Process Control Chapter 1

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

 

Chapter 1: UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL    

Understand typical type of processes General concepts and terminology Type of process variables Define the Process Control

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐1 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

 

Activities 

1.1. THE INDUSTRIAL PROCESSES   Process  as  used  in  the  terms  process  control  and  process  industry,  refers  to  the  methods  of  changing or refining raw materials to create end  products.  The  raw  materials,  which  either  pass  through or remain in a liquid, gaseous, or slurry  (a  mix  of  solids  and  liquids)  state  during  the  process,  are  transferred,  measured,  mixed,  heated or cooled, filtered, stored, or handled in  some other way to produce the end product.  Industrial  manufacturing  processes  can  be  generally  be  classified  as  continuous,  discrete,  or  batch  process.  How  a  process  is  classified  depends  on  whether  the  output  product  from  the  process  appears  in  a  continuous  flow  or  in  discrete batches or quantities.  In  a  continuous  process,  product  is  made  by  passing  materials  through  different  pieces  of  specialized  equipment;  each  of  pieces  of  equipment  ideally  operates  in  a  single  steady  state  and  performs  one  dedicated  processing  function. The output product from a continuous  process appears in a continuous flow.  In  discrete  manufacturing,  products  having  are  traditionally  manufactured  in  production  lots  (a  group of products having common raw materials  and  production  histories).  In  a  discrete  manufacturing  process,  a  specified  quantity  of  product  moves  as  a  unit  (group  of  parts)  between  workstations;  each  part  maintains  its  unique identity. One of its useful features is the  ability to audit quality economically and answer  the  growing  demand  from  customers  for  traceability. 

What is the process?  ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ 

Industrial manufacturing process can be  classified as how many process? List them  down:  1. _____________________________  2. _____________________________  3. _____________________________ 

List down two industries are classified as  continuous process:  1. 2.

_____________________________  _____________________________ 

List down two industries are classified as  discrete process:  1. _____________________________  2. _____________________________ 

     

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐2 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  So  what  is  a  batch  process?  Shaw  gives  the  following definition of a batch process:  A process is  considered  to be batch in  nature if,  due  to  physical  structuring  of  the  process  equipment  or  due  to  other  factors,  the  process  consists  of  a  sequence  of  one  or  more  steps  (or  phases)  that  must  be  performed  in  a  defined  order.  The  completion  of  this  sequence  of  steps  creates a finite quantity of the finished product.  If  more  of  the  product  is  to  be  created,  the  sequence must be repeated. 

Activities 

List down two industries are classified as  batch process:  1. _____________________________  2. _____________________________ 

Batch  processes  are  discontinuous  processes.  Ingredients  are  sequentially  prepared,  e.g.,  mixed,  cooked,  reacted,  finished,  and  the  packaged.  When  the  ingredients  are  combined  in  the  proper  proportions  and  exposed  to  the  required process conditions for necessary times,  the  process  usually  results  in  an  acceptable  product.  Batch  processes  are  neither  discrete  nor  continuous;  however,  they  have  characteristic  of  both.  From  a  control  standpoint,  a  major  distinction  between  the  types  of  processes  (continuous,  discrete,  and  batch)  is  the  frequency  of  starting  the  manufacture of a new product. 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐3 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  Any  study  of  process  control  must  begin  by  investigating  the  concept  of  a  PROCESS.  It  is  generally thought of as a place where materials  and  most  often,  energy  come  together  to  produce a desired product.  

Activities 

A  process  is  identified  as  leaving  one  or  more  variables  associated  with  it  that  are  important  enough  for  their  values  to  be  known  and  for  them to be controlled.   In  order  to  understand  the  concept,  let  us  consider  an  example  of  a  heat  exchanger  in  which  a  process  stream  is  being  heated  by  condensing  steam.  The  process  is  sketched  in  figure below.  

    One  way  to  accomplish  this  objective  is  to  measure  the  outlet  temperature  T(t),  compare  this  value  to  the  desired  value,  and,  based  on  this comparison, decide what to do to minimize  the  deviation.  The  steam  flow  rate  can  be  used  to  correct  for  deviation.  That  is,  if  the  temperature  is  above  the  desired  value,  the  steam  valve  can  be  closed  a  little  bit  to  cut  the  steam  flow  (energy)  to  the  heat  exchanger.  If  the temperature is below the desired value, the  steam  valve  could  be  opened  a  little  bit  to  increase  the  steam  flow  (energy)  to  the  exchanger.   

 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐4 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

 

1.2. TYPICAL PROCESSES   There are several typical types of processes with  its owned process behaviour and features in the  process industries:    I. Typical Process I  II. Typical process II  III. Typical Process III    I. Typical Process I   Process with negligible multicapacity   Process without DEAD TIME   Process with negligible LAG    The typical process generally found in:   Fluid Flow process   Gas Flow process   Fluid Pressure process    These  processes  generally  noisy  and  fast  response. 

Activities 

    Liquid  flow  process  is  a  noisy  process  without  DEAD  time  and negligible LAG (time constant)    FCV101  : Level Pneumatic Control Valve  FT101  : Flow transmitter 

 

  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐5 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  II.

Typical Process II   Process with single capacity   Process without DEAD TIME   Process with LAG 

Activities 

  The typical process generally found in:   Liquid Level process   Gas Pressure process    

    LCV101  : Pneumatic level control valve  LT101  : Level transmitter  MV101  : Manual valve    The liquid level process is Self Regulating (SR) process with  single  capacity  and  LAG  (time  constant)  response.  The  outflow is dependent on h. 

 

  Time Constant (LAG) is a time to achieve the level response  reached to 63.2% of the steady state level. 

  The process Time Constant (TC) or LAG is dependent on the  h height of the tank level.  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐6 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

   

Activities 

  The Gas Pressure process above is a Single Capacity process  with LAG (Time constant)    PCV101  : Pneumatic Pressure Control Valve  PT101  : Pressure Transmitter 

   

 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐7 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  III.

Typical Process III   Process with single or multi capacities   Process with DEAD TIME   Process with LAG 

Activities  What is the process Dead Time ? 

  The typical process generally found in:   Liquid Temperature process   Multi Pressure Vessel process   

____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ 

   

    The  Shell  &  Tube  Heat  Exchanger  is  a  good  example  of  typical Process type III. The temperature is a slow response  process  with  large  LAG  time  or  Time  Constant,  and  large  Dead Time (DT).     

          All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐8 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  WHAT IS DEAD TIME (Dt)  As  mentioned  in  the  early  section,  there  are  three  (3)  different  typical  processes.  Typical  process  with  Dead  Time  (Dt)  is  generally  response slow to the input and disturbances. In  process  control,  Dead  time  is  the  delay  from  when  a  controller  output  (OUT  or  MV)  signal  is  issued until when the measured process variable  (PV)  first  begins  to  respond.  The  presence  of  Dead  Time,  is  never  a  good  thing  in  a  control  loop.    Shell  &  Tube  Heat  Exchanger  temperature  control  is  a  good  example  of  the  Dead  Time  process.  

Activities 

 

    Definition:  Dead  Time  is  the  time  between  the  change  in  the  controller  Output  (MV  or  OUT)  and  the  beginning of its effect on the measurement (PV)    All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐9 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  It  also  defined  as  Transport  LAG,  Distance‐ Velocity LAG, or TIME DELAY.    Another  good  example  of  Pure  Dead  Time  Process is Conveyor process as shown below: 

Activities 

    Dead Time (Dt)                

= L /Speed  = 100 / 10  = 10 min 

  Process  response  (PV  process  variable)  is  similar  to  the  output  signal  from  the  controller  to  the  process.  The  trending  shown  above, both  PV  and OUTPUT trending and  amplitudes are similar. Therefore;    Process GAIN  : 1.0  Process Phase Shift  : ‐DT/To x 360o    Other examples of Dead Time processes   Analyser sampling system   Multicapacity process plant   Mixing process    All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐10 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  WHAT IS TIME CONSTANT (Tc)  Time constant of the system is the time taken to  reach  63.2%  of  the  final  value  or  steady  state  value  after  a  step  change  has  been  applied  to  the system.   

Activities 

    After four Time Constants the output response has reached  98%  of  the  final  value  that  it  will  settle  at  steady  state  value.    st Response of the 1  order lag system to a STEP input gives  ‐1/TC )  as exponential output (1 ‐ e     Time Constant    Output (1 – e ‐1/TC)_         0 TC            0 %     1 TC        63.2%     2 TC        86.5%     3 TC        95.0%     4 TC        98.2%     5 TC        99.5%    The  output  response  due  to  STEP  change  of  the  input  (controller output change signal, ∆ OUT) to the process can  be estimated or defined     ∆

Kp = 

∆











 

 

Kp, is the steady state gain    The Process model shall be:      .   Process Model =         

. .

 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐11 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  TYPICAL PROCESSES & ITS CHARACTERISTICS 

Activities 

Every  type  of  the  processes  has  its  own  characteristics  as  shown in the table below: 

 

    Liquid Flow process:  Dead Time  : No dead time  Capacity  : Very minimum, it can consider negligible  Noise  : Liquid flow is a noisy process  Linearity  :  Require  square  root  to  calculate  the  actual  flow measurement.  Period  :  It  is  a  fast  response  process.  The  period  cycle  time is small. It varies from 1 ~ 10 seconds  Gain  : It is a fast response process; the process Gain  is high    Liquid Pressure process:  Dead Time  : No dead time or minimum  Capacity  : Single capacity   Noise  : Liquid Level is a noisy process  Linearity  : Linear.  Period  :  It  is  a  fast  response  process.  The  period  cycle  time is small. It varies from 1 ~ 10 seconds  Gain  : It is a fast response process; the process Gain  is high    Gas Pressure process:  Dead Time  : No dead time  Capacity  : Single or Multi capacity  Noise  : Very minimum or can consider negligible  Linearity  : Linear.  Period  :  It  is  depends  whether  it  is  single  or  multi  capacity system. It varies from 2 min or above  Gain  :  It  is  depends  whether  it  is  single  or  multi  capacity system. Gain is high for Single capacity  pressure  process,  and  Gain  is  low  for  Multiple  capacity.    Liquid Level process:  Dead Time  : No dead time  Capacity  : Single capacity  Noise  : Liquid Level is a noisy process  Linearity  : Linear.  Period  : The period cycle time is small. It varies from 1  ~ 30 seconds or more.  Gain  : It is a fast response process; the process Gain  is high  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐12 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

 

 

Temperature process:  Dead Time  : Yes, with Dead Time  Capacity  : Multiple capacities  Noise  : No  Linearity  : Linear.  Period  : It is a slow response process. The period cycle  time is large. It varies from minutes till hours  Gain  : It is a slow response process; the process Gain  is low    Composition process:  This  composition  process  normally  related  to  chemical  reaction process etc.  Dead Time  : Large dead time  Capacity  : Multiple capacities  Noise  : Noise process  Linearity  : Linear.  Period  : It is a slow response process. The period cycle  time is large. It varies from minutes till hours  Gain  : It is a slow response process; the process Gain  is low.                 

Activities 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐13 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

 

1.3. PROCESS CONTROL 

Activities 

There are two (2) basic Laws of Process Control  you  must  understand  before  exploring  Process  Control.      First Law:    The simplest control system that will do the    job  is  the  best.  Complex  elegant  process    control system look great on paper but soon    end  up  on  “Manual”  in  an  industrial    environment.  Bigger  is  definitely  not  better    in control system design.      Second Law:    You  MUST  understand  the  process  before    you control it.      i.

GENERAL PRINCIPLES OF PROCESS CONTROL     Step 1: Assess the process and define control  objectives.  The issues to be resolved in this step include  the following:  (a) Why is there a need for control?  (b) Can the problem be solved only by  control, or is there another alternative  (such as redesigning part of the process)?  (c) What do we expect the control system to  achieve?     Step 2: Select the process variables to be used  in achieving the control objective articulated  in Step 1.  Here we must answer the following questions:  (a) Which output variables are crucial and  therefore must be measured in order to  facilitate efficient monitoring of process  conditions?  (b) Which disturbances are most serious?  Which ones can be measured?  (c) Which input variables can be manipulated  for effective regulation of the process?     All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐14 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  Step 3: Select control structure.  What  control  configuration  is  chosen  depends  on  the  nature  of  the  control  problem  posed  by  the  process  system.  The  usual  alternatives  are:  Feedback,  Feedforward,  Open  Loop  (manual),  Cascade,  and  others,  which  we  shall  discuss  later. 

Activities 

 

 

Step 4: Design the controller.  This  step  can  be  carried  out  using  varying  degrees  of  sophistication,  but  it  essentially  involves the following: Obtain a control law (By a  control law we mean a set of rules whereby the  input to the process is transformed to its output)  by  which,  given  information  about  the  process  (current  and  past  outputs,  past  inputs  and  disturbances,  and  sometimes  even  future  predictions  of  the  system  output),  a  control  decision  is  determined  which  the  controller  implements  on  process  by  adjusting  the  appropriate manipulated variables accordingly.     

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐15 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  ii.

THE CONCEPT OF CONTROL    a) Motivation  The  process  control  system  is  the  entity  that  is  charged  with  the  responsibility  for  monitoring outputs, making decisions about  how  best  to  manipulate  inputs  so  as  to  obtain  desired  output  behaviour,  and  effectively implement such decisions on the  process. It is therefore convenient to break  down  the  responsibility  of  the  control  system into the following three major tasks:     Monitoring  process  output  variables  by  measurement   Making  rational  decisions  regarding  what corrective action is needed on the  basis  of  the  information  about  the  past  (Integral  action  takes  into  account  the  past  state  of  the  process),  current  and  desired state of the process   Effectively  implementing  these  decisions on the process 

Activities 

  When these  tasks are carried out manually  by  a  human  operator,  we  have  a  manual  control  system.  A  control  system  in  which  these tasks are carried out automatically by  a machine is known as an automatic control  system;  in  particular,  when  the  machine  involved  is  a  computer,  we  have  a  computer control system.    b) Why process control  i. Suppressing  the  influence  of  external  disturbances:   Disturbances  are  usually  out  of  the  reach  of  the  human  operator.  Consequently,  we  need  to  introduce  a  control  mechanism  that  will  make  the  proper changes on the process to cancel  the  negative  impact  that  such  disturbances  may  have  on  the  desired  operation of a plant.    All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐16 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  ii. Ensuring the stability of a process:   To ensure that, for every bounded input,  a  dynamic  system  produces  a  bounded  output, regardless of its initial state.    iii. Setpoint tracking:   The  control  mechanism  should  be  capable  of  making  the  process  output  track  exactly  any  changes  in  the  set  point.    iv. Optimizing the performance of a plant:   It is desirable that a plant should always  operate,  at  the  point  of  minimum  production cost or maximum profit. This  can be achieved by an optimizing control  strategy which:   Identifies when the plant must be  moved to a new operating point in  order to reduce the operating cost.   Make the appropriate set point  changes to bring the plant to the new  optimum operating point.    

Activities 

  Diagram above shows the concept of the process  control. 

  The above concepts can be explained using  various examples in real life.    System  Car  Reactor 

Home  DC  Motor 

Control  Variable (CV)  Direction  Speed  Product  Quality  Production  Lighting  Temperature  Speed 

Manipulated   Variable (MV)  Axle Position   Fuel Flow  Temperature  Feed rate  Voltage Air  Flow, Mix  Armature  Current:  Field Current 

Sensor 

Actuator 

Human  Speedometer  Meters 

Steering Wheel  Gas  Pedal  Valves

Photoelectrics  Thermostats  Tachometer

Dimmers AC Controls  Armature Resistance 

  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐17 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  iii.

CONTROL LOOP COMPONENTS  There  are  four  (4)  components  of  the  entire  feedback control loop.     a) Sensor   Also often called as Primary Element.   Acquires information about the status of  the process variables.   Typical examples: thermocouples (for  temperature measurements), differential  pressure cells (for liquid level  measurements), gas/liquid  chromatographs (for composition  measurement), etc.    b) Controller   The  brain  or  heart  of the control  system (the decision maker).   It is the hardware element with  built‐ in  capacity for performing the only task  requiring some form of intelligence.    Typical examples: Pneumatic controller,  Electronic controllers, digital computers  used as controller. 

Activities 

  c) Transmitter   Secondary Element.   It  has  the  responsibility  of  passing  the  information  acquired  by  the  sensor  to  controller  and  sending  the  controller  decision to the final control element.   Measurement  and  control  signals  may  be transmitted as air pressure signals, or  as electrical signals.   Typical  examples:  Pneumatic  transmitters, Electrical transmitters.    d) Final control element   Have  the  task  of  actually  implementing  the  control  command  issued  by  the  controller on the process.   Typical  examples:  often  a  control  valve  but  not  always.  Other  common  final  control  elements  are  variable  speed  pumps, conveyors, and electric motors.  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐18 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  The  importance  of  these  components  is  that  they  perform  the  three  basic  operations  that  must  be  present  in  every  feedback  control  loop. These operations are: 

Activities 

  a) Measurement  (M):  Measuring  the  process  variable to be controlled is usually done by  the combination of sensor and transmitter.    b) Decision  (D):  Based  on  the  measurements  and the set point, the controller must then  decide  what  to  do  to  maintain  the  process  variable at its desired value.    c) Action (A): As the result of the  controller’s  decision,  the  system  must  then  take  an  action.  This  is  usually  accomplished  by  the  final control element.   

    LT‐101  is  process  measurement,  a  combination of sensor and transmitter.     LIC‐101  is  the  PID  controller,  decides  the  manipulated  value  (MV)  or  output  to  the  control  valve  to  minimized  or  reduce  the  errors  between  the  Set  Value  (SV)  and  Process Value (PV).    LCV‐101, is a final control element, where,  it  receives  the  output  signal  from  the  PID  controller.   All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐19 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  iv.

 

TYPICAL CONTROL CONCEPTS  Before  studying  the  automatic  PID  process  control,  it  is  helpful  to  explore  typical  control  concepts available.     a) Manual Feedback Control     

Activities 

    For  the  Manual  Feedback  control,  all  regulation  tasks  will  have  to  be  done  manually. For example: to keep constant the  temperature  of  water  discharged  from  an  industrial  gas‐fired  heater,  an  operator  will  have  to  watch  a  temperature  gauge  and  adjust  a  fuel  gas  valve  accordingly.  If  the  water  temperature  becomes  too  high  for  some  reason,  the  operator  has  to  close  the  gas  valve  a  bit,  just  enough  to  bring  the  temperature back to the desired value. If the  water becomes too cold, he has to open the  gas valve     

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐20 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

    b) Automatic Feedback Control   

Activities 

  To relieve the operator from the tedious task  of  manual  control,  we  should  automate  the  feedback  control  loop.  To  convert  the  Manual  Feedback  Control  to  Automatic  Feedback Control, the following tasks shall be  done:     Install  an  electronic  temperature  measurement device.   Automate  the  gas  valve  by  adding  an  actuator  (and  perhaps  a  positioner)  to  it  so that it can be driven electronically.   Install  a  PID  controller,  and  connect  it  to  the  electronic  temperature  measurement  and the automated control valve.    A PID controller has a Set Point (SP) that the  operator can set to the desired temperature.  The  Controller’s  Output  sets  the  position  of  the  control  valve.  And  the  temperature  measurement,  called  the  Process  Variable  (PV)  gives  the  controller  its  much‐needed  feedback. The process variable and controller  output  are  commonly  transmitted  via  4  –  20mA  signals,  or  via  digital  commands  on  a  Fieldbus.    The  PID  controller  compares  the  process  variable  (PV)  to  its  set  point  and  calculates  the  difference  between  the  two  signals,  also  called the Error (E). 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐21 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  v.

WHAT IS P‐I‐D  Definition  from  Shinskey,  the  PID  controller  equation is:  “Mathematical purity has no particular value in  control.  Performance,  robustness,  ease  of  operation and tuning are the real issue” 

Activities 

  Below  is  the  simplified  PID  equation  for  illustration:    MV% = 



 [ E     +       

   +   Td   ] 

      P      Proportional    Error, E      PB            Integral/Reset  

: Proportional Band (PB%)  : 0 ~ 100 %    :  Seconds, Minutes  

   

: Sec‐1, repeat per second 

    

       I                  D   Integral         Derivative  : SV – PV (reverse action) 

: min ‐1, repeat per minute    Derivative Td     

: Seconds, Minutes   

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐22 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

  WHAT IS GAIN  Controller  tuning  is  performed  to  adjust  the  manner  in  which  a  control  valve  (or  other  final  control  element,  i.e.  pump,  heater  etc.)  responds to a change in error.    In  particular,  we  are  interested  in  adjusting  the  gain  of  the  controller  such  that  a  change  in  controller input will result in a change in Gain is  defined  simply  as  the  change  in  output  divided  by the change in input.   

Activities 

    Gain (Kc)  =

Δ Δ

%   %

 

    Examples:  Change in Input to Controller ‐ 10%  Change in Controller Output ‐ 5%  Gain   =  5% / 10%   = 0.5    Change in Input to Controller ‐ 10%  Change in Controller Output ‐ 20%  Gain   = 20% / 10%   = 2                  All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐23 

Chapter 1 

UNDERSTANDING THE INDUSTRIAL PROCESSES & PROCESS CONTROL 

         

Activities 

WHAT IS QUARTER DECAY RATIO (QDR)  Controller  tuning  is  performed  to  adjust  the  manner  in  which  a  control  valve  (or  other  final  control element, i.e. pump, heater etc) responds  to a change in error 

All Rights Reserved. No part of this document may be reproduced, transcribed, stored in any retrieval system, translated into any language, or transmitted in any form or  by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission from Didaktik Engineering Werks Sdn Bhd  © 2011. 

 

1‐24