JP2005316738A - Plant-wide optimum process controller - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optimum process controller easily implementing an optimum target value and an optimum operation quantity according to calculation of a practical approximate optimum solution. <P>SOLUTION: A process optimization part calculating an actuator optimum target value or optimum operation quantity includes a process simulation part for a process dynamic model and an optimum computing part performing optimization calculation. In the process simulation part, one or more operation quantity values for the actuator are generated within an operation range of the operation quantity to be inputted to the dynamic model for generating a convergent value of the dynamic model. In this way, an operable initial solution candidate satisfying a physical quantity conservation restriction of a restriction condition setting part is found, and from the candidates, an operable initial solution candidate satisfying all the restriction conditions set by the restriction condition setting part is used as an operable initial solution. In the optimum computing part, one or more local optimum solutions are generated by a mathematical programming by using the operable initial solution as an initial value, and from the local optimum solutions, a solution optimizing an evaluation function is used as an approximation optimum solution. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、物質やエネルギーの流れの処理工程、例えば、下水処理プロセス、排水処理プロセス、浄水プロセス、化学プロセスなどのプロセス系の制御装置に関連し、特に非線形性の強いプロセスのプラントワイド最適プロセス制御装置に関する。   The present invention relates to a process controller for a material or energy flow, for example, a process system controller such as a sewage treatment process, a wastewater treatment process, a water purification process, a chemical process, etc., and particularly a plant-wide optimum process of a highly nonlinear process The present invention relates to a control device.

上下水道の水量プロセス及び水質プロセスなどの産業界におけるプロセスに対する制御方式として、古典制御の一種であるPID制御やシーケンス制御が広く利用されてきた。これらPID制御やシーケンス制御は、信頼性、制御性能、及び設計やチューニングの容易さなどの観点からバランスのとれた制御方式であり、産業界において最も標準的な制御方式として、今現在においても、80%以上の産業プロセスの制御に用いられている。   PID control and sequence control, which are a kind of classical control, have been widely used as control methods for industrial processes such as water and sewage water quantity processes and water quality processes. These PID control and sequence control are balanced control methods from the viewpoints of reliability, control performance, and ease of design and tuning. As the most standard control methods in the industry, even today, It is used to control over 80% of industrial processes.

しかし、例えば、下水処理においては、近年、従来の有機物除去のみの要求から、窒素やリンなどの河川への放流規制が義務付けられるようになりつつあり、さらに、運転コストなどの経済的なコスト低減や省エネルギーなども求められるようになってきており、制御の目的は多様化している。このような要求に応えるために、従来のPID制御やシーケンス制御に加えて、近年、様々なアドバンスト制御が用いられるようになってきている。   However, in sewage treatment, for example, in recent years, regulations for the release of nitrogen and phosphorus into rivers have become mandatory due to the conventional requirement for removing only organic substances, and further, economic costs such as operating costs have been reduced. There is also a demand for energy saving and energy saving, and the purpose of control is diversified. In order to meet such demands, various advanced controls have recently been used in addition to conventional PID control and sequence control.

アドバンスト制御は、大別してルールベース制御とモデルベース制御の2つのアプローチに分類され、これらは目的に応じて使い分けられる。対象プロセスの挙動を模擬できるモデルがあれば、モデルベース制御を採用する方がよりよい制御を行なえる潜在能力を持っている。特に、化学プロセスの制御や上下水道プロセスの制御などのいわゆるプロセス制御分野では、制御性能に対する要求と同時に、操作量となる薬品や電力などの運転コストを低減したいという要求が強いため、これらを積極的に考慮したモデルベース制御の1つであるモデル予測制御が発展してきた。   Advanced control is roughly classified into two approaches, rule-based control and model-based control, and these are used properly according to the purpose. If there is a model that can simulate the behavior of the target process, adopting model-based control has the potential to perform better control. In particular, in the so-called process control field such as chemical process control and water and sewage process control, there is a strong demand for reducing the operating costs of chemicals and electric power, etc., as the amount of operation, as well as demands for control performance. Model predictive control, which is one of model-based controls that have been taken into consideration, has been developed.

モデル予測制御は、1970年代後半から1980年代初頭にかけて、Shell Oi1社から独立したDMC(Dynamic Matrix Control)社などが産業界で実用化した制御方式であり、主に、石油化学プロセス業界におけるアドバンスト制御として広く用いられている(下記の非特許文献1参照)。モデル予測制御の有効性は実プロセスでも十分に検証されているが、その一方で、下水処理プロセスなどのように生物の代謝反応を伴う、より複雑なプロセスを対象とする場合には、高次元、非線形モデル予測制御系を構築しなければならず、将来的に非常に有望な技術であるものの、現状の技術レベルで実現することは必ずしも容易なことではない。   Model predictive control is a control method that has been put to practical use in the industry by DMC (Dynamic Matrix Control), independent of Shell Oi1, from the late 1970s to the early 1980s. Widely used (see Non-Patent Document 1 below). While the effectiveness of model predictive control is well verified in actual processes, on the other hand, when more complex processes involving metabolic reactions of organisms such as sewage treatment processes are targeted, higher dimensions are required. However, a nonlinear model predictive control system must be constructed, and although it is a very promising technology in the future, it is not always easy to realize it at the current technical level.

このような問題に対処するため、発明者等は、「プロセスシミュレータ応用制御装置及び方法」(下記の特許文献1参照。)を提案し、また、未公開の「プラントワイド最適プロセス制御装置」(特願2000−354865号)を提案してきた。特に、「プラントワイド最適プロセス制御装置」は、実際のプロセス制御系での実現の容易さを全面的に考慮して、プロセス全体の最適化を指向したものである。ここでは、プロセスの制御系を上位系(監視制御部:Supervisory Control System、以下、SVCと略記する)と下位系(ローカル制御部:Local Control Loops、LCとも略記される)という階層構造に分け、上位系ではプロセス全体の最適化を行うような最適目標値(又は最適操作量)を計算し、下位系では主にPI制御器からなるワンループコントローラでプロセスが最適目標値に追従するようにプロセスを制御するものであった。   In order to deal with such a problem, the inventors have proposed a “process simulator application control apparatus and method” (see the following Patent Document 1), and an unpublished “plant-wide optimal process control apparatus” ( Japanese Patent Application No. 2000-354865) has been proposed. In particular, the “plant-wide optimal process control device” is directed to optimization of the entire process in consideration of the ease of realization in an actual process control system. Here, the process control system is divided into a hierarchical structure of a superordinate system (supervisory control system: hereinafter abbreviated as SVC) and a subordinate system (local control part: abbreviated as Local Control Loops, LC), The upper system calculates the optimal target value (or optimal operation amount) that optimizes the entire process, and the lower system uses a one-loop controller consisting mainly of a PI controller so that the process follows the optimal target value. It was something to control.

また、「プラントワイド最適プロセス制御装置」では、下水処理プロセスを対象とした詳細な実施の形態を示しており、この場合の制御系の上位系では、経済的なコストや環境負荷を考慮した最適化変数に関して非線形の評価関数を最適化の指標として、以下のような制約条件を組み込んでいる。
a.(生物化学反応と水理学的流れ等の)物質収支を表す非線形代数方程式。
b.操作量の上下限を表す不等式。
c.出力の制約を表す不等式。
d.必要な汚泥滞留時間、滞留時間、水面積負荷などを制約する非線形不等式。
The “Plant Wide Optimal Process Control Device” shows a detailed embodiment for the sewage treatment process, and the control system in this case is an optimal system considering economic cost and environmental load. The following constraint conditions are incorporated using a non-linear evaluation function for optimization variables as an optimization index.
a. Nonlinear algebraic equations representing mass balance (such as biochemical reactions and hydraulic flows).
b. An inequality representing the upper and lower limits of the manipulated variable.
c. An inequality representing output constraints.
d. Non-linear inequality that restricts required sludge residence time, residence time, water area load, etc.

従って、このSVCは、非線形の等式及び不等式制約と非線形評価関数を持つ、「非線形最適化問題」として定式化できる。この定式化は、下水処理プロセスを対象としたものであるが、上記制約条件のうち、3つの制約条件a,b,cは、石油化学プロセス、浄水プロセス、電力プロセスなど任意の物理的なプロセスに通常現れる制約条件である。aに関しては、物質収支ではなくエネルギ収支が考慮される事もある。もう1つの制約条件dは、物理(土木)構造物とその構造物内で生産、消費、処理、転換される物質との間で満たすべき条件として、他のプロセスでも通常なんらかの形で現れる。最適化の指標を経済的指標として選ぶことも通常行われることである。従って、このような形のSVCの定式化は多くのプロセス系に対して適用できるかなり普遍的なものである。
J.Richalet,“Industrial Implementation of Predictive Control”,Preprint ofJapan Batch Forum(2002) 特開2002−373002号公報
Therefore, this SVC can be formulated as a “nonlinear optimization problem” with nonlinear equations and inequality constraints and a nonlinear evaluation function. This formulation is intended for a sewage treatment process. Of the above constraints, the three constraints a, b, and c are arbitrary physical processes such as petrochemical processes, water purification processes, and power processes. Is a constraint that usually appears in For a, the energy balance may be considered instead of the material balance. Another constraint condition d usually appears in some form in other processes as a condition to be satisfied between a physical (civil engineering) structure and a substance to be produced, consumed, processed, or converted in the structure. It is also common practice to choose an optimization index as an economic index. Therefore, this form of SVC formulation is fairly universal that can be applied to many process systems.
J. Richalet, “Industrial Implementation of Predictive Control”, Preprint of Japan Batch Forum (2002) JP 2002-373002 A

上述したように、定式化を行った後は、実際に非線形最適化問題を解く必要があるが、一般に非線形最適化問題を解くことは、線形の最適化問題を解くことと比較して相当に難しく、さらに、このSVCに含まれる物質収支に対応する非線形等式制約条件は、この非線形最適化問題を解くことを一層難しくしている。なぜなら、最適化される独立変数のある組み合わせが等式制約条件を満たしていた場合にある1つの独立変数の値を少し変更した組み合わせはもはや等式条件を満たしていることは殆どないからである。しかも、この物質収支は基本的かつ本質的な要請であるため、これを無視したり緩和したりすることは許されず、必ず非線形等式制約条件を考慮しなければならない。従って、このようなSVCをプラントワイド制御装置で実際に実施するためには、この最適化問題の実用解(最適とは限らなくても実用に十分耐えうる近似最適解)を求める方法が必要になる。   As described above, after formulating, it is necessary to actually solve the nonlinear optimization problem, but in general, solving the nonlinear optimization problem is considerably more than solving the linear optimization problem. Further, the nonlinear equality constraints corresponding to the mass balance contained in this SVC make it more difficult to solve this nonlinear optimization problem. This is because when a combination of independent variables to be optimized satisfies the equation constraint, a combination that slightly changes the value of one independent variable no longer satisfies the equation condition. . Moreover, since this material balance is a fundamental and essential requirement, it cannot be ignored or relaxed, and nonlinear equation constraints must be taken into account. Therefore, in order to actually implement such an SVC with a plant-wide control device, a method for obtaining a practical solution of this optimization problem (an approximate optimal solution that can withstand practical use even if not optimal) is required. Become.

さらに、このSVCをオンラインで実行しようとした場合、実用的な最適解をオンラインの制御周期より短い時間に実行できなければ、結果的に使われなくなる可能性がある。そのためには、実用解を高速で解くことも求められる。   Furthermore, when this SVC is to be executed online, there is a possibility that it will not be used as a result unless a practical optimal solution can be executed in a time shorter than the online control period. For that purpose, it is also required to solve a practical solution at high speed.

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、第1の目的は、プラントワイド最適制御を行うに当たり、最適目標値と最適操作量の実用的な近似最適解を具体的に計算することが可能になり、これよってその実現を容易化することのできるプラントワイド最適プロセス制御装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems, and a first object is to provide practical approximate optimum solutions of optimum target values and optimum manipulated variables when performing plant-wide optimum control. It is an object of the present invention to provide a plant-wide optimum process control device that can be calculated and can be easily realized.

本発明の第2の目的は、最適目標値と最適操作量の実用的な近似最適解を高速に演算することができ、オンラインでの利用が可能なプラントワイド最適プロセス制御装置を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a plant-wide optimum process control apparatus that can calculate a practical approximate optimum solution of an optimum target value and an optimum manipulated variable at high speed and can be used online. is there.

請求項1に係る発明は、
流入する物質やエネルギーを外部入力とし、物質やエネルギーの流れの処理工程を対象プロセスとして、対象プロセスのいくつかの状態を計測することのできる少なくとも1つのプロセスセンサと、
対象プロセスの状態を変化させることができる少なくとも1つのアクチュエータと、
少なくとも外部入力の物質量やエネルギー量などの保存量の保存則に関する代数方程式で表される静的な制約条件を設定することのできる保存量制約設定部を含む制約条件設定部と、
運転コストや複数の制御性能を評価できる評価関数を設定することのできる最適評価関数設定部と、
プロセスセンサによって得られるプロセス計測値に基づいて、アクチュエータを動作させ、プロセスのダイナミックな変動を望ましい特性を持つように補償するローカル制御部と、
制約条件設定部によって設定された制約条件を入力し、最適評価関数設定部で設定した評価関数に基づいてローカル制御部の最適な目標値を供給するか、又は、アクチュエータの最適操作量を直接計算するプロセス最適化部と、
を備えたプラントワイド最適プロセス制御装置において、
プロセス最適化部は、保存量制約設定部で設定されるプロセスの定常状態モデルである代数方程式に対応するプロセスの動的モデルである微分方程式で表されるプロセスシミュレーション部と、最適化計算を行う最適演算部とを含んで構成され、
プロセスシミュレーション部では、アクチュエータの操作量値をその操作量の操作範囲内で1つ以上生成して動的モデルに入力し、動的モデルの収束値(定常値)を発生させることによって、制約条件設定部の物質量保存制約を満たす最適演算部の1つ以上の実行可能初期解候補を求め、実行可能初期解候補の中から、制約条件設定部において設定されたすべての制約条件を満たす1つ以上の実行可能初期解候補を実行可能初期解として採用し、最適演算部では、1つ以上の実行可能初期解を初期値として、数理計画法によって局所最適解を1つ以上生成し、その中で評価関数を最適にするものを近似最適解として採用する、アルゴリズムが組み込まれている、
ことを特徴とするものである。
The invention according to claim 1
At least one process sensor capable of measuring several states of the target process, with the inflowing substance or energy as an external input and the processing step of the substance or energy flow as the target process;
At least one actuator capable of changing the state of the subject process;
A constraint condition setting unit including a storage amount constraint setting unit capable of setting at least a static constraint condition represented by an algebraic equation relating to a conservation rule of a storage amount such as an externally input substance amount and energy amount;
An optimal evaluation function setting unit that can set an evaluation function that can evaluate the operating cost and multiple control performances;
A local controller that operates the actuator based on the process measurements obtained by the process sensor to compensate for dynamic variations in the process to have the desired characteristics;
Enter the constraint condition set by the constraint condition setting unit and supply the optimal target value of the local control unit based on the evaluation function set by the optimal evaluation function setting unit, or directly calculate the optimal operation amount of the actuator A process optimization unit to
In a plant-wide optimum process control device equipped with
The process optimization unit performs optimization calculation with a process simulation unit represented by a differential equation that is a dynamic model of a process corresponding to an algebraic equation that is a steady state model of a process set by a storage amount constraint setting unit Including an optimal calculation unit,
The process simulation unit generates one or more actuator operation amount values within the operation range of the operation amount, inputs them to the dynamic model, and generates a convergence value (steady value) of the dynamic model. One or more feasible initial solution candidates of the optimum computing unit satisfying the substance amount storage constraint of the setting unit are obtained, and one of the feasible initial solution candidates satisfying all the constraint conditions set in the constraint condition setting unit The above feasible initial solution candidates are adopted as feasible initial solutions, and the optimal computing unit generates one or more local optimal solutions by mathematical programming with one or more feasible initial solutions as initial values, An algorithm that incorporates the one that optimizes the evaluation function as an approximate optimal solution is incorporated.
It is characterized by this.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部は、現れる操作量や状態変数などの最適化されるべき独立変数の取りうる範囲を略同じになるように正規化する、ことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1, wherein the process optimization unit has substantially the same range that can be taken by the independent variables to be optimized such as the manipulated variables and state variables that appear. It normalizes so that it becomes.

請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせを遺伝子と見なし、遺伝子から最適演算部を通して計算される評価関数値あるいは評価関数値から変換される何らかの指標を適合度と見なして遺伝的アルゴリズムを併用する、ことを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2, wherein the combination of manipulated variable values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit is a gene. And an evaluation function value calculated from the gene through an optimal calculation unit or some index converted from the evaluation function value is regarded as a goodness of fit, and a genetic algorithm is used in combination.

請求項4に係る発明は、請求項3に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部の遺伝的アルゴリズムの代わりに、免疫的アルゴリズム又はメタヒューリスティックスを適用する、ことを特徴とする。   The invention according to claim 4 is characterized in that, in the plant-wide optimum process control apparatus according to claim 3, an immune algorithm or metaheuristics is applied instead of the genetic algorithm of the process optimization unit.

請求項5に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせとして、対象プロセスの計算時点における実際の操作量を採用する、ことを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2, as a combination of manipulated variable values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit, The actual operation amount at the time of calculation of the target process is adopted.

請求項6に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部における最適化されるべき独立変数の中のいくつかを固定値と見なして最適化を行わず、残りの独立変数のみの最適化を行う、ことを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the plant-wide optimum process control apparatus according to claim 1 or 2, wherein the optimization is performed by regarding some of the independent variables to be optimized in the process optimization unit as fixed values. It is characterized in that optimization is performed only for the remaining independent variables.

請求項7に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部において、定式化した最適化問題の緩和問題を同時に解くことによって、最適値の下界を見積もる、ことを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2, wherein the process optimization unit simultaneously solves the relaxation problem of the formulated optimization problem, thereby reducing the lower bound of the optimum value. It is characterized by estimating.

請求項8に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせを遺伝子と見なし、遺伝子から最適演算部を通して計算される評価関数値あるいは評価関数値から変換される何らかの指標を適合度と見なして遺伝的アルゴリズムを併用し、
プロセス最適化部において、定式化した最適化問題の緩和問題を同時に解くことによって、最適値の下界を見積もり、
遺伝的アルゴリズムの終了条件を、近似最適解と最適解の下界の差に対してスレッシュホールドレベルを設けて、これに基づいて決定する、ことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2, wherein the combination of manipulated variable values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit is a gene. The evaluation function value calculated from the gene through the optimal computation unit or any index converted from the evaluation function value is regarded as the fitness, and the genetic algorithm is used together.
In the process optimization section, the lower bound of the optimum value is estimated by simultaneously solving the relaxation problem of the formulated optimization problem,
The termination condition of the genetic algorithm is determined based on a threshold level provided for the difference between the approximate optimum solution and the lower bound of the optimum solution.

請求項9に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、実行可能初期解候補の中で実行可能解が1つも見つからなかった場合に、この最適化問題に解が無い可能性が高いことを提示するような機能を備えた、ことを特徴とする。   The invention according to claim 9 solves this optimization problem when no feasible solution is found among the feasible initial solution candidates in the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2. It is characterized by having a function of presenting that there is a high possibility that there is no.

請求項10に係る発明は、請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置において、複数の対象プロセスにそれぞれ対応させてローカル制御部を備え、制約条件設定部、最適評価関数設定部及びプロセス最適化部の各機能を単一の上位側制御機器に持たせた、この上位側制御機器と対応する要素をそれぞれデータ伝送路で接続した、ことを特徴とする。   The invention according to claim 10 is the plant-wide optimum process control device according to claim 1 or 2, further comprising a local control unit corresponding to each of a plurality of target processes, a constraint condition setting unit, an optimum evaluation function setting unit, and Each function of the process optimization unit is provided in a single higher-level control device, and elements corresponding to the higher-level control device are connected via a data transmission path.

請求項11に係る発明は、請求項10に記載のプラントワイド最適制御装置において、制約条件設定、最適評価関数設定部及びプロセス最適化部の機能を複数の制御機器に分割し、これらの制御機器をデータ伝送路にて接続したことを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the plant-wide optimum control apparatus according to the tenth aspect, the functions of the constraint condition setting, the optimum evaluation function setting unit, and the process optimization unit are divided into a plurality of control devices. Are connected by a data transmission line.

本発明は、上記のように構成したことにより、プラントワイド最適制御を行うに当たり、最適目標値と最適操作量の実用的な近似最適解を具体的に計算することが可能になり、これよってその実現を容易化することのできるプラントワイド最適プロセス制御装置が提供される。   The present invention configured as described above makes it possible to concretely calculate a practical approximate optimum solution of the optimum target value and the optimum manipulated variable when performing plant-wide optimum control. A plant-wide optimum process control device that can be easily realized is provided.

また、最適目標値と最適操作量の実用的な近似最適解を高速に演算することができ、オンラインでの利用が可能なプラントワイド最適プロセス制御装置が提供される。   In addition, a plant-wide optimum process control apparatus that can calculate a practical approximate optimum solution of an optimum target value and an optimum manipulated variable at high speed and can be used online is provided.

以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.

第1の実施の形態First embodiment

〈第1の実施の形態の構成〉
図1は、本発明に係るプラントワイド最適プロセス制御装置の第1の実施の形態として、窒素及びリンの除去を目的とした下水高度処理プロセスを対象とする制御システムの構成を示すブロック図である。ただし、本発明は、このような下水処理制御システムに限定されるものではなく化学プロセス等、任意のプロセスに適用することができる。
<Configuration of First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a control system for an advanced sewage treatment process aimed at removing nitrogen and phosphorus as a first embodiment of a plant-wide optimum process control apparatus according to the present invention. . However, the present invention is not limited to such a sewage treatment control system, and can be applied to any process such as a chemical process.

図1に示す下水処理プロセスは2段循環式硝化脱窒プロセスとして構成された下水高度処理プロセス1であり、被処理水は、先ず最初沈澱池101に導入され、ここから順に、嫌気槽102、第1好気槽103、無酸素槽104、第2好気槽105、及び最終沈澱池106を通って放水される。   The sewage treatment process shown in FIG. 1 is a sewage advanced treatment process 1 configured as a two-stage circulation nitrification denitrification process. The treated water is first introduced into the sedimentation basin 101, and from here on, an anaerobic tank 102, Water is discharged through the first aerobic tank 103, the anaerobic tank 104, the second aerobic tank 105, and the final sedimentation basin 106.

この下水高度処理プロセス1の状態を変化させることのできるアクチュエータとして、最初沈澱池101に最初沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ111を備え、同様に、最初沈澱池101の出口と無酸素槽104との間にステップ流入ポンプ112、第1好気槽103に酸素を供給するブロワ113、第2好気槽105に酸素を供給するブロワ114、無酸素槽104に炭素源を供給する炭素源投入ポンプ115、第2好気槽105から無酸素槽104に被処理水を還流させる循環ポンプ116、最終沈澱池106の汚泥を最初沈澱池101に返送する返送汚泥ポンプ117、第2好気槽105に凝集剤を投入する凝集剤投入ポンプ118、及び最終沈澱池106から汚泥を引き抜く最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ119を備えている。これらのアクチュエータ111〜119は、所定の周期で動作する。   As an actuator capable of changing the state of this advanced sewage treatment process 1, the first sedimentation basin 101 is equipped with an initial sedimentation basin excess sludge extraction pump 111, and similarly, between the outlet of the first sedimentation basin 101 and the anoxic tank 104. A step inflow pump 112, a blower 113 for supplying oxygen to the first aerobic tank 103, a blower 114 for supplying oxygen to the second aerobic tank 105, a carbon source input pump 115 for supplying a carbon source to the anaerobic tank 104, A circulation pump 116 that recirculates water to be treated from the second aerobic tank 105 to the anaerobic tank 104, a return sludge pump 117 that returns sludge from the final sedimentation tank 106 to the first sedimentation tank 101, and a flocculant in the second aerobic tank 105 And a final sedimentation basin excess sludge extraction pump 119 for extracting sludge from the final sedimentation basin 106. These actuators 111 to 119 operate at a predetermined cycle.

さらに、下水高度処理プロセス1には、その状態を計測するプロセスセンサとして、第1好気槽103のアンモニア濃度を計測するアンモニアセンサ121、無酸素槽104の硝酸濃度を計測する硝酸センサ122、槽102〜105の少なくとも1つの槽(図示の例では無酸素槽104)で活性汚泥量(以下、MLSSと略記する)を計測するMLSSセンサ123、第2好気槽105のアンモニア濃度を計測するアンモニアセンサ124、第2好気槽105のリン酸濃度を計測するリン酸センサ125、最終沈澱池106から引き抜かれる汚泥量のSS濃度を計測するSSセンサ126、最終沈澱池106から引き抜かれる余剰汚泥量を計測する流量センサ127、第2好気槽105の溶存酸素濃度を計測するDOセンサ128、第2好気槽105の酸化還元電位差を計測するORPセンサ129、放流下水の水量とCOD、TN、TPなど複数の水質要素とを計測することのできる放流下水センサ1210、及び流入下水の水量とCOD、TN、TPなど複数の水質要素とを計測することのできる下水流入センサ1211が設けられている。これらのプロセスセンサ121〜129、1210、1211は所定の周期で計測を行っている。   Furthermore, in the advanced sewage treatment process 1, as a process sensor for measuring the state, an ammonia sensor 121 for measuring the ammonia concentration in the first aerobic tank 103, a nitric acid sensor 122 for measuring the nitric acid concentration in the anaerobic tank 104, a tank MLSS sensor 123 that measures the amount of activated sludge (hereinafter abbreviated as MLSS) in at least one tank 102 to 105 (the oxygen-free tank 104 in the illustrated example), and ammonia that measures the ammonia concentration in the second aerobic tank 105. Sensor 124, phosphoric acid sensor 125 for measuring the phosphoric acid concentration in the second aerobic tank 105, SS sensor 126 for measuring the SS concentration of the amount of sludge withdrawn from the final sedimentation basin 106, excess sludge amount withdrawn from the final sedimentation basin 106 A flow sensor 127 for measuring the DO, a DO sensor 128 for measuring the dissolved oxygen concentration in the second aerobic tank 105, ORP sensor 129 that measures the oxidation-reduction potential difference of tank 105, discharge sewage sensor 1210 that can measure the amount of discharged sewage and a plurality of water quality elements such as COD, TN, TP, and the amount of inflow sewage and COD, TN, A sewage inflow sensor 1211 capable of measuring a plurality of water quality elements such as TP is provided. These process sensors 121 to 129, 1210, and 1211 measure at a predetermined cycle.

プラントワイド最適プロセス制御装置は、プロセスセンサ121〜129、1210から所定の周期で得られるプロセスデータを収集し保持するプロセス計測データ収集部2と、下水流入センサ1211で計測した外部入力としての流入下水量と流入下水水質の時系列データを収集し保持する外部入力計測データ収集部3と、プロセス計測データ収集部2から所定の周期で供給されるプロセス計測データに基づいて、プロセスセンサ121〜129、1210の異常を診断して、スイッチ部SW2の接点切換操作をするプロセスセンサ異常診断部4と、外部入力計測データ収集部3から所定の周期で供給される外部入力計測データに基づいて、下水流入センサ1211の異常を診断して、スイッチ部SW1の切換操作をする外部入力センサ異常診断部5と、主に下水流入水質の手分析データを保存しておく手分析データ保存部6とを備えている。   The plant-wide optimum process control apparatus includes a process measurement data collection unit 2 that collects and holds process data obtained from the process sensors 121 to 129 and 1210 in a predetermined cycle, and an inflow as an external input measured by a sewage inflow sensor 1211. Based on the process measurement data supplied at a predetermined cycle from the external measurement data collection unit 3 that collects and holds the time-series data of the amount of water and the quality of the inflow sewage water, the process sensors 121 to 129, Based on the process sensor abnormality diagnosis unit 4 that diagnoses the abnormality of 1210 and switches the contact of the switch unit SW2 and the external input measurement data supplied from the external input measurement data collection unit 3 at a predetermined cycle, An external input sensor that diagnoses the abnormality of the sensor 1211 and performs the switching operation of the switch unit SW1 A diagnosis unit 5, and a manual analysis data storage unit 6 to be mainly save manual analysis data of the sewage inflow water.

さらに、プラントワイド最適プロセス制御装置は、プロセスのマスバランスあるいはエネルギーバランス等の保存量に関する制約条件を設定する保存量制約設定部71、プロセスの出力である水質や水量の規制値などの制約条件を設定する出力制約設定部72、プロセスの入力である操作量のリミットや操作量変化率のリミット(Δリミット)などの制約条件を設定する操作量制約設定部73を含んでなる制約条件設定部7と、プロセスの最適性を定量的に定義した最適評価関数設定部8と、制約条件設定部7で設定された各種の制約値と最適評価関数設定部8で設定された評価関数とに基づいて、外部入力計測データ収集部3を介して得られた下水流入センサ1211の流入下水水量と各種流入下水水質とのデータ又は手分析データ保存部6のデータを入力することによって、アクチュエータ111〜119のそれぞれの最適操作量及びプロセスセンサ121〜129、1210で計測されるプロセス被制御量の最適目標値を計算するプロセス最適化部9と、プロセス計測データ収集部2において収集されたプロセスデータとプロセス最適化部9から供給される最適目標値とを入力とし、各種アクチュエータ111〜119の操作量を計算するローカル制御部10とを備えている。   In addition, the plant-wide optimum process control device includes a storage amount constraint setting unit 71 for setting a constraint condition related to a storage amount such as process mass balance or energy balance, and a constraint condition such as a water quality or a control value of the water amount that is the output of the process. A constraint condition setting unit 7 including an output constraint setting unit 72 for setting, and an operation amount constraint setting unit 73 for setting a constraint condition such as a limit of an operation amount that is a process input and a limit (Δ limit) of an operation amount change rate. And an optimum evaluation function setting unit 8 that quantitatively defines the optimality of the process, various constraint values set by the constraint condition setting unit 7 and evaluation functions set by the optimum evaluation function setting unit 8 The data of the inflow sewage amount of the sewage inflow sensor 1211 obtained through the external input measurement data collection unit 3 and the data of various inflow sewage qualities or the manual analysis data storage unit The process optimization unit 9 for calculating the optimum target values of the optimum operation amounts of the actuators 111 to 119 and the process controlled amounts measured by the process sensors 121 to 129 and 1210, and the process measurement A local control unit 10 that receives the process data collected in the data collection unit 2 and the optimum target value supplied from the process optimization unit 9 as input and calculates the operation amounts of the various actuators 111 to 119 is provided.

なお、プロセス最適化部9は、最適化演算の実行可能解を生成するためのプロセスシミュレーション部91及びこれによって生成された実行可能解を初期値として最適化演算を行う最適演算部92を含んで構成されている。   The process optimization unit 9 includes a process simulation unit 91 for generating an executable solution for the optimization operation and an optimization operation unit 92 for performing the optimization operation using the executable solution generated thereby as an initial value. It is configured.

〈第1の実施の形態の作用〉
以下、第1の実施の形態の作用を説明する。先ず、硝酸センサ122で計測された無酸素槽104の硝酸濃度データを所定の周期でプロセス計測データ収集部2に格納する。ここで、硝酸センサ122の出力信号線を3本に分岐してプロセス計測データ収集部2に入力するように記載した理由は、プロセス計測データ収集部2が複数のデータを選択的に収集する複数のデータ収集部(図示せず)を備えていることによる。同様に、アンモニアセンサ121、アンモニアセンサ124で各々計測された第1好気槽103及び第2好気槽105のアンモニア濃度データを所定の周期でプロセス計測データ収集部2に格納する。全く同様に、MLSSセンサ123で計測されたMLSS濃度データ、リン酸センサ125で計測されたリン酸濃度データ、SSセンサ126で計測された余剰汚泥のSS濃度データ、流量センサ127で計測された余剰汚泥の引き抜き流量データを所定の周期でプロセス計測データ収集部2に格納する。
<Operation of First Embodiment>
The operation of the first embodiment will be described below. First, the nitric acid concentration data of the anoxic tank 104 measured by the nitric acid sensor 122 is stored in the process measurement data collection unit 2 at a predetermined cycle. Here, the reason why the output signal line of the nitric acid sensor 122 is branched into three and input to the process measurement data collecting unit 2 is that the process measurement data collecting unit 2 selectively collects a plurality of data. This is because a data collection unit (not shown) is provided. Similarly, the ammonia concentration data of the first aerobic tank 103 and the second aerobic tank 105 respectively measured by the ammonia sensor 121 and the ammonia sensor 124 are stored in the process measurement data collection unit 2 at a predetermined cycle. Exactly the same, MLSS concentration data measured by the MLSS sensor 123, phosphoric acid concentration data measured by the phosphoric acid sensor 125, surplus sludge SS concentration data measured by the SS sensor 126, surplus measured by the flow sensor 127 Sludge extraction flow rate data is stored in the process measurement data collection unit 2 at a predetermined cycle.

最適評価関数設定部8は、下水高度処理プロセス1の最適性を評価するための最適評価関数を設定するものである。下水高度処理プロセス1では、運転コストの削減と窒素やリンの除去効率の向上が求められているが、これらはトレードオフの関係にあるため、これらのトレードオフを考慮した最適評価関数を設定することが好ましい。例えば、放流水の窒素やリンの負荷量に応じて賦課金を課すという考え方に従って、放流水質の向上を金額換算して放流水質コストとし、この放流水質コストと運転コストとを同時に評価し、例えば、次のような評価関数Jを設定する。
J=EC十OC (1)
The optimum evaluation function setting unit 8 sets an optimum evaluation function for evaluating the optimality of the sewage advanced treatment process 1. In the advanced sewage treatment process 1, it is required to reduce the operating cost and improve the removal efficiency of nitrogen and phosphorus. However, since these are in a trade-off relationship, an optimal evaluation function is set in consideration of these trade-offs. It is preferable. For example, according to the idea of imposing a levy according to the load of nitrogen or phosphorus of the effluent water, the improvement of the effluent water is converted into a monetary amount as the effluent water cost, and this effluent water quality cost and the operating cost are evaluated simultaneously, The following evaluation function J is set.
J = EC + OC (1)

ここで、ECは放流水質コストであり、OCは運転コストであって、例えば次式で定義する。

Figure 2005316738
Here, EC is the discharged water quality cost, OC is the operating cost, and is defined by the following equation, for example.
Figure 2005316738

ここで、COD、BOD、SS、TN、TPは、それぞれ、放流水の化学的酸素要求量、生物化学的酸素要求量、浮遊固形物量、全窒素の濃度、全リンの濃度を表し、単位はすべて[kg/m]である。Qef[m/d]は放流水量を表す。Q,Qret,Qcirc,Qex,Qpac,Qcbは、それぞれ、曝気風量、返送量、循環量、余剰汚泥引抜量、凝集剤投入量、炭素源投入量であり、単位はすべて[m/d]である。Qsludge[kg/d]は発生汚泥量である。また、t0及びTは、それぞれ、コスト評価開始時刻及びコスト評価期間を示す。wはコスト換算係数に対応する重みである。 Here, COD, BOD, SS, TN, and TP represent the chemical oxygen demand, the biochemical oxygen demand, the amount of suspended solids, the total nitrogen concentration, and the total phosphorus concentration, respectively, of the discharged water. All are [kg / m 3 ]. Q ef [m 3 / d] represents the amount of discharged water. Q b , Q ret , Q circ , Q ex , Q pac , and Q cb are aeration air amount, return amount, circulation amount, surplus sludge extraction amount, flocculant input amount, carbon source input amount, respectively. [m 3 / d]. Q sludge [kg / d] is the amount of generated sludge. T0 and T represent a cost evaluation start time and a cost evaluation period, respectively. w i is a weight corresponding to the cost conversion coefficient.

もちろん、最適評価関数設定部8はこのような評価関数に限定されるわけではなく、ユーザのニーズ、あるいは行政判断など様々な基準に基づいた評価関数を用いることができる。ただし、この最適評価関数設定部8では、最適性の基準を定量的に評価できる必要がある。最適評価関数のこの考え方は、下水高度処理プロセス1のトレードオフを定量的に考慮できるため、このようなトレードオフを考慮した評価関数として有効なものである。   Of course, the optimum evaluation function setting unit 8 is not limited to such an evaluation function, and an evaluation function based on various criteria such as user needs or administrative judgment can be used. However, the optimum evaluation function setting unit 8 needs to be able to quantitatively evaluate the criterion of optimality. This concept of the optimum evaluation function is effective as an evaluation function considering such a trade-off since the trade-off of the advanced sewage treatment process 1 can be quantitatively taken into consideration.

次に、もう1つの設定条件として、制約条件設定部7において、保存量制約設定部71と、出力制約設定部72と、操作量制約設定部73とで各々の制約条件を設定する。   Next, as another setting condition, in the constraint condition setting unit 7, each constraint condition is set by the storage amount constraint setting unit 71, the output constraint setting unit 72, and the operation amount constraint setting unit 73.

保存量制約設定部71では、下水高度処理プロセス1の処理におけるマスバランスを考慮した微分方程式から導出される代数方程式によって記述される。   The storage amount constraint setting unit 71 is described by an algebraic equation derived from a differential equation considering mass balance in the processing of the sewage altitude processing process 1.

まず、例えば、下水高度処理プロセス1のプロセスモデル(プロセスシミュレータ)は、具体的には、文献「IAWQ Task Group on Mathematical Modeling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment Processes,“Activated Sludge Models ASM1,ASM2,ASM2d and ASM3”,IAWQ Scientific Technical」に記載されている、次式のような、活性汚泥モデルASM1〜ASM3などを用いた生物反応槽モデルと、レイヤーモデルやTakacsモデルなどの沈降モデルを用いた沈澱池モデルを連結させた形で表現される。   First, for example, the process model (process simulator) of advanced sewage treatment process 1 is specifically described in the document “IAWQ Task Group on Mathematical Modeling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment Processes,“ Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d. and ASM3 ”, IAWQ Scientific Technical”, as shown in the following equation, biological reaction tank model using activated sludge models ASM1 to ASM3, and sedimentation basin using sedimentation models such as layer model and Takacs model It is expressed as a connected model.

〈生物反応槽モデル〉

Figure 2005316738
<Biological reaction tank model>
Figure 2005316738

ここで、z(t)[g/m]∈ は反応槽の水質要素を表すベクトル、nは状態変数の数、z*in(t)[g/m]∈R は対象となる反応槽に流入してくる下水の水質要素を表すベクトル、V[m]∈Rは対象とする反応槽の容積、Q(t)[m/day]∈Rは流入量を表す。また、S∈Rp×nは化学量論を表すマトリクス、r(・)∈R は反応速度を表すベクトル、pは要素反応プロセスの数を表す。So2*(t)[g/m]∈Rは溶存酸素濃度でz(t)の1つの要素(ASM1〜ASM3では第2番目の要素として割り当てられている)である。So2[g/m]∈Rは飽和溶存酸素量、KLa[1/day]∈Rは総括酸素移動容量係数、QB(t)[m/day]∈Rは曝気量、K[1/m]∈Rは定数を表す。また、*は各反応槽の文字列を表し、例えば、*:=aerobic好気槽を表す。Rはn次の実数の集合を表し、R はn次の正の実数の集合を表す。 Here, z * (t) [g / m 3 ] ∈ n + is a vector representing the water quality element of the reaction tank, n is the number of state variables, z * in (t) [g / m 3 ] ∈R n + Is a vector representing the quality element of the sewage flowing into the target reaction tank, V * [m 3 ] ∈R + is the volume of the target reaction tank, Q * (t) [m 3 / day] ∈R + Represents the inflow. SεR p × n is a matrix representing stoichiometry, r (·) εR p + is a vector representing the reaction rate, and p is the number of element reaction processes. S o2 * (t) [g / m 3 ] ∈R + is one element of z * (t) in the dissolved oxygen concentration (assigned as the second element in ASM1 to ASM3). S o2 [g / m 3 ] ∈R + is the amount of saturated dissolved oxygen, KLa [1 / day] ∈R + is the overall oxygen transfer capacity coefficient, QB (t) [m 3 / day] ∈R + is the aeration amount, K [1 / m 3 ] ∈R + represents a constant. * Represents a character string of each reaction tank, for example, *: = aerobic aerobic tank. R n represents a set of n-th order real numbers, and R n + represents a set of n-th order positive real numbers.

〈沈澱池モデル〉

Figure 2005316738
<Settling pond model>
Figure 2005316738

ここで、ssd(t)[g/m]∈R は沈澱池の溶解性の水質要素を表すベクトル、sは溶解性水質要素の数を表す。x sd(t)[g/m]∈Rn−3 は沈澱池の沈澱部の浮遊性の水質要素を表すベクトルであり、x sd(t)[g/m]∈Rn−s は沈澱池の上澄部の浮遊性の水質要素を表すベクトルである。αは1より小さい定数である.Q sdout(t)、Q sdout(t)、及びQ sdout(t)は、各々、余剰汚泥引き抜き流量、返送量、及び放流量を表す。 Here, s sd (t) [g / m 3 ] ∈R s + is a vector representing the soluble water quality element of the settling basin, and s is the number of soluble water quality elements. x b sd (t) [g / m 3] ∈R n-3 + is a vector representing the buoyant water quality component of the precipitation portion of the sedimentation tank, x u sd (t) [ g / m 3] ∈R n-s + is a vector representing the buoyant water quality component of the precipitation pond supernatant portion. α is a constant smaller than 1. Q w sdout (t), Q r sdout (t), and Q c sdout (t) represent the excess sludge extraction flow rate, the return flow rate, and the discharge flow rate, respectively.

これらの生物反応槽モデルと沈澱池モデルを下水高度処理プロセス1のプロセス構成に従って適切に連結することによって、下水高度処理プロセスシミュレータが構築される。これは、図1のプロセスシミュレーション部91に用いられるプロセスシミュレータである。以下の説明を簡単にするため、このプロセスシミュレータを形式的に次のように記述しておく。

Figure 2005316738
By appropriately connecting these biological reaction tank model and sedimentation pond model according to the process configuration of the advanced sewage treatment process 1, a sewage advanced treatment process simulator is constructed. This is a process simulator used in the process simulation unit 91 of FIG. In order to simplify the following explanation, this process simulator is described formally as follows.
Figure 2005316738

ここで、xは反応槽内のアンモニア、硝酸、リン酸、CODの要素、SS、MLSSなどの水質要素を表すベクトル、uは、曝気量、循環量、返送量、炭素源投入量などの操作量を表すベクトル、dは流入下水の水質要素や流入下水量などの外乱を表すベクトル、θは、最大比増殖速度、半飽和定数、加水分解定数、死滅定数、などの各種パラメータを表すベクトルである。   Here, x is a vector representing water quality elements such as ammonia, nitric acid, phosphoric acid, COD elements in the reaction tank, SS, MLSS, etc. u is an operation such as aeration amount, circulation amount, return amount, carbon source input amount, etc. D is a vector representing disturbances such as inflow sewage water quality factor and inflow sewage amount, and θ is a vector representing various parameters such as maximum specific growth rate, half-saturation constant, hydrolysis constant, death constant, etc. is there.

さて、プロセスの挙動の過渡状態を考えずに定常状態のみを考える場合には、このプロセスモデル(シミュレータ)を記述した(13)式の左辺の微分値をゼロとおけばよく、この時、定常状態におけるマスバランス式が以下のように得られる。
f(x,u,θ,d)=0 (14)
Now, if only the steady state is considered without considering the transient state of the process behavior, the differential value on the left side of equation (13) describing this process model (simulator) can be set to zero. The mass balance equation in the state is obtained as follows.
f (x, u, θ, d) = 0 (14)

この(14)式が、保存量制約設定部71の制約条件式の一例である、本発明では制約条件としての(14)式を満足させるために、(13)式を利用したアルゴリズムを開発している。   This equation (14) is an example of the constraint condition expression of the storage amount constraint setting unit 71. In the present invention, in order to satisfy the expression (14) as the constraint condition, an algorithm using the expression (13) is developed. ing.

次に、出力制約設定部72では、例えば、出力である水質の規制値を設定したり、水質濃度など決して負にはならないように制約条件を設定することができる。例えば、(14)式に加えて、次式のような制約条件を設定する。
0≦x≦xmax (15)
Next, in the output restriction setting unit 72, for example, a restriction value of water quality that is an output can be set, or a restriction condition can be set such that the water quality concentration is never negative. For example, in addition to the equation (14), the following constraint condition is set.
0 ≦ x ≦ x max (15)

ここで、xmaxは水質の規制値などに対応する水質の上限値である。この(15)式が出力制約設定部72の制約条件式である。 Here, x max is an upper limit value of water quality corresponding to a water quality regulation value or the like. This expression (15) is a constraint condition expression of the output constraint setting unit 72.

次に、操作量制約設定部73では、プロセスのアクチュエータが取り得る範囲内のリミッタを設定することができる、例えば、次式のような制約条件を設定する。
min≦u≦umax (16)
Next, in the operation amount constraint setting unit 73, a limit condition within the range that can be taken by the actuator of the process can be set, for example, a constraint condition such as the following equation is set.
u min ≤ u ≤ u max (16)

ここで、uminとumaxは操作量の上限値と下限値に対応する。この(16)式が操作量制約設定部73の制約条件式である。 Here, u min and u max correspond to the upper limit value and the lower limit value of the manipulated variable. This equation (16) is a constraint condition equation of the operation amount constraint setting unit 73.

従って、制約条件設定部7には上記(14)、(15)、(16)式の制約条件式が設定される。   Accordingly, the constraint condition formulas (14), (15), and (16) are set in the constraint condition setting unit 7.

本実施の形態は、上述した最適評価関数設定部8及び制約条件設定部7での設定を行った後に、プロセス情報を収集して制御を行う。計測されたプロセスデータと外部入力データは、プロセス計測データ収集部2及び外部入力計測データ収集部3のいずれかに格納される。   In the present embodiment, after setting by the above-described optimal evaluation function setting unit 8 and constraint condition setting unit 7, process information is collected and controlled. The measured process data and external input data are stored in either the process measurement data collection unit 2 or the external input measurement data collection unit 3.

次に、プロセス計測データ収集部2は、本発明に直接的に関係する部分ではないので、その詳細な構成に対する図面を省略しているが、その概略説明をすることとする。このプロセス計測データ収集部2は、第1〜第7のデータ収集部からなっている。第1のデータ収集部は、硝酸センサ122によって計測された無酸素槽104の硝酸濃度データを収集する。第2のデータ収集部は、アンモニアセンサ121、124によって計測された第1好気槽103及び第2好気槽105のアンモニア濃度データを収集する。第3のデータ収集部は、硝酸センサ122によって計測された無酸素槽104の硝酸濃度データを収集する。第4のデータ収集部は、硝酸センサ122によって計測された無酸素槽104の硝酸濃度データを収集する。第5のデータ収集部は、MLSSセンサ123によって計測された無酸素槽104のMLSS濃度データを収集する。第6のデータ収集部は、リン酸センサ125によって計測された第2好気槽105のリン酸濃度データを収集する。第7のデータ収集部は、MLSSセンサ123によって計測された無酸素槽104のMLSS濃度データ、SSセンサ126によって計測された、最終沈澱池106から引き抜かれる汚泥のSS濃度データ、及び流量センサ127によって計測された、最終沈澱池106から引き抜かれる余剰汚泥量データを収集する。プロセス計測データ収集部2によって収集された計測データは、プロセスセンサ異常診断部4とローカル制御部10に送出される。   Next, since the process measurement data collection unit 2 is not a part directly related to the present invention, the detailed configuration of the process measurement data collection unit 2 is omitted. The process measurement data collection unit 2 includes first to seventh data collection units. The first data collection unit collects nitric acid concentration data of the anoxic tank 104 measured by the nitric acid sensor 122. The second data collection unit collects ammonia concentration data of the first aerobic tank 103 and the second aerobic tank 105 measured by the ammonia sensors 121 and 124. The third data collection unit collects nitric acid concentration data of the anoxic tank 104 measured by the nitric acid sensor 122. The fourth data collection unit collects nitric acid concentration data of the anoxic tank 104 measured by the nitric acid sensor 122. The fifth data collection unit collects MLSS concentration data of the anoxic tank 104 measured by the MLSS sensor 123. The sixth data collection unit collects the phosphate concentration data of the second aerobic tank 105 measured by the phosphate sensor 125. The seventh data collection unit uses the MLSS concentration data of the anoxic tank 104 measured by the MLSS sensor 123, the SS concentration data of sludge extracted from the final sedimentation basin 106 measured by the SS sensor 126, and the flow rate sensor 127. The surplus sludge amount data extracted from the final sedimentation basin 106 is collected. The measurement data collected by the process measurement data collection unit 2 is sent to the process sensor abnormality diagnosis unit 4 and the local control unit 10.

次に、プロセスセンサ異常診断部4では、プロセス計測データ収集部2が収集したプロセス値の時系列データに基づいて、プロセスセンサ121〜129、1210による計測値の異常診断を行う。この異常診断は、例えば、複数のセンサによる相関に基づく主成分分析などの統計的手法を利用した方法により行うことができる。   Next, the process sensor abnormality diagnosis unit 4 performs abnormality diagnosis of measurement values by the process sensors 121 to 129 and 1210 based on the time series data of the process values collected by the process measurement data collection unit 2. This abnormality diagnosis can be performed by a method using a statistical method such as principal component analysis based on correlation by a plurality of sensors, for example.

すなわち、プロセスセンサのうち、いくつかのものは非常に強い相関をもっている場合が多い。例えば、アンモニアセンサ124と、DOセンサ128と、ORPセンサ129とは互いに相関を持っている場合が多く、特に好気条件では相関が強いものとなる。そこで、これら3つの時系列データあるいは加工した時系列データに対して主成分分析を行う。すると、センサが正常である場合には、第1主成分の値が例えば0.9(第1〜第3主成分の総和は1)程度になっている。そこで、スレッシュホールドレベルとして、例えば、0.75を設定しておき、もし、第1主成分の値が0.75未満になっていたらいずれかのセンサが異常であると判断する。そして、例えば、センサが正常であればFB(フィードバック)のフラグを立て、センサが異常であればFF(フィードフォワード)のフラグを立ててセンサ状態を保存しておく。   That is, some of the process sensors often have a very strong correlation. For example, the ammonia sensor 124, the DO sensor 128, and the ORP sensor 129 are often correlated with each other, and the correlation is particularly strong under aerobic conditions. Therefore, principal component analysis is performed on these three time series data or processed time series data. Then, when the sensor is normal, the value of the first principal component is, for example, about 0.9 (the sum of the first to third principal components is about 1). Therefore, for example, 0.75 is set as the threshold level, and if the value of the first principal component is less than 0.75, it is determined that one of the sensors is abnormal. For example, if the sensor is normal, an FB (feedback) flag is set, and if the sensor is abnormal, an FF (feed forward) flag is set to store the sensor state.

また、プロセスセンサ異常診断部4は、プロセスセンサ状態がFBであり正常と判断した場合には、スイッチ部SW2の接点をd側に接続する。反対に、プロセスセンサ状態がFFであり異常と判断した場合には、スイッチ部SW2の接点をc側に切換接続する。   In addition, when the process sensor abnormality diagnosis unit 4 determines that the process sensor state is FB and is normal, the process sensor abnormality diagnosis unit 4 connects the contact of the switch unit SW2 to the d side. On the other hand, when the process sensor state is FF and it is determined to be abnormal, the contact of the switch unit SW2 is switched and connected to the c side.

次に、外部入力センサ異常診断部5では、外部入力計測データ収集部3にて収集された流入下水水質や流入下水量の時系列データを用いてセンサ値の異常診断を行う。具体的な方法としては色々な方法が考えられるが、例えば、以下のように行う。例として流入下水水質のアンモニア濃度を取り上げる。   Next, the external input sensor abnormality diagnosis unit 5 performs sensor value abnormality diagnosis using time-series data of the inflow sewage quality and the inflow sewage amount collected by the external input measurement data collection unit 3. Various methods are conceivable as specific methods, for example, as follows. As an example, the ammonia concentration in the influent sewage is taken up.

まず、流入下水水質のアンモニア濃度の典型値を調査しておく。通常、普通の都市下水であればアンモニア濃度の値は、15〜40[mg/L]程度である。そこで、アンモニア濃度の取り得る上限値及び下限値をそれぞれ設定する。例えば、下限値として10[mg/L]とし、上限値を40[mg/L]とする。   First, the typical value of ammonia concentration in the influent sewage is investigated. Normally, the value of ammonia concentration is about 15 to 40 [mg / L] for ordinary municipal sewage. Therefore, an upper limit value and a lower limit value that the ammonia concentration can take are set. For example, the lower limit is 10 [mg / L], and the upper limit is 40 [mg / L].

また、アンモニア濃度の変化の最大幅を予め設定しておく。例えば、10分周期で収集しているとして、10分間でのアンモニア濃度の最大変化率を10[mg/L]と設定しておく。さらに、アンモニア濃度の時系列データの自己相関関数を計算し、どのくらい過去のデータと現在のデータが相関を持っているかを調べておく。そして、例えば、相関係数が0.8(完全相関の場合に1とした場合)以上である時間のずれを見ておく。例えば、30分前までのデータは通常相関係数が0.8以上であったとする。これらの事前の調査に基づいて、アンモニアセンサの正常/異常を判断する。   In addition, the maximum width of the change in ammonia concentration is set in advance. For example, assuming that collection is performed at a cycle of 10 minutes, the maximum change rate of the ammonia concentration in 10 minutes is set to 10 [mg / L]. Furthermore, the autocorrelation function of the time series data of ammonia concentration is calculated, and it is examined how much past data and current data are correlated. Then, for example, a time lag in which the correlation coefficient is 0.8 (when 1 is set in the case of complete correlation) is observed. For example, it is assumed that the data up to 30 minutes ago usually has a correlation coefficient of 0.8 or more. Based on these preliminary investigations, the normality / abnormality of the ammonia sensor is determined.

そして、流入下水水質や流入下水量などの正常/異常を診断して、もし、下水流入センサ1211が正常であると判断した場合、外部入力センサ異常診断部5はスイッチ部SW1の接点をa側に接続し、外部入力計測データ収集部3が収集したデータをプロセス最適化部9のプロセスシミュレーション部91に入力する。一方、下水流入センサ1211を異常と判断した場合、外部入力センサ異常診断部5はスイッチ部SW1の接点をb側に切換接続し、手分析データ保存部6に保存されているデータをプロセス最適化部9のプロセスシミュレーション部91に入力する。手分析データ保存部6には、例えば、1日に1回分析されたCOD、アンモニア性窒素、リン酸性リンなどのデータが予め保存されている。   Then, normality / abnormality such as inflow sewage quality and inflow sewage amount is diagnosed. If it is determined that the sewage inflow sensor 1211 is normal, the external input sensor abnormality diagnosis unit 5 sets the contact of the switch unit SW1 to the a side. The data collected by the external input measurement data collection unit 3 is input to the process simulation unit 91 of the process optimization unit 9. On the other hand, when it is determined that the sewage inflow sensor 1211 is abnormal, the external input sensor abnormality diagnosis unit 5 switches the contact of the switch unit SW1 to the b side and optimizes the data stored in the manual analysis data storage unit 6. Input to the process simulation unit 91 of the unit 9. In the manual analysis data storage unit 6, for example, data such as COD, ammonia nitrogen, and phosphoric acid phosphorus analyzed once a day are stored in advance.

なお、下水流入センサ1211が正常であるか異常であるかの判断がつかないような場合には、正常か異常かを運転員や管理者が判断し、スイッチ部SW1を手動操作して外部入力計測データ収集部3又は手分析データ保存部6のいずれか一方の値を選択してプロセスシミュレーション部91に入力するようにする。   If it is impossible to determine whether the sewage inflow sensor 1211 is normal or abnormal, the operator or administrator determines whether the sewage inflow sensor 1211 is normal or abnormal, and manually operates the switch unit SW1 to input externally. Either one of the measurement data collection unit 3 or the manual analysis data storage unit 6 is selected and input to the process simulation unit 91.

次に、プロセス最適化部9では、最適評価関数設定部8で設定した最適評価関数と、制約条件設定部7で設定した各種制約条件とに基づいて、プロセスの最適な目標値と最適な操作量を計算する。本発明では、この最適化問題の具体的な解を求めるアルゴリズムを提案する。   Next, in the process optimization unit 9, based on the optimum evaluation function set by the optimum evaluation function setting unit 8 and various constraint conditions set by the constraint condition setting unit 7, the optimum target value and the optimum operation of the process are set. Calculate the quantity. The present invention proposes an algorithm for obtaining a specific solution to this optimization problem.

まず、最適化問題を形式的に書くと、以下のようになる。

Figure 2005316738
First, the optimization problem is written formally as follows.
Figure 2005316738

この最適化間題を解くことによって、最適目標値と最適操作量を計算することができる。前述したように、プロセスセンサ異常診断部4でプロセスセンサのいずれかが異常と診断された場合にはそれに対応する最適操作量を、そうでない場合には最適目標値を演算することが通常である。もっと柔軟に、時と場合に応じて、最適目標値と最適操作量を適切に使い分けて用いてもよい。   By solving this optimization problem, the optimum target value and the optimum operation amount can be calculated. As described above, when any one of the process sensors is diagnosed as abnormal by the process sensor abnormality diagnosis unit 4, the optimum operation amount corresponding to the abnormality is usually calculated, and otherwise, the optimum target value is calculated. . More optimally, the optimal target value and the optimal operation amount may be appropriately used according to time and circumstances.

最適目標値の場合は、この最適化問題の答えを用いて、NO3−N,NH4−N,MLSS,PO4−P,A−SRTなどを計算すればよい。形式的に書くと、
Optimal Reference Set Points=argNO3−N、NH4−N、MLSS、PO4−P、A−SRT min Cost function subject to(Mass balance,Actuator limit,Output Limit)となる。
In the case of the optimum target value, NO3-N, NH4-N, MLSS, PO4-P, A-SRT, etc. may be calculated using the answer to this optimization problem. When written formally,
Optimal Reference Set Points = arg NO3-N, NH4-N, MLSS, PO4-P, A-SRT min Cost function subject to (Mass balance, Actuator limit, Output Limit).

計算された最適目標値は、ローカル制御部10に渡され、ここにおいて、各種のアクチュエータの操作量が決定される。このローカル制御部10の作用については後述することとする。   The calculated optimum target value is transferred to the local control unit 10, where the operation amounts of various actuators are determined. The operation of the local control unit 10 will be described later.

一方、最適操作量は、この最適化問題の答えそのものであり、形式的に書くと、
Optimal Actuator Set Points=argQstep,Qb,Qpac,Qcb,Qcirc,Qret,Qwaste min Cost function subject to(Mass balance,Actuator limit,Output Limit)となる。
On the other hand, the optimal amount of operation is the answer to the optimization problem itself.
Optimal Actuator Set Points = arg Qstep, Qb, Qpac, Qcb, Qcirc, Qret, Qwaste min Cost function subject to (Mass balance, Actuator limit, Output Limit).

さて、本発明は、この最適化問題の近似的な大域的最適解をどのように求めればよいかという問いに関するものである。   The present invention relates to the question of how to obtain an approximate global optimal solution for this optimization problem.

一般に制約つきの最適化問題では、制約条件を満たしていない点(これを非実行可能解という)を初期値として解くと、制約条件を満たす最適な解を見つけることが困難になる。つまり、制約つき最適化問題では、最適解を求める前に全ての制約条件を満足する適当な解(これを実行可能解と言う)を求めておくことが好ましい。   In general, in an optimization problem with a constraint, if a point that does not satisfy the constraint condition (this is called a non-executable solution) is solved as an initial value, it becomes difficult to find an optimal solution that satisfies the constraint condition. That is, in a constrained optimization problem, it is preferable to obtain an appropriate solution that satisfies all the constraint conditions (referred to as an executable solution) before obtaining an optimal solution.

さて、前述したように、本発明では、制約条件設定部7で各種の制約条件を設定しており、特に、保存量制約設定部71では、(14)式の等式制約条件として設定している。等式制約条件は、ある点(変数の組み合わせ)がその等式制約条件を満たしていても、その点のある変数の値が少しでもずれれば、もはやその等式条件を満たすことは稀であると言う意味で扱いにくい。この扱いにくさは、等式制約条件の等式の数が最適化すべき変数の数以下である場合には、その連立等式を解くことによって最適化すべき変数の数を減らすことにより回避できるように見えるが、ここでは、さらに、出力制約設定部72や操作量制約設定部73で不等式制約条件をも考慮しており、等式制約条件と不等式制約条件が混在している。等式制約条件を解いた答えが不等式制約条件を満たしている保証は無いため、このような変数消去の方法は簡単には適用できない。例えば、(14)式の等式制約条件を解いたとしても、全ての変数が正であるという不等式条件を満たしていることは稀である。従って、このような不等式制約条件と等式制約条件を同時に満たす実行可能解を、代数的に求めることはかなり難しいと考えられる。   As described above, in the present invention, various constraint conditions are set by the constraint condition setting unit 7. In particular, the storage amount constraint setting unit 71 sets the equation (14) as an equation constraint condition. Yes. Even if a certain point (a combination of variables) satisfies the equality constraint condition, it is rare that the equality condition is satisfied anymore if the value of the variable at that point deviates even slightly. It is difficult to handle in the sense of being. This difficulty can be avoided by reducing the number of variables to be optimized by solving the simultaneous equations when the number of equations in the equation constraints is less than or equal to the number of variables to be optimized. However, here, the inequality constraint condition is also considered in the output constraint setting unit 72 and the operation amount constraint setting unit 73, and the equality constraint condition and the inequality constraint condition are mixed. Since there is no guarantee that the answer to solve the equality constraint satisfies the inequality constraint, such a variable elimination method cannot be easily applied. For example, even if the equality constraint in equation (14) is solved, it is rare that the inequality condition that all variables are positive is satisfied. Therefore, it is considered that it is quite difficult to obtain a feasible solution satisfying both the inequality constraint condition and the equality constraint condition algebraically.

しかし、本発明では、これらの制約条件が導き出されたアイデアの原点に戻れば、比較的容易にこの問題を回避できることを見出し、これを用いた最適化アルゴリズムを提案している。そのアイデアを以下に説明する。   However, the present invention finds that this problem can be avoided relatively easily by returning to the origin of the idea from which these constraints are derived, and proposes an optimization algorithm using the problem. The idea is explained below.

(14)式の等式制約条件は、もともと、(13)式で表される下水処理プロセスのダイナミックモデル(動的マスバランスモデル)である微分方程式の定常解として得られたスタティックモデル(静的マスバランスモデル〉である。従って、この等式制約条件を満足するためには、(13)式のダイナミックモデルに一定値の操作量と外部入力を入力して、所定の期間に亘ってシミュレーションを行いその定常解を求めればよい。このような方法を用いることのもう1つのメリットは、実際にシミュレーションを行うため、現実のプロセスでとり得る操作量を入力すれば、その定常解も通常現実にあり得る値に収束する。従って、出力制約設定部72や操作量制約設定部73の制約条件も通常満足する。もし、満足しない場合には、入力する操作量を変更可能な範囲で変更して再びシミュレーションを繰り返せば、不等式を満足するようにできると思われる。従って、この方法によると、等式制約条件と不等式制約条件を同時に満足でき、実行可能解を求めることができる。   The equality constraint in Eq. (14) is originally a static model (static) obtained as a steady-state solution of a differential equation that is a dynamic model (dynamic mass balance model) of the sewage treatment process expressed by Eq. (13). Therefore, in order to satisfy this equality constraint condition, a constant amount of operation and an external input are input to the dynamic model of Equation (13), and simulation is performed over a predetermined period. Another advantage of using such a method is that the simulation is actually performed, so if you input the amount of operations that can be taken in the actual process, the steady solution will usually be in reality. Therefore, the constraint value of the output constraint setting unit 72 and the operation amount constraint setting unit 73 is normally satisfied, and if it is not satisfied, the input operation amount can be changed. If the simulation is repeated and the simulation is repeated again, the inequalities can be satisfied, so this method can satisfy the equality and inequality constraints at the same time and obtain an executable solution. it can.

以上の基本的な考え方に従って、図2のフローチャートを用いて、プロセス最適化部9を中心とした、具体的な作用について説明する。   In accordance with the above basic concept, a specific operation centered on the process optimization unit 9 will be described using the flowchart of FIG.

まず、ステップ101で、下水流入センサ1211によって計測され、外部入力計測データ収集部3で収集した流入下水のCOD、TN、TPなど複数の水質要素と水量データでなる流入下水水質のデータや流入下水量データを時系列データとして保持する。   First, in step 101, inflow sewage water quality data or inflow sewage that is measured by the sewage inflow sensor 1211 and is collected by the external input measurement data collection unit 3 and includes a plurality of water quality elements such as COD, TN, TP, and water quantity data. Retain water volume data as time-series data.

次に、ステップ102にて、保持された時系列データに対して、所定の周期で平均化操作を行ったり、中央値を取り出したり、あるいは、最悪の負荷(流入下水量+流入下水水質)を想定して最大値を取り出すなど、時系列データを一点の代表値で代表させる。   Next, in step 102, averaging operation is performed on the held time series data at a predetermined cycle, a median value is taken out, or the worst load (inflow sewage amount + inflow sewage water quality) is set. The time series data is represented by a single representative value, such as taking out the maximum value.

次に、ステップ103で、最初沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ111と、ステップ流入ポンプ112と、第1好気槽103に酸素を供給するブロワ113、第2好気槽105に酸素を供給するブロワ114、無酸素槽104に炭素源を供給する炭素源投入ポンプ115、循環ポンプ116、返送汚泥ポンプ117、凝集剤投入ポンプ118、及び最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ119などの操作量を、各々操作可能な範囲内、つまり、(16)式を満足する範囲内の1つの値(固定値)に設定する。   Next, in step 103, the first sedimentation pond excess sludge extraction pump 111, the step inflow pump 112, the blower 113 for supplying oxygen to the first aerobic tank 103, and the blower 114 for supplying oxygen to the second aerobic tank 105. The operation amount of the carbon source charging pump 115 for supplying the carbon source to the anaerobic tank 104, the circulation pump 116, the return sludge pump 117, the flocculant charging pump 118, the final sedimentation tank surplus sludge extraction pump 119, etc. can be controlled. Within a certain range, that is, one value (fixed value) within the range satisfying equation (16).

次に、ステップ104では、設定した固定値の操作量と前述の代表値をプロセスシミュレーション部91の(13)式のようなプロセスモデルに入力し、所定の期間に亘ってプロセスシミュレーションを実施する。そして、その収束値を取り出す。ここで、この収束値は、(14)式の非線形代数方程式を満足していることに注意しておく。   Next, in step 104, the set fixed value manipulated variable and the above-described representative value are input to a process model like the expression (13) of the process simulation unit 91, and the process simulation is performed over a predetermined period. And the convergence value is taken out. Note that this convergence value satisfies the nonlinear algebraic equation (14).

次に、ステップ105で、収束値で得られた値、例えば、放流水質のTN(全窒素)濃度やTP(全リン)濃度やCOD濃度などを、出力制約設定部72における(15)式の水質の不等式制約に代入する。そして、ステップ106にて、この不等式を満足しているか否かをチェックする。もし、他の不等式制約、例えば、下水処理プロセスの必要A−SRTを確保するための不等式制約条件や沈殿池における必要水面積負荷を確保するための不等式制約条件などが制約条件として考慮されている場合には、それらの不等式制約条件が満たされているかどうかをチェックする。   Next, in step 105, the value obtained by the convergence value, for example, the TN (total nitrogen) concentration, TP (total phosphorus) concentration, COD concentration, etc. of the discharged water quality is expressed by the expression (15) in the output constraint setting unit 72. Substitute into water quality inequality constraints. In step 106, it is checked whether or not this inequality is satisfied. If other inequality constraints, for example, inequality constraint conditions for securing the required A-SRT of the sewage treatment process or inequality constraint conditions for securing the required water area load in the settling basin are considered as the constraint conditions. If so, check whether those inequality constraints are met.

もし、これらの不等式のうち1つでも制約条件を満たしていないものがあれば、ステップ107にて前述の操作量の値を変更する。これは、プロセスの挙動に対する事前知識があれば、比較的容易に変更することができる。例えば、放流水質のTNに関する制約条件が破れている場合には、第1好気槽103に酸素を供給するブロワ113、第2好気槽105に酸素を供給するブロワ114、炭素源を供給する炭素源投入ポンプ115などの硝化(アンモニア→硝酸)と脱窒(硝酸→窒素ガス)に関わる操作量の値を大きくすれば、TNが小さくなり制約条件を満たしやすくなることは容易に分かる。もし、そのような事前知識が無い場合には、操作可能な範囲で適当にその値を変更する。そして、再度この値をプロセスシミュレーション部91のプロセスモデルに入力してプロセスシミュレーションを行う。   If any one of these inequalities does not satisfy the constraint condition, the value of the manipulated variable is changed in step 107. This can be changed relatively easily with prior knowledge of the process behavior. For example, when the restriction condition regarding the TN of the discharged water quality is violated, the blower 113 for supplying oxygen to the first aerobic tank 103, the blower 114 for supplying oxygen to the second aerobic tank 105, and a carbon source are supplied. It can be easily understood that if the value of the operation amount related to nitrification (ammonia → nitric acid) and denitrification (nitric acid → nitrogen gas) of the carbon source charging pump 115 or the like is increased, TN is reduced and the constraint condition is easily satisfied. If there is no such prior knowledge, the value is appropriately changed within the operable range. Then, this value is input again to the process model of the process simulation unit 91 to perform process simulation.

逆に、もし全ての不等式制約条件を満たしている場合には、今までの計算手順から、すでに等式制約条件は満たしているので、制約条件設定部7の全ての制約条件を満たす。従って、この場合には、この値は最適演算部92で制約つきの最適化演算を行う場合の実行可能解になっているので、ステップ108で最適化演算の実行可能な初期値として採用する。   Conversely, if all inequality constraint conditions are satisfied, the equality constraint conditions have already been satisfied from the calculation procedure so far, and therefore all the constraint conditions of the constraint condition setting unit 7 are satisfied. Therefore, in this case, since this value is an executable solution when the optimization calculation unit 92 performs an optimization calculation with restrictions, it is adopted as an initial value at which the optimization calculation can be executed in step 108.

次に、ステップ109にて、最適演算部92はステップ108で求めた実行可能解を初期値として、例えば逐次二次計画法(Sequential Quadratic Programming:以下、SQPと略記する)などの非線形計画法を用いて、最適化演算を実施する。この場合初期値がすでに実行可能解に選ばれているため、これによって求まる解は少なくとも実行可能解になっており、その操作量付近の局所最適解である。なお、この初期値を例えば乱数で選ぶなどして非実行可能解とした場合には、SQPなどを実行しても実行可能解が求まることが少ないことに注意しておくべきである。   Next, in step 109, the optimum computation unit 92 uses, as an initial value, the executable solution obtained in step 108, for example, nonlinear programming such as sequential quadratic programming (hereinafter abbreviated as SQP). To perform optimization operations. In this case, since the initial value is already selected as an executable solution, the solution obtained by this is at least an executable solution, which is a local optimum solution in the vicinity of the manipulated variable. It should be noted that if this initial value is selected as a non-executable solution by selecting a random number, for example, an executable solution is rarely obtained even when SQP or the like is executed.

以上の手順によって、全ての制約条件を満たす局所最適解を求めることができる。しかし、非線形最適化問題のもう1つの難しさは、一般に最適化問題が数学的に非凸の問題であるため、SQPなどの数理計画法で求めた答えは必ずしも大域的な最適解で無いことである。   With the above procedure, a local optimum solution that satisfies all the constraint conditions can be obtained. However, another difficulty of the nonlinear optimization problem is that the optimization problem is generally a mathematical non-convex problem, so that the answer obtained by mathematical programming such as SQP is not necessarily a global optimal solution. It is.

そこで、近似的に大域的最適解を求めるためのアルゴリズムを、図3と図4を用いて説明する。   Therefore, an algorithm for obtaining a globally optimal solution approximately will be described with reference to FIGS.

まず、ステップ111にて、大域的最適解の最適値(=最小値〉とその最適値を与える最適変数を保存しておくためのメモリを用意する。そして、この最適値を現実にはあり得ない大きな値としておく。   First, in step 111, a memory for storing the optimum value (= minimum value) of the global optimum solution and the optimum variable that gives the optimum value is prepared. Leave no big value.

次に、ステップ112で、操作量制約設定部73の制約条件を満たす範囲内で操作量を固定する。以降の説明を簡単にするため、図4を参照する。図4は、操作量として、第2好気槽105に酸素を供給するブロワ114の曝気量を横軸に、返送汚泥ポンプ117による返送量を縦軸にとって、(16)式に対応する最小値と最大値を各辺として、格子状に返送量と曝気量を区切ったものである。まず、この格子の端点、例えば、図4の「1」の点をまず操作量の固定値として決定する。次に、ステップ113にて、この操作量に対して、前述の局所最適解を求める手順で局所最適値を求める。   Next, in step 112, the operation amount is fixed within a range that satisfies the constraint condition of the operation amount constraint setting unit 73. To simplify the following description, reference is made to FIG. FIG. 4 shows the minimum value corresponding to the equation (16) with the abscissa of the blower 114 supplying oxygen to the second aerobic tank 105 as the operation amount, and the return amount by the return sludge pump 117 as the ordinate. And the maximum value for each side, the return amount and the aeration amount are separated in a grid pattern. First, an end point of this lattice, for example, the point “1” in FIG. 4 is first determined as a fixed value of the operation amount. Next, in step 113, a local optimum value is obtained for the manipulated variable by the above-described procedure for obtaining the local optimum solution.

次に、ステップ114で、ステップ113にて求めた局所最適値と保存してあった最適値を比較する。もし、局所最適値の方が保存してあった最適値よりも小さければ、これを新たに最適値とみなして、対応する最適変数とともにメモリに確保した上で次のステップ116にて、局所最適解を新たに大域的最適解として置換する。もし、局所最適値の方が保存してあった最適値より大きければ何もしないで次のステップ115で次の操作量を決定してステップ113、114の手続きを実行する。すなわち、図4の格子点を1つずらして、例えば、「2」の地点に操作量を固定して同様の手続きを繰り返す。この場合の終了条件は、格子点が図の右端、最下部の「END」の地点に到達する場合であり、それまでは同様の手続きを繰り返す。次に、ステップ117にて、終了条件に到達したか否かを判定し、到達した時点でメモリに確保されている最適値と対応する最適変数を近似大域的最適解とみなす。   Next, in step 114, the local optimum value obtained in step 113 is compared with the stored optimum value. If the local optimal value is smaller than the stored optimal value, this is regarded as a new optimal value, reserved in the memory together with the corresponding optimal variable, and in the next step 116, the local optimal value is obtained. Replace the solution as a new global optimal solution. If the local optimum value is larger than the stored optimum value, nothing is done and the next operation amount is determined in the next step 115 and the steps 113 and 114 are executed. In other words, the same procedure is repeated by shifting the grid point of FIG. 4 by one and fixing the operation amount at the point “2”, for example. The end condition in this case is a case where the lattice point reaches the “END” point at the bottom right of the figure, and until then, the same procedure is repeated. Next, in step 117, it is determined whether or not the termination condition has been reached, and the optimum variable corresponding to the optimum value secured in the memory at the time of arrival is regarded as the approximate global optimum solution.

この最適解は、図4の格子点のとり方が粗ければもっと良い最適解が残されている可能性があるし、格子点の取り方が細かければ真の最適解である可能性が高い。ただし、格子点をあまり細かく取ると、計算時間がかかる上、全領域をシミュレーションで探索することと変わらなくなるので意味が無くなる。従って、この格子点の取り方は計算時間が許す範囲の細かさで区切るべきである。つまり、1回の局所探索にa時間を要したとして、計算時間をz時間以内に終わらせたい場合、操作量の数をn、格子点を構成するための各操作量の分割数をmとすると、a×m<zを満たすような最大のmを分割数とすればよい。また、図4では、返送量と曝気量の2変数を用いて説明したが、実際には全ての操作量に対する超立方体において格子点を取る必要がある。 This optimal solution may have a better optimal solution if the grid points shown in FIG. 4 are rough, and if the grid points are fine, the optimal solution is likely to be a true optimal solution. . However, if the grid points are taken very finely, it takes a long time to calculate and the meaning is lost because it is not different from searching the entire region by simulation. Therefore, the method of taking this grid point should be divided by the fineness of the range that the calculation time allows. That is, assuming that a time is required for one local search and the calculation time is to be finished within z hours, the number of manipulated variables is n, and the number of divisions of each manipulated variable for constituting a lattice point is m. Then, the maximum m that satisfies a × m n <z may be set as the division number. In FIG. 4, the description has been made using two variables of the return amount and the aeration amount. However, it is actually necessary to take grid points in the hypercube for all the manipulated variables.

さて、以上のような手順に従って求めた近似大域的最適解の中から、プロセスセンサ異常診断部4や外部入力センサ異常診断部5の診断結果が異常でなければ、例えば、無酸素槽104の硝酸濃度目標値や、第2好気槽105のアンモニア濃度目標値やリン酸濃度目標値などをローカル制御部10へ引き渡す。もしいずれかのセンサが異常であれば、少なくともそのセンサに対応する操作量については最適操作量を直接指定する。   If the diagnosis result of the process sensor abnormality diagnosis unit 4 or the external input sensor abnormality diagnosis unit 5 is not abnormal from the approximate global optimal solutions obtained according to the above procedure, for example, the nitric acid in the anoxic tank 104 The concentration target value, the ammonia concentration target value of the second aerobic tank 105, the phosphoric acid concentration target value, and the like are delivered to the local control unit 10. If any one of the sensors is abnormal, the optimum operation amount is directly designated for at least the operation amount corresponding to the sensor.

このような手順に従って、プロセス最適化部7の最適化演算が実行される。   According to such a procedure, the optimization operation of the process optimization unit 7 is executed.

以上のような一連の動作に従って、プラントワイドな最適下水処理プロセス制御を具体的に実施することができる。   The plant-wide optimum sewage treatment process control can be specifically implemented according to the series of operations as described above.

なお、プロセス最適化部9のプロセス最適化演算における近似大域的最適解を求めるアルゴリズムにおいて、もし、等式制約条件を必ず満足するプロセスシミュレーション収束値の中で、すべての不等式制約条件を満足する解が見つからない場合には、この最適化問題は解を持たない可能性が非常に高い。このような状況は、例えば、放流水質の規制値に対して流入下水水質負荷が極端に高い場合であったり、雨天などのように下水量の負荷が極端に高い場合に起こりうる。あるいは、極端な酸性物質などの反応阻害物質が流入したりする場合にも生じうる。このような場合には、運転そのものを変更する必要がある。   In the algorithm for obtaining an approximate global optimum solution in the process optimization operation of the process optimization unit 9, a solution satisfying all the inequality constraints among the process simulation convergence values that always satisfy the equation constraints. If is not found, this optimization problem is very likely not to have a solution. Such a situation can occur, for example, when the inflow sewage quality load is extremely high with respect to the regulation value of the discharged water quality, or when the load of the sewage amount is extremely high such as rainy weather. Or it may occur when a reaction inhibitor such as an extremely acidic substance flows in. In such a case, it is necessary to change the operation itself.

そのために、例えば下水処理プロセスの監視室の画面などに、以下のようなメッセージすなわち、「本プラントワイド最適制御装置は解を持たない可能性があります。下水流量あるいは下水流入水質の負荷が高いことなどが原因として考えられます。原因を確認のうえ、運転モードを切り替えてください。」のように表示することが好ましい。   Therefore, for example, the following message is displayed on the screen of the monitoring room of the sewage treatment process, for example, “This plant-wide optimum controller may not have a solution. The load of sewage flow rate or sewage inflow water quality is high. "Please check the cause and switch the operation mode."

また、同じくプロセス最適化部9のプロセス最適化演算における近似大域的最適解を求めるアルゴリズムにおいて、通常炭素源投入ポンプ115による炭素源量や最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ119による凝集剤投入量は、例えば曝気量、返送量、循環量などと比べて、極端に数値的に小さな値をとる。そのため、炭素源投入量や凝集剤投入量には、計算誤差の影響が相対的に大きく出やすくなる。そこで、これらの操作量を数値的に略同じ範囲内になるように変数変換をして計算することが好ましい。   Similarly, in the algorithm for obtaining an approximate global optimal solution in the process optimization calculation of the process optimization unit 9, the carbon source amount by the normal carbon source input pump 115 and the flocculant input amount by the final sedimentation pond excess sludge extraction pump 119 are: For example, it takes a numerically smaller value than the aeration amount, return amount, circulation amount, and the like. For this reason, the influence of calculation errors tends to be relatively large on the carbon source input amount and the flocculant input amount. Therefore, it is preferable to perform variable conversion so that these manipulated variables are numerically within substantially the same range.

次に、上述したアルゴリズムに従って求められた最適目標値に従って下水高度処理プロセス1のアクチュエータ111〜119を操作するローカル制御部10について説明する。このローカル制御部10は本発明に直接的に関係する部分ではないので、その詳細な構成に対する図面を省略しているが、第1ないし第7のローカル制御回路を備えている。ここで、○の中にn(n=1〜7)と記載されたものは第nのローカル制御回路の出力に対応している。   Next, the local control unit 10 that operates the actuators 111 to 119 of the sewage altitude treatment process 1 according to the optimum target value obtained according to the algorithm described above will be described. Since the local control unit 10 is not a part directly related to the present invention, the detailed configuration thereof is omitted, but the first to seventh local control circuits are provided. Here, what is written as n (n = 1 to 7) in o corresponds to the output of the nth local control circuit.

第1のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第1のデータ収集部において収集され保持され硝酸濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適な硝酸濃度の目標値を取り込む。そして、これらの硝酸濃度データ及び最適な硝酸濃度目標値に基づいて最適なステップ流入量を計算してステップ流入ポンプ112の操作量として出力する。   The first local control circuit captures the nitric acid concentration data collected and held in the first data collecting unit of the process measurement data collecting unit 2, and at the same time, the target value of the optimum nitric acid concentration calculated by the process optimizing unit 9. Capture. Then, the optimum step inflow amount is calculated based on the nitric acid concentration data and the optimum nitric acid concentration target value, and is output as the operation amount of the step inflow pump 112.

第2のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第2のデータ収集部において収集され保持されたアンモニア濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適なアンモニア濃度の目標値を取り込む。そして、これらのアンモニア濃度データ及び最適なアンモニア濃度目標値に基づいて第1好気槽103及び第2好気槽105における最適な曝気風量を計算してブロワ113及びブロワ114の操作量として出力する。   The second local control circuit captures the ammonia concentration data collected and held in the second data collection unit of the process measurement data collection unit 2, and at the same time, the target of the optimum ammonia concentration calculated in the process optimization unit 9 Capture the value. Then, based on the ammonia concentration data and the optimum ammonia concentration target value, the optimum aeration air volume in the first aerobic tank 103 and the second aerobic tank 105 is calculated and output as the operation amount of the blower 113 and the blower 114. .

第3のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第3のデータ収集部において収集され保持された硝酸濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適な硝酸濃度の目標値を取り込む。そして、これらの硝酸濃度データ及び最適な硝酸濃度の目標値に基づいて最適な炭素源投入量を計算して炭素源投入ポンプ115の操作量として出力する。   The third local control circuit takes in the nitric acid concentration data collected and held in the third data collecting unit of the process measurement data collecting unit 2 and at the same time, the target of the optimum nitric acid concentration calculated in the process optimizing unit 9 Capture value. Then, an optimal carbon source input amount is calculated based on the nitric acid concentration data and the target value of the optimal nitric acid concentration, and is output as an operation amount of the carbon source input pump 115.

第4のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第4のデータ収集部において収集され保持された硝酸濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適な硝酸濃度の目標値を取り込む。そして、これらの硝酸濃度データ及び最適な硝酸濃度の目標値に基づいて最適な循環量を計算して循環ポンプ116の操作量として出力する。   The fourth local control circuit captures the nitric acid concentration data collected and held in the fourth data collection unit of the process measurement data collection unit 2 and at the same time, the target of the optimum nitric acid concentration calculated by the process optimization unit 9 Capture the value. Then, the optimum circulation amount is calculated based on the nitric acid concentration data and the target value of the optimum nitric acid concentration, and is output as the operation amount of the circulation pump 116.

第5のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第5のデータ収集部において収集され保持されたMLSS濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適なMLSS濃度の目標値を取り込む。そして、これらのMLSS濃度データ及び最適なMLSS濃度の目標値に基づいて最適な返送量を計算して返送汚泥ポンプ117の操作量として出力する。   The fifth local control circuit captures the MLSS concentration data collected and held in the fifth data collection unit of the process measurement data collection unit 2, and at the same time, the target of the optimum MLSS concentration calculated in the process optimization unit 9 Capture the value. Based on the MLSS concentration data and the target value of the optimum MLSS concentration, the optimum return amount is calculated and output as the operation amount of the return sludge pump 117.

第6のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第6のデータ収集部において収集され保持されたリン酸濃度データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適なリン酸濃度の目標値を取り込む。そして、これらのリン酸濃度データ及び最適なリン酸濃度の目標値に基づいて最適な凝集剤投入量を計算して凝集剤投入ポンプ118の操作量として出力する。   The sixth local control circuit captures the phosphoric acid concentration data collected and held in the sixth data collecting unit of the process measurement data collecting unit 2, and at the same time, the optimum phosphoric acid concentration calculated by the process optimizing unit 9 The target value of is taken in. Based on the phosphoric acid concentration data and the target value of the optimal phosphoric acid concentration, the optimum flocculant charging amount is calculated and output as the operation amount of the flocculant charging pump 118.

第7のローカル制御回路は、プロセス計測データ収集部2の第7のデータ収集部において収集され保持された第2好気槽105内のMLSS濃度データと、最終沈澱池106の引き抜き汚泥内のSS濃度データと、流量センサ127による引き抜き汚泥量データを取り込むと同時に、プロセス最適化部9において計算された最適なSRT(固形物滞留時間)あるいはA−SRT(好気槽の固形物滞留時間)を取り込む。そして、これらのMLSS濃度データ、SS濃度データ、及び引き抜き汚泥量データと、最適なSRTあるいはA−SRTの目標値に基づいて最適な余剰汚泥引き抜き量を計算して最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ119の操作量として出力する。   The seventh local control circuit includes the MLSS concentration data in the second aerobic tank 105 collected and held in the seventh data collection unit of the process measurement data collection unit 2, and the SS in the extracted sludge of the final sedimentation basin 106. The concentration data and the amount of sludge extracted by the flow rate sensor 127 are taken in, and at the same time, the optimum SRT (solids residence time) or A-SRT (solids residence time in the aerobic tank) calculated by the process optimization unit 9 is obtained. take in. Then, based on the MLSS concentration data, the SS concentration data, the extracted sludge amount data, and the optimum target value of SRT or A-SRT, the optimum excess sludge extraction amount is calculated, and the final sedimentation tank excess sludge extraction pump 119 is calculated. Is output as the operation amount.

以上のような一連の動作に従って、プラントワイドな最適な下水処理プロセス制御を行うことができる。   According to the series of operations as described above, optimal plant-wide sewage treatment process control can be performed.

〈第1の実施の形態の効果〉
以上の説明によって明らかなように、本発明に係るプラントワイド最適プロセス制御装置の第1の実施の形態によれば、プロセス最適化部を構成するプロセスシミュレーション部及び最適演算部のうち、プロセスシミュレーション部では最適演算部の1つ以上の実行可能初期解候補を求め、その中から制約条件設定部において設定されたすべての制約条件を満たす1つ以上の実行可能初期解候補を実行可能初期解として採用し、最適演算部では1つ以上の実行可能初期解を初期値とし、数理計画法によって局所最適解を1つ以上生成し、その中で評価関数を最適(最小)にする近似最適解として採用する、実現アルゴリズムを備えているので、プラントワイド最適プロセス制御装置を具体的に構築することが可能となる。
<Effect of the first embodiment>
As is apparent from the above description, according to the first embodiment of the plant-wide optimum process control apparatus according to the present invention, the process simulation unit among the process simulation unit and the optimum calculation unit constituting the process optimization unit. Finds one or more feasible initial solution candidates of the optimal computing unit, and adopts one or more feasible initial solution candidates satisfying all the constraint conditions set in the constraint condition setting unit as feasible initial solutions In the optimal computing unit, one or more feasible initial solutions are used as initial values, one or more local optimal solutions are generated by mathematical programming, and the evaluation function is optimized (minimum) and adopted as an approximate optimal solution. Therefore, it is possible to specifically construct a plant-wide optimum process control apparatus.

また、最適化演算における数値的誤差の取り扱いを正しく考慮することにより、プラントワイド最適プロセス制御装置の最適化演算の結果に信頼性を持たせることができる。   Further, by properly considering the handling of numerical errors in the optimization calculation, the optimization result of the plant-wide optimal process control device can be made reliable.

さらに、最適化演算で解が求まらない場合を逆に利用することによって、水質規制や操作量規制に対する制約条件を満足するような答えがありえないことを示し、プロセスの運転変更などの対策をアナウンスすることができる。   Furthermore, by using the case where the solution is not found in the optimization calculation, it is shown that there is no answer that satisfies the constraints on the water quality regulation and the operation quantity regulation, and measures such as process operation change are taken. Can be announced.

第2の実施の形態Second embodiment

〈第2の実施の形態の構成〉
第2の実施の形態は、図1中のプロセス最適化部9に、最適化の計算を高速化するアルゴリズムが組み込まれている点が第1の実施の形態と相違し、これ以外は全て図1と同一に構成されている。
<Configuration of Second Embodiment>
The second embodiment differs from the first embodiment in that the process optimization unit 9 in FIG. 1 incorporates an algorithm for speeding up the calculation of optimization. 1 is the same.

〈第2の実施の形態の作用〉
以下、第2の実施の形態の作用について、特に、第1の実施の形態との関係と併せて、構成を異にする部分について説明する。
<Operation of Second Embodiment>
In the following, the operation of the second embodiment will be described, particularly with respect to the parts different in configuration, together with the relationship with the first embodiment.

図5は、第1の実施の形態で説明したように、最適化の計算を行うプロセス最適化部9に組み込まれたアルゴリズムを要約したものである。図中(a)は、曝気風量(空気倍率)と返送量(返送率)を底面の軸に取り、その時の(1)式の評価値を縦軸に示したものであり、図中(b)は返送量と曝気量を格子状に区切った図4と同様なものである。この第1の実施の形態で行っていることは、基本的に以下の4つの操作である。   FIG. 5 summarizes the algorithm incorporated in the process optimization unit 9 that performs optimization calculation as described in the first embodiment. In the figure, (a) shows the aeration air volume (air magnification) and the return quantity (return rate) on the bottom axis, and the evaluation value of equation (1) at that time is shown on the vertical axis. ) Is the same as FIG. 4 in which the return amount and the aeration amount are divided in a grid pattern. What is being performed in the first embodiment is basically the following four operations.

最初に、図5(b)の格子点である動作点を選択する。次に、その動作点に対するシミュレーションを行い探索する初期点を選ぶ。これは、図5(a)の評価値でいえば、ある格子点に対する縦軸の値(局面上の点)に探索の初期点を置いていることに相当する。次に、逐次二次計画法などの数理計画法を用いて、その局面上からそれより評価値の低い谷底に向かって探索する。この図5から容易に分かるように、最初の初期点をどこに置くかによって、最終的に到達する谷底(極小点=局所最適解)は異なる。   First, an operating point that is a lattice point in FIG. 5B is selected. Next, the initial point to be searched is selected by performing simulation for the operating point. Speaking of the evaluation values in FIG. 5A, this corresponds to placing the initial point of the search on the value on the vertical axis (a point on the situation) with respect to a certain grid point. Next, a mathematical programming method such as sequential quadratic programming is used to search from that phase toward the valley bottom with a lower evaluation value. As can be easily seen from FIG. 5, the valley bottom finally reached (local minimum point = local optimum solution) differs depending on where the initial initial point is placed.

これを避けるために、第1の実施の形態は、図5(b)に示したような全ての格子点に対応する局面に初期点を置き、それらの初期点から得られる谷底(局所最適解)を全て求め、それらの値を比較することによって、最も小さい局所最適解を大域的な最適解とみなすという考えを具体的にアルゴリズム化したものであった。   In order to avoid this, in the first embodiment, initial points are placed on the phases corresponding to all the lattice points as shown in FIG. 5B, and valley bottoms (local optimal solutions) obtained from those initial points are obtained. ) And comparing these values, the idea that the smallest local optimal solution is regarded as a global optimal solution is specifically algorithmized.

しかし、図5から容易に推測されるように、このような探索の仕方は非効率である。計算時間に制約が無い場合には、このような方法も許容されるが、実際には、このようなプラントワイド最適プロセス制御装置は、オンラインで実行されるため、オンラインで実行可能な時間内に計算を行う必要がある。ここでは、簡単な試算を行うことによって、第1の実施の形態のような方法はオンラインで実施することがかなり困難であることを説明することとする。   However, as can be easily guessed from FIG. 5, such a search method is inefficient. In the case where there is no restriction on the calculation time, such a method is also allowed. However, in practice, such a plant-wide optimum process control device is executed online, so that it is within the time that can be executed online. It is necessary to perform calculation. Here, a simple trial calculation will explain that the method as in the first embodiment is quite difficult to implement online.

1回の局所最適解を探索するために必要な計算時間を30秒とする(これは、実際に発明者が計算を行ったときのおおよその時間である)。操作量として、第1好気槽103に酸素を供給するブロワ113、第2好気槽105に酸素を供給するブロワ114、炭素源を供給する炭素源投入ポンプ115、循環ポンプ116、返送汚泥ポンプ117、凝集剤投入ポンプ118、及び最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ119の7つを考えてみる。そして、各々の操作量の上下限値の間に5個の点を取る。すると、図5(b)に対応する格子点は、5=78125個になる。従って、これらの格子点の全てを初期点として、近似大域的最適解を求めると、30×78125=2343750秒、すなわち、約27日の計算時間を要することになる。このことから、このプラントワイド最適プロセス制御装置を実際に実現するためには、近似大域的最適解を求めるための高速化手法が重要になることが分かる。 The calculation time required to search for one local optimal solution is 30 seconds (this is the approximate time when the inventor actually performed the calculation). As operation amounts, a blower 113 for supplying oxygen to the first aerobic tank 103, a blower 114 for supplying oxygen to the second aerobic tank 105, a carbon source input pump 115 for supplying a carbon source, a circulation pump 116, and a return sludge pump Consider seven of 117, flocculant charging pump 118, and final sedimentation basin excess sludge extraction pump 119. Then, five points are taken between the upper and lower limits of each manipulated variable. Then, the number of grid points corresponding to FIG. 5B is 5 7 = 78125. Accordingly, when an approximate global optimum solution is obtained using all of these lattice points as initial points, 30 × 78125 = 2343750 seconds, that is, a calculation time of about 27 days is required. From this, it can be seen that in order to actually realize this plant-wide optimum process control apparatus, a speed-up method for obtaining an approximate global optimum solution is important.

第2の実施の形態は、この高速化を目的としたものであり、そのために、メタヒューリスティックと呼ばれる発見的な探索手法を利用することを考える。特に、メタヒューリスティックの代表的な手法である遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithms:以下、GAと略記する)を用いて、以下にその作用を説明する。   The second embodiment is intended to increase the speed, and for that purpose, consider using a heuristic search method called a metaheuristic. In particular, the operation will be described below using genetic algorithms (hereinafter abbreviated as GA), which is a typical metaheuristic technique.

GAでは、遺伝子列から成る個体を複数準備し、これらの個体を適合度と呼ばれる評価指標で評価し、この適合度の良い個体を生存させて、適合度の悪い個体を淘汰していくという戦略に法った発見的な最適化法である。GAの1つの特徴は、比較的高速な演算が可能であることである。   In GA, a strategy is to prepare multiple individuals consisting of gene sequences, evaluate these individuals with an evaluation index called fitness, and survive these individuals with good fitness, and deceive individuals with poor fitness It is a heuristic optimization method based on One feature of GA is that it can perform relatively high-speed calculations.

ここで、今回のプラントワイド最適プロセス制御装置の最適化演算にGAを利用するためには、まず、「個体」と「適合度」を定義する必要がある。そこで、ここでは、「個体=図5(b)の各格子点」とする。つまり、各格子点に相当する操作量の組み合わせを1つの個体とみなす。従って、複数の個体を用意するということは、複数の格子点を同時に考えるということである。次に「適合度」であるが、ここでは素直に適合度を(1)式の評価関数の値で評価することにする。   Here, in order to use the GA for the optimization calculation of the present plant-wide optimum process control device, it is first necessary to define “individual” and “fitness”. Therefore, here, it is assumed that “individual = each grid point in FIG. 5B”. That is, a combination of operation amounts corresponding to each lattice point is regarded as one individual. Therefore, preparing a plurality of individuals means considering a plurality of lattice points simultaneously. Next, regarding “goodness”, the goodness-of-fit is simply evaluated by the value of the evaluation function of equation (1).

ただし、GAのアルゴリズムでは適合度は大きい方が良いとされることが普通であるので(適合度という言葉の意味を考えれば、そのように定義するのが自然である)、この言葉の意味に合わせるためには、適合度は(1)式の評価関数の値の逆数で評価した方が良いが、本質的にはどちらでも同じである(単に定義の問題である)。それよりも重要なことは、第2の実施の形態では、各格子点の操作量に対応する図5(a)の曲面上の点の値ではなく、各格子点の操作量に対応する図5(a)の曲面上の点を初期値としてSQPなどで求めた局所最小解の評価値を適合度として採用するという点である。   However, in GA algorithm, it is usually considered that a good fit is better (it is natural to define it in this way, considering the meaning of the word fit), so the meaning of this word In order to match, the goodness of fit should be evaluated by the reciprocal of the value of the evaluation function in equation (1), but in both cases it is essentially the same (it is just a matter of definition). More importantly, in the second embodiment, not the value of the point on the curved surface of FIG. 5A corresponding to the operation amount of each grid point, but the diagram corresponding to the operation amount of each grid point. The point of 5 (a) is that the evaluation value of the local minimum solution obtained by SQP or the like is adopted as the initial value of the point on the curved surface as the fitness.

つまり、各個体(=各格子点に対応する操作量の組み合わせ)の適合度は、その格子点を初期解とした場合の局所最適解の評価値で評価する。このような対応付けをすることによって、第1の実施の形態で示したような局所最適解を求めるための途中の具体的なアルゴリズムとは独立にGAを適用することができる(GAによるヒューリスティックな大域的探索とある個体(=格子点に対応する操作量)に対する局所最適解を求める操作を切り離して議論できる)。   That is, the fitness of each individual (= combination of the operation amount corresponding to each grid point) is evaluated by the evaluation value of the local optimum solution when that grid point is the initial solution. By making such an association, GA can be applied independently of a specific algorithm in the middle of obtaining a local optimum solution as shown in the first embodiment (a heuristic algorithm based on GA). A global search and an operation for obtaining a local optimal solution for an individual (= an operation amount corresponding to a grid point) can be discussed separately).

さて、このようにして、「個体」と「適合度」を定義すれば、通常のGAの処理に従って近似的な大域的最適解を求めることができる。GAの処理は、以下の一連の操作から成る。
Step1 初期個体の生成
Step2 各個体の適合度の評価
Step3 優秀な個体の選択(淘汰)
Step4 (必要ならば)個体の増殖
Step5 各個体同志の交叉による子の生成
Step6 突然変異による新しい個体の生成
Step7 終了条件になるまでStep2に戻る。
By defining “individual” and “fitness” in this way, an approximate global optimum solution can be obtained in accordance with normal GA processing. GA processing consists of the following series of operations.
Step1 Generation of initial individuals Step2 Evaluation of fitness of each individual Step3 Selection of excellent individuals (淘汰)
Step 4 (If necessary) Propagation of individuals Step 5 Generation of children by crossover of individual individuals Step 6 Generation of new individuals by mutation Step 7 Return to Step 2 until the end condition is met.

この一連の流れを具体化すればよい。   What is necessary is just to materialize this series of flows.

まず、Step1では、初期個体を生成しなければならないが、これにはいくつかの方法が考えられる。典型的な方法は図5(b)の各格子点に対して番号をつけておき、全ての番号を含む乱数を生成して複数の格子点を初期個体として選択することである。その他の簡単な方法は、なるべく全領域を探索するために、格子点のコーナーを初期個体として選択してやることである。いずれの方法でも良いし、他の別の方法でも良いが、複数の格子点を初期個体として生成する。   First, in Step 1, an initial individual must be generated, and several methods are conceivable for this. A typical method is to assign a number to each lattice point in FIG. 5B, generate a random number including all the numbers, and select a plurality of lattice points as initial individuals. Another simple method is to select the corner of the lattice point as the initial individual in order to search the entire region as much as possible. Either method may be used, or another method may be used, but a plurality of lattice points are generated as initial individuals.

次に、Step2では各個体の適合度の評価であるが、これは第1の実施の形態における局所最適解を求めるアルゴリズムを適用すれば、その評価値あるいはその逆数で適合度を評価することができる。   Next, in Step 2, the fitness of each individual is evaluated. If the algorithm for obtaining the local optimal solution in the first embodiment is applied, the fitness can be evaluated by the evaluation value or its reciprocal. it can.

次に、Step3では、Step2における適合度を利用すれば容易に優秀な個体を選択することができる。例えば、全ての個体の適合度を順に並べて適合度の高いものから順に、予め決めた数の個体を生存させ、その他の適合度の悪い個体を淘汰すればよい。あるいは、最も適合度の高い個体と比較した適合度の劣化度を評価してやり(劣化度=最良個体の適合度/対象個体の適合度)、例えば劣化度が2を超えるものは淘汰するというような選択のしかたもできる。なお、ここでは、各格子点に対応する局所最適解の評価値で適合度を評価しているため、異なる格子点に対する適合度が完全に一致する場合もある(同じ局所最適解に到達した場合には完全に一致する)ことに注意する。その場合には、同じ適合度を持つものは1つの個体を残して、残りを全て淘汰することにすることもできるし、全ての個体を残しておくということにすることもできる。前者の方法を採用した場合には、より個体の多様性を保つことができ、全く違う場所に存在するより良い解を発見するように動作するが、行き過ぎるとランダム探索と変わらなくなる。逆に後者の方法を採用した場合には、現在までに見つかったよい解の近くに解を求めるため、その解が本当に大域的最適解に近い場合には、より早く解を見つけることができるが、逆により良い解がある可能性を探索することを諦めているため、局所最適解から抜け出せないという問題もある。従って、これらのどちらを採用すればよいかは実際に試して試行錯誤するべきである。   Next, in Step 3, an excellent individual can be easily selected by using the fitness in Step 2. For example, the fitness of all individuals may be arranged in order, and a predetermined number of individuals may be alive in order from the highest fitness, and other individuals with poor fitness may be selected. Alternatively, the degree of deterioration of the degree of fitness compared to the individual with the highest degree of fitness is evaluated (degradation level = the degree of fitness of the best individual / the degree of fitness of the target individual), for example, those with a degree of degradation exceeding 2 are hesitant You can also choose. Here, since the fitness is evaluated by the evaluation value of the local optimal solution corresponding to each grid point, the fitness for different grid points may completely match (when the same local optimal solution is reached) Note that this is an exact match). In that case, one having the same fitness can leave one individual and all the remaining can be deceived, or all the individuals can be left. When the former method is adopted, the diversity of individuals can be kept more and it works to find a better solution that exists in a completely different place, but if it goes too far, it will not be different from random search. On the contrary, when the latter method is adopted, the solution is found near the good solution found so far, so if the solution is really close to the global optimal solution, the solution can be found sooner. On the other hand, since we give up searching for a possibility that there is a better solution, there is also a problem that it is impossible to get out of the local optimum solution. Therefore, it should be tried and tried to determine which of these should be used.

次にStep4では、もしStep3で選択した個体数が少ない場合(例えば初期個体数の1/2未満になる場合)、選択された個体を複数コピーすることによって一定の個体数を保持するような操作を行う。   Next, in Step 4, if the number of individuals selected in Step 3 is small (for example, if it is less than half of the initial number of individuals), an operation that maintains a certain number of individuals by copying a plurality of selected individuals I do.

次に、Step5で交叉を行う。交叉の方法としては様々な方法が考えられる。例えば、各格子点を2進数でコード化しておき、選択された個体を2個づつ適当な方法でペアリングする。そして、図6に示すように、乱数で交差点を決定してペアリングされた2個体の前半部分のコードと後半部分のコードを入れ替えるといった通常の交叉方法を採用することができる。あるいは、各々の操作量の値を変えたく無い場合には、図6に示すように交叉する点を2進数でコード化された各操作量のつなぎ目のみに限定して交叉を行うようにすればよい。このような交叉を行うとペアリングされた親の形質を継承した子供が生成される。Step3で選択される親の数を初期個体の半分にしておけば、このように生成された子と併せて個体数を一定に保つことができる。   Next, crossover is performed at Step5. Various methods can be considered as crossover methods. For example, each grid point is coded in binary, and two selected individuals are paired by an appropriate method. Then, as shown in FIG. 6, it is possible to employ a normal crossover method in which the code of the first half part and the code of the second half part of two individuals that are paired by determining an intersection with a random number are exchanged. Alternatively, when it is not desired to change the value of each manipulated variable, as shown in FIG. 6, the crossover point should be limited to only the joint of each manipulated variable coded in binary number. Good. When such crossover is performed, a child inheriting the parental character of the paired parent is generated. If the number of parents selected in Step 3 is set to be half that of the initial individual, the number of individuals can be kept constant together with the thus generated children.

次に、非常に小さい確率で、2進化されたコードの1つのビットを反転するなどして、突然変異を行い、探索の多様性を保つようにする。   Next, with a very low probability, mutation is performed, for example, by inverting one bit of the binarized code so as to keep the diversity of the search.

最後に終了条件を満たさない限り、Step2に戻ってこの操作を継続する。終了条件は、例えば、世代数(繰り返し数〉で設定する。   Unless the end condition is finally satisfied, the operation returns to Step 2 to continue this operation. The end condition is set by, for example, the number of generations (number of repetitions).

以上に説明したように、第2の実施の形態でGAを用いた探索手法は、概念的には、図7に示すように大域的最適解がありそうな付近のみを集中して探索し、他は探索をしないというものである。このように大域的最適解あるいはこれと評価値が非常に近い局所最適解の近傍を効率よく探索することができれば、どのような方法でもよい。メタヒューリスティックスの分野では、GA以外にも例えば免疫的アルゴリズムと言ったような手法が開発されている。これらの原理はそれぞれ少しづつ異なり、より高速な探索方法の開発が進んでいる。従って、図7に示したような集中的な探索が行えるより高速な探索方法があれば、これをGAの代わりに適用することは自然である。   As described above, the search method using GA in the second embodiment conceptually searches only in the vicinity where there is likely to be a global optimal solution as shown in FIG. The other is not to search. Any method can be used as long as it can efficiently search for a global optimal solution or a local optimal solution whose evaluation value is very close to the global optimal solution. In the field of metaheuristics, a technique such as an immune algorithm has been developed in addition to GA. These principles differ little by little, and the development of faster search methods is progressing. Therefore, if there is a faster search method capable of performing intensive search as shown in FIG. 7, it is natural to apply this instead of GA.

〈第2の実施の形態の効果〉
かくして、第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、プラントワイド最適プロセス制御装置の最適化演算を高速化することができ、この装置をオンラインで実施することができるようになる。
<Effects of Second Embodiment>
Thus, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the optimization operation of the plant-wide optimum process control device can be speeded up, and this device can be implemented online. Will be able to.

第3の実施の形態Third embodiment

〈第3の実施の形態の構成〉
プロセス制御系は、図1に示した第1の実施の形態と同一に構成され、プラントワイド最適プロセス制御装置は、プロセス最適化部9に、プロセスの現在の運転情報を取り込み、計算の簡略化と高速化を図っている点が第1の実施の形態と構成を異にしている。
<Configuration of Third Embodiment>
The process control system is configured in the same manner as in the first embodiment shown in FIG. 1, and the plant-wide optimum process control apparatus captures the current operation information of the process in the process optimization unit 9 to simplify the calculation. The point of speeding up is different from the configuration of the first embodiment.

〈第3の実施の形態の作用〉
以下、第3の実施の形態の作用について、上記の実施の形態と構成を異にするプロセス最適化部9について説明する。第1及び第2の実施の形態では、大域的な最適解を求めるために、格子状に区切った格子点(=運転点、動作点)の複数の点について局所最適解を求めて、それらを比較することによって、より大域的な最適解を求めようとするものであった。これらでは、実際のプロセスで運転されている操作量の情報を全く用いていない。これは、実際のプロセスで運転されている操作量が最適であるか否かなどは数学的には全く不明であり、数学的には、実際最適である可能性は低いため、このような情報を利用しないことは最適化の観点からは何ら不思議ではない。
<Operation of Third Embodiment>
Hereinafter, the process optimization unit 9 having a configuration different from that of the above embodiment will be described with respect to the operation of the third embodiment. In the first and second embodiments, in order to obtain a global optimum solution, a local optimum solution is obtained for a plurality of points of grid points (= operating point, operating point) partitioned in a grid pattern, and these are obtained. By comparing, an attempt was made to find a global optimum solution. These do not use any information about the amount of operation being performed in the actual process. This is because it is completely unknown mathematically whether the manipulated variable operated in the actual process is optimal, and mathematically, it is unlikely that it is actually optimal. It is no wonder from the point of view of optimization not to use.

しかし、「実際のプロセスの運転における操作量は、長年の経験に基づいて決定されているため、経験的にかなり良い運転になっており、最適ではなくても最適に近い運転がなされている可能性が高い」、「本発明では、最適な操作量は(1)式に基づいて決定することにしているが、実際のプロセスでは、(1)式の評価に含まれない実プロセスの諸条件を考慮して操作量が決められている場合が多い」などの理由により、現状の操作量を大幅に変更したく無いという場合も往々にしてある。   However, “The amount of operation in the actual process operation is determined based on many years of experience, so it is empirically quite good, and even if it is not optimal, it may be near optimal. `` In the present invention, the optimum operation amount is determined based on the formula (1), but in the actual process, various conditions of the actual process that are not included in the evaluation of the formula (1) In many cases, the user does not want to significantly change the current operation amount for reasons such as “the operation amount is often determined in consideration of the situation”.

このような場合には、第1の実施の形態及び第2の実施の形態に示すように、可能性のある多くの領域を探索するよりも実際の運転条件の近くを探索した方が良い場合もある。そこで、探索の初期解として、まず、現状のプロセス運転における操作量を入力する。そして、プロセスシミュレーションを行い、その収束値を初期解としてSQPなどで局所探索を行う。これによって求まる局所最適解を用いて、最適目標値や最適操作量を供給する。   In such a case, as shown in the first embodiment and the second embodiment, it is better to search near the actual driving conditions than to search many potential areas. There is also. Therefore, as an initial solution for the search, first, an operation amount in the current process operation is input. Then, a process simulation is performed, and a local search is performed by SQP or the like using the convergence value as an initial solution. Using the local optimal solution obtained in this way, the optimal target value and the optimal operation amount are supplied.

同様に、実際のプロセスでは、ある操作量の値は変更しても良いが、他の操作量は変更したく無いと言ったような状況になる場合がしばしばある。例えば、曝気風量などは大きく変更するが、返送量や循環量を大幅に変更することはあまり行わないといった下水処理場がある。このような場合には、返送量や循環量など変更を行いたくないものについては現状の操作量を固定値として与え、最適化すべき変数と見倣さない。そして、曝気風量など変更を行っても良い操作量と他の状態変数(水質など)を最適化すべき変数と見倣して最適化を行い、最適な目標値や最適な操作量を供給することができる。   Similarly, in an actual process, the value of a certain operation amount may be changed, but there are often situations in which it is not desired to change other operation amounts. For example, there are sewage treatment plants where the amount of aeration is greatly changed, but the amount of return and circulation is not changed significantly. In such a case, the current manipulated variable is given as a fixed value for items that do not want to be changed, such as the return amount and the circulation amount, and are not imitated as variables to be optimized. Then, it optimizes the manipulated variable and other state variables (such as water quality) that can be changed, such as aeration air volume, as variables to be optimized, and supplies the optimum target value and optimum manipulated variable. Can do.

〈第3の実施の形態の効果〉
かくして、第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。
<Effect of the third embodiment>
Thus, according to the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects can be obtained.

大域的な最適化をあきらめる代わりに、現状のプロセス運転状態をより改善することのできる実用的な最適解を提供することができる。同時に、あまりに急激な運転条件の変更を行わないため、プロセス運転員等に安心と信頼感を与えることができ、実際に利用される可能性が高い。   Instead of giving up global optimization, it is possible to provide a practical optimal solution that can further improve the current process operating conditions. At the same time, since the operating conditions are not changed too rapidly, the process operator can be given a sense of security and reliability, and is likely to be used in practice.

また、実際のプロセスの運転は、評価関数に現れない諸条件を考慮して適切な運転がなされていることが多いため、この運転条件の近傍に探索を制限することによって、結果的に、評価関数に現れない諸条件を考慮した最適化が達成されることが期待できる。   In addition, since the actual process operation is often performed in consideration of various conditions that do not appear in the evaluation function, limiting the search to the vicinity of this operation condition results in an evaluation. It can be expected that optimization considering various conditions that do not appear in the function will be achieved.

さらに、探索を1回しか行わず、また、最適化変数の数が減る場合もあるので、きわめて高速に計算ができ、オンラインでの適用が容易になる。   Furthermore, since the search is performed only once and the number of optimization variables may be reduced, the calculation can be performed extremely quickly and application on-line becomes easy.

第4の実施の形態Fourth embodiment

〈第4の実施の形態の構成〉
プロセス制御系は、図1に示した第1の実施の形態と同一に構成され、プラントワイド最適プロセス制御装置は、プロセス最適化部9で、近似的な大域的最適化演算を行っているばかりでなく、その最適度を同時に評価している点が第1の実施の形態と構成を異にしている。
<Configuration of Fourth Embodiment>
The process control system is configured in the same manner as in the first embodiment shown in FIG. 1, and the plant-wide optimum process control device is just performing approximate global optimization operations in the process optimization unit 9. In addition, the configuration is different from the first embodiment in that the optimum degree is evaluated at the same time.

〈第4の実施の形態の作用〉
以下、第4の実施の形態の作用について、上記の実施の形態と構成を異にするプロセス最適化部9について説明する。
<Operation of Fourth Embodiment>
Hereinafter, the process optimization unit 9 having a configuration different from that of the above-described embodiment will be described regarding the operation of the fourth embodiment.

上記の各実施の形態は、実用的な最適化演算を行うことに主眼が置かれており、結果的に得られた近似最適解がどの程度最適であるかを定量的に見積もることをしていなかった。第1の実施の形態や第2の実施の形態では、近似的な大域的最適解を求めることを指向しているものの、格子点の区切り方やGAの探索繰り返し数などによっては、結果的に局所最適解に陥る可能性も残されていた。   Each of the above embodiments focuses on performing practical optimization calculations, and quantitatively estimates how much the resulting approximate optimal solution is optimal. There wasn't. Although the first and second embodiments are directed to obtaining an approximate global optimum solution, depending on the method of dividing lattice points, the number of GA search repetitions, and the like, as a result There was also a possibility of falling into a local optimal solution.

この第4の実施の形態は最適解の最適性の評価を指向したものである。最適化問題では、解こうとしている最適化問題に対して、その緩和問題というものを考えることによって、図8に示すような最適解の下界を見積もることができる。上記の実施の形態で取り上げた下水処理プロセスモデルなどは、モノー式と呼ばれる分数型の非線形関数や双線形型の非線形関数を含んでいるが、これらに関する等式制約条件や不等式制約条件は、多項式型の非線形関数として表現することができる。このような多項式型の非線形関数を制約条件や目的関数に持つ最適化問題に対しては、半正定値緩和という方法がその下界を見積もるために有効であることが知られている。従って、上記の各実施の形態で示したように、最適化問題を具体的に実用的な方法で解くと同時にその半正定値緩和問題を同時に解いてその下界を同時に見積もれば、最大でどれくらいの誤差を持ちうる近似最適解であるかが同時に分かる。   The fourth embodiment is directed to the evaluation of the optimality of the optimal solution. In the optimization problem, the lower bound of the optimum solution as shown in FIG. 8 can be estimated by considering the relaxation problem for the optimization problem to be solved. The sewage treatment process model and the like taken up in the above embodiment include a fractional nonlinear function and a bilinear nonlinear function called mono-equation, but the equality and inequality constraints related to these are polynomials. It can be expressed as a type nonlinear function. For optimization problems that have such a polynomial-type nonlinear function as a constraint condition or objective function, it is known that the method of half positive definite relaxation is effective for estimating the lower bound. Therefore, as shown in each of the above embodiments, if the optimization problem is specifically solved by a practical method and the semi-definite relaxation problem is simultaneously solved and the lower bound is estimated simultaneously, how much is the maximum It can be seen at the same time whether the approximate optimal solution can have an error.

また、この事実を利用すれば、第2の実施の形態で示したGAを用いた近似大域的最適解を求めるアルゴリズムをさらに高速化することが可能となる。GAでは、世代数(繰り返し回数〉を予め設定しておく場合が多いが、この下界を評価しておき、許容される誤差を予め設定しておけば、許容誤差に入った時点で繰り返し探索を打ち切ることができる。このようにすれば、許容できる範囲で近似的な大域的最適界をきわめて高速に探索することができる。   If this fact is used, the algorithm for obtaining the approximate global optimum solution using the GA shown in the second embodiment can be further accelerated. In GA, the number of generations (number of iterations) is often set in advance, but if this lower bound is evaluated and an allowable error is set in advance, an iterative search is performed when the allowable error is entered. In this way, an approximate global optimum field within an allowable range can be searched very quickly.

〈第4の実施の形態の効果〉
かくして、第4の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、以下の効果があげられる。
<Effect of the fourth embodiment>
Thus, according to the fourth embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects can be obtained.

実用的な最適解を求めると同時にその到達しうる限界を評価することによって、求めた実用的な近似最適解の最適性を評価することができる。   By obtaining a practical optimal solution and evaluating its reachable limit, the optimality of the obtained practical approximate optimal solution can be evaluated.

また、最適性の限界を評価し、かつ許容誤差を設定することによって、近似的な大域的最適解探索をより効率よく高速化することができる。   In addition, by evaluating the limit of optimality and setting an allowable error, the approximate global optimum solution search can be accelerated more efficiently.

第5の実施の形態Fifth embodiment

上述した各実施の形態は、1つの下水高度処理プロセス1に対応させてローカル制御部10が設けられ、さらに、このローカル制御部10の最適な目標値を供給するか、又は、アクチュエータ111〜119の最適操作量を直接計算するための制約条件設定部7、最適評価関数設定部8及びプロセス最適化部9を備えたが、下水高度処理プロセス1等の対象プロセスが複数存在し、これらの対象プロセスに対応させてローカル制御部10が複数設けられているとき、これらのローカル制御部10にそれぞれ供給する最適目標値、又は、アクチュエータ111〜119の最適操作量を直接計算するために処理能力の高い1つの上位側制御機器を設け、この上位側制御機器に複数のローカル制御部10の最適目標値又はアクチュエータの最適操作量を演算させ、データ伝送路で各ローカル制御部10又はアクチュエータ111〜119と接続する構成とすることもできる。   Each embodiment mentioned above is provided with the local control part 10 corresponding to one sewage altitude treatment process 1, and supplies the optimal target value of this local control part 10, or actuators 111-119. Although there are a constraint condition setting unit 7, an optimum evaluation function setting unit 8 and a process optimization unit 9 for directly calculating the optimum operation amount of the sewage, there are a plurality of target processes such as an advanced sewage treatment process 1 and the like. When there are a plurality of local control units 10 corresponding to the process, the processing capacity of the processing unit is directly calculated in order to directly calculate the optimum target values to be supplied to the local control units 10 or the optimum operation amounts of the actuators 111 to 119. One high-level control device is provided, and the optimal target value of the plurality of local control units 10 or the optimal operation of the actuator is provided in this high-level control device. Was calculated, it can be configured to be connected with each local control unit 10 or actuators 111 to 119 in the data transmission path.

これによって、複数の対象プロセスに対して上位側制御機器を共通で活用することが可能となる。その結果、複数の対象プロセスに対してプラントワイド制御装置を複数備える場合に上位側制御機器の数量を削減することが可能となり、アプリケーション・プロバイダ・サービス(ASP)のように、各対象プロセスの制御を安価に導入することが可能となると言う効果も得られる。   This makes it possible to use the higher-level control device in common for a plurality of target processes. As a result, when a plurality of plant-wide control devices are provided for a plurality of target processes, it is possible to reduce the number of higher-level control devices and control each target process as in an application provider service (ASP). There is also an effect that it can be introduced at low cost.

第6の実施の形態Sixth embodiment

第5の実施の形態では、複数の対象プロセスに対して、制約条件設定部7、最適評価関数設定部8及びプロセス最適化部9の全ての機能を単一の上位側制御機器に持たせたが、これらの機能を複数の制御機器に分割し、これらの制御機器をデータ伝送路で接続する構成とすることもできる。   In the fifth embodiment, all the functions of the constraint condition setting unit 7, the optimum evaluation function setting unit 8, and the process optimization unit 9 are provided in a single upper control device for a plurality of target processes. However, it is also possible to divide these functions into a plurality of control devices and connect these control devices via a data transmission path.

これによって、既存の制御機器の処理能力に余裕がある場合、その制御機器をデータ伝送路で接続することにより、上位側制御機器の機能を実現することができる。その結果、上位側制御機器として新たに制御機器を導入することなく、プラントワイド制御装置を導入することが可能となる。   As a result, when the processing capacity of the existing control device is sufficient, the function of the host control device can be realized by connecting the control device via the data transmission path. As a result, it is possible to introduce a plant-wide control device without newly introducing a control device as a higher-level control device.

本発明に係るプラントワイド最適プロセス制御装置の第1の実施の形態として、窒素及びリンの除去を目的とした下水高度処理プロセスを対象とする制御システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the control system which makes object the removal process of nitrogen and phosphorus as 1st Embodiment of the plant wide optimal process control apparatus which concerns on this invention. 第1の実施の形態の作用を説明するために、物質量保存等式制約を持つ場合の局所最適解を求めるためのアルゴリズムを示したフローチャート。The flowchart which showed the algorithm for calculating | requiring the local optimal solution in the case of having a substance amount preservation | save equality constraint, in order to demonstrate the effect | action of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の作用を説明するために、物質量保存等式制約を持つ場合の近似大域的最適解を求めるためのアルゴリズムを示したフローチャート。The flowchart which showed the algorithm for calculating | requiring the approximate global optimal solution in case it has a substance amount preservation | save equality constraint, in order to demonstrate the effect | action of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の作用を説明するために、物質量保存等式制約を持つ場合の近似大域的最適解を求めるための手順を説明するための図。The figure for demonstrating the procedure for calculating | requiring the approximate global optimal solution in the case of having a substance amount preservation | save equality constraint, in order to demonstrate the effect | action of 1st Embodiment. 本発明に係るプラントワイド最適プロセス制御装置の第2の実施の形態に関連する近似大域的最適解を求めるアルゴリズムの基本的な考え方を示した説明図。Explanatory drawing which showed the fundamental view of the algorithm which calculates | requires the approximate global optimal solution relevant to 2nd Embodiment of the plant wide optimal process control apparatus which concerns on this invention. 第2の実施の形態の動作を説明するために、GAを用いた高速演算における交叉の考え方を説明した図。The figure explaining the concept of crossover in the high-speed calculation using GA in order to demonstrate operation | movement of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態の動作を説明するために、GAを用いた高速演算の高速化の原理の概念を説明した図。The figure explaining the concept of the principle of speed-up of the high-speed calculation using GA in order to demonstrate operation | movement of 2nd Embodiment. 本発明に係るプラントワイド最適プロセス制御装置の第4の実施の形態の動作を説明するために、最適化演算における最適値とその下界の関係を説明した図。The figure explaining the relationship between the optimal value in optimization calculation, and its lower bound, in order to demonstrate operation | movement of 4th Embodiment of the plant wide optimal process control apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 下水高度処理プロセス
2 プロセス計測データ収集部
3 外部入力計測データ収集部
4 プロセスセンサ異常診断部
5 外部入力センサ異常診断部
6 手分析データ保存部
7 制約条件設定部
8 最適評価関数設定部
9 プロセス最適化部
10 ローカル制御部
71 保存量制約設定部
72 出力制約設定部
73 操作量制約設定部
91 プロセスシミュレーション部
92 最適演算部
101 最初沈澱池
102 嫌気槽
103 第1好気槽
104 無酸素槽
105 第2好気槽
106 最終沈澱池
111 最初沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ
112 ステップ流入ポンプ
113,114 ブロワ
115 炭素源投入ポンプ
116 循環ポンプ
117 返送汚泥ポンプ
118 凝集剤投入ポンプ
119 最終沈澱池余剰汚泥引き抜きポンプ
121,124 アンモニアセンサ
122 硝酸センサ
123 MLSSセンサ
125 リン酸センサ
126 SSセンサ
127 流量センサ
128 DOセンサ
129 ORPセンサ
1210 放流下水センサ
1211 下水流入センサ
1 Sewage Advanced Processing Process 2 Process Measurement Data Collection Unit 3 External Input Measurement Data Collection Unit 4 Process Sensor Abnormality Diagnosis Unit 5 External Input Sensor Abnormality Diagnosis Unit 6 Manual Analysis Data Storage Unit 7 Constraint Condition Setting Unit 8 Optimal Evaluation Function Setting Unit 9 Process Optimization unit 10 Local control unit 71 Storage amount constraint setting unit 72 Output constraint setting unit 73 Operation amount constraint setting unit 91 Process simulation unit 92 Optimal operation unit 101 First sedimentation basin 102 Anaerobic tank 103 First aerobic tank 104 Anoxic tank 105 Second aerobic tank 106 Final sedimentation basin 111 First sedimentation basin excess sludge extraction pump 112 Step inflow pump 113, 114 Blower 115 Carbon source input pump 116 Circulation pump 117 Return sludge pump 118 Flocculant input pump 119 Final sedimentation tank excess sludge extraction pump 121,124 Ammonia sensor 122 Nitric acid sensor 123 MLSS sensor 125 Phosphoric acid sensor 126 SS sensor 127 Flow rate sensor 128 DO sensor 129 ORP sensor 1210 Outflow sewage sensor 1211 Sewage inflow sensor

Claims (11)

流入する物質やエネルギーを外部入力とし、前記物質やエネルギーの流れの処理工程を対象プロセスとして、対象プロセスのいくつかの状態を計測することのできる少なくとも1つのプロセスセンサと、
対象プロセスの状態を変化させることができる少なくとも1つのアクチュエータと、
少なくとも前記外部入力の物質量やエネルギー量などの保存量の保存則に関する代数方程式で表される静的な制約条件を設定することのできる保存量制約設定部を含む制約条件設定部と、
運転コストや複数の制御性能を評価できる評価関数を設定することのできる最適評価関数設定部と、
前記プロセスセンサによって得られるプロセス計測値に基づいて、前記アクチュエータを動作させ、プロセスのダイナミックな変動を望ましい特性を持つように補償するローカル制御部と、
前記制約条件設定部によって設定された制約条件を入力し、前記最適評価関数設定部で設定した評価関数に基づいて前記ローカル制御部の最適な目標値を供給するか、又は、前記アクチュエータの最適操作量を直接計算するプロセス最適化部と、
を備えたプラントワイド最適プロセス制御装置において、
前記プロセス最適化部は、前記保存量制約設定部で設定されるプロセスの定常状態モデルである代数方程式に対応するプロセスの動的モデルである微分方程式で表されるプロセスシミュレーション部と、最適化計算を行う最適演算部とを含んで構成され、
前記プロセスシミュレーション部では、前記アクチュエータの操作量値をその操作量の操作範囲内で1つ以上生成して動的モデルに入力し、前記動的モデルの収束値を発生させることによって、前記制約条件設定部の物質量保存制約を満たす前記最適演算部の1つ以上の実行可能初期解候補を求め、前記実行可能初期解候補の中から、前記制約条件設定部において設定されたすべての制約条件を満たす1つ以上の実行可能初期解候補を実行可能初期解として採用し、前記最適演算部では、前記1つ以上の実行可能初期解を初期値として、数理計画法によって局所最適解を1つ以上生成し、その中で評価関数を最適にするものを近似最適解として採用する、アルゴリズムが組み込まれている、
ことを特徴とするプラントワイド最適プロセス制御装置。
At least one process sensor capable of measuring several states of the target process, with the inflowing substance or energy as an external input and the processing step of the substance or energy flow as the target process;
At least one actuator capable of changing the state of the subject process;
A constraint condition setting unit including a storage amount constraint setting unit capable of setting at least a static constraint condition represented by an algebraic equation relating to a conservation rule of a storage amount such as the amount of substance and energy of the external input;
An optimal evaluation function setting unit that can set an evaluation function that can evaluate the operating cost and multiple control performances;
A local controller that operates the actuator based on process measurements obtained by the process sensor to compensate for dynamic variations in the process to have desirable characteristics;
The constraint condition set by the constraint condition setting unit is input, and the optimal target value of the local control unit is supplied based on the evaluation function set by the optimal evaluation function setting unit, or the actuator is optimally operated. A process optimization unit that directly calculates the quantity;
In a plant-wide optimum process control device equipped with
The process optimization unit includes a process simulation unit represented by a differential equation that is a dynamic model of a process corresponding to an algebraic equation that is a steady state model of a process set by the storage amount constraint setting unit, and an optimization calculation And an optimal calculation unit that performs
In the process simulation unit, one or more operation amount values of the actuator are generated within an operation range of the operation amount and input to a dynamic model to generate a convergence value of the dynamic model. One or more feasible initial solution candidates of the optimal computing unit satisfying the substance amount storage constraint of the setting unit are obtained, and all the constraint conditions set in the constraint condition setting unit are obtained from the feasible initial solution candidates. One or more feasible initial solution candidates to be satisfied are adopted as feasible initial solutions, and the optimum computing unit uses the one or more feasible initial solutions as initial values and uses one or more local optimum solutions by mathematical programming. An algorithm is built in which the one that generates and optimizes the evaluation function is adopted as an approximate optimal solution.
A plant-wide optimum process control device characterized by that.
前記プロセス最適化部は、現れる操作量や状態変数などの最適化されるべき独立変数の取りうる範囲を略同じになるように正規化する、ことを特徴とする請求項1に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   The plant-wide according to claim 1, wherein the process optimization unit normalizes a range that can be taken by an independent variable to be optimized, such as an operation amount or a state variable that appears, to be substantially the same. Optimal process control device. 前記プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせを遺伝子と見なし、遺伝子から前記最適演算部を通して計算される評価関数値あるいは評価関数値から変換される何らかの指標を適合度と見なして遺伝的アルゴリズムを併用する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   A combination of manipulated variable values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit is regarded as a gene, and is converted from an evaluation function value calculated from the gene through the optimal calculation unit or an evaluation function value The plant-wide optimum process control apparatus according to claim 1, wherein a genetic algorithm is used in combination with a certain index as a goodness of fit. 前記プロセス最適化部の遺伝的アルゴリズムの代わりに、免疫的アルゴリズム又はメタヒューリスティックスを適用する、ことを特徴とする請求項3に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   The plant-wide optimum process control device according to claim 3, wherein an immune algorithm or metaheuristics is applied instead of the genetic algorithm of the process optimization unit. 前記プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせとして、対象プロセスの計算時点における実際の操作量を採用する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   The actual operation amount at the time of calculation of the target process is adopted as a combination of operation amount values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit. The plant-wide optimum process control apparatus according to 2. 前記プロセス最適化部における最適化されるべき独立変数の中のいくつかを固定値と見なして最適化を行わず、残りの独立変数のみの最適化を行う、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   2. The process optimization unit considers some of the independent variables to be optimized as fixed values, does not perform optimization, and optimizes only the remaining independent variables. The plant-wide optimum process control apparatus according to 2. 前記プロセス最適化部において、定式化した最適化問題の緩和問題を同時に解くことによって、最適値の下界を見積もる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   The plant-wide optimum process control device according to claim 1, wherein the process optimization unit estimates a lower bound of the optimum value by simultaneously solving a relaxation problem of the formulated optimization problem. 前記プロセス最適化部のプロセスシミュレーション部における実行可能初期解候補を発生させるための操作量値の組み合わせを遺伝子と見なし、遺伝子から前記最適演算部を通して計算される評価関数値あるいは評価関数値から変換される何らかの指標を適合度と見なして遺伝的アルゴリズムを併用し、
前記プロセス最適化部において、定式化した最適化問題の緩和問題を同時に解くことによって、最適値の下界を見積もり、
前記遺伝的アルゴリズムの終了条件を、近似最適解と最適解の下界の差に対してスレッシュホールドレベルを設けて、これに基づいて決定する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。
A combination of manipulated variable values for generating executable initial solution candidates in the process simulation unit of the process optimization unit is regarded as a gene, and is converted from an evaluation function value calculated from the gene through the optimal calculation unit or an evaluation function value A certain algorithm is considered as a goodness of fit, and a genetic algorithm is used together.
In the process optimization unit, the lower bound of the optimum value is estimated by simultaneously solving the relaxation problem of the formulated optimization problem,
3. The plant according to claim 1, wherein a termination condition of the genetic algorithm is determined based on a threshold level provided for a difference between a lower bound of the approximate optimal solution and the optimal solution. Wide optimal process control device.
実行可能初期解候補の中で実行可能解が1つも見つからなかった場合に、この最適化問題に解が無い可能性が高いことを提示するような機能を備えた、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   A function is provided for presenting that there is a high possibility that there is no solution in the optimization problem when no executable solution is found among the executable initial solution candidates. The plant-wide optimum process control device according to 1 or 2. 複数の対象プロセスにそれぞれ対応させて前記ローカル制御部を備え、前記制約条件設定部、最適評価関数設定部及びプロセス最適化部の各機能を単一の上位側制御機器に持たせた、この上位側制御機器と対応する要素をそれぞれデータ伝送路で接続した、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラントワイド最適プロセス制御装置。   The host controller is provided corresponding to each of a plurality of target processes, and each function of the constraint condition setting unit, the optimum evaluation function setting unit, and the process optimization unit is provided in a single host control device. The plant-wide optimum process control device according to claim 1, wherein elements corresponding to the side control device are connected by a data transmission path. 前記制約条件設定、最適評価関数設定部及びプロセス最適化部の機能を複数の制御機器に分割し、これらの制御機器をデータ伝送路にて接続したことを特徴とする請求項10に記載のプラントワイド最適制御装置。   11. The plant according to claim 10, wherein functions of the constraint condition setting, the optimum evaluation function setting unit, and the process optimization unit are divided into a plurality of control devices, and these control devices are connected by a data transmission path. Wide optimal control device.
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