Кіріспе

Өндірістік процестерді басқару, немесе үздіксіз өндірістегі процестерді басқару – өндірістік бақылау жүйелері мен басқару теориясын қолдану арқылы, тек адамның қолмен басқаруымен мүмкін болмайтын өндірістің тұрақтылығы, экономикалық тиімділігі және қауіпсіздігі деңгейіне қол жеткізу саласы. Бұл сала автомобиль, кен өндіру, темір кенін қазу, мұнай өңдеу, қағаз және целлюлоза өндірісі, химиялық өңдеу және электр станциялары сияқты өнеркәсіптерде кеңінен қолданылады. Оның масштабы, түрі және күрделілігі әртүрлі, бірақ ол аз ғана операторларға күрделі процестерді жоғары дәрежеде тұрақтылықпен басқаруға мүмкіндік береді. Ірі өндірістік процестерді басқару жүйелерін жасау, экономикалық немесе қауіпсіз жағдайларда басқаша іске асырылмаған, үлкен көлемді және күрделі процестерді жобалауға септігін тигізді. Қолданылу аясы бір процестік ыдыстың температурасы мен деңгейін бақылаудан бастап, бірнеше мың бақылау тізбегі бар толық химиялық өңдеу зауытына дейін жетеді.

Тарих

Алғашқы үдерісті басқарудағы маңызды жаңалықтар көбінесе суды басқару құрылғылары түрінде болды. Александриялық Ктесибиос б.з.б. III ғасырда су сағаттарының су деңгейін реттеу үшін қалқыма клапандарын ойлап тапқан. Біздің заманымыздың I ғасырында Александриялық Герон қазіргі унитаздарда қолданылатын толтыру клапанына ұқсас су клапанын ойлап тапты. Кейінгі үдерісті басқару өнертабыстары физиканың негізгі принциптерін қолданды. 1620 жылы Корнелис Дреббель пештегі температураны басқару үшін биметалл термостатын ойлап тапты. 1681 жылы Денис Папин ыдыстың ішіндегі қысымды ыдыс қақпағының үстіне салмақ қою арқылы реттеуге болатынын ашты. Минорский АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін автоматтік кеме басқаруды зерттеді және жобалады, ал талдауын рульшінің бақылауларына негіздеді. Ол рульшінің кемені тек қазіргі бағыттың қатесіне ғана емес, сонымен қатар бұрынғы қатеге және бағыттың өзгеру қарқынына сүйене отырып басқаратынын байқады; бұл жайтқа Минорский математикалық тұрғыдан зер салды. Оның мақсаты – жалпы басқару емес, тұрақтылықты қамтамасыз ету болды, бұл мәселені едәуір жеңілдетті. Пропорционалды басқару шағын бұзылыстарға қарсы тұрақтылықты қамтамасыз еткенімен, тұрақты бұзылыстарға, әсіресе қатты дауылға (тұрақты күйдегі қатеге байланысты) қарсы тұру жеткіліксіз болды, сондықтан интегралдық мүше қосылу қажет болды. Ақырында, тұрақтылықты және басқаруды жақсарту үшін туынды мүше қосылды.

Заманауи процестерді бақылау операцияларын дамыту

Ірі өнеркәсіптік зауыттардың процесін басқару көптеген кезеңдерден өтті. Алғашқыда басқару, процестік зауытқа жақын орналасқан панельдерден жүзеге асырылатын. Бірақ, мұндай шашыраңқы панельдерге қызмет көрсету үшін көптеген адам ресурстары қажет болды және процестің жалпы картинасы болмады. Келесі логикалық даму – зауыттың барлық өлшемдерін тұрақты жұмыс істейтін орталық басқару бөлмесіне жіберу болды. Бұл, барлық жергілікті панельдердің орталықтандырылуы, персонал санының азаюы және процестің қарапайымдығы сияқты артықшылықтарға ие болды. Көбінесе басқарушылар басқару бөлмесіндегі панельдердің артында орналасқан, ал барлық автоматты және қолмен басқару сигналдары зауытқа жіберілді. Алайда, орталық басқаруға бағытталғандыққа қарамастан, бұл жүйе икемсіз болды, себебі әрбір басқару контурының өз басқару аппараттық құралы болды және операторлардың басқару бөлмесінде процестің әртүрлі бөліктерін қарау үшін үнемі қозғалуы қажеттілік туды. Электрондық процессорлар мен графикалық дисплейлердің пайда болуымен, осы дискретті басқарушыларды компьютерлік алгоритмдермен алмастыру мүмкін болды, олар өздерінің басқару процессорлары бар кіріс/шығыс тіректерінің желісінде орналасқан. Оларды зауыт аумағына таратып, басқару бөлмесіндегі графикалық дисплеймен байланыстыруға болады. Осылайша, таратылған басқару жүйесі (ТБЖ) дүниеге келді. ТБЖ енгізуі, каскадты контурлар және қауіпсіздік блоктаулары сияқты зауыт басқару элементтерін оңай байланыстыруға және басқа өндірістік компьютерлік жүйелермен интеграциялауға мүмкіндік берді. Ол күрделі дабылдарды басқаруды қамтамасыз етті, автоматты оқиғаларды тіркеуді енгізді, сызба жазулар сияқты физикалық жазбаларға қажеттілікті жойды, басқару тіректерін желіге қосуға және осылайша кабельдік жүгіруді азайту үшін зауытқа жақын орналастыруға мүмкіндік берді, сондай-ақ зауыттың жағдайы мен өндіріс деңгейінің жоғары деңгейлі шолуын ұсынды.

Иерархиялық жүйе

Қоса берілген диаграмма – процессорлық және компьютерлік басқаруды қолдана отырып, үлкен процестегі функционалдық өндіріс деңгейлерін көрсететін жалпы модель. Диаграммаға сілтеме жасап айтсақ: 0-деңгейде ағын және температура сенсорлары (процесс мәнін оқу – PV), сондай-ақ басқару клапандары сияқты соңғы басқару элементтері (FCE) орналасқан; 1-деңгейде өнеркәсіптік кіріс/шығыс (I/O) модульдері мен олармен байланысты таратылған электрондық процессорлар бар; 2-деңгейде жүйедегі процессорлық түйіндерден ақпарат жинап, оператордың бақылау экранын қамтамасыз ететін бақылау компьютерлері бар; 3-деңгей – өндірісті тікелей басқармайтын, бірақ өндірісті мониторингтеу және мақсаттарды бақылаумен айналысатын өндіріс бақылау деңгейі; 4-деңгей – өндіріс жоспарлау деңгейі.

Бақылау үлгісі

Кез келген процестің негізгі моделін анықтау үшін жүйенің кірістері мен шығыстары басқа химиялық процестерге қарағанда әртүрлі анықталады. Баланс теңдеулері материалдық кірістер емес, басқару кірістері мен шығыстары арқылы анықталады. Бақылау моделі – жүйенің мінез-құлқын болжауға қолданылатын теңдеулер жиынтығы және өзгерістерге реакциясын анықтауға көмектеседі. Күй айнымалысы (x) – температура (энергиялық баланс), көлем (массалық баланс) немесе концентрация (компоненттік баланс) сияқты жүйенің күйін жақсы көрсететін өлшенетін айнымалы. Кіріс айнымалысы (u) – әдетте ағын мөлшерлерін қамтитын белгіленген айнымалы. Кіретін және шығатын ағындардың екеуі де басқару кірісі болып саналатынын ескеру маңызды. Басқару кірісі манипуляцияланатын, бұзылатын немесе бақыланбайтын айнымалы ретінде жіктелуі мүмкін. Параметрлер (p) әдетте физикалық шектеу және жүйе үшін тұрақты нәрсе, мысалы, ыдыстың көлемі немесе материалдың тұтқырлығы. Шығыс (y) – жүйенің мінез-құлқын анықтау үшін қолданылатын өлшем. Бақылау шығысы өлшенген, өлшенбеген немесе бақыланбаған болып жіктелуі мүмкін.

Түрлері

Процестерді партиялық, үздіксіз немесе гибридтік деп сипаттауға болады. Партиялық қолдануларда белгілі бір көлемдегі шикізат, аралық немесе соңғы нәтиже алу үшін белгілі бір уақыт аралығында нақты тәсілдермен біріктіріледі. Мысалы, жабысқыштар мен желімдерді өндіруде шикізатты қыздырылған ыдыста белгілі бір уақыт бойы араластыру қажет, нәтижесінде белгілі бір көлемдегі дайын өнім пайда болады. Басқа маңызды мысалдар – тағамдық өнімдер, сусындар және дәрі-дәрмектерді өндіру. Партиялық процестер көбінесе жылына салыстырмалы түрде аз немесе орташа көлемде өнім шығару үшін қолданылады (бірнеше фунттан миллион фунтқа дейін). Үздіксіз физикалық жүйе уақыт бойынша тегіс және үзіліссіз болатын айнымалылар арқылы көрсетіледі. Мысалы, жылыту қаптамасындағы су температурасын бақылау – үздіксіз процесті басқарудың мысалы. Маңызды үздіксіз процестердің ішінде отын, химиялық заттар және пластик өндірісі бар. Өндірістегі үздіксіз процестер жылына өте көп көлемде өнім шығару үшін қолданылады (миллиондағаннан миллиардтаған фунтқа дейін). Мұндай басқару жүйелері кері байланыс механизмін пайдаланады, мысалы PID контроллерінде. PID контроллері пропорционалды, интегралды және туынды басқару функцияларын қамтиды. Партиялық және үздіксіз процесті басқару элементтерін қамтитын қолданбалар көбінесе гибридтік қолданбалар деп аталады.

Басқару циклдары

Кез келген өндірістік бақылау жүйесінің негізгі құрылыс бөлігі – тек бір процестік айнымалыны басқаратын бақылау циклы. Мысалы, қоса берілген диаграммада құбырдағы ағын мөлшері PID контроллерімен басқарылады, клапанның дұрыс орналасуын қамтамасыз ету үшін клапан серво контроллері түріндегі каскадтық цикл көмектеседі. Кейбір ірі жүйелерде жүздеген немесе мыңдаған бақылау циклдары болуы мүмкін. Күрделі процестерде циклдар өзара байланысты, сондықтан бір циклдің жұмысы екінші циклдің жұмысына әсер етуі мүмкін. Бақылау циклдарын бейнелеуге арналған жүйелік диаграмма – құбырлар мен аспаптар схемасы. Көбінесе қолданылатын бақылау жүйелеріне бағдарламаланатын логикалық контроллер (PLC), үлестірілген басқару жүйесі (DCS) немесе SCADA жатады. Тағы бір мысал қарастырайық. Егер резервуардағы деңгейді ұстап тұру үшін басқару клапаны қолданылса, деңгей контроллері деңгей сенсорынан алынған мәнді деңгейдің белгіленген нүктесімен салыстырып, деңгейді тұрақты ұстау үшін клапанды қанша ашу немесе жабу қажет екенін анықтайды. Каскадтық ағын контроллері содан кейін клапанның орналасуындағы өзгерісті есептей алады.

Экономикалық артықшылықтар

Көптеген өнімдер партиялық және үздіксіз өндіріс процестерінде жасалады, сондықтан олардың жоғары тиімділікпен жұмыс істеуі қажет, себебі пайда маржасы төмен. Процесті басқарудағы бәсекелестік факторы – өнімдердің қанағаттанарлық болуы үшін белгілі бір талаптарға сай болуы керек. Бұл талаптар екі түрде болуы мүмкін: материалдың немесе өнімнің қасиеттері үшін ең төменгі және ең жоғары шек немесе қасиеттің болуы тиіс диапазоны. Барлық циклдар сыртқы факторларға сезімтал, сондықтан сыртқы факторлар материалдың немесе өнімнің талаптардан шығуына себеп болмауы үшін процестің баптау нүктелерінде буфер пайдалану қажет. Бұл буфер экономикалық шығындарға әкеледі (мысалы, қосымша өңдеу, жоғары немесе төмен процестік жағдайларды сақтау және т.б.). Өнімнің талаптарына сәйкес келуді қамтамасыз ету үшін қажетті маржаларды азайту арқылы процестің тиімділігін арттыруға болады. Бұл процеске сыртқы факторлардың әсерін азайту арқылы процесті басқаруды жақсарту арқылы жүзеге асырылады. Тиімділік екі қадамдық әдіспен жақсарылады: дисперсияны азайту және мақсатты ауыстыру. Маржаларды түрлі процестерді жаңарту арқылы азайтуға болады (мысалы, жабдықты жаңарту, басқару әдістерін күшейту және т.б.). Маржалар тарылғаннан кейін, баптау нүктесін қалай ауыстыру керектігін анықтау үшін экономикалық талдау жүргізілуі мүмкін. Аз консервативті процестік баптау нүктелері экономикалық тиімділікті арттырады. Тиімді процесті басқару стратегиялары оларды қолданатын өндірушілердің бәсекеге қабілеттілігін арттырады.