工业高效生产的先进过程控制系统详解
过程控制系统概述
过程广义指利用资源转化投入为产出的操作。资源提供转化所需能量。工业语境下“过程控制”中的“过程”指改变精炼固/液/气/流体/浆态原料制成指定性能终产品的方法。原料在过程中输送、计量、混合、加热/冷却、过滤、储存、处理以获期望输出，经历理化变化。工厂通常运行多个过程，各具特定动态（时变）行为支配转化，动态特性由投入理化性质、资源及过程本身决定。
过程控制定义与目标
过程控制指控制制造过程中过程变量的方法。即操纵最终控制元件改变被操纵变量，维持过程变量在期望设定点。变量可存在于投入、参数、输出。控制目的：减小变异获一致质量、提高产率、增效、环保、保障人机安全。可控过程必须可预测：给定操纵变量变化，过程变量以可预测一致方式响应。
过程控制系统五大目标：
- 维持过程参数在严限内获一致规格产品，失控则质量波动甚至拒收
- 保障人员、设备、环境安全
- 实现并最大化设备生产率从而增产
- 确保原料、能源、公用工程消耗在工艺规范范围内
- 在环境约束下控制生产成本，不妥协安全与质量
过程运行与扰动
过程需在设定参数内稳定运行。偏离设定参数称扰动，源于不可控投入变化：进料工况、公用工程压力温度、催化剂活性、传热效率等。扰动导致过程变量偏离、过程失稳。
过程变量分类
工业过程动态，控制系统双重任务：操作员(1)监控过程指标、(2)诱导变量改变改善工况。控制通过调整选定变量维持期望工况。用特定值/范围作为受控变量设定值。宜用最简系统达标。过程设计决定动态响应及可控性。过程通常四类变量：
- 输入变量：独立刺激过程系统诱导内部状态变化，可为操纵变量或扰动变量
- 输出变量：操作员获取过程内部状态信息的变量
- 控制变量：操作员操纵以维持过程受控的变量
- 状态变量：完整描述过程内部状态所需的最小变量集
监测与控制要素
操作员监控确保稳定产出。测量过程参数依赖仪表。每系统有控制计算（算法），结果实施使过程正常运行。控制仪表四件套：
- 传感器：视觉听觉等功能，测温/液位/流量/成分等。热电偶、差压计、气体分析仪等
- 传送器：如神经元，传递气信号/电信号等
- 控制器：大脑功能。气动、电子、数字计算机
- 最终控制元件：肌肉功能。调节阀、泵、压缩机、输送机、继电器开关等
控制要素框图见图1。
图1 各控制要素框图
控制的两大理由
- 扰动发生时维持测量变量在设定值
- 响应过程参数设定值变化
设定值为过程稳定生产合格品且经济安全环保所需值。
工程设计与仪表管理
厂房设备设计深度影响控制活动。过程需提供良好动态性能。所有仪表检测设备须定期正确校准，溯源国家标准。传感器要准快、容量匹配设备工艺需求。过程可人工或自动控制（配仪表）。多数自控用电子设备，用电流/电压电平表示通讯值。
良好过程控制要件
系统响应快、扰动少。响应快表现为受控变量对操纵变量调整快速反应，扰动频率随之降低。记住：参数可控前提是可测，故传感器选型布局至关重要。传感器须快速、可靠、足精度测量变量。
制造工艺