JP2005070161A - 訓練用シミュレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】臨場感を持って現地操作を体得できるようにした訓練用シミュレーションシステムを提供することである。
【解決手段】それぞれコンピュータから成るインストラクタ用マンマシンインターフェイス１０とボード操作用マンマシンインターフェイス２０とフィールド操作用マンマシンインターフェイス３０より成り、プラントの動的プロセスモデルがマンマシンインターフェイス１０に収納され、このプロセスモデルに対してインストラクタがインターフェイス１０からプロセスモデルの動作状況の変動指令を発し、インターフェイス２０のオペレータはこれに対応する現地操作指令を発する。インターフェイス３０のオペレータは、この現地操作指令を受けて、対象機器エリア及び操作対象機器を選択する。その際、対象機器の図が表示され、この図から操作対象部位を選択し、模擬操作を行なう。
【選択図】図２

Description

この発明は、石油精製や石油化学プラント等の作業員の訓練用シミュレーションシステムに関する。

従来から、例えば化学プラントのプロセスモデルをコンピュータに搭載し、このプロセスモデルの各部のデータを表示する計器及び操作手段等を備えた遠隔操作室と同様の機能を有するボード操作用マンマシンインターフェイス（以下ＭＭＩという）を設け、さらに、モデルの機器を現場で操作するフィールド用ＭＭＩを別に設け、インストラクタが別のコンピュータを操作してプロセスモデルの起動や停止或いは故障の発生信号を前記モデルに送信することにより、前記ボード操作用ＭＭＩのオペレータやフィールド用ＭＭＩのオペレータが正しい反応操作を行なうかどうかを監視しながら訓練するシミュレータが知られている。

しかしながら、上記フィールド用ＭＭＩは、例えばバルブを操作する必要がある場合、バルブを模した表示画面を操作するだけで、現場周辺の状況などは全く判らず、実際に現場で操作するのと状況が大きく異なるため、オペレータ即ち現場作業員の訓練としてはあまり役立たない問題がある。

そこで、この発明の課題は、臨場感を持って現地操作を体得できるようにした訓練用シミュレーションシステムを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明においては、プラントの動的プロセスモデルをコンピュータで操作可能とし、プラントのボード操作オペレータの訓練と共に、フィールド操作オペレータの行動の判断及び選択の模擬を可能としたのである。このような訓練用シミュレーションシステムは、プラントの動的プロセスモデルを搭載するインストラクタ用コンピュータと、プラントの遠隔操作を模擬できるボード操作用コンピュータと、プラントの現地操作を模擬できるフィールド操作用コンピュータと、これらコンピュータ間のデータ通信手段によって構成され、前記インストラクタによって発せられたプロセスモデルの動作状況の変動指令に対してボード操作用コンピュータのオペレータは必要に応じてプラントの現地操作の指令を発し、この現地操作の指令に対応して表示されたフィールド操作用コンピュータの画面から、フィールド操作用コンピュータのオペレータが少なくともフィールドの操作エリアの選択及び操作対象機器の選択を行ない、選択された対象機器の図が表示され、この図から操作対象部位の選択及び模擬操作を可能としたのである。

前記フィールドの操作対象エリアは、段階的に精度を分けたプロット図または段階的に精度を分けた実写図の組合せによって選択されるようにしておくのが好ましく、さらに、３次元機器配置モデルによる経路を選択することによって行なうことができるようにしてもよい。

また、前記フィールドでの操作対象機器を実写図または３次元モデルによって選択するようにしてもよい。この対象機器が弁である場合、開閉の模擬操作量を弁ハンドルの回転数で入力し、回転数を弁開度に変換してプロセスモデルに伝達可能とするか、弁棒ねじ山の数で入力し、ねじ山の数を弁開度に変換してプロセスモデルに伝達可能としておくのがよい。なお、プラントとしては、例えば石油精製や石油化学プラントなどがある。

この発明によれば、以上のように、プラントの動的プロセスモデルにインストラクタが種々の動作変動の原因となる指令を発し、これに対応して遠隔操作室を模したボード操作用マンマシンインターフェイスが現地操作の指令をフィールド操作用マンマシンインターフェイスに伝達し、現場作業員に擬制されるオペレータが、現地操作の指示に対応してフィールド操作用マンマシンインターフェイスを操作する際に、操作対象機器の実写図を見ることができるようにしたので、実機に即して操作を体得でき、実プラントにも当惑することなく対応できる。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１及び図２に、このシミュレーションシステムに用いるハードウエアの一例を示す。図示のように、インストラクタ用マンマシンインターフェイス（ＭＭＩ）１０がコンピュータ用インターフェイス機器（通信回線やハブ４０）を介してボード操作用ＭＭＩ２０及びフィールド操作用ＭＭＩ３０とデータ通信可能となっている。

前記インストラクタ用マンマシンインターフェイス（ＭＭＩ）１０は、ＣＰＵ１１、ディスプレイ１２、キーボード１３、マウスやトラックボール或いはトラックパッド等のポインタ１４及び外部記憶装置１５を備えた、例えばパーソナルコンピュータより成る。インストラクタは、これらの装置を用いて、訓練用シミュレーションシステム基体となる動的プロセスモデルの起動、停止、異常発生等の動作状況の変動指令を発し、前記システムに伝達する。システムからは、プラントのプロセスモデルの稼働状況を示す種々のデータが提供され、後述する被訓練者（ボード操作用及びフィールド操作用ＭＭＩのオペレータ）がどのように反応して操作したかを示すデータがインターフェイスを介して得られ、被訓練者の行動の判断や操作状況等の監視を行なうことができる。

前記ボード用ＭＭＩ２０は、例えばＣＰＵ２１、ディスプレイ２２、キーボード２３、ポインタ２４を備えた、例えばパーソナルコンピュータが用いられる。一般に、実プラントでは集中して運転調整が可能なように遠隔調整操作設備を有しており、これがボード計器と呼ばれる。ボード操作用ＭＭＩ２０は、プロセスモデルのボード計器類をディスプレイ２２の画面に表示し、仮想プロセスの稼働状況をオペレータに知らせる。オペレータは、この情報に基づいて種々の判断を行ない、必要な調整操作を行なう。シミュレーションシステムは、この操作指令に基づき、仮想プロセスの状況の変化を模擬計算し、計算結果の運転状況をボード操作用ＭＭＩ２０に通知しボード計器類に表示する。さらに、オペレータは、プロセスの変動情報から、設置機器の現地操作が必要と判断すれば、現地操作の指令を発する。

前記フィールド操作用ＭＭＩ３０は、ＣＰＵ３１、ディスプレイ３２、キーボード３３、ポインタ３４を備えた、例えばパーソナルコンピュータから成る。実プラントにおいて、ボード計器からの遠隔操作ではなく、設置された機器やその付近で直接操作、調整する必要があるもの、例えばハンドルで操作するバルブなどがあり、ボード操作用ＭＭＩ２０からの現地操作の指令を受けて、このような現地（フィールド）での操作をフィールド用ＭＭＩ３０で模擬的に行なうことにより、この操作指令をシミュレーションシステムに伝達し、シミュレーションシステムではこの操作に基づくプロセスモデルの新たな状況が算出され、各ＭＭＩ１０、２０にその状況が出力され表示される。

図３にシミュレーションシステムでモデルリングを行なうプラントのプロセス例を示す。図はエチレンプラントを示し、蒸留塔や熱交換器、ポンプ、弁といった機器を組み合せてプロセスを表現する。そしてプロセスはマスバランス、ヒートバランス等の数式で表される。いま、ｘを流量、温度、圧力、組成などの表す変数とすれば、Ｆ（ｘ）＝０、例えば蒸留塔のマスバランスは、入口流量−（塔頂流量＋塔底流量）＝０となる。勿論、モデリングの範囲はエチレンプラント全体でもよいし、一部でもよい。

上記のようなプラントのプロセスモデルは、ハードディスク等の外部記憶装置１５に収納されている。この外部記憶装置１５には、実プラントの稼働状況を表現するための物性パラメータ（プロセスの計算に必要となる）のほか、プラントの配置図、機器配置図、機器の実写図などが収納されている。

次に図４乃至図９に基づいて、シミュレーションシステムの作用を説明する。まずインストラクタはインストラクタ用ＭＭＩ１０を用いてシミュレーションシステムを起ち上げ動的プロセスモデルが動作可能な状態におく。そこで、ステップＳ₁ でインストラクタ用ＭＭＩ１０から、プロセスモデルの動作状況の変動に関連する指令をシステムに発する。例えばある熱交換器の動作異常指令とすれば、これがシステムに伝達され、システムからボード操作用ＭＭＩ２０にその異常状態がボード計器等の画面に表示される。ボード操作用ＭＭＩ２０のオペレータは、その画面を見てステップＳ₂ で当該熱交換器に対する具体的な現地操作指示を発する。例えば当該熱交換器の設置エリア、識別番号、対象機器、対象機器の操作部位（例えばバルブ）などである。この指示は、システムを経てフィールド操作用ＭＭＩ３０に表示され、同時に図５に示すようなプラント配置図が画面に表示される（ステップＳ₃ ）。図５中、符号Ｔは蒸留塔などの塔、Ｃは圧縮機、Ｒは反応器を示し、いずれもサイズや形状、高さ等で作業員に目立つシンボル的な設備を模式化して表示されている。従って作業員は、このプラント配置図から設備機器の具体的な配置を思い浮かべることができるようになっている。なお、図５は一つのプラント配置図のみを示しているが、複数のプラントを対象としたシステムであれば、それらを表示しその中から選択することも可能である。また、模式化した図形は図示に限らず任意に形象化できる。

次にステップＳ₄ で、フィールド操作用ＭＭＩ３０のオペレータは、図５中の現地操作すべき対象機器エリアＡを図示のように指定する。そうすると、図６に示すように、指定されたエリア内の機器配置図が画面に表示される。即ち段階的に精度が上げられた配置図になっている。図中、符号Ｃは圧縮機、Ｄはドラム、Ｅは熱交換器を示し、符号の後の番号は機器番号の例を示す。なお、図中の機器は任意に模式化することができる。

上記図６に基づいて、フィールド操作用ＭＭＩ３０のオペレータは、ステップＳ₆ で具体的な対象機器Ｅ−５を選択する。これによって、図７に示すように、対象機器及びその周辺の実写図が画面に表示される。この表示に基づいて、オペレータは、ステップＳ₈ で操作対象部位Ｖ−２を図のように選択する。するとステップＳ₉ で図８のような操作調整画面が対象部位Ｖ−２の実写図の下部に表わされる。この図の弁棒５０のねじ山５１の数を入力することによって、ねじ山５１の数が弁開度に変換されプロセスモデルに伝達される。図９は弁開度を変更する一般的な入力方法を示す。図示のように、バルブ６０の正面図と共に開方向を示す三角指標６１と閉方向を示す三角指標６２及び開度を示すため左右に移動するインジケータ６３、回転数６４が表示され、指標６１と６２にポインタ３４（図２）を当てると開閉操作が可能になっている（ステップ１０）。その操作信号は弁開度に変換されてシミュレーションシステムに伝達され、新たにプロセスの計算が行なわれ、結果がインストラクタ用ＭＭＩ１０及びボード操作用ＭＭＩ２０に伝達表示される。なお、フィールド操作を行なう作業員は、実際には弁開度の数値を直接操作の目安とすることができないので、スピンドルの長さやねじ山の数を目安として調整を行っていることから、図８の方法がより実情に合っている。また、上記では実写図とプロット図等によって対象エリアや機器を示したが、３次元モデルによって機器の配置や機器自体を示してもよい。前者の場合は、対象エリアに行きつく経路を選択するようにできる。

また、インストラクタ用ＭＭＩ１０には、ステップＳ₂ 、ステップＳ₄ 、ステップＳ₆ 、ステップＳ₈ 、ステップＳ₁₀の操作が全て伝達されるため、インストラクタはオペレータが正しい操作を行なったかどうかを監視することができる。

なお、このシミュレーションシステムにおいて、構築されたプラントモデルの構成がどのようなものであっても、この発明を適用することが可能である。

この発明のシミュレーションシステムに用いられるハードウエアの一例を示す模式図 ハードウエアの入出力機器を示すブロック図 プラントのプロセスモデルを示す模式図 シミュレーションシステムの作用を示すフローチャート プラント配置図の表示例を示すプロット図 機器の配置図の表示例を示すプロット図 実写機器の表示例を示す正面図 実写機器に操作用画面を付加した表示例を示す正面図 操作用画面の拡大図

符号の説明

１０ インストラクタ用マンマシンインターフェイス
１１ ＣＰＵ
１２ ディスプレイ
１３ キーボード
１４ ポインタ
１５ 外部記憶装置
２０ ボード操作用マンマシンインターフェイス
２１ ＣＰＵ
２２ ディスプレイ
２３ キーボード
２４ ポインタ
３０ フィールド操作用マンマシンインターフェイス
３１ ＣＰＵ
３２ ディスプレイ
３３ キーボード
３４ ポインタ
４０ ハブ
５０ 弁棒
５１ ねじ山
６０ バルブ
６１、６２ 開閉方向指標
６３ インジケータ
６４ 開度
Ａ 対象機器エリア
Ｃ 圧縮機
Ｄ ドラム
Ｅ 熱交換器
Ｖ−２ 操作対象部位

Claims (8)

1. プラントの動的プロセスモデルをコンピュータで操作可能とし、プラントのボード操作オペレータの訓練と共に、フィールド操作オペレータの行動の判断及び選択の模擬を可能とした訓練用シミュレーションシステム。
2. コンピュータ画面上の操作によってフィールドでの操作対象のエリアと操作対象機器を選択することによりフィールド操作オペレータの訓練を行なうようにした請求項１に記載の訓練用シミュレーションシステム。
3. プラントの動的プロセスモデルを搭載するインストラクタ用コンピュータと、プラントの遠隔操作を模擬できるボード操作用コンピュータと、プラントの現地操作を模擬できるフィールド操作用コンピュータと、これらのコンピュータ間のデータ通信手段より成り、前記インストラクタによって発せられたプロセスモデルの動作状況の変動指令に対してボード操作用コンピュータのオペレータは必要に応じてプラントの現地操作の指令を発し、この現地操作の指令に対応して表示されたフィールド操作用コンピュータの画面から、フィールド操作用コンピュータのオペレータが少なくともフィールドの操作エリアの選択及び操作対象機器の選択を行ない、選択された対象機器の図が表示され、この図から操作対象部位の選択及び模擬操作を可能とした訓練用シミュレーションシステム。
4. 前記フィールドの操作対象のエリアを段階的に精度を分けたプロット図または段階的に精度を分けた実写図の組合せによって選択するようにした請求項２または３に記載の訓練用シミュレーションシステム。
5. 前記フィールドの操作対象のエリアの選択を３次元機器配置モデルによる経路を選択することによって行うようにした請求項２または３に記載の訓練用シミュレーションシステム。
6. 前記フィールドでの操作対象機器を実写図または３次元モデルによって選択するようにした請求項２または３に記載の訓練用シミュレーションシステム。
7. 対象機器が弁であり、弁開閉の模擬操作量をハンドルの回転数で入力し、回転数を弁開度に変換してプロセスモデルに伝達可能にした請求項２、３、６のいずれかに記載の訓練用シミュレーションシステム。
8. 対象機器が弁であり、弁開閉の模擬操作量を弁棒ねじ山の数で入力し、ねじ山の数を弁開度に変換してプロセスモデルに伝達可能にした請求項２、３、６のいずれかに記載の訓練用シミュレーションシステム。