高度なプロセス制御

制御理論において、高度プロセス制御（APC）とは、産業プロセス制御システムに実装される幅広い技術と手法を指します。高度プロセス制御は通常、基本プロセス制御に加えてオプションとして導入されます。基本プロセス制御は、基本的な操作、制御、および自動化の要件を満たすために、プロセス自体と共に設計・構築されます。高度プロセス制御は、通常、プロセスの特定の性能向上や経済性改善の機会に対応するために、後から、多くの場合長年にわたって追加されます。

プロセス制御（基礎および応用）は通常、化学、石油化学、石油・鉱物精製、食品加工、医薬品、発電などを含むプロセス産業を指します。これらの産業は、自動車や電子機器製造のような個別部品製造とは異なり、連続プロセスと流体処理を特徴としています。プロセスオートメーションという用語は、基本的にプロセス制御と同義です。

プロセス制御（基本制御および高度制御）は、プロセス制御システム内で実装されます。プロセス制御システムとは、分散制御システム（DCS）、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）、および／または監視制御コンピュータを指します。DCSとPLCは通常、産業用途向けに堅牢で耐障害性を備えています。監視制御コンピュータは、堅牢性や耐障害性を備えていない場合が多いですが、制御システムに高度な計算能力をもたらし、重要ではあるものの重要ではない高度な制御アプリケーションをホストします。高度な制御は、アプリケーションに応じて、DCSまたは監視コンピュータのいずれかに配置されます。基本制御は、DCSとそのサブシステム（PLCを含む）に配置されます。

以下は、よく知られている高度なプロセス制御の種類の一覧です。

• 高度制御（ARC）とは、オーバーライドや適応ゲインなど、実績のある高度な制御技術を指します（いずれの場合も「制御またはフィードバック」を意味します）。ARCはまた、他のどのカテゴリにも当てはまらない、カスタマイズされた、あるいは複雑な技術全般を指す包括的な用語でもあります。ARCは通常、DCSレベルでファンクションブロックまたはカスタムプログラミング機能を使用して実装されます。場合によっては、ARCは監視制御コンピュータレベルに実装されます。
• 高度プロセス制御（APC）とは、フィードフォワード制御、デカップリング制御、推論制御など、実績のある高度な制御技術を指します。APCには、後述するモデル予測制御も含まれます。APCは通常、DCSレベルでファンクションブロックまたはカスタムプログラミング機能を使用して実装されます。場合によっては、APCは監視制御コンピュータレベルで実装されます。
• 多変数モデル予測制御（MPC）は、監視制御コンピュータに実装されることが多い、広く普及している技術です。MPCは、重要な独立変数と従属変数、およびそれらの間の動的な関係（モデル）を特定し、多くの場合、行列演算に基づく制御および最適化アルゴリズムを使用して複数の変数を同時に制御します。MPCの要件の1つは、モデルがコントローラの動作範囲全体にわたって線形である必要があることです。MPCは、1980年代に監視コンピュータが制御システムに必要な計算能力を初めて導入して以来、APCの重要な部分を占めてきました。
• 非線形MPCは、動的モデルと行列演算に基づく制御を取り入れている点で多変数MPCと類似していますが、モデルの線形性を必要としません。非線形MPCは、プロセスゲインやダイナミクス（すなわち、むだ時間や遅延時間）が変化するモデルを持つプロセスにも対応できます。
• 推論制御：推論制御の概念は、温度や圧力など、容易に入手可能なプロセス測定値から流体特性を算出することです。これらの測定値は、リアルタイムで直接測定するにはコストや時間がかかりすぎる場合があります。推論の精度は、定期的に実験室分析によって相互検証できます。推論による測定値は、オペレーターへの情報提供、ベースレイヤーのプロセスコントローラへのカスケード接続、または多変数コントローラの制御変数（CV）など、実際のオンライン分析装置の代わりに利用できます。
• シーケンシャル制御とは、連続的なプロセス内で発生する、時間およびイベントに基づく不連続な自動化シーケンスを指します。これらは、時間およびロジック機能ブロックの集合、カスタムアルゴリズム、または形式化されたシーケンシャル機能チャート手法として実装できます。
• インテリジェント制御とは、ニューラルネットワーク、ベイズ確率、ファジー論理、機械学習、進化的計算、遺伝的アルゴリズムなど、さまざまな人工知能コンピューティング手法を用いる制御技術の一種である。

以下の技術はAPCに関連しており、場合によってはAPCの一部とみなされることもありますが、一般的にはそれぞれ独立した技術であり、独自のWiki記事を持つ（または独自の記事が必要な）ものです。

• 統計的プロセス管理（SPC）は、その名称とは裏腹に、連続プロセス管理よりも個別部品製造やバッチプロセス管理においてより一般的に用いられています。SPCにおける「プロセス」とは、連続プロセス管理ではなく、作業および品質管理プロセスを指します。
• バッチプロセス制御（ANSI/ISA-88を参照）は、多くの医薬品、化学薬品、食品などの非連続バッチプロセスで採用されています。
• シミュレーションベースの最適化は、動的または定常状態のコンピュータベースのプロセスシミュレーションモデルを組み込み、リアルタイム（つまり、1時間ごとから1日ごと）でより最適な運転目標を決定します。これはAPCの一部とみなされることもありますが、実際にはまだ発展途上の技術であり、MPOの一部となることが多いです。
• 製造計画および最適化（MPO）とは、最適な操業目標に到達するための継続的なビジネス活動を指し、その目標は、手動で、または場合によってはプロセス制御システムに自動的に伝達され、操業組織に実装される。
• 安全計装システムとは、物理的にも管理的にもプロセス制御システムから独立したシステムであり、プロセスの基本的な安全性を確保することを目的とするシステムを指す。

APCアプリケーションの設計、実装、保守を担当する人々は、一般的にAPCエンジニアまたは制御アプリケーションエンジニアと呼ばれます。通常、彼らの学歴は専門分野によって異なります。例えば、プロセス産業では、多くのAPCエンジニアが化学工学のバックグラウンドを持ち、プロセス制御と化学処理に関する専門知識を兼ね備えています。

石油精製所などの大規模な操業施設では、現場計測機器、制御システム（DCSおよびPLC）、高度なプロセス制御、制御システムネットワークおよびセキュリティなど、さまざまな分野にわたる多数の制御システム専門家やプロフェッショナルが雇用されています。施設の規模や状況に応じて、これらの担当者は複数の分野を担当する場合もあれば、各分野に専任で従事する場合もあります。各分野におけるサポートやサービスを提供するプロセス制御サービス会社は数多く存在します。

プロセス制御における人工知能、機械学習、深層学習技術の利用は、高度なプロセス制御手法の一つと考えられており、知能を用いて運用パラメータをさらに最適化するものである。

数十年にわたり、石油・ガス業界のプロセス制御システムの運用とロジックは、物理方程式に基づいてパラメータを規定し、オペレーターの経験と操作マニュアルに基づく操作と連動していました。人工知能と機械学習アルゴリズムは、動的な運用条件を調べ、分析し、ロジックパラメータを直接調整したり、オペレーターに提案したりできる最適化されたパラメータを提案できます。このようなインテリジェントモデルによる介入は、コスト、生産性、安全性の最適化につながります。^{[ 1 ]}

• APC：フィードフォワード、デカップリング、推論、カスタムアルゴリズムを含む高度なプロセス制御。通常はDCSベースを意味する。
• ARC：高度な制御制御。適応ゲイン、オーバーライド、ロジック、ファジーロジック、シーケンス制御、デバイス制御、カスタムアルゴリズムなどを含む。通常はDCSベースを意味する。
• ベースレイヤー：DCS、SIS、フィールドデバイス、および分析装置、機器状態監視システム、PLCなどのその他のDCSサブシステムが含まれます。
• BPCS：基本プロセス制御システム（「ベースレイヤー」を参照）
• DCS：分散制御システム。BPCSと同義語として使われることが多い。
• MPO：製造計画と最適化
• MPC：多変数モデル予測制御
• SIS：安全計装システム
• SME：主題分野の専門家

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