Продвинутые системы управления процессами для промышленной эффективности

Система управления процессами

Процесс широко определяется как операция, использующая ресурсы для преобразования входов в выходы. Ресурс предоставляет энергию для преобразования. В промышленном контексте термин «процесс» в «управлении процессами» относится к методам изменения и очистки сырья в твердом, жидком, газообразном, жидком или суспензионном состоянии для создания конечных продуктов с заданными свойствами. Сырье в процессе транспортируют, измеряют, смешивают, нагревают/охлаждают, фильтруют, хранят или обрабатывают для получения желаемого выхода. При этом сырье претерпевает физико-химические изменения. Обычно предприятие эксплуатирует несколько процессов, каждый с особенной динамикой (временнозависимым поведением), управляющей преобразованием. Динамика определяется физико-химическими свойствами входов, ресурса и самого процесса.

Управление процессами — методы контроля переменных процесса/процессов в производстве продукта. Это воздействие на конечный регулируемый элемент для изменения управляемой переменной с целью поддержания регулируемой переменной в заданной уставке. Переменные могут быть во входах, параметрах и выходах процесса. Контроль ведется для снижения вариабельности для получения целевого качества, повышения темпов производства, повышения эффективности, защиты окружающей среды и безопасности персонала и оборудования.

Следствие: управляемый процесс должен вести себя предсказуемо. При данном изменении управляющей переменной регулируемая переменная должна реагировать предсказуемо и последовательно.

Цели системы управления процессами

• Центральна для поддержания качества продукта. Поддерживает параметры процесса в тесных пределах для получения продукции стабильных спецификаций. Без контроля качество может варьироваться и продукт может быть отбракован.
• Сохранение безопасности персонала, оборудования и окружающей среды.
• Достижение и максимизация производительности оборудования и производства.
• Обеспечение расхода сырья, энергии и коммуникаций в установленных нормах.
• Контроль стоимости производства с преодолением экологических ограничений без ущерба для безопасности и качества.

Работа процесса и возмущения

Для желаемого выхода процесс должен работать в заданных параметрах. Процесс стабилен, если работает в заданном диапазоне параметров. Однако возможны отклонения — возмущения. Причина: неконтролируемые изменения во входах — состояние загрузки, давление/температура коммуникаций, активность катализатора, теплопередача и др. При возмущениях возникают отклонения регулируемых переменных — процесс становится нестабильным.

Промышленные процессы динамичны, поэтому система управления обычно имеет двойную задачу. Оператор через систему: (1) контролирует индикаторы состояния процесса, (2) вносит изменения в соответствующие переменные для улучшения условий. Контроль осуществляется путем корректировки выбранных переменных. Для контролируемой переменной используют конкретное значение или диапазон как уставку. Лучше использовать простейшую систему, достигающую целей. Проектирование процесса определяет его динамический отклик и управляемость.

Типы переменных процесса

• Входные переменные — независимо стимулируют систему, индуцируя изменение внутренних условий. Могут быть управляющими или возмущающими.
• Выходные переменные — через них оператор получает информацию о внутреннем состоянии процесса.
• Управляющие переменные — использует оператор для манипулирования, чтобы держать процесс под контролем.
• Состоянические переменные — минимальный набор переменных, необходимый для полного описания внутреннего состояния процесса.

Мониторинг и инструментарий

Процесс нужно мониторить для стабильной работы и желаемого выхода. Условия (параметры) измеряют приборами. У каждой системы есть расчетный алгоритм. Результаты реализуются для корректной работы. Приборы для управления: датчики, преобразователи, контроллеры, конечные регулирующие элементы.

• Датчики — функции зрения, слуха и др. Измеряют температуру, уровень, расход, состав и т.д. Термопары, дифференциальные манометры, газовые анализаторы и др.
• Преобразователи — как нейроны. Передают сигналы: пневматические, электрические и др.
• Контроллеры — функция мозга. Пневматические, электронные, цифровые компьютеры.
• Конечные регулирующие элементы — функция мышц. Регулирующие клапаны, насосы, компрессоры, конвейеры, релейные ключи и др.

Блок-схема элементов управления на рис. 1.

Рис. 1 Блок-схема элементов управления

Причины управления

Две основные причины: (1) поддержание измеренной переменной в уставке при возмущениях; (2) реакция на изменения уставок параметров процесса. Уставки — значения, необходимые для стабильной работы процесса с производством заданного продукта экономно и безопасно без вреда для среды.

Влияние проектирования и калибровки

Проектирование завода и оборудования сильно влияет на управление процессами. Необходима хорошая динамическая характеристика процесса. Все приборы и испытательное оборудование должны периодически и корректно калиброваться. Калибровка должна прослеживаться к национальным стандартам. Датчики должны быть правильными, быстродействующими, с емкостью, соответствующей оборудованию и процессу. Процесс можно управлять вручную или автоматически с необходимой инструментарией. Большинство автоматических систем реализованы на электронной аппаратуре, использующей уровни тока/напряжения для представления передаваемых значений.

Требования к хорошему управлению процессами

Система должна быть отзывчивой, возмущений мало. В отзывчивой системе управляемые переменные быстро реагируют на изменения управляющих. Частота возмущений также снижается. Оператор может контролировать параметр только если он измерен — поэтому локация и выбор датчиков критичны. Датчики должны измерять переменные быстро, надежно и с достаточной точностью.