JP2007128213A - シミュレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの運転の効率化を図り、システムの変更・動作検証などを簡単に行うことができるシミュレーションシステムを提供する。
【解決手段】ヘリウム液化冷凍装置を有するプラントのシミュレーションを行うシミュレーションシステムであって、フィールド制御装置は、制御用アプリケーション作成装置から制御プログラムを読み出して実行する制御プログラム実行部と、シミュレーション装置から制御演算の要求を受け、制御プログラム実行部によって制御演算を行う演算部と、演算部が制御演算を行った演算結果を前記プロセスシミュレーション装置に出力する演算結果出力部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘリウム液化冷凍装置および被冷却系を有するプラントおよび運転制御装置を含めたシミュレーションシステムに関する。

近年、核融合炉の研究がなされており、プラズマを閉じこめる磁場を発生させるために、超伝導コイルが適用された大型ヘリカル装置（ＬＨＤ）が利用されている。このＬＨＤを運転させるにあたり、装置に設けられる超伝導コイルを冷却する必要がある。冷却対象となる各種コイルは、例えば、ヘリカルコイル、ポロイダルコイル等があり、これらを冷却するために、ヘリウム液化冷凍装置が用いられる。このようなＬＨＤシステムは、予冷・加温運転に約１ヶ月、定常運転を含め約半年間ほど安定した連続運転をする必要がある。
このようなヘリウム冷凍装置を制御するためのシステムとして、例えば、下記の非特許文献にて提案されている（非特許文献１参照）。

飯村 憲、外３名、"デジタル計装システムの開発"、日本酸素技報Ｎｏ．１４、１９９５年、Ｐ１４−２１

しかしながら、上述した従来技術・非特許文献１においては、ＬＨＤシステムを定常状態にするには、予冷運転を行い、定常運転を含め約半年間ほど安定した連続運転をする必要があることから、一旦運転を開始してしまうと、停止するだけで大幅に時間を費やしてしまうため、運転条件や設備構成を十分に確認しなければならないという問題がある。また、運転条件等を十分に確認し、運転を開始しても、予測できない運転状況となる場合もあり、最適な冷却制御を行うことは容易ではない場合もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、システムの運転の効率化を図ることができるとともに、システムの変更・動作検証などを簡単に行うことができるシミュレーションシステムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、ヘリウム液化冷凍装置を有するプラントのシミュレーションを行うシステムであって、前記プラントに対する指示の入力と前記プラントの運転状況の出力をするオペレーティング装置と、前記プラントの動作を制御するための制御プログラムを構築する制御用アプリケーション作成装置と、前記プラントにおける各部の動的シミュレーションを行うためのモデルプログラムを実行するプロセスシミュレーション装置と、前記オペレーティング装置と前記制御用アプリケーション作成装置とに接続されるとともに、前記プロセスシミュレーション装置に接続されるフィールド制御装置とを有し、前記フィールド制御装置は、前記制御用アプリケーション作成装置から前記制御プログラムを読み出して実行する制御プログラム実行部と、前記シミュレーション装置から制御演算の要求を受け、前記制御プログラム実行部によって制御演算を行う演算部と、前記演算部が制御演算を行った演算結果を前記プロセスシミュレーション装置に出力する演算結果出力部と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、上述のシミュレーションシステムにおいて、前記フィールド制御装置は、前記プラント内の制御系統が複数ある場合に、各制御系統を制御対象としてそれぞれ設けられることを特徴とする。
また、本発明は、上述のシミュレーションシステムにおいて、前記シミュレーション装置は、前記演算結果出力部から出力される演算結果をモデルプログラムが認識可能な情報に変換するマーシャリング情報を用いて前記演算結果を参照してシミュレーションを行うことを特徴とする。

また、本発明は、上述のシミュレーションシステムにおいて、前記シミュレーション装置は、前記ヘリウム液化冷凍装置におけるヘリウムの物性計算を行うことを特徴とする。
また、本発明は、上述のシミュレーションシステムにおいて、前記フィールド制御装置の演算結果を記憶する記憶部を有し、前記フィールド制御装置は、前記プロセスシミュレーション装置から演算結果のデータ読み出し要求があった場合に、当該要求された演算結果を前記記憶部から読み出して前記シミュレーション装置に出力し、前記プロセスシミュレーション装置からの制御要求と入力データとを受けた場合に前記制御プログラム実行部によって制御演算を行った演算結果を前記記憶部に書き込むことを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、ヘリウム液化冷凍装置を有するプラントのシミュレーションを行うようにしたので、各大型ヘリカル装置内の各バルブを制御する制御プログラムや設定値等の検証、冷却運転時の制御プログラムの検証、システムや装置の見直し等を行うことが可能となる。これにより、事前に運転条件や設備構成の検証をしてから大型ヘリカル装置の運転を行うことができ、運転効率を向上させることも可能である。
また、オペレータに対し、プラントの起動、停止および制御方法について学習や訓練にも使用することができ、プラント内において異常が発生した場合の対処訓練にも使用することができる。

また、本発明によれば、記憶部を設けるようにしたので、プロセスシミュレーション装置からの要求に応じて、シミュレーションの途中の状態をフィールド制御装置からシミュレーション装置に保存することができ、これにより、初期値からの種々のパターンのシミュレーションが可能となる、また、必要な制御途中の状態を参照することができるので、実際のプラントにて発生する各過程を簡単に把握することができる。

以下、本発明の一実施形態によるシミュレーションシステムについて、図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態によるシミュレーションシステムの構成を示す概略ブロック図である。
この図において、シミュレーションシステムは、オペレーティングＰＣ１とアプリケーションビルダＰＣ２とがネットワークを介して接続されるとともに、このネットワークに、フィールドコントローラ６が接続される。さらに、フィールドコントローラ６には、ハードディスク５が接続されるとともに、リフレクティブメモリ７およびリフレクティブメモリ４を介してプロセスシミュレーションＰＣ３とが通信可能に接続される。このシミュレーションシステムによって、プラント内のヘリウム液化冷凍機、ヘリカルコイル、ポロイダルコイル、バスライン、全体統括のプロセスおよび制御システムの挙動について、実際の実験装置に近い形で、シミュレーションを行うことが可能である。

オペレーティングＰＣ１は、制御対象となる系統図画面の表示機能や計器ユニット調節計機能、トレンドグラフ表示・データ保存機能、アラーム表示・印字・警報鳴動機能、日報、月報印字等の運転状況を出力する機能を有するとともに、運転操作を行うための指示の入力をオペレータから受け付ける機能を有する。このオペレーティングＰＣ１は、既存のシステムをそのまま適用することが可能である。

アプリケーションビルダＰＣ２は、ネットワーク１ａを介してオペレーティングＰＣ１とフィールドコントローラ６に接続され、フィールドコントローラの制御アプリケーションを構築するツールとなるプログラムを有している。このアプリケーションビルダＰＣ２は、入出力機器の定義登録機能、ユニットタグの登録機能、ＳＥＱテーブルの作成機能、ＦＤＢプログラムの作成機能、パラメータの設定保存機能、二重化システム運転切り替え機能、データロガー機能設定、リアルタイムシーケンスモニタ機能、タグ検索機能を有する。このアプリケーションビルダＰＣ２は、既存のシステムをそのまま適用することが可能である。

プロセスシミュレーションＰＣ３は、リフレクティブメモリ４に接続され、実プラントの動作をシミュレーションするためのモデルプログラムと、フィールドコントローラ６とのデータ転送の通信を行う通信プログラムとを実行する。実プラントとしては、例えば、ヘリウム液化冷凍機、ヘリカル系、ポロイダル系、バスライン系、全体統括系等の各種系統がモデルとなっている。
また、プロセスシミュレーションＰＣ３は、シミュレーション途中の状態の保存をするスナップショット機能、シミュレーション途中のある状態に戻すステップバック機能、シミュレーション開始時の状態をファイルとして保存したり読み出したりする初期状態読み込み・保存の機能、実時間の他に、シミュレーションを行う速度を上げて実行（２倍、４倍等）させるタイムスケール変更機能を有する。ここで、プロセスシミュレーションＰＣ３は、プラント各部の動作をシミュレーションするためのプログラム（汎用プログラムを適用可）を有しているほか、ヘリウム液化冷凍装置におけるヘリウムの物性計算を行うためのプログラムも有している。このプロセスシミュレーションＰＣ３がシミュレーションを行うモデルの一例を図２に示す。図２においては、ヘリウム液化冷凍機をモデルとした場合の一例を示している。

また、プロセスシミュレーションＰＣ３は、通信プログラムを有しており、このプログラムを実行することにより、フィールドコントローラ６とリフレクティブメモリ４を用いた通信を行う。
さらにまた、シミュレーションＰＣ３は、フィールドコントローラ６から出力される演算結果をモデルプログラムが認識可能な情報に変換するマーシャリング情報を用いることによって演算結果を参照し、シミュレーションを行う。
図３は、マーシャリング情報の一例を示す図面である。この図において、マーシャリング情報は、１レコードがフィールドコントローラ６内における名称を示す固定文字列、プロセス名、ユニット名、変数名、モデル下限値、モデル上限値、ＶＭＥ上限値、ＶＭＥ下限値によって構成され、それぞれ、アナログデータの入力値を示すＡＩ、デジタルデータの入力値を示すＤＩ、アナログデータの出力を示すＡＯ、デジタルデータの出力を示すＤＯの順にレコードが配列される。
このマーシャリング情報を利用することによって、フィールドコントローラ６において演算されたプラントの情報をシミュレーションＰＣ３にて取り扱うことが可能となる。

リフレクティブメモリ４は、プロセスシミュレーションＰＣ３とフィールドコントローラ６との間のデータ入出力をする際に用いられる。ここでは、リフレクティブメモリ４はプロセスシミュレーションＰＣ３側に設けられ、リフレクティブメモリ７は、フィールドコントローラ６側に設けられる。ここで、リフレクティブメモリとは、一方のメモリにデータを書き込むと他方のメモリにもそのデータを反映させる共有メモリである。このリフレクティブメモリ４とリフレクティブメモリ７とは、光ファイバによって接続され、高速なデータの転送が行われる。

ハードディスク５は、フィールドコントローラ６の状態を記憶する。例えば、このハードディスク５は、図４に示すように、プロセスシミュレーションＰＣ３によってシミュレーション途中におけるある時点のデータであるスナップショットデータ、シミュレーションを行う初期状態となる初期データをフィールドコントローラ６の指示に基づいて記憶する。このデータを記憶しておくことにより、オペレータは、シミュレーションＰＣ３を操作することによって、運転途中の状態からシミュレーションを再開したり、シミュレーション途中の特定の段階におけるデータを参照することも可能である。このハードディスク５として、シリコンディスクを適用することが可能である。

フィールドコントローラ６は、ネットワーク１ａを介してオペレーティングＰＣ１、アプリケーションビルダＰＣ２に接続されるとともに、ハードディスク５にＳＣＳＩによって接続され、さらに、光ファイバを介してプロセスシミュレーションＰＣ３に接続される。プロセスシミュレーションＰＣ３とのデータ転送については、光ファイバによって接続されるリフレクティブメモリ７とリフレクティブメモリ４とによって行われる。このフィールドコントローラ６が行う処理（プロセス）は多数あるが、その一例としてデータ管理と制御データ処理とがある。このプロセスは、例えば、イベントドリブン方式で実施される。

ここで、図５は、フィールドコントローラ６の機能についてさらに説明するためのブロック図である。フィールドコントローラ６は、プロセスシミュレーションＰＣ３の通信プログラムを介してリフレクティブメモリ４に書き込まれた制御命令、入力データを元に制御演算を行い、演算終了後に出力データをリフレクティブメモリ７に書き込むことによってプロセスシミュレーションＰＣ３のリフレクティブメモリ４を書き換える。この制御演算は、入力、ＳＥＱ、ＦＤＢ、出力のステップが実行される。すなわち、リフレクティブメモリ７の入力用メモリ領域に書き込まれた入力データは、入力部３０に入力される。ここで入力データは、アナログデータとデジタルデータとがある。入力部３０に入力されたアナログ入力データおよびデジタル入力データは最初にＳＥＱ部３１によりシーケンス制御計算が行われ、次にＦＤＢ部３２によりフィードバック制御演算が行われる。ＳＥＱ部３１、ＦＤＢ部３２の制御演算結果（アナログデータとデジタルデータ）は、出力部３３によって出力用メモリ領域となるリフレクティブメモリ７に書き込まれる。これにより、プロセスシミュレーションＰＣ３のリフレクティブメモリ４に書き込まれ、演算結果の通信が行われる。フィールドコントローラ６は、稼働状況をプロセスシミュレーションＰＣ３に通知し、プロセスシミュレーションＰＣ３のモデルプログラムの処理と制御演算との同期を取りながら処理を行う。この同期をとるためには、例えば、リフレクティブメモリ７内にある、進捗を示す値をインクリメントし、この値をプロセスシミュレーションＰＣ３が参照することによって同期をとることが可能である。

次に、上述したシステムの動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。ここでは、フィールドコントローラ６が行う処理は多数あるが、ここでは、その一例として、データ管理と制御データ処理とについて述べる。
まず、フィールドコントローラ６は、アプリケーションビルダＰＣ２によって作成された制御プログラムをダウンロードし（ステップＳ１０）、実行する（ステップＳ１１）。
制御プログラムを実行した後、フィールドコントローラ６は、イベントが発生したか否かを監視し、イベントが発生した場合に、発生したイベントが何であるかを判定する（ステップＳ１２）。判定したイベントがデータ管理である場合、その管理内容に応じてハードディスク５に各種データの読み出し・書き込みを行う（ステップＳ１３）。例えば、シミュレーション開始時においては、シミュレーションを行う条件となる初期状態の各種データをハードディスク５に書き込み、初期状態のデータの読み出しである場合には、ハードディスク５から初期状態のデータを読み出してシミュレーションＰＣ３に出力する。また、スナップショット機能実行時は、シミュレーションＰＣ３から指定されたスナップショットの番号に対応するスナップショットのデータをハードディスク５から読み出してシミュレーションＰＣ３に出力し、ステップバック機能実行時は、１つあるいは指定された分だけ戻った状態におけるスナップショットのデータをハードディスク５から読み出してシミュレーションＰＣ３に出力する。

一方、制御データ処理である場合、制御データに従って制御演算を行う。ここで、制御演算を行うトリガとしては、例えば、リフレクティブメモリ４に制御データが書き込まれることによって、リフレクティブメモリ７に制御データが反映され書き込まれた場合である。リフレクティブメモリ７の入力用メモリ領域に制御データが書き込まれると、フィールドコントローラ６は、書き込まれた制御データを参照し（ステップＳ１４）、シーケンス制御の演算、フィードバック制御の演算などの制御演算を行う（ステップＳ１５）。そして、演算結果をリフレクティブメモリ７の出力用メモリ領域に書き込む（ステップＳ１６）。これにより、演算結果がリフレクティブメモリ４にも書き込まれる。
そして、シミュレーションの終了指示が入力されるまではステップＳ１２に移行し、終了指示が入力された場合は、シミュレーションを終了する（ステップＳ１７）。

以上説明した実施形態において、フィールドコントローラ６はプラント内のヘリウム液化冷凍機を対象として１つのみ設ける場合について説明したが、プラントの制御系統が複数ある場合に、各制御系統を制御対象とし、例えば、ヘリカルコイル系統、ポロイダルコイル系統、バスライン系統、全体統括系統として、それぞれ設けることが可能である。そして、それぞれのフィールドコントローラ６において、各制御系統における制御演算を行うようにしてもよい。

以上説明したように、大型ヘリカル装置を実際に運転する場合には、予冷運転を１ヶ月行い、定常運転を半年間等安定した連続運転をする必要がある。そのため、一旦運転を開始すると簡単には停止することができないので、事前にシミュレーションを行うことが非常に有効である。例えば、各装置の制御プログラムや設定値等の検証、冷却運転時の制御プログラムの検証、システムや装置の見直し等を行うことが可能である。

また、上述した実施形態によれば、制御対象としてアナログ値とデジタル値の両方の値についてシミュレーションＰＣ３によってシミュレーションを行いつつ、フィールドコントローラ６にて制御演算をすることができる。

また、上述の実施形態によれば、リフレクティブメモリを用いるようにしたので、データ授受の速度を向上させることができる。
また、この実施形態によれば、実際にプラントを運転する前に、運転する際の各部のパラメータの検討をして、制御状態のチューニングを行い、検討結果を参考にして実際のプラントに適用することができる。
さらにまた、この実施形態によれば、実際のプラントに比べて短期間でシミュレーションを行うことができるとともに、実際にプラントを動かす際の運用費（電気、冷却水費用、液化窒素、ヘリウムガス等）を削減することができる。さらに、プロセスシミュレーションＰＣ３のタイムスケール変更機能によって、必要に応じて演算速度を上げる、あるいは下げることも可能である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

この発明の一実施形態によるシミュレーションシステムの構成を示す概略ブロック図である。 プロセスシミュレーションＰＣ３がシミュレーションを行うヘリウム液化冷凍機のモデルの一例を示す図面である。 マーシャリング情報の一例を示す図面である。 ハードディスク５に記憶される情報について説明するための図面である。 フィールドコントローラ６の機能についてさらに説明するためのブロック図である。 シミュレーションシステムの動作について説明するための図面である。

符号の説明

１ オペレーティングＰＣ ２ アプリケーションビルダＰＣ
３ プロセスシミュレーションＰＣ ４、７ リフレクティブメモリ
５ ハードディスク ６ フィールドコントローラ

Claims (5)

1. ヘリウム液化冷凍装置を有するプラントのシミュレーションを行うシミュレーションシステムであって、
   前記プラントに対する指示の入力と前記プラントの運転状況の出力をするオペレーティング装置と、
   前記プラントの動作を制御するための制御プログラムを構築する制御用アプリケーション作成装置と、
   前記プラントにおける各部の動的シミュレーションを行うためのモデルプログラムを実行するプロセスシミュレーション装置と、
   前記オペレーティング装置と前記制御用アプリケーション作成装置とに接続されるとともに、前記プロセスシミュレーション装置に接続されるフィールド制御装置とを有し、
   前記フィールド制御装置は、
   前記制御用アプリケーション作成装置から前記制御プログラムを読み出して実行する制御プログラム実行部と、
   前記シミュレーション装置から制御演算の要求を受け、前記制御プログラム実行部によって制御演算を行う演算部と、
   前記演算部が制御演算を行った演算結果を前記プロセスシミュレーション装置に出力する演算結果出力部と、
   を有することを特徴とするシミュレーションシステム。
2. 前記フィールド制御装置は、前記プラント内の制御系統が複数ある場合に、各制御系統を制御対象としてそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１記載のシミュレーションシステム。
3. 前記シミュレーション装置は、前記演算結果出力部から出力される演算結果をモデルプログラムが認識可能な情報に変換するマーシャリング情報を用いて前記演算結果を参照してシミュレーションを行う
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のシミュレーションシステム。
4. 前記シミュレーション装置は、前記ヘリウム液化冷凍装置におけるヘリウムの物性計算を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のシミュレーションシステム。
5. 前記フィールド制御装置の演算結果を記憶する記憶部を有し、
   前記フィールド制御装置は、前記プロセスシミュレーション装置から演算結果のデータ読み出し要求があった場合に、当該要求された演算結果を前記記憶部から読み出して前記シミュレーション装置に出力し、前記プロセスシミュレーション装置からの制御要求と入力データとを受けた場合に前記制御プログラム実行部によって制御演算を行った演算結果を前記記憶部に書き込む
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のシミュレーションシステム。
   

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