JP2015072512A - プラント設備異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラント設備を構成する複数の機器の状態を判定して、プラント異常を診断する装置の提供。【解決手段】プラント異常診断装置は、プラント設備を構成する機器毎の状態を示す状態値を継時的に入力する機器状態値入力部と、所定期間における各機器の状態値から各機器間の状態値相関係数を算定する相関係数算定部と、前記状態値相関係数が予め設定されている許容範囲から外れた場合、前記プラント設備に異常が生じていると判定する異常判定部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスプラント設備や火力発電プラント設備など各種プラント設備において、プラント機器の故障や不具合などのプラント設備の異常を診断するプラント設備異常診断装置に関する。

従来技術として、プラントの同一状態量を測定した複数の計測信号またはプラントの同種の複数の機器の状態を計測した各計測信号の中から、異常信号のみを適確に検出し、機器の異常を見つけ出すプラント信号監視装置が知られている（特許文献１参照）。このプラント信号監視装置は、一定周期でサンプリングして得られた各計測信号間の統計的特徴量を、多次元の状態空間のデータ集合として算出し、このデータ集合間の距離に基づき各計測信号間の類似度を算定する。さらに、プラント信号監視装置は、この類似度に応じて各計測信号を分類し、この分類結果に基づき、異常信号を検出し報知する。

特開平５−２５６７４１号公報（図１）

上述した特許文献１によるプラント信号監視装置では、異なる種類の機器毎に、異常検出のための信号監視処理を行う必要がある。しかし、プラント設備は多数の系統と多種類の機器によって構成されているので、プラントの系統毎にあるいは機器の種類毎に独立した信号監視を行うと、監視処理負担が大きくなる。また、異なる系統ないしは異なる機器から得られる計測信号の間に、様々な関係性が存在することも少なくないので、この関係性を無視してプラントの異常を診断することは不合理である。
このため、同種や異種にかかわらず、プラント設備を構成する複数の機器の状態を示す状態値を検出し、これらの状態値の関係性を考慮しながら、迅速かつ簡単に、プラント異常を診断する装置が要望されている。

本発明によるプラント異常診断装置は、プラント設備を構成する機器毎の状態を示す状態値を継時的に入力する機器状態値入力部と、所定期間における各機器の状態値から各機器の状態値間の相関係数を算定する相関係数算定部と、算定された相関係数の集合体である相関係数集合体において、相関係数間で許容範囲を超える変移が発生した場合、前記プラント設備に異常が生じていると判定する異常判定部とを備えている。

この構成によれば、所定期間における機器（計器）の状態を示す状態値が取得され、機器間での状態値間の相関係数が継時的に算定される。そして、求められた相関係数の集合体内で、相関係数間の変移が許容範囲を超えて起こった（換言すると許容範囲を外れた）場合に、プラント設備に異常が生じているとみなされる。この発明では、各機器の状態を示す状態値を直接監視して、当該機器の異常を検知し、プラント設備に異常が発生したとみなすのではなく、継時的に算定される各機器の状態値に関する複数の相関係数の関係が許容範囲から外れる変移を生じた場合に、プラント設備に異常が発生したと判定するのである。プラント設備においては、個々の機器の状態は、それが異なるプラント系統の機器同士の状態であったとしても、強い関係性をもつことも少なくないので、本発明による異常診断は従来技術にない利点を有する。

状態値相関係数を算定する各機器の位置がプラント処理の流れに関してかなり離れている場合、あるいは各機器が別なプラント系統に属しているような場合、それぞれの間に一定の相関関係があるとしても、その相関関係は時間的にずれている可能性がある。このようなプラント特性を考慮するために、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記各機器間の状態値間の相関係数を算定する際に、前記所定期間が各機器のプラント設備における位置に基づいて機器毎に調整されるように構成されている。これにより、その状態値の変化が時間的にずれた関係にある機器間においても、適切な相関係数が算定され、異常診断の精度が向上する。

この発明で評価対象となる機器の数が多数の場合、好ましくはある程度の関係のある機器同士を区分けすることで、各機器の状態値間の相関係数も複数の集合体に区分けすることができる。これによって、算定されたすべての相関係数間の変移の評価を分散処理することができ、処理負荷的な利点をえる。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記各機器の状態値間の相関係数評価が、組み合わされた一対の機器の状態値から算定される相関係数の集合体である相関係数集合体の形態で行われ、その際相関係数集合体を区分けしたサブ相関係数集合体が評価単位として取り扱われる構成が採用されている。このようなサブ相関係数集合体の区分けは、予め設定しておいた相関係数群に対しておこなうことができる。また、相関係数集合体に含まれる全ての相関係数について、例えば、相関係数が一定値（例えば０．７５）以上となっている相関係数を群として抽出し、抽出された相関係数群でサブ相関係数集合体を生成し、当該サブ相関係数集合体内で、相関係数間で許容範囲を超える変移が発生している場合に、異常と判断してもよい。

プラント設備の異常が診断された場合、その異常に直接かかわっている機器を特定することができると好都合である。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記異常判定部による異常判定の根拠となった相関係数から異常箇所を特定する異常箇所特定部が備えられている。

本発明の基本的な原理を説明する模式図である。 本発明の具体的な実施形態の１つであるプラント設備異常診断装置の機能ブロック図である。 相関係数によるプラント設備異常診断を説明する模式図である。

本発明によるプラント設備異常診断装置の具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いて本発明を特徴付けている基本的な原理を説明する。
都市ガスプラント設備や火力発電プラント設備では、数万点の計器などによってプラントの状態値（プロセスデータ）が検出されており、それらの状態値の相関係数の時間的変動に基づいてプラントの状態が正常であるかどうかが判定される。異常状態と判定されると、各種の警報が発せられる。この原理を、ここでは説明を簡単にするため、３つの計器（機器の一種）から出力される３つの状態値ｘ1、ｘ2、ｘ3だけを取り扱うことにする。各状態値は、図1では時間を横軸とするグラフで示されているように、時間経過とともに変化する。図1では、各時点ｔ1，ｔ2、ｔ3を基準として設定されている時間間隔Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3における状態値変動（複数のサンプリング状態値）が取り扱われる。ここでは、1番目の計器の時間間隔Ｔ1の状態値の集合をＸ1で、２番目の計器の時間間隔Ｔ2の状態値の集合をＸ2で、３番目の計器の時間間隔Ｔ3の状態値の集合をＸ3で示している。

得られた状態値Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3から、各計器の状態値の間の相関係数として、それぞれ相関係数Ｃ12、Ｃ23、Ｃ13、が算定される。相関係数を求める関数をＣとすれば、つぎのような関係式で表される。
Ｃ12＝Ｃ(Ｘ1,Ｘ2)、
Ｃ23＝Ｃ(Ｘ2,Ｘ3)、
Ｃ13＝Ｃ(Ｘ1,Ｘ3)。
これらの算定された相関係数の集合体（相関係数集合体）Ｇが、ここでは、
Ｇ123＝Ｇ[Ｃ12,Ｃ23,Ｃ13]で表されている。
この相関係数集合体を、順次所定のタイミングで算定し、評価することになるが、通常のプラント設備では、この相関係数集合体Ｇに含まれる相関係数の個数は、数千から数万に及ぶので、この相関係数集合体を部分的なサブ相関係数集合に区分けして、評価してもよい。例えば、集合体Ｇ12345・・（Ｇ[Ｃ12,Ｃ23,Ｃ13,Ｃ14・・・・・]）の場合、Ｇ[Ｃ12,Ｃ23,Ｃ13]がサブ相関係数集合体である。このようなサブ相関係数集合体の区分けは、予め設定しておいた相関係数群に対しておこなうことができる。以下の例では、このように予め設定しておいた場合について説明する。

次に、各計器で所定タイミング毎に得られる状態値の間での算定された相関係数集合体の変移が、予め定められている許容範囲に入っているかどうかチェックされる。相関係数集合体の変移が許容範囲に入っていれ（複数の相関係数間で、その関係が許容範囲内におさまれ）ば、プラントは正常と判定され、相関係数集合体の変移が許容範囲から外れる（複数の相関係数間で、その関係が許容範囲から外れる）と、プラントは異常である判定される。プラントが異常である判定されると、異常判定の根拠となった相関係数集合体の許容範囲を超える変移に影響を及ぼした相関係数と、それに対応する状態値を選別し、その計器を特定することで、プラント設備の異常箇所を特定する。
但し、プラント設備においては、相関係数集合体を構成する相関係数が多数に上るため、相関係数集合体から区分けされたサブ相関係数集合体毎に異常判定を行うとよい。そのサブ相関係数集合体の変移が許容範囲から外れると、サブ相関係数集合体から異常判定の根拠となった相関係数ないしは状態値を見つけ出し、これにより最終的に異常判定の原因となる計器ないしはプラントの特定箇所が特定される。

次に、図面を用いて、本発明によるプラント設備異常診断装置の具体的な実施形態の１つを説明する。図２は、そのようなプラント設備異常診断装置の機能ブロック図である。ここでのプラント設備は、都市ガスの生成プラントであるが模式化されている。プラント設備には、複数の処理系統から構成されており、各処理系統には多数のプラント機器が含まれている。これらのプラント機器の状態は、その状態の検出に適した計器によって検出される。そのような計器として圧力計（図ではＰで示されている）、温度計（図ではＴで示されている）、流量計（図ではＦで示されている）がわずか７つ図示されているだけであるが、実際のプラント設備では、計器の数は数万点にも及ぶ。その内訳は、タンク圧監視用圧力計、配管圧監視用圧力計、圧力制御用圧力計、タンク温度監視用温度計、配管温度監視用温度計、ガス流量補正用温度計、流量制御用弁開度検出器、熱量監視用熱量計などである。

このプラント設備異常診断装置は、実質的にはコンピュータで構成されており、この発明で必要な多くの機能は、コンピュータにインストールされたプログラムを実行することで実現するが、ハードウエアで構築してもよい。プラント設備異常診断装置は、そのような機能部として、機器状態値入力部２、相関係数算定部３、時間調整部４、異常判定部５、異常箇所特定部６、データ出力部７を備えている。データ出力部７には、データ出力デバイスとして、モニタ８１とプリンタ８１が接続されている。

機器状態値入力部２は、上述したプラント設備に装備されている計器の検出値を各機器の状態値として入力する。入力された状態値に対して、コンピュータ内部の上述した機能部での利用の適用できるように、データフォーマットの変換や正規化などの前処理が行われる。また入力されたままの状態値や前処理を施された状態値を、次の処理のために、少なくとも一時的に格納するメモリ等を備えている。

相関係数算定部３は、時間調整部４によって設定された所定時間（期間）における各機器の状態値を機器状態値入力部２から受け取り、この状態値を用いて機器間の状態値相関係数（以下単に相関係数とも称する）を算定する。時間調整部４は、プラント設備の各処理系統の異なる箇所に割り当てられている機器の状態が、発生事象に対して遅れをもって変化することが少なくないので、この時間遅れを考慮して、調整された検出時期の状態値が相関係数を算定するために用いられる。なお、この時間遅れが固定されている場合には、その時間遅れを考慮して各状態値が機器状態値入力部２から相関係数算定部３に送られる構成とすれば、時間調整部４は省略可能である。また、そのような時間遅れを無視することができるなら、この時間調整部４は不要となる。

多数の評価対象となる機器群（状態値群）の間の多数の相関係数の変移を同時に評価していくには演算負担が大きい。またまったく関連性のない機器も存在しており、それらの相関係数を評価するのも無駄である。このことから、すべての相関係数の中から予め区分けされた相関係数からなるサブ相関係数集合体を作成し、サブ相関係数集合体ごとにそこに含まれている相関係数の変移が評価される。

異常判定部５は、相関係数算定部３によって算定された状態値の相関係数に関して、サブ相関係数集合体を構成する相関係数間で変移が発生し、それが許容範囲から外れた場合、前記プラント設備に異常が生じていると判定する。異常箇所特定部６は、異常判定部５による異常判定の根拠となった相関係数あるいは相関係数群から異常箇所を特定する。異常判定部５でプラント設備に異常が判定され、場合によってはその異常箇所も特定されると、判定された異常に関する情報が、データ出力部７を通じて、モニタ８１やプリンタ８２に出力される。

この異常判定の流れを、図３に示された簡単な模式図を使って説明する。図３では、第1の機器の状態値を検出する計器Ａ、第２の機器の状態値を検出する計器Ｂ、第３の機器の状態値を検出する計器Ｃが取り上げられている。３つのグラフは各状態値の横軸を時間軸とする変動を示している。実線は計器Ａによる状態値を示し、点線は計器Ｂによる状態値を示し、一点鎖線は計器Ｃによる状態値を示す。各状態値は、所定時間間隔をあけた時点ｔ1、ｔ2、ｔ3、・・・をサンプリング基準点として検出され、各時点における計器の状態値間の相関係数が算定される。図３の例では、時点ｔ1では、計器Ａからの状態値と計器Ｂからの状態値との相関係数は「０.８」、計器Ｂからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数は「０.２」、計器Ａからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数は「０.９」と算定されている。ここでは計器Ａと計器Ｂと計器Ｃとからの状態値の相関関係は、互いを接続する辺長さを二者間の相関係数で示した三角形イメージで表されている。つまり、この三角形状が各時点での相関係数集合体がもつ相関イメージである。相関係数集合体に含まれる相関係数が変動すると、その三角形状の相関イメージも崩れることになる。図例では、時点ｔ1と時点ｔ2との相関イメージは同じであるが、時点ｔ3での相関イメージは異なっている。これは、時点ｔ1では、計器Ａからの状態値と計器Ｂからの状態値との相関係数は「０.５」、計器Ｂからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数は「０.２」、計器Ａからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数は「０.１」と算定されているからである。

この時点ｔ3での相関イメージは許容範囲から外れるので、プラント異常と判定される。特に計器Ａからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数の変化が大きく、計器Ｂからの状態値と計器Ｃからの状態値との相関係数は変化していないことから、計器Ａに関係する機器ないしはその関連箇所が異常箇所と推定される。
〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態では、サブ相関係数集合体において、各状態量の相関関係を評価するようにしたが、処理が可能であれば、演算可能な全ての相関係数に基づいて相関係数集合体の変移の評価を行ってもよい。
（２）さらに、サブ相関係数集合体の区分けに際しては、予め設定した相関係数にのみ注目してもよいし、相関係数集合体に含まれる全ての相関係数について、例えば、相関係数が一定値（例えば０．７５）以上、或いは一定値（−０．７５）以下となっている相関係数を群として抽出し、抽出された相関係数群でサブ相関係数集合体を生成し、当該サブ相関係数集合体内で、相関係数間で許容範囲を超える変移が発生している場合に、異常と判断してもよい。
（３）さらに、サブ相関係数集合体の区分けに際しては、予め設定した相関係数にのみ注目しておき、この区分けにおいて、相関係数が大きく変化したもの（例えば、０．７５からー０．７５に変化したもの）を抽出してサブ相関係数集合体を生成し、その集合体において、変移の評価をおこなうものとしても良い。

本発明によるプラント設備異常診断装置は、都市ガスプラント設備や火力発電プラント設備など、種々のプラント設備における異常診断のために利用することができる。

２機器状態値入力部
３相関係数算定部
４時間調整部
５異常判定部
６異常箇所特定部
７データ出力部

Claims (4)

1. プラント設備を構成する機器毎の状態を示す状態値を継時的に入力する機器状態値入力部と、所定期間における各機器の状態値から各機器の状態値間の相関係数を算定する相関係数算定部と、算定された相関係数の集合体である相関係数集合体において、相関係数間で許容範囲を超える変移が発生した場合、前記プラント設備に異常が生じていると判定する異常判定部とを備えているプラント設備異常診断装置。
2. 前記各機器の状態値間の相関係数を算定する際に、前記所定期間が前記機器のプラント設備における位置に基づいて機器毎に調整される請求項１に記載のプラント設備異常診断装置。
3. 前記各機器の状態値間の相関係数評価が、組み合わされた一対の機器の状態値から算定される相関係数の集合体である相関係数集合体の形態で行われ、その際相関係数集合体を区分けしたサブ相関係数集合体が評価単位として取り扱われる請求項１または２に記載のプラント設備異常診断装置。
4. 前記異常判定部による異常判定の根拠となった相関係数から異常箇所を特定する異常箇所特定部が備えられている請求項１から３のいずれか一項に記載のプラント設備異常診断装置。

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