Введение
Дисциплина, использующая системы промышленного управления для обеспечения стабильности производственного процесса.
Промышленный контроль процесса, или просто управление процессом в непрерывных производственных циклах, – это дисциплина, применяющая промышленные системы управления и теорию управления для достижения стабильности, экономичности и безопасности производства, чего нельзя добиться исключительно ручным управлением. Широко применяется в таких отраслях, как автомобилестроение, горнодобывающая промышленность, дноуглубление, нефтепереработка, производство целлюлозы и бумаги, химическая промышленность и электроэнергетика. Системы могут различаться по размеру, типу и сложности, но они позволяют небольшому числу операторов управлять сложными процессами с высокой степенью стабильности. Разработка крупных систем промышленного управления процессами сыграла ключевую роль в проектировании масштабных, высокопроизводительных и сложных процессов, экономически и безопасно функционировать которые иным способом было бы невозможно. Область применения варьируется от контроля температуры и уровня в одном реакторе до управления полноценным химическим производственным комплексом с несколькими тысячами контуров управления.
История
Ранние прорывы в управлении процессами чаще всего были связаны с устройствами управления водой. Ктесибию Александрийскому приписывают изобретение поплавковых клапанов для регулирования уровня воды в водяных часах в III веке до н.э. В I веке н.э. Герон Александрийский изобрел водяной клапан, аналогичный запорному клапану, используемому в современных унитазах. Более поздние изобретения в области управления процессами основывались на базовых принципах физики. В 1620 году Корнелис Дреббель изобрел биметаллический термостат для регулирования температуры в печи. В 1681 году Дени Папен обнаружил, что давление внутри сосуда можно регулировать, помещая грузы на крышку сосуда. Минорский исследовал и разрабатывал системы автоматического управления судном для ВМС США, основывая свой анализ на наблюдениях за рулевым. Он заметил, что рулевой управляет кораблем, основываясь не только на текущей ошибке курса, но и на предыдущей ошибке, а также на текущей скорости ее изменения; затем Минорский представил это в математической форме. Его целью была стабильность, а не общее управление, что значительно упростило задачу. В то время как пропорциональное управление обеспечивало стабильность при небольших возмущениях, оно было недостаточно для устранения постоянных возмущений, особенно сильного шторма (из-за статической ошибки), что потребовало добавления интегральной составляющей. Наконец, для повышения стабильности и улучшения управления была добавлена дифференциальная составляющая.
Разработка современных операций контроля процессов
Контроль процессов на крупных промышленных предприятиях развивался через множество этапов. Изначально управление осуществлялось с локальных панелей, расположенных непосредственно у технологического оборудования. Однако это требовало значительных трудовых ресурсов для обслуживания этих разрозненных панелей, и не обеспечивало целостного представления о процессе. Следующим логичным шагом стала передача всех показаний с предприятия в постоянно укомплектованную центральную диспетчерскую. По сути, это была централизация всех локальных панелей, с преимуществами в виде сокращения численности персонала и упрощения обзора процесса. Часто контроллеры располагались за панелями диспетчерской, а все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на предприятие. Однако, несмотря на централизацию управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и оператору приходилось постоянно перемещаться по диспетчерской для наблюдения за различными участками процесса. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети модулей ввода/вывода с собственными контроллерами. Эти модули могли быть распределены по всему предприятию и взаимодействовать с графическим дисплеем в диспетчерской или диспетчерских. Так родилась распределенная система управления (РСУ). Внедрение РСУ позволило легко соединять и переконфигурировать элементы управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко интегрировать их с другими производственными компьютерными системами. Это обеспечило возможность сложной обработки аварийных сигналов, автоматической регистрации событий, отказа от физических носителей информации, таких как самописцы, позволило объединить контроллеры в сеть и, таким образом, размещать их непосредственно у оборудования для сокращения протяженности кабельных трасс, а также предоставило высокоуровневый обзор состояния предприятия и объемов производства.
Иерархия
Приложенная диаграмма представляет собой общую модель, демонстрирующую функциональные уровни управления в крупном технологическом процессе с использованием процессорного и компьютерного управления. Обращаясь к диаграмме: уровень 0 включает полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры (показания технологических параметров – ПТП), и конечные регулирующие элементы (КРЕ), такие как регулирующие клапаны; уровень 1 содержит индустриальные модули ввода-вывода (I/O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры; уровень 2 содержит управляющие компьютеры, которые собирают информацию от процессорных узлов системы и предоставляют оператору экраны управления; уровень 3 – уровень производственного контроля, который не осуществляет непосредственного управления процессом, но занимается мониторингом производства и контролем достижения целевых показателей; уровень 4 – уровень планирования производства.
Модель управления
Для определения фундаментальной модели любого процесса, входы и выходы системы определяются иначе, чем для других химических процессов. Уравнения баланса определяются управляющими входами и выходами, а не материальными потоками. Управляющая модель – это набор уравнений, используемых для прогнозирования поведения системы и позволяющий определить ее реакцию на изменения. Переменная состояния (x) – это измеримая величина, являющаяся хорошим индикатором состояния системы, например, температура (энергетический баланс), объем (массовый баланс) или концентрация (компонентный баланс). Входная переменная (u) – это заданная величина, которая обычно включает в себя расходы. Важно отметить, что входящие и выходящие потоки рассматриваются как управляющие входы. Управляющие входы могут быть классифицированы как управляемые, возмущающие или неконтролируемые. Параметры (p) обычно представляют собой физическое ограничение и фиксированное значение для системы, такое как объем сосуда или вязкость материала. Выход (y) – это метрика, используемая для определения поведения системы. Управляющие выходы могут быть классифицированы как измеренные, неизмеренные или неконтролируемые.
Типы
Процессы могут быть классифицированы как периодические, непрерывные или гибридные. Периодические процессы требуют комбинирования определенных количеств сырья определенным образом в течение заданного времени для получения промежуточного или конечного продукта. Примером может служить производство клеев и адгезивов, для которого обычно требуется смешивание сырья в нагреваемом сосуде в течение определенного периода времени для получения определенного количества конечного продукта. Другие важные примеры – производство продуктов питания, напитков и лекарственных средств. Периодические процессы обычно используются для производства относительно небольшого или среднего объема продукции в год (от нескольких фунтов до миллионов фунтов). Непрерывная физическая система описывается переменными, которые изменяются плавно и без разрывов во времени. Например, регулирование температуры воды в рубашке обогрева является примером непрерывного управления процессом. Важными непрерывными процессами являются производство топлива, химикатов и пластмасс. Непрерывные процессы в производстве используются для получения очень больших объемов продукции в год (от миллионов до миллиардов фунтов). В таких системах управления используется обратная связь, например, в ПИД-регуляторе. ПИД-регулятор включает в себя пропорциональную, интегральную и дифференциальную составляющие. Приложения, сочетающие элементы периодического и непрерывного управления процессом, часто называют гибридными.
Контрольные петли
Основным строительным блоком любой промышленной системы управления является контур управления, который регулирует только одну переменную процесса. Пример показан на прилагаемой диаграмме, где расход в трубопроводе контролируется PID-регулятором, которому помогает, по сути, каскадный контур в виде сервопривода клапана для обеспечения правильного позиционирования клапана. Некоторые крупные системы могут содержать несколько сотен или тысяч контуров управления. В сложных процессах контуры взаимодействуют, так что работа одного контура может влиять на работу другого. Для представления контуров управления используется схема трубопроводов и контрольно-измерительных приборов (P&ID). К широко используемым системам управления относятся программируемые логические контроллеры (PLC), распределенные системы управления (DCS) или SCADA. Приведен еще один пример. Если регулирующий клапан используется для поддержания уровня в резервуаре, то регулятор уровня сравнивает показание датчика уровня с заданным значением уровня и определяет, требуется ли большее или меньшее открытие клапана для поддержания постоянного уровня. Каскадный регулятор расхода может затем вычислить изменение положения клапана.
Экономические преимущества
Экономическая природа многих продуктов, производимых партиями и в непрерывных процессах, требует высокой эффективности работы из-за небольшой прибыли. Ключевым фактором в управлении процессом является то, что продукция должна соответствовать определенным требованиям, чтобы быть приемлемой. Эти требования могут быть выражены двумя способами: минимальным и максимальным значением свойства материала или продукта, либо диапазоном, в пределах которого это свойство должно находиться. Все контуры управления подвержены воздействию возмущений, поэтому для обеспечения соответствия материала или продукта спецификациям необходимо использовать запас при установке заданных значений процесса. Этот запас связан с экономическими затратами (например, дополнительная обработка, поддержание повышенных или пониженных условий процесса и т.д.). Эффективность процесса можно повысить, уменьшив необходимые запасы для обеспечения соответствия спецификациям продукта. Это достигается путем улучшения управления процессом для минимизации влияния возмущений. Повышение эффективности происходит в два этапа: уменьшение разброса и смещение целевого значения. Запасы могут быть уменьшены за счет различных модернизаций процесса (например, модернизации оборудования, использования более совершенных методов управления и т.д.). После уменьшения запасов можно провести экономический анализ процесса, чтобы определить, как следует сместить целевое значение. Менее консервативные заданные значения процесса приводят к повышению экономической эффективности. Эффективные стратегии управления процессом повышают конкурентоспособность производителей, которые их применяют.