JP2010033510A - プラント診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラントを高精度かつ低コストで診断する。
【解決手段】各種プロセス量を検出するセンサの検出量を取り込む入力手段と、該入力手段が取り込んだ検出量を測定値に変換する変換器と、フィールドバスに対応した通信機能を有し、変換器が出力する測定値に基づいてプロセス機器の動作状態を診断し、当該診断の結果をフィールドバスを介して外部に送信する機器診断部とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラント診断装置に関する。

例えば下記特許文献１には、プラントにおける各種プロセス量を計測するフィールド機器を診断対象とするフィールド機器診断システムが開示されている。この特許文献１に記載されているように、プラントには多数のフィールド機器が設けられるが、各フィールド機器は、フィールド通信ネットワーク（通常、フィールドバスと称する）によって相互接続されると共に当該フィールド通信ネットワークの上位系であるネットワーク（６）を介して診断機能を備えた端末装置（上位系コンピュータ）に接続されている。このようなフィールド機器診断システムでは、端末装置がネットワーク（６）及びフィールド通信ネットワーク経由で各フィールド機器から取得した情報を所定の診断アルゴリズムで処理することにより各フィールド機器の動作状態を診断する。
特開２００７−２９３５５３号公報

ところで、上述した従来のフィールド機器診断システムには以下のような問題点がある。
（１）診断対象をフィールド機器とするものであり、プラントを構成する各種のプロセス機器を診断対象とするものではないが、プロセス機器を診断対象とする場合には、当該診断に必要なプロセス量を検出するセンサやフィールド機器を複数追加する必要があり、当該追加のセンサ、フィールド機器及び配線工事に費用が発生するためコスト高である。
（２）通常のフィールド機器に加えて上記追加のフィールド機器をフィールドバスに接続する必要があるので、フィールド通信ネットワーク及びネットワーク（６）の通信負荷が重くなる。したがって、端末装置で診断に必要な情報をタイムリーに取得することができないため、診断精度が低下する虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、プラントを高精度かつ低コストで診断することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、各種プロセス量を検出するセンサの検出量を取り込む入力手段と、該入力手段が取り込んだ検出量を測定値に変換する変換器と、フィールドバスに対応した通信機能を有し、変換器が出力する測定値に基づいてプロセス機器の動作状態を診断し、当該診断の結果をフィールドバスを介して外部に送信する機器診断部とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の手段において、入力手段は、無線によってセンサの検出量を取り込む無線入力部と、有線によってセンサの検出量を取り込む有線入力部とからなる、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、機器診断部は、フィールドバスを介して他のフィールド機器から測定値を取得し、当該他のフィールド機器の測定値を加味してプロセス機器の動作状態を診断する、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、変換器が出力する測定値をフィールドバスを介して外部に送信する測定値送信手段をさらに備える、という手段を採用する。

本発明によれば、センサの検出量を取り込んでプロセス機器の動作状態を診断し、当該診断の結果をフィールドバスを介して外部に送信するので、つまりフィールドバスを使用することなくセンサから検出量を取り込んでプロセス機器の診断を行うので、プロセス機器の診断によってフィールドバスの通信負荷が大幅に増大することを回避することができる。したがって、プロセス機器の診断に必要なプロセス量をタイムリーに取得することができるので、プロセス機器の診断精度を高精度化することができる。すなわち、プロセス機器の診断には複数のプロセスが必要であり、プロセス量をタイムリーに取得することができない場合には、診断に使用するプロセス量の計測時間が時間的に離間するすることになり、これが原因となって診断精度が低下するが、プロセス機器の診断に必要なプロセス量をタイムリーに取得することができる場合には、このような診断に使用するプロセス量の計測時間が時間的に離間すること、また複数の信号が同期できないことによる診断精度の低下を回避し、高精度な診断を実現することができる。

また、本発明によれば、フィールドバスを使用することなくセンサから直接検出量を取得してプロセス機器の診断を行うので、プロセス機器の診断用にフィールド機器を増設する必要がなく、よってプロセス機器を低コストで診断することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る診断伝送器Ｄ（プラント診断装置）及び診断伝送器Ｄを構成要素とするプラント診断システムの機能構成を示すブロック図である。このプラント診断システムは、診断伝送器Ｄ、複数の無線センサＫ1〜Ｋm、複数の有線センサＫn〜Ｋz、フィールドバスＢ、フィールド機器Ｆ及び制御装置Ｃ等から構成されている。

各無線センサＫ1〜Ｋm及び各有線センサＫn〜Ｋzから先に説明すると、各無線センサＫ1〜Ｋm及び各有線センサＫn〜Ｋzは、プラントを構成する各種プロセス機器のプロセス値を検出値（電気信号）として検出し、当該検出値を診断伝送器Ｄに出力するセンサである。また、このような各無線センサＫ1〜Ｋm及び各有線センサＫn〜Ｋzのうち各無線センサＫ1〜Ｋmは、検出値を無線によって診断伝送器Ｄに出力し、各有線センサＫn〜Ｋzは、検出値を有線（電線）を介して診断伝送器Ｄに出力する。

周知のように、プラントには石油プラント、天然ガスプラント、発電プラント、各種化学プラントあるいは各種製品を製造する工場等、種々のものがあり、その種類に応じた構成を有するが、無線センサＫ1〜Ｋm及び各有線センサＫn〜Ｋzは、このようなプラントに設備された各種のプロセス機器、例えばタンク、ポンプ及び熱交換器等々に関するプロセス値、例えば温度、圧力及び流量等を検出して診断伝送器Ｄに出力する。なお、各無線センサＫ1〜Ｋm及び各有線センサＫn〜Ｋzには、検出値をアナログ信号として診断伝送器Ｄに出力するものとデジタル信号として診断伝送器Ｄに出力するものとがある。

診断伝送器Ｄは、図示するように、無線入力部１、有線入力部２、変換器３、ＡＩ出力部４（測定値送信手段）、ＤＩ出力部５（測定値送信手段）、機器診断部６を備えている。診断伝送器Ｄを構成するこれら各構成要素のうち、無線入力部１と有線入力部２とは入力手段を構成している。無線入力部１は、無線センサＫ1〜Ｋmと無線通信することにより当該無線センサＫ1〜Ｋmの検出量を取り込んで変換器３に出力する。この無線入力部１の無線通信方式は、プラント専用の汎用通信方式として規定されたものである。

有線入力部２は、有線（電線）を介して各有線センサＫn〜Ｋzの検出量（電気信号）を取り込んで変換器３に出力するものである。この有線入力部２は、、各有線センサＫn〜Ｋzとの間に敷設された電線の一端を接続すための端子台及び検出量をバッファリングするための電子回路等から構成されている。

変換器３は、上記無線入力部１及び有線入力部２から入力された各検出量をプロセス量を示す測定値に変換してＡＩ出力部４、ＤＩ出力部５及び／あるいは機器診断部６に出力するものである。すなわち、変換器３は、アナログ信号の検出量についてはアナログ信号の測定値に変換し、デジタル信号の検出量についてはデジタル信号又はアナログ信号（例えばパルス入力、積算値等）の測定値に変換する。そして、変換器３は、アナログ信号の測定値についてはＡＩ出力部４及び機器診断部６に出力し、デジタル信号の測定値についてはＤＩ出力部５及び機器診断部６に出力する。

ＡＩ出力部４は、フィールドバスＢに対応した通信機能を有し、制御装置Ｃからの送信要求に応じて上記変換器３から入力されたアナログ信号の測定値をフィールドバスＢを介して制御装置Ｃに出力する機能構成要素である。ＤＩ出力部５は、上記ＡＩ出力部４と同様にフィールドバスＢに対応した通信機能を有し、制御装置Ｃからの送信要求に応じて上記変換器３から入力されたデジタル信号の測定値をフィールドバスＢを介して制御装置Ｃに出力する機能構成要素である。

機器診断部６は、フィールドバスＢに対応した通信機能を有し、上記変換器３から入力されたアナログ信号あるいは／及びデジタル信号の各測定値あるいは／及び必要に応じてフィールドバスＢを介して他のフィールド機器Ｆから取得した測定値に基づいてプロセス機器の動作状態を診断する機能構成要素である。また、機器診断部６は、各種測定値に基づいて得られたプロセス機器の診断の結果を制御装置Ｃからの送信要求に応じて又は自発的にフィールドバスＢを介して制御装置Ｃに送信する。なお、この機器診断部６におけるプロセス機器の診断方法の詳細については後述する。

フィールドバスＢは、所定の標準規格に準拠した仕様のデジタル信号伝送線路であり、診断伝送器Ｄ、フィールド機器Ｆ及び制御装置Ｃを通信可能に相互接続する。周知のように、フィールドバスは、プラント内における計測器と制御器との間のデジタル通信用に規定されたものであり、種々の団体や企業によって規定された仕様のものが多数存在する。本実施形態におけるフィールドバスＢは、このような各種仕様のフィールドバスの何れかの仕様に準拠するものであり、診断伝送器Ｄ、フィールド機器Ｆ及び制御装置Ｃ間のデジタル通信を可能とする。

フィールド機器Ｆは、フィールドバスＢに対応した通信機能を備える計測器であり、プラントにおける特定のプロセス量を測定し、フィールドバスＢを介して診断伝送器Ｄや制御装置Ｃに送信する。図１では、１つのフィールド機器Ｆが記載されているが、プラント内にはこのようなフィールド機器Ｆが多数設けられており、診断伝送器Ｄや制御装置Ｃからの送信要求に応じて測定値を送信する。

制御装置Ｃは、診断伝送器Ｄやフィールド機器Ｆから取得した各種プロセス量の測定値等に基づいてプラントの全体動作を制御する。また、制御装置Ｃは、診断伝送器Ｄから取得したプロセス機器の診断結果を上位制御装置（コンピュータ）に出力する。図示していないが、制御装置Ｃにはプラントの監視員が操作する上位制御装置が接続されている。制御装置Ｃは、診断伝送器Ｄから取得したプロセス機器の診断結果を上位制御装置に出力することにより、プロセス機器の動作状態をプラントの監視員に知らせる。

図２は、プロセス機器の１つである熱交換器Ｘ（クーラー）を診断対象とするプラント診断システムの構成例を示すブロック図である。熱交換器Ｘの動作状態を評価するためには伝熱係数Ｕを測定する必要がある。伝熱係数Ｕは、下式（１）に示すように伝熱量Ｑ、対数平均温度差ΔＴm及び伝熱面積Ａ（熱交換器Ｘ固有の定数）から求められる量であり、熱交換器Ｘの効率を示す物理量である。また、伝熱量Ｑ及び対数平均温度差ΔＴmは、熱交換器Ｘに流入する一次流体と二次流体の比熱Ｃ1，Ｃ2、流量Ｇ1，Ｇ2、流入温度Ｔin1，Ｔin2及び流出温度Ｔout1，Ｔout1から下式（２）に示すように表される。

図２において、符号Ｆ1は一次流体の流量Ｇ1を測定するフィールド機器、Ｋ11は一次流体の流入温度Ｔin1を検出する無線センサ、Ｋ21は一次流体の流出温度Ｔout1を検出する無線センサ、Ｋ31は二次流体の流量Ｇ2を検出する無線センサ、Ｋn1は二次流体の流入温度Ｔin2を検出する有線センサ、またＫo1は二次流体の流出温度Ｔout2を検出する有線センサである。

診断伝送器Ｄの無線入力部１は、無線センサＫ11と無線通信することにより一次流体の流入温度Ｔin1の検出値を、無線センサＫ21と無線通信することにより一次流体の流出温度Ｔout1の検出値を、また無線センサＫ31と無線通信することにより二次流体の流量Ｇ2の検出値をそれぞれ取得する。診断伝送器Ｄの有線入力部２は、有線センサＫn1から二次流体の流入温度Ｔin2の検出値を、また有線センサＫo1から二次流体の流出温度Ｔout2の検出値をそれぞれ受け付ける。診断伝送器Ｄの機器診断部６は、上記フィールド機器Ｆ1の測定値、変換器３から得られる無線センサＫ11，Ｋ21，Ｋ31及び有線センサＫn1，Ｋo1の各検出値に関する測定値に基づいて熱交換器Ｘの効率を示す伝熱係数Ｕを演算し、当該伝熱係数Ｕを診断結果として制御装置Ｃに出力する。

次に、このように構成された診断伝送器Ｄ及び当該診断伝送器Ｄを構成要素とするプラント診断システムの動作について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。なお、このフローチャートは、図２に示したシステム構成における診断伝送器Ｄの動作を示すものである。

診断伝送器Ｄの機器診断部６は、フィールド機器Ｆ1から一次流体の流量Ｇ1の測定値をフィールドバスＢを介して取得すると共に、無線センサＫ11が検出した一次流体の流入温度Ｔin1の測定値、無線センサＫ21が検出した一次流体の流出温度Ｔout1の測定値、無線センサＫ31が検出した二次流体の流量Ｇ2の測定値、有線センサＫn1が検出した二次流体の流入温度Ｔin2の測定値、また有線センサＫo1が検出した二次流体の流出温度Ｔout2の測定値を変換器３から取得する（ステップＳ1）。

そして、機器診断部６は、このように取得した一次流体及び二次流体の流量Ｇ1，Ｇ2、流入温度Ｔin1，Ｔin2及び流出温度Ｔout1，Ｔout1並びに予め記憶している伝熱面積Ａ、一次流体及び二次流体の各比熱Ｃ1，Ｃ2及び上記式（１）、（２）に基づいて伝熱係数Ｕを算出し（ステップＳ2）、この伝熱係数Ｕを熱交換器Ｘの効率を示す診断結果として制御装置Ｃに送信する（ステップＳ3）。

また、ＡＩ出力部４及びＤＩ出力部５は、変換器３から得られた測定値をフィールドバスＢを介して制御装置Ｃに送信する（ステップＳ4）。すなわち、制御装置Ｃが要求した測定値がアナログ信号の測定値の場合、ＡＩ出力部４が当該アナログ信号の測定値を制御装置Ｃに送信し、制御装置Ｃが要求した測定値がデジタル信号の測定値の場合には、ＤＩ出力部５が当該デジタル信号の測定値を制御装置Ｃに送信する。

このような診断伝送器Ｄによれば、フィールドバスＢを介することなく自らに接続された無線センサＫ1〜Ｋm及び有線センサＫn〜Ｋzの検出量を取り込んで熱交換器Ｘ等のプロセス機器の動作状態を診断し、当該診断の結果をフィールドバスＢを介して制御装置Ｃに送信するので、プロセス機器の診断によってフィールドバスＢの通信負荷が大幅に増大することに起因して診断に必要な測定値をタイムリーに取得することができないという事態を回避することが可能であり、よってプロセス機器の診断精度を高精度化することができる。

また、診断伝送器Ｄによれば、フィールドバスＢを使用することなく無線センサＫ1〜Ｋm及び有線センサＫn〜Ｋzから検出量を直接取得してプロセス機器の診断を行うので、プロセス機器の診断用にフィールド機器Ｆを増設する必要がなく、よってプロセス機器を低コストで診断することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、無線センサＫ1〜Ｋm及び有線センサＫn〜Ｋzから得られたプロセス量だけではなくフィールド機器Ｆから得られたプロセス量をも用いて熱交換器Ｘ等のプロセス機器の診断を行うが、本願発明の趣旨からすると、フィールド機器Ｆから得られたプロセス量を用いることなく、無線センサＫ1〜Ｋm及び有線センサＫn〜Ｋzから得られたプロセス量のみによってプロセス機器の診断を行うことが好ましい。

（２）上記実施形態では、一例として熱交換器Ｘ（クーラー）の伝熱係数Ｕを診断結果として計算する場合について説明したが、診断対象や診断内容はこれに限定されない。例えば、スチームヒータ（熱交換器の一種）伝熱係数、ポンプ等の回転器の振動やエネルギー収支、各プロセス機器の腐食状態あるいは／及びプラント環境の診断の一環として異常ガスの発生状況、等々をセンサの検出値に基づいて計算するようにしても良い。

（３）上記実施形態では１台の診断伝送器Ｄのみについて説明したが、通常のプラントは多数のプロセス機器から構成されている。したがって、プラントには、診断対象となるプロセス機器毎に診断伝送器Ｄが設けられることになる。但し、１台の診断伝送器Ｄによって複数のプロセス機器を診断するようにしても良い。
（４）上記実施形態では、無線入力部１と有線入力部２とによって入力手段を構成したが、無線入力部１あるいは有線入力部２の何れか一方を入力手段としても良い。
（５）また、測定値送信手段であるＡＩ出力部４及びＤＩ出力部５については、必要に応じて設けられるべき構成要素であり、削除しても良い。

本発明の一実施形態に係わる診断伝送器Ｄ及び診断伝送器Ｄを構成要素とするプラント診断システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係わる診断伝送器Ｄを用いてプロセス機器の１つである熱交換器Ｘ（クーラー）の診断を行うプラント診断システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係わる診断伝送器Ｄの動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｄ…診断伝送器（プラント診断装置）、Ｋ1〜Ｋm，Ｋ11，Ｋ21，Ｋ31…無線センサ、Ｋn〜Ｋz，Ｋn1，Ｋo1…有線センサ、Ｂ…フィールドバス、Ｆ，Ｆ1…フィールド機器、Ｃ…制御装置、１…無線入力部、２…有線入力部、３…変換器、４…ＡＩ出力部（測定値送信手段）、５…ＤＩ出力部（測定値送信手段）、６…機器診断部、Ｘ…熱交換器（プロセス機器）

Claims (4)

1. 各種プロセス量を検出するセンサの検出量を取り込む入力手段と、
   該入力手段が取り込んだ検出量を測定値に変換する変換器と、
   フィールドバスに対応した通信機能を有し、前記変換器が出力する測定値に基づいてプロセス機器の動作状態を診断し、当該診断の結果をフィールドバスを介して外部に送信する機器診断部と
   を具備することを特徴とするプラント診断装置。
2. 前記入力手段は、無線によってセンサの検出量を取り込む無線入力部と、有線によってセンサの検出量を取り込む有線入力部とからなることを特徴とする請求項１記載のプラント診断装置。
3. 前記機器診断部は、フィールドバスを介して他のフィールド機器から測定値を取得し、当該他のフィールド機器の測定値を加味してプロセス機器の動作状態を診断することを特徴とする請求項１または２記載のプラント診断装置。
4. 前記変換器が出力する測定値をフィールドバスを介して外部に送信する測定値送信手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のプラント診断装置。

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