Süreç kontrolü - Process control

Ayrıca bakınız: Kontrol teorisi

Sürekli üretim süreçlerinde bir endüstriyel süreç kontrolü , yalnızca insan manuel kontrolü ile elde edilemeyen bir üretim düzeyi tutarlılığı, ekonomi ve güvenlik elde etmek için endüstriyel kontrol sistemlerini kullanan bir disiplindir . Otomotiv , madencilik, tarama, petrol arıtma, kağıt hamuru ve kağıt üretimi, kimyasal işleme ve enerji üretim tesisleri gibi sektörlerde yaygın olarak uygulanmaktadır .

Çok çeşitli boyut, tür ve karmaşıklık vardır, ancak az sayıda operatörün karmaşık süreçleri yüksek derecede tutarlılıkla yönetmesini sağlar. Büyük endüstriyel proses kontrol sistemlerinin geliştirilmesi, aksi takdirde ekonomik veya güvenli bir şekilde işletilemeyecek büyük hacimli ve karmaşık proseslerin tasarlanmasına olanak sağlamada etkili olmuştur.

Uygulamalar, tek bir proses tankının sıcaklık ve seviyesinin kontrolünden , birkaç bin kontrol döngüsüne sahip komple bir kimyasal işleme tesisine kadar değişebilir .

Tarih

Erken proses kontrol atılımları en sık olarak su kontrol cihazları şeklinde geldi. İskenderiyeli Ktesibios, MÖ 3. yüzyılda su saatlerinin su seviyesini düzenlemek için şamandıra valfleri icat ettiği için kredilendirilir. MS 1. yüzyılda İskenderiyeli Heron, modern tuvaletlerde kullanılan doldurma vanasına benzer bir su vanası icat etti.

Daha sonraki süreç, temel fizik ilkelerini içeren buluşları kontrol eder. 1620'de Cornlis Drebbel, bir fırında sıcaklığı kontrol etmek için bimetalik bir termostat icat etti. 1681'de Denis Papin, bir kap içindeki basıncın, kap kapağının üzerine ağırlıklar yerleştirerek düzenlenebileceğini keşfetti. 1745'te Edmund Lee, yel değirmeni verimliliğini artırmak için fantail yarattı; bir kuyruk, yel değirmeninin yüzünü doğrudan gelen rüzgara dönük tutmak için daha büyük fanlardan 90° yerleştirilmiş daha küçük bir yel değirmeniydi.

1760'larda Sanayi Devrimi'nin şafağıyla birlikte, insan operatörleri mekanize süreçlerle değiştirmeyi amaçlayan süreç kontrol icatları. 1784'te Oliver Evans, kovalar ve vidalı konveyörler kullanarak çalışan suyla çalışan bir un değirmeni yarattı. Henry Ford, aynı teoriyi, otomobil üretim sürecine insan müdahalesini azaltmak için montaj hattının oluşturulduğu 1910'da uyguladı.

Sürekli değişken proses kontrolü için, şimdi PID kontrolü veya üç dönemli kontrol dediğimiz şey için resmi bir kontrol yasasının ilk olarak Rus Amerikalı mühendis Nicolas Minorsky tarafından teorik analiz kullanılarak geliştirildiği 1922 yılına kadar değildi . Minorsky, ABD Donanması için otomatik gemi dümenini araştırıyor ve tasarlıyordu ve analizini bir dümencinin gözlemlerine dayandırıyordu . Dümencinin gemiyi yalnızca mevcut rota hatasına değil, aynı zamanda geçmiş hataya ve mevcut değişim oranına göre yönlendirdiğini kaydetti; buna daha sonra Minorsky tarafından matematiksel bir işlem uygulandı. Amacı, sorunu önemli ölçüde basitleştiren genel kontrol değil istikrardı. Orantılı kontrol, küçük bozuculara karşı kararlılık sağlarken, özellikle integral teriminin eklenmesini gerektiren sert bir fırtına ( kararlı durum hatası nedeniyle) olmak üzere, sürekli bir bozulma ile başa çıkmak için yetersizdi . Son olarak, kararlılığı ve kontrolü geliştirmek için türev terimi eklenmiştir.

Modern proses kontrol operasyonlarının geliştirilmesi

Tesis bilgilerinin ve kontrollerinin bilgisayar grafik ekranlarında görüntülendiği modern bir kontrol odası. Operatörler, bir tesise genel bakışı korurken sürecin herhangi bir bölümünü ekranlarından görüntüleyebilecekleri ve kontrol edebilecekleri için oturuyorlar.

Büyük endüstriyel tesislerin proses kontrolü birçok aşamadan geçerek gelişmiştir. Başlangıçta, kontrol proses tesisine yerel panellerden olacaktır. Ancak bu, bu dağınık panellere katılmak için büyük bir insan gücü kaynağı gerektiriyordu ve sürecin genel bir görünümü yoktu. Bir sonraki mantıklı gelişme, tüm tesis ölçümlerinin sürekli çalışan bir merkezi kontrol odasına iletilmesiydi. Etkili bir şekilde bu, tüm yerelleştirilmiş panellerin, daha düşük personel alım seviyelerinin ve sürecin daha kolay gözden geçirilmesinin avantajlarıyla birlikte merkezileştirilmesiydi. Kontrolörler genellikle kontrol odası panellerinin arkasındaydı ve tüm otomatik ve manuel kontrol çıktıları tesise geri iletildi. Bununla birlikte, merkezi bir kontrol odağı sağlarken, her kontrol döngüsünün kendi kontrol cihazı donanımına sahip olması ve sürecin farklı kısımlarını görüntülemek için kontrol odası içinde sürekli operatör hareketi gerektiğinden bu düzenleme esnek değildi.

Elektronik işlemcilerin ve grafik ekranların gelmesiyle, bu ayrık denetleyicileri, kendi kontrol işlemcileriyle bir giriş/çıkış rafları ağında barındırılan bilgisayar tabanlı algoritmalarla değiştirmek mümkün hale geldi. Bunlar tesisin etrafına dağıtılabilir ve kontrol odası veya odalarda grafik ekranla iletişim kurabilir. Dağıtılmış kontrol sistemi doğdu.

DCS'lerin tanıtılması, kademeli döngüler ve kilitlemeler gibi tesis kontrollerinin kolay ara bağlantılarına ve yeniden yapılandırılmasına ve diğer üretim bilgisayar sistemleri ile kolay arabirime olanak sağladı. Gelişmiş alarm yönetimini mümkün kıldı, otomatik olay kaydı sağladı, grafik kaydediciler gibi fiziksel kayıtlara olan ihtiyacı ortadan kaldırdı, kontrol raflarının ağa bağlanmasına ve böylece kablolama çalışmalarını azaltmak için tesise yerel olarak yerleştirilmesine izin verdi ve tesis durumu ve üretime ilişkin üst düzey genel bakışlar sağladı. seviyeler.

hiyerarşi

Bir üretim kontrol işleminin fonksiyonel seviyeleri.

Ekteki diyagram, işlemci ve bilgisayar tabanlı kontrol kullanan büyük bir süreçte fonksiyonel üretim seviyelerini gösteren genel bir modeldir.

Şemaya atıfta bulunarak: Seviye 0, akış ve sıcaklık sensörleri (proses değeri okumaları - PV) gibi saha cihazlarını ve kontrol vanaları gibi son kontrol elemanlarını (FCE) içerir ; Seviye 1, sanayileşmiş Giriş/Çıkış (G/Ç) modüllerini ve bunlarla ilişkili dağıtılmış elektronik işlemcileri içerir; Seviye 2, sistemdeki işlemci düğümlerinden bilgi toplayan ve operatör kontrol ekranlarını sağlayan denetleyici bilgisayarları içerir; Seviye 3, süreci doğrudan kontrol etmeyen, ancak üretimin izlenmesi ve hedeflerin izlenmesi ile ilgili olan üretim kontrol seviyesidir; Seviye 4, üretim planlama seviyesidir.

Kontrol modeli

Herhangi bir prosesin temel modelini belirlemek için sistemin girdileri ve çıktıları diğer kimyasal proseslerden farklı olarak tanımlanır. Denge denklemleri, malzeme girdileri yerine kontrol girdileri ve çıktıları tarafından tanımlanır. Kontrol modeli, bir sistemin davranışını tahmin etmek için kullanılan bir dizi denklemdir ve değişime tepkinin ne olacağını belirlemeye yardımcı olabilir. Durum değişkeni (x), sıcaklık (enerji dengesi), hacim (kütle dengesi) veya konsantrasyon (bileşen dengesi) gibi sistemin durumunun iyi bir göstergesi olan ölçülebilir bir değişkendir. Girdi değişkeni (u), genellikle akış oranlarını içeren belirli bir değişkendir.

Giren ve çıkan akışların her ikisinin de kontrol girdileri olarak kabul edildiğine dikkat etmek önemlidir. Kontrol girişi, manipüle edilmiş, bozulmalı veya izlenmeyen bir değişken olarak sınıflandırılabilir. Parametreler (p) genellikle fiziksel bir sınırlamadır ve kap hacmi veya malzemenin viskozitesi gibi sistem için sabitlenmiş bir şeydir. Çıktı (y), sistemin davranışını belirlemek için kullanılan ölçüdür. Kontrol çıkışı ölçülen, ölçülmeyen veya izlenmeyen olarak sınıflandırılabilir.

Türler

Prosesler kesikli, sürekli veya hibrit olarak karakterize edilebilir. Toplu uygulamalar, bir ara veya nihai sonuç üretmek için belirli miktarlardaki hammaddelerin belirli bir süre için belirli şekillerde birleştirilmesini gerektirir. Bir örnek, normal olarak bir miktar nihai ürün oluşturmak için hammaddelerin ısıtılmış bir kapta belirli bir süre karıştırılmasını gerektiren yapıştırıcı ve yapıştırıcıların üretimidir. Diğer önemli örnekler ise yiyecek, içecek ve ilaç üretimidir. Toplu işlemler genellikle yılda nispeten düşük ila orta miktarda ürün (birkaç pound ila milyonlarca pound) üretmek için kullanılır.

Sürekli bir fiziksel sistem, zaman içinde düzgün ve kesintisiz değişkenler aracılığıyla temsil edilir. Örneğin bir ısıtma ceketinde su sıcaklığının kontrolü, sürekli proses kontrolüne bir örnektir. Bazı önemli sürekli süreçler, yakıtların, kimyasalların ve plastiklerin üretimidir. Üretimdeki sürekli süreçler, yılda çok büyük miktarlarda (milyonlarca ila milyarlarca pound) ürün üretmek için kullanılır. Bu tür kontroller , PID kontrol cihazında olduğu gibi geri besleme kullanır .

Toplu ve sürekli süreç kontrolü unsurlarına sahip uygulamalara genellikle hibrit uygulamalar denir.

Kontrol döngüleri

Sürekli akış kontrol döngüsü örneği. Sinyalizasyon, endüstri standardı 4-20 mA akım döngülerine göredir ve "akıllı" bir valf konumlandırıcı , kontrol valfinin doğru şekilde çalışmasını sağlar.

Herhangi bir endüstriyel kontrol sisteminin temel yapı taşı, sadece bir proses değişkenini kontrol eden kontrol döngüsüdür . Bir borudaki akış hızının bir PID kontrolörü tarafından kontrol edildiği ve doğru valf konumlandırmasını sağlamak için bir valf servo-kontrolörü şeklinde etkili bir şekilde kademeli bir döngünün ne olduğuyla desteklenen ekteki şemada bir örnek gösterilmektedir.

Bazı büyük sistemlerde birkaç yüz veya binlerce kontrol döngüsü olabilir. Karmaşık süreçlerde döngüler etkileşimlidir, böylece bir döngünün çalışması diğerinin çalışmasını etkileyebilir. Kontrol döngülerini temsil eden sistem şeması, bir Borulama ve enstrümantasyon şemasıdır .

Yaygın olarak kullanılan kontrol sistemleri arasında programlanabilir mantık kontrolörü (PLC), Dağıtılmış Kontrol Sistemi (DCS) veya SCADA bulunur .

Sürekli karıştırmalı tank reaktörünün seviye kontrol sistemi örneği . Tanka akış kontrolü, seviye kontrolünden basamaklandırılacaktır.

Başka bir örnek gösterilmiştir. Bir tankta seviyeyi tutmak için bir kontrol vanası kullanılmışsa, seviye kontrolörü bir seviye sensörünün eşdeğer okumasını seviye ayar noktasıyla karşılaştırır ve seviyeyi sabit tutmak için daha fazla veya daha az vana açıklığının gerekli olup olmadığını belirler. Kademeli bir akış kontrolörü daha sonra valf konumundaki değişikliği hesaplayabilir.

Ekonomik avantajlar

Kesikli ve sürekli proseslerde üretilen birçok ürünün ekonomik yapısı, ince marjlar nedeniyle yüksek verimli çalışmayı gerektirir. Proses kontrolünde rekabet eden faktör, ürünlerin tatmin edici olması için belirli özellikleri karşılaması gerektiğidir. Bu spesifikasyonlar iki şekilde olabilir: malzeme veya ürünün bir özelliği için minimum ve maksimum veya özelliğin içinde olması gereken bir aralık. Tüm döngüler bozulmalara karşı hassastır ve bu nedenle bozulmaların malzeme veya ürünün spesifikasyonların dışına çıkmasına neden olmamasını sağlamak için proses ayar noktalarında bir tampon kullanılmalıdır. Bu tamponun ekonomik bir maliyeti vardır (yani ek işlem, yükseltilmiş veya düşük işlem koşullarının korunması vb.).

Ürün spesifikasyonlarının karşılandığından emin olmak için gerekli marjlar azaltılarak süreç verimliliği arttırılabilir. Bu, rahatsızlıkların süreç üzerindeki etkisini en aza indirgemek için sürecin kontrolünü geliştirerek yapılabilir. Verimlilik, varyansı daraltmak ve hedefi kaydırmak için iki aşamalı bir yöntemle artırılır. Marjlar, çeşitli süreç yükseltmeleri (yani ekipman yükseltmeleri, gelişmiş kontrol yöntemleri, vb.) yoluyla daraltılabilir. Marjlar daraltıldıktan sonra, belirlenen nokta hedefinin nasıl kaydırılacağını belirlemek için süreç üzerinde ekonomik bir analiz yapılabilir. Daha az muhafazakar süreç ayar noktaları, artan ekonomik verimliliğe yol açar. Etkili süreç kontrol stratejileri, onları kullanan üreticilerin rekabet avantajını artırır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar