Процесно управување

Технолошки процеси во индустријата

ВОВЕД

• Контролата кај процесните индустрии претставува управување и регулирање на сите аспекти на процесите.

• Прецизната контрола на нивото, температурата, притисокот, протокот и слично е важна во многу процесни индустрии.

Ќе се запознаеме со:

• Значењето на процесното управување

• Основните теории и поими кај процесното управување

• Компонентите на контролните циклуси

• ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society) симболи

Значење на Процесното управување

• Рафинирање, комбинирање, управување или на друг начин манипулирање со флуидите за добивање на крајниот продукт е прецизен, сложен и опасен процес.

• Мали промени во процесот може да имаат големо влијание на крајниот резултат.

• Значи промените во димензиите, температурата, протокот, струењето на воздухот и многу други фактори треба да бидат внимателно и доследно контролирани за да се произведи посакуваниот производ со минамална употреба на суровини и енергија.

• Технологијата на процесното управување е алатка која им

овозможува на производителите да го одржуваат производството во

наведените граници за зголемување на профитабилноста,

квалитетот и сигурноста.

Процес• Под поимот процес, кој се користи во процесното

управување и процесната индустрија, се подразбира метод што ги рафинира и менува суровите материјали за да се добие краен продукт.

• Овие материјали кои можат да преминат или останат во течна, гасовита или тврда состојба низ процесите се: трансформираат, мешаат, загреваат, ладат, филтрираат и уште многу други фази за да се добие крајниот продукт.

• Процесни индустрии се: хемиската, нафтената, прехрамбената, фармацевската, водоводната и енергетската индустрија.

Процесно управување

• Процесното управување опфаќа методи кои се користат за управување на процесните променливи при производство на еден продукт.

• Пример, фактори како пропорции или димензии при премин од една состојка до друга, температурата на материјалите, како се измешани состојките, притисокот кој дејствува на материјалите и други може битно да влијаат на крајниот продукт.

• Производителите ги контролираат производствените процеси поради три причини. • Да се намали променливоста• Да се зголеми ефикасноста (квалитетот) • Да се осигура безбедноста

Намалување на променливоста• Управувањето со процесите може да ја намали

променливоста на финалниот производ, со што ќе се осигура константно високо квалитетен производ.

• Производителите ќе заштедат пари со намалување на променливоста. Пример во процес за мешање на бензин, може преку 12 различни компоненти да бидат измешани за да се направи специфична класа на бензин. Во рафинеријата доколку немаат прецизна контрола врз истекувањето на различните компоненти, може да се добие бензин кој содржи повеќе високооктански компоненти. Како резултат на ова муштериите ќе купуваат високо квалитетен бензин за ниска цена така што рафинеријата ќе оди во минус. Обратна ситуација би била муштериите да плаќаат поскап бензин одколку што вреди.

• Доколку, сет точката (посакуваната оптимална вредност) на процесната променлива се помести блиску до граничната вредност за исполнување на карактеристичните спецификации на посакуваниот производ, би се намалила променливоста, со што производителот би заштедил пари.

• Со намалување на променливоста може да се заштеди со самото намалување на потребата на исполнување на продуктот до неговите барани карактеристики.

• Кога има променливост во крајните продукти, односно кога управувањето на процесите е “сиромашно”, производителот мора да го исполни финалниот производ да ги постигне саканите спецификации, а тоа значи додатни трошоци.

Зголемување на ефикасноста (квалитетот) • Повеќето процеси има потреба да бидат

одржувани на некоја точка за да се добие максимален квалитет со минимум ресурси.

• Пример, контролна точка може да биди температурата на која се одвива, односно зазема место, некоја хемиска реакција. Прецизната контрола на температурата, значи зголемена ефикасност на процесот и зачуван квалитет.

• Производителите заштедуваат со тоа што ги намалуваат на минимум ресурсите потребни за финалниот производ.

Зголемување на безбедноста• Процеси како нуклеарни или хемиски реакции може

да бидат фатални се додека производителот нема прецизна контрола врз сите процесирања.

• Значи прецизната контрола на процесите е многу важна за да се осигура безбедноста.

• Пример, контролата и одржувањето на притисокот во еден котел е многу важна, и се врши преку контрола на доводот на воздух потребен за согорување во котелот и контрола на истекот на издувните гасови. Доколку притисокот ја надмини критичната вредност, може да дојде до несакани последици кои ќе ја доведат во прашање безбедноста на работниците.

Контролен циклус• Да разгледаме еден прост пример:• Замисли дека седиш покрај камин во некоја ладна

ноќ. Температурата во собата паѓа пониско од онаа на која што се чувствуваш удобно и почнува да ти студи па фрлаш повеќе дрва во каминот за да ја зголемиш температурата.

• Ова е пример на контролен циклус. • Доколку температурата падни под сет точката

(посакуваната вредност) тогаш треба да се дејствува за да се поврати т.е. да се стават дрва во каминот, да се додаде гориво во печката или слично. После тоа циклусот ќе остани статичен додека повторно температурата не се намали под саканата вредност или обратно зголеми.

Три основни задачи

• Управуваните контролни циклуси во процесните индустрии работат на истиот принцип преку три основни задачи и тоа:

• Мерење• Споредување • Додавање

Еден пример со мерење на нивото на еден флуид е даден на следната слика.

• Контролерот LT (level transmiter) го мери нивото на резервоарот и го пренесува сигналот до контролерот LIC (level indicating controller). Тој го споредува прочитаниот сигнал со саканиот сигнал (сет точката) и доколку нивото е повисоко пушта сигнал до вентилот за да се испушти одредено ниво на течност од резервоарот.

Повеќе уреди може да бидат искористени во ваков процес: трансмитери, сензори, контролери, вентили, пумпи итн., но трите задачи на процесот се секогаш присутни.

Изрази во процесното управување

• Процесна променлива е состојбата на една течност или гас што може да го промени производниот процес на некој начин, како во претходниот пример со каминот, каде процесна променлива беше температурата. Чести процесни променливи се:

• Притисок• Проток• Ниво• Температурa

• Густина• Ph Вредност• Маса• Проводност

Сет точка-setpoint• Сет точката е посакувана вредност на која што

процесната променлива треба да се одржува. Пример, доколку треба температура на некоја течност да се одржува од 50C до 1000C сет точката е 1000C. За одржување на посакуваната температура се користи температурен сензор, кој е вграден во процесот и дава информација до контролерот кој ја споредува температурата прочитана од сензорот и сет точката. Доколку температурата е 1100C контролерот пушта сигнал до вентилот за гориво од бренерот да се затвора полека се додека не се достигне посакуваната температура од 1000C. Сет точката може да биде и максимална или минимална граница. Пример, ако нивото во еден резервоар не смее да надмине 20 метри.

Мерна и манипулирана променлива

• Во примерот со температурата, мерна променлива е температурата, која што мора да се одржува до 1000C.

• Во овај пример како и во повеќето случаи мерната променлива е исто така и процесна променлива.

• Мерна променлива (во нашиот случај, температурата на течноста) е услов во процесот што мора да се одржува на сет точката.

• Понекогаш мерната променлива не е иста со процесната променлива. Пример, производителот може да го мери протокот на течност кон и од еден резервоар, за да го одреди нивото на течноста. Во овај случај мерна променлива е протокот на течност, а процесна променлива е нивото на течноста во процесот.

• Факторот што се менува за да мерната променлива биде одржувана на сет точката се нарекува манипулирана променлива. Во примерот, манипулирана променлива ќе биде протокот на течноста.

Грешка

• Грешката е разлика меѓу мерната променлива и сет точката (позитивна или негативна). Ако во примерот со температурата сет точката е на 1000С а мерната променлива е 1100С тогаш грешката е +100С.

• Целта на било која контрола е да се минимизира или елиминира грешката. Секоја грешка може да се гледа преку три главни компоненти.

Големина на грешка

• Големината на грешката во било кој момент, споредена со претходна вредност, дава основа за откривање на степенот на промена на грешката, што исто така е важна компонента.

Степен на промена на грешка

• Големина на грешка е всушност девијацијата (отстапување), помеѓу вредностите на сет точката и процесната променлива.

• Тоа е времето кое што поминало додека имало грешка

Времетраење на грешка

Офсет• Офсет е постојано отстапување на процесната

променлива од сет точката. Во примерот со температурата, ако температурата на течноста во контролниот систем константно е 100.50С, иако сет точката е 1000С, тогаш постои офсет од 0.50С.

• Нарушување е несакана промена на еден од факторите што може да ја променат процесната променлива.

• Во примерот со температурата, ако во течноста што се грее се додаде ладна течност тогаш таа ќе ја промени процесната променлива, а ладната течност ќе биде нарушувањето затоа што ќе ја намали температурата на течноста.

Нарушување

Контролен алгоритам• Контролниот алгоритам е математички израз на

контролната функција во зависност од грешката. Пример, во контролен циклус за одржување на температура, во изразот V = f(± e), V е позиција на вентилот за гориво,а е е грешката. Позицијата на вентилот за гориво (V) е функција (f) позитивна или негативна од грешката (е).

• Контролните алгоритми служат за пресметка во посложени контролни циклуси, каде прашањето е “Дали треба вентилот да се затвори или отвори за да процесната променлива се доближи до сет точката, и колку долго да се држи во новата позиција?”

Рачни и автоматски контролни системи• Пред автоматизацијата на процесите, луѓето,

почесто од машините, ги спроведуваа повеќето задачи при процесното управување. Пример оператор (човек) го следи нивото на флуид во некој резервоар и кога нивото ќе ја достигни вредноста на сет точката, го затвора вентилот. Ваквите контролни системи, кога директно е вклучен човекот, се рачни контролни системи.

• Спротивно на ова, таму каде што не е потребна директна интервенција на човекот, како кај автоматските вентилски актуатори (valve actuators), кои се управувани од контролери на ниво (level controllers) се нарекуваат автоматски контролни системи.

Затворен и отворен контролен систем• Затворен контролен систем е каде што процесната

променлива е измерена, споредена со сет точката и е спроведено дејство за да се изгуби било какво отстапување од сет точката.

• Отворен контролен систем е кога процесната променлива не е измерена и споредена, а е спроведено дејство, но не како резултат на повратна информација, туку без контрола на вредностите на процесната променлива. Пример, вентилот за вода може да се отвора, во претходно определени временски интервали, и да се додава ладна вода во процесот, за да се спречи водата премногу да се затопли, без при тоа да се измери температурата на водата.