JP3251541B2 - プロセスの自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセスの自動制
御装置に関し、更に詳細には、回分運転方式で運転され
るプラントの運転制御に最適であって、回分運転毎の製
品の品質のバラツキを無くし、かつプラントの生産性を
向上させる運転制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化学プラントの運転方式は、連続運転方
式と回分運転方式とに大別される。連続運転方式は、原
料を一定流量で送りつつ各工程を順次工程専用の機器で
実施するようにした、少品種の大量生産に向く方式であ
って、プラントの運転時には時間の経過にかかわらずプ
ラント内の主要運転条件の各々がそれぞれ一定である方
式である。更に言えば、連続運転方式は、例えば、原料
から化学反応により反応生成物を得る場合、原料を一定
流量でプラントに送入し、先ず加熱器で所定の反応温度
に昇温させ、次いで昇温した原料を反応器に送入し、原
料が反応器を通過する間に化学反応を進行、完結させ、
反応器を出たところで生成した反応生成物を得るように
した運転方式である。

【０００３】一方、回分運転方式は、複数の工程を一つ
の機器で実施するようにした、多品種の少量生産に向く
方式であって、プラントの主要運転条件が時間と共に変
化する方式である。更に言えば、回分運転方式は、例え
ば、原料から化学反応により反応生成物を得る場合、運
転毎にその運転で処理する原料の全量を一度に反応缶に
投入して加熱、昇温し、時間の経過に応じて反応缶内で
原料の化学反応を進行、完結させて、生成した反応生成
物を反応缶内に得る方式である。

【０００４】ところで、回分運転方式のプラントは、従
来、主として、オン・オフ制御又はＰＩＤ制御を基本制
御系としたアドバンスト制御により運転制御されてい
る。ここで、図６を参照しつつ、従来の回分運転方式の
プラントの運転制御について、説明する。図６（ａ）及
び（ｂ）は、それぞれ、オン・オフ制御型の回分運転方
式プラント及びＰＩＤ制御型の回分運転方式プラントの
構成を示すフローシートである。図６（ａ）に示すプラ
ント１０Ａは、原料Ａを発熱反応により反応生成物Ｂに
転化させる回分運転方式のプラントであって、原料Ａを
収容し、発熱反応を進行させて反応生成物に転化させる
反応器１２を備えている。反応器１２は、密閉式の縦型
容器であって、原料を送入する送入口１４を頭部に、反
応生成物を取り出す製品口１６を底部に、攪拌機１８を
内部に、それぞれ、備えている。

【０００５】原料が反応生成物に転化する際の発熱反応
により生じた熱により、反応器１０内の内容物（原料、
反応中間体及び反応生成物の混合物）の温度が上昇し、
反応生成物の品質が劣化したり、反応生成物の収率が低
下したりする。そのために、発熱反応の進行中、反応器
１０内の内容物から熱を奪って温度を適切な値に制御す
ることが必要である。そこで、本プラント１０Ａでは、
容器内の内容物の温度を計測する温度計２０を反応器１
２に、冷却水を流して反応器１２内の内容物を冷却する
ジャケット２２を反応器１２の外周に設け、温度計２０
を監視しつつ冷却水により反応器１０内の内容物を冷却
している。ジャケット２２は、冷却水をジャケット２２
に給水する冷却水給水管２４と接続した給水口２６を底
部に、冷却水のオーバーフロー排出口２８を上部に備
え、給水された冷却水は、ジャケット２２内の加温した
冷却水を置換する形で排出口２８から押し出す。冷却水
給水管２４には、冷却水弁３０が設けてある。本プラン
ト１０Ａでは、温度計２０により反応器１０内の内容物
の温度を計測し、内容物の温度の高低に応じて冷却水弁
３０を開閉し、それにより冷却水を給水、停止して内容
物の温度を制御するオン・オフ制御により、内容物の温
度を制御している。

【０００６】図６（ｂ）に示すプラント１０Ｂは、プラ
ント１０Ａと同様に、原料Ａを発熱反応により反応生成
物Ｂに転化させる回分運転方式のプラントであって、反
応器１０内の内容物の温度をＰＩＤ制御により制御して
いることを除いて、プラント１０Ａの構成と同じであ
る。本プラント１０Ｂでは、温度計２０と、冷却水給水
管２４に設けられた流量調節弁３２と、反応器１２内の
内容物の温度が目標値になるように、温度計２０の計測
値に基づいて、流量調節弁３２の弁開度を調整して冷却
水の流量を調節するＰＩＤ調節計３４を備えている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した回
分運転方式のプラントでは、反応器内の内容物の熱容量
が大きいために、冷却水を流しても、内容物の温度が低
下するまでの時間遅れが大きく、また、反応の進行と共
に、即ち運転時間の経過と共に時間遅れも変化する。ま
た、反応器内の原料と反応生成物の割合が、反応の進
行、即ち運転時間の経過と共に変化するので、発熱反応
により発生する熱量も運転時間の経過と共に変化し、従
って、反応器内の内容物の温度の変化速度も時間と共に
変化する。その結果、冷却に要する冷却水の量も運転時
間の経過と共に変化することになる。

【０００８】回分運転方式のプラントに特有な以上のよ
うな理由から、上述の回分運転方式のプラントに対して
施した従来の温度制御方法には、以下のような問題があ
った。先ず、オン・オフ制御の場合、遅れ時間及び冷却
水の給水量を算定する際、一応の算定基準はあるもの
の、オペレータの個人的経験と勘に頼っている部分も多
いので、制御効果に個人差が生じたり、回分運転毎に反
応器の内容物の温度履歴が変動したりして、反応生成物
の品質がばらついたり、品質管理が難しかったりするこ
とが多かった。また、遅れ時間を大きく算定し勝ちであ
るために、むだ時間が多くなり、反応生成物の品質に影
響が生じたり、プラントの生産性が低下したりすること
も多かった。逆に、遅れ時間を小さく算定し、冷却水の
給水操作を頻繁に行ったために、内容物の温度が過大に
低下し、反応速度が遅くなるというようなこともあっ
た。ＰＩＤ制御等の場合には、必要な制御性を達成する
ことが現実には難しく、手動運転に切り替えることを余
儀なくされることが多かった。

【０００９】以上のように、回分運転方式のプラントに
対する従来の運転制御方法は、制御効果にバラツキが生
じ、必ずしも満足できる方法ではなかった。そこで、本
発明の目的は、連続運転方式及び回分運転方式の別な
く、明確な運転基準に従って、高い制御性を維持しつつ
プラントの運転を制御できる制御装置を提供することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプロセスの自動制御装置は、原料をプ
ロセス処理して製品化するプラント又はプラントを構成
する機器（以下、プラント又はプラントを構成する機器
をプラントと総称する）の運転を制御する装置であっ
て、プラント内の制御対象体のプロセス状態量の目標値
と、プロセス状態量を変化させる起因となる操作の量的
大きさとして規定した設定操作量と、プラントに設定操
作量の操作を施した後に操作の効果が制御対象体に生じ
るまでの遅れ時間として規定した設定待機時間とを記憶
する記憶手段と、プラントに設けられた計測手段から制
御対象体のプロセス状態量の計測値を得る計測値取得手
段と、記憶手段から読み出した設定待機時間が経過した
時点毎に、計測値取得手段により得た計測値と記憶手段
から読み出した目標値とを比較し、計測値が目標値から
乖離しているときは、記憶手段から設定操作量を読み出
し、プラントに設けられた操作手段にプラントを設定操
作量だけ操作するように指令を出す制御手段とを備え、
プラントの操作手段を介してプラントを操作して制御対
象体のプロセス状態量を目標値に制御することを特徴と
している。

【００１１】本発明でいうプロセス状態量とは、制御対
象体の状態を示す計測可能な物理的量であって、例えば
制御対象体の温度、圧力、濃度、ｐＨ等を言う。制御対
象体とは、そのプロセス状態量を目標値に制御する対象
物であって、例えば、原料を反応生成物に転化させる反
応の場合には、原料自体であったり、原料、中間生成物
及び反応生成物の混合物であったりする。プラントに設
けられた計測手段とは、制御対象体のプロセス状態量を
計測する計器等を言う。プラントの操作手段とは、制御
対象体のプロセス状態量を変化させるようにプラントを
操作する手段をいい、例えば温度を制御対象体のプロセ
ス状態量とするときには、制御対象体を冷却する冷却水
の給水手段、或いは制御対象体を加熱する加熱手段をい
う。

【００１２】操作量とは、プロセス状態量を変化させる
ために、プラントの操作手段を介してプラントに施した
操作の量的大きさを規定するものであって、例えば温度
を制御対象体のプロセス状態量とするときには、給水手
段として設けられた給水管の給水弁を所定弁開度で開放
して冷却水を給水し、冷却水により制御対象体の温度を
制御する際の給水弁の開放時間を言う。待機時間とは、
プラントに設定操作量の操作を施した後、操作の効果が
生じるまでの時間をいう。例えば温度を制御対象体のプ
ロセス状態量とするときには、所定の弁開度で設定時間
の間、給水弁を開放して冷却水を流したのち、制御対象
体に温度変化が現れるまでの時間をいう。乖離している
かどうか判断する際には、偏差量を設定し、プロセス状
態量の計測値がその偏差量以上に目標値から乖離してい
るときに、乖離していると判断するようにしても良い。

【００１３】本発明で使用する記憶手段、計測値取得手
段及び制御手段は、既知のコンピュータを使用すること
により実現できる。本発明に係るプロセスの自動制御装
置は、回分運転方式及び連続運転方式の別なく、機械加
工を除くプロセスプラント又は化学プラントに適用でき
るが、制御対象体のプロセス状態量が時間と共に変動す
る、回分運転方式のプラントに最適である。回分運転方
式のプラントに適用した場合には、プラントの運転条件
が運転時間の経過と共に変動することを考慮して、目標
値、設定操作量及び設定待機時間の少なくとも一つが、
基準時からの経過時間に対する相関関係に従って設定さ
れていても良く、また、設定操作量及び設定待機時間の
少なくとも一つが、プロセス状態量の目標値と計測値と
の偏差の大きさに対する相関関係に従って設定されてい
ても良い。

【００１４】以上の構成から明らかなように、本発明に
係るプロセスの自動制御装置は、いわゆる、プラントの
コンピュータ支援型運転制御装置である。本運転制御装
置は、計測値取得手段によってプラントの計測手段から
プロセス状態量の計測値を取得し、記憶手段から読み出
した目標値と比較する。計測値が目標値から乖離してい
るときには、記憶手段から設定操作量を読み出し、プラ
ントに設けられた操作手段に設定操作量だけプラントを
操作するように指令を出す。設定待機時間を記憶手段か
ら読み出し、設定待機時間が経過した毎に、以上の操作
を繰り返す。これにより、本発明に係る運転制御装置
は、プラントの操作手段を介してプラントを操作し、設
定値に基づいて、即ち明確な運転基準に従って、時間遅
れなく連続的に制御対象体のプロセス状態量を目標値に
制御することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例１ 本実施形態例は、本発明に係るプロセスの自動制御装置
を図６の前述した反応プラントに適用した例である。図
１は反応プラントに適用した本実施形態例のプロセスの
自動制御装置の模式図、図２は本実施形態例のプロセス
の自動制御装置のハードウエアの構成を示す模式図、図
３は本実施形態例のプロセスの自動制御装置に設けられ
たコンピュータにより運用される制御プログラムの構成
を示すブロック図、及び図４は制御プログラムのフロー
を示すフローチャートである。本実施形態例のプロセス
の自動制御装置４０は、図１に示すように、図６で説明
した回分運転方式のプラント１０に設けられた運転制御
装置であって、温度計２０、及び冷却水給水管２４に設
けられた流量調節弁３２と協働して反応器１２内の制御
対象体、即ち原料Ａと反応生成物Ｂの混合物の温度を制
御している。

【００１６】運転制御装置４０のハードウエア的構成
は、図２に示すように、制御プログラムを運用するため
に設けられた、既知の構成のコンピュータからなる制御
コンピュータ４２と、温度計２０及び流量調節弁３２と
制御コンピュータ４２との間で信号の授受を行うために
入出力インターフェースとして設けられ入出力モジュー
ル４４と、オペーレータがプロセス状態量の目標値、設
定操作量、設定待機時間等のデータを入力するキーボー
ド４６と、及び入出力データ等を表示するＣＲＴモニタ
４８とからなり、それらは、オペレータコンソール（図
示せず）上に配置されている。

【００１７】制御コンピュータにより運用される制御プ
ログラムの要部は、図３に示すように、反応器１２内で
製造される製品の品種（図３では、簡単にａ、ｂ、ｃの
３種のみ図示）、即ち反応生成物の種類毎に設定されて
いるデータを格納しているデータベース５２と、データ
ベース５２から必要なデータを取得して記憶し、また温
度計２０から入力された計測値を一時的に記憶するデー
タバッファ５４と、及びデータバッハァ５４からデータ
を読み出し、そのデータを基にして運用される制御プロ
グラム５６とから構成されている。

【００１８】データベース５２に格納される設定データ
は、運転データと、制御チューニングパラメータとに大
別される。運転データは、例えば反応器１２内の内容物
の温度の目標値であり、制御チューニングパラメータ
は、例えば流量調節弁３２の設定弁開度、流量調節弁３
２の開放期間、待機時間（即ち、流量調節弁３２の閉止
期間）等である。本例では、操作とは、流量調節弁３２
を開放して冷却水をジャケット２２に導入する操作であ
って、操作の量的大きさを規定する設定操作量は、設定
弁開度と設定開放期間である。データベース５２に格納
される目標値、流量調節弁３２の設定弁開度及び設定開
放期間、設定待機時間（即ち、流量調節弁３２の閉止期
間）等は、キーボード４６を介して入力され、温度の計
測値は、入出力モジュール４４を介して温度計２０から
入力され、データバッファ５４に一時的に記憶される。

【００１９】設定操作量に関するデータは、反応器１２
での原料Ａの投入から反応生成物Ｂの抜き出しまで同じ
値である必要はなく、基準時からの経過時間に対する相
関関係、例えば原料Ａの投入時とか冷却開始時からの経
過時間に対する相関関係に従って時々刻々変わる値であ
っても良い。また、設定操作量に関するデータは、目標
値と温度計測値との偏差の大きさに関係させても良い。

【００２０】制御プログラム５６は、例えば、図４に示
されるようなフローチャートにより進行する。温度制御
を開始した時点で直ちに、ステップＳ₁ に移行する。ス
テップＳ₁ では、反応器１２内の内容物の温度の目標値
と計測値とをデータバッファ５４から受け取り、計測値
と目標値とを比較し、計測値が目標値より高いかどうか
判断する。計測値が目標値より高いときには、ステップ
Ｓ₂ に移行し、計測値が目標値よりと同じか又は低いと
きにはステップＳ₁ ′に移行する。ステップＳ₁ ′は待
機ステップであって、所定時間、待機した後、再びステ
ップＳ₁ に戻る。所定時間を設定待機時間と同じ長さの
時間にしても良い。ステップＳ₂ では、設定弁開度及び
設定開放期間をデータバッファ５４から読み出して、流
量調節弁３２に指令を出し、流量調節弁３２を設定弁開
度で開放し、設定開放期間の経過後にステップＳ₃ に移
行する。ステップＳ₃ では、流量調節弁３２を閉止し、
ステップＳ₄ に移行する。ステップＳ₄ では、待機ステ
ップであって、データバッファ５４から設定待機時間を
読み出して、その待機時間が経過した後、再び、ステッ
プＳ₁ に戻る。以下、上述のルーチンを繰り返して、反
応器１２内の内容物の温度制御を行う。

【００２１】以上のルーチンによる温度制御では、ステ
ップＳ₂ で流量調節弁３２の設定開放期間の間、冷却水
が所定弁開度に見合う流量でジャケット２２に導入さ
れ、ジャケット１２内の加温された同量の冷却水を押し
出すようにしてオーバーフロー排出口２８から排出す
る。これにより、ジャケット２２内の冷却水の温度が低
下し、反応器１２内の内容物を冷却して降温させること
ができる。

【００２２】以上のように、本実施形態例では、ジャケ
ット２２内の加温された冷却水を低温の冷却水で置換
し、低温の冷却水で反応器１２内の内容物の温度を降温
する際、制御チューニングパラメータとして、製品毎の
性状及び発熱量の違いに対応して、製品品種毎に流量調
節弁３２の弁開度と開放時間とを設定操作量として設定
し、また、操作の効果が現れる待機時間を製品銘柄毎に
設定している。また、運転データとして目標値を製品品
種毎に設定している。そして、計測値が目標値を超えて
いるときに、設定操作量だけプラントを操作し、次いで
待機時間だけ待機し、再びプラントを操作している。こ
れにより、従来はオペレータの個人的経験や勘に頼って
いた反応器１２内の内容物の温度制御を、設定操作量と
設定待機時間に基づいて、即ち明確な運転基準に基づい
て自動的かつ連続的に行うことができるので、製品の品
質が安定し、収率が向上する。また、待機時間、即ち待
ち時間を実績データに基づいて設定、管理しているの
で、プラントの制御性及び生産性が向上する。

【００２３】実施形態例２ 本実施形態例は、ｐＨを一定にする必要のある回分運転
方式の反応プラントに本発明に係るプロセスの自動制御
装置を適用した例である。図５はそのような反応プラン
トに本発明に係るプロセスの自動制御装置を適用した本
実施形態例の構成を示すブロック図である。図５に示す
プラント６０は、原料Ａと原料Ｂとを反応させて反応生
成物Ｃに転化させる回分運転方式のプラントであって、
原料Ａと原料Ｂとが反応して反応生成物Ｃに転化する
際、ｐＨが増大して収率を低下させる傾向があるので、
随時、希塩酸水溶液を注入してｐＨを一定の値に維持す
る必要がある。そこで、本実施形態例では、原料Ａと原
料Ｂとを反応させて反応生成物Ｃに転化する反応器６２
に、流量調節弁６４を備えた希塩酸水溶液の注入管６
６、及びｐＨ計６８を設け、運転制御装置７０によりｐ
Ｈ制御している。

【００２４】本実施形態例は、ｐＨ計６８及び流量調節
弁６４を実施形態例１の温度計２０及び流量調節弁３２
に置き換えることにより、実施形態例１と同様にして、
運転制御装置７０により反応器６２内の内容物のｐＨを
所定の値に制御することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、プロセス状態量び目標
値と計測値とを比較し、計測値が目標値から乖離してい
るときは、プラントの操作手段を介して設定操作量だけ
プラントを操作し、設定待機時間の経過後に、再び同じ
ルーチンを行うことにより、設定された明確な基準に基
づいて自動的かつ連続的にプロセス状態量を制御するこ
とができるので、製品の品質が安定してバラツキがなく
なり、また収率が向上する。また、待機時間、即ち制御
の待ち時間をデータに基づいて設定、管理しているの
で、プラントの制御性及び生産性が向上する。更に、言
えば、待機時間を規定して、設定操作量を操作すること
により、短い時間内にプロセス状態量を安定して制御す
ることができる。また、操作に対する応答が現れるまで
の遅れ時間を待機時間により補償しているので、操作量
が過大になって、不都合な影響を反応に与えるようなこ
とが生じない。更には、設定因子が、操作量と待機時間
の２点であるから、設定し易い。

【図面の簡単な説明】

【図１】回分運転方式のプラントに本発明に係るプロセ
スの自動制御装置を適用した実施形態例１の構成を示す
模式図である。

【図２】本実施形態例のプロセスの自動制御装置のハー
ドウエアの構成を示す模式図である。

【図３】本実施形態例のプロセスの自動制御装置に設け
たコンピュータにより運用される制御プログラムの構成
を示すブロック図である。

【図４】制御プログラムのフローチャートである。

【図５】回分運転方式のプラントに本発明に係るプロセ
スの自動制御装置を適用した実施形態例２の構成を示す
模式図である。

【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来の温
度制御方式を有する回分運転方式のプラントの構成を示
す模式図である。

【符号の説明】

１０Ａ、Ｂ 回分運転方式のプラント １２ 反応器 １４ 送入口 １６ 製品口 １８ 攪拌機 ２０ 温度計 ２２ ジャケット ２４ 冷却水給水管 ２６ 給水口 ２８ オーバーフロー排出口 ３０ 冷却水弁 ３２ 流量調節弁 ３４ ＰＩＤ調節計 ４０ プロセスの自動制御装置の実施形態例 ４２ 制御コンピュータ ４４ 入出力モジュール ４６ キーボード ４８ ＣＲＴモニタ ５２ データベース ５４ データバッファ ５６ 制御プログラム ６０ プラント ６２ 反応器 ６４ 流量調節弁 ６６ 注入管 ６８ ｐＨ計 ７０ 自動制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−257541（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−114503（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−76814（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 23/02 G05D 21/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料をプロセス処理して製品化するプラ
   ント又はプラントを構成する機器（以下、プラント又は
   プラントを構成する機器をプラントと総称する）の運転
   を制御する装置であって、 プラント内の制御対象体のプロセス状態量の目標値と、
   プロセス状態量を変化させる起因となる操作の量的大き
   さとして規定した設定操作量と、プラントに設定操作量
   の操作を施した後に操作の効果が制御対象体に生じるま
   での遅れ時間として規定した設定待機時間とを記憶する
   記憶手段と、 プラントに設けられた計測手段から制御対象体のプロセ
   ス状態量の計測値を得る計測値取得手段と、 記憶手段から読み出した設定待機時間が経過した時点毎
   に、計測値取得手段により得た計測値と記憶手段から読
   み出した目標値とを比較し、計測値が目標値から乖離し
   ているときは、記憶手段から設定操作量を読み出し、プ
   ラントに設けられた操作手段にプラントを設定操作量だ
   け操作するように指令を出す制御手段とを備え、制御対象体が回分運転方式で運転されるプラントで処理
   されているものであって、制御対象体のプロセス状態量
   が時間と共に変動し、かつ、目標値、設定操作量及び設
   定待機時間の少なくとも一つが、基準時からの経過時間
   に対する相関関係に従って設定されていて 、 プラントの操作手段を介してプラントを操作して制御対
   象体のプロセス状態量を目標値に制御することを特徴と
   するプロセスの自動制御装置。