औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण

निरंतर उत्पादन में एक औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण या केवल प्रक्रिया नियंत्रण एक अनुशासन है जो औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली और नियंत्रण सिद्धांत का उपयोग स्थिरता, अर्थव्यवस्था और सुरक्षा के उत्पादन स्तर को प्राप्त करने के लिए करता है जिसे मानव मैनुअल नियंत्रण द्वारा पूरी तरह से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। यह ऑटोमोटिव उद्योग, खनन, निकर्षण, तेल शोधन, लुगदी और कागज निर्माण, रासायनिक प्रसंस्करण और बिजली उत्पादन संयंत्रों जैसे उद्योगों में व्यापक रूप से लागू किया गया है। आकार, प्रकार और जटिलता की एक विस्तृत श्रृंखला है, लेकिन यह ऑपरेटरों की एक छोटी संख्या को उच्च स्तर की स्थिरता के लिए जटिल प्रक्रियाओं का प्रबंधन करने में सक्षम बनाती है। बड़ी औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण प्रणालियों का विकास बड़ी मात्रा में और जटिल प्रक्रियाओं के डिजाइन को सक्षम करने में सहायक था, जो आर्थिक रूप से या सुरक्षित रूप से संचालित नहीं किया जा सकता था। आवेदन तापमान और एकल प्रक्रिया पोत के स्तर को नियंत्रित करने से लेकर कई हजार नियंत्रण छोरों के साथ एक पूर्ण रासायनिक प्रसंस्करण संयंत्र तक हो सकते हैं।

इतिहास
जल नियंत्रण उपकरणों के रूप में शुरुआती प्रक्रिया नियंत्रण सफलताएं सबसे अधिक बार आईं। तीसरी शताब्दी ईसा पूर्व में पानी की घड़ियों के जल स्तर को विनियमित करने के लिए फ्लोट वाल्व का आविष्कार करने अलेक्जेंड्रिया का बगुला के केटेसिबिओस को श्रेय दिया जाता है। पहली शताब्दी ईस्वी में, अलेक्जेंड्रिया के हेरॉन ने आधुनिक शौचालयों में उपयोग किए जाने वाले भरण वाल्व के समान पानी के वाल्व का आविष्कार किया था। बाद की प्रक्रिया ने आविष्कारों को नियंत्रित किया जिसमें बुनियादी भौतिकी सिद्धांत शामिल थे। 1620 में, कॉर्नेलिस ड्रेबेल ने भट्टी में तापमान को नियंत्रित करने के लिए द्विधातु थर्मोस्टेट का आविष्कार किया। 1681 में, डेनिस पापिन ने खोजा कि बर्तन के ढक्कन के ऊपर वजन रखकर बर्तन के अंदर के दबाव को नियंत्रित किया जा सकता है। 1745 में, एडमंड ली ने पवनचक्की दक्षता में सुधार के लिए पवनचक्की फैनटेल बनाया; एक फैनटेल एक छोटी पवनचक्की थी जो पवनचक्की के चेहरे को सीधे आने वाली हवा में रखने के लिए बड़े पंखों के 90° पर रखी जाती थी।

1760 के दशक में औद्योगिक क्रांति की शुरुआत के साथ, प्रक्रिया नियंत्रण आविष्कारों का उद्देश्य मानव ऑपरेटरों को मशीनीकृत प्रक्रियाओं से बदलना था। 1784 में, ओलिवर इवांस ने एक पानी से चलने वाली आटा चक्की बनाई जो बाल्टियों और स्क्रू कन्वेयर का उपयोग करके संचालित होती थी। हेनरी फ़ोर्ड  ने 1910 में उसी सिद्धांत को लागू किया जब ऑटोमोबाइल उत्पादन प्रक्रिया में मानवीय हस्तक्षेप को कम करने के लिए असेंबली लाइन बनाई गई थी।

निरंतर परिवर्तनीय प्रक्रिया नियंत्रण के लिए यह 1922 तक नहीं था कि जिसे अब हम पीआईडी ​​​​नियंत्रण या तीन-अवधि नियंत्रण कहते हैं, उसके लिए एक औपचारिक नियंत्रण कानून पहली बार रूसी अमेरिकी इंजीनियर निकोलस मिनोर्स्की द्वारा सैद्धांतिक विश्लेषण का उपयोग करके विकसित किया गया था। मिनोर्स्की अमेरिकी नौसेना के लिए स्वचालित जहाज संचालन पर शोध और डिजाइन कर रहे थे और एक कर्णधार की टिप्पणियों पर उनका विश्लेषण आधारित था। उन्होंने कहा कि हेल्समैन ने जहाज को न केवल वर्तमान पाठ्यक्रम त्रुटि के आधार पर चलाया, बल्कि पिछली त्रुटि के साथ-साथ परिवर्तन की वर्तमान दर पर भी; इसके बाद मिनॉर्स्की द्वारा इसे एक गणितीय उपचार दिया गया। उनका लक्ष्य स्थिरता था, सामान्य नियंत्रण नहीं, जिसने समस्या को महत्वपूर्ण रूप से सरल बना दिया। जबकि आनुपातिक नियंत्रण छोटी गड़बड़ी के खिलाफ स्थिरता प्रदान करता है, यह एक स्थिर गड़बड़ी से निपटने के लिए अपर्याप्त था, विशेष रूप से एक कठोर आंधी (#स्थिर-राज्य त्रुटि | स्थिर-राज्य त्रुटि के कारण), जिसके लिए अभिन्न शब्द जोड़ना आवश्यक था। अंत में, स्थिरता और नियंत्रण में सुधार के लिए व्युत्पन्न शब्द जोड़ा गया।

आधुनिक प्रक्रिया नियंत्रण संचालन का विकास
बड़े औद्योगिक संयंत्रों का प्रक्रिया नियंत्रण कई चरणों में विकसित हुआ है। प्रारंभ में, नियंत्रण पैनल स्थानीय से प्रक्रिया संयंत्र तक होगा। हालाँकि इन बिखरे हुए पैनलों में भाग लेने के लिए एक बड़े जनशक्ति संसाधन की आवश्यकता थी, और इस प्रक्रिया का कोई समग्र दृष्टिकोण नहीं था। अगला तार्किक विकास स्थायी रूप से कार्यरत केंद्रीय नियंत्रण कक्ष को सभी संयंत्र मापों का प्रसारण था। प्रभावी रूप से यह सभी स्थानीय पैनलों का केंद्रीकरण था, जिसमें कम मैनिंग स्तर और प्रक्रिया के आसान अवलोकन के फायदे थे। अक्सर नियंत्रक नियंत्रण कक्ष पैनल के पीछे होते थे, और सभी स्वचालित और मैन्युअल नियंत्रण आउटपुट वापस संयंत्र में प्रेषित किए जाते थे। हालांकि, एक केंद्रीय नियंत्रण फोकस प्रदान करते हुए, यह व्यवस्था अनम्य थी क्योंकि प्रत्येक नियंत्रण पाश का अपना नियंत्रक हार्डवेयर था, और नियंत्रण कक्ष के भीतर निरंतर ऑपरेटर आंदोलन को प्रक्रिया के विभिन्न भागों को देखने की आवश्यकता थी।

इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसर और ग्राफिक डिस्प्ले के आने से इन असतत नियंत्रकों को कंप्यूटर-आधारित एल्गोरिदम के साथ बदलना संभव हो गया, जो अपने स्वयं के नियंत्रण प्रोसेसर के साथ इनपुट/आउटपुट रैक के नेटवर्क पर होस्ट किए गए थे। इन्हें प्लांट के चारों ओर वितरित किया जा सकता है, और कंट्रोल रूम या कमरों में ग्राफिक डिस्प्ले के साथ संचार किया जा सकता है। वितरित नियंत्रण प्रणाली (DCS) का जन्म हुआ।

डीसीएस की शुरूआत ने संयंत्र नियंत्रणों जैसे कैस्केड लूप और इंटरलॉक, और अन्य उत्पादन कंप्यूटर सिस्टम के साथ आसान इंटरफेसिंग के आसान इंटरकनेक्शन और पुन: कॉन्फ़िगरेशन की अनुमति दी। इसने परिष्कृत अलार्म हैंडलिंग को सक्षम किया, स्वचालित ईवेंट लॉगिंग की शुरुआत की, चार्ट रिकॉर्डर जैसे भौतिक रिकॉर्ड की आवश्यकता को समाप्त कर दिया, नियंत्रण रैक को नेटवर्क करने की अनुमति दी और इस तरह केबलिंग रन को कम करने के लिए स्थानीय स्तर पर संयंत्र स्थापित किया, और संयंत्र की स्थिति और उत्पादन का उच्च स्तर का अवलोकन प्रदान किया। स्तर।

पदानुक्रम
संलग्न आरेख एक सामान्य मॉडल है जो प्रोसेसर और कंप्यूटर-आधारित नियंत्रण का उपयोग करके एक बड़ी प्रक्रिया में कार्यात्मक निर्माण स्तर दिखाता है।

आरेख का जिक्र करते हुए: स्तर 0 में फ़ील्ड डिवाइस जैसे प्रवाह और तापमान सेंसर (प्रक्रिया मान रीडिंग - पीवी), और अंतिम नियंत्रण तत्व (एफसीई), जैसे नियंत्रण वाल्व शामिल हैं; स्तर 1 में औद्योगिक इनपुट/आउटपुट (I/O) मॉड्यूल और उनके संबंधित वितरित इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसर शामिल हैं; स्तर 2 में पर्यवेक्षी कंप्यूटर होते हैं, जो सिस्टम पर प्रोसेसर नोड्स से सूचना एकत्र करते हैं, और ऑपरेटर नियंत्रण स्क्रीन प्रदान करते हैं; स्तर 3 उत्पादन नियंत्रण स्तर है, जो सीधे प्रक्रिया को नियंत्रित नहीं करता है, लेकिन उत्पादन और निगरानी लक्ष्यों की निगरानी से संबंधित है; स्तर 4 उत्पादन समयबद्धन स्तर है।

नियंत्रण मॉडल
किसी भी प्रक्रिया के लिए मौलिक मॉडल निर्धारित करने के लिए, सिस्टम के इनपुट और आउटपुट को अन्य रासायनिक प्रक्रियाओं की तुलना में अलग तरह से परिभाषित किया जाता है। संतुलन समीकरण सामग्री इनपुट के बजाय नियंत्रण इनपुट और आउटपुट द्वारा परिभाषित किए जाते हैं। नियंत्रण मॉडल एक प्रणाली के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले समीकरणों का एक सेट है और यह निर्धारित करने में सहायता कर सकता है कि परिवर्तन की प्रतिक्रिया क्या होगी। राज्य चर (x) एक औसत दर्जे का चर है जो सिस्टम की स्थिति का एक अच्छा संकेतक है, जैसे तापमान (ऊर्जा संतुलन), आयतन (द्रव्यमान संतुलन) या एकाग्रता (घटक संतुलन)। इनपुट चर (यू) एक निर्दिष्ट चर है जिसमें आमतौर पर प्रवाह दर शामिल होती है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि प्रवेश और निकास प्रवाह दोनों को नियंत्रण इनपुट माना जाता है। नियंत्रण इनपुट को हेरफेर, गड़बड़ी या गैर-निगरानी चर के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। पैरामीटर्स (पी) आमतौर पर एक भौतिक सीमा होती है और कुछ ऐसा होता है जो सिस्टम के लिए तय होता है, जैसे पोत की मात्रा या सामग्री की चिपचिपाहट। आउटपुट (y) वह मीट्रिक है जिसका उपयोग सिस्टम के व्यवहार को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। नियंत्रण आउटपुट को मापित, अमापित, या अननिगरानी के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।

प्रकार
प्रक्रियाओं को बैच, निरंतर या हाइब्रिड के रूप में चित्रित किया जा सकता है। बैच अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है कि मध्यवर्ती या अंतिम परिणाम उत्पन्न करने के लिए विशेष अवधि के लिए विशिष्ट मात्रा में कच्चे माल को विशिष्ट तरीकों से जोड़ा जाए। एक उदाहरण चिपकने वाले और गोंद का उत्पादन होता है, जिसके लिए आम तौर पर अंतिम उत्पाद की मात्रा बनाने के लिए एक गर्म बर्तन में कच्चे माल के मिश्रण की आवश्यकता होती है। अन्य महत्वपूर्ण उदाहरण भोजन, पेय पदार्थ और दवा का उत्पादन हैं। बैच प्रक्रियाओं का उपयोग आम तौर पर प्रति वर्ष उत्पाद की अपेक्षाकृत कम से मध्यवर्ती मात्रा (कुछ पाउंड से लाखों पाउंड) का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।

एक निरंतर भौतिक प्रणाली को चर के माध्यम से दर्शाया जाता है जो समय में सुचारू और निर्बाध होते हैं। जैकेट वाले बर्तन में पानी के तापमान का नियंत्रण, उदाहरण के लिए, निरंतर प्रक्रिया नियंत्रण का एक उदाहरण है। कुछ महत्वपूर्ण निरंतर प्रक्रियाएँ ईंधन, रसायन और प्लास्टिक का उत्पादन हैं। निर्माण में निरंतर प्रक्रियाओं का उपयोग प्रति वर्ष बहुत बड़ी मात्रा में उत्पाद (लाखों से अरबों पाउंड) का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इस तरह के नियंत्रण प्रतिक्रिया नियंत्रण का उपयोग करते हैं जैसे कि पीआईडी ​​​​नियंत्रक में एक पीआईडी ​​​​नियंत्रक में आनुपातिक, एकीकृत और व्युत्पन्न नियंत्रक कार्य शामिल होते हैं।

बैच और सतत प्रक्रिया नियंत्रण के तत्वों वाले अनुप्रयोगों को अक्सर हाइब्रिड अनुप्रयोग कहा जाता है।

नियंत्रण छोरों
किसी भी औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली का मूलभूत निर्माण खंड नियंत्रण पाश है, जो केवल एक प्रक्रिया चर को नियंत्रित करता है। संलग्न आरेख में एक उदाहरण दिखाया गया है, जहां एक पाइप में प्रवाह दर को पीआईडी ​​​​नियंत्रक द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो सही वाल्व स्थिति सुनिश्चित करने के लिए वाल्व सर्वो-नियंत्रक के रूप में प्रभावी रूप से एक कैस्केड लूप द्वारा सहायता प्रदान करता है।

कुछ बड़ी प्रणालियों में सैकड़ों या हजारों नियंत्रण लूप हो सकते हैं। जटिल प्रक्रियाओं में लूप इंटरएक्टिव होते हैं, ताकि एक लूप का संचालन दूसरे के संचालन को प्रभावित कर सके। नियंत्रण लूपों का प्रतिनिधित्व करने के लिए सिस्टम आरेख एक गरमा और इंस्ट्रूमेंटेशन आरेख है।

आमतौर पर उपयोग की जाने वाली नियंत्रण प्रणालियों में निर्देशयोग्य तर्क नियंत्रक  (PLC), वितरित नियंत्रण प्रणाली (DCS) या SCADA शामिल हैं।

एक और उदाहरण दिखाया गया है। यदि एक टैंक में स्तर को बनाए रखने के लिए एक नियंत्रण वाल्व का उपयोग किया जाता है, तो स्तर नियंत्रक एक स्तर सेंसर के समतुल्य रीडिंग की तुलना स्तर सेटपॉइंट से करेगा और यह निर्धारित करेगा कि स्तर को स्थिर रखने के लिए अधिक या कम वाल्व खोलना आवश्यक था या नहीं। एक कैस्केड प्रवाह नियंत्रक तब वाल्व स्थिति में परिवर्तन की गणना कर सकता है।

आर्थिक लाभ
बैच और निरंतर प्रक्रियाओं में निर्मित कई उत्पादों की आर्थिक प्रकृति को कम मार्जिन के कारण अत्यधिक कुशल संचालन की आवश्यकता होती है। प्रक्रिया नियंत्रण में प्रतिस्पर्धी कारक यह है कि संतोषजनक होने के लिए उत्पादों को कुछ विशिष्टताओं को पूरा करना चाहिए। ये विनिर्देश दो रूपों में आ सकते हैं: सामग्री या उत्पाद की संपत्ति के लिए न्यूनतम और अधिकतम, या एक सीमा जिसके भीतर संपत्ति होनी चाहिए। सभी लूप गड़बड़ी के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं और इसलिए गड़बड़ी सुनिश्चित करने के लिए प्रक्रिया सेट बिंदुओं पर एक बफर का उपयोग किया जाना चाहिए ताकि सामग्री या उत्पाद विनिर्देशों से बाहर न हो जाएं। यह बफर एक आर्थिक लागत पर आता है (अर्थात अतिरिक्त प्रसंस्करण, उन्नत या उदास प्रक्रिया स्थितियों को बनाए रखना, आदि)।

उत्पाद विनिर्देशों को पूरा करने के लिए आवश्यक मार्जिन को कम करके प्रक्रिया दक्षता को बढ़ाया जा सकता है। यह प्रक्रिया पर गड़बड़ी के प्रभाव को कम करने के लिए प्रक्रिया के नियंत्रण में सुधार करके किया जा सकता है। भिन्नता को कम करने और लक्ष्य को स्थानांतरित करने की दो चरण विधि में दक्षता में सुधार हुआ है। विभिन्न प्रक्रिया उन्नयन (अर्थात् उपकरण उन्नयन, उन्नत नियंत्रण विधियों, आदि) के माध्यम से मार्जिन को कम किया जा सकता है। एक बार मार्जिन कम हो जाने के बाद, निर्धारित बिंदु लक्ष्य को कैसे स्थानांतरित किया जाना है, यह निर्धारित करने के लिए प्रक्रिया पर एक आर्थिक विश्लेषण किया जा सकता है। कम रूढ़िवादी प्रक्रिया सेट पॉइंट्स से आर्थिक दक्षता में वृद्धि होती है। प्रभावी प्रक्रिया नियंत्रण रणनीतियाँ उन निर्माताओं के प्रतिस्पर्धात्मक लाभ को बढ़ाती हैं जो उन्हें नियोजित करते हैं।

यह भी देखें
• Actuator

• Automation

• Automatic control

• Check weigher

• Closed-loop controller

• Control engineering

• Control loop

• Control panel

• Control system

• Control theory

• Controllability

• Controller (control theory)

• Cruise control

• Current loop

• Digital control

• Distributed control system

• Feedback

• Feed-forward

• Fieldbus

• Flow control valve

• Fuzzy control system

• Gain scheduling

• Intelligent control

• Laplace transform

• Linear parameter-varying control

• Measurement instruments

• Model predictive control

• Negative feedback

• Nonlinear control

• Open-loop controller

• Operational historian

• Proportional control

• PID controller

• Piping and instrumentation diagram

• Positive feedback

• Process capability

• Programmable logic controller

• Regulator (automatic control)

• SCADA

• Servomechanism

• Setpoint

• Signal-flow graph

• Simatic S5 PLC

• Sliding mode control

• Temperature control

• Transducer

• Valve

• Watt governor

• Process control monitoring

बाहरी संबंध

 * A Complete Guide to Statistical Process Control
 * The Michigan Chemical Engineering Process Dynamics and Controls Open Textbook
 * PID control virtual laboratory, free video tutorials, on-line simulators, advanced process control schemes