JP3832365B2 - プロセス機器診断方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御においてフィールドで使用される機器の状態を、運転を停止することなく、オンラインで診断するためのプロセス機器診断方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
図５は、分散型制御装置による流量制御システムにおいて、オンラインでセンサ手段の診断を行う、従来のプロセス機器診断装置の一例を示す機能ブロック図である。１は流体Ｆを移送するプロセス配管、２は操作手段としての制御バルブ、３は配管１に挿入されたセンサ手段としての流量計である。
【０００４】
４は制御を担当するフィールドコントロールステーション（ＦＣＳ）であり、入出力装置５を介して流量計３の測定信号Ｓｉを入力し、所定の演算処理結果である操作信号Ｍｏを制御バルブ２に出力し、例えば流体Ｆの流量を定値制御する。６は上位装置（ＨＩＳ）であり、制御バス７を介してＦＣＳ４と通信する。
【０００５】
ブロック８はプロセス機器診断装置である。プロセス機器診断装置８において、９は開閉手段であり、制御バルブ２に対してこれを強制的にオンオフする操作信号Ｍｆを発信する。１０は診断手段であり、操作信号Ｍｆによる制御バルブ２のオンオフ操作に対する流量計３の応答信号Ｓｆを入力する。
【０００６】
診断手段１０における診断アルゴリズムは、操作信号Ｍｆのオンオフ回数に対する応答信号Ｓｆの変化の回数をカウントし、一致していれば流量計３は正常であると判断する。このような診断アルゴリズムを採用した技術は、例えば特開平１０−１８５６６０で公開されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような診断アルゴリズムでは、センサ手段の異常、電源異常、アンプ異常等オンオフ的な判定は可能であるが、プロセス配管の異常、センサ手段の感度低下、プロセスの時定数等の判定は困難である。
【０００８】
本発明の目的は、操作手段を強制的に複数回オンオフ操作した時のセンサ手段の応答のタイムラグをもとに、プロセス配管の診断並びにセンサ手段の応答を一次遅れ系と仮定したときの応答感度及びプロセスの時定数の診断を可能とするプロセス機器診断装置を実現するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明のプロセス機器診断方法及び装置の構成は、次の通りである。
（１）プロセス配管手段で移送される流体の物理量を測定するセンサ手段と、前記流体の流量を制御する操作手段とを有する制御システムに設定されるプロセス機器診断方法において、（ａ）前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせ、前記センサ手段の応答のピークとなる時間を検出するステップと、（ｂ）前記操作手段のオンオフ時間と前記ピークとなる時間との差を平均処理してタイムラグを算出するステップと、（ｃ）算出された前記タイムラグを、過去のタイムラグと比較することにより、前記プロセス配管手段の状態を診断するステップとを有することを特徴とするプロセス機器診断方法。
（２）（ｄ）前記タイムラグをもとに、実時間よりタイムラグ分だけ遅延した前記センサ手段の診断用の基準時間を算出するステップと、（ｅ）前記基準時間をもとに、前記センサ手段の応答を一次遅れ系と仮定した式を最小二乗法により同定し、前記センサ手段の応答感度並びにプロセスの時定数を算出するステップと、（ｆ）算出された応答感度並びにプロセスの時定数と過去のセンサ手段応答感度並びにプロセス時定数とを比較することにより、前記センサ手段並びにプロセスの状態を診断するステップとを有することを特徴とする（１）記載のプロセス機器診断方法。
（３）前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせる場合に、その時のプロセスの稼動時操作量を中心値として、その中心値より操作量を増加又は減少させてオンオフすることを特徴とする、（１）または（２）のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
（４）前記センサ手段が流量計であり、前記操作手段が制御バルブであることを特徴とする、（１）乃至（３）のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
（５）前記センサ手段並びに前記操作手段は、フィールドバスによって接続されて通信することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
（６）プロセス配管手段で移送される流体の物理量を測定するセンサ手段と、前記流体の流量を制御する操作手段とを有する制御システムに設定されるプロセス機器診断装置において、前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせ、前記センサ手段の応答のピークとなる時間を検出する手段と、前記操作手段のオンオフ時間と前記ピークとなる時間との差を平均処理してタイムラグを算出するタイムラグ演算手段とを具備することを特徴とするプロセス機器診断装置。
（７）前記タイムラグをもとに、実時間よりタイムラグ分だけ遅延した前記センサ手段の診断用の基準時間を算出する基準時間演算手段と、前記基準時間をもとに、前記センサ手段の応答を一次遅れ系と仮定した式を最小二乗法により同定し、前記センサ手段の応答感度並びにプロセスの時定数を算出する、感度・時定数演算手段とを具備することを特徴とする（６）記載のプロセス機器診断装置。
（８）前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせる場合に、その時のプロセスの稼動時操作量を中心値として、その中心値より操作量を増加又は減少させてオンオフすることを特徴とする、（６）または（７）のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。
（９）前記センサ手段が流量計であり、前記操作手段が制御バルブであることを特徴とする、（６）乃至（８）のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。
（１０）前記センサ手段並びに前記操作手段は、フィールドバスによって接続されて通信することを特徴とする（６）乃至（９）のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様を図面を用いて説明する。図１は本発明を適用したプロセス機器診断装置の一例を示す機能ブロック図であり、図５の従来装置で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１１】
プロセス機器診断装置８において、開閉手段９の機能は図５の場合と同じであり、制御バルブ２を強制的にオンオフする操作信号Ｍｆを発信する。１１はタイムラグ演算手段であり、複数回の開閉操作信号の各開始時間Ｔ１より、応答信号Ｓｆのピーク時間Ｔ２の差を統計処理してタイムラグＴＬを出力する。
【００１２】
１２はタイムラグ、センサ応答感度、時定数に関する過去の試験データを蓄積したデータベースである。１３はプロセス配管診断手段であり、データベース１２より得られるタイムラグに関する過去の試験データＴＬｓと演算されたタイムラグＴＬを比較してプロセス配管１の状態を診断する。
【００１３】
１４はセンサ手段の応答感度並びにプロセスの時定数を算出するための基準時間計算手段であり、実時間ｔとタイムラグＴＬとの差（ｔ−ＴＬ）を計算し、出力する。
【００１４】
１５は感度・時定数演算手段であり、前記基準時間に基づいてセンサ手段の応答を一次遅れ系と仮定した式を最小二乗法により同定し、センサ手段の応答感度Ａ並びにプロセスの時定数Ｔを演算して出力する。
【００１５】
１６はセンサ応答感度診断手段であり、データベース１２より得られるセンサ応答感度に関する過去の試験データＡｓと演算されたセンサ応答感度Ａを比較してセンサ手段の状態を診断する。
【００１６】
１７はプロセス時定数診断手段であり、データベース１２より得られる時定数に関する過去の試験データＴｓと演算された時定数Ｔを比較してプロセスの状態を診断する。
【００１７】
図２は、制御バルブ２のオンオフ開閉操作に対する流量計の応答を示す波形図である。（Ａ）は操作出力Ｍｏの周期的なオンオフ波形図であり、各信号の立下り時刻をＴ１で示す。
【００１８】
図２（Ｂ）は、流量計３の一次遅れの応答信号Ｓｆの波形図であり、操作出力Ｍｏの時刻Ｔ１に対する応答時刻をＴ２で示す。点線の曲線Ｆが流量計３の予測される一次遅れ応答である。時刻Ｔ１からＴ２までの時間ＴＬがタイムラグである。
【００１９】
本発明では、複数回の制御バルブのオンオフ開閉操作毎に流量計の応答のピーク判定を実行し、統計処理によりノイズの影響を除いたタイムラグＴＬの演算をおこない、その演算結果と過去の試験データＴＬｓとの比較でプロセス配管の診断を行う。
【００２０】
図３はタイムラグＴＬの演算によりプロセス配管の診断を実行する手順を示すフローチャートである。
【００２１】
ステップＳ１で、制御バルブ２のオンオフ開閉操作を複数回行ない、各バルブ開閉操作の閉時間Ｔ１をメモリに記憶する。
【００２２】
ステップＳ２で、流量計応答出力値の平均化演算を行ない、流量プロセスノイズを小さくし、更にステップＳ３乃至ステップＳ６の処理で、開閉に対応する流量計応答出力の複数のピーク値（極大または極小値）の時間Ｔ２を検出する。
【００２３】
ステップＳ２での平均化演算方法として、その時間の例えば２０個前までのサンプリング信号の平均値を算出しておく。
【００２４】
ステップＳ３で、一つ前の時刻の平均値と比較し、大きいか等しい場合に１として、小さい場合に０とし、その平均値を求めることによりノイズの影響を少なくする。
【００２５】
ステップＳ４で０と１の信号で１０個の平均をチェックし、０．５以下になったときにステップＳ６でピーク時間Ｔ２を算出する。
【００２６】
この判断アルゴリズムは、ピーク前の上昇中はほとんど１が立つがピークに近くなると山がなだらかになるので、遥動のために０が頻繁に現れる。下降中はほとんど０が立つ特徴を利用している。ちなみに、判断基準を０．７に設定するとピークの判定を間違える可能性が多いがピーク時間推定の遅れは小さくなる。
【００２７】
制御バルブのオンオフ開閉操作毎に、算出される複数のピーク時間Ｔ２による複数の時間差（Ｔ２-Ｔ１）を平均してタイムラグＴＬとする。
【００２８】
ステップＳ７では、このように算出されたタイムラグＴＬと過去の試験結果で得られたデータＴＬｓを比較し、差が０. ５以下であれば正常、０. ５を超えた場合は異常とする診断を行なう。
【００２９】
実時間をｔとするとき、Ｔ２以降の平均値を新しい基準時間軸（ｔ−ＴＬ）に並べ、複数個の平均値データを最小二乗法で１次遅れ系のステップ応答の収束値を予測計算することにより、センサ応答感度や配管の詰まり等による時定数変化を求める計算が可能である。
【００３０】
図４は、センサ応答感度Ａと時定数Ｔの算出・判定手順を示すフローチャートである。図において、iはサンプリングにおいてi番目を示す。Ｙｉは２０個のサンプリング平均値のｉ番目のデータ、ｔｉはｉ番目の新しい時間軸である。
【００３１】
センサ応答感度Ａはステップ応答の収束値であり、オンラインのバルブ開閉試験で求めることは容易ではない。Ｔは一次遅れ系の時定数であり、これもオンラインでは求めることは容易ではない。
【００３２】
ステップＳ１で、実時間ｔから診断用の基準時間軸を設定する。ｉ番目の基準時間ｔｉを、ｔｉ＝ｔ−ＴＬとする。センサ出力応答をＹｉ＝Ａ＊［１−ｅｘｐ（−ｔｉ／Ｔ）］と仮定し、ステップＳ２でｔｉとＹｉをメモリに格納する。
【００３３】
以下にステップＳ３での演算処理を説明する。
センサ出力応答をＹｉ＝Ａ＊［１−ｅｘｐ（−ｔｉ／Ｔ）］と仮定する。
Σ（Ｙｉ−Ａ＊［１−ｅｘｐ（−ｔｉ／Ｔ）］）^２ ≒０となるように最小二乗法で２個の未知数ＴとＡを求める。
【００３４】
∂〔Σ（Ｙｉ−Ａ＊［１−ｅｘｐ（−ｔｉ／Ｔ）］）^２〕／∂Ａ＝０
∂〔Σ（Ｙｉ−Ａ＊［１−ｅｘｐ（−ｔｉ／Ｔ）］）^２〕／∂Ｔ＝０
より次の（１），（２）を得る。
【００３５】

Ｙｉ，ｔｉは平均値のサンプリングデータであるから既知である。
（１）,（２）の連立方程式から２個の未知数ＡとＴを計算する。未知数Ａは（１）から容易に消去できる。（２）に代入すればＴだけの未知数となる。ニュ-トンの数値計算法でＴを求める。もしＴがオフラインデータで分かっていれば（１）だけであるから容易にＡを計算できる
【００３６】
ステップＳ４では、算出されたセンサ応答感度Ａ並びにプロセスの時定数Ｔにつき、過去の試験データＡｓ，Ｔｓとの比較を行い、その差が０．１＊Ａ以下であれば応答感度は正常、０．５＊Ｔ以下であれば時定数は正常と判定する。
【００３７】
本発明の実施において、操作手段を強制的に複数回オンオフさせる場合に、その時のプロセスの稼動時操作量を中心値として正負方向にオンオフすることにより、プロセスの制御状態を大きく乱すことなくオンライン診断を実施することができる。
【００３８】
以上説明した実施例では、センサ手段として流量計、操作手段として制御バルブを示したが、本発明はプロセス配管で移送される流体の物理量の制御システム、例えばポンプの操作による流体の圧力制御、ヒータの操作による流体の温度制御等にも汎用的に適用することができる。
【００３９】
更に実施例では、プロセス機器診断装置８はスタンドアロン構成で示したが、この診断機能を上位装置６のメニューとして持たせ、ユーザが任意に実行可能とすることができる。
【００４０】
フィールド機器が通信機能を有し、フィールドバス１８の管理機器１９と通信できるシステムでは、管理機器１９内の機能として搭載することが可能である。更に、上位機器６がイーサネット２０に接続され、インターネット等の外部ネットワーク網２１を介して他のイーサネット２２に接続されたリモートメンテナンス機器２３と通信できる環境では、リモートメンテナンス機器内の機能として搭載することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば従来の回数判定方法よりも詳しく、タイムラグ、センサ応答感度、プロセス時定数を、オンラインで診断することができる。このとき、操作手段の開閉を、その時のプロセス位置を中心に変動させれば、プロセスの制御状態を大きく乱すことなくオンライン診断を実施することができる。
【００４２】
本発明の診断機能を分散型制御システムにおける上位装置、フィールドバスの管理機器、ネットワークを介した外部のリモートメンテナンス機器に持たせることにより、ユーザが必要に応じていつでもプロセス機器の診断を実行できる環境を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプロセス機器診断装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】制御バルブ２の開閉操作に対する流量計の応答を示す波形図である。
【図３】タイムラグＴＬの演算によりプロセス配管の診断を実行する手順を示すフローチャートである。
【図４】センサ応答感度Ａと時定数Ｔの算出・判定手順を示すフローチャートである。
【図５】分散型制御装置による流量制御システムにおいて、オンラインでセンサ手段の診断を行う、従来のプロセス機器診断装置の一例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ プロセス配管
２ 制御バルブ
３ 流量計
４ フィールドコントロールステーション
５ 入出力装置
６ 上位装置
７ 制御バス
８ プロセス機器診断装置
９ 開閉手段
１１ タイムラグ演算手段
１２ データベース
１３ プロセス配管診断手段
１４ 基準時間計算手段
１５ 感度・時定数演算手段
１６ センサ応答感度診断手段
１７ 時定数診断手段
１８ フィールドバス
１９ 管理機器
２０ イーサネット
２１ 外部ネットワーク網
２２ 他のイーサネット
２３ リモートメンテナンス機器

Claims (10)

1. プロセス配管手段で移送される流体の物理量を測定するセンサ手段と、前記流体の流量を制御する操作手段とを有する制御システムに設定されるプロセス機器診断方法において、
   （ａ）前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせ、前記センサ手段の応答のピークとなる時間を検出するステップと、
   （ｂ）前記操作手段のオンオフ時間と前記ピークとなる時間との差を平均処理してタイムラグを算出するステップと、
   （ｃ）算出された前記タイムラグを、過去のタイムラグと比較することにより、前記プロセス配管手段の状態を診断するステップと
   を有することを特徴とするプロセス機器診断方法。
2. （ｄ）前記タイムラグをもとに、実時間よりタイムラグ分だけ遅延した前記センサ手段の診断用の基準時間を算出するステップと、
   （ｅ）前記基準時間をもとに、前記センサ手段の応答を一次遅れ系と仮定した式を最小二乗法により同定し、前記センサ手段の応答感度並びにプロセスの時定数を算出するステップと、
   （ｆ）算出された応答感度並びにプロセスの時定数と過去のセンサ手段応答感度並びにプロセス時定数とを比較することにより、前記センサ手段並びにプロセスの状態を診断するステップと
   を有することを特徴とする請求項１記載のプロセス機器診断方法。
3. 前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせる場合に、その時のプロセスの稼動時操作量を中心値として、その中心値より操作量を増加又は減少させてオンオフする
   ことを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
4. 前記センサ手段が流量計であり、前記操作手段が制御バルブである
   ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
5. 前記センサ手段並びに前記操作手段は、フィールドバスによって接続されて通信する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のプロセス機器診断方法。
6. プロセス配管手段で移送される流体の物理量を測定するセンサ手段と、前記流体の流量を制御する操作手段とを有する制御システムに設定されるプロセス機器診断装置において、
   前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせ、前記センサ手段の応答のピークとなる時間を検出する手段と、
   前記操作手段のオンオフ時間と前記ピークとなる時間との差を平均処理してタイムラグを算出するタイムラグ演算手段と
   を具備することを特徴とするプロセス機器診断装置。
7. 前記タイムラグをもとに、実時間よりタイムラグ分だけ遅延した前記センサ手段の診断用の基準時間を算出する基準時間演算手段と、
   前記基準時間をもとに、前記センサ手段の応答を一次遅れ系と仮定した式を最小二乗法により同定し、前記センサ手段の応答感度並びにプロセスの時定数を算出する、感度・時定数演算手段と
   を具備することを特徴とする請求項６記載のプロセス機器診断装置。
8. 前記操作手段を強制的に複数回オンオフさせる場合に、その時のプロセスの稼動時操作量を中心値として、その中心値より操作量を増加又は減少させてオンオフする
   ことを特徴とする、請求項６または請求項７のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。
9. 前記センサ手段が流量計であり、前記操作手段が制御バルブである
   ことを特徴とする、請求項６乃至請求項８のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。
10. 前記センサ手段並びに前記操作手段は、フィールドバスによって接続されて通信する
    ことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載のプロセス機器診断装置。

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