JP2023074832A - Concentration estimation device, concentration estimation method and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、濃度推定装置、濃度推定方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a concentration estimation device, a concentration estimation method, and a program.
加熱炉の省エネルギ化と公害防止を両立させるためには、加熱炉内の酸素(O2)濃度を制御することが重要であり、そのために様々な方法で酸素濃度の計測が行われている。例えば、ジルコニア式酸素濃度計(非特許文献1を参照)により加熱炉内の酸素濃度を計測することが行われている。 In order to achieve both energy saving and pollution prevention of the heating furnace, it is important to control the oxygen (O 2 ) concentration in the heating furnace, and for this purpose, the oxygen concentration is measured by various methods. . For example, a zirconia oxygen concentration meter (see Non-Patent Document 1) is used to measure the oxygen concentration in a heating furnace.
一般に、省エネルギ化と公害防止を両立させるためには低酸素濃度で加熱炉を運転する必要があるが、ジルコニア式酸素濃度計を利用する場合には或る程度の酸素濃度下で運転せざるを得ない。これは、酸素濃度が低くなり過ぎた場合には不完全燃焼が発生し、可燃性ガスである一酸化炭素と未燃の可燃性燃料を触媒としてジルコニア素子が酸化反応を起こし、その結果、酸素濃度の計測値がゼロ付近になるという誤計測が発生し得るためである。 In general, it is necessary to operate a heating furnace at a low oxygen concentration in order to achieve both energy saving and pollution prevention. do not get This is because if the oxygen concentration becomes too low, incomplete combustion will occur, and the zirconia element will undergo an oxidation reaction with the combustible gas carbon monoxide and unburned combustible fuel as a catalyst. This is because an erroneous measurement may occur such that the measured value of the concentration is near zero.
本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、加熱炉内の酸素濃度を推定することを目的とする。 One embodiment of the present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to estimate the oxygen concentration in a heating furnace.
上記目的を達成するため、一実施形態に係る濃度推定装置は、加熱炉内の酸素濃度を推定する酸素濃度推定装置であって、過去の所定の期間内の各時刻tにおける前記加熱炉内の酸素濃度計測値y(t)と前記加熱炉に関連する所定のn(nは予め決められた1以上の整数)個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)とを学習用データとして、前記加熱炉内の酸素濃度を推定するためのモデルを作成するモデル作成部と、酸素濃度の推定対象となる時刻t'における前記n個の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と前記モデルとを用いて、前記加熱炉内の酸素濃度の推定値を計算する酸素濃度推定部と、を有する。 To achieve the above object, a concentration estimating device according to one embodiment is an oxygen concentration estimating device that estimates the oxygen concentration in a heating furnace, and comprises: Oxygen concentration measured value y(t) and predetermined n physical quantity measured values x 1 (t), x 2 (t), . . . , x n (t) as learning data, a model creation unit for creating a model for estimating the oxygen concentration in the heating furnace, and the n physical quantities at the time t′ to be the target for estimating the oxygen concentration Oxygen concentration estimation for calculating an estimated oxygen concentration in the furnace using the measured values x 1 (t′), x 2 (t′), . . . , x n (t′) and the model and
加熱炉内の酸素濃度を推定することができる。 Oxygen concentration in the heating furnace can be estimated.
以下、本発明の一実施形態について説明する。以下では、加熱炉内の酸素濃度を推定する酸素濃度推定装置10が含まれる加熱炉制御システム1について説明する。
An embodiment of the present invention will be described below. A heating
<加熱炉制御システム1の全体構成>
本実施形態に係る加熱炉制御システム1の全体構成例を図1に示す。図1に示すように、本実施形態に係る加熱炉制御システム1には、酸素濃度推定装置10と、制御装置20と、調整機器30と、加熱炉40と、酸素濃度計50と、周辺センサ60とが含まれる。
<Overall Configuration of Heating
FIG. 1 shows an example of the overall configuration of a heating
加熱炉40は、例えば、各種プラント(石油化学プラントや各種製造プラント等)に用いられる設備又は装置であり、燃料及び酸素を消費して炉・燃焼により被加熱体(例えば、油等の流体)を加熱する。なお、加熱炉40は、これらに限られるものではなく、例えば、ボイラーや焼却炉等であってもよい。
The
酸素濃度計50は、加熱炉40内の酸素濃度を計測する機器である。以下では、酸素濃度計50としてレーザ式酸素濃度計501とジルコニア式酸素濃度計502が加熱炉40に設置されていることを想定する。ただし、ジルコニア式酸素濃度計502は設置されていなくてもよい。また、以下では、後述する実績データが作成及び保存された後は酸素濃度計50(レーザ式酸素濃度計501とジルコニア式酸素濃度計502)が加熱炉40から撤去されることを想定する。
The
また、酸素濃度計50は、各時刻tで計測された計測値(以下、酸素濃度計測値ともいう。)を酸素濃度推定装置10に送信する。以下、時刻tにおいて、レーザ式酸素濃度計501で計測された酸素濃度計測値をy1(t)、ジルコニア式酸素濃度計502で計測された酸素濃度計測値をy2(t)とする。
In addition, the
なお、レーザ式酸素濃度計501は、レーザによる吸収分光計測法を利用した酸素濃度計である。レーザ式酸素濃度計501はレーザを発光する発光部と当該レーザを受光する受光部とを備えており、発光部から受光部までの間にレーザ光が損失した光の量から酸素濃度が計測される。 The laser oxygen concentration meter 501 is an oxygen concentration meter that utilizes an absorption spectroscopic measurement method using a laser. The laser oxygen concentration meter 501 has a light emitting part that emits a laser and a light receiving part that receives the laser, and the oxygen concentration is measured from the amount of light lost from the laser light between the light emitting part and the light receiving part. be done.
周辺センサ60は、加熱炉40の周辺若しくは周囲の様々な物理量や加熱炉40に関連する設備の様々な物理量を計測する各種機器である。また、周辺センサ60は、各時刻tで計測された計測値(以下、物理量計測値ともいう。)を酸素濃度推定装置10に送信する。以下、周辺センサ60の総数をnとして、各周辺センサ60の各々を区別しないときは「周辺センサ60」と表し、各周辺センサ60の各々を区別するときは「周辺センサ601」、「周辺センサ602」、・・・、「周辺センサ60n」と表す。また、i=1,2,・・・,nに対して、時刻tにおいて、周辺センサ60iで計測された物理量計測値をxi(t)とする。ここで、周辺センサ60によって計測される物理量としては、例えば、加熱炉40内の温度、被加熱体の温度、加熱炉40内の圧力、燃料の流量、被加熱体の流量、排ガスの流量等といったものが挙げられる。ただし、これらの物理量は一例であって、周辺センサ60によって計測される物理量は、これらに限られるものではない。例えば、外気温、風速等といったものが物理量として計測されてもよい。
The
酸素濃度推定装置10は、実績データの作成及び保存対象となる各時刻tにおいて、各酸素濃度計50から酸素濃度計測値y1(t)及びy2(t)を受信すると共に、各周辺センサ60から物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)を受信し、これらの計測値から実績データを作成及び保存する。
The oxygen
また、酸素濃度推定装置10は、酸素濃度の推定対象となる各時刻tにおいて、各周辺センサ60から物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)を受信し、これらの計測値から当該時刻tにおける酸素濃度推定値
Further, the oxygen
すなわち、酸素濃度推定装置10は、酸素濃度の推定対象となる各時刻tにおいて、物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)から酸素濃度推定値y^(t)を計算するソフトセンサとして機能する。以下、酸素濃度を推定するためのモデルを酸素濃度推定モデルと呼び、fで表すことにする。また、以下では、実績データの作成及び保存対象となる時刻tと区別するため、酸素濃度の推定対象となる時刻tを「t'」と表記する。 That is, the oxygen concentration estimation device 10 calculates the oxygen concentration estimated value from the physical quantity measurement values x 1 (t), x 2 (t), . It functions as a soft sensor that computes ŷ(t). Hereinafter, the model for estimating the oxygen concentration will be referred to as an oxygen concentration estimation model and denoted by f. Further, hereinafter, the time t at which the oxygen concentration is to be estimated is expressed as "t'" in order to distinguish it from the time t at which the performance data is to be created and stored.
制御装置20は、酸素濃度推定装置10から受信した酸素濃度推定値y^(t')に基づいて、調整機器30に対する最適な操作量を計算し、その操作量が含まれる制御指令を当該調整機器30に出力する。調整機器30は、加熱炉40への空気(酸素)の流入量を調整する空気ダンパ(又は空気バルブ)と加熱炉40への燃料の流入量を調整する燃料バルブである。空気ダンパの操作量はその開閉角度(又は開閉量)であり、一方で、空気バルブの操作量はその開閉角度(又は開閉量)である。
Based on the oxygen concentration estimated value y^(t′) received from the oxygen
なお、制御装置20は、空気ダンパと燃料バルブの両方に制御指令を出力してもよいし、いずれか一方(つまり、空気ダンパ又は燃料バルブの一方)に制御指令を出力してもよい。特に、例えば、加熱炉40の運転中は燃料の流量が一定である場合、制御装置20は、空気ダンパのみに制御指令を出力してもよい。
Note that the
ここで、加熱炉40への燃料と空気の流入量により当該加熱炉40内の熱損失や熱効率が変動し、その結果、当該加熱炉40内の酸素濃度も変動することになる。このため、制御装置20は既知の制御技術により加熱炉40内の熱損失や熱効率が最適となるように調整機器30に対する操作量を計算し、その操作量を当該調整機器30に出力する。このような既知の制御技術としては、様々な技術が存在するが、例えば、特許第6135831号公報に記載されている技術等が挙げられる。
Here, heat loss and thermal efficiency in the
なお、一般に、空気過剰率と熱損失との関係、及び、空気過剰率と熱効率との関係は図2で表される。図2では、縦軸が熱損失又は熱効率、横軸が空気過剰率である。空気過剰率とは、単位燃料あたりの燃焼に必要な空気量である理論空気量に対して加熱炉40に実際に流入する空気量の比率のことである。図2において、直線1001は過剰空気による熱損失を表しており、曲線1002は不完全燃焼による熱損失を表している。直線1001に示されるように、空気過剰率が1より大きくなるほど熱が逃げ余分な空気を加熱することになり、熱損失が大きくなる。一方で、曲線1002に示されるように、空気過剰率が小さいと不完全燃焼が生じてCO発生による熱損失が大きくなり、或る閾値を超えるとばい煙が発生する。また、図2において、曲線2001は加熱炉40の熱効率を表している。曲線2001に示されるように、熱効率は、過剰空気による熱損失と不完全燃焼による熱損失とが同程度である空気過剰率を含む領域Dで最大となり、空気過剰率が領域Dから離れるほど小さくなる。したがって、制御装置20は、熱損失と熱効率が領域D内となるように調整機器30の操作量を計算し、その操作量が含まれる制御指令を当該調整機器30に出力すればよい。
Generally, the relationship between excess air ratio and heat loss and the relationship between excess air ratio and thermal efficiency are shown in FIG. In FIG. 2, the vertical axis represents heat loss or thermal efficiency, and the horizontal axis represents excess air ratio. The excess air ratio is the ratio of the amount of air actually flowing into the
なお、図1に示す加熱炉制御システム1の全体構成は一例であって、これに限られず、例えば、図示しない種々の設備、機器、装置等が含まれていてもよい。
Note that the overall configuration of the heating
<加熱炉40に対する酸素濃度計50及び周辺センサ60の設置例>
加熱炉40に対する酸素濃度計50及び周辺センサ60の設置例を図3に示す。図3に示す例では、レーザ式酸素濃度計501とジルコニア式酸素濃度計502が設置されている。また、図3に示す例では、周辺センサ60として、排ガス流量計601と、被加熱体流量計602と、燃料供給流量計603と、炉内圧力計604と、炉内温度計605と、炉内温度計606と、被加熱体温度計607とが設置されている。
<Installation Example of
FIG. 3 shows an installation example of the
なお、図3に示す酸素濃度計50及び周辺センサ60の設置例は一例であって、これに限られないことは言うまでもない。
The installation example of the
<空燃比と酸素濃度計測値との関係>
空燃比とは、空気と燃料の比率(空気/燃料)のことである。空燃比と酸素濃度計測値との関係を図4に示す。図4では、縦軸が空燃比又は酸素濃度、横軸が時間である。図4に示されるように、空燃比が或る値よりも小さくなると(つまり、酸素量が少なくなると)、ジルコニア式酸素濃度計502の計測値は0付近となり、誤計測が発生する。これは、酸素濃度が低くなり過ぎた場合には不完全燃焼が発生し、その結果、一酸化炭素と未燃の可燃性燃料を触媒としてジルコニア素子が酸化反応を起こすためである。一方で、レーザ式酸素濃度計501はこのような誤計測が発生しない。
<Relationship between air-fuel ratio and measured oxygen concentration>
Air-fuel ratio is the ratio of air to fuel (air/fuel). FIG. 4 shows the relationship between the air-fuel ratio and the measured oxygen concentration. In FIG. 4, the vertical axis represents the air-fuel ratio or oxygen concentration, and the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 4, when the air-fuel ratio becomes smaller than a certain value (that is, when the amount of oxygen decreases), the measured value of the zirconia oxygen concentration meter 502 becomes close to 0, resulting in erroneous measurement. This is because incomplete combustion occurs when the oxygen concentration becomes too low, and as a result, the zirconia element undergoes an oxidation reaction with carbon monoxide and unburned combustible fuel as a catalyst. On the other hand, the laser oximeter 501 does not cause such erroneous measurements.
そこで、本実施形態では、ジルコニア式酸素濃度計502の計測値が0付近となる場合(つまり、或る小さい値ε>0に対して|y2(t)|<εとなる場合)には、レーザ式酸素濃度計501の計測値を教師データ(正解データ)として酸素濃度推定モデルfを作成する。なお、ジルコニア式酸素濃度計502の計測値が0付近とならない場合には、y1(t)又はy2(t)のいずれを教師データとしてもよいし、y1(t)とy2(t)の平均値等を教師データとしてもよい。 Therefore, in the present embodiment, when the measured value of the zirconia oxygen concentration meter 502 is near 0 (that is, when |y 2 (t)|<ε for a small value ε>0), creates an oxygen concentration estimation model f using the measured value of the laser oxygen concentration meter 501 as teaching data (correct data). If the measured value of the zirconia oxygen concentration meter 502 is not near 0, either y 1 (t) or y 2 (t) may be used as teacher data, and y 1 (t) and y 2 The average value of (t) or the like may be used as teacher data.
<酸素濃度推定装置10のハードウェア構成>
本実施形態に係る酸素濃度推定装置10のハードウェア構成例を図5に示す。図5に示すように、本実施形態に係る酸素濃度推定装置10は、入力装置101と、表示装置102と、外部I/F103と、通信I/F104と、プロセッサ105と、メモリ装置106とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス107を介して通信可能に接続される。
<Hardware Configuration of Oxygen
FIG. 5 shows a hardware configuration example of the oxygen
入力装置101は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、各種物理ボタン等である。表示装置102は、例えば、ディスプレイ、表示パネル等である。なお、酸素濃度推定装置10は、例えば、入力装置101及び表示装置102のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
The
外部I/F103は、記録媒体103a等の外部装置とのインタフェースである。記録媒体103aとしては、例えば、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、SDメモリカード(Secure Digital memory card)、USB(Universal Serial Bus)メモリカード等が挙げられる。
The external I/
通信I/F104は、酸素濃度推定装置10を通信ネットワークに接続するためのインタフェースである。プロセッサ105は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等の各種演算装置である。メモリ装置106は、例えば、SSD(Solid State Drive)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の各種記憶装置である。
Communication I/
なお、図5に示すハードウェア構成は一例であって、酸素濃度推定装置10は、他のハードウェア構成であってもよい。例えば、酸素濃度推定装置10は、複数のプロセッサ105や複数のメモリ装置106を有していてもよいし、図示したハードウェア以外の種々のハードウェアを有していてもよい。
Note that the hardware configuration shown in FIG. 5 is an example, and the oxygen
<酸素濃度推定装置10の機能構成>
本実施形態に係る酸素濃度推定装置10の機能構成例を図6に示す。図6に示すように、本実施形態に係る酸素濃度推定装置10は、実績データ作成部201と、モデル作成処理部202と、酸素濃度推定部203とを有する。これら各部は、例えば、酸素濃度推定装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ105に実行させる処理により実現される。また、本実施形態に係る酸素濃度推定装置10は、実績データ記憶部204を有する。当該記憶部204は、例えば、メモリ装置106により実現されるが、通信ネットワークを介して接続されるデータベースサーバ等により実現されていてもよい。
<Functional Configuration of Oxygen
FIG. 6 shows an example of the functional configuration of the oxygen
実績データ作成部201は、実績データの作成及び保存対象となる各時刻tにおいて、各酸素濃度計50から酸素濃度計測値y1(t)及びy2(t)を受信すると共に、各周辺センサ60から物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)を受信し、これらの計測値から実績データ{y(t),x1(t),x2(t),・・・,xn(t)}を作成して実績データ記憶部204に保存する。ここで、或る小さい値ε>0に対して|y2(t)|<εとなる時刻tではy(t)=y1(t)とする。一方で、それ以外の時刻tではy(t)=y1(t)又はy(t)=y2(t)のいずれかとしてもよいし、y(t)=(y1(t)+y2(t))/2としてもよいし、y(t)=min(y1(t),y2(t))やy(t)=max(y1(t),y2(t))等としてもよい。なお、y(t)が教師データである。
The performance
以下では、実績データをz(t):=(y(t),x1(t),x2(t),・・・,xn(t))として、実績データ記憶部204には実績データセット{z(t)|t∈T1}が記憶されているものとする。ここで、T1は実績データの作成及び保存対象となる時刻の集合である。例えば、或る時刻t1からt2までを実績データの作成及び保存対象とする場合、T1={t|t1≦t≦t2}と表される。
In the following, the actual data is z(t):=(y(t), x1 (t), x2 (t), ..., xn (t)), and the actual
モデル作成処理部202は、実績データセット{z(t)|t∈T1}から酸素濃度推定モデルfを作成する。ここで、モデル作成処理部202には、データ取得部211と、モデル作成部212とが含まれる。データ取得部211は、酸素濃度推定モデルfの作成に用いられる実績データセット{z(t)|t∈T2}を実績データ記憶部204から取得する。ここで、T2は酸素濃度推定モデルfの作成に用いられる実績データの時刻の集合であり、T2⊆T1である。モデル作成部212は、データ取得部211により取得した実績データセット{z(t)|t∈T2}を用いて、酸素濃度推定モデルfを作成する。なお、酸素濃度推定モデルfは、例えば、統計モデルや機械学習モデル等であり、学習対象のパラメータθを持つ。
The model
酸素濃度推定部203は、酸素濃度の推定対象となる各時刻t'において、各周辺センサ60から物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')を受信し、これらの物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と酸素濃度推定モデルfから酸素濃度推定値y^(t')を計算する。すなわち、酸素濃度推定部203は、物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')を説明変数、酸素濃度を目的変数として、y^(t')=f(x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))により当該時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する。なお、酸素濃度推定値y^(t')は制御装置20に出力される。
The oxygen
<酸素濃度推定処理(実施例1)>
以下、実施例1における酸素濃度推定処理について、図7を参照しながら説明する。以下では、過去の或る期間T1の実績データセット{z(t)|t∈T1}が実績データ記憶部204に記憶されているものとする。なお、図7のステップS101~ステップS102は事前に実施されるモデル作成処理である。一方で、ステップS103~ステップS104は酸素濃度の推定対象となる時刻t'(つまり、現在時刻t')毎に繰り返し実施される。
<Oxygen concentration estimation process (Example 1)>
The oxygen concentration estimation process according to the first embodiment will be described below with reference to FIG. In the following, it is assumed that the performance
モデル作成処理部202のデータ取得部211は、酸素濃度推定モデルfの作成に用いられる実績データセット{z(t)|t∈T2}を実績データ記憶部204から取得する(ステップS101)。ここで、データ取得部211は、実績データ記憶部204に記憶されている実績データセット{z(t)|t∈T1}そのものを実績データセット{z(t)|t∈T2}として取得してもよいし、その一部の実績データで構成される実績データセットを実績データセット{z(t)|t∈T2}として取得してもよい。
The
モデル作成処理部202のモデル作成部212は、上記のステップS101で取得された実績データセット{z(t)|t∈T2}を用いて、酸素濃度推定モデルfを作成する(ステップS102)。すなわち、モデル作成部212は、実績データセット{z(t)|t∈T2}を学習用データセットとして、時刻tにおける酸素濃度推定値y^(t)=f(x1(t),x2(t),・・・,xn(t))とy(t)との誤差が小さくなるようにパラメータθを学習する。ここで、酸素濃度推定モデルfとしては、重回帰モデル等といった線形モデル、サポートベクター回帰(SVR:Support Vector Regression)やニューラルネットワーク等といった非線形モデルを採用することができる。一般に、加熱炉40内では酸素濃度と炉内温度等との関係は逐次変化し、酸素濃度によって加熱炉40内の各物理量の特性が変化するため、線形モデルでは推定精度が低くなる場合が多い。このため、酸素濃度推定モデルfとしては、特に非線形モデルを採用することが好ましい。
The
酸素濃度推定部203は、酸素濃度の推定対象となる現在時刻t'の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')を受信する(ステップS103)。 The oxygen concentration estimation unit 203 receives physical quantity measurement values x 1 (t′), x 2 (t′), . step S103).
酸素濃度推定部203は、上記のステップS103で受信した物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と酸素濃度推定モデルfから現在時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する(ステップS104)。すなわち、酸素濃度推定部203は、y^(t')=f(x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))により現在時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する。なお、この酸素濃度推定値y^(t')は制御装置20に出力され、当該制御装置20によって調整機器30に対する操作量が制御される。これにより、加熱炉40内の酸素濃度が制御されることになる。
The oxygen concentration estimation unit 203 calculates the current time from the physical quantity measurement values x 1 (t′), x 2 (t′), . An estimated oxygen concentration value y^(t') of t' is calculated (step S104). That is, the oxygen concentration estimating unit 203 calculates the oxygen Calculate the density estimate y^(t'). Note that this oxygen concentration estimated value ŷ(t′) is output to the
<酸素濃度推定処理(実施例2)>
以下、実施例2における酸素濃度推定処理について、図8を参照しながら説明する。以下では、過去の或る期間T1の実績データセット{z(t)|t∈T1}が実績データ記憶部204に記憶されているものとする。なお、図8のステップS201~ステップS204は酸素濃度の推定対象となる時刻t'(つまり、現在時刻t')毎に繰り返し実施される。
<Oxygen Concentration Estimation Processing (Example 2)>
The oxygen concentration estimation process according to the second embodiment will be described below with reference to FIG. In the following, it is assumed that the performance
酸素濃度推定部203は、酸素濃度の推定対象となる現在時刻t'の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')を受信する(ステップS201)。 The oxygen concentration estimation unit 203 receives physical quantity measurement values x 1 (t′), x 2 (t′), . step S201).
モデル作成処理部202のデータ取得部211は、酸素濃度推定モデルfの作成に用いられる実績データセット{z(t)|t∈T2}を実績データ記憶部204から取得する(ステップS202)。ここで、データ取得部211は、上記のステップS201で受信した物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')との距離が近い順に所定の個数の実績データを実績データ記憶部204から取得し、これら取得した実績データで構成される実績データセットを実績データセット{z(t)|t∈T2}とすればよい。
The
具体的には、物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と実績データz(t)=(y(t),x1(t),x2(t),・・・,xn(t))との距離をd(t',t)=((x1(t')-x1(t))2+(x2(t')-x2(t))2+・・・+(xn(t')-xn(t))2)1/2とする。そして、この距離が小さい順にN個(例えば、100個等)のz(t)を実績データ記憶部204から取得し、これら取得した実績データz(t)で構成される実績データセットを実績データセット{z(t)|t∈T2}とする。なお、上記では距離dとしてユークリッド距離を用いたが、ユークリッド距離以外の距離が用いられてもよい。
Specifically, physical quantity measurement values x 1 ( t′) , x 2 (t′), . ) , x 2 ( t) , . (t′)−x 2 (t)) 2 + . . . +(x n (t′)−x n (t)) 2 ) 1/2 . Then, N pieces (for example, 100 pieces) of z(t) are acquired from the performance
モデル作成処理部202のモデル作成部212は、上記のステップS202で取得された実績データセット{z(t)|t∈T2}を用いて、酸素濃度推定モデルfを作成する(ステップS203)。すなわち、モデル作成部212は、実績データセット{z(t)|t∈T2}を学習用データセットとして、時刻tにおける酸素濃度推定値y^(t)=f(x1(t),x2(t),・・・,xn(t))とy(t)との誤差が小さくなるようにパラメータθを学習する。ここで、酸素濃度推定モデルfとしては、例えば、JIT-PLS(Just-in-time PLS)やLW-PLS(Locally-Weighted PLS)等といった局所的な線形モデルを採用することができる。一般に、加熱炉40内では酸素濃度と炉内温度等との関係は逐次変化し、酸素濃度によって加熱炉40内の各物理量の特性が変化するため、(大域的な)線形モデルでは推定精度が低くなる場合が多い。このため、酸素濃度推定モデルfとしては、特に局所的な学習用データを用いる線形モデル(局所的な線形モデル)を採用することが好ましい。
The
酸素濃度推定部203は、上記のステップS201で受信した物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と上記のステップS203で作成した酸素濃度推定モデルfから現在時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する(ステップS204)。すなわち、酸素濃度推定部203は、y^(t')=f(x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))により現在時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する。なお、この酸素濃度推定値y^(t')は制御装置20に出力され、当該制御装置20によって調整機器30に対する操作量が制御される。これにより、加熱炉40内の酸素濃度が制御されることになる。
The oxygen
<変形例>
上記の実施形態では実績データが作成及び保存された後は酸素濃度計50が撤去されるものとしたが、例えば、レーザ式酸素濃度計501のみを撤去し、ジルコニア式酸素濃度計502は撤去しなくてもよい。この場合、ジルコニア式酸素濃度計502の酸素濃度計測値y2(t')も説明変数としてもよい。
<Modification>
In the above embodiment, the oxygen concentration meter 50 is removed after the performance data is created and saved. It does not have to be removed. In this case, the oxygen concentration measurement value y 2 (t′) of the zirconia oxygen concentration meter 502 may also be used as an explanatory variable.
具体的には、実績データをz(t):=(y(t)=y1(t),y2(t),x1(t),x2(t),・・・,xn(t))とした上で、y(t)を目的変数、y2(t),x1(t),x2(t),・・・,xn(t)を説明変数として酸素濃度推定モデルfを作成する。そして、酸素濃度推定値を計算する際には、y^(t')=f(y2(t'),x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))により現在時刻t'の酸素濃度推定値y^(t')を計算する。なお、このとき、例えば、y^(t)=g(x1(t),x2(t),・・・,xn(t))となるモデルgを予め作成しておき、|y2(t')|<εである場合にはy^(t')=g(x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))を計算し、|y2(t')|≧εである場合にのみy^(t')=f(y2(t'),x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t'))を計算してもよい。 Specifically, the performance data is z( t ):=(y(t)= y1 (t), y2 (t), x1(t), x2 (t), . . . , xn (t)), y (t) is the objective variable, y 2 (t), x 1 (t), x 2 (t), ..., x n (t) is the explanatory variable oxygen concentration Create an estimation model f. Then, when calculating the estimated oxygen concentration, ŷ(t′)=f(y 2 (t′), x 1 (t′), x 2 (t′), . . . , x n ( t')) calculates the estimated oxygen concentration y^(t') at the current time t'. At this time, for example, a model g that satisfies y^(t)=g(x 1 (t), x 2 (t), . . . , x n (t)) is created in advance, and If 2 (t')|<ε then compute y^(t')=g(x 1 (t'), x 2 (t'), . . . , x n (t')) , ŷ(t′)=f( y 2 ( t′), x 1 (t′), x 2 (t′), . xn (t')) may be calculated.
<まとめ>
以上のように、本実施形態に係る加熱炉制御システム1では、低酸素濃度下でも安定的に酸素濃度を計測可能なレーザ式酸素濃度計501の計測値を教師データとして酸素濃度推定モデルfを作成した上で、この酸素濃度推定モデルfにより加熱炉40内の酸素濃度を推定する。これにより、低酸素濃度下で誤計測が発生し得るジルコニア式酸素濃度計502に代わって、低酸素濃度下でも酸素濃度推定モデルfにより精度良く酸素濃度を推定することが可能となり、省エネルギ化と公害防止を両立させた加熱炉40の最適な制御を実現することができるようになる。
<Summary>
As described above , in the heating
しかも、酸素濃度推定モデルfを作成した後はレーザ式酸素濃度計501を加熱炉40から撤去することができるため、例えば、当該レーザ式酸素濃度計501を他の加熱炉40に設置して同様に酸素濃度推定モデルfを作成することが可能となる。このため、一般的に高価なレーザ式酸素濃度計501を加熱炉40毎に準備する必要はなく、比較的安価に酸素濃度推定モデルfを作成することができる。
Moreover, since the laser oxygen concentration meter 501 can be removed from the
本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments described above, and various variations, modifications, combinations with known techniques, etc. are possible without departing from the scope of the claims. be.
1 加熱炉制御システム
10 酸素濃度推定装置
20 制御装置
30 調整機器
40 加熱炉
50 酸素濃度計
60 周辺センサ
101 入力装置
102 表示装置
103 外部I/F
103a 記録媒体
104 通信I/F
105 プロセッサ
106 メモリ装置
107 バス
201 実績データ作成部
202 モデル作成処理部
203 酸素濃度推定部
204 実績データ記憶部
211 データ取得部
212 モデル作成部
1 Heating
105
Claims (7)
過去の所定の期間内の各時刻tにおける前記加熱炉内の酸素濃度計測値y(t)と前記加熱炉に関連する所定のn(nは予め決められた1以上の整数)個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)とを学習用データとして、前記加熱炉内の酸素濃度を推定するためのモデルを作成するモデル作成部と、
酸素濃度の推定対象となる時刻t'における前記n個の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と前記モデルとを用いて、前記加熱炉内の酸素濃度の推定値を計算する酸素濃度推定部と、
を有する濃度推定装置。 An oxygen concentration estimation device for estimating the oxygen concentration in a heating furnace,
Oxygen concentration measurement value y(t) in the heating furnace at each time t within a predetermined period in the past and predetermined n (n is a predetermined integer of 1 or more) physical quantity measurements related to the heating furnace a model creation unit that creates a model for estimating the oxygen concentration in the heating furnace using the values x 1 (t), x 2 (t), . . . , x n (t) as learning data;
Using the n physical quantity measurement values x 1 (t' ) , x 2 (t'), . an oxygen concentration estimator that calculates an estimated oxygen concentration in the heating furnace;
A concentration estimator having
前記酸素濃度計測値y(t)は、前記レーザ式酸素濃度計によって前記加熱炉内の酸素濃度を計測した計測値y1(t)である、請求項1に記載の濃度推定装置。 A laser oxygen concentration meter is installed in the heating furnace,
2. The concentration estimating device according to claim 1, wherein said oxygen concentration measurement value y(t) is a measurement value y1 (t) obtained by measuring the oxygen concentration in said heating furnace with said laser oxygen concentration meter.
前記レーザ式酸素濃度計によって前記加熱炉内の酸素濃度を計測した計測値をy1(t)、前記ジルコニア式酸素濃度計によって前記加熱炉内の酸素濃度を計測した計測値をy2(t)として、
予め決められた値ε>0に対して、|y2(t)|<εである場合には、y(t)=y1(t)とし、
|y2(t)|≧εである場合には、y(t)=y1(t)、y(t)=y2(t)、y(t)=(y1(t)+y2(t))/2、y(t)=min(y1(t),y2(t))、又はy(t)=max(y1(t),y2(t))のいずれかとする、請求項1又は2に記載の濃度推定装置。 A laser type oxygen concentration meter and a zirconia type oxygen concentration meter are installed in the heating furnace,
y 1 (t) is the measured value of the oxygen concentration in the heating furnace measured by the laser oxygen concentration meter, and y 2 (t) is the measured value of the oxygen concentration in the heating furnace measured by the zirconia oxygen concentration meter. ) as
For a predetermined value ε>0, if |y 2 (t)|<ε, then y(t)=y 1 (t), and
If |y 2 (t)|≧ε then y(t)=y 1 (t), y(t)=y 2 (t), y(t)=(y 1 (t)+y 2 (t))/2, y(t)=min( y1 (t), y2 (t)), or y(t)=max( y1 (t), y2 (t)) The concentration estimation device according to claim 1 or 2, wherein
酸素濃度の推定対象となる時刻t'における前記n個の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と、過去の所定の期間内の各時刻tにおける前記n個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)との距離d(t',t)をそれぞれ計算し、
前記距離d(t',t)が小さい順に所定の個数のtにそれぞれ対応する前記酸素濃度計測値y(t)と前記n個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)とを学習用データとして、前記モデルを作成する、請求項1乃至3の何れか一項に記載の濃度推定装置。 The model creation unit
The n physical quantity measurement values x 1 (t′), x 2 (t ′ ), . Calculate the distances d (t', t) from the n physical quantity measurement values x 1 (t), x 2 (t), ..., x n (t) at each time t,
The oxygen concentration measurement value y(t) and the n physical quantity measurement values x 1 (t), x 2 (t), respectively corresponding to a predetermined number of t in ascending order of the distance d (t′, t), 4. The concentration estimating apparatus according to claim 1, wherein the model is created using . . . , xn (t) as learning data.
過去の所定の期間内の各時刻tにおける前記加熱炉内の酸素濃度計測値y(t)と前記加熱炉に関連する所定のn(nは予め決められた1以上の整数)個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)とを学習用データとして、前記加熱炉内の酸素濃度を推定するためのモデルを作成するモデル作成手順と、
酸素濃度の推定対象となる時刻t'における前記n個の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と前記モデルとを用いて、前記加熱炉内の酸素濃度の推定値を計算する酸素濃度推定手順と、
を実行する濃度推定方法。 An oxygen concentration estimating device that estimates the oxygen concentration in the heating furnace,
Oxygen concentration measurement value y(t) in the heating furnace at each time t within a predetermined period in the past and predetermined n (n is a predetermined integer of 1 or more) physical quantity measurements related to the heating furnace a model creation procedure for creating a model for estimating the oxygen concentration in the heating furnace using the values x 1 (t), x 2 (t), . . . , x n (t) as learning data;
Using the n physical quantity measurement values x 1 (t' ) , x 2 (t'), . an oxygen concentration estimation procedure for calculating an estimated oxygen concentration in the furnace;
A concentration estimation method that performs
過去の所定の期間内の各時刻tにおける前記加熱炉内の酸素濃度計測値y(t)と前記加熱炉に関連する所定のn(nは予め決められた1以上の整数)個の物理量計測値x1(t),x2(t),・・・,xn(t)とを学習用データとして、前記加熱炉内の酸素濃度を推定するためのモデルを作成するモデル作成手順と、
酸素濃度の推定対象となる時刻t'における前記n個の物理量計測値x1(t'),x2(t'),・・・,xn(t')と前記モデルとを用いて、前記加熱炉内の酸素濃度の推定値を計算する酸素濃度推定手順と、
を実行させるプログラム。 An oxygen concentration estimating device that estimates the oxygen concentration in the heating furnace,
Oxygen concentration measurement value y(t) in the heating furnace at each time t within a predetermined period in the past and predetermined n (n is a predetermined integer of 1 or more) physical quantity measurements related to the heating furnace a model creation procedure for creating a model for estimating the oxygen concentration in the heating furnace using the values x 1 (t), x 2 (t), . . . , x n (t) as learning data;
Using the n physical quantity measurement values x 1 (t' ) , x 2 (t'), . an oxygen concentration estimation procedure for calculating an estimated oxygen concentration in the furnace;
program to run.
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