プロセス制御とは？【現役エンジニアが解説】

プロセス制御って何だろう？
ロボットや自動車の制御と何か違うのかな？

こんなお悩みを解決します。

どうも。こんにちは。
ケミカルエンジニアのこーしです。

本日は、「プロセス制御とは？」についてわかりやすく解説していきます。

私自身、学生時代は「プロセス制御」の重要性に全く気づいていませんでした。

しかし、実際の製造プロセスに携わることで、今後の製造技術を左右する重要な技術であることに気がつきました。

プロセス制御こそが、省エネ、脱炭素、環境問題などの解決策の一つになること間違いなしです。

これまでプロセス制御に興味がなかった方も、ぜひ一緒に勉強していきましょう！

この記事を書いた人

こーし(@mimikousi)

プロセス制御とは

プロセス制御とは、文字通りプロセスを対象とした制御のことです。

ここでいうプロセスとは、工業製品の「製造工程」のことを指します。

特に、石油・化学・鉄鋼・製紙・ガス・セメント・食品などの産業における「製造工程」をプロセスと呼びます。

「生命燃ゆ」という小説に、プロセス制御の重要性を端的に表す台詞がありましたので、紹介します。

化学プラントにおける計装・制御システムがなんであるかを頭にたたきこんだ上で運転操作するのと、そうでないのとでは、まるで違う。

引用　生命燃ゆ　高杉良著

「生命燃ゆ」は、実在の計装エンジニアをモデルに書かれた小説で、昭和電工の大分エチレンプラントの建設プロジェクトがモデルになっています。

仕事に対する姿勢など、小説から学べるところが多々ありました。

とにかく、プロセス制御は重要だということですね。

プロセスのブロックフロー

一般的なプロセスでは、ざっくり上図のような製造フローとなります。

よって、各工程の特徴について、下表にまとめてみました。

プロセスの各工程において、様々な製造装置が使用されています。

プロセス制御の制御対象

プロセスにおいては、物質の化学的・物理的変化により原材料を製品に変換しており、制御対象は主に下記の5つです。

他産業とは制御対象が異なるため、制御設計も他産業と異なってきます。

プロセス制御の目的

小説「生命燃ゆ」に、プロセス制御の目的について記載がありましたので紹介します。

一つは公害を発生させないことを含めて安全運転が行われなければならない。

二つには、安定した運転、

三つめは最適経済運転

計装・制御システムもこれらの目的を十分に果たすように構成されなければなりません。

引用　生命燃ゆ　高杉良著

３つめの「最適経済運転」というのが、大規模装置を伴うプロセス産業ならではの制御思想なのだと思います。

プロセス制御の目的をまとめると、下表の通りです。

化学プラントでは、制御の善し悪しで、大きく製造コストが異なります。
これは身をもって実感してますね！

こーし

プロセス制御の役割

上記の目的を果たすため、プロセス制御は各種の測定装置や調整弁、コンピュータを利用して、最適な操作を行います。

そして、プロセス制御の役割は下記の通りです。

大事なところなので、それぞれ詳しく見ていきます。

外乱の抑制

• 原料の特性
• ユーティリティ（冷却水・蒸気）の特性
• 天候・季節・外気温
• 触媒活性　など

大元の原料である石油は、産地によって組成が変わってきますので、組成の変化は外乱になります。

また、多くの原料は他社から購入した製品であり、品質のバラツキも存在します。

そして、計器の異常やバルブの流量特性の変化など、ありとあらゆる外乱が存在しています。

よって、これらの外乱に対して、適切な操作をする必要があります。

大雨で熱媒が急激に冷えたり、昼夜の気温差や気圧の変化で挙動が変わるのは、プラントあるあるですね！

こーし

プロセスの安定化

実際のプロセスでは、不安定な定常状態で運転することが多いです。

例えば、反応器の場合、低温だと反応速度が急激に低下し、逆に高温だと触媒が劣化してしまうことがあります。

つまり、温度変化があると、高温低温どちらに進もうが反応器は不安定になってしまいます。

よって、反応器の温度を設定値付近で制御し続ける必要があります。

運転の最適化

省エネ運転やオフスペック品の最小化など、プロセスを「経済的最適運転」するためにもプロセス制御は必須となります。

これまでのプロセス制御は、「安定化」が主目的となっていましたが、技術が進むにつれて「経済的最適化・環境影響の最小化」が主目的となっています。

プロセス制御の実例

上図は、蒸留塔周りのフロー図です。

上図のプロセスでは、液体原料1を反応器の液面見合いで供給し、気体原料2と接触させます。

そして、反応器から流量制御で蒸留塔に供給し、蒸留塔では、下記のような制御を行っています。

• 塔底温度の温度制御（カスケード制御）
• 缶出液は液面制御
• 還流量は、流量制御
• 留出液量は、液面制御（カスケード制御）

減圧蒸留や加圧蒸留であれば、塔頂の圧力制御をすることもあります。

また、加熱蒸気や還流量を調節することで、留出液や缶出液の組成制御を行うこともあります。

使われている制御手法

化学プラントで使われている制御手法は、PID制御が主流です。

その他、アドバンスト制御、モデル予測制御なども使われています。

引用　矢野邦久:化学プラントにおける制御技術の現状と課題,計測と制御

上表のように、PID制御の比率が圧倒的に多いため、まずはPID制御から勉強を始めてみましょう！

PID制御については、下記記事で詳しく解説しています。

アドバンスト制御は定義が広いため、特に下記の制御をイメージしています。

最後に、モデル予測制御です。

モデル予測制御は、「経済的最適運転」をする上で欠かすことのできない制御手法になります。

よって、プロセス制御において、モデル予測制御は非常に重要になりますので、別記事で解説しています。

まとめ

参考文献

１．プロセス制御工学

プロセス制御についてコンパクトに網羅されている教科書です。

周波数応答やモデル予測制御、システム同定なども解説されており、関連書籍の中で最もバランスが良いと思います。

２．プロセス制御システム

この教科書を学生の時に読んでいたら、絶対挫折していたと思います。

ただ、いかにも現場らしい例題がたくさん使われており、個人的にかなり好きな教科書です。

社会人１、２年目でじっくり読んでおけば、かなり力がつくと思います。

製造プロセスに携わることになったら、ぜひ手に取ってみてください。

ただし、上記２冊を読みこなすためには、制御工学の基礎を学んでおく必要があります。

初心者向けで一番のオススメは、はじめての制御工学です。

３．はじめての制御工学

この本は、今まで読んだ本の中で一番わかりやすかったと思います。

また、2つ程台詞を引用させてもらいましたが、実際の計装エンジニアをモデルにした「生命燃ゆ」という小説もおすすめです。

読んだらプラント建設したくなりますね！