JP2006072637A

JP2006072637A - プラントモデル構築装置

Info

Publication number: JP2006072637A
Application number: JP2004254529A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Shirota; 田孝広代; Yoshiyuki Sakamoto; 本義行坂; Hiroyuki Suzuki; 木浩之鈴
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】複数のプラント施設と、各プラント施設に配置されたプラント機器とを有するプラントの構成そのものが変化した場合であっても、所望のプラントモデルをプラントの構成の変化に応じて構築することによりその変化に対応することができるプラントモデル構築装置を提供すること。
【解決手段】プラントモデル構築装置は、複数のプラント施設２とプラント機器３とを有するプラントを表示するモニタ１と、モニタ１に表示されたプラント施設２およびプラント機器３の構成を作成または修正し、所望の構成を設定するプラント構成設定手段１ａとを備えている。接続情報解析手段５は、設定された構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する。プラントモデル構築手段６は、適切であると解析された構成に基づいて、プラント機器３の特性方程式を選択してプラントモデルを構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のプラント施設と、各プラント施設に配置されたプラント機器とを有するプラントに関するプラントモデルを構築するプラントモデル構築装置に関する。

一般に、上水道プラントをはじめとして、鉄鋼プラントなどの産業プラント、地域冷暖房プラントや各ビルに設けられた熱源プラント、あるいは発電所などのプラントの運用において、オペレータがプラントの運用方案の意志決定を行う際に、通常、計算機によるシミュレーションを行い将来の挙動を模擬することにより得られるいわゆる支援情報が用いられる。

しかしながら、この支援情報におけるシミュレーションモデルがプラントの運転状況の経年変化に追従することができない場合には、模擬された挙動が現実のプラントの挙動と異なるものとなってしまうため、支援情報をプラントの運転状況の経年変化に適応させる必要が生じる。

これに対して、支援情報をプラントの運転状況の経年変化に適応させるために、例えば、最小２乗法を用いて計測データから所望のモデルパラメータを同定し、プラントにおける計測データの異常を判定する予防保全方法（例えば、特許文献１参照）や、あらかじめ算出されたプロセス挙動を模擬する数式モデルとそのモデルを同定する手段とを備え、プロセス応答試験結果および制御系のモデルとプロセスのモデルによる閉ループの負荷変化シミュレーションの結果から制御装置のパラメータを調整する調整支援システム（例えば、特許文献２参照）を用いる方法が知られている。

特開平１０−２０９３０号公報特開平６−２８９９０７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示される予防保全方法や特許文献２に開示される調整支援システム等においては、支援情報をプラントの運転状況の経年変化に適応させるために、対象プラントに対応した特性方程式を予め算出し、この特性方程式をシステム等に組み込む必要がある。

この場合、複数のプラント施設と、各プラント施設に配置されたプラント機器とを有する対象プラントの構成そのものが変化した場合には、そのたびに対象プラントに対応する特性方程式の算出およびシステムへの組み込みを行わなければならない。このため、対象プラントの構成そのものの変化に対して適応性に欠けるという問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、複数のプラント施設と、各プラント施設に配置されたプラント機器とを有するプラントの構成そのものが変化した場合であっても、所望のプラントモデルをプラントの構成の変化に応じて構築することによりその変化に対応することができるプラントモデル構築装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントに関するプラントモデルを構築するプラントモデル構築装置において、複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントを表示するモニタと、モニタに表示されたプラントのうちプラント機器の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定するプラント構成設定手段と、プラント構成設定手段において設定されたプラント機器の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する接続情報解析手段と、接続情報解析手段によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント機器の構成に基づいて、各プラント機器の特性方程式が内蔵されたデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するプラントモデル構築手段と、を備えたことを特徴とするプラントモデル構築装置である。

本発明のプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築装置は上水道プラントに関するプラントモデルを構築することが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築手段は、量的モデルおよび質的モデルのいずれか一方を構築することができ、各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、プラントモデル構築手段に接続され、入力手段に入力されたデータに基づいてプラントモデル構築手段が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを切り替える切り替え手段とを更に備えたことが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、量的モデルは、各プラント施設における水量を調節するものであり、プラントモデル構築手段が量的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器は各プラント施設間に接続して設けられたポンプ、管路および／またはバルブであることが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、質的モデルは、各プラント施設における水質を調節するものであり、プラントモデル構築手段が質的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器はプラント施設内に薬品を注入する注入ポンプであることが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換するデータ変換手段と、データ変換手段によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段に入力されたデータに基づいて修正するパラメータ調整手段とを更に備えたことが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルを用いて、各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーションを行うシミュレーション手段を更に備えたことが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデル、パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルまたはシミュレーション手段により行われた各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーション結果を、モニタに出力して表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御する出力手段を更に備えたことが好ましい。

本発明は、複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントに関するプラントモデルを構築するプラントモデル構築装置において、複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントを表示するモニタと、モニタに表示されたプラントのうちプラント機器の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定するプラント構成設定手段と、プラント構成設定手段において設定されたプラント機器の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する接続情報解析手段と、接続情報解析手段によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント機器の構成に基づいて、各プラント機器の特性方程式が内蔵されたデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するプラントモデル構築手段と、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、モニタに出力して表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御する出力手段と、各プラント施設およびプラント機器と出力手段との間を通信回線により接続し、出力手段からプラントモデルを各プラント施設およびプラント機器に送る遠隔データ通信手段と、を備えたことを特徴とするプラントモデル構築装置である。

本発明のプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築手段は、量的モデルおよび質的モデルのいずれか一方を構築することができ、各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、プラントモデル構築手段に接続され、入力手段に入力されたデータに基づいてプラントモデル構築手段が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを切り替える切り替え手段とを更に備え、前記遠隔データ通信手段は、各プラント施設およびプラント機器と入力手段との間を通信回線により接続し、各プラント施設およびプラント機器の運転データを入力手段に送ることが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換するデータ変換手段と、データ変換手段によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段に入力されたデータに基づいて修正するパラメータ調整手段とを更に備えたことが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置においては、前記出力手段は、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルのみならず、パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルまたはシミュレーション手段により行われた各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーション結果を、モニタに表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御することが好ましい。

本発明のプラントモデル構築装置によれば、複数のプラント施設と、各プラント施設に配置されたプラント機器とを有するプラントの構成そのものが変化した場合であっても、プラント構成設定手段により、モニタに表示されたプラントのうちプラント機器の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定し、プラントモデル構築手段により、各プラント機器の所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築することができるので、プラントの構成の変化に応じて所望のプラントモデルを構築することができる。

また、本発明のプラントモデル構築装置によれば、プラントモデル構築装置そのものをプラント施設およびプラント機器のそばに設置する必要がなく、代わりに実プラントから遠く離れたコントロールルームに設置された共用のＡＳＰ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅＰｒｏｖｉｄｅｒ）におけるプラントモデル構築装置から構築されたプラントモデル等の情報を通信回線で受信することにより、プラントモデル構築装置を任意の場所に設置することができ、かつ、複数のプラントに対して１台のプラントモデル構築装置を共用することができるので、イニシャルコストを低減することができる。

第１の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明によるプラントモデル構築装置の第１の実施の形態を示す図である。
このうち、図１は、本発明の第１の実施の形態のプラントモデル構築装置の構成を示す構成図であり、図２は、図１のプラントモデル構築装置のモニタに表示されるプラントの構成を示す図であり、図３は、図１の切り替え手段を示す説明図である。

プラントモデル構築装置は、複数のプラント施設１６と、各プラント施設１６に配置されたプラント機器１７とを有する例えば上水道プラントに関するプラントモデルを構築するものである。
このプラントモデル構築装置は、図１および図２に示すように、プラントの内容を表示するモニタ１と、モニタ１に表示されたプラントのうち、主にプラント機器３の構成を作成しまたは修正し、所望のプラントの構成を設定するプラント構成設定手段１ａとを備えている。
プラント構成設定手段１ａには、このプラント構成設定手段１ａにおいて設定されたプラント機器３の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する接続情報解析手段５が接続されている。また、接続情報解析手段５には、当該接続情報解析手段５によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント機器３の構成に基づいて、各プラント機器３の特性方程式が内蔵された記憶手段８のデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するプラントモデル構築手段６が接続されている。

プラントモデル構築装置がプラントモデルを構築する実プラントについてより具体的に説明する。図１に示すように、この実プラントを構成するプラント施設１６は、例えば上流側の配水池１６ａと、この配水池１６ａの下流に設けられた下流側の配水池１６ｂと、上流側の配水池１６ａに接続された薬品貯留槽１６ｃとからなっている。また、プラントを構成するプラント機器１７は、例えば上流側の配水池１６ａおよび下流側の配水池１６ｂの間に設けられたポンプ１７ａと、管路１７ｂと、バルブ１７ｃと、薬品貯留槽１６ｃ内の薬品を上流側の配水池１６ａに注入する注入ポンプ１７ｄとからなっている。薬品貯留槽１６ｃ内に貯留される薬品としては、例えば次亜塩素酸ソーダ等が用いられる。

モニタ１は、このようなプラントの構成内容を画面上で表示するものである。すなわち、上述のプラント施設１６およびプラント機器１７の実際の構成に基づいて、図２に示すように、オペレータがモニタ１の画面を見ながら複数の疑似プラント施設２および各プラント施設２間に配置された疑似プラント機器３の構成をモニタ１上で作成することによりこの構成がモニタ１の画面上で表示される。
モニタ１上におけるプラント施設２は、実際のプラント施設１６と同様に、例えば上流側の配水池２ａと、この配水池２ａの下流に設けられた下流側の配水池２ｂと、上流側の配水池２ａに接続された薬品貯留槽２ｃとからなっている。また、モニタ１上におけるプラント機器３は、実際のプラント機器１７と同様に、例えば上流側の配水池２ａおよび下流側の配水池２ｂの間に設けられたポンプ３ａと、管路３ｂと、バルブ３ｃと、薬品貯留槽２ｃ内の薬品を上流側の配水池２ａに注入する注入ポンプ３ｄとからなっている。

プラント構成設定手段１ａは、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７を建設したときまたはこれらの構成の変更が生じたときに、オペレータがモニタ１に表示された疑似プラント機器３の構成を作成または修正し、所望のプラント機器３の構成を設定するものである。ここで、オペレータはプラント構成設定手段１ａにより、疑似プラント機器３のみならず疑似プラント施設２の構成をも作成または修正し、所望のプラント施設２の構成を設定することができる。
以下、オペレータがモニタ１に表示された疑似プラント施設２および疑似プラント機器３の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定する場合について説明する。

例えば、実プラントのプラント施設１６の上流側の配水池１６ａと下流側の配水池１６ｂとを管路１７ｂで接続し、この管路１７ｂ上に１台のポンプ１７ａおよび１個のバルブ１７ｃが設けられており、モニタ１上のプラント施設２およびプラント機器３も実プラントと同様の構成となっている場合、実プラントで新たなポンプ１７ａを既に設置してあるポンプ１７ａと並列となるよう追加した際には、プラント構成設定手段１ａにおいて、オペレータによりモニタ１に表示されたプラント機器３の構成が、ポンプ３ａが２台並列に設けられたものとなるようモニタ１の画面上で修正される。
さらに具体的に説明すると、プラント構成設定手段１ａは、例えば、配水池２ａ、配水池２ｂ、薬品貯留槽２ｃの設置標高、底面積、上限水位および下限水位、ポンプ３ａの定格出力、口径、台数、稼働状態、管路３ｂの長さ、口径、バルブ３ｃの口径、種類、稼働状態、注入ポンプ３ｄの定格出力、口径、台数、稼働状態等の接続情報を設定するようになっている。

接続情報解析手段５は、前述のように、プラント構成設定手段１ａにより設定されたプラント施設２およびプラント機器３の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析するものである。

プラントモデル構築手段６は、接続情報解析手段５によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント施設２およびプラント機器３の構成に基づいて、各プラント機器３の特性方程式が内蔵された記憶手段８のデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するものである。

このプラントモデル構築手段６は、量的モデルおよび質的モデルのいずれか一方を構築することができるようになっている。
ここで、量的モデルとは、プラント施設２における水量を調節するものであり、プラントモデル構築手段６がこの量的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器３はポンプ３ａ、管路３ｂおよびバルブ３ｃとなる。
また、質的モデルとは、プラント施設２における水質を調節するものであり、プラントモデル構築手段６がこの質的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器３は注入ポンプ３ｄとなる。
このプラントモデル構築手段６によるプラントモデルの具体的な構築方法については後に詳述する。

図１に示すように、プラントモデル構築手段６の上流側には切り替え手段７が接続されており、この切り替え手段７のさらに上流側には入力手段１０が接続されている。
入力手段１０は、実際のプラント施設１６およびプラント機器１７から送られる運転データおよびオペレータから送られる操作データが入力されるものである。また、切り替え手段７は、図３に示すように、入力手段１０に入力されたデータに基づいて、プラントモデル構築手段６が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを切り替えるようになっている。

また、図１に示すように、プラントモデル構築手段６の下流側にはデータ変換手段９が接続されており、このデータ変換手段９のさらに下流側にはパラメータ調整手段１３が接続されている。さらに、このパラメータ調整手段１３は直接的に上述の入力手段１０に接続されているとともに、この入力手段１０からパラメータ調整手段１３に向かって順に記憶手段１１およびデータフィルタリング手段１２を介して間接的に接続されている。

データ変換手段９は、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換するものである。ここで、最小２乗法とは、実プラントにおける観測値とプラントモデルから導かれる値との偏差平方和を最小にするように、プラントモデルのパラメータを推定する方法である。
また、パラメータ調整手段１３は、データ変換手段９によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段１０に入力されて当該パラメータ調整手段１３に送られたデータに基づいて修正するようになっている。

また、図１に示すように、パラメータ調整手段１３の下流側にはシミュレーション手段１４が接続されている。このシミュレーション手段１４は、パラメータ調整手段１３により修正されたプラントモデルを用いて、プラント施設２およびプラント機器３の運転のシミュレーション（模擬実験）を行うものである。

さらに、パラメータ調整手段１３およびシミュレーション手段１４の下流側には出力手段１５が接続されている。この出力手段１５は、パラメータ調整手段１３により修正されたプラントモデルおよびシミュレーション手段１４により行われたプラント施設２およびプラント機器３の運転のシミュレーション結果をモニタ１に出力して表示するとともに、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７に出力して制御するようになっている。
また、この出力手段１５はプラントモデル構築手段６の下流側に接続されていてもよく、この場合には出力手段１５は、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデルをモニタ１に出力して表示するとともに、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７に出力して制御するようになっている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

上水道プラントにおいて、河川等から原水を取水ポンプで取水し、着水井を経て、凝集・沈殿・ろ過による浄水処理が行われた水は上流側の配水池１６ａに送られ、この上流側の配水池１６ａ内の水は搬送ポンプ１７ａにより管路１７ｂ、バルブ１７ｃを介して下流側の配水池１６ｂに送られる。また、添加剤貯留槽１６ｃ内の例えば次亜塩素酸ソーダ等が注入ポンプ１７ｄにより上流側の配水池１６ａ内に注入される。

このような上水道プラントのプラントモデルの構築方法について以下に詳述する。
図１および図２に示すように、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７を初めて稼働する際には、オペレータはモニタ１を見ながら、プラント構成設定手段１ａにより、これらのプラント施設１６およびプラント機器１７と同じ構成となるようモニタ１に表示されたプラント施設２およびプラント機器３の構成を作成する。また、実プラントにおいてプラント施設１６またはプラント機器１７の構成が変えられた場合には、例えば新たなポンプ１７ａを既に設置してあるポンプ１７ａと並列となるよう追加した場合には、オペレータはモニタ１を見ながら、プラント構成設定手段１ａによりこれらのプラント施設１６およびプラント機器１７の構成の変化に従って、モニタ１に表示されたプラント施設２およびプラント機器３の構成内容を修正する。
具体的には、前述のように、プラント構成設定手段１ａによって、例えば、配水池２ａ、配水池２ｂ、薬品貯留槽２ｃの設置標高、底面積、上限水位および下限水位、ポンプ３ａの定格出力、口径、台数、稼働状態、管路３ｂの長さ、口径、バルブ３ｃの口径、種類、稼働状態、注入ポンプ３ｄの定格出力、口径、台数、稼働状態等の接続情報が設定される。

次に、プラント構成設定手段１ａにより設定されたプラント施設２およびプラント機器３の構成について、接続情報解析手段５によって、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かが解析される。具体的には、接続情報解析手段５によって、プラント施設２およびプラント機器３がどのように接続されているか、プラント機器３のポンプ３ａ、バルブ３ｃ、注入ポンプ３ｄの稼働状態がどのようになっているか、プラントモデルを構築するのに不足している接続情報がないか等が解析される。
プラント構成設定手段１ａにより設定されたプラント施設２およびプラント機器３の構成が、プラントモデルを構築するのに適切ではないと接続情報解析手段５により解析された場合には、このことがモニタ１上に表示され、オペレータに対してプラント構成設定手段１ａによるプラント施設２およびプラント機器３の構成の再設定を要求するようになっている。

次に、プラントモデル構築手段６が、接続情報解析手段５によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント施設２およびプラント機器３の構成に基づいて、各プラント機器３の特性方程式が内蔵された記憶手段８のデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築する。

このとき、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７から送られる運転データおよびオペレータから送られる操作データが入力手段１０に入力され、この入力手段１０に入力されたデータに基づいて、切り替え手段７が、プラントモデル構築手段６において量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを決定する。
ここで、切り替え手段７により、プラントモデル構築手段６が量的モデルを構築するように設定された場合には、プラントモデル構築手段６はプラント施設１６の配水池１６ａ、１６ｂにおける水量を調節するようプラントモデルを構築し、このプラントモデルの構築にあたっては、プラント機器３の構成内容としてポンプ３ａ、管路３ｂ、バルブ３ｃの接続情報が用いられる。
一方、切り替え手段７により、プラントモデル構築手段６が質的モデルを構築するように設定された場合には、プラントモデル構築手段６はプラント施設１６の配水池（浄水池）１６ａ、１６ｂにおける例えば残留塩素濃度等の水質を制御するようプラントモデルを構築し、このプラントモデルの構築にあたっては、プラント機器３の構成内容として注入ポンプ３ｄの接続情報が用いられる。

ここで、プラントモデル構築手段６が量的モデルを構築する場合について詳しく説明する。
まず、プラントの節点間、すなわちプラント施設２の配水池２ａ、２ｂ間の損失水頭Ｈ_ｉｊを下記式（１）により算出する。

Ｈ_ｉｊ＝ｄＨ（Ｑ_ｉｊ）・・・式（１）

式（１）において、損失水頭Ｈ_ｉｊの節点ｉは配水池２ａ、節点ｊは配水池２ｂを示し、Ｑ_ｉｊは配水池２ａ、２ｂ間の流量であり、ｄＨ（）は損失水頭関数を示している。

また、接点ｉ（配水池２ａ）における流量の和Ｑ_ｉを下記式（２）により算出する。

ここで、ｑ_ｉは節点ｉに接続されている管路の流量、ｑｑは節点流量である。
この２つの式（１）、（２）を未知数ｘについてのＮ個の関数ｆ_ｉに変換すると、下記式（３）のようになる。下記式（３）のＮ個の連立方程式を解くことにより解が得られる。

また、この式を行列表現で記述すると、下記式（４）、（５）のようになる。

Ｄ^Ｔｈ−ｆ（ｑ）＝０・・・式（４）
Ｄ_２ｑ＝０・・・式（５）

ここで、Ｄは節点と枝（プラント機器３）の接続情報、Ｄ_２はＤの部分行列、ｈは水頭を要素とする行列、ｑは流量を要素とする行列、Ｔは転置を表す記号、ｆ（）は各枝上に存在する損失水頭を表現する関数を要素に持つ関数をそれぞれ表している。

そして、ポンプ３ａやバルブ３ｃ等のプラント機器３の特性方程式を、記憶手段８のデータリストから選択することによりプラントモデルを構築する。
例えば、図１に示す送水プロセスにおいては、式（４）は下記式（６）で表すことができる。

ここで、ｈ_１は上流側の配水池２ａの水位、ｈ_２は下流側の配水池２ｂの水位、（Ｐｕｍｐ、Ｐｉｐｅ、Ｖａｌｖｅ）は、この送水プロセスにポンプ３ａ、管路３ｂ、バルブ３ｃが接続されていることを表している。そして、ポンプ３ａ、管路３ｂおよびバルブ３ｃに関する特性方程式が記憶手段８のデータリストより選択され、式（６）は下記式（７）のようになる。

ここで、ｋ_１Ｑ^２＋ｋ_２Ｑ＋ｋ_３はポンプ３ａに関する特性方程式であり、ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は特性パラメータである。また、（１０．６６６×Ｃ^{−１．８５}×Ｄ^{−４．８７}×Ｌ）×Ｑ^{−１．８５}は管路３ｂに関する特性方程式であり、Ｄは管路３ｂの口径、Ｌは管路３ｂの長さ、Ｃは特性パラメータである。また、１／（２ｇＡ^２）×（１／ｕ−１）^ｎ×Ｑ^２はバルブ３ｃに関する特性方程式であり、ｇは重力加速度（＝９．８ｍ^２／ｓ）であり、Ａはバルブ３ｃの断面積であり、ｕはバルブ３ｃの開度（％）であり、Ｑは流量である。

このように、接続情報に基づいて各プラント機器３の特性方程式が選択されることによって、プラントモデル構築手段６は量的モデルに係わるプラントモデルを構築することができる。ここでは、１つの節点間のプラントモデルの構築について説明したが、プラントモデル構築手段６は複数の節点間についても同様の手順によりプラントモデルを構築することができる。

次に、データ変換手段９により、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換する。
そして、パラメータ調整手段１３により、データ変換手段９によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルが、入力手段１０に入力されて当該パラメータ調整手段１３に送られたデータに基づいて修正される。ここで、入力手段１０に入力されたデータが直接的にパラメータ調整手段１３に送られてもよく、また、まず記憶手段１１に記憶され、次にこの記憶手段１１に記憶されたデータがデータフィルタリング手段１２に送られて不適切なデータが除去されて適切なデータのみがパラメータ調整手段１３に送られるようになっていてもよい。

上記のデータ変換手段９およびパラメータ調整手段１３の動作について具体的に説明すると、まずデータ変換手段９によって、上記式（７）を展開することにより下記式（８）が得られる。

次に、上記式（８）において、ｈ_２−ｈ_１、Ｑ、Ｑ^２、Ｑ^{−１．８５}、ｕに関して最小２乗法を適用して、パラメータｋ_１、ｋ_２、ｋ_３、Ｃ^{−１．８５}、ｎを推定する。ここで、Ｃ^{−１．８５}については、推定した値をｘとして、下記式（９）、（１０）によりＣを算出する。

このようにして、プラント施設２の配水池２ａ、２ｂ間に接続して設けられたポンプ３ａ、管路３ｂおよびバルブ３ｃの接続情報に基づいて、プラントモデル構築手段６により上下水プラントの量的モデルに係わるプラントモデルを構築し、さらにパラメータ調整手段１３により所望のプラントモデルに修正することができる。

次に、プラントモデル構築手段６が質的モデルを構築する場合について詳しく説明する。
上水道プラントの例えば配水池２ａの水質の調節を目的とする質的モデルの構築にあたっては、上水道プロセスモデルの例として下記式（１１）に示す一次遅れ＋むだ時間モデルが用いられる。

Ｐ（ｓ）＝（Ｋ／（１＋Ｔｓ））×ｅ^−ｓＬ・・・式（１１）

式（１１）において、Ｐ（ｓ）は水質指標（例えば、残留塩素濃度）、Ｋは比例ゲイン、Ｔは時定数、Ｌはむだ時間である。この式（１１）の離散化を行うと、下記式（１２）のようになる。

式（１２）において、ＰＶ（ｔ）は時刻ｔにおけるプロセスの出力値、ＭＶ（ｔ）は時刻ｔにおけるプロセスの入力値、Ｋは比例ゲイン、Ｔは時定数、Ｌはむだ時間、△ｔｂはシステムの制御周期（ｍｉｎ）である。ここで、上記式（１２）の比例ゲインＫ、時定数Ｔ、むだ時間Ｌをパラメータ調整手段１３が決定することにより所望のプラントモデルの構築を行うことができる。

ここで、質的モデルにおけるパラメータ調整手段１３の一例について詳しく説明する。
まず、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７から送られて入力手段１０に入力された運転データのステップ応答を取得し、その入力値および出力値を記憶手段１１に記憶する。上記式（１２）において比例ゲインＫはこの取得されたステップ応答の定常状態の値となる。また、△ｔｂは、システムの制御周期によって決定される。
一方、センサノイズなどの影響により、むだ時間Ｌは実測値の時系列データからは正確に読みとることができない場合があるので、このむだ時間Ｌの値を仮定し、式（１２）を展開した下記式（１３）をもとに時定数Ｔを算出する。

このようにして求めた比例ゲインＫ、時定数Ｔおよびむだ時間Ｌに基づいてパラメータ調整手段１３により仮想プラントモデルを構築し、この仮想プラントモデルのステップ応答と実際の上水道プラントのステップ応答との誤差を、下記式（１４）に示すような２乗誤差法を用いて算出する。

式（１４）における２乗誤差Ｅ_ｐが任意の値εよりも小さくなるまで下記式（１５）に示すむだ時間Ｌの更新、更新したむだ時間Ｌにおける時定数Ｔの算出、仮想プラントモデルの作成、ステップ応答の出力および２乗誤差Ｅ_ｐの算出を繰り返し行うことにより質的モデルに係わるプラントモデルの構築を行うことができる。

式（１５）において、Ｌ_ＮＥＷは更新後のむだ時間、Ｌ_ＯＬＤは更新前のむだ時間、μは任意で設定することができる修正幅である。
この水質モデルのパラメータ調整手段１３におけるむだ時間Ｌの調整方法としては、横軸を時刻ｔ、縦軸をステップ応答の出力とするグラフにおいて、例えば仮想プラントモデルのグラフと実際のプラントのグラフとの間の面積が最小となるようにむだ時間Ｌを調整する方法などさまざまな方法が考えられるが、どのような方法を用いてもよい。

図１に示すように、プラントモデル構築手段６により構築されパラメータ調整手段１３により修正された上述の量的モデルまたは質的モデルに係わるプラントモデルはシミュレーション手段１４に送られ、このシミュレーション手段１４により、このプラントモデルを用いてプラント施設２およびプラント機器３の運転のシミュレーションが行われる。

さらに、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデル、パラメータ調整手段１３により修正されたプラントモデルおよびシミュレーション手段１４により行われたプラント施設２およびプラント機器３の運転のシミュレーション結果が出力手段１５に送られ、この出力手段１５により、プラントモデルおよびシミュレーション結果をモニタ１に出力して表示し、かつ実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７に出力して制御するようになっている。

以上述べたように、本実施の形態のプラントモデル構築装置によれば、複数のプラント施設１６と、各プラント施設１６に配置されたプラント機器１７とを有するプラントの構成そのものが変化した場合であっても、プラント構成設定手段１ａにより、モニタ１に表示されたプラント機器３の構成を作成または修正して所望のプラントの構成を設定し、プラントモデル構築手段６により、各プラント機器３の所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するので、プラントの構成の変化に応じて所望のプラントモデルを構築することができる。

次に、本発明の変形例について述べる。
本実施の形態におけるプラントモデル構築装置は、上水道プラントのプラントモデルを構築するものに限られず、例えば下水道プラント、鉄鋼プラントなどの産業プラント、地域冷暖房プラントやビルの熱源プラント、発電所等のプラント運転のプラントモデルを構築するものであってもよい。また、このプラントモデル構築装置は、制御系設定のためのモデル同定ツールとして用いることもできる。

また、本発明の他の変形例としては、データ変換手段９は、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデルを、最小２乗法以外の方法により解くことができる方程式に変換し、パラメータ調整手段１３は、この最小２乗法以外の方法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段１０に入力されたデータに基づいて修正するものであってもよい。

具体的には、パラメータ調整手段１３において、例えばカルマンフィルタの特殊なケースとして知られる逐次最小２乗法、補助変数法、最急降下法をはじめとする数学的手法またはヒューリスティック最適化法（遺伝的アルゴリズム、シミュレーテッドアニーリング、タブサーチ、アントアルゴリズム等）を用いてプラントモデルの修正を行うことができる。

第２の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態によるプラントモデル構築装置の構成を示す構成図である。
図４に示す第２の実施の形態おいて、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態によるプラントモデル構築装置は、遠隔データ通信手段１９を新たに設けた点が異なるのみであり、他は実質的に図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同様の構成を有している。
遠隔データ通信手段１９について図４を用いて以下に説明する。

本実施の形態によるプラントモデル構築装置は、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７が設けられた場所から遠く離れた例えばコントロールルーム等に設置されている。このような実プラントから離間して設けられたプラントモデル構築装置はＡＳＰ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅＰｒｏｖｉｄｅｒ）とよばれる。

このプラントモデル構築装置の遠隔データ通信手段１９は、図４に示すように、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７と、出力手段１５との間を専用回線や公衆回線、無線などの通信回線により接続するとともに、実プラントと入力手段１０との間を通信回線により接続している。

さらに、遠隔データ通信手段１９は、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７付近に設けられ現場でオペレータが操作を行う操作盤（図示せず）と、入力手段１０との間を通信回線により接続している。

本実施の形態によるプラントモデル構築装置においては、プラントモデル構築手段６により構築され出力手段１５に送られたプラントモデルが遠隔データ通信手段１９を介して実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７に送られる他は第１の実施の形態による作用と略同一となっている。

具体的に説明すると、プラントモデル構築装置において、プラントモデル構築手段６により構築されたプラントモデル、パラメータ調整手段１３により修正されたプラントモデルまたはシミュレーション手段１４により行われたシミュレーション結果は出力手段１５に送られる。そして、遠隔データ通信手段１９によって、出力手段１５からこれらの出力結果が通信回線を介して実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７に送られる。このようにして、遠隔データ通信手段１９により送られたプラントモデル構築装置の出力結果に基づいて、コントロールルームから遠く離れたプラント施設１６およびプラント機器１７の制御が行われる。

一方、実プラントのプラント施設１６およびプラント機器１７の運転データが、遠隔データ通信手段１９によってプラントモデル構築装置の入力手段１０に送られる。このようにして、コントロールルームから遠く離れたプラント施設１６およびプラント機器１７の運転データに基づいて例えばパラメータ調整手段１３によるプラントモデルの修正を行うことができる。

さらに、現場のオペレータにより操作盤に入力された操作データが、遠隔データ通信手段１９によってプラントモデル構築装置の入力手段１０に送られる。このようにして、現場のオペレータは例えばプラントモデル構築手段６が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを設定することができる。

以上述べたように、本実施の形態のプラントモデル構築装置によれば、プラントモデル構築装置そのものをプラント施設１６およびプラント機器１７のそばに設置する必要がなく、代わりに実プラントから遠く離れたコントロールルームに設置された共用のＡＳＰにおけるプラントモデル構築装置から構築されたプラントモデル等の情報を通信回線で受信することにより、プラントモデル構築装置を任意の場所に設置することができ、かつ、複数のプラントに対して１台のプラントモデル構築装置を共用することができるので、イニシャルコストを低減することができる。

本発明の第１の実施の形態のプラントモデル構築装置の構成を示す構成図。図１のプラントモデル構築装置のモニタに表示されるプラントの構成を示す図。図１の切り替え手段を示す説明図。本発明の第２の実施の形態によるプラントモデル構築装置の構成を示す構成図。

符号の説明

１モニタ
１ａプラント構成設定手段
２（疑似）プラント施設
２ａ上流側の配水池
２ｂ下流側の配水池
２ｃ薬品貯留槽
３（疑似）プラント機器
３ａポンプ
３ｂ管路
３ｃバルブ
３ｄ注入ポンプ
５接続情報解析手段
６プラントモデル構築手段
７切り替え手段
８記憶手段
９データ変換手段
１０入力手段
１１記憶手段
１２データフィルタリング手段
１３パラメータ調整手段
１４シミュレーション手段
１５出力手段
１６プラント施設
１６ａ上流側の配水池
１６ｂ下流側の配水池
１６ｃ薬品貯留槽
１７プラント機器
１７ａポンプ
１７ｂ管路
１７ｃバルブ
１７ｄ注入ポンプ
１９遠隔データ通信手段

Claims

複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントに関するプラントモデルを構築するプラントモデル構築装置において、
複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントを表示するモニタと、
モニタに表示されたプラントのうちプラント機器の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定するプラント構成設定手段と、
プラント構成設定手段において設定されたプラント機器の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する接続情報解析手段と、
接続情報解析手段によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント機器の構成に基づいて、各プラント機器の特性方程式が内蔵されたデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するプラントモデル構築手段と、
を備えたことを特徴とするプラントモデル構築装置。
プラントモデル構築装置は上水道プラントに関するプラントモデルを構築することを特徴とする請求項１記載のプラントモデル構築装置。
プラントモデル構築手段は、量的モデルおよび質的モデルのいずれか一方を構築することができ、
各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、
プラントモデル構築手段に接続され、入力手段に入力されたデータに基づいてプラントモデル構築手段が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを切り替える切り替え手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載のプラントモデル構築装置。
量的モデルは、各プラント施設における水量を調節するものであり、
プラントモデル構築手段が量的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器は各プラント施設間に接続して設けられたポンプ、管路および／またはバルブであることを特徴とする請求項３記載のプラントモデル構築装置。
質的モデルは、各プラント施設における水質を調節するものであり、
プラントモデル構築手段が質的モデルを構築する際において、プラントモデルの構築に用いられるプラント機器はプラント施設内に薬品を注入する注入ポンプであることを特徴とする請求項３記載のプラントモデル構築装置。
各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、
プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換するデータ変換手段と、
データ変換手段によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段に入力されたデータに基づいて修正するパラメータ調整手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載のプラントモデル構築装置。
パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルを用いて、各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーションを行うシミュレーション手段を更に備えたことを特徴とする請求項６記載のプラントモデル構築装置。
プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデル、パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルまたはシミュレーション手段により行われた各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーション結果を、モニタに出力して表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御する出力手段を更に備えたことを特徴とする請求項７記載のプラントモデル構築装置。
複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントに関するプラントモデルを構築するプラントモデル構築装置において、
複数のプラント施設と、各プラント施設間に配置されたプラント機器とを有するプラントを表示するモニタと、
モニタに表示されたプラントのうちプラント機器の構成を作成または修正し、所望のプラントの構成を設定するプラント構成設定手段と、
プラント構成設定手段において設定されたプラント機器の構成が、プラントモデルを構築するのに適切であるか否かを解析する接続情報解析手段と、
接続情報解析手段によりプラントモデルを構築するのに適切であると解析されたプラント機器の構成に基づいて、各プラント機器の特性方程式が内蔵されたデータリストから所望の特性方程式を選択することによりプラントモデルを構築するプラントモデル構築手段と、
プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、モニタに出力して表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御する出力手段と、
各プラント施設およびプラント機器と出力手段との間を通信回線により接続し、出力手段からプラントモデルを各プラント施設およびプラント機器に送る遠隔データ通信手段と、
を備えたことを特徴とするプラントモデル構築装置。
プラントモデル構築手段は、量的モデルおよび質的モデルのいずれか一方を構築することができ、
各プラント施設およびプラント機器から送られる運転データおよび／またはオペレータから送られる操作データが入力される入力手段と、
プラントモデル構築手段に接続され、入力手段に入力されたデータに基づいてプラントモデル構築手段が量的モデルと質的モデルのどちらのプラントモデルを構築するかを切り替える切り替え手段とを更に備え、
前記遠隔データ通信手段は、各プラント施設およびプラント機器と入力手段との間を通信回線により接続し、各プラント施設およびプラント機器の運転データを入力手段に送ることを特徴とする請求項９記載のプラントモデル構築装置。
プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルを、最小２乗法により解くことができる方程式に変換するデータ変換手段と、
データ変換手段によって最小２乗法により解くことができる方程式に変換されたプラントモデルを、入力手段に入力されたデータに基づいて修正するパラメータ調整手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１０記載のプラントモデル構築装置。
パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルを用いて、各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーションを行うシミュレーション手段を更に備えたことを特徴とする請求項１１記載のプラントモデル構築装置。
前記出力手段は、プラントモデル構築手段により構築されたプラントモデルのみならず、パラメータ調整手段により修正されたプラントモデルまたはシミュレーション手段により行われた各プラント施設およびプラント機器の運転のシミュレーション結果を、モニタに表示しまたは各プラント施設およびプラント機器に出力して制御することを特徴とする請求項１２記載のプラントモデル構築装置。