JP2008065588A - プラントモデルのパラメータ調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能なプラントモデルのパラメータ調整装置を実現する。
【解決手段】プラントモデルのパラメータ調整装置において、表示部と、入力部と、ネットワークを介してプラントからの実測値を受信する通信部と、実測値及びプラントモデルから出力されるシミュレーション値を格納する記憶部と、数学モデルが実測値に一致するように第１の数学パラメータを探索しプラントモデルを用いてシミュレーションを行い数学モデルがシミュレーション値に一致するように第２の数学パラメータを探索する演算制御部とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラントモデルのパラメータ調整装置に関し、特にパラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能なプラントモデルのパラメータ調整装置に関する。

化学、石油、電力、ガス、鉄鋼、薬品、食品、上下水道等のプラントにおいて、プラントモデルを用いたシミュレーションにより、温度、電圧、圧力等の物理量を算出し、プラントの最適運転の実現等を行っている。

プラントモデルを用いたシミュレーションについて説明する。プラントモデルは実際のプラント（以下、実プラントと呼ぶ。）を構成している機器をモデル化したもので、予めその機器の特性をデータベースに持っている。プラントモデルは実プラントと並行して動作する。

そして、プラントモデルを用いたシミュレータは、常に実プラントの各部の状態を示す実測値を受信し、プラントモデルの出力であるシミュレーション値が受信した実測値に合うようにプラントモデルのパラメータを変化させる。このようにすることで、プラントモデルと実プラントの挙動はリアルタイムで追従させることができ、シミュレーションの時間を進めることにより、実プラントの挙動を予測することが可能になる。

従来のパラメータ調整装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０７−１６０３０９号公報 特開平０９−１７９６０４号公報 特開２００１−１５４７０５号公報 特開２００５−０７８５４５号公報 特開２００５−３３２３６０号公報

図９はこのような従来のプラントモデルのパラメータ調整装置の一例を示す構成ブロック図である。図９において１はＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御部、２はＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory)、フラッシュメモリ（電気的に書き換え可能なＲＯＭ）、若しくは、ハードディスク等の記憶部、３はデータの送受信を行う通信部、４はＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示部、５はキーボード等の入力部である。

また、１００はインターネット、若しくは、イントラネット等のネットワーク、１０１は被測定対象のプラントである。

演算制御部１の入出力端子は記憶部２の入出力端子及び通信部３の入出力端子にそれぞれ相互に接続され、演算制御部１の出力端子は表示部４の入力端子に接続される。入力部５の出力端子は演算制御部１の入力端子に接続される。通信部３及びプラント１０１はネットワーク１００に相互に接続される。

演算制御部１、記憶部２、通信部３、表示部４及び入力部５はパラメータ調整装置５０を構成している。

ここで、図９に示す従来例の動作を図１０を用いて説明する。図１０はパラメータ調整装置５０のパラメータ調整時の動作を示すフロー図である。

図１０中”Ｓ００１”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、通信部３を制御し、ネットワーク１００を介してプラント１０１から実測値を受信する。そして、演算制御部１はこの実測値を基にプラントモデルのパラメータを選択する。

図１０中”Ｓ００２”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、選択したパラメータを用いてシミュレーションを実行する。図１０中”Ｓ００３”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、プラントからの実測値とプラントモデルをシミュレーションして得られたシミュレーション値を比較して予め設定された許容範囲内に入っているか否かを判断し、もし、許容範囲内に入っている場合には、パラメータの選択を終了する。

一方、図１０中”Ｓ００３”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、実測値とプラントモデルのシミュレーション値を比較して予め設定された許容範囲内に入っているか否かを判断し、もし、許容範囲内に入っていない場合には、図１０中”Ｓ００４”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、パラメータを変更する。そして、図１０中”Ｓ００２”に戻り、プラントモデルのシミュレーション値が許容範囲内に入るまで、処理を繰り返す。

この結果、パラメータ調整装置５０は、ネットワーク１００を介してプラント１０１から実測値を受信し、この実測値を基にプラントモデルのパラメータを選択し、シミュレーションを実行する。そして、プラントモデルのシミュレーション値が許容範囲内に入るまでパラメータを変更してシミュレーションを繰り返すことにより、常にプラントモデルが実際のプラントの状態に追従しているので、異常診断や未来予測等を正確に行うことが可能になる。

しかし、図９及び図１０に示す従来例では、時系列のデータ全体に渡って実測値とシミュレーション値を比較しながら、シミュレーション値が予め設定された許容範囲内に入るように試行錯誤的にパラメータを選択して調整するのは膨大な時間がかかるという問題があった。

また、プラントモデルのモデル式は熱や化学反応等の物理現象に基づいているため、一般的にパラメータが冗長である。ここで、パラメータが冗長ということについて説明する。例えば、モデル式が式（１）であったとする。”Ｑ”は伝熱量、”Ａ”は伝熱面積、”Ｕ”は伝熱係数、”ΔＴ”は温度差である。

この時、温度差”ΔＴ”が同じであれば、伝熱面積”Ａ”が”１”で伝熱係数”Ｕ”が”１０”の時と、伝熱面積”Ａ”が”１０”で伝熱係数”Ｕ”が”１”の時では伝熱量”Ｑ”は同じ値となる。

このように、モデル式の中にパラメータが複数あり、その複数のパラメータの変化によってはモデル式の出力値が同じになるようなモデル式を”パラメータが冗長である”という。

このように、モデル式のパラメータが冗長で、さらに、モデル式が多くあり、それらが複雑に関係している場合には、プラントモデルのどのパラメータを動かせば実測値に一致するようになるのかが分かりにくいという問題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能なプラントモデルのパラメータ調整装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
プラントモデルのパラメータ調整装置において、
表示部と、入力部と、ネットワークを介してプラントからの実測値を受信する通信部と、前記実測値及びプラントモデルから出力されるシミュレーション値を格納する記憶部と、数学モデルが前記実測値に一致するように第１の数学パラメータを探索し前記プラントモデルを用いてシミュレーションを行い前記数学モデルが前記シミュレーション値に一致するように第２の数学パラメータを探索する演算制御部とを備え、前記第１の数学パラメータと前記第２の数学パラメータを比較して変化しているパラメータを抽出すると共にこのパラメータに関連する物理パラメータを修正し前記シミュレーションを繰り返し前記実測値と前記シミュレーション値を一致させていくことにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のパラメータ調整装置において、
前記演算制御部が、
前記第１の数学パラメータを前記表示部に表示させることにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載のパラメータ調整装置において、
前記演算制御部が、
前記第２の数学パラメータを前記表示部に表示させることにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパラメータ調整装置において、
前記演算制御部が、
前記実測値と前記シミュレーション値の差である誤差値を前記表示部に表示させることにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパラメータ調整装置において、
前記数学モデルが、
伝達関数若しくは回帰モデルであることにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のパラメータ調整装置において、
前記演算制御部が、
前記抽出したパラメータに関係する前記物理パラメータを前記表示部に表示させることにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５及び請求項６の発明によれば、数学モデルが実測値に一致するように第１の数学パラメータを探索し、プラントモデルを用いたシミュレーションを実行し、このシミュレーション値が実測値と比較して許容範囲内に入っていない場合には、数学モデルがシミュレーション値に一致するように第２の数学パラメータを探索する。そして、第１の数学パラメータと第２の数学パラメータを比較して大きく変化しているパラメータを抽出し、抽出したパラメータに関係するプラントモデルの物理パラメータを修正し、この物理パラメータを用いてシミュレーションを行うことにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るプラントモデルのパラメータ調整装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において１００及び１０１は図９と同一符号を付してあり、６はＣＰＵ等の演算制御部、７はＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、若しくは、ハードディスク等の記憶部、８はデータの送受信を行う通信部、９はＣＲＴ等の表示部、１０はキーボード等の入力部である。

演算制御部６の入出力端子は記憶部７の入出力端子及び通信部８の入出力端子にそれぞれ相互に接続され、演算制御部６の出力端子は表示部９の入力端子に接続される。入力部１０の出力端子は演算制御部６の入力端子に接続される。通信部８はネットワーク１００に相互に接続される。

演算制御部６、記憶部７、通信部８、表示部９及び入力部１０はパラメータ調整装置５１を構成している。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２は実施例の機能を説明する説明図、図３は実施例の動作を説明するフロー図である。図２において９，１０及び１０１は図１と同一符号を付してあり、１１及び１４はデータベース、１２及び１３は計算部、１５はプラントモデルを用いたシミュレータである。

図２における計算部１２及び計算部１３は、図１においては、演算制御部６が記憶部７に展開したプログラムである。また、データベース１１及びデータベース１４は記憶部７、若しくは、パラメータ調整装置５１の外部にある記憶装置（図示せず）である。

上記の動作を図３を用いて説明する。まず、実測値、若しくは、シミュレーション値に一致するように数学モデルのパラメータを探索する（以下、これを簡易同定計算と呼ぶ。）前に計算に使用する数学モデルをユーザが決める。

図３中”Ｓ１０１”において演算制御部６上で動作する計算部１２は、数学モデルの出力値がデータベース１１に格納された実測値に一致するように数学モデルの最適なパラメータ（以下、数学パラメータと呼ぶ。）を探索する。

図３中”Ｓ１０２”において演算制御部６上で動作するシミュレータ１５は、プラントモデルを用いて適当なパラメータ（以下、物理パラメータと呼ぶ。）でシミュレーションを行い、シミュレーション値をデータベース１４へ格納する。図３中”Ｓ１０３”において演算制御部６は、シミュレーション値と実測値を比較し、その差が予め設定された許容範囲内であるか否かを判断し、もし、許容範囲内である場合には処理を終了する。

一方、図３中”Ｓ１０３”において演算制御部６は、シミュレーション値と実測値を比較し、その差が予め設定された許容範囲内であるか否かを判断し、もし、許容範囲内でない場合には、図３中”Ｓ１０４”に進む。

図３中”Ｓ１０４”において演算制御部６上で動作する計算部１３は、データベース１４に格納されたシミュレーション値が図３中”Ｓ１０１”において使用した数学モデルの出力値に一致するように数学パラメータを探索する。

図３中”Ｓ１０５”において演算制御部６は、図３中”Ｓ１０１”で得られた数学パラメータと図３中”Ｓ１０４”で得られた数学パラメータを比較する。理想的には、プラントモデルのシミュレーション値と実測値が一致するので、図３中”Ｓ１０１”で得られた数学パラメータと図３中”Ｓ１０４”で得られた数学パラメータは一致するはずであるが、現実的には、ずれた値となる。

そして、大きく変化している数学パラメータを抽出する。図３中”Ｓ１０６”において演算制御部６は、抽出したパラメータに関係するプラントモデルの物理パラメータを表示部９に表示させる。ユーザは、表示部９に表示された物理パラメータを修正し、この物理パラメータを用いて再度、シミュレーションを行う。

本発明は、数学パラメータの中でずれた値をとるものを特定することにより、この数学パラメータが関係する項目、例えば、時定数やゲイン等を把握することができるので、この項目からプラントモデルの変更すべき物理パラメータを特定することを特徴とする。

例えば、数学モデルに式（２）に示す伝達関数を用いたと仮定して、図３の動作をより具体的に説明する。式（２）は次数が”１”のもので、”Ｋ”はゲイン定数、”Ｔ₁”は時定数、”ｓ”はラプラス変数である。

図３中”Ｓ１０１”において実測値に一致する数学パラメータが”Ｋ＝ａ”、”Ｔ₁＝ｂ”であったとする。この数学パラメータは、後で求めるシミュレーション値に対する数学パラメータと比較するためのものである。

そして、図３中”Ｓ１０２”において適当な物理パラメータを用いてシミュレーションを行い、図３中”Ｓ１０３”においてシミュレーション値と実測値を比較し、その差が予め設定された許容範囲内に入っていなかったとする。

図３中”Ｓ１０４”において図３中”Ｓ１０１”と同様に数学モデルに式（２）を用いて数学パラメータの探索を実行する。シミュレーション値に一致する数学パラメータが”Ｋ＝ａ”、”Ｔ₁＝ｃ”であったとする。

ここで、理想的には、数学パラメータが”Ｋ＝ａ”、”Ｔ₁＝ｂ”になるはずであるが、プラントモデルのシミュレーション値が実測値と異なるために、シミュレーション値に数学モデルを合わせると、このようにずれが生じる。

そして、図３中”Ｓ１０５”において図３中”Ｓ１０１”で探索した数学パラメータと図３中”Ｓ１０４”で探索した数学パラメータを比較する。この時、数学パラメータの時定数”Ｔ₁”が”ｂ”から”ｃ”に変化しているので、図３中”Ｓ１０６”において時定数に関係する物理パラメータが表示部９に表示される。ユーザは表示された物理パラメータを修正し、再度、シミュレーションを行う。

このように、図３中”Ｓ１０２”から図３中”Ｓ１０６”の動作を繰り返すことにより、実測値に対する数学パラメータとシミュレーション値に対する数学パラメータが近づくので、最適な物理パラメータを絞り込み、実測値とシミュレーション値を一致させていくことが可能になる。

ここで、簡易同定計算について図４、図５、図６、図７及び図８を用いて説明する。図４は実測値に対する簡易同定計算のフロー図、図５は実測値に対する簡易同定計算結果の表示例、図６は実測値とシミュレーション値の誤差の表示例、図７はシミュレーション値に対する簡易同定計算のフロー図、図８はシミュレーション値に対する簡易同定計算結果の表示例である。

図４中”Ｓ２０１”において演算制御部６上で動作する計算部１２は、データベース１１に格納されているプラント１０１からの実測値を読み込み、図４中”Ｓ２０２”において演算制御部６上で動作する計算部１２は、読み込んだ実測値に一致するように数学モデルの数学パラメータを探索する。

この時、パラメータを探索する方法は、例えば、最小二乗法や擬似焼きなまし法等の手法を用いて行う。

そして、図４中”Ｓ２０３”において演算制御部６上で動作する計算部１２は、表示部９に探索した数学パラメータを表示する。この時の表示例を図５に示す。図５において”ＡＣ０１”は実測値、”ＣＬ０１”は数学モデルを用いた計算値を表し、同じ画面上に簡易同定情報”ＩＤ０１”を表示する。

簡易同定情報”ＩＤ０１”には計算に使用した数学モデルと探索した数学パラメータを表示する。

プラントモデルを用いたシミュレーションを行った結果の表示例を図６に示す。図６において”ＡＣ０１”は実測値、”ＳＭ０１”はシミュレーション値を表し、同じ画面上に実測値”ＡＣ０１”とシミュレーション値”ＳＭ０１”の差である誤差値”ＥＲ０１”を表示することもできる。

図６における誤差値”ＥＲ０１”が予め設定された許容範囲内に入っていない場合には、シミュレーション値に対して簡易同定計算を行い、より最適な数学パラメータを探索する。この時に用いる数学モデルは実測値で行った時と同じものを用いる。

図７中”Ｓ３０１”において演算制御部６上で動作する計算部１３は、データベース１４に格納されているシミュレーション値を読み込み、図７中”Ｓ３０２”において演算制御部６上で動作する計算部１３は、読み込んだシミュレーション値に一致するように数学モデルの数学パラメータを探索する。

この時、パラメータを探索する方法は、実測値と同様に、最小二乗法や擬似焼きなまし法等の手法を用いて行う。

そして、図７中”Ｓ３０３”において演算制御部６上で動作する計算部１３は、表示部９に探索した数学パラメータを表示する。この時の表示例を図８に示す。図８において”ＳＭ０１”はシミュレーション値、”ＣＬ０２”は数学モデルを用いた計算値を表し、同じ画面上に簡易同定情報”ＩＤ０２”を表示する。

簡易同定情報”ＩＤ０２”には計算に使用した数学モデルと探索した数学パラメータを表示する。

上述の簡易同定計算において、例えば、数学モデルが伝達関数の場合には、式（２）以外にも以下のモデル式を使用してもよい。式（３）は次数が”２”のもので、”Ｔ₂”は時定数である。

また、むだ時間を考慮する場合には、式（４）、若しくは、式（５）のようにしてもよい。ここで、”Ｌ”はむだ時間である。むだ時間とは自動制御の用語で、制御要素（制御対象）に入力を加えた時に出力が直ちに現れず、時刻”Ｌ”だけ遅れる場合にこの遅れ時間のことをいう。

以上より、実測値に対する簡易同定計算で求めた数学パラメータとシミュレーション値に対する簡易同定計算で求めた数学パラメータを比較し、大きくずれている数学パラメータを抽出することにより、その数学パラメータに関係する項目（時定数やゲイン等）を把握することができるので、その項目に関係するプラントモデルの物理パラメータを特定することができる。

この結果、数学モデルが実測値に一致するように数学パラメータを探索し、プラントモデルを用いたシミュレーションを実行し、このシミュレーション値が実測値と比較して許容範囲内に入っていない場合には、数学モデルがシミュレーション値に一致するように数学パラメータを探索する。そして、実測値に対する数学パラメータとシミュレーション値に対する数学パラメータを比較して大きく変化しているパラメータを抽出し、抽出したパラメータに関係するプラントモデルの物理パラメータを修正し、この物理パラメータを用いてシミュレーションを行うことにより、合わせ込みを行っているユーザが、シミュレーションにおいてどの物理パラメータが実プラントと一致していないのかを容易に判断することができるので、パラメータの合わせ込みを効率よく行うことが可能になる。

なお、図１、図２及び図３に示す実施例において実測値に対する数学パラメータとシミュレーション値に対する数学パラメータを比較し、大きく変化しているパラメータを抽出して、このパラメータに関係するプラントモデルの物理パラメータを表示部９に表示させているが、必ずしも表示する必要はない。

同様に、ユーザからの指示を受けて、数学パラメータと物理パラメータの関係を表示部９に表示させるようにしてもよい。具体的には、例えば、数学モデルに伝達関数を使用している場合には、数学パラメータの時定数”Ｔ₁”に関係する物理パラメータの一覧やゲイン定数”Ｋ”に関係する物理パラメータの一覧等を表示する。

また、図４、図５、図７及び図８に示す実施例において数学モデル及び探索した数学パラメータを表示しているが、必ずしも表示する必要はなく、データとして出力するようにしてもよい。

また、図４、図５、図７及び図８に示す実施例において数学モデル及び探索した数学パラメータを表示しているが、必ずしも両方表示する必要はなく、探索した数学パラメータのみを表示するようにしてもよい。

本発明に係るプラントモデルのパラメータ調整装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 実施例の機能を説明する説明図である。 実施例の動作を説明するフロー図である。 実測値に対する簡易同定計算のフロー図である。 実測値に対する簡易同定計算結果の表示例である。 実測値とシミュレーション値の誤差の表示例である。 シミュレーション値に対する簡易同定計算のフロー図である。 シミュレーション値に対する簡易同定計算結果の表示例である。 従来のプラントモデルのパラメータ調整装置の一例を示す構成ブロック図である。 パラメータ調整装置のパラメータ調整時の動作を示すフロー図である。

符号の説明

１，６ 演算制御部
２，７ 記憶部
３，８ 通信部
４，９ 表示部
５，１０ 入力部
１１，１４ データベース
１２，１３ 計算部
１５ シミュレータ
５０，５１ パラメータ調整装置
１００ ネットワーク
１０１ プラント

Claims (6)

1. プラントモデルのパラメータ調整装置において、
   表示部と、
   入力部と、
   ネットワークを介してプラントからの実測値を受信する通信部と、
   前記実測値及びプラントモデルから出力されるシミュレーション値を格納する記憶部と、
   数学モデルが前記実測値に一致するように第１の数学パラメータを探索し前記プラントモデルを用いてシミュレーションを行い前記数学モデルが前記シミュレーション値に一致するように第２の数学パラメータを探索する演算制御部とを備え、
   前記第１の数学パラメータと前記第２の数学パラメータを比較して変化しているパラメータを抽出すると共にこのパラメータに関連する物理パラメータを修正し前記シミュレーションを繰り返し前記実測値と前記シミュレーション値を一致させていくことを特徴とするパラメータ調整装置。
2. 前記演算制御部が、
   前記第１の数学パラメータを前記表示部に表示させることを特徴とする
   請求項１記載のパラメータ調整装置。
3. 前記演算制御部が、
   前記第２の数学パラメータを前記表示部に表示させることを特徴とする
   請求項１若しくは請求項２記載のパラメータ調整装置。
4. 前記演算制御部が、
   前記実測値と前記シミュレーション値の差である誤差値を前記表示部に表示させることを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパラメータ調整装置。
5. 前記数学モデルが、
   伝達関数若しくは回帰モデルであることを特徴とする
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパラメータ調整装置。
6. 前記演算制御部が、
   前記抽出したパラメータに関係する前記物理パラメータを前記表示部に表示させることを特徴とする
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のパラメータ調整装置。

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