JP2020091679A - 運転監視装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッチプロセスの異常予兆を正確かつ早期に検知する。【解決手段】プロセス量予測部１５Ｃが、過去に得られたプロセス量の時系列データに基づいて、一定長の未来区間に含まれる未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおけるプロセス量の未来予測値を予測し、異常予兆検知部１５Ｅが、未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおけるプロセス量の未来予測値と目標値軌道の目標値とを比較し、得られた比較結果に基づいて未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する。【選択図】 図１

Description

本発明は、バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視技術に関する。

一般に、プラントシステムでは、一定量の原料や製品を製造単位として、製造単位ごとに同じプロセスを繰り返し実行する、いわゆるバッチプロセスが実行されている。バッチプロセスでは、予め設定されたバッチシーケンスに基づいて各種のプラント機器が自動運転される。バッチプロセスにおいて、いずれかのプラント機器で異常が発生した場合、その異常がプラントシステム全体に影響を及ぼす可能性がある。このため、プラントシステムでは、バッチプロセスから取得した各種のプロセス量に基づいて、バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置が用いられている。

従来、このような運転監視装置として、プラント機器の動作時間に基づいて、バッチプロセスの運転状況を監視する技術が提案されている（特許文献１など参照）。これは、プラント機器から取得した動作信号に基づいて、動作の開始から終了までの動作時間をバッチ運転ごとに収集して、動作時間に関する基準範囲を予め導出しておき、監視対象となるバッチ運転から得られた動作時間が基準範囲から外れた場合、プラント機器での異常予兆ありと診断するようにしたものである。

特開２００３−１３１７２９号公報

前述した従来技術は、バッチプロセスの異常予兆が、プラント機器の運転開始から運転終了までの動作時間の変化に前もって現れることを前提として、過去に得られた正常完了時の動作時間を判定基準として用いるものである。しかしながら、このような前提に基づく異常予兆を検知する方法では、実際のバッチプロセスの運転状況を示すプロセス量に正常時とは異なる変化が現れるような異常予兆については検知することができないという問題点があった。

例えば、化学反応を利用するバッチプロセスの場合、原料仕込、除熱、かくはん、運転操作などの原因により、反応温度や反応圧力が急変して反応物質が容器や配管から漏えいし、爆発や火災に至った事故が報告されている。このようなケースでは、反応温度や反応圧力など、実際のバッチプロセスの運転状況を示すプロセス量が、その目標値から大きく乖離するという、顕著な異常予兆が現れている。このようなケースについては、プラント機器の運転開始から運転終了までの動作時間に基づいて、異常予兆を正確に検知することは難しい。

また、プラント機器の動作時間に基づき異常予兆を検知するためには、プラント機器が動作を開始してから少なくとも正常完了時間が経過するまで待機する必要がある。したがって、バッチプロセスの異常予兆を早期に検知できないだけでなく、異常予兆の検知が遅れて深刻な事態となる可能性もある。

また、一般には、個々のバッチプロセスにおいて、原材料の量や質、さらには冷却水温度や気温などの運転条件は一定ではない。しかしながら、このような運転条件が変化すると、プラント機器の動作時間は大きく変動する。したがって、動作時間に現れるバッチプロセスの異常予兆が、このような各種要因で変動する動作時間の変動幅より小さい場合、プラント機器の動作時間に基づく異常予兆の検知では、このようなケースにおける異常を正確に検知することは難しい。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、バッチプロセスの異常予兆を正確かつ早期に検知できる運転監視技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる運転監視装置は、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置であって、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算部と、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測部と、前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値とに基づいて、前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知部とを備えている。

また、本発明にかかる上記運転監視装置の一構成例は、前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算部をさらに備え、前記異常予兆検知部は、前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知するようにしたものである。

また、本発明にかかる他の運転監視装置は、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置であって、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算部と、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測部と、前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算部と、前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知部とを備えている。

また、本発明にかかる上記運転監視装置の一構成例は、前記未来区間に発生しうる異常の予兆が検知されたことを示す警報を出力する警報出力部をさらに備え、前記異常予兆検知部は、前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値との偏差が所定の許容偏差より大きい場合、前記警報出力部に警報を出力させるようにしたものである。

また、本発明にかかる上記運転監視装置の一構成例は、前記未来区間に発生しうる異常の予兆が検知されたことを示す警報を出力する警報出力部をさらに備え、前記異常予兆検知部は、前記変化速度が前記しきい値を超えた場合、前記警報出力部に警報を出力させるようにしたものである。

また、本発明にかかる上記運転監視装置の一構成例は、前記プロセス量予測部が、過去に得られた前記プロセス量の時系列データと前記プロセス量に関する目標値の推移とから、過去の監視タイミングごとに得られるプロセス量と目標値との偏差に基づいて、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記偏差を予測し、前記未来の監視タイミングにおける前記目標値から前記偏差を減算することにより、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値を計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる運転監視方法は、目標値軌道計算部、プロセス量予測部、および異常予兆検知部を備え、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置で用いられる運転監視方法であって、前記目標値軌道計算部が、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算ステップと、前記プロセス量予測部が、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測ステップと、前記異常予兆検知部が、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値とに基づいて、前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知ステップとを備えている。

また、本発明にかかる他の運転監視方法は、目標値軌道計算部、プロセス量予測部、変化速度計算部、および異常予兆検知部を備え、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置で用いられる運転監視方法であって、前記目標値軌道計算部が、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算ステップと、前記プロセス量予測部が、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測ステップと、前記変化速度計算部が、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算ステップと、前記異常予兆検知部が、前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知ステップとを備えている。

本発明によれば、プロセス量の未来予測値が、目標値軌道の目標値から許容偏差より大きく乖離した場合、あるいは未来予測値の変化速度が許容範囲を逸脱した場合には、直ちに異常予兆として検知され、さらには警報が出力されることになる。したがって、監視タイミングごとに、当該監視タイミングより未来の未来区間に発生しうる異常の有無を確認することができ、バッチプロセスの異常予兆を正確かつ早期に検知することが可能となる。

図１は、運転監視装置の構成を示すブロック図である。 図２は、目標値軌道データの生成例を示す説明図である。 図３は、対象プロセス量を用いた未来予測値の計算例を示す説明図である。 図４は、図３の計算例に対応する監視画面表示例を示す説明図である。 図５は、偏差を用いた未来予測値の計算例を示す説明図である。 図６は、図５の計算例に対応する監視画面表示例を示す説明図である。 図７は、変換速度計算例を示す説明図である。 図８は、運転監視処理を示すフローチャートである。 図９は、偏差の推移を示す監視画面表示例を示す説明図である。 図１０は、未来予測値の推移を示す監視画面表示例を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［運転監視装置］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる運転監視装置１０について説明する。図１は、運転監視装置の構成を示すブロック図である。
この運転監視装置１０は、全体としてＰＣやサーバー装置などの情報処理装置からなり、プロセス機器から取得したプロセス量に基づいてバッチプロセスの運転状況を監視し、異常予兆を検知する装置である。

コントローラ２１は、全体として産業用のコントローラなどの制御装置からなり、通信回線Ｌ２を介して配下に接続されたセンサ２２やアクチュエータ２３などのフィールド機器を制御し、これらフィールド機器で検出されたプロセス量を通信回線Ｌ１を介して上位装置２０や運転監視装置１０へ配信する装置である。
上位装置２０は、全体としてサーバー装置などの情報処理装置からなり、通信回線Ｌ１を介してコントローラ２１の動作を管理するとともに、コントローラ２１から取得したプロセス量を通信回線Ｌ１を介して運転監視装置１０へ配信する機能を有している。

図１に示すように、運転監視装置１０は、主な構成として、通信Ｉ／Ｆ部１１、操作入力部１２、画面表示部１３、記憶部１４、および演算処理部１５を備えている。

通信Ｉ／Ｆ部１１は、通信回線Ｌ１を介して上位装置２０やコントローラ２１などの外部装置とデータ通信を行う機能を有している。
操作入力部１２は、キーボード、マウス、タッチキーなどの操作入力装置からなり、入力されたオペレータ操作を検出して演算処理部１５へ出力する装置である。
画面表示部１３は、ＬＣＤなどの画面表示装置からなり、演算処理部１５から出力されたメニュー画面、設定画面、入力画面、出力画面などの各種画面を画面表示する装置である。

記憶部１４は、ハードディスクや半導体メモリなどの記憶装置からなり、演算処理部１５で実行される運転監視処理に用いる各種の処理データやプログラム１４Ｐを記憶する装置である。
プログラム１４Ｐは、演算処理部１５のＣＰＵと協働することにより、運転監視処理を実行するプログラムであり、運転監視装置１０に接続された外部装置や記憶媒体から予め読み出されて記憶部１４へ格納される。

記憶部１４で記憶する主な処理データとして、運転データ１４Ａ、目標値軌道データ１４Ｂ、プロセス量データ１４Ｃ、および予測値データ１４Ｄがある。

運転データ１４Ａは、バッチプロセスの運転内容を示すデータであり、監視対象となる各対象プロセス量の目標値の推移も含まれている。

目標値軌道データ１４Ｂは、予め設定された監視タイミングにおける、対象プロセス量に関する目標値の推移を示す時系列データである。以下では、監視タイミングとして一定の監視周期で到来するタイミングを用いた場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、例えばバッチプロセスの進行に合わせて設定した離散的なタイミングであってもよい。

プロセス量データ１４Ｃは、上位装置２０やコントローラ２１から取得した、バッチプロセスで監視対象となるプロセス量である対象プロセス量を示すデータである。プロセス量データ１４Ｃには、バッチプロセスの開始に応じて、バッチプロセスから取得した対象プロセス量が順次格納される。

予測値データ１４Ｄは、新たな対象プロセス量を取得した時点からバッチプロセス終了時点までの未来区間における予測値を示す時系列データである。予測値データ１４Ｄには、監視タイミングごとに予測した、対象プロセス量の未来予測値と、この未来予測値の単位時間当たりの変化量を示す変化速度予測値とが含まれている。

演算処理部１５は、ＣＰＵとその周辺回路からなり、ＣＰＵとプログラム１４Ｐとが協働することにより、運転監視処理を行う各種の処理部を実現する回路部である。
演算処理部１５で実現される主な処理部として、目標値軌道計算部１５Ａ、データ取得部１５Ｂ、プロセス量予測部１５Ｃ、変化速度計算部１５Ｄ、異常予兆検知部１５Ｅ、および警報出力部１５Ｆがある。

目標値軌道計算部１５Ａは、記憶部１４の運転データ１４Ａに含まれる、対象プロセス量の目標値の推移を近似して、監視タイミングごとに目標値を計算し、目標値軌道データ１４Ｂとして記憶部１４へ保存する機能を有している。運転データ１４Ａに含まれる対象プロセス量の目標値は、バッチプロセスの開始から終了までの推移を示すものであるが、必ずしも監視タイミングに同期した値を示すものではない。したがって、目標値軌道計算部１５Ａは、折線近似などの公知の近似手法で近似して、予め監視タイミングごとに目標値を計算しておく。

図２は、目標値軌道データの生成例である。図２に示すように、時刻ｔ_i，ｔ_i+1における目標値をｒ_i，ｒ_i+1とした場合、時刻ｔ_iから時刻ｔ_i+1までの期間に含まれる、監視周期τの数ｊ_maxと監視周期τに同期した監視タイミングｔ_bとは、次の式（１）で求められる。

したがって、監視タイミングｔ_bにおける目標値ｒ（ｔ_b）、すなわち目標値軌道データ１４Ｂは、与えられた目標値ｒ_i，ｒ_i+1を折線近似することにより、次の式（２）で求められる。なお、監視タイミングｔ_bにおける目標値ｒ（ｔ_b）が目標値ｒ_iとして与えられている場合、目標値ｒ（ｔ_b）として目標値ｒ_iを用いればよい。

データ取得部１５Ｂは、通信Ｉ／Ｆ部１１から通信回線Ｌ１を介して上位装置２０やコントローラ２１から、新たな対象プロセス量を順次取得して、記憶部１４のプロセス量データ１４Ｃに保存する処理部である。
新たな対象プロセス量を記憶部１４に保存する際、データ取得部１５Ｂで、それまでに取得した対象プロセス量に基づいて、新たな対象プロセス量に対する、外れ値補正処理や指数平滑フィルターを用いたスムージング処理を実行してもよい。

プロセス量予測部１５Ｃは、目標値軌道データ１４Ｂとプロセス量データ１４Ｃとに基づいて、新たな対象プロセス量を取得した時点からバッチプロセス終了時点までの未来区間における監視タイミングごとに、対象プロセス量の未来予測値を予測し、記憶部１４の予測値データ１４Ｄに格納する処理部である。

対象プロセス量の目標値は未来区間において既知なので、未来区間における目標値と未来予測値との偏差である偏差予測値が分かれば、偏差予測値を目標値から減算することにより未来予測値が得られる。
本発明は、まず予測アルゴリズムを用いて過去の偏差から未来区間における偏差予測値を予測し、これら偏差予測値を目標値から減算することにより未来予測値を計算する。また、本発明は、予測アルゴリズムとして、公知のＡＲモデル（Auto-Regressive model：自己回帰モデル）によるアルゴリズムを用いている。

ＡＲモデルは、自身の過去の時系列データのみを用いて現在値を推定できる。時刻ｔにおける目標値ｒ（ｔ）から対象プロセス量ｙ（ｔ）を減算した値を偏差ｄ（ｔ）として定義し、ＡＲモデルの次数をｐ（ｐは２以上の整数）とし、ＡＲモデルのモデル調整パラメータをａ＝［ａ₁，ａ₂，…，ａ_p］^Tとした場合、時刻ｔにおける偏差予測値ｄ_pred（ｔ）は、次の式（３）により求められる。

モデル調整パラメータａを推定する際、現時点を含む偏差の過去時系列｛d（ｔ），d（ｔ−１），…，d（ｔ−２ｑ）｝（ｑ＞ｐ）を与え、偏差の過去時系列を示すＸとモデル調整パラメータａとを用いて、ＡＲモデルによる推定値時系列を表す連立方程式、d_pred＝Ｘａを得る。
次に、推定値誤差の２次形式を最小化する次の最適化問題を解き、モデル調整パラメータを定める。この際、過去時系列の変動が微小でノイズを多く含む場合にも安定なモデル調整パラメータａが得られるように、次の式（４）に示すように、オーバーフィティングを抑えるロバスト性調整パラメータλを導入する。

これにより、時刻ｔからｍ（ｍは１以上の整数）個分だけ未来の、偏差予測値ｄ_pred（ｔ＋ｍ）と未来予測値y_pred（ｔ＋ｍ）は、次の式（５）により求められる。

ここで、対象プロセス量の未来予測値を求める際に偏差予測値を用いる理由について説明する。図３は、対象プロセス量を用いた未来予測値の計算例であり、図４は、図３の監視画面表示例である。なお、図３および図４において、監視周期τは２分とし、式（４）におけるモデル調整パラメータａは［ｐ＝４０，ｑ＝１２０，λ＝０．２］として未来予測値を予測した。
図３および図４において、ＹＨはＡＲモデルの作成に用いた過去の対象プロセス量ｙの推移を示す履歴値データであり、ＹＰは対象プロセス量の未来予測値ｙ_predの推移を示す予測値データである。また、ＹＡは対象プロセス量の実測値ｙの推移を示す実測値データであり、ＳＰは対象プロセス量の目標値ｒの推移を示す目標値データである。

図３および図４に示すように、絶対値である対象プロセス量の履歴値データＹＨを用いて未来区間Ｆにおける未来予測値ＹＰを予測した場合、目標値データＳＰがランプ状に上昇または下降する前後の時間帯で、未来予測値ＹＰが実測値データＹＡから乖離して、未来予測値ＹＰに大きな誤差が生じる。これは、目標値データＳＰが変化して、ＡＲモデルの作成に用いた対象プロセス量の履歴値データＹＨの推移が目標値データＳＰから大きく乖離したため、対象プロセス量の未来予測値ＹＰの誤差として現れたものである。

一方、図５は，偏差を用いた未来予測値の計算例であり、図６は、図５の監視画面表示例である。なお、図５および図６において、監視周期τは２分とし、式（４）におけるモデル調整パラメータａは［ｐ＝４０，ｑ＝１２０，λ＝０．２］として未来予測値を予測した。
図５および図６において、ＤＨはＡＲモデルの作成に用いた過去の偏差ｄの推移を示す履歴値データであり、ＤＰは偏差の未来予測値すなわち偏差予測値ｄ_predの推移を示す偏差予測値データである。また、ＤＡは偏差の実測値ｄの推移を示す実測値データであり、ＳＰは対象プロセス量の目標値ｒの推移を示す目標値データである。また、ＹＰは対象プロセス量の未来予測値ｙ_predの推移を示す予測値データであり、ＹＡは対象プロセス量の実測値ｙの推移を示す実測値データである。

図５に示すように、偏差の履歴値データＤＨを用いて偏差予測値ＤＰを予測した場合、図３と同様に、目標値データＳＰがランプ状に推移する前後の時間帯で、偏差予測値ＤＰが実測値データＤＡから乖離して、偏差予測値ＤＰに大きな誤差が生じる。しかし、相対値である偏差は常にゼロを中心にして変化するので、目標値データＳＰが変化しても、ＡＲモデルの作成に用いた偏差の履歴値データＤＨの推移は大きく変化しない。このため、対象プロセス量の未来予測値ＹＰに対してあまり影響せず、安定した未来予測値ＹＰが得られることになる。

変化速度計算部１５Ｄは、プロセス量データ１４Ｃと予測値データ１４Ｄとを記憶部１４から取得し、これらプロセス量データ１４Ｃおよび予測値データ１４Ｄに含まれる対象プロセス量に関する、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算し、記憶部１４の予測値データ１４Ｄに格納する処理部である。ここでは、時刻ｔから過去Ｎ（Ｎは２以上の整数）個分の対象プロセス量の移動平均値を変化速度の計算に用いる。このため、時刻ｔが未来時刻の場合には、移動平均処理の対象に未来予測値が含まれることになる。以下の変化速度の計算に関する説明では、対象プロセス量に関する過去の値および未来予測値を区別なく対象プロセス量と呼ぶ場合もある。

図７は、変換速度計算例を示す説明図である。時刻ｔにおける対象プロセス量をｙ（ｔ）とした場合、時刻ｔから過去Ｎ個分の対象プロセス量の移動平均ｙ_mavg（ｔ）は、次の式（６）で求められる。

したがって、対象プロセス量のサンプリング周期をτｋとし、移動平均ｙ_mavg（ｔ）を計算する監視周期をτとし、変化速度を計算する微分刻み時間をΔｔとし、微分刻み時間Δｔに相当する時刻差分をｎとした場合、時刻ｔにおける変化速度ｖ（ｔ）は、次の式（７）で求められる。

なお、変化速度を計算する際、上記の単純移動平均に代えて、次の式（８）に示すように、加重移動平均（Weighted Moving Average：WMA）を用いて計算してもよい。

また、得られた変化速度に対して、平滑フィルターを用いたスムージング処理を適用し、変化速度を平滑化してもよい。この際、スタックメモリとして、ＦＩＬＯ（first in last out:後入れ先出し）構造のメモリを用いることにより、平滑化処理を効率よく実行できる。監視周期をτとし、変化速度を計算する微分刻み時間をΔｔとし、平滑フィルターのフィルター係数をαとした場合、変化速度平滑値ｖ_smoothは、次の式（９）で求められる。なお、フィルター係数αである。

異常予兆検知部１５Ｅは、目標値軌道データ１４Ｂと予測値データ１４Ｄとを記憶部１４から取得し、目標値軌道データ１４Ｂに含まれる目標値軌道の目標値ｒに、予め設定されている許容偏差ｄａを与えることにより許容範囲ｒｗを計算し、予測値データ１４Ｄに含まれる対象プロセス量の未来予測値ｙ_predと許容範囲ｒｗとを比較して、得られた比較結果に基づいて未来区間に発生しうる異常の予兆を検知し、未来予測値ｙ_predと目標値ｒとの偏差が所定の許容偏差より大きく、未来予測値ｙ_predが許容範囲ｒｗから逸脱した場合、警報出力部１５Ｆに警報を出力させる処理部である。

許容範囲ｒｗ（ｔ＋ｍ）は、目標値ｒ（ｔ＋ｍ）に許容偏差ｄａを加算した許容範囲上限ｒｗｈ（ｔ＋ｍ）＝ｒ（ｔ＋ｍ）＋ｄａと、目標値ｒ（ｔ＋ｍ）から許容偏差ｄａを減算した許容範囲下限ｒｗｌ（ｔ＋ｍ）＝ｒ（ｔ＋ｍ）−ｄａとで規定される。
未来予測値ｙ_pred（ｔ＋ｍ）が許容範囲上限ｒｗｈ（ｔ＋ｍ）を超えた場合、あるいは、未来予測値ｙ_pred（ｔ＋ｍ）が許容範囲下限ｒｗｌ（ｔ＋ｍ）を下回った場合、当該プロセス量に関する警報が出力される。

また、異常予兆検知部１５Ｅは、予測値データ１４Ｄに含まれる変化速度予測値ｖ_predを、予め設定されているしきい値ｖｔｈと比較して、得られた比較結果に基づいて未来区間に発生しうる異常の予兆を検知し、変化速度予測値ｖ_predがしきい値ｖ_thを超えた場合、警報出力部１５Ｆに警報を出力させる処理部である。

警報出力部１５Ｆは、異常予兆検知部１５Ｅからの指示に応じて、未来区間に発生しうる異常の予兆を検知したことを示す警報を出力する機能を有している。警報出力部１５Ｆから出力する警報は、画面表示部１３で画面表示してもよく、通信Ｉ／Ｆ部１１から通信回線Ｌ１を介して上位装置２０へ通知してもよい。

［本実施の形態の動作］
次に、図８を参照して、本実施の形態にかかる運転監視装置１０の動作について説明する。図８は、運転監視処理を示すフローチャートである。
運転監視装置１０は、バッチプロセスの開始に応じて、図８の運転監視処理を実行する。なお、運転開始処理の実行時には、記憶部１４に運転データ１４Ａが格納されているものとする。また、監視タイミングや監視対象となるプロセス量については、予め設定されているものとする。

まず、目標値軌道計算部１５Ａは、記憶部１４から運転データ１４Ａを取得し、その運転データ１４Ａ含まれる、対象プロセス量の目標値の推移を、折線近似などの公知の近似手法で近似して、監視タイミングごとに目標値ｒを計算し、目標値軌道データ１４Ｂとして記憶部１４へ保存する（ステップＳ１００）。

次に、データ取得部１５Ｂは、監視タイミングの到来を確認し（ステップＳ１０１）、未到来の場合には到来まで待機する（ステップＳ１０１：ＮＯ）。
監視タイミングの到来が確認された場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、データ取得部１５Ｂは、通信Ｉ／Ｆ部１１から通信回線Ｌ１を介して上位装置２０やコントローラ２１から、新たな対象プロセス量ｙを取得して、記憶部１４のプロセス量データ１４Ｃに格納する（ステップＳ１１０）。

次に、プロセス量予測部１５Ｃは、記憶部１４から取得した目標値軌道データ１４Ｂとプロセス量データ１４Ｃとに基づいてＡＲモデルを生成し、新たな対象プロセス量ｙを取得した時点からバッチプロセス終了時点までの未来区間における監視タイミングごとに、新たな対象プロセス量ｙと目標値ｒとの偏差を示す偏差予測値d_predを予測し（ステップＳ１１１）、得られた偏差予測値d_predと目標値ｒとに基づいて、未来区間における監視タイミングごとに、対象プロセス量の予測値である未来予測値ｙ_predを計算して、記憶部１４の予測値データ１４Ｄに格納する（ステップＳ１１２）。

続いて、変化速度計算部１５Ｄは、記憶部１４から取得したプロセス量データ１４Ｃと予測値データ１４Ｄとに基づいて、これらプロセス量データ１４Ｃおよび予測値データ１４Ｄに含まれる未来予測値ｙ_predに関する変化速度予測値ｖ_predを計算し、記憶部１４の予測値データ１４Ｄに格納する（ステップＳ１１３）。

この後、異常予兆検知部１５Ｅは、記憶部１４からプロセス量データ１４Ｃ、目標値軌道データ１４Ｂ、および予測値データ１４Ｄとを取得して、監視タイミングごとに、対象プロセス量に関する、プロセス量ｙ、目標値ｒ、許容範囲ｒｗ、未来予測値ｙ_pred、および変化速度予測値ｖ_predを時系列でプロットした、監視状況画面を生成して画面表示部１３で画面表示する（ステップＳ１１４）。この際、許容範囲ｒｗは、目標値ｒに、予め設定されている許容偏差ｄａを与えることにより計算される。

続いて、異常予兆検知部１５Ｅは、対象プロセス量の未来予測値ｙ_predがその許容範囲ｒｗの外側に逸脱しているか確認し（ステップＳ１１５）、逸脱している場合には（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、対象プロセス量の異常予兆の検知を示す警報を警報出力部１５Ｆから出力し（ステップＳ１１６）、逸脱していない場合には（ステップＳ１１５：ＮＯ）、ステップＳ１１７へ移行する。

また、異常予兆検知部１５Ｅは、対象プロセス量の変化速度予測値ｖ_predが予め設定されているしきい値ｖ_thを超えているか確認し（ステップＳ１１７）、超えている場合には（ステップＳ１１７：ＹＥＳ）、対象プロセス量の変化速度予測値ｖ_predに関する警報を警報出力部１５Ｆから出力して（ステップＳ１１８）、逸脱していない場合（ステップＳ１１７：ＮＯ）、ステップＳ１０２へ移行する。

この後、データ取得部１５Ｂは、バッチプロセスの運転が終了したか確認し（ステップＳ１０２）、運転中の場合には（ステップＳ１０２：ＮＯ）、ステップＳ１０１へ戻る。
一方、運転終了の場合には（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、一連の運転監視処理を終了する。

［動作例］
次に、図９および図１０を参照して、本実施の形態にかかる運転監視装置１０の動作例について説明する。図９は、偏差の推移を示す監視画面表示例である。図１０は、未来予測値の推移を示す監視画面表示例である。
これら図９および図１０には、バッチプロセスのある反応温度を対象プロセス量としてバッチプロセスおよび運転監視動作をシミュレーションし、バッチプロセス開始から１５０分目の監視時点ｔに、予測監視を行った際に得られた監視画面表示例が示されている。

図９において、ＤＨは監視時点ｔでの偏差予測に用いた過去の偏差ｄの推移を示すデータであり、ＤＰは監視時点ｔで予測した偏差予測値ｄ_predの推移を示すデータであり、ＤＡは対象プロセス量ｙとその目標値ｒとの偏差ｄの推移を示すデータである。
また、図１０において、ＹＡは対象プロセス量ｙの推移を示すデータであり、ＹＰは対象プロセス量の未来予測値ｙ_predの推移を示すデータである。また、ＳＰは目標値ｒの推移を示す目標値データであり、ＲＷは、許容範囲ｒｗの推移を示すデータである。

なお、このシミュレーションにおいて、監視周期τを２分とした。また、未来区間の時間長を６０分とし、監視時点ｔからバッチプロセス開始から２１０分目の監視終了時点ｔ_eまでの未来区間Ｆについて、未来予測値ｙ_predの予測して予測監視を行った。なお、ＡＲモデルのモデル調整パラメータである前述のｐ，ｑ，λは、それぞれ１０，２０，０．２とした。

図９および図１０の例によれば、未来予測値ｙ_predがバッチプロセス開始から１５０分目の予測時点ｔ以降において、目標値ｒから徐々に乖離して、１８０分目の未来時点ｔａに許容範囲ｒｗの上限を超えていることが分かる。このことは、対象プロセス量ｙがこのまま推移すれば、１８０分目の未来時点ｔａに許容範囲ｒｗの上限を超えることが、それより３０分前の予測時点ｔに検知できていることを表している。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、プロセス量予測部１５Ｃが、過去に得られたプロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングにおけるプロセス量の未来予測値を予測し、異常予兆検知部１５Ｅが、未来の監視タイミングにおける未来予測値と目標値とに基づいて、未来区間に発生しうる異常の予兆を検知するようにしたものである。また、未来予測値と目標値との偏差が所定の許容偏差より大きい場合、未来区間に発生しうる異常の予兆を検知したことを示す警報を出力するようにしたものである。

これにより、プロセス量の未来予測値が、目標値軌道の目標値から許容偏差より大きく乖離した場合、あるいは未来予測値の変化速度が許容範囲を逸脱した場合には、直ちに異常予兆として検知され、さらには警報が出力されることになる。したがって、監視タイミングごとに、当該監視タイミングより未来の未来区間に発生しうる異常の有無を確認することができ、バッチプロセスの異常予兆を正確かつ早期に検知することが可能となる。

また、本実施の形態において、変化速度計算部１５Ｄが、未来の監視タイミングにおけるプロセス量の未来予測値の変化速度を計算し、異常予兆検知部１５Ｅが、得られた変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて未来区間に発生しうる異常の予兆を検知するようにしたものである。また、変化速度がしきい値を超えた場合、未来区間に発生しうる異常の予兆を検知したことを示す警報を出力するようにしたものである。

これにより、反応温度の急上昇など、重大アクシデントの原因となる可能性の高いバッチプロセスの異常予兆を正確かつ早期に検知することが可能となる。なお、異常予兆検知部１５Ｅが、未来予測値と目標値軌道の目標値との比較に基づく異常予兆の検知を行わず、変化速度による異常予兆の検知のみを行うようにしてもよい。

また、本実施の形態において、プロセス量予測部１５Ｃが、過去に得られたプロセス量と当該プロセス量に関する目標値との偏差に基づいて、未来の監視タイミングにおける偏差の偏差予測値を予測し、未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける目標値軌道の目標値から偏差予測値を減算することにより、当該未来の監視タイミングにおけるプロセス量の未来予測値を計算するようにしてもよい。

これにより、偏差が一定値を中心として上下に変動するデータであることから、例えばＡＲモデルなどの自己回帰モデルで精度よく予測することができる。このため、過去に得られたプロセス量に基づいて未来予測値を予測する場合と比較して、より安定した未来予測値を得ることができ、結果として高い精度でバッチプロセスの異常を正確かつ早期に検知することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０…運転監視装置、１１…通信Ｉ／Ｆ部、１２…操作入力部、１３…画面表示部、１４…記憶部、１４Ａ…運転データ、１４Ｂ…目標値軌道データ、１４Ｃ…プロセス量データ、１４Ｄ…予測値データ、１５…演算処理部、１５Ａ…目標値軌道計算部、１５Ｂ…データ取得部、１５Ｃ…プロセス量予測部、１５Ｄ…変化速度計算部、１５Ｅ…異常予兆検知部、１５Ｆ…警報出力部、２０…上位装置、２１…コントローラ、２２…センサ、２３…アクチュエータ、Ｌ１，Ｌ２…通信回線。

Claims (8)

1. バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置であって、
   予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算部と、
   過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測部と、
   前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値とに基づいて、前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知部と
   を備えることを特徴とする運転監視装置。
2. 請求項１に記載の運転監視装置において、
   前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算部をさらに備え、
   前記異常予兆検知部は、前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する
   ことを特徴とする運転監視装置。
3. バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置であって、
   予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算部と、
   過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測部と、
   前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算部と、
   前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知部と
   を備えることを特徴とする運転監視装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の運転監視装置において、
   前記未来区間に発生しうる異常の予兆が検知されたことを示す警報を出力する警報出力部をさらに備え、
   前記異常予兆検知部は、前記未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値との偏差が所定の許容偏差より大きい場合、前記警報出力部に警報を出力させる
   ことを特徴とする運転監視装置。
5. 請求項２または請求項３に記載の運転監視装置において、
   前記未来区間に発生しうる異常の予兆が検知されたことを示す警報を出力する警報出力部をさらに備え、
   前記異常予兆検知部は、前記変化速度が前記しきい値を超えた場合、前記警報出力部に警報を出力させる
   ことを特徴とする運転監視装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の運転監視装置において、
   前記プロセス量予測部は、過去に得られた前記プロセス量の時系列データと前記プロセス量に関する目標値の推移とから、過去の監視タイミングごとに得られるプロセス量と目標値との偏差に基づいて、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記偏差を予測し、前記未来の監視タイミングにおける前記目標値から前記偏差を減算することにより、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値を計算することを特徴とする運転監視装置。
7. 目標値軌道計算部、プロセス量予測部、および異常予兆検知部を備え、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置で用いられる運転監視方法であって、
   前記目標値軌道計算部が、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算ステップと、
   前記プロセス量予測部が、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測ステップと、
   前記異常予兆検知部が、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値と前記目標値とに基づいて、前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知ステップと
   を備えることを特徴とする運転監視方法。
8. 目標値軌道計算部、プロセス量予測部、変化速度計算部、および異常予兆検知部を備え、バッチプロセスから取得した監視対象となるプロセス量に基づいて、監視タイミングごとに前記バッチプロセスの運転状況を監視する運転監視装置で用いられる運転監視方法であって、
   前記目標値軌道計算部が、予め設定された前記プロセス量に関する目標値の推移に基づいて、前記監視タイミングにおける目標値を示す目標値軌道を計算する目標値軌道計算ステップと、
   前記プロセス量予測部が、過去に得られた前記プロセス量の時系列データに基づいて、未来区間に含まれる未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記プロセス量の未来予測値を予測するプロセス量予測ステップと、
   前記変化速度計算部が、前記未来の監視タイミングごとに、当該未来の監視タイミングにおける前記未来予測値の、単位時間当たりの変化量を示す変化速度を計算する変化速度計算ステップと、
   前記異常予兆検知部が、前記未来の監視タイミングごとに、前記変化速度と予め設定されているしきい値とを比較し、得られた比較結果に基づいて前記未来区間に発生しうる異常の予兆を検知する異常予兆検知ステップと
   を備えることを特徴とする運転監視方法。

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