図解：分割制御の原理と応用

Thread Content

この投稿は最終的にyunrunによって2020年6月18日15時58分に編集されました。ステップ制御は石油化学製造においてよく用いられる技術です。本稿では昌晖計器が、ステップ制御の原理とその応用について解説しており、計装技術者がステップ制御システムを構築し、効果的に活用するのに役立ちます。 分程制御 yunrun.com.cn/tech/2611.html 単純な負帰還制御系で、通常、調節器の制御出力は図1に示すように、1つのアクチュエータまたは制御バルブのみを制御する。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111756353175.png 図1 シングルループ制御系の制御ブロック図
http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111613141692.png 図2 調整弁を使用した場合の特性図
もし、1つの調節器の出力を2つの制御弁に同時に送ることができれば、図3および図4に示すような分割制御系を構成することができる。これら2つのバルブは並列で使用され、どちらもエアオン式バルブです。2つのバルブは、制御信号の異なる区間で全開から全閉まで、全行程を行う。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111627181650.png 図3 ステップ制御システムのブロック図 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111629546169.png 図4 ステップ制御システムの動作特性 空気式調節弁にはオープン型とクローズ型の2つの特性があるため、2つのバルブを組み合わせることで4種類の特性が生じる。図5～図8に示すように。図5と図6はバルブが同じ方向に動く様子を示し、図7と図8は2つのバルブの作用方向が逆である様子を示している。分割制御は2つ以上のバルブで共同で行うことも可能ですが、一般的には2つのバルブで分割して行われます。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111643377379.png http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111645371246.png 図5 図6 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111648000331.png http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111649004943.png 図7 図8 ステップ制御の応用 1. バルブの調整範囲の拡大 調整バルブによって、最小流量はQmin、最大流量はQmaxとして制御できる。このとき、調整範囲R＝Qmax/Qminと定義される。多くの国産バルブの調整範囲は30程度であり、場合によってはこれでは不十分である。負荷の大きな変動に対応し、制御品質を向上させるためには、ステップ制御を利用することができる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111643377379.png 上の図にある気開弁を例に分析すると、制御可能な最大流量は200、R=30であり、制御可能な最小流量は200/30=6.67となる。分割制御を採用すると、2つのバルブは異なる制御信号の範囲で動作する。これら2つのバルブを並列に接続して構成される、ステップ制御機能を持つ全体としては、最小流量Q′min=Qmin=6.67を制御できる；制御可能な最大流量はQ′max=2×Qmin=400です。すると、調整可能な比率R′=Q′max/Q′min=400/6.67=60となり、調整可能な比率が2倍に増加したことがわかる。 2、異なる動作モードの切り替え 工業生産の過程においては、図9～図10に示す例のように、異なる制御方式を使用する必要がある場合がある。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111712531944.png http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111722140027.png 図9 貯蔵タンクの窒素シール用段階制御方式（バルブAは気密型、バルブBは開放型） 図10 貯蔵タンクの窒素シール用段階制御特性図 窒素シールとは、一部の石油貯蔵タンクの上部に窒素を充填し、石油と空気中の酸素が接触するのを防ぐことを指す。タンクの上部は窒素で満たされ、わずかな正圧が保たれている。液面の変化に伴い、上部の圧力が変わります。 ◆液面が上昇すると圧力が上昇し、液面が下降すると圧力が下降する。窒素封入型の石油貯蔵タンクにおいて、圧力が過度に上昇したり下降したりすることは許されない。 ◆窒素封入の段階的制御プロセス：液面が上昇すると、バルブBが閉じ、バルブAが開き、窒素を排出して圧力を一定に保つ。◆液面が下降すると、バルブBが開き、バルブAが閉じ、窒素を補充して圧力を一定に保つ。◆液面が狭い範囲で変動する場合、圧力も同様に狭い範囲で変動し、制御システムは作動せず、窒素を補充も排出もしない。これを安全領域と呼ぶ。バルブの頻繁な動作を避け、システムの安定を維持できます。 3、生産プロセスの各段階でのニーズを満たすこと 熱を放出する化学反応の場合、反応の初期段階では反応を開始させるために原料を加熱する必要がある；放熱反応であるため、反応器内の熱は絶えず蓄積されていく。そのため、補償が必要な熱量は徐々に減少していき、放出される熱量が反応過程で必要とされる熱量を上回ると、もはや熱を供給することはできず、逆に反応過程で生じた余分な熱を取り除くために反応器を冷却する必要がある。このようなプロセスには、図11～図12に示す分割制御を用いることができる。 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111740500933.png http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111741591468.png 図11 間欠反応器の温度ステップ制御システム 図12 間欠反応器の温度ステップ制御システムの特性図 http://yunrun.com.cn/upload/201907/11/201907111749274616.png 図13 間欠反応器の温度ステップ制御システムのブロック図 説明：間欠反応器の温度ステップ制御システムにおいて、調節器はフィードバック型である；バルブA：エアシャットオフ；バルブB：エアオン；対象1：反作用；対象2：正の作用。間欠反応器の温度分割制御システムは、いずれかのバルブが動作している際も常に負帰還となる。 上記の3つのステップ制御の事例と関連するシステム図を踏まえると、皆さんはステップ制御の原理やステップ制御システムについて基本的な理解を得られたことでしょう。さらに、「ステップポイントの計算や決定ができなければ、ステップ制御を理解しているとは言えない」というステップ制御に関する記事もご覧になることをお勧めします