Управление производственными процессами или просто управление процессами в непрерывных производственных процессах — это дисциплина, которая использует системы промышленного контроля и теорию управления для достижения уровня стабильности, экономичности и безопасности производства, которого невозможно достичь исключительно с помощью ручного управления человеком. Он широко применяется в таких отраслях, как автомобилестроение , горнодобывающая промышленность, дноуглубительные работы, нефтепереработка, целлюлозно-бумажное производство, химическая обработка и электростанции. [1]
Существует широкий диапазон размеров, типов и сложности, но это позволяет небольшому числу операторов управлять сложными процессами с высокой степенью согласованности. Разработка крупных систем управления промышленными процессами сыграла важную роль в разработке крупномасштабных и сложных процессов, которые иначе невозможно было бы экономично или безопасно эксплуатировать. [2]
Область применения может варьироваться от контроля температуры и уровня в одном технологическом резервуаре до полного химического перерабатывающего завода с несколькими тысячами контуров управления .
Первые прорывы в области управления технологическими процессами чаще всего происходили в виде устройств контроля воды. Ктесибию Александрийскому приписывают изобретение поплавковых клапанов для регулирования уровня воды в водяных часах в III веке до нашей эры. В I веке нашей эры Цапля Александрийская изобрел водяной клапан, похожий на наполнительный клапан, используемый в современных туалетах. [3]
Более поздние изобретения в области управления технологическими процессами включали основные принципы 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 гири на крышку сосуда. [3] В 1745 году Эдмунд Ли создал вентилятор для повышения эффективности ветряной мельницы; веерная мельница представляла собой ветряную мельницу меньшего размера, расположенную под углом 90 ° к большим вентиляторам, чтобы лицевая сторона ветряной мельницы была направлена прямо на встречный ветер.
С началом промышленной революции в 1760-х годах изобретения в области управления технологическими процессами были направлены на замену людей-операторов механизированными процессами. В 1784 году Оливер Эванс создал водяную мельницу, работавшую с использованием ведер и шнековых конвейеров. Генри Форд применил ту же теорию в 1910 году, когда был создан сборочный конвейер, чтобы уменьшить вмешательство человека в процесс производства автомобилей. [3]
Для бесступенчатого управления технологическим процессом только в 1922 году русско-американский инженер Николас Минорски с использованием теоретического анализа впервые разработал формальный закон управления для того, что мы сейчас называем ПИД-регулированием или трехчленным управлением . [4] Минорский исследовал и проектировал автоматическое рулевое управление кораблем для ВМС США и основывал свой анализ на наблюдениях рулевого . Он отметил, что рулевой управлял кораблем, основываясь не только на текущей ошибке курса, но и на прошлой ошибке, а также на текущей скорости изменения курса; [5] Затем Минорский дал этому математическую обработку. [6] Его целью была стабильность, а не общий контроль, что значительно упростило проблему. Хотя пропорциональное управление обеспечивало устойчивость к небольшим возмущениям, его было недостаточно для борьбы с устойчивыми возмущениями, особенно с сильным штормом (из-за установившейся ошибки), что требовало добавления интегрального члена. Наконец, производный член был добавлен для улучшения стабильности и контроля.
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях развивалось на многих этапах. Первоначально управление будет осуществляться с панелей, расположенных на технологическом заводе. Однако для обслуживания этих рассредоточенных групп требовались большие человеческие ресурсы, и не было общего представления о процессе. Следующим логическим развитием стала передача всех измерений станции в постоянно укомплектованный центральный диспетчерский пункт. По сути, это была централизация всех локализованных групп с преимуществами более низкого уровня укомплектования персоналом и облегчения обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все выходные данные автоматического и ручного управления передавались обратно на завод. Однако, хотя эта схема и обеспечивала централизованное управление, она была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для наблюдения за различными частями процесса требовалось постоянное перемещение оператора внутри диспетчерской.
С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода/вывода с собственными управляющими процессорами. [7] Они могут быть распределены по всему заводу и обмениваться данными с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Появилась распределенная система управления (РСУ).
Внедрение РСУ позволило легко соединять и реконфигурировать средства управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило усовершенствовать обработку сигналов тревоги, внедрить автоматическую регистрацию событий, устранило необходимость в физических записях, таких как самописцы, позволило объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить прокладку кабелей, а также обеспечило высокоуровневый обзор состояния предприятия и производства. уровни.
Прилагаемая диаграмма представляет собой общую модель, показывающую функциональные уровни производства в большом процессе с использованием процессора и компьютерного управления.
Обращаясь к схеме: Уровень 0 содержит полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры (показания технологических значений - PV) и исполнительные элементы управления (FCE), такие как регулирующие клапаны ; Уровень 1 содержит промышленные модули ввода-вывода (I/O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры; Уровень 2 содержит контролирующие компьютеры, которые сопоставляют информацию с процессорных узлов системы и предоставляют экраны управления оператору; Уровень 3 — это уровень управления производством, который не контролирует процесс напрямую, но занимается контролем производства и контролем целевых показателей; Уровень 4 – это уровень планирования производства.
Чтобы определить фундаментальную модель любого процесса, входные и выходные данные системы определяются иначе, чем для других химических процессов. [8] Уравнения баланса определяются управляющими входами и выходами, а не материальными затратами. Модель управления представляет собой набор уравнений, используемых для прогнозирования поведения системы и может помочь определить, какой будет реакция на изменения. Переменная состояния (x) — это измеримая переменная, которая является хорошим индикатором состояния системы, например температуры (энергетический баланс), объема (массовый баланс) или концентрации (баланс компонентов). Входная переменная (u) — это заданная переменная, которая обычно включает скорости потока.
Важно отметить, что входящий и исходящий потоки считаются управляющими входами. Управляющий вход можно классифицировать как регулируемую, возмущающую или неконтролируемую переменную. Параметры (p) обычно являются физическим ограничением и чем-то фиксированным для системы, например, объем сосуда или вязкость материала. Выход (y) — это метрика, используемая для определения поведения системы. Управляющий выход можно классифицировать как измеряемый, неизмеренный или неконтролируемый.
Процессы можно охарактеризовать как периодические, непрерывные или гибридные. [9] Пакетное применение требует, чтобы определенные количества сырья объединялись определенными способами в течение определенного времени для получения промежуточного или конечного результата. Одним из примеров является производство клеев и клеев, которое обычно требует смешивания сырья в нагретом сосуде в течение определенного периода времени для образования определенного количества конечного продукта. Другими важными примерами являются производство продуктов питания, напитков и лекарств. Периодические процессы обычно используются для производства относительно низкого или среднего количества продукта в год (от нескольких фунтов до миллионов фунтов).
Непрерывная физическая система представляется через переменные, гладкие и непрерывные во времени. Например, контроль температуры воды в рубашке обогрева является примером непрерывного управления процессом. Некоторыми важными непрерывными процессами являются производство топлива, химикатов и пластмасс. Непрерывные процессы в производстве используются для производства очень больших количеств продукции в год (от миллионов до миллиардов фунтов). В таких средствах управления используется обратная связь , например, в ПИД-регуляторе. ПИД-регулятор включает в себя функции пропорционального, интегрирующего и производного регулятора.
Приложения, имеющие элементы периодического и непрерывного управления процессами, часто называют гибридными приложениями.
Фундаментальным строительным блоком любой промышленной системы управления является контур управления , который управляет только одной переменной процесса. На прилагаемой диаграмме показан пример, где скорость потока в трубе контролируется ПИД-регулятором , которому, по сути, помогает каскадный контур в виде сервоконтроллера клапана, обеспечивающий правильное положение клапана.
Некоторые большие системы могут иметь несколько сотен или тысяч контуров управления. В сложных процессах циклы интерактивны, поэтому работа одного цикла может влиять на работу другого. Системная диаграмма для представления контуров управления представляет собой диаграмму трубопроводов и приборов .
Обычно используемые системы управления включают программируемый логический контроллер (ПЛК), распределенную систему управления (РСУ) или SCADA .
Показан еще один пример. Если бы для поддержания уровня в резервуаре использовался регулирующий клапан, контроллер уровня сравнивал бы эквивалентные показания датчика уровня с заданным значением уровня и определял, необходимо ли большее или меньшее открытие клапана для поддержания постоянного уровня. Затем каскадный контроллер расхода может рассчитать изменение положения клапана.
Экономический характер многих продуктов, производимых партиями и непрерывными процессами, требует высокоэффективной работы из-за низкой рентабельности. Конкурирующим фактором в управлении процессом является то, что продукция должна соответствовать определенным спецификациям, чтобы быть удовлетворительной. Эти спецификации могут иметь две формы: минимум и максимум свойства материала или продукта или диапазон, в пределах которого должно находиться это свойство. [10] Все контуры подвержены помехам, поэтому в заданных точках процесса необходимо использовать буфер, чтобы гарантировать, что возмущения не приводят к выходу материала или продукта за пределы технических характеристик. Этот буфер требует экономических затрат (т.е. дополнительная обработка, поддержание повышенных или пониженных условий процесса и т. д.).
Эффективность процесса можно повысить за счет снижения прибыли, необходимой для обеспечения соответствия спецификациям продукта. [10] Этого можно добиться путем улучшения управления процессом, чтобы минимизировать влияние возмущений на процесс. Эффективность повышается за счет двухэтапного метода сужения дисперсии и смещения цели. [10] Маржа может быть уменьшена за счет различных модернизаций процессов (т.е. модернизации оборудования, усовершенствованных методов контроля и т. д.). После того, как маржа сужена, можно провести экономический анализ процесса, чтобы определить, как следует сместить заданный целевой показатель. Менее консервативные заданные значения процесса приводят к повышению экономической эффективности. [10] Эффективные стратегии управления процессами повышают конкурентное преимущество производителей, которые их используют.