プロセス制御

プロセス制御：プラント産業を支える技術

プロセス制御とは、化学プラントや電力プラントといった大規模なシステムを安定的に運用するための制御技術です。これらのプラントでは、原料から高付加価値な製品を生み出すことが目的となります。そのため、流量、温度、圧力といった運転条件を精密に制御し、製品の品質、生産量、プラント全体の安定性と安全性を確保することが不可欠です。

プロセス制御においては、PI制御やPID制御が広く用いられており、全体の7割以上を占めると言われています。近年では、より高度な制御技術であるモデル予測制御なども導入され始めています。なお、部品加工や組立といった、物理的な工程の制御は、通常はプロセス制御とは呼ばれません。

プロセス制御の進化：手動からコンピュータ制御へ

初期のプロセス制御は、運転員が計器の指示を見ながらバルブなどの操作装置を手動で調整するものでした。これは人手と時間のかかる作業であり、制御精度も高くありませんでした。

1922年に発表されたマイノースキーによるPID制御の原理を基に、1936年には空気式PID調節器が開発されました。これが自動制御の始まりとなり、プラントの自動化が加速しました。その後、効率化と安定化のため、計器類を一箇所に集めた中央計器室が導入されましたが、空気圧信号を用いていたため、伝送距離や小型化に制約がありました。プラントの大型化に伴い、空気圧信号から電気信号へと移行し、より柔軟な制御が可能となりました。

コンピュータ制御の登場は、プロセス制御に革命を起こしました。当初は価格と信頼性の問題から導入が限定的でしたが、[マイクロプロセッサ]]の発展により、分散型制御システム]が開発されました。DCSは複数の[[マイクロプロセッサを分散配置することで、コスト削減と信頼性向上を実現し、コンピュータ制御の普及を促進しました。1975年に登場したDCSは、その後長年に渡り計装システムの中核を担いました。

プロセス制御系設計の課題

プロセス制御システムの設計には多くの課題があります。特に、以下の点が挙げられます。

複雑なモデル構築: プラントの挙動を正確に表現するモデルを作成することが困難です。プラントは多くの変数と非線形な関係を持つ複雑なシステムであるためです。
非線形特性: 多くのプロセスは非線形な特性を示し、線形モデルでは近似できない場合があります。そのため、制御設計が複雑になります。
時間変化特性: プロセスの特性は、時間とともに変化します。摩耗や経年劣化、原料の変化などが原因となります。
外乱の影響: 外部から様々な外乱がプロセスに影響を与えます。これらを予測し、制御することが重要です。

これらの課題に対処するために、高度な制御アルゴリズムや、より詳細なプラントモデルの開発が必要とされています。

関連分野

プロセスシステム工学
制御[[工学]]
化学[[工学]]
化学工業
制御システム
分散制御システム
* SCADA

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