産業効率向上のための高度プロセス制御システム

プロセス制御システムの概要

プロセスは広義には、リソースを用いてインプットをアウトプットへ変換する操作と定義されます。変換に必要なエネルギーをプロセスに供給するのがリソースです。産業における「プロセス制御」の文脈での「プロセス」とは、固体、液体、気体、流体、スラリー状態の原材料を変換・精製し、特定特性を持つ最終製品を創出する方法を指します。プロセス中、原材料は移送、計測、混合、加熱/冷却、濾過、貯蔵、ハンドリングされ、所望アウトプットが得られます。原材料はプロセス中に物理的・化学的変化を経て最終製品へ変換されます。通常、工場は複数プロセスを運転し、各プロセスは特定の動的（時間変化）振る舞いを示し、変換を支配します。動的振る舞いはインプット、リソース、プロセス自体の物理化学的特性で決まります。

プロセス制御の定義と目的

プロセス制御とは、製品製造に用いられるプロセスの変数を制御するために採用される手法を指します。最終制御要素を制御し、操作変数を変化させてプロセス変数を所望の設定値（セットポイント）に維持する行為です。これら変数はプロセスインプット、プロセスパラメータ、プロセスアウトプットに存在し得ます。プロセス制御の目的：狙い通りの製品品質を得るための変動低減、生産速度向上、プロセス効率向上、環境保護促進、プロセスに従事する人員・設備の安全確保。

プロセス制御の帰結：制御可能なプロセスは予測可能な振る舞いを示さなければなりません。与えられた操作変数変化に対し、プロセス変数が予測可能かつ一貫した態様で応答する必要があります。

プロセス制御システムの目標

• 製品品質維持の中核：プロセスパラメータを厳しい限界内に維持し、プロセスから一貫した仕様の製品を得る。プロセス制御なしでは製品品質が変動し、不合格となる恐れ。
• 人員・設備・環境の安全確保
• 設備生産性の最大化：ひいては生産量最大化
• 原材料・エネルギー・ユーティリティ消費を規定消費基準内に維持
• 生産コスト管理：環境制約下で安全性と製品品質を損なうことなくコスト管理

プロセス運転と擾乱

所望アウトプットを得るには、プロセスを設定パラメータ内で運転する必要があります。指定範囲内で運転されていれば「安定操業」と言えます。しかし運転中に設定パラメータからの偏差（擾乱）が生じ得ます。擾乱は制御不能なプロセスインプット変化（原料状態、ユーティリティ供給圧力/温度、触媒活性、伝熱効率等）により発生。擾乱を受けるとプロセス変数に偏差生じ、プロセスが不安定化。

プロセス変数の分類

産業プロセスは通常動的性質を持つため、プロセス制御システムは通常二重の任務を持ちます。オペレーターは制御システムを通じて：(i)特定プロセス状態指標を監視、(ii)適切な変数に変更を誘発しプロセス状態改善。制御は、プロセスシステム内の選択変数を調整することで所望条件を維持するために行使されます。制御対象変数の所望値或いは範囲として特定値を使用。所望目標達成可能な最もシンプルな制御システムを利用するのが最良。プロセス設計が動的応答と制御可能性を決定します。

プロセスには通常以下の4タイプの変数があります：

• 入力変数：プロセスシステムを独立に刺激し、内部条件に変化を誘発。操作変数或いは擾乱変数たり得る。
• 出力変数：オペレーターがプロセス内部状態について情報を得る変数。
• 制御変数：オペレーターがプロセスを制御下に置くために操作する変数。
• 状態変数：プロセス内部状態（条件）を完全に記述するために不可欠な最小変数セット。

監視と制御要素

プロセスはオペレーターにより監視され、安定条件で運転し所望アウトプットを出すことが確認されます。監視にはプロセス条件（プロセスパラメータ）を計測。オペレーターは計器に依存。さらに各システムには制御演算（アルゴリズム）があり、演算結果が実装されプロセスが正しく機能します。プロセス制御用計器：センサー、伝送器、コントローラー、最終制御要素。

• センサー：視覚・聴覚等の機能を果たす計器。温度、レベル、流量、組成等を測定。熱電対、差圧計、ガス分析計等。
• 伝送器：ニューロンのような役割。空気信号、電気信号等を伝送。
• コントローラー：脳の機能。空気圧式、電子式、デジタルコンピューター等。
• 最終制御要素：筋肉の機能。制御弁、ポンプ、圧縮機、コンベヤー、リレースイッチ等。

各制御要素を示すブロック図を図1に示します。

図1 各種制御要素を示すブロック図

制御の2つの主理由

1. 擾乱発生時に測定変数を所望値に維持するため
2. プロセスパラメータの所望値変更に応答するため

所望値とは、プロセスが安定形態で運転し、特定製品を経済的・安全に、環境に悪影響なく生産するために必要な値です。

プラント・設備設計の影響と計器管理

プラント・設備設計がプロセス制御活動に大きく影響。プロセスが良好な動的性能を提供することも必須。全計器・試験設備を定期的・正確に校正することが必要。校正は国家規格にトレーサブルであるべき。センサーは正確で高速応答、設備・プロセスニーズに適した容量を持つこと。プロセスは必要な計装により手動或いは自動制御可能。ほとんどの自動制御は電子機器で実装され、電流/電圧レベルで通信値を表現。

良好なプロセス制御の条件

システムが応答性高く、擾乱が少ないことが必要。応答性高いシステムでは、制御変数が操作変数調整に迅速応答。擾乱頻度も低減。オペレーターは計測されているパラメータのみ制御可能なため、センサーの位置選定が極めて重要。センサーは変数を迅速・確実・十分な精度で測定すべきです。