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産業プロセス制御（IPC）または単にプロセス制御とは、現代の製造業で使用されるシステムであり、制御理論と物理的な産業制御システムの原理を用いて、制御アルゴリズムを使用して連続的な産業生産プロセスを監視、制御、最適化します。これにより、工場内の産業機械がスムーズかつ安全に稼働し、エネルギーを効率的に使用して原材料を高品質の完成品に信頼性の高い一貫性をもって変換し、エネルギーの無駄と経済的コストを削減することが保証されます。これは、人間の手動制御だけでは達成できないことです。[ 1 ]
IPCでは、制御理論は、フィードバックループ、安定性解析、コントローラ設計などの概念を利用して、システムの動特性を理解し、結果を予測し、所定の目標を確実に達成するための制御戦略を設計するための理論的枠組みを提供します。一方、自動化技術に基づくIPCの物理的な装置は、いくつかのコンポーネントで構成されています。まず、センサーのネットワークが、さまざまなプロセス変数（温度、圧力など）と製品品質変数を継続的に測定します。プログラマブルロジックコントローラ（PLC、小規模で複雑でないプロセス用）または分散制御システム（DCS、大規模または地理的に分散したプロセス用）は、送信されたこのセンサーデータを分析し、制御アルゴリズムと呼ばれる一連の命令または数学モデルを使用して、それを事前に定義された設定値と比較します。そして、これらの設定値からの逸脱（たとえば、温度が設定値を超えた場合）があった場合は、バルブ（たとえば、温度制御用の冷却バルブ）、モーター、ヒーターなどのアクチュエータを介して迅速に修正調整を行い、プロセスを目的の動作範囲に戻します。これにより、測定、比較、制御動作、再評価の連続的な閉ループサイクルが生成され、プロセスが確立されたパラメータ内に留まることが保証されます。HMI（ヒューマンマシンインターフェース）は、IPCシステムの「コントロールパネル」として機能し、少数の人間のオペレーターがプロセスを監視し、調整に関する情報に基づいた意思決定を行うことができます。[ 1 ] IPCは、単一のプロセス容器（工業プロセスで材料を混合、分離、反応、または保管するための制御環境タンク）の温度とレベルの制御から、数千の制御フィードバックループを備えた完全な化学処理プラントまで、幅広い範囲に及びます。
IPCは製造企業にいくつかの重要なメリットをもたらします。主要なプロセス変数を厳密に制御することで、エネルギー使用量の削減、廃棄物の最小化、ダウンタイムの短縮による効率の最大化とコスト削減に貢献します。また、変動の少ない一貫した製品品質の向上を保証し、顧客満足度を高め、企業の評判を強化します。潜在的な問題を早期に検知して作業者に警告することで安全性を向上させ、事故、機器の故障、プロセスの中断、高額なダウンタイムを防止します。リアルタイムで収集された膨大なデータから傾向や挙動を分析することで、エンジニアは改善すべき領域を特定し、制御戦略を洗練させ、データ駆動型アプローチを用いて生産効率を継続的に向上させることができます。[ 1 ]
IPCは、精密な制御が重要な幅広い産業で使用されています。[ 2 ]アプリケーションは、単一のプロセス容器の温度とレベルの制御から、数千の制御ループを備えた完全な化学処理プラントまで多岐にわたります。自動車製造では、IPCは溶接や塗装などのプロセスを綿密に制御することで、一貫した品質を保証します。鉱業では、IPCが鉱石破砕を監視し、コンベアベルトの速度を調整して最大生産量を達成することで、作業が最適化されます。浚渫では、IPCによる吸引圧力、浚渫深度、堆積物排出率の精密な制御により、効率的で持続可能な作業が実現します。パルプおよび製紙では、IPCを活用して化学プロセス（pHや漂白剤濃度など）を制御し、抄紙機の操作を自動化して紙の水分含有量と乾燥温度を制御し、一貫した品質を実現します。化学プラントでは、温度、圧力、反応速度を制御することで、化学物質の安全かつ効率的な生産を保証します。石油精製所では、IPCを使用して原油をガソリンやその他の石油製品にスムーズに変換します。発電所では、継続的な電力供給に必要な安定した運転条件の維持に役立ちます。食品および飲料の製造においては、一貫した食感、安全性、品質を確保するのに役立ちます。製薬会社は、救命薬を安全かつ効果的に製造するためにこれに頼っています。大規模な産業プロセス制御システムの開発は、そうでなければ経済的にも安全にも運用できなかった大規模で複雑なプロセスの設計を可能にする上で重要な役割を果たしてきました。[ 3 ]
初期のプロセス制御における画期的な進歩は、水制御装置の形で最も頻繁に現れた。紀元前3世紀には、アレクサンドリアのクテシビオスが水時計の水位を調整するためのフロートバルブを発明したとされている。紀元1世紀には、アレクサンドリアのヘロンが現代のトイレで使用されている給水バルブに似た水バルブを発明した。[ 4 ]
後期のプロセス制御の発明には、基本的な物理原理が関係していました。1620年、コルネリス・ドレッベルは炉内の温度を制御するためのバイメタル式サーモスタットを発明しました。1681年、ドニ・パパンは容器の蓋の上に重りを置くことで容器内の圧力を調整できることを発見しました。[ 4 ] 1745年、エドモンド・リーは風車の効率を向上させるためにファンテールを考案しました。ファンテールとは、風車の面が向かってくる風に直接向くように、大型のファンの90°の角度で配置された小型の風車のことです。
1760年代の産業革命の幕開けとともに、プロセス制御の発明は、人間の作業員を機械化されたプロセスに置き換えることを目的としていました。1784年、オリバー・エバンスは、バケツとスクリューコンベアを使用して動作する水力製粉機を開発しました。ヘンリー・フォードは、自動車生産プロセスにおける人間の介入を減らすために組立ラインを開発した1910年に、同じ理論を応用しました。[ 4 ]
連続的に変化するプロセス制御に関しては、ロシア系アメリカ人のエンジニア、ニコラス・ミノルスキーが理論解析を用いて、現在ではPID制御または3項制御と呼ばれるものの正式な制御法則を初めて開発したのが1922年のことでした。[ 5 ]ミノルスキーは米国海軍の自動操舵装置を研究・設計しており、操舵手の観察に基づいて解析を行いました。操舵手は現在の航路誤差だけでなく、過去の誤差や現在の変化率に基づいて操舵していることにミノルスキーは気づきました。[ 6 ]その後、ミノルスキーはこれを数学的に扱いました。[ 7 ] 彼の目標は一般的な制御ではなく安定性であり、これにより問題が大幅に単純化されました。比例制御は小さな外乱に対しては安定性を提供しましたが、定常的な外乱、特に強風（定常状態誤差による）に対処するには不十分であり、積分項を追加する必要がありました。最後に、安定性と制御性を向上させるために微分項が追加されました。
大規模工業プラントのプロセス制御は、多くの段階を経て進化してきました。当初、制御はプロセスプラントのローカルパネルから行われていました。しかし、これには分散したパネルを管理するために多くの人員が必要であり、プロセス全体を俯瞰することはできませんでした。次の論理的な発展は、すべてのプラント計測値を常駐スタッフのいる中央制御室に送信することでした。これは事実上、すべてのローカルパネルを一元化することであり、人員削減とプロセスの容易な概観という利点がありました。多くの場合、コントローラは制御室パネルの背後にあり、すべての自動および手動制御出力がプラントに送り返されました。しかし、この構成は中央制御の焦点を提供する一方で、各制御ループに独自のコントローラハードウェアがあり、プロセスのさまざまな部分を確認するためにオペレーターが制御室内を絶えず移動する必要があったため、柔軟性に欠けていました。
電子プロセッサとグラフィックディスプレイの登場により、これらの個別コントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入出力ラックのネットワーク上でホストされるコンピュータベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になった。[ 8 ]これらは工場全体に分散配置され、制御室のグラフィックディスプレイと通信できる。分散制御システム（DCS）が誕生した。
DCSの導入により、カスケードループやインターロックなどのプラント制御の相互接続と再構成が容易になり、他の生産コンピュータシステムとのインターフェースも容易になりました。また、高度なアラーム処理が可能になり、イベントの自動ログ記録が導入され、チャートレコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御ラックをネットワーク化してプラントの近くに配置することで配線距離を短縮でき、プラントの状態や生産レベルの概要を俯瞰的に把握できるようになりました。
添付の図は、プロセッサとコンピュータによる制御を用いた大規模プロセスにおける機能的な製造レベルを示す一般的なモデルです。
図を参照すると、レベル 0 には、流量センサーや温度センサー (プロセス値読み取り値 - PV) などのフィールド デバイス、および制御弁などの最終制御要素 (FCE) が含まれます。レベル 1 には、工業化された入出力 (I/O) モジュールと、それに関連する分散型電子プロセッサが含まれます。レベル 2 には、システム上のプロセッサ ノードからの情報を収集し、オペレータ制御画面を提供する監視コンピュータが含まれます。レベル 3 は生産制御レベルで、プロセスを直接制御するのではなく、生産の監視と目標の監視に関係します。レベル 4 は生産スケジューリング レベルです。
あらゆるプロセスの基本モデルを決定するために、システムの入力と出力は、他の化学プロセスとは異なる方法で定義されます。[ 9 ]バランス方程式は、物質入力ではなく、制御入力と出力によって定義されます。制御モデルは、システムの挙動を予測するために使用される一連の方程式であり、変化に対する応答がどうなるかを判断するのに役立ちます。状態変数 (x) は、温度 (エネルギーバランス)、体積 (質量バランス)、濃度 (成分バランス) など、システムの状態の適切な指標となる測定可能な変数です。入力変数 (u) は、一般的に流量を含む指定された変数です。
流入量と流出量はどちらも制御入力とみなされます。制御入力は、操作変数、外乱変数、または監視対象外変数に分類できます。パラメータ（p）は通常、容器の容積や材料の粘度など、システムに対して固定された物理的な制約です。出力（y）は、システムの挙動を判断するために使用される指標です。制御出力は、測定済み、未測定、または監視対象外に分類できます。
プロセスは、バッチ式、連続式、またはハイブリッド式に分類できます。[ 10 ]バッチ式アプリケーションでは、特定の量の原材料を特定の方法、特定の期間で組み合わせて中間製品または最終製品を生成する必要があります。1つの例として、接着剤や糊の製造があり、通常、一定量の最終製品を形成するために、原材料を加熱容器内で一定時間混合する必要があります。その他の重要な例としては、食品、飲料、医薬品の製造があります。バッチ式プロセスは、一般的に、年間で比較的少量から中量の製品（数ポンドから数百万ポンド）を生産するために使用されます。
連続的な物理システムは、時間的に滑らかで途切れない変数によって表現されます。たとえば、加熱ジャケット内の水温の制御は、連続プロセス制御の一例です。重要な連続プロセスには、燃料、化学薬品、プラスチックの製造などがあります。製造業における連続プロセスは、年間で非常に大量の製品（数百万ポンドから数十億ポンド）を生産するために使用されます。このような制御では、PIDコントローラなどのフィードバックが使用されます。PIDコントローラには、比例、積分、微分コントローラ機能が含まれています。
バッチ処理制御と連続処理制御の要素を併せ持つアプリケーションは、しばしばハイブリッドアプリケーションと呼ばれる。
あらゆる産業用制御システムの基本的な構成要素は制御ループであり、これは1つのプロセス変数のみを制御します。添付の図はその一例で、パイプ内の流量がPIDコントローラによって制御され、バルブの正確な位置決めを確保するために、実質的にカスケード接続されたバルブサーボコントローラのループによって補助されています。
大規模なシステムでは、数百または数千の制御ループが存在する場合があります。複雑なプロセスでは、ループは相互に作用するため、あるループの動作が別のループの動作に影響を与える可能性があります。制御ループを表すシステム図は、配管計装図（PID）です。
一般的に使用される制御システムには、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）、分散制御システム（DCS）、またはSCADAなどがあります。
別の例を挙げます。タンク内の液面レベルを一定に保つために制御弁を使用する場合、液面コントローラーは液面センサーの読み値を液面設定値と比較し、液面レベルを一定に保つために弁の開度を増やすべきか減らすべきかを判断します。その後、カスケード接続された流量コントローラーが弁位置の変化を計算します。
バッチ式および連続式プロセスで製造される多くの製品の経済性から、利益率が低いため、非常に効率的な運転が求められます。プロセス制御における競合要因は、製品が満足できるものであるためには、特定の仕様を満たさなければならないことです。これらの仕様は、材料または製品の特性の最小値と最大値、または特性が収まるべき範囲の 2 つの形式で表されます。[ 11 ]すべてのループは外乱の影響を受けやすいため、外乱によって材料または製品が仕様から外れないように、プロセス設定値にバッファを使用する必要があります。このバッファには経済的なコストがかかります (つまり、追加の処理、プロセス条件の上昇または低下の維持など)。
プロセスの効率は、製品仕様を満たすために必要なマージンを減らすことで向上させることができます。[ 11 ]これは、プロセスの制御を改善して、プロセスへの外乱の影響を最小限に抑えることで実現できます。効率は、分散を縮小し、目標をシフトするという 2 段階の方法で改善されます。[ 11 ]マージンは、さまざまなプロセスのアップグレード (機器のアップグレード、制御方法の強化など) によって縮小できます。マージンが縮小したら、プロセスについて経済分析を行い、設定点の目標をどのようにシフトするかを決定できます。保守的でないプロセス設定点は、経済効率の向上につながります。[ 11 ]効果的なプロセス制御戦略は、それを採用する製造業者の競争優位性を高めます。