JP2010146137A - パラメータ調整支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスモデルのパラメータを変更しシミュレーションを実行した場合、その変更がシミュレーション結果のプラント全域に及ぼす影響を把握しやすいように視覚化し、プロセスモデルのパラメータ調整を支援する装置を提供すること。
【解決手段】実際のプラントに入力されたデータに基づきシミュレーションを実行しながら、前記プラントの出力と前記シミュレーションの結果が一致するようにパラメータを調整するパラメータ調整支援装置において、前記シミュレーションの結果を保存するシミュレーション結果データベースと、前記シミュレーションの結果と前記プラントの出力一致度を時系列的に計算する適合率計算部と、この適合率計算部の計算結果に基づき適合率の変化量を計算し、この計算結果を大きさ順に並べる適合率変化量計算整列部とを有することを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パラメータ調整支援装置に関し、詳しくは、石油・石油化学などのプロセス産業で使用されるプロセスシミュレータのパラメータ調整支援装置に関するものである。

石油・石油化学などのプロセス産業では、プラント操業の安全や効率化に向けて、計算機上に実プロセスを忠実に再現するシミュレータを構築し、このシミュレーションの結果を操業へ活用しようとする関心が近年急速に高まっている。

これは、たとえば、計算機上にプラントを忠実に模擬するシミュレータを構築することにより、
（１）シミュレータを利用することで実際に測定できない内部状態の可視化
（２）様々な運転条件をシミュレーションすることによる予測シミュレーション
（３）プロセスシミュレーションを自動制御に組み込むモデルベース制御
（４）生産コストや製品品質の最適化
などの実現が可能となるからである。

このように、プロセスシミュレータをプラントの実操業に活用することで、大きなメリットが得られるが、プロセスシミュレータをプラントの実操業に適用できるか否かはそのプロセスモデルの持つパラメータを現実プロセスに適合させることができるかどうかにかかっている。

ところが、プラント全体がモデル化されたプロセスモデルには膨大な数のパラメータがあり、また物理化学的原理に基づいて構築された厳密モデルにおいては個々のパラメータに物理的意味があるため、プロセスモデルのパラメータチューニングには、プロセス全体の理解や多くの経験が必要となり、熟練した技術者にとっても試行錯誤を伴う困難な作業となっている。

そこで、上記のようなプロセスモデリングの困難さを軽減するために、プロセスモデルのパラメータ設定を支援するための提案が特許文献１や特許文献２などで行われている。これらの提案では、あるプロセス出力に対して感度の高いモデルパラメータを、プロセスモデルの持つ大量のパラメータから抽出し調製する方法が提案されている。

特許文献１は、プロセスの内部構造を熟知していないプロセス技術者がパラメータ調整を簡単に行えるプロセスモデルのパラメータ調整装置および調整支援装置および方法に関するものである。

特許文献２は、パラメータ設定を自動的に行い、予測誤差を感度よく低減させ、時間短縮を図った下水処理プロセスシミュレーション方法と装置に関するものである。

非特許文献１は、評価法の計算方法に関するものである。

特開２００２−３２８７０２号公報 特開２００４−１２１９５３号公報 足立修一著，「MATLABによる制御のための上級システム同定」，第１版第１刷，東京電機大学出版，２００４年３月１０日，ｐ.１３

図１０は、従来の石油・石油化学などのプロセス産業で使用されるプラントシミュレータの一例を示す構成図である。図１０において、プラントシミュレータは、プラント１と、プラント運転データＤＢ２と、コンソール画面３と、プラントシミュレータ４とで構成されている。

プラント１へデータが入力され、この入力されたデータの結果としてプラント１からデータが出力されている。プラント運転データＤＢ２には、プラント１への入力データと、この入力されたデータ結果としてプラント１からの出力データが、順次書き込まれている。

一方、プラント１の使用者は、コンソール画面３を介して、プロセスモデルのパラメータを設定し、プラントシミュレータ４にシミュレーションの実行命令を出している。

そして、プラントシミュレータ４は、この実行命令を受けて、プロセスモデルのパラメータを設定し、シミュレーションに必要なプラント１への入力をプラント運転データＤＢ２から読み込み、シミュレーションを実行している。シミュレーション実行後、プラント１の使用者は、プラント運転データＤＢ２に蓄えられているプラント１からの出力と、プラントシミュレータ４で計算されたシミュレータ出力をコンソール画面３で比較検討しながら、プロセスモデルのパラメータを調整している。

しかし、近年のプロセスプラントは生産効率やエネルギー効率の向上のため高度に統合化され、プロセス内部での物質回収や熱回収が積極的に行われ、プロセス内部の物理量の相互相関が強くなっている。そのため、あるモデルパラメータを変更することは、プロセスモデルの局所的な値のみならず、プロセスモデル全域に影響を与えるため、プロセスモデルのパラメータを調整していく場合、常にプラント全域に現れる影響を見ながら、検討しなければならないという問題がある。

さらに、確認すべきタグの数は、たとえば中規模の製造プロセスプラントの場合は１００程度であるが、大規模なプロセスプラントの場合は１０００前後になる。また、プラントの動特性をシミュレーションするダイナミックプロセスシミュレータでは、１００〜１０００の数のタグについて、プラント出力とシミュレータ出力の間で定常値に限らず、時系列データの動特性も比較検討しながらモデルパラメータを調整していかなくてはならないため、大変困難な作業となってしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するものであり、プロセスモデルのパラメータを変更しシミュレーションを実行した場合、その変更がシミュレーション結果のプラント全域に与える影響を把握しやすいように視覚化し、プロセスモデルのパラメータ調整を支援する装置を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１は、
実際のプラントに入力されたデータに基づきシミュレーションを実行しながら、前記プラントの出力と前記シミュレーションの結果が一致するようにパラメータを調整するパラメータ調整支援装置において、
前記シミュレーションの結果を保存するシミュレーション結果データベースと、
前記シミュレーションの結果と前記プラントの出力一致度を時系列的に計算する適合率計算部と、
この適合率計算部の計算結果に基づき適合率の変化量を計算し、この計算結果を大きさ順に並べる適合率変化量計算整列部と
を有することを特徴とする。

請求項２は、請求項１記載のパラメータ調整支援装置において、
前記適合率計算部は、前記プラントの出力と前記シミュレーションのモデルパラメータの変更前後における前記シミュレーションの結果との適合率の変化量から計算することを特徴とする。

請求項３は、請求項１記載のパラメータ調整支援装置において、
前記適合率変化量計算整列部は、計算した最大適合率変化量に基づき、前記シミュレーションの任意のモデルパラメータを変更した時の影響を整列し表示することを特徴とする。

請求項４は、請求項１〜３いずれかに記載のパラメータ調整支援装置において、
前記パラメータ調整支援装置は、前記プラント内を調整するモデルパラメータの感度を計算する適合率感度量計算部を有することを特徴とする。

請求項５は、請求項４記載のパラメータ調整支援装置において、
前記感度計算は、前記プラント内のモデルパラメータに微小変化量を加える前後の前記シミュレーションの結果と前記プラントの出力の適合率変化量から計算されることを特徴とする。

請求項６は、請求項５記載のパラメータ調整支援装置において、
前記適合率感度計算結果は、適合率変化量の大きさによって色分け表示されることを特徴とする。

このように構成することにより、プロセスモデルのパラメータを変更しながらシミュレーションを実行した場合、その変更がシミュレーション結果のプラント全域に与える影響を把握しやすいように視覚化することで、パラメータ調整時間を短縮でき、プラントの全体的な把握ができる。

以下、図面を用いて、本発明のパラメータ調整支援装置を説明する。図１は、本発明のパラメータ調整支援装置の一実施例を示すブロック図である。

図１において、本発明のパラメータ調整支援装置は、図１０の従来のプラントシミュレータにはない、シミュレータのシミュレーション結果を保存するシミュレーション結果ＤＢ５と、シミュレーション結果と前記プラントの出力の一致度を時間の経過にしたがって時系列的に計算する適合率計算部６と、この適合率計算部６の計算結果に基づき適合率の変化量を計算し、この計算結果を大きさ順に並べる適合率変化量計算整列部７を有することを特徴とする。

ここで、プラント運転データＤＢ２には、時間の経過に関連した時系列パラメータｋとして、ｑ個のプラント１の操作入力｛ｕ_s(ｋ)｝(１≦ｓ≦ｑ)と、その時点でのＮ個のプラント１の出力ｙ_i(ｋ)｝(１≦ｉ≦Ｎ)が保存されている。

図２は、パラメータ調整支援装置の動作を示すフローチャートである。

開始にあたり、使用者は、コンソール画面３から、シミュレーションを行う区間１≦ｋ≦Ｌを指定し、シミュレーション実行命令を出す。

ステップＳ１では、プラントシミュレータ４は、プラント運転データＤＢ２に保存されているプラント１の入力｛ｕ_s(ｋ)｝(１≦ｓ≦ｑ)と、変更前のモデルパラメータセット｛θ_j ^old｝（１≦ｊ≦Ｍ）でシミュレーションを実行し、そのシミュレーション結果｛ｙ_i ^~old(ｋ)｝(１≦ｉ≦Ｎ)をシミュレーション結果ＤＢ５へ保存する。なお、モデルパラメータとは、たとえばプラント１内に反応器が有る場合、この反応器の高さや大きさなどのことをいう。

ステップＳ２では、プロセス運転データＤＢ２に保存されたプラント１の出力｛ｙ_i(ｋ)｝とシミュレーション結果ＤＢ５に保存されたシミュレーション結果｛ｙ_i ^~old(ｋ)｝に基づき、時間の経過にしたがった両者の一致度を、時系列的な適合率｛Ａ_i ^old｝(１≦ｉ≦Ｎ)として適合率計算部６で計算する。

ここで、適合率Ａｉ^oldの計算方法としては、たとえば非特許文献１に記載されている次式などが挙げられる。

ステップＳ３では、使用者は、コンソール画面３を通じて、調整を行うあるモデルパラメータθ_jについて、パラメータの変更値をθ_j ^newとして設定する。

ステップＳ４では、プラントシミュレータ４は、プラント運転データＤＢ２に保存されているプラント１の入力｛ｕ_s(ｋ)｝(１≦ｓ≦ｑ)と、変更後のモデルパラメータセット｛θ_j ^new｝(１≦ｊ≦Ｍ）でシミュレーションを実行し、シミュレーション結果｛ｙ_i ^~new(ｋ)｝(１≦ｉ≦Ｎ)をシミュレーション結果ＤＢ５へ保存する。

ステップＳ５では、モデルパラメータ変更後のシミュレーション結果｛ｙ_i ^~new(ｋ)｝とプロセス出力｛ｙ_i(ｋ)｝の適合率｛Ａ_i ^new｝(１≦ｉ≦Ｎ)を、ステップＳ２と同様に適合率計算部６で計算する。たとえば、実プラント１とシミュレーション結果が一致するように両者の差分をより小さくするためには、ステップＳ２の計算結果からモデルパラメータの反応器の高さを小さくすればよいと判断できる場合、反応器の高さをステップＳ２よりも小さい値にして、適合率を計算する。

ステップＳ６では、ステップＳ２で計算された適合率｛Ａ_i ^old｝と、ステップＳ５で計算された適合率｛Ａ_i ^new｝とから、適合率の変化量｛ΔＡ_i｝(１≦ｉ≦Ｎ)を以下のように計算し、適合率変化量計算整列部７で適合率の大きさ順に並べる。
ΔＡ_i=Ａ_i ^new-Ａ_i ^old

ステップＳ７では、ステップＳ６で計算された適合率の変化量｛ΔＡ_i｝をコンソール画面３へ図３のように表示する。

そして、ステップＳ７で表示された任意のタグｉを選択することにより、図４に示すように、シミュレーション結果ＤＢ５に保存されたパラメータ修正前後のシミュレーション結果ｙ_i ^~old(ｋ)およびｙ_i ^~new(ｋ)と、プラント運転データＤＢ２に保存されたプラント１の出力ｙ_i(ｋ)が表示される。

図３は、シミュレーション結果の適合率変化量結果表示の一例である。このように、本発明のプロセスシミュレータのパラメータ調整支援装置を用いて、任意のモデルパラメータを変更することにより、プラント１の全域に渡って、正負両方向の適合率の変化量の大きなタグを一目で把握できる。

図４は、選択タグのパラメータ調整結果表示の一例である。図３で表示された任意のタグを選択することにより、選択したタグのパラメータ修正前および修正後のシミュレーション結果を、プラント１の出力に対して表示することができる。たとえば、図３で表示された最大の適合率変化量のタグを選択した場合、プラント１の出力に対するパラメータ修正前後のシミュレーション結果の全体的な変化が確認できる。

すなわち、図４のようにシミュレーション結果ＤＢ５に保存されているモデルパラメータの調整前後におけるシミュレーション結果と、プロセス運転データＤＢに保存されているプラント１の出力を表示することにより、任意のパラメータを変更した場合の影響がタグに表れる効果を迅速に把握できる。

すなわち、本発明によれば、任意のモデルパラメータを変更した場合、プラント１の全域に渡って表れる影響を迅速に把握できるため、プロセスモデルのパラメータ調整作業効率を上げることができる。

図５は本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と異なる点は、適合率感度量計算部８を有することである。

図６は、プロセスシミュレータのパラメータ調整支援装置の動作を示すフローチャートである。

開始にあたり、使用者は、コンソール画面３から、シミュレーションを行う区間１≦ｋ≦Ｌを指定し、感度解析実行命令を適合率感度量計算部８へ出す。

ステップＳ１１では、プラントシミュレータ４は、プラント運転データＤＢ２に保存されているプラント１の入力｛ｕ_s(ｋ)｝(１≦ｓ≦ｑ)と、変更前のモデルパラメータセット｛θ_j ^old｝(１≦ｊ≦Ｍ）でシミュレーションを実行し、そのシミュレーション結果｛ｙ_i ^~old(ｋ)｝(１≦ｉ≦Ｎ）をシミュレーション結果ＤＢ５へ保存する。

ステップＳ１２では、プロセス運転データＤＢ２に保存されたプラント１の出力｛ｙ_i(ｋ)｝とシミュレーション結果ＤＢ５に保存されたシミュレーション結果｛ｙ_i ^~old(ｋ)｝に基づき、時間の経過にしたがった両者の一致度を、時系列的な適合率｛Ａ_i ^old｝(１≦ｉ≦Ｎ）として適合率計算部６で計算する。

ステップＳ１３では、適合率感度量計算部８で適合率変化量を計算していないモデルパラメータｊを選択し、選択したパラメータ値に微小変化量Δθ_jを加え、以下の式のように変更する。この変更されたモデルパラメータ値が、プラントシミュレータ４に設定される。
θ_j ^new＝θ_j ^old＋Δθ_j

ステップＳ１４では、プラントシミュレータ４は、プラント運転データＤＢ２に保存されているプラント１の入力｛ｕ_s(ｋ)｝(１≦ｓ≦ｑ)と変更後のモデルパラメータセット｛θ_j ^new｝(１≦ｊ≦Ｍ）でシミュレーションを実行し、シミュレーション結果｛ｙ_i ^~new(ｋ)｝(１≦ｉ≦Ｎ）をシミュレーション結果ＤＢ５へ保存する。

ステップＳ１５では、モデルパラメータ変更後のシミュレーション結果｛ｙ_i ^~new(ｋ)｝とプロセス出力｛ｙ_i(ｋ)｝に基づき、時間の経過にしたがった両者の一致度を、時系列的な適合率｛Ａ_ij ^new｝(１≦ｉ≦Ｎ，ｊ）として適合率計算部６で計算する。

ステップＳ１６では、ステップＳ１２で計算された適合率｛Ａ_i ^old｝とステップＳ１５で計算された適合率｛Ａ_ij ^new｝から、適合率の変化量｛ΔＡ_i,j｝を以下のように計算し、適合率変化量計算整列部７で適合率の大きさ順に並べる。
ΔＡ_i,j=Ａ_i,j ^new−Ａ_i ^old

ステップＳ１７では、全てのモデルパラメータについて適合率変化量を計算したか調べ、全てのモデルパラメータについて調べていなければモデルパラメータセットを｛θ_j ^old｝へ設定し直してステップＳ１３へ戻り、全てのモデルパラメータについて調べていればステップＳ１８へと移る。

ステップＳ１８では、ステップＳ１１〜ステップＳ１７で計算された適合率の変化量｛ΔＡ_i,j｝(１≦ｉ≦Ｎ，１≦ｊ≦Ｍ）の各要素を図７のように適合率の大きさによって色分けし、コンソール画面３へ表示する。

ステップＳ１８において、コンソール画面３で計算結果が表示されることにより、図６の一連の動作は終了する。

図７は、適合率変化量の感度計算結果表示の一例である。図６で説明した動作により、プラントシミュレータ４のモデルパラメータを調整する場合、各パラメータに対する適合率変化量が感度計算結果として表示される。図７のように表示することにより、プラント１の全域に渡ってどのパラメータがどのタグにどれだけ影響を与えるかを一目で把握できる。

ここで、図７に示すように、着目するタグｉのモデルパラメータｊ方向について適合率の変化量｛ΔＡ_i,j｝を適合率の変化量の大きさ順に並べることにより、タグｉの適合率に対して感度のあるモデルパラメータｊを一目で知ることができる。

また、図８は、ＴＡＧ１についてθ方向の感度の大きさ順に並べた適合率変化量の感度計算結果表示の一例である。併せてタグｉの方向についても感度の大きさ順に並べることにより、タグｉ以外のモデルパラメータｊを調整することにより相関のあるタグを一目で知ることができる。

さらに、図９は、θ５についてＴＡＧ方向の感度の大きさ順に並べた適合率変化量の感度計算結果表示の一例である。この場合、たとえばθ５について、ＴＡＧ方向の感度の大きさ順に並べた適合率変化量の感度計算結果として、感度の変化量が大きいＴＡＧ順に並べられていることが確認できる。

このようにして、プラントシミュレータ４の調整すべきモデルパラメータの選択に指針を与えることができ、モデルパラメータを変更したことによる影響を一目で確認できる適合率感度解析装置を構築できる。

以上説明したように、本発明によれば、プロセスモデルのパラメータを変更しシミュレーションを実行した場合、その変更がシミュレーション結果のプラント１の全域に与える影響を把握しやすいように視覚化することで、時間の短縮およびプラント１の全体的な把握ができる。さらに本発明を応用した場合、プラントシミュレータ４のパラメータ調整を行う際に、調整すべきモデルパラメータの選択に指針を与える適合率感度解析装置が構築できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の動作の一実施例を示すフローチャートである。 図１のシミュレータ出力の一実施例を示す適合率変化量結果表示である。 図３の選択タグの一実施例を示すパラメータ調整結果表示である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 図５の動作の一実施例を示すフローチャートである。 図５のシミュレータ出力の一実施例を示す適合率変化量感度計算結果表示である。 図７のＴＡＧ１についてθ方向の感度でソートした場合の一実施例を示す適合率変化量の感度計算結果表示である。 θ５についてＴＡＧ方向の感度でソートした適合率変化量の感度計算結果表示である。 従来の石油・石油化学などのプロセス産業で使用されるプラントシミュレータの一例を示す構成図である。

符号の説明

１ プラント
２ プラント運転データＤＢ
３ コンソール画面
４ プラントシミュレータ
５ シミュレーション結果ＤＢ
６ 適合率計算部
７ 適合率変化量計算整列部
８ 適合率感度量計算部

Claims (6)

1. 実際のプラントに入力されたデータに基づきシミュレーションを実行しながら、前記プラントの出力と前記シミュレーションの結果が一致するようにパラメータを調整するパラメータ調整支援装置において、
   前記シミュレーションの結果を保存するシミュレーション結果データベースと、
   前記シミュレーションの結果と前記プラントの出力一致度を時系列的に計算する適合率計算部と、
   この適合率計算部の計算結果に基づき適合率の変化量を計算し、この計算結果を大きさ順に並べる適合率変化量計算整列部と
   を有することを特徴とするパラメータ調整支援装置。
2. 前記適合率計算部は、前記プラントの出力と前記シミュレーションのモデルパラメータの変更前後における前記シミュレーションの結果との適合率の変化量から計算することを特徴とする請求項１記載のパラメータ調整支援装置。
3. 前記適合率変化量計算整列部は、計算した最大適合率変化量に基づき、前記シミュレーションの任意のモデルパラメータを変更した時の影響を整列し表示することを特徴とする請求項１記載のパラメータ調整支援装置。
4. 前記パラメータ調整支援装置は、前記プラント内を調整するモデルパラメータの感度を計算する適合率感度量計算部を有することを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のパラメータ調整支援装置。
5. 前記感度計算は、前記プラント内のモデルパラメータに微小変化量を加える前後の前記シミュレーションの結果と前記プラントの出力の適合率変化量から計算されることを特徴とする請求項４記載のパラメータ調整支援装置。
6. 前記適合率感度計算結果は、適合率変化量の大きさによって色分け表示されることを特徴とする請求項５記載のパラメータ調整支援装置。