JP2018190048A - プロセス制御システム及びデータ処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本発明の第1実施形態に係る制御システムの一構成例について説明する。
図1は、本実施形態に係る制御システム1の一構成例を示すブロック図である。
本実施形態に係る制御システム1は、端末装置10、制御装置20及びI/Oモジュール30を含んで構成されるプロセス制御システムである。図1に示す例では、I/Oモジュール30の数は3個である。以下の説明では、一群のI/Oモジュールを総称する場合や区別する必要がない場合には、I/Oモジュール30と呼ぶ。個々のI/Oモジュールを区別する場合には、I/Oモジュール30−1等と、「−1」等の子番号を付して呼ぶ。3個のI/Oモジュール30のうち、I/Oモジュール30−1、30−3が、本発明に係る電子機器の実施形態である。制御装置が制御対象とする被制御系は、プラント設備60である。端末装置10と制御装置20は、制御ネットワークNWを介して接続される。端末装置10と制御装置20との間では、無線又は有線で相互に各種のデータが送受信可能である。なお、端末装置10と制御装置20は、一体化した単一の装置として構成されてもよい。従って、制御ネットワークNWは、必ずしも制御システム1の構成要素にならなくてもよい。また、I/Oモジュール30−1〜30−3は、それぞれ制御装置20と着脱可能な独立した機器として構成されてもよいし、制御装置20と一体化し、制御装置20の一部として構成されてもよい。
制御装置20は、例えば、DCS(Distributed Control System:分散型制御システム)、FA(Factory Automation)におけるPLC(Programmable Logic Controller)などとして構成されてもよい。
制御演算部22には、I/Oモジュール30から所定時間毎にプラント設備60の状態を示す入力値が入力される。この入力値は、制御量に相当する。目標値として、端末装置10から入力される指示情報で指示された値が用いられてもよいし、予め制御演算部22に設定された値が用いられてもよい。制御演算部22は、出力値と目標値との偏差が小さくなるように、入力値に所定の制御演算を行ってI/Oモジュール30を介してプラント設備60に出力する出力値を逐次に算出する。算出される出力値が操作量に相当する。制御演算は、例えば、PI制御、PID制御などである。制御演算部22は、算出した出力値をI/Oモジュール30に出力する。入力値の種類、チャネル数、出力値の種類、チャネル数は、制御演算によって異なりうる。図1に示す例では、制御演算部22には、I/Oモジュール30−1、30−3からそれぞれ入力値が入力され、出力値がI/Oモジュール30−2に出力される。制御演算部22は、各時点の出力値又は偏差を観測値とする時系列データを端末装置10に通信部24を介して送信してもよい。
プラント設備60には、各種のフィールド機器62が設置される。フィールド機器62には、プラント設備60の運転状態を検出するためのセンサと、プラント設備60の運転状態を操作するためのアクチュエータとがある。
アクチュエータは、出力値に応じて動作し、その動作に応じてプラント設備60の状態が変化する。アクチュエータは、例えば、ポンプ、コンプレッサ、バルブ、モータ、モータ駆動装置などである。一般に、出力値が大きいほどアクチュエータの動作量が大きくなる。例えば、アクチュエータの動作量は、出力値に比例する。図1に示す例では、フィールド機器62−1、62−3は、それぞれセンサであり、フィールド機器64−1は、アクチュエータである。フィールド機器62−1、62−3、制御演算部22及びフィールド機器64−1により1個の制御ループが形成される。
次に、本実施形態に係る変化傾向判定部34の一構成例について説明する。図2は、本実施形態に係る変化傾向判定部34の一構成例を示すブロック図である。
変化傾向判定部34は、時系列データ記憶部342、時系列範囲抽出部344及び変化傾向算出部346を含んで構成される。変化傾向判定部34は、1チップCPU(Central Processing Unit)などの演算デバイスを含んで構成されてもよい。
時系列データ記憶部342は、データ取得部32(図1)から入力される観測値を逐次に記憶する。時系列データ記憶部342には、その観測値が取得された時刻の順に観測値が累積される。累積された一群の観測値は、各時点の観測値を示す時系列データとして形成される。時系列データ記憶部342は、例えば、FIFO(First−in First−out)型バッファメモリを含んで構成されてもよい。
「急激に上昇」、「緩やかに上昇」、「一定」、「緩やかに下降」、「急激に下降」
「急激に上昇」は、観測値の傾きが所定の閾値1よりも大きい場合に与えられる。「緩やかに上昇」は、観測値の傾きが所定の閾値2よりも大きく、閾値1以下である場合に与えられる。「一定」は、観測値の傾きが所定の閾値3以上であって閾値2以下である場合に与えられる。「緩やかに下降」は、観測値の傾きが所定の閾値4以上であり、閾値3よりも小さい場合に与えられる。「急激に下降」は、観測値の傾きが閾値4よりも小さい場合に与えられる。ここで、閾値1、閾値2は、いずれも0よりも大きい正の値であり、閾値1は閾値2よりも大きい。閾値3、閾値4は、いずれも0よりも小さい負の値であり、閾値4は閾値3よりも小さい。
次に、時系列データの変化傾向の算出方法の具体例について説明する。
ここで、変化傾向算出部346に入力される時系列データを構成する時刻tiにおける観測値をxtiと表す。iは、各時点の順序を示す整数である。時刻tNは、現時点の時刻を示す。変化傾向算出部346には、ウィンドウサイズWが予め設定されている。ウィンドウサイズWは、移動平均区間内の観測値の数2K+1に相当する。Kは、解析範囲内の観測値の数を示す1以上の整数である。
変化傾向算出部346は、式(1)に示す目的関数Jを最小化する傾きatNを算出する際、式(2)で与えられる関係を用いる。
なお、変化傾向算出部346において、現時点tNまでの解析範囲が期間をもって設定されていれば、解析範囲の一部に観測値を取得できなかった欠損点が存在していても、式(2)を用いた傾きatNの算出が可能である。そのため、フィールド機器62−1、62−3(図1)からの測定値が一時的に測定できない状況、例えば、I/Oモジュール30−1、30−3の全体あるいは一部の機能の一時的な不具合が生じたときや全体あるいは一部の機能が一時的に停止したとき、または、制御ネットワークNWによる伝送損失がある際などの欠損が生じても安定した関数値の算出が可能である。
そして、式(3)に示す目的関数Jを傾きatNで微分して得られる導関数が0となる条件として、式(4)に示す関係が得られる。
また、変化傾向算出部346は、式(8)に示すように、重み係数wiとして、基準時点tN−Kからの経過時間tに依存する関数w(t)を用いて、傾きatNを算出してもよい。
次に、本実施形態に係る端末装置10の一構成例について説明する。図3は、本実施形態に係る端末装置10の一構成例を示すブロック図である。
端末装置10は、データ取得部12と、データ処理部14と、表示部16と、操作入力部18と、を含んで構成される。
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図4は、本変形例に係る制御システム2の一構成例を示すブロック図である。
本変形例に係る制御システム2は、端末装置10、制御装置20、I/Oモジュール30及びリモートI/Oノード40を含んで構成される。
リモートI/Oノード40は、制御装置20と無線又は有線で通信可能に接続される。
図4に示す例では、リモートI/Oノード40は、2個のI/Oモジュール41を備える。I/Oモジュール41は、I/Oモジュール30と同様の構成を備える。即ち、リモートI/Oノード40のデータ取得部42、変化傾向判定部44は、それぞれI/Oモジュール30のデータ取得部32、変化傾向判定部34と同様の構成を備える。但し、データ取得部42−1は、フィールド機器62−4から入力される各時点の入力値を観測値とする時系列データを変化傾向判定部44−1と通信部46に出力する。データ取得部42−2は、フィールド機器62−5から入力される各時点の入力値を観測値とする時系列データを変化傾向判定部44−2と通信部46に出力する。
通信モジュール28は、リモートI/Oノード40と無線又は有線で通信可能に接続される。通信モジュール28は、リモートI/Oノード40から受信した時系列データと変化傾向データを通信部24に出力する。通信モジュール28には、制御演算部22から各時点の出力値を示す時系列データが入力されることがある(図示せず)。その場合には、通信モジュール28は、出力先となるフィールド機器62が接続されたリモートI/Oノード40に入力された時系列データを送信する。
この構成によれば、当該電子機器により取得される時系列データを観察するユーザにおいて、観測値の変化傾向の解釈や将来値の予測に係る負荷が軽減される。そのため、観測値の変化傾向を的確に把握することができ、個々の観測値に対する負荷の軽減により実質的により多くの時系列データを監視することができる。
この構成によれば、現時点に近い時点の観測値ほど重視して一次関数の傾きが算出されるので、観測値の変化の傾向を示す一次関数の関数値の位相が現時点の観測値に対して遅延しない。従って、観測値の傾きとして、乱雑な時間変動が低減又は除去されるとともに、人間の直観に合った観測値の変化の傾向を定量化された値が求められる。よって、ユーザは、監視対象の状態の変化の傾向を容易に判断できるようになる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。上述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を援用する。
図5は、本実施形態に係る制御システム3の一構成例を示すブロック図である。
制御システム3は、端末装置10、制御装置20、I/Oモジュール30及びリモートI/Oノード40を含んで構成される。
本実施形態に係る制御装置20は、制御演算部22、通信部24、通知選別部26及び通信モジュール28を含んで構成される。
図6に示す例では、チャネル1、N−1について通知要(○)と判定され、チャネル2、Nについて通知不要(以下、通知否という)(×)と判定される。そして、通知選別部26は、通知要と判定したチャネルの時系列データと、そのチャネルの変化傾向データを通信部24に出力する。これにより、出力されたチャネルの時系列データと、その時系列データに対応する変化傾向データが端末装置10に送信される。従って、端末装置10の表示部16は、チャネル1、N−1に係る各時点の観測値の時系列とその観測値の傾きを表示し、チャネル2、Nに係る各時点の観測値の時系列とその観測値に係る傾きを表示しない。そのため、表示部16に表示されたユーザ(オペレータ)は、チャネル1、N−1に係る観測値の監視に集中することができる。
ここで、「共連れ」が生ずる場合の一例として、プラントでは、ある箇所の異常によりアラームが発生すると、それをきっかけとして副次的に別の箇所も異常となり、共連れアラーム(a tailgate alarm)が発生することがある。例えば、上流で流量異常が起こった場合には、その影響により下流でも流量異常が起こることになる。
変化傾向保持部262は、変化傾向データ取得部261から入力されたチャネル毎の状態値を一時的に保持する。保持されるチャネル毎の状態値は、最新の観測値の変化傾向を示す。即ち、変化傾向保持部262には、現時点における変化傾向を示す状態値のパターンがチャネル間で集約される。
次に、観測値の変化傾向のパターンの例について説明する。図10(a)は、変化傾向保持部262において保持されるチャネル間の変化傾向のパターンの一例を示す。図10(a)の第1列、第2列、第3列は、チャネル、現時点における観測値の傾き、その傾きの状態値(ステータス)をそれぞれ示す。また、○印で囲まれた右向きの矢印、右上向きの矢印、左下向きの矢印は、それぞれ、状態値が「一定」、「急激に上昇」、「急激に下降」を示す。図10(a)の第2行に示す例では、チャネル42−aについて、傾き、状態値が、それぞれ「0.01」、「一定」となる。第N+1行に示す例では、チャネル42−Nについて、傾き、状態値が、それぞれ「0.98」、「急激に上昇」となる。チャネル毎に与えられる状態値からなるパターンが、比較部264において判断テーブルが示す事象毎のパターンと比較される。
比較部264は、判断テーブルが示すM個のパターンのそれぞれについて、図10(a)に示すパターンと比較する。比較部264は、図10(a)に示すパターンと合致する「パターンM」と、これに対応付けられた「圧力5」に係るチャネルを特定する。そして、通知出力部265は、「圧力5」を示す通知チャネル情報を端末装置10に送信する。端末装置10の表示部16は、「圧力5」を示す通知情報を表示する。ここで、端末装置10のデータ処理部14は、「圧力5」を示す文字列を、上述した構成図上のプラント設備60の該当する測定点に相当する位置に重ねて表すグラフデータを表示部16に出力してもよい。また、データ処理部14は、その測定点の部位を示す図形を他の部位を示す図形と異なる表示態様で表すグラフデータを表示部16に出力してもよい。
次に、本実施形態に係る通知処理の例について説明する。
図11は、本実施形態に係る通知処理の一例を示すフローチャートである。
(ステップS102)I/Oモジュール30、41のデータ取得部32、42は、各時点の観測値を示す時系列データをチャネル毎に取得する。チャネル毎の観測値として、フィールド機器62のそれぞれから入力される入力値の他、I/Oモジュール30、41のそれぞれの状態を示す状態量が含まれてもよい。その後、ステップS104の処理に進む。
(ステップS104)I/Oモジュール30、41の変化傾向判定部34、44は、チャネル毎の観測値の変化傾向を示す傾きを算出し、算出した傾きを示す変化傾向データを制御装置20に出力する。その後、ステップS106の処理に進む。
(ステップS108)比較部264は、判断テーブルが示す事象毎のチャネル間の状態値のパターンと、変化傾向保持部262に保持されたチャネル間の状態値のパターンとを比較する。その後、ステップS110の処理に進む。
(ステップS112)通知出力部265は、特定したチャネルを示す通知チャネル情報を端末装置10に通信部24(図5)を介して送信(通知)する。その後、図11に示す処理を終了する。
そこで、図10(b)に例示されるように、判断テーブルにおいて各パターンについてさらに優先度の情報が対応付けられてもよい。この例では、優先度の情報として、所定の3段階の値「H」、「M」、「L」のうちいずれかの段階の値が設定される。3段階のうち「H」が最も優先度が高く、「L」が最も優先度が低いことを示す。その優先度として、重大な事象に対応するパターンほど高い優先度を設定しておく。また、ある事象が他の事象の原因になる事象である場合には、他の事象よりも原因になる事象に対応するパターンに対応する優先度を高くしてもよい。図10(b)の第2列の「パターンA」に対応する優先度の値として「H」が設定されている。
比較部264は、特定したパターンの個数が複数個であるとき、判断テーブルを参照して、特定したパターンに対応する優先度が最も高いパターンを選択する。変化傾向保持部262から読み出したパターンに対応するパターンが「パターンA」と「パターンM」であるとき、比較部264は、それぞれに対応する優先度「H」、「L」のうち、所定の優先度の閾値「M」以上の優先度である優先度「H」に対応する「パターンA」を選択する。そして、比較部264は、選択したパターンに対応する表示データに係るチャネルとして「温度1」のチャネルを選択する。
なお、比較部264は、特定したパターンに対応する優先度の降順に、所定のパターンの数以内のパターンを選択し、選択したパターンに対応するチャネルを選択してもよい。
その場合、より下位の階層に配置されたリモートI/Oノード40において、通知選別部48が省略されてもよい。
この構成によれば、多くの時系列データを観察するユーザには、変化傾向に基づいて選別されたチャネルに関する情報が通知される。通知対象となるチャネルを観測量が顕著な変化傾向を有する時系列データに係るチャネルに限定し、より緩やかな変化傾向を有する時系列データに係るチャネルを省略することで通知頻度が減少する。そのため、ユーザは、監視に係る作業の負荷が低減する。例えば、ユーザとして通常は表示画面を見続けていない保守員に対して、フィールド機器などの自己診断情報の時系列の変化傾向に対して、その変化傾向に基づいて選別されたチャネルに関する情報が通知される。保守員は、通知される情報として異常の予兆を示す情報を一見して把握できるので、保守に係る作業の必要性の判断や、必要な作業に迅速に対処することできる。また、通知に係る通信量や端末装置10におけるデータ処理に係る負荷、それらの電力量を低減することができる。さらに、従来行われていた変化傾向の検出のためにプロセス制御に係るシミュレーションの実行対象を重点箇所のみに絞り込むことが可能となる。ひいては、シミュレーションのためのモデル化に係る作業の負荷が解消される。
この構成によれば、異常又はその兆候となる各事象について、そのパターンを対応させておくことで、チャネル毎の時系列データが示す観測値の変化傾向と合致するパターンが特定され、特定されたパターンに対応するチャネルに関する情報が選別される。そのため、時系列データを観察するユーザは、選別された情報に係る異常又はその兆候となる事象を自身の経験や知見に頼ることなく確実に把握できる。また、ユーザは、その事象に関するチャネルに対して注意を集中することができるので、監視に対する負荷が軽減する。
この構成によれば、一度に複数の事象が発生したときに、優先度が高い事象に係るチャネルの情報が選別される。そのため、時系列データを観察するユーザは、自身の経験や知見に頼ることなく監視又はそのチャネルに係るエンジニアリングの優先度を判断することができる。
上述した実施形態では、制御装置20は、端末装置10に送信される時系列データと変化傾向データを中継する場合を例にしたが、これには限られない。例えば、I/Oモジュール30、41は、制御装置20の通信部24を介さずに、端末装置10に時系列データと変化傾向データを送信してもよい。また、リモートI/Oノード40の通知選別部48は、制御装置20を介さずに、端末装置10に時系列データと変化傾向データを送信してもよい。
また、図3に示す例では、端末装置10が表示部16と操作入力部18を備えている場合を例にするが、これには限られない。表示部16と操作入力部18の一部又は両方は、端末装置10のその他の部位との間でデータを送受信できれば、端末装置10に含まれなくてもよい。
また、上述した実施形態における端末装置10、制御装置20、I/Oモジュール30、41及びリモートI/Oノード40の一部、又は全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。端末装置10、制御装置20、I/Oモジュール30、41及びリモートI/Oノード40の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部又は全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Claims (11)
- プラントに設けられる1個又は複数のフィールド機器と、
前記フィールド機器に対して入力又は出力の少なくとも一方を行うことにより前記プラントの制御を行う制御装置と、
を備えるプロセス制御システムにおいて、
前記フィールド機器の変化傾向算出対象の少なくとも一つに設けられ、各時点の観測値を示す時系列データの変化傾向を算出する変化傾向算出部を備える
プロセス制御システム。 - 前記変化傾向算出部は、
前記フィールド機器と前記制御装置とを接続し、少なくとも前記フィールド機器の出力が入力される入力部に設けられることを特徴とする
請求項1に記載のプロセス制御システム。 - 前記変化傾向算出部は、
前記フィールド機器に設けられることを特徴とする
請求項1に記載のプロセス制御システム。 - 前記変化傾向算出部は、前記フィールド機器から前記制御装置へ送信する観測値を中継する中継装置に設けられることを特徴とする
請求項1に記載のプロセス制御システム。 - 前記変化傾向算出部は、
第1時点から第2時点までの解析範囲における各時点の観測値を示す時系列データを抽出し、
前記解析範囲における前記観測値の変化傾向を示す一次関数の傾きを、目的関数が最小化されるように算出し、
前記目的関数は、前記解析範囲内の各時点の乗算値の総和であり、
前記乗算値は、前記一次関数の関数値と前記観測値との差分の二乗値に重み係数を乗じて得られる数値であり、
前記重み係数は、前記第1時点から前記各時点までの経過時間が大きいほど大きい数値である
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のプロセス制御システム。 - チャネル毎の前記変化傾向に基づいて、前記チャネルに関する情報を通知するチャネルを選別する通知選別部を備える
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のプロセス制御システム。 - 前記通知選別部は、
チャネル毎の前記変化傾向を示すパターンと特定のチャネルとが対応づけられた判断テーブルを予め記憶する記憶部と、
前記判断テーブルを参照して、チャネル毎の時系列データが示す観測値の変化傾向と合致するパターンを選択し、前記パターンに対応づけられた特定のチャネルを選別する通知出力部と、
を備える
請求項6に記載のプロセス制御システム。 - 前記判断テーブルは、前記パターンに優先度が割り当てられたものであり、
前記通知出力部は、選別したパターンの個数が複数であるとき、当該パターンに割り当てられた優先度が高いほど、当該パターンに対応づけられた特定のチャネルに関する情報を優先して出力する
請求項7に記載のプロセス制御システム。 - 前記通知選別部は、
チャネル毎の前記変化傾向に基づいて、現時点から当該チャネルの観測値が所定の閾値を超える時点までの予想時間を算出し、
チャネル毎の前記予想時間に基づいて、前記チャネルに関する情報を通知するチャネルを選別する
請求項6から請求項8のいずれか一項に記載のプロセス制御システム。 - 前記時系列データ又は前記変化傾向を表示する管理装置を備える
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のプロセス制御システム。 - プラントに設けられる1個又は複数のフィールド機器と、
前記フィールド機器に対して入力又は出力の少なくとも一方を行うことにより前記プラントの制御を行う制御装置と、
を備えるプロセス制御システムにおけるデータ処理方法であって、
前記フィールド機器の変化傾向算出対象の少なくとも一つに設けられ、各時点の観測値を示す時系列データの変化傾向を算出する過程を有する
データ処理方法。
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