JP5046765B2

JP5046765B2 - プロセス制御システム

Info

Publication number: JP5046765B2
Application number: JP2007183476A
Authority: JP
Inventors: 健一佐野; 正雄小川; 恭輔村上; 貴之藤川
Original assignee: Asahi Breweries Ltd; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Asahi Breweries Ltd; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: JP2009020747A

Description

本発明は、２種類の流体の混合するプロセス制御システムに係わり、特に混合比が“１対１”のときでも、十分な流量の混合流体を確保させるプロセス制御システムに関する。

例えば、ビールの醸造工程には、２種類の流体を混合して所望の濃度、所望の温度の混合流体を製造する工程が存在する。このような２種類の流体を混合するプロセス制御システムとして、従来、図２に示すシステムがある。

この図に示すプロセス制御システム１０１は、第１流体、第２流体を混合して混合流体を生成する流体混合設備１０２と、流体混合設備１０２を制御して、設定された混合比で、第１流体、第２流体を混合させて、設定された流量の混合流体を生成させる制御装置１０３とを備えている。

流体混合設備１０２は、前段プロセスから供給される第１流体を取り込む第１流体管１０４と、第１流体管１０４に取り付けられ、制御装置１０３から供給される第１流体操作量に応じた流量だけ第１流体を通過させる流量調節弁１０５と、前段プロセスから供給される第２流体を取り込む第２流体管１０６と、第２流体管１０６に取り付けられ、制御装置１０３から供給される第２流体操作量に応じた流量だけ第２流体を通過させる流量調節弁１０７とを備えている。また、第１流体管１０４から供給される第１流体と第２流体管１０６から供給される第２流体とを混合させる混合流体管１０８と、混合流体管１０８に取り付けられ、制御装置１０３から供給される混合流体操作量に応じた流量だけ混合流体を通過させる流量調節弁１０９と、混合流体管１０８に取り付けられ、混合流体の流量を測定して、混合流体流量測定値を出力する流量センサ１１０と、混合流体管１０８に取り付けられ、混合流体の流量値以外の測定項目（濃度、温度などの別要素）を測定して、別要素測定値を出力する別要素センサ１１１とを備えている。

制御装置１０３は、別要素の設定値（別要素設定値）が設定される別要素設定器１１２と、別要素センサ１１１から出力される別要素測定値と別要素設定器１１２に設定された別要素設定値とを取り込んでＰＩＤ演算を行い、別要素操作量（混合比操作量）を出力する別要素ＰＩＤ演算部１１３と、別要素ＰＩＤ演算部１１３から出力される別要素操作量を第１流体操作量に変換する折線変換部１１４と、別要素ＰＩＤ演算部１１３から出力される別要素操作量を第２流体操作量に変換する折線変換部１１５と、混合流体の流量設定値が設定される流量設定器１１６と、流量センサ１１０から出力される混合流体流量測定値と流量設定器１１６に設定されている流量設定値とを取り込んで、ＰＩＤ演算を行い、混合流体操作量を出力する流量ＰＩＤ演算部１１７とを備えている
そして、別要素センサ１１１から出力される別要素測定値と、別要素設定器１１２に設定された別要素設定値とを使用したＰＩＤ演算、変換演算を行って、第１流体操作量、第２流体操作量を生成するとともに、これら第１流体操作量、第２流体操作量を第１流体管１０４、第２流体管１０６に取り付けられた各流量調節弁１０５、１０７に各々、供給し、第１流体、第２流体の混合比を制御する。また、この動作と並行し、流量センサ１１０から出力される混合流体流量測定値と、流量設定器１１６に設定されている流量設定値とを使用したＰＩＤ演算を行って、混合流体操作量を生成するとともに、この混合流体操作量を混合流体管１０８に取り付けられた流量調節弁１０９に供給し、混合流体の流量を制御する。
特開平０７−０７２９３４号公報

ところで、従来のプロセス制御システム１０１では、別要素ＰＩＤ演算部１１３から出力される別要素操作量が“１００％”であるとき、折線変換部１１４から出力される第１流体操作量を“１００％”にし、折線変換部１１５から出力される第２流体操作量を“０％”にする。また別要素ＰＩＤ演算部１１３から出力される別要素操作量が“０％”であるとき、折線変換部１１４から出力される第１流体操作量を“０％”にし、折線変換部１１５から出力される第２流体操作量を“１００％”にして、第１流体、第２流体の混合比を調整させるようにしている。このため、第１流体、第２流体の混合比が“１対１”のとき、第１流体管１０４、第２流体管１０６に取り付けられた各流量調節弁１０５、１０７の開度が各々“５０％”になり、十分な流量の混合流体を得ることができないという問題があった。

また、第１流体管１０４、第２流体管１０６、混合流体管１０８に各々、流量調節弁１０５、１０７、１０９を設けなければならないことから、設備コスト、メンテナンスコストを低く抑えることが難しく、流量調節弁の使用数を少なくしてコスト低減を図りたいという強い要望があった。

本発明は上記の事情に鑑み、各流体の混合比が、例えば“１対１”であるときでも、十分な流量の混合流体を確保することができるとともに、流量調節弁の使用数を減らして、設置コスト及びメンテナンスコストを低減させることができるプロセス制御システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、第１流体が流れる第１流体管と、第２流体が流れる第２流体管と、前記第１流体管と第２流体管との下流側に接続され、前記第１流体と第２流体が混合して流れる混合流体管とを備え、第１流体と第２流体とを混合して１つの混合流体を生成するプロセス制御システムにおいて、前記混合流体管に設置され、混合流体の流量を測定する流量センサと、前記第１流体管および第２流体管にそれぞれ設置され、前記第１流体および第２流体の流量を調節する各流量調節弁と、前記流量センサから出力される混合流体流量測定値と予め設定されている混合流体流量設定値とに基づき、混合流体操作量を演算する混合流体流量演算系と、前記混合流体管に設置され、前記混合流体の流量とは別の要素を測定する別要素センサと、この別要素センサから出力される混合流体の別要素測定値と予め設定されている別要素設定値とに基づき、第１流体と第２流体の混合比を演算する混合比演算系と、前記混合比演算系で得られた混合比に応じて、前記混合流体流量演算系で得られた混合流体操作量を前記第１流体及び前記第２流体に分配して、前記各流量調節弁に対する各流量操作量を演算する流体流量演算系とを備えたことを特徴としている。

この場合、前記流体流量演算系は、各流体の流量操作量を演算する際、前記混合比演算系で得られる混合比に対応する上限リミット値を求め、この上限リミット値により、前記流体流量演算系で得られる混合流体操作量を上限リミットした後、上限リミット済みの混合流体操作量を各流体に分配して、各流体の流量操作量を演算するようにしている。

本発明によるプロセス制御システムでは、各流体の混合比が“１対１”であるときでも、十分な流量の混合流体を確保させることができるとともに、流量調節弁の使用数を低減させて、設置コスト、メンテナンスコストを低減させることができる。

図１は本発明によるプロセス制御システムの一実施形態を示す概略構成図である。

この図に示すプロセス制御システム１は、第１流体、第２流体を混合して混合流体を生成する流体混合設備２と、流体混合設備２を制御して、設定された混合比で、第１流体、第２流体を混合させて、設定された流量の混合流体を生成させる制御装置３とを備えている。

流体混合設備２は、前段プロセスから供給される第１流体を取り込む第１流体管４と、第１流体管４に取り付けられ、制御装置３から供給される第１流体操作量に応じた流量だけ第１流体を通過させる流量調節弁５と、前段プロセスから供給される第２流体を取り込む第２流体管６と、第２流体管６に取り付けられ、制御装置３から供給される第２流体操作量に応じた流量だけ第２流体を通過させる流量調節弁７とを備えている。また、第１流体管４から供給される第１流体と第２流体管６から供給される第２流体とを混合させる混合流体管８と、混合流体管８に取り付けられ、混合流体の流量を測定して混合流体流量測定値を出力する流量センサ９と、混合流体管８に取り付けられ、混合流体の流量値以外の測定項目（濃度、温度、導電率、成分値などの別要素）を測定して別要素測定値を出力する別要素センサ１０とを備えている。

制御装置３はＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）で構成でき、混合流体の流量設定値ＳＶ１が設定される流量設定器１１と、流量センサ９から出力される混合流体流量測定値ＰＶ１と流量設定器１１に設定されている流量設定値ＳＶ１とを取り込んでＰＩＤ演算を行い、混合流体操作量ＭＶ１を出力する流量ＰＩＤ演算部１２と、流量ＰＩＤ演算部１２から出力される混合流体操作量ＭＶ１に予め設定されている係数“２”を乗算して、第１流体の流量、第２流体の流量を各々、最大出力“１００％”にするのに必要な混合流体操作量を出力する乗算器１３とを備えている。また、別要素の設定値（別要素設定値）ＳＶ２が設定される別要素設定器１４と、別要素センサ１０から出力される別要素測定値ＰＶ２と別要素設定器１４に設定された別要素設定値ＳＶ２とを取り込んでＰＩＤ演算を行い、別要素操作量（混合比操作量）ＭＶ２を出力する別要素ＰＩＤ演算部１５と、予め設定されている係数“１００”から別要素ＰＩＤ演算部１５で得られた別要素操作量を減算して、“１００％”に対する別要素操作量の補数値を出力する減算器１６と、減算器１６から出力される補数値、別要素ＰＩＤ演算部１５で得られた別要素操作量のうち、大きい方を選択し、最大別要素操作量として出力するハイセレクタ１７とを備えている。

さらに、制御装置３は、ハイセレクタ１７から出力される最大別要素操作量で、予め設定された最大別要素操作量係数“１００００”を除算して、最大別要素操作量の逆数を出力する除算器１８と、除算器１８から出力される最大別要素操作量の逆数を使用して、乗算器１３から出力される混合流体操作量の上限値側をリミットし、第１流体の流量、第２流体の流量が各々、“１００％”を越えないようにするリミッタ１９と、最大別要素操作量係数“１００００”と対応するように設定されている係数“０．０１”とリミッタ１９から出力されるリミット処理済みの混合流体操作量と別要素ＰＩＤ演算部１５から出力される別要素操作量とを乗算して、第１流体操作量を出力する乗算器２０と、最大別要素操作量係数“１００００”と対応するように設定されている係数“０．０１”とリミッタ１９から出力されるリミット処理済みの混合流体操作量と減算器１６から出力される補数値とを乗算して、第２流体操作量を出力する乗算器２１とを備えている
上記構成において、流量ＰＩＤ演算部１２は、流量センサ９から出力される混合流体流量測定値ＰＶ１と流量設定器１１に設定されている流量設定値ＳＶ１とを使用したＰＩＤ演算を行って混合流体操作量ＭＶ１を生成する。また、乗算器１３は、混合流体操作量ＭＶ１に対して予め設定されている係数“２”を乗算して、第１流体の流量、第２流体の流量を各々、最大出力“１００％”にするのに必要な混合流体操作量を生成する。

一方、この動作と並行し、別要素ＰＩＤ演算部１５は、別要素センサ１０から出力される別要素測定値ＰＶ２と別要素設定器１４に設定された別要素設定値ＳＶ２とを使用したＰＩＤ演算を行って別要素操作量ＭＶ２を生成する。また、減算器１６は、予め設定されている係数“１００”から別要素ＰＩＤ演算部１５で得られた別要素操作量を減算する補数演算を行って別要素操作量の補数値を生成する。ハイセレクタ１７は、別要素操作量、別要素操作量の補数値のうち、大きい方を選択する。また、除算器１８は、最大別要素操作量係数“１００００”に対する逆数を演算する。そして、リミッタ１９は、除算器１８から出力される逆数を用いて乗算器１３から出力される混合流体操作量の上限値側をリミットする。

さらに、乗算器２０は、予め設定されている係数“０．０１”と、リミット処理済みの混合流体操作量と、別要素ＰＩＤ演算部１５から出力される別要素操作量を乗算して、第１流体操作量を生成する。また、乗算器２１は、予め設定されている係数“０．０１”と、リミット処理済みの混合流体操作量と、減算器１６から出力される補数値とを乗算して、第２流体操作量を生成する。そして、これら第１流体操作量、第２流体操作量を第１流体管４、第２流体管６に取り付けられた各流量調節弁５、７に各々、供給し、第１流体、第２流体の混合比、混合流体の流量を制御する。

このように、この実施形態では、流量ＰＩＤ演算部１２、乗算器１３などによって構成される混合流体流量演算系によって、流量センサ９で得られた混合流体の流量測定値と予め設定されている混合流体流量設定値とを使用したＰＩＤ演算、２倍演算を行い、混合流体操作量を演算するとともに、別要素ＰＩＤ演算部１５、減算器１６などによって構成される混合比演算系によって、別要素センサ１０で得られた混合流体の別要素と予め設定されている要素設定値とを使用したＰＩＤ演算を行い、第１流体、第２流体の混合比を示す別要素操作量（混合比操作量）、補数値を演算し、ハイセレクタ１７、除算器１８、リミッタ１９、乗算器２０、２１などによって構成される流体流量演算系によって、混合比演算系で得られた混合比に応じて、混合流体流量演算系で得られた混合流体操作量を第１流体、第２流体に分配し、これら第１流体、第２流体の流量操作量を演算するようにしているので、第１流体、第２流体の混合比が“１対１”であるときでも、十分な流量の混合流体を確保させることができるとともに、流量調節弁の使用数を低減させて、設置コスト、メンテナンスコストを低減させることができる。

また、この実施形態では、流体流量演算系によって、第１流体、第２流体毎の流量操作量を演算する際、混合比演算系で得られる混合比に対応する上限リミット値を求め、この上限リミット値で、流体流量演算系で得られる２倍化された混合流体操作量の上限側をリミットした後、上限リミット済みの混合流体操作量を第１流体、第２流体に分配して、第１流体、第２流体毎の流量操作量を演算するようにしているので、混合流体流量操作量を第１流体、第２流体に分配する際、各流量調節弁５、７の開度が“１００％”以上にならないように規制しつつ、第１流体、第２流体の混合比が“１対１”であるときでも、十分な流量の混合流体を確保させることができる。また、流量調節弁の使用数を低減でき、設置コスト、メンテナンスコストを低減することができる。

次に、本発明の実施形態を具体例を用いて説明する。なお、図１において、第１流体、第２流体ともに、流量調節弁５，７が開度１００％のとき、合流後の流量センサ９が最大レンジでの流量を得られるとします。また、第１流体１と第２流体の混合においては、要求比率を保持することをプロセスの最優先の目的とする。

＜具体例１＞
流量ＰＩＤ演算部１２からの制御出力を“１００％”、濃度や温度などの別要素の制御ループを構成する別要素ＰＩＤ演算部１５からの制御出力を“５０％”とした場合、乗算器１３の演算結果“２００”と除算器１８の演算結果“２００（＝１００００／５０）”は同値となるため、リミッタ１９からは“２００”が出力される。別要素ＰＩＤ演算部１５からの、第１流体の流量調節弁５及び第２流体の流量調節弁７への要求比率は“５０：５０”となるため、流量調節弁５，流量調節弁７へはそれぞれ”１００（＝５０×２００×０．０１）％”出力がされる。これにより、流量要求に対してフルレンジでの制御が可能となる。

これに対して図２に示す従来制御では、流量ＰＩＤ演算部１１７の演算結果により流量調節弁１０９は“１００％”全開となるが、別要素ＰＩＤ演算部１１３からの第１流体の流量調節弁１０５及び第２流体の流量調節弁１０６への制御出力はそれぞれ５０％”ずつとなるため、元流量が半分程度しか供給できないこととなる。

＜具体例２＞
流量ＰＩＤ演算部１２からの制御出力を“８０％”、別要素ＰＩＤ演算部１５からの制御出力を“６０％”とした場合、乗算器１３の演算結果“１６０”と除算器１８の演算結果“１６６．７（＝１００００／６０）”により、リミッタ１９からは“１６０が出力される。また、別要素ＰＩＤ演算部１５からの第１流体の流量調節弁５及び第２流体の流量調節弁７への要求比率は“６０：４０”となるため、流量調節弁５，７へはそれぞれ“９６％”，“６４％”が出力される。これにより、比率を保持しつつ流量要求に対してのフルレンジでの制御が可能となる。

これに対して図２に示す従来制御では、流量ＰＩＤ演算部１１７により流量調節弁１０９は８０％”開度となるが、別要素ＰＩＤ演算部１１３からの、第１流体の流量調節弁１０５及び第２流体の流量調節弁１０６への制御出力はそれぞれ“６０％”，“４０％”となるため、元流量が目的の６割強程度しか供給できないこととなる。

＜具体例３＞
流量ＰＩＤ演算部１２からの制御出力を“７５％”、別要素ＰＩＤ演算部１５からの制御出力を“７５％”とした場合、乗算器１３の演算結果“１５０（＝７５）×２）”と除算器１８の演算結果“１３３．３（＝１００００／７５）”により、リミッタ１９からは“１３３．３（＝４００／３）”が出力される。また、別要素ＰＩＤ演算部１５からの第１流体の流量調節弁５及び第２流体の流量調節弁７への要求比率は“７５：２５”となるため、流量調節弁５，７へはそれぞれ“１００％”，“３３．３％”が出力される。この場合、第１流体の流量調節弁５は１００％”開度となっており、比率を保持するために、流量調節弁７へは“３３．３％”までの制御出力に制限されることにより、流量としては目的の９割弱のレンジでの制御となる。

これに対して図２に示す従来制御では、流量ＰＩＤ演算部１１７により流量調節弁１０９は“７５％”開度となるが、別要素ＰＩＤ演算部１１３からの第１流体の流量調節弁１０５及び第２流体の流量調節弁１０６への制御出力はそれぞれ“７５％”，“２５％”となるため、元流量が目的の２／３程度しか供給できない。

＜具体例４＞
流量制御ループを構成する流量ＰＩＤ演算部１２からの制御出力を“６０％”、別要素ＰＩＤ演算部１５からの制御出力を“９０％”とした場合、乗算器１３の演算結果“１２０”と除算器１８の演算結果“１１１．１（＝１００００／９０）”により、リミッタ１９からは“１１１．１”が出力される。別要素ＰＩＤ演算部１５からの第１流体の流量調節弁５及び第２流体の流量調節弁７への要求比率は“９０：１０”となるため、流量調節弁５，７へはそれぞれ“９９．９％”，“１１．１％”が出力される。これにより、比率を保持しつつ流量要求に対してのフルレンジでの制御が可能となる。

これに対して図２に示す従来制御では、流量ＰＩＤ演算部１１７により流量調節弁１０９は“６０％”開度となるが、別要素ＰＩＤ演算部１１３からの、第１流体の流量調節弁１０５及び第２流体の流量調節弁１０６への制御出力はそれぞれ“９０％”，“１０％”となるため、元流量が目的の８割強程度しか供給できない。

＜具体例５＞
流量制御ループを構成する流量ＰＩＤ演算部１２からの制御出力を“５０％”、別要素ＰＩＤ演算部１５からの制御出力を“４０％”として場合、乗算器１３の演算結果“１００”と除算器１８の演算結果“２５０”により、リミッタ１９からは“１００”が出力される。また、別要素ＰＩＤ演算部１２からの第１流体の流量調節弁５及び第２流体の流量調節弁７への要求比率は“４０：６０”となるため、流量調節弁５は“４０％”，流量調節弁７は“６０％”の出力となる。これにより流量要求に対してフルレンジでの制御が可能となる。

これに対して図２に示す従来制御では、流量ＰＩＤ演算部１１７の演算結果により流量調節弁１０９は“５０％”開度に調節される。また、別要素ＰＩＤ演算部１１３からの第１流体の流量調節弁１０５及び第２流体の流量調節弁１０６への制御出力はそれぞれ“４０％”，“６０％”となり、流量要求に対してフルレンジでの制御となる。このように従来制御では、別要素制御の比率要求を満たして、かつ目的流量に対してフルレンジでの流量制御が行なえる場合はこの具体例５のように流量制御ループの制御出力が“５０％”以下の場合であり、本来の流量計のフルレンジでの制御は行なうことができない。

本発明によるプロセス制御システムの一実施形態を示す概略構成図である。従来から知られているプロセス制御システムの一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１：プロセス制御システム
２：流体混合設備
３：制御装置
４：第１流体管
５：流量調節弁
６：第２流体管
７：流量調節弁
８：混合流体管
９：流量センサ
１０：別要素センサ
１１：流量設定器（混合流体流量演算系）
１２：流量ＰＩＤ演算部（混合流体流量演算系）
１３：乗算器（混合流体流量演算系）
１４：別要素設定器（混合比演算系）
１５：別要素ＰＩＤ演算部（混合比演算系）
１６：減算器（流体流量演算系）
１７：ハイセレクタ（流体流量演算系）
１８：除算器（流体流量演算系）
１９：リミッタ（流体流量演算系）
２０：乗算器（流体流量演算系）
２１：乗算器（流体流量演算系）

Claims

第１流体が流れる第１流体管と、第２流体が流れる第２流体管と、前記第１流体管と第２流体管との下流側に接続され、前記第１流体と第２流体が混合して流れる混合流体管とを備え、第１流体と第２流体とを混合して１つの混合流体を生成するプロセス制御システムにおいて、
前記混合流体管に設置され、混合流体の流量を測定する流量センサと、
前記第１流体管および第２流体管にそれぞれ設置され、前記第１流体および第２流体の流量を調節する各流量調節弁と、
前記流量センサから出力される混合流体流量測定値と予め設定されている混合流体流量設定値とに基づき、混合流体操作量を演算する混合流体流量演算系と、
前記混合流体管に設置され、前記混合流体の流量とは別の要素を測定する別要素センサと、
この別要素センサから出力される混合流体の別要素測定値と予め設定されている別要素設定値とに基づき、第１流体と第２流体の混合比を演算する混合比演算系と、
前記混合比演算系で得られた混合比に応じて、前記混合流体流量演算系で得られた混合流体操作量を前記第１流体及び前記第２流体に分配して、前記各流量調節弁に対する各流量操作量を演算する流体流量演算系と、
を備えたことを特徴とするプロセス制御システム。
請求項１に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記流体流量演算系は、前記各流量調節弁に対する各流量操作量を演算する際、前記混合比演算系で得られる混合比に対応する上限リミット値を求め、この上限リミット値により、前記流体流量演算系で得られる混合流体操作量を上限リミットした後、上限リミット済みの混合流体操作量を前記第１流体及び前記第２流体に分配して、前記各流量調節弁に対する各流量操作量を演算する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。