Geavanceerde Procesregelsystemen voor Industriële Efficiëntie

Procesregelsysteem

Een proces wordt breed gedefinieerd als een operatie die hulpbronnen gebruikt om invoeren te transformeren in uitvoeren. Het is de hulpbron die de benodigde energie aan het proces levert voor de transformatie om te gebeuren. In de context van een industrie verwijst de term 'proces' zoals gebruikt in de term 'procesregeling' naar de methoden van veranderen en raffineren van grondstoffen die in een vaste, vloeibare, gasvormige, vloeistof of slib toestand blijven om eindproducten met gespecificeerde eigenschappen te creëren. De grondstoffen tijdens het proces worden overgebracht, gemeten, gemengd, verwarmd of gekoeld, gefilterd, opgeslagen of afgehandeld op een manier zodat de gewenste output wordt verkregen. Tijdens het proces ondergaan de grondstoffen fysieke en chemische veranderingen voor hun omzetting in de eindproducten. Normaal exploiteert een industrie een aantal processen waarbij elk proces een specifieke dynamische (tijdsvariërende) gedraging vertoont die de transformatie beheerst. Het dynamische gedrag wordt bepaald door de fysieke en chemische eigenschappen van de invoeren, de hulpbron en het proces zelf.

Doelstellingen van Procesregeling

Procesregeling verwijst naar de methoden die worden gebruikt voor het controleren van de variabelen van het proces of processen gebruikt in de productie van een product. Het is de daad van het controleren van een eindcontrolelement om een gemanipuleerde variabele te veranderen om de procesvariabele op een gewenste setpoint te handhaven. Deze variabelen kunnen in procesinvoeren, in procesparameters en in procesuitvoeren zijn. Controle van het proces wordt gedaan om de variabiliteit te reduceren voor het krijgen van beoogde productkwaliteit, het verbeteren van de productiesnelheden, het verhogen van de efficiëntie van het proces, het faciliteren van bescherming van het milieu en het waarborgen van de veiligheid van de mensen en apparatuur die voor het proces worden ingezet.

Een gevolg van de procesregeling is dat een controleerbaar proces zich op een voorspelbare manier moet gedragen. Voor een gegeven verandering in de gemanipuleerde variabele moet de procesvariabele op een voorspelbare en consistente manier reageren.

Een procesregelsysteem heeft de volgende doelstellingen:

• Procesregelsysteem is centraal voor het handhaven van de kwaliteit van het product. Procesregelsysteem handhaaft de parameters van het proces binnen de nauwe limieten om producten van consistente specificaties uit het proces te verkrijgen. Zonder controle van het proces kan de kwaliteit van het product variëren en het product kan afgekeurd worden.
• Procesregelsysteem is om de veiligheid van personeel, apparatuur en milieu te bewaren.
• Procesregelsysteem moet de apparatuureproductiviteit en dus de productie maximaliseren.
• Procesregelsysteem moet ook garanderen dat het verbruik van grondstoffen, energie en utiliteiten binnen de gespecificeerde consumptienormen voor het proces blijft.
• Procesregelsysteem is ook vereist om de productiekosten onder controle te houden, de beperkingen die op het proces worden gelegd door het milieu te overwinnen. De kostencontrole moet worden bereikt zonder in te boeten op veiligheid en productkwaliteit.

Procesvariabelen en Regeling

Om de gewenste output te geven, moet een proces werken binnen de ingestelde parameters. Het proces wordt gezegd in stabiele operatie te zijn als het binnen het gespecificeerde bereik van de ingestelde parameters werkt. Echter, er kunnen afwijkingen van de ingestelde parameters optreden tijdens de procesoperatie. Deze afwijkingen worden storingen genoemd. Storingen worden veroorzaakt door onbeheerste veranderingen in de procesinvoeren, welke voederconditie, utiliteitsleveringsdruk of temperatuur, katalysatoractiviteit, warmteoverdrachts efficiëntie, etc. kunnen zijn. Wanneer een proces storingen ervaart, dan zijn er afwijkingen in de procesvariabelen en dan wordt het proces onstabiel.

Industriële processen zijn normaal dynamisch van aard en dus heeft een procesregelsysteem meestal een dubbele taak. Via procesregelsysteem monitort een operator (i) bepaalde procesconditie-indicatoren en (ii) induceert veranderingen in geschikte variabelen om de procescondities te verbeteren. Controle wordt uitgeoefend om gewenste condities in het processysteem te handhaven door geselecteerde variabelen in het processysteem aan te passen. Een specifieke waarde of bereik wordt gebruikt als de gewenste waarde voor de variabele die moet worden gecontroleerd. Het is altijd beter om het eenvoudigste regelsysteem te gebruiken dat de gewenste doelstellingen kan bereiken. Het ontwerp van een proces bepaalt hoe het dynamisch zal reageren en hoe het gecontroleerd kan worden.

Een proces heeft normaal de volgende vier typen variabelen:

• Invoervariabelen – Dit zijn die variabelen die het processysteem onafhankelijk stimuleren en daarbij verandering in de interne condities van het proces induceren. Deze variabelen kunnen gemanipuleerde variabelen of storingvariabelen zijn.
• Uitvoervariabelen – Dit zijn die variabelen waarmee een operator informatie verkrijgt over de interne toestand van het proces.
• Regelvariabelen – Dit zijn die variabelen die door de operator worden gebruikt voor manipulatie om het proces onder controle te houden.
• Toestandvariabelen – Dit is de minimale set variabelen die essentieel zijn voor het volledig beschrijven van de interne toestand (of conditie) van een proces.

Instrumentatie en Regellogica

Het proces moet door de operator worden gemonitord om te garanderen dat het proces in de stabiele conditie werkt en de gewenste output geeft. Voor monitoring worden de condities (procesparameters) van het processysteem gemeten. Hiervoor is de operator afhankelijk van instrumenten. Verder heeft elk systeem een regelberekening die ook algoritme wordt genoemd. De resultaten van de berekening worden geïmplementeerd voor het proces om correct te functioneren. De instrumenten die voor het controleren van een proces worden gebruikt, kunnen sensoren, transmitters, controllers en eindcontrolelement zijn.

• Sensoren zijn die instrumenten die de functies van zien, horen, etc. uitvoeren. Deze instrumenten meten temperatuur, niveau, stroom, samenstelling, etc. Dit zijn thermocouples, differentiële drukmeters, gasanalysatoren, etc.
• Transmitters zijn als zenuwezelzen. Ze transmitteren signalen zoals luchtsignalen of elektrisch signaal, etc.
• Controllers – controllers voeren de functie van hersenen uit. Controllers kunnen pneumatisch, elektronisch, of digitale computers zijn.
• Eindcontrolelement – Deze voeren de functie van spieren uit. Dit zijn regelkleppen, pompen, compressoren, transporteurs, relais schakelaars, etc.

Een blokdiagram met verschillende controlelementen is in Fig. 1

Fig 1 Blokdiagram met diverse controlelementen

Redenen voor Regeling en Systeemvereisten

Er zijn twee hoofreden voor regeling. De eerste reden voor regeling is om de gemeten variabele op zijn gewenste waarde te handhaven wanneer storingen optreden. De tweede reden voor regeling is om te reageren op veranderingen in de gewenste waarden van de procesparameters. De gewenste waarden zijn die waarden die nodig zijn voor het proces om in stabiele vorm te draaien om gespecificeerd product op een economische en veilige manier te produceren zonder het milieu nadelig te beïnvloeden.

Het ontwerp van de centrale en apparatuur beïnvloedt de procesregelactiviteiten sterk. Het is ook essentieel voor het proces om goede dynamische prestaties te leveren. Het is noodzakelijk dat alle instrumenten en testapparatuur periodiek en correct gekalibreerd worden. Kalibratie van de instrumenten en testapparatuur moet terugtraceerbaar zijn naar nationale standaarden. Sensoren moeten correct en snel reagerend zijn met capaciteiten die passen bij de apparatuur en procesbehoeftes. Een proces kan handmatig of automatisch gecontroleerd worden met de hulp van benodigde instrumentatie. De meeste automatische controles worden geïmplementeerd met elektronische apparatuur die stromenniveaus of spanning gebruikt om waarden te vertegenwoordigen die gecommuniceerd moeten worden.

Voor een goede procesregeling is het noodzakelijk dat het systeem responsief is en slechts weinig storingen optreden. In een responsief procesregelsysteem reageren gecontroleerde variabelen snel op aanpassingen in de gemanipuleerde variabelen. In zo'n systeem wordt de frequentie van storingen ook gereduceerd. Men moet zich herinneren dat een operator een parameter alleen kan controleren als het gemeten wordt, dus de locatie en selectie van de sensoren zijn erg belangrijk. Sensoren moeten variabelen snel, betrouwbaar en met voldoende nauwkeurigheid meten.