stabilität, nicht die allgemeine Kontrolle, was das Problem erheblich vereinfachte. Während die proportionale Kontrolle Stabilität gegen kleine Störungen darstellte, reichte sie nicht aus, um mit einer stetigen Störung umzugehen, insbesondere einen steifen Sturm (aufgrund stationärer Fehler), die das Hinzufügen des integralen Terms erforderten. Schließlich wurde der abgeleitete Begriff hinzugefügt, um die Stabilität und Kontrolle zu verbessern.

Entwicklung moderner Prozesskontrollvorgänge

Ein moderner Kontrollraum, in dem Anlageninformationen und Steuerelemente auf Computergrafikbildschirmen angezeigt werden. Die Betreiber sitzen so, wie sie jeden Teil des Prozesses von ihren Bildschirmen betrachten und steuern können, während sie einen Anlagenüberblick beibehalten.

Die Prozesskontrolle großer Industrieanlagen hat sich in vielen Phasen entwickelt. Zunächst würde die Kontrolle von Panels lokal bis zur Prozessanlage sein. Dies erforderte jedoch eine große Personalressource, um sich um diese verteilten Panels zu kümmern, und es gab keine Gesamtansicht des Prozesses. Die nächste logische Entwicklung war die Übertragung aller Pflanzenmessungen auf einen dauerhaft besetzten zentralen Kontrollraum. Tatsächlich war dies die Zentralisierung aller lokalisierten Panels mit den Vorteilen niedrigerer Mannings und einfacher Übersicht über den Prozess. Oft befanden sich die Controller hinter den Kontrollraumpaneele, und alle automatischen und manuellen Kontrollausgaben wurden in die Anlage zurückgeführt. Während der Bereitstellung eines zentralen Kontrollfokus war diese Anordnung unflexibel, da jede Kontrollschleife über eine eigene Steuerungshardware verfügte und eine kontinuierliche Bedienungsbewegung innerhalb des Kontrollraums erforderlich war, um verschiedene Teile des Prozesses anzuzeigen.

Angesichts der Ankunft elektronischer Prozessoren und grafischer Anzeigen wurde es möglich, diese diskreten Controller durch computergestützte Algorithmen zu ersetzen, die in einem Netzwerk von Eingangs-/Ausgangsregalen mit ihren eigenen Steuerprozessoren gehostet werden. Diese könnten um die Anlage verteilt und mit dem grafischen Display im Kontrollraum oder in den Räumen kommuniziert werden. Das verteilte Kontrollsystem wurde geboren.

Die Einführung von DCSS ermöglichte eine einfache Vernetzung und Neukonfiguration von Anlagenkontrollen wie kaskadierten Schleifen und Verriegelungen sowie eine einfache Vernetzung mit anderen Produktionscomputersystemen. Es ermöglichte eine ausgefeilte Alarmhandhabung, führte die automatische Ereignisprotokollierung ein, beseitigte die Notwendigkeit physischer Rekorde wie Diagrammrekorder, ermöglichte es, die Kontrollregal zu vernetzen und dadurch lokal in der Anlage zur Reduzierung von Verkabelungsläufen zu finden, und lieferte hohe Übersichten über den Anlagenstatus und die Produktion von Anlagen und Produktion Ebenen.

Hierarchie

Funktionsniveaus eines Betriebsregelungsbetriebs.

Das begleitende Diagramm ist ein allgemeines Modell, das funktionelle Fertigungsstufen in einem großen Prozess unter Verwendung von Prozessor und computergestütztem Steuerelement zeigt.

In Bezug auf das Diagramm: Stufe 0 enthält die Feldgeräte wie Durchfluss- und Temperatursensoren (Prozesswertwerte - PV) und endgültige Kontrollelemente (FCE), wie z. Steuerventile; Stufe 1 enthält die industrialisierten Eingangs-/Ausgangsmodule (I/A) und ihre zugehörigen verteilten elektronischen Prozessoren; Stufe 2 enthält die Aufsichtscomputer, die Informationen von Prozessorknoten auf dem System sammeln und die Bedienungssteuerungsbildschirme bereitstellen. Stufe 3 ist die Produktionskontrollstufe, die den Prozess nicht direkt kontrolliert, sich jedoch mit der Überwachung der Produktions- und Überwachungsziele befasst. Level 4 ist die Produktionsplanungsstufe.

Steuermodell

Um das grundlegende Modell für jeden Prozess zu bestimmen, werden die Eingaben und Ausgaben des Systems unterschiedlich definiert als für andere chemische Prozesse.[7] Die Balance -Gleichungen werden eher durch die Steuereingänge und Ausgänge als durch die Materialeingänge definiert. Das Kontrollmodell ist eine Reihe von Gleichungen, die zur Vorhersage des Verhaltens eines Systems verwendet werden, und kann helfen, zu bestimmen, wie die Reaktion auf Änderungen aussehen wird. Die Zustandsvariable (x) ist eine messbare Variable, die ein guter Indikator für den Zustand des Systems ist, z. B. Temperatur (Energiebilanz), Volumen (Massenbilanz) oder Konzentration (Komponentenbilanz). Die Eingangsvariable (U) ist eine angegebene Variable, die üblicherweise die Durchflussraten umfasst.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Eingabe- und Verlassenströme beide als Kontrolleingänge angesehen werden. Der Steuereingang kann als manipuliert, Störung oder unüberwindliche Variable klassifiziert werden. Parameter (P) sind normalerweise eine physikalische Einschränkung und etwas, das für das System festgelegt ist, wie z. B. das Gefäßvolumen oder die Viskosität des Materials. Ausgang (y) ist die Metrik, die zur Bestimmung des Verhaltens des Systems verwendet wird. Die Kontrollleistung kann wie gemessen, nicht gemessen oder nicht überwacht werden.

Typen

Prozesse können als Charge, kontinuierlich oder hybrid charakterisiert werden.[8] Batch -Anwendungen erfordern, dass bestimmte Rohstoffmengen auf bestimmte Dauer auf bestimmte Weise kombiniert werden, um ein Zwischen- oder Endergebnis zu erzeugen. Ein Beispiel ist die Produktion von Klebstoffen und Klebsträgern, die normalerweise die Mischung von Rohstoffen in einem erhitzten Gefäß für einen bestimmten Zeitraum erfordern, um eine Menge Endprodukt zu bilden. Weitere wichtige Beispiele sind die Produktion von Lebensmitteln, Getränken und Medikamenten. Batch -Prozesse werden im Allgemeinen verwendet, um eine relativ niedrige bis mittlere Produktmenge pro Jahr zu produzieren (einige Pfund bis Millionen Pfund).

Ein kontinuierliches physikalisches System wird durch Variablen dargestellt, die rechtzeitig glatt und ununterbrochen sind. Die Kontrolle der Wassertemperatur in einem Heizmantel ist beispielsweise ein Beispiel für eine kontinuierliche Prozesskontrolle. Einige wichtige kontinuierliche Prozesse sind die Produktion von Kraftstoffen, Chemikalien und Kunststoffen. Durch kontinuierliche Herstellungsverfahren werden sehr große Produktmengen pro Jahr (Millionen bis Milliarden Pfund) hergestellt. Solche Kontrollen verwenden Rückmeldung wie in der PID -Controller Ein PID -Controller umfasst proportionale, integrierende und derivative Controller -Funktionen.

Anwendungen mit Elementen aus Charge und kontinuierlicher Prozesssteuerung werden häufig als Hybridanwendungen bezeichnet.

Kontrollschleifen

Beispiel für eine kontinuierliche Flusskontrollschleife. Die Signalübertragung erfolgt durch die Branchenstandard 4-20-Ma-aktuellen Schleifen und eine "intelligente" Ventilpositionierer sorgt für Regelventil arbeitet richtig.

Der grundlegende Baustein eines beliebigen industriellen Kontrollsystems ist die Kontrollschleife, die nur eine Prozessvariable steuert. Ein Beispiel wird im begleitenden Diagramm gezeigt, in dem die Durchflussrate in einem Rohr von einem PID-Controller gesteuert wird, der von einer kaskadierten Schleife in Form eines Ventil-Servo-Controller unterstützt wird, um die korrekte Ventilpositionierung sicherzustellen.

Einige große Systeme haben möglicherweise mehrere Hundert oder Tausende von Kontrollschleifen. In komplexen Prozessen sind die Schleifen interaktiv, so dass der Betrieb einer Schleife den Betrieb eines anderen beeinflussen kann. Das Systemdiagramm zur Darstellung von Kontrollschleifen ist a Rohr- und Instrumentierungsdiagramm.

Häufig verwendete Steuerungssysteme umfassen Programmierbare Steuerung (PLC), Verteiltes Kontrollsystem (DCS) oder Scada.

Beispiel für das Level -Steuerungssystem von a kontinuierlicher Reaktor der gerührten Tank. Die Durchflussregelung in den Tank würde von der Ebene der Ebene kaskadiert.

Ein weiteres Beispiel wird gezeigt. Wenn ein Steuerventil verwendet würde, um den Niveau in einem Tank zu halten, würde der Level -Controller den äquivalenten Wert eines Levelsensors mit dem Level -Sollwert vergleichen und feststellen, ob mehr oder weniger Ventilöffnung erforderlich war, um die Ebene konstant zu halten. Ein kaskadierter Durchflussregler könnte dann die Änderung der Ventilposition berechnen.

Wirtschaftliche Vorteile

Die wirtschaftliche Natur vieler Produkte, die in Charge und kontinuierlichen Prozessen hergestellt werden, erfordern aufgrund dünner Ränder einen hocheffizienten Betrieb. Der konkurrierende Faktor bei der Prozesskontrolle ist, dass Produkte bestimmte Spezifikationen erfüllen müssen, um zufriedenstellend zu sein. Diese Spezifikationen können in zwei Formen vorliegen: ein Minimum und Maximum für eine Eigenschaft des Materials oder Produkts oder einen Bereich, in dem sich die Eigenschaft befinden muss.[9] Alle Schleifen sind anfällig für Störungen, und daher muss ein Puffer für Prozessabschlusspunkte verwendet werden, um sicherzustellen, dass Störungen nicht dazu führen, dass das Material oder das Produkt die Spezifikationen abgibt. Dieser Puffer ist mit wirtschaftlichen Kosten (d. H. Zusätzliche Verarbeitung, Aufrechterhaltung erhöhter oder depressiver Prozessbedingungen usw.).

Die Prozesseffizienz kann verbessert werden, indem die Margen reduziert werden, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Produktspezifikationen erfüllt werden.[9] Dies kann durchgeführt werden, indem die Kontrolle des Prozesses verbessert wird, um die Auswirkungen von Störungen auf den Prozess zu minimieren. Die Effizienz wird in einer zweistufigen Methode zur Verengung der Varianz und des Verschiebens des Ziels verbessert.[9] Die Ränder können durch verschiedene Prozessaufrüstungen (d. H. Geräte -Upgrades, verbesserte Kontrollmethoden usw.) eingegrenzt werden. Sobald die Ränder eingeengt sind, kann eine wirtschaftliche Analyse im Prozess durchgeführt werden, um festzustellen, wie das Sollwertziel verschoben werden soll. Weniger konservative Prozessabschlusspunkte führen zu einer erhöhten wirtschaftlichen Effizienz.[9] Wirksame Strategien zur Prozesskontrolle erhöhen den Wettbewerbsvorteil von Herstellern, die sie einsetzen.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ "Ein Leitfaden zur statistischen Prozesskontrolle". Rote Meter. 2019-05-14. Abgerufen 2021-03-29.
  2. ^ Bolton, Bill. Steuerungstechnik (2. Auflage). Longman Pub Group; 2. Auflage, 1998.
  3. ^ a b c Jung, William Y; Svrcek, Donald P; Mahoney, Brent R (2014). "1: Eine kurze Geschichte der Kontrolle und Simulation". Ein Echtzeitansatz zur Prozesskontrolle (3 ed.). Chichester, West Sussex, Vereinigtes Königreich: John Wiley & Sons Inc. S. 1–2. ISBN 978-1119993872.
  4. ^ Minorsky, Nicolas (1922). "Richtungsstabilität automatisch gesteuerter Körper". Journal der American Society for Naval Engineers. 34 (2): 280–309. doi:10.1111/j.1559-3584.1922.tb04958.x.
  5. ^ Bennett, Stuart (1993). Eine Geschichte des Kontrolltechnik 1930-1955. London: Peter Peregrinus Ltd. im Namen der Institution of Electrical Engineers. p. 67. ISBN 978-0-86341-280-6.
  6. ^ Bennett, Stuart (1996). "Eine kurze Geschichte der automatischen Steuerung" (PDF). IEEE Control Systems Magazine. 16 (3): 17–25. doi:10.1109/37.506394. Archiviert von das Original (PDF) Am 2016-08-09. Abgerufen 2018-03-25.
  7. ^ Bequette, B. Wayne (2003). Prozesskontrolle: Modellierung, Design und Simulation (PRENTICE-HALL INTERNATIONAL-Serie in der physikalischen und chemischen Ingenieurwissenschaft.).). Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall Ptr. S. 57–58. ISBN 978-0133536409.
  8. ^ "Unterschied zwischen kontinuierlichem und Batch -Prozess | kontinuierlicher VS -Batch -Prozess | Mindsmapping".
  9. ^ a b c d Smith, C L (März 2017). "Prozesskontrolle für die Prozessindustrie - Teil 2: Steady State Merkmale". Fortschritt des Chemieingenieurwesens: 67–73.

Weitere Lektüre

Externe Links