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プロセスの制御装置および制御方法 - 特開2008−3661 | j-tokkyo
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【発明の名称】 プロセスの制御装置および制御方法
【発明者】 【氏名】後藤 滋

【氏名】田中 峰夫

【氏名】篠原 浩二

【要約】 【課題】複数の制御因子を有するプロセスの、プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子の制御が切り替わる境界におけるハンチングによる不必要なロスを低減でき、かつ、不感帯による制御の不安定を回避できるという優れたプロセスの制御装置および制御方法を提供する。

【構成】(1)プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を含むことを特徴とするプロセス制御装置。(2)プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を設置して、一定の制御範囲内で少なくとも2個以上の設定値を設定し、制御することを特徴とするプロセス制御方法。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の制御因子を有するプロセスを制御する手段であって、該プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を含むことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項2】
複数の制御因子を有するプロセスを制御する方法であって、該プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を設置して、一定の制御範囲内で少なくとも2個以上の設定値を設定し、制御することを特徴とするプロセス制御方法。
【請求項3】
プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が圧力制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが加圧に寄与する因子で、1つが減圧に寄与する因子である請求項2に記載のプロセス制御方法。
【請求項4】
プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が液位制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが液位の上昇に寄与する因子で、1つが液位の低下に寄与する因子である請求項2に記載の液位制御方法。
【請求項5】
プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が温度制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが温度上昇に寄与する因子で、1つが温度低下に寄与する因子である請求項2に記載の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の制御因子を有するプロセスの制御装置および制御方法に関する。さらに詳しくは、プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子の制御が切り替わる境界におけるハンチングや、不感帯による制御の不安定性を回避することができる複数の制御因子によるプロセスの制御装置および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
複数の制御因子によってプロセスを制御する場合、逆方向の効果をもたらす制御因子によって実施する場合がしばしばある。例えば、加圧ラインと脱圧ラインを有するプッシュプル方式の制御で圧力を一定範囲に保つ場合、設定の圧力を下回れば、加圧弁で圧力を制御し、設定圧力を上回れば脱圧弁で圧力を制御する方法、液位を一定範囲に保つ場合に設定液位を下回れば流体チャージ弁で液位を制御し、設定液位を上回れば流体パージ弁で液位を制御する方法、温度を一定範囲にするためには加熱と冷却で調整するという方法等がある。
【0003】
このような制御を行うために、1つのプロセス指示計と1つコントローラーの設定値から得られる出力を分割して複数の制御弁を動作させるスプリット制御が一般に行われている。しかし、この場合、相反する少なくとも2つの制御因子の一方が過剰制御動作を起こすと、ついで反対の制御因子による動作が生じ、しばしばハンチング繰り返し、例えば不必要なチャージとパージや加熱と冷却を引き起こすという不経済な運転となるという問題があった。このような問題を解決する方法として、スプリット制御される制御因子の出力分割の間、すなわち1つの制御因子から別の制御因子に制御が切り替わる境界に不感帯を設け、過剰な調整を緩和する方法も用いられている。しかし、これは相反する2つの制御因子の制御が切り替わる境界に不感帯を設けたものであるため、過剰な調整の緩和効果は期待されるが、制御が不確実になる等の可能性が依然として残っている。
【0004】
一方で、複数の調節弁によってプロセスの制御を安定させる方法について大小親子弁による制御方法が示されている。例えば、圧力制御において、1つの弁では幅広い流量を要求される加圧源の安定制御が難しい場合、大小の2つの弁を設置し、1つの圧力コントローラーでスプリット制御がおこなわれている。このような方法により、要求される加圧源の流量が少ない場合は小弁のみで制御し、小弁が指定開度以上になれば大弁が制御に加わり、さらに小弁が全開となれば大弁のみで制御を行う方法である。この場合に、スプリット制御における2つの弁の制御が切り替わる境界において制御が不安定になる問題の解決方法として、大弁が制御不安定になる弁開度にあるときに小弁による制御を行うステップを設け、さらに大弁と小弁を別々のコントローラーによって制御し、加えて異なる設定値を設定する方法を提案している(特許文献1参照)。
【0005】
しかし、より簡便な方法で圧力制御以外の幅広いプロセス制御にも適応可能な、相反する少なくとも2つの制御因子の制御が切り替わる境界におけるハンチングによる不経済な運転を回避できる、複数の制御因子を有するプロセスの制御装置および制御方法の開発が望まれていた。
【0006】
【特許文献1】特開平2004−068685公報(第1頁〜第10頁)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
かかる状況において、本発明は、複数の制御因子を有するプロセスの、プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子の制御が切り替わる境界におけるハンチングによる不必要なロスを低減でき、かつ、不感帯による制御の不安定を回避できるという優れたプロセスの制御装置および制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち本発明は、
(1)複数の制御因子を有するプロセスを制御する手段であって、該プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を含むことを特徴とするプロセス制御装置、
(2)複数の制御因子を有するプロセスを制御する方法であって、該プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子に対して独立して制御する手段を設置して、一定の制御範囲内で少なくとも2個以上の設定値を設定し、制御することを特徴とするプロセス制御方法、
(3)プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が圧力制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが加圧に寄与する因子で、1つが減圧に寄与する因子である(2)のプロセス制御方法、
(4)プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が液位制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが液位の上昇に寄与する因子で、1つが液位の低下に寄与する因子である(2)の液位制御方法、
(5)プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子が温度制御に関するものであって、少なくとも2つの制御因子のうち1つが温度上昇に寄与する因子で、1つが温度低下に寄与する因子である(2)の温度制御方法、
に係るものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明により、複数の制御因子を有するプロセスの、プロセス条件を一定範囲に制御するための制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの制御因子の制御が切り替わる境界におけるハンチングによる不必要なロスを低減でき、かつ、不感帯による制御の不安定を回避できるという優れたプロセスの制御装置および制御方法の提供が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
本発明は、複数の制御因子によりプロセス条件を所定の範囲に制御するための制御装置および制御方法であって、少なくとも2つの相反するプロセスの制御因子が切り替わる境界においてハンチングが生じたり、不必要な流体のチャージやパージ、加熱や冷却等により制御が不安定となったり、不経済な運転となり得る場合に好適に適用することができる。
【0011】
本発明が適用されるプロセスにおける制御因子の数は、該プロセス条件を一定範囲に制御するための複数の制御因子のうち、逆方向の効果をもたらす少なくとも2つの相反するプロセス制御因子を含むn個(n≧2の整数)である。この2つの相反するプロセス制御因子は、独立して制御する手段として設けられる。即ち、一定範囲に制御されるべき1つのプロセス条件に対して、少なくとも2つの相反するプロセス制御因子に制御手段として独立したコントローラーが設置される。独立したコントローラーを設置することにより、少なくとも2つの相反するプロセス制御因子は、一定範囲内において独立した設定値にて制御され、スプリット制御におけるような相反する2つの制御因子のハンチングを防止することができる。
【0012】
各々の制御因子の設定値は、プロセスの安定上必要な差をつけて設定することが望ましい。設定値に差をつけない場合、スプリット制御と同様に相反する2つの制御因子がハンチングを生じるためである。また、相反しない他の複数の制御因子がある場合は、制御因子に好ましい優先順位を設定し、優先順位の高い制御因子が先に制御動作に寄与するように設定値を設定することが望ましい。そうすることにより、よりプロセスが経済的、安定的に制御可能となる。
【0013】
本発明の実施に際して、一定範囲に制御されるべき設定範囲および各々の制御因子の設定値としてプロセス安定上必要な差は、当該プロセスの特性に応じて、プロセスの変動を吸収し、流体のチャージやパージ、加熱や冷却等が効果的に行われるように自由に設定することができる。
【0014】
調節されるべきプロセス条件は、1つの指示計に複数のコントローラーを設置してもよいし、複数の指示計に単独のコントローラーを設置してもよい。さらに、1つの指示計に複数のコントローラーをもつものと、単独のコントローラーを持つものを組合せたり、複数のコントローラーを持つ指示計を複数設置してもよいが、コントローラーの数は最大でn個である。即ち、n個の制御因子をそれぞれ単独のコントローラーで制御する場合の最大の必要コントローラー数がn個であって、単独で制御することが重要でない制御因子や、単独制御が必要でない制御因子は従来のスプリット制御と組合せることで、コントローラーの数を減らすことができることを意味する。また、本発明にプロセス条件を一定範囲に調整する以外の目的でハイセレクターやローセレクターによる割り込みコントローラーを付加してコントローラー数をn個以上とした場合でも、本発明の範囲に含まれる。
【0015】
本発明で設置されるコントローラーは、機械的に独立した調節器を設置してもよいし、一般にDCSと呼ばれるコンピューター制御システム等でソフトウェア的に設置してもよいが、新たな設備を必要としないソフトウェアによる設置が好ましい。
【0016】
本発明で制御されるべきプロセス条件に特に限定はないが、圧力計、液面計、温度計等一般的なプロセスの制御に幅広く適用することができる。
【0017】
本発明が最も効果的に適用されるプロセス制御方法の1つは、圧力制御である。プロセスの圧力を一定範囲に制御するための少なくとも2つの制御因子のうち1つが加圧に寄与する因子で、1つが減圧に寄与する因子である。例えば、設定の圧力を下回れば、加圧源の調圧弁で加圧するように設定し、設定圧力を上回れば脱圧弁または減圧弁で減圧するように互いに独立して設定することにより、圧力が適正に制御される。加圧方法としては、加圧流体のチャージや蒸留塔におけるコンデンサーの伝面制御が挙げられ、減圧方法としては、脱圧弁の開放やスチームエジェクターの負荷調節弁の制御が挙げられるが、これらは当該プロセスにとって、最も都合のよい方法を組合せることができる。加圧、減圧が実施されるそれぞれの設定圧力は、プロセスの許容範囲内で上限と下限として決定してよいが、前記のとおり、ハンチングが生じないよう差を持たせて設定する。
【0018】
本発明が最も効果的に適用されるプロセス制御方法の他の1つは、液位制御である。プロセスの液位を一定範囲に制御するための少なくとも2つの制御因子のうち1つが液位の上昇に寄与する因子で、1つが液位の低下に寄与する因子である。例えば、設定液位を下回れば流体のチャージ弁で液面を上昇させるように設定し、設定液位を上回れば流体パージ弁で液面を低下させるように互いに独立して設定することにより、液位が適正に制御される。また、別のケースでは、液位を低下させる制御因子として、加熱・蒸発量を増やして液面を下げる因子を選択することも可能であろう。流体のチャージに複数の供給源から液体が供給される場合、例えば、プロセスの回収水と外部からのフレッシュ水が供給されるような例では、プロセスの回収水を優先的に使用し、フレッシュ水の使用を最少としたほうが経済的である場合が多い。具体的に述べると、優先的にプロセスの回収水が使用されるように、回収水のコントローラーの液位設定値をフレッシュ水のコントローラーの液位設定値よりも高く設定することで、回収水を優先的にプロセスの液位調節に用いることが可能となり、回収水をすべて使用してもなお液位が維持できない場合のみフレッシュ水を受けこむような経済的な運転が可能となる。本発明によれば、このような組み合わせを自由に選択することができるので、当該プロセスにとって最も都合の良い方法を組合せて最適化を図ることができる。
【0019】
本発明が最も効果的に適用される他のプロセス制御方法は、温度制御である。プロセスの温度を一定範囲に制御するための少なくとも2つの制御因子のうち1つが高温流体のチャージや加熱器の負荷を上げるのに寄与する因子で、1つが低温流体のチャージや冷却器の負荷を上げるのに寄与する因子である。例えば、設定の温度を下回れば高温流体のチャージや加熱器の負荷を上げるように設定し、設定の温度を上回れば、低温流体のチャージや冷却器の負荷を上げるように互いに独立して設定することにより、温度が適正に制御される。プロセスの温度を測定する温度計は、1つの温度計に複数のコントローラーを設置してもよいし、複数の位置に温度計を設置して別々のコントローラーとしてもよい。温度計はしばしば温度分布の把握のため、同一プロセス内の複数位置に設置されたり、信頼性アップのためにダブルエレメントを採用したりするが、その場合は温度計を追加するための新たなコストアップが発生しないため、別々の温度計にコントローラーを設置することが多い。
【実施例】
【0020】
以下、具体的な実施例に基づき、発明の詳細を説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例1
図1に示した圧力を一定範囲に制御するプロセス容器において、気液混合流体101が流入する容器102の圧力を以下のようにして制御する。圧力計105を一定範囲に制御するための加圧に寄与する因子として加圧気体供給ライン108、および減圧に寄与する因子として、パージライン109にそれぞれ制御弁を設け、容器の圧力コントローラー106の設定値を1600kPaG、圧力コントローラー107の設定値を1700kPaGに設定して圧力制御する。その結果、不必要なパージによるガスのロスを減らすことができる。
【0021】
実施例2
図2に示した、バッファードラム201の液位を一定範囲に制御してプロセス水を反応器に供給する水循環システムの、バッファードラム201の液位を以下のように制御する。バッファードラム201へ液を受け込むラインとして、フレッシュ水202の受け込みラインと循環水203の受け込みラインを設置する。バッファードラムから液を払い出すラインとして、プロセス水204を反応器205に供給するラインと排水206を系外へ抜き出すラインを設置する。このとき、バッファードラム201の液位を一定範囲に制御するための液位上昇に寄与する因子として、フレッシュ水202の受け込みラインと循環水203の受けこみラインにそれぞれ制御弁を設置し、液位低下に寄与する因子として排水206を系外211へ抜きだすラインに制御弁を設置する。バッファードラムの液位計207にコントローラーを3つ設置し、それぞれ、液位コントローラー208の液位設定を30%として、フレッシュ水202の供給量を調節し、液位コントローラー209の液位設定を50%として循環水203の供給量を調節し、さらに液位コントローラー210の液位設定を70%として、排水206の系外パージ量を調節する。これにより、水の補給が必要な場合は優先的に循環水203の供給量によって液位を制御し、液位が許容値を下回った場合にフレッシュ水202を供給し、許容値を超えた場合にのみ過剰な水を排水206としてパージすることで最大限循環水203を利用することが可能となり、不要な排水を削減することができる。
【0022】
実施例3
図3に示した、温度を一定範囲に制御するプロセス容器301において、容器301の温度を以下のように制御する。容器301の上部から原料液302を加熱器303で加熱して供給し、容器301下部から抜き出し液305を抜き出す。容器301の内部には冷却のための内部熱交換器306を設置する。このとき、容器301の温度を一定範囲に制御するための温度上昇に寄与する因子として、加熱器303へ供給する蒸気ライン304、および温度低下に寄与する因子として、熱交換器306へ供給する冷媒ライン307に制御弁を設置し、それぞれ、容器の温度計308に設置されたコントローラー309の温度設定値を111.5℃として加熱器303で使用する蒸気量を制御し、別の温度計310に設置されたコントローラー311の温度設定値を112℃として熱交換器306へ供給される冷媒量を制御する。これにより、不要な蒸気使用を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】圧力制御の例を示すプロセスの概略図
【図2】液位制御の例を示すプロセスの概略図
【図3】温度制御の例を示すプロセスの概略図
【符号の説明】
【0024】
101…気液混合流体、102…容器、103…抜き出し液、104…気相ライン、105…圧力計、106…加圧気体供給ラインの圧力コントローラー、107…パージラインの圧力コントローラー、108…加圧気体供給ライン、109…パージライン
201…バッファードラム、202…フレッシュ水、203…循環水、204…プロセス水、205…反応器、206…排水、207…液位計、208…液位コントローラー、209…液位コントローラー、210…液位コントローラー、211…系外
301…プロセス容器、302…原料液、303…加熱器、304…蒸気ライン、305…抜き出し液、306…熱交換器、307…冷媒ライン、308…温度計、309…温度コントローラー、310…温度計、311…温度コントローラー

【出願人】 【識別番号】000002093
【氏名又は名称】住友化学株式会社
【出願日】 平成18年6月20日(2006.6.20)
【代理人】 【識別番号】100093285
【弁理士】
【氏名又は名称】久保山 隆

【識別番号】100113000
【弁理士】
【氏名又は名称】中山 亨

【識別番号】100119471
【弁理士】
【氏名又は名称】榎本 雅之


【公開番号】 特開2008−3661(P2008−3661A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−169708(P2006−169708)