JP4156934B2 - 多変量プロセスのコントロール - Google Patents

Description

本発明は、多変量プロセスのコントロールのための方法及びシステムに関する。

本発明の一つの形態によれば、多変量プロセスのコントロール方法であって、個々の座標軸によりプロセス変数の多次元表現を導出し、前記プロセスの複数の動作に関連してそれぞれ蓄積される前記プロセス変数の値の集合に基づいて、前記プロセス変数の実行可能範囲を定義し、各プロセス変数について、他の前記プロセス変数の値に起因する範囲であって、動作を前記実行可能範囲内にとどめるために前記各プロセス変数の値が位置すべき範囲を定義し、前記変数のそれぞれについて、前記変数の現在値が該変数について定義された前記範囲の外側に位置するというアラーム状態が存在するか否かを検出し、前記アラーム状態の存在に応答して、該アラーム状態を解除するために必要な１以上の前記変数の値の変更を計算し、及び計算された前記変更を実行することを有するコントロール方法が与えられる。

本発明の他の形態によれば、多変量プロセスのコントロールのためのシステムであって、個々の座標軸によりプロセス変数の多次元表現を導出する手段と、前記プロセスの複数の動作に関連してそれぞれ蓄積される前記プロセス変数の値の集合に基づいて、前記プロセス変数の実行可能範囲を定義する手段と、各プロセス変数について、他の前記プロセス変数の値に起因する範囲であって、動作を前記実行可能範囲内にとどめるために前記各プロセス変数の値が位置すべき範囲を定義する手段と、前記変数のそれぞれについて、前記変数の現在値が該変数について定義された前記範囲の外側に位置するというアラーム状態が存在するか否かを検出する手段と、前記アラーム状態の存在に応答して、該アラーム状態を解除するために必要な１以上の前記変数の値の変更を計算する手段と、計算された前記変更を表示する手段とを備えるシステムが与えられる。

本発明の方法及びシステムにおける、前記実行可能範囲及びプロセス変数の前記範囲の定義は、凸包や、他のいずれかの、蓄積された値集合によりそれぞれ示されるデータ点を包囲する閉じた包絡線を使用して実行される。直交座標における凸包は、２次元空間の全ての関連するデータ点を囲む閉じた折線となるが、平行座標では、間隔をあけた１つの直線的な湾曲部の対であり、それは対応する平行軸の間において（平行座標空間上の）データ点を示する直線によって占領された領域を境界付けるものである。

少なくともいくつかの前記プロセス変数の現在値と、前記少なくともいくつかのプロセス変数について個々に定義された前記範囲とは、前記多次元表現に表示される。

本発明は、多変量プロセスの最適化及び効果的なオンライン操作に適用しうる。そして、これに関連して、アラーム状態を解除するために必要な前記計算された変更は、前記変更の表示に従うオペレータの制御により実行される。また、前記変更は、自動実行を行うプロセスコントローラに伝達されてもよい。

本発明による方法及びシステムを、添付する図面を参照し例を挙げて、以下説明する。

以下に、説明される方法及びシステムの例は、単純な架空の処理プラントにより実行される多変量プロセスの動作のコントロールに関連する。前記プラントの詳細及びその目的は重要ではない。そして、発明の方法及びシステムは、多変量プロセスを必要とするいかなる状況にも一般的に適用できるため、実行されるプロセスの目的よりむしろ、実は多変量プロセスの例のようなプラントの動作に特に関連するものである。しかし、今回の具体例の最初の説明との関連においては、プラントの動作に必要とされる変数の数は１４個とする。そして、そのうちの１１個はその値がプロセスの結果を決定するという限りにおいて制御変数である。残りの３個の変数は、その値がその結果を定義する又はより特にその結果に定義されるという意味で品質変数である。

図１を参照する。プラント１は入力２及び出力３を有し、それらの間には、例えば、多数のプロセス段階４がある。各々の段階４の内部のプロセスは、１個以上の変数に従って実行され、この例では、変数は１１個のコントローラー５によって調整される。プロセスの各々の動作または‘実行’のためのこれら変数の値は、記憶７に蓄積されるためにデータ収集ユニット６に伝達される。この関連において、‘実行’の語は、プロセスの別々の動作を指す場合もあるが、連続した動作内の離散的な時点に適用されるものを指す場合もある。

プロセスの各々の実行の出力３における結果は、３個の変数によって決定される前記結果の品質に関する解析のためにユニット８に送られる。これらの３個の品質変数の値は記憶９に蓄積され、したがってプロセスの各々の実行及びその結果は、１４個の変数として１１個が記憶７に、３個が記憶９に入っている蓄積された１４個の値の集合によって定義される。

プロセスが繰り返し実行されると、多数の様々な１４個の値の集合が蓄積される。そして、これらの中から、完全な（うまく動作している）プロセス動作を示している連続する実行の履歴記録を記憶７及び９に与えるために、選択が行われる。この記録は、ある特定の結果を獲得するために適した様々な変数の値を選択する根拠として本発明の方法に使用される。特に、各々の個別の集合の１４個の値（１１個が記憶７に、そして３個が記憶９に入っている）は、マージユニット１０にまとめられ、それぞれ０から１の範囲に調整される。その後、前記調整された値はそれらを電気的表示ユニット１２にプロットするために、ユニット１１において処理される。各々の集合の前記調整された値は、図２に図示されているような平行座標システムを用いて、１４次元空間にプロットされる。

図２を参照する。１４個の値は、それぞれ１４個の変数を表す１４本の等間隔の平行軸Ｘ０１−Ｘ１４上にプロットされる。初めの３本の軸Ｘ０１−Ｘ０３は品質変数のために使用され、そしてプロットは、１４値の１つのプロセス動作点を表示する折線Ｌを形成するように接続される。他のプロセス値の集合もそれぞれ同じ軸Ｘ０１−Ｘ１４に対して対応してプロットされ、線Ｌに対応する複数の折線を生ずる結果となる。この様子を一部図３に図示する。各々の折線は、履歴記録から得られるプロセスの個別の動作点又は実行を示す。

さらに図３を参照する。平行軸システムの隣接する変数の全ての対に対する凸包Ｈがユニット１１で計算される。軸Ｘ０１−Ｘ１４の各々の隣接する軸の対の間には、２本の軸の間における動作点がなす線の上限及び下限の境界を定義する上部及び下部包Ｈが存在する。隣接する軸の連続する対の上部及び下部包Ｈを結合すると、上端及び下端の境界又はチェーン（chain）ＴＣ及びＢＣがそれぞれ定義される。変数の他の組合せ全てに適用可能な凸包も計算される。

一度、全ての凸包の計算が完了すると、隣接する軸間の上部及び下部包Ｈ（ここでは、簡単のため、０から１の範囲に位置する部分だけに限定されている）は、ユニット１２に伝達され、図４に示すように表示される。隣接する軸間の上部及び下部包Ｈは、前記表示において、それぞれ接続されて上端チェーン及び下端チェーンであるＴＣ及びＢＣをなすように示される。上端チェーン及び下端チェーンであるＴＣ及びＢＣは、（例えば赤色に表示され）、実行可能なプロセス動作が生じうる範囲の上限、下限を定義している。明らかに、より多くの数の動作データの履歴の集合が使用されるほど、個別の変数の値がとりうる幅の範囲として、この範囲がより正確に定義されるだろう。

本システムは、プロセス動作中のプラント変数における適切な警告アラームレベルを決定するためも動作し、これらアラームレベルと前記対応する変数の現在値を、プロセスのオペレータに表示する。これは、図１に示すような、さらなる電気的表示ユニット１３を使用することにより実現されるが、ユニット１２及びユニット１３の機能を結合して１つのユニットとしてもよい。表示ユニット１３は、ユニット１１からのデータ及びユニット６からリアルタイムに供給されるプロセス変数値に基づいて、アルゴリズムユニット１４から駆動される。

プロセス変数のための新しい値の集合を、いつ受信しても、ユニット１４は、変数のうちのどれかが、上端チェーンＴＣ及び下端チェーンＢＣの中間に定義される範囲又は区間の外側に値を有するかどうか決定する。上端チェーンＴＣ及び下端チェーンＢＣは、隣接する軸の変数間に適用可能な凸包により定義されるが、ユニット１１によって計算された他の全ての変数の対の間の凸包もそれらに重複（オーバーラップ）される。したがって、うまく動く動作が存在すると予定される動作範囲は、たいてい狭い領域又は区間となる。この狭い区間（「最良動作区間」（ＢＯＺ:best operating zone）と呼ぶ）は、各変数について、相互に他の変数の値に起因する、前記各変数の取りうる値の範囲を定義する。したがって、ユニット１４は、ユニット１１から受信したデータに依存して、これらの範囲の上限及び下限を決定し、ユニット６から送られたプロセス変数の何れかの現在値が、前記ＢＯＺの外側にあるか否かを判断する。そして何れかの変数の現在値が前記ＢＯＺの外側にあるときは、ユニット１３の表示内にこの状況を指示する警告が与えられる。さもなければその状況を正すために適した変更を決定するための処置がなされる。

表示ユニット１３は、全ての変数について同時に警報アラーム制限値の表示を与える。これらの制限値は、全ての他の変数の現在値を使用して（モデルフィッティングや統計的な仮定を必要とせずに）、常に計算されている。さらに、「現在値」の参照は、いくつかの変数についてタイムラグのある値を使用することとしてもよいと理解されるべきである。

ユニット１３により与えられる表示の一般的な形式を図５〜７に図示する。さらに、これらに関連して、上記概要を説明した動作方法を以下に説明する。説明のため、プロセスは変数ａ〜ｊを伴うとし、そのうちの変数ｉ及びｊが品質変数であり、変数ａ〜ｈがプロセス変数であると仮定する。これらプロセス変数のうち、変数ａ〜ｃは直接制御可能であるという意味で操作可能であると仮定する。

図５を参照すると、ユニット６から得たプロセス変数の現在値Ｑａ〜Ｑｈが、ユニット１３の表示内に、１０個の平行軸Ｘａ〜Ｘｊのシステムのうちの、それぞれ対応する軸Ｘａ〜Ｘｈに対してプロットされている。同時に、ユニット１４によって計算された個々の変数ａ〜ｈの上限及び下限が、それぞれの軸Ｘａ〜Ｘｈ上にプロットされかつ接続されて、上限折線ＵＬ及び下限折線ＬＬを与える。線ＵＬ及びＬＬは適用可能なＢＯＺを線引きする。
チェーンＴｃ及びＢｃ（図４に示すチェーンＴＣ及びＢＣにそれぞれ対応する）及び隣接する軸の変数間の凸包によって定義される境界の表示は図５（並びに図６及び図７）にプロットされて示されるが、これらは任意的である。

品質変数ｉ及びｊの値は、リアルタイム相当に利用可能ではないとみなされる。したがって、これらの変数の値は、表示中にプロット又は表示されない。しかし、これらの変数値の各々の上限及び下限はプロセス変数ａ〜ｈの現在値からユニット１４により計算される。
プロセス変数ａ〜ｈの値はＢＯＺ内になければならないという条件によって、品質変数ｉ及びｊ上の範囲が設定されるが、プロセス変数ａ〜ｈの現在値に起因する範囲は、ＢＯＺの選択により特定される範囲より狭くなることがあるため有用な情報を与えうる。

現在値の各新しい集合がユニット６から受信されると表示が変化し、全ての変数の制限値が再計算されてユニット１３に示される。

図５に示す場合では、プロットされた値Ｑａ〜Ｑｈは、上端チェーンＴｃ及び下端チェーンＢｃに間に定義される現在の最良動作区間内に、それぞれ全て収まっている。個々の変数について計算され、それぞれの軸Ｘａ〜Ｘｊ上にプロットされる現在の上限及び下限は、接続されて折線ＵＬ及びＬＬを与える。線ＵＬ及びＬＬは、変数値が維持すべき区間（すなわちＢＯＺ）を定義する。この例では、全ての値Ｑａ〜Ｑｈがこの区間内に収まっているが、図６に示す表示状態では区間内に収まっていない。

図６の状態では、現在値Ｑａ〜Ｑｈが変更されて、その結果として必然的に線ＵＬ及びＬＬが再配置されている。この変更は、例えば、値Ｑｂを実質上線ＬＬの線上に配置するが、それと共に値Ｑａ、Ｑｃ〜Ｑｆ及びＱｈのそれぞれを、現在適用可能なＢＯＺ内にとどめる。しかし、軸Ｘｇ上にプロットされるＱｇの値は下限ＬＬよりも下にあるため、ユニット１４はこれに応答して、アラーム状態が存在することを示す。このような点で、及び少なくともアラーム状態部分があるとき、ユニット１４はべき乗記号（脱字記号、カレット）を表示内に（例えば赤色で）入力して、ＢＯＺが破られたことを検出した場所を示す。より具体的には、この例では上方向カレットＵＣが、軸Ｘｇ上の前記線との交差点に表示され、値Ｑｇが直線ＵＬ上又はその下方のいずれかにあることを示す。
同様に、値Ｑｇが直線ＵＬ上またはその上方となったときには、下方向カレットが、軸Ｘｇと線ＵＬとの交差点上に表示される。

プロセスのオペレータは表示ユニット１３とやりとりして、固定値Ｑａ〜Ｑｃの１つまたはそれ以上を、それぞれのその軸上で上下に試しに調整して、他の変数の制限値に及ぼす影響を見ることができる。アラーム状態が存在するとき、及び数個の変数がその制限値上にあるかまたはそれを超えているときに、それら変数の１つの値の調整でも、制限値線ＵＬ及びＬＬを互いに外側に十分に移動して、他の変数に生じたアラーム状態を解除することが分かることもありうる。したがってユニット１３のオンライン式表示をこのモードで使用すれば、オペレータは現在のセッティング及びそのプロセスの結果をモニタするだけでなく、アラーム状態を知らされて、かつ必要な改善措置の集中的な調査におけるガイダンスを受けることも可能となる。

しかし、システムは、アラーム状態を確認することと同様に、ユニット１４が操作されることが可能なプロセス変数（この例では、変数ａ〜ｃによりアラーム状態を解除できる）の変更の集合を計算するモードで動作可能である。これらの変更を直ちにプロセスのオペレータに表示して、変更を実行することが可能である。および又はこれに加えて、これら変更は自動実行を直接行うプロセスコントローラに伝達されることとしてもよい。

後者の点において、図７は、図６に示されたアラーム状態を解除しうる変数ａ〜ｃの変更を計算する、システムの自動操作の結果を示す。

図７を参照すると、この例でユニット１４により実行される計算は、ＢＯＺの外側にあるＱｇの現在値により生じているアラーム状態を解除するために必要とされる最適な変更は、変数ａ及びｃの値の変更であると決定する。具体的には、必要とされる変更は、ａ〜ｃ両者の値の減少であり、この変更は、これに対応する、それぞれ軸Ｘａ及びＸｃ位置上における値Ｑａ及びＱｃのドット表示の新しい位置への移動によって表示中に示される。ユニット１４は、値の変更に応答して、各変数の上限及び下限を再計算し、ユニット１３の表示中に線ＵＬ及びＬＬによってこれらを示す。

変更された変数の前回の値は、中抜きのドット表示ＯＱａ及びＯＱｃによって表示されたまま維持される。そして、前回の適用可能な制限値は、直線ＯＵＬ及びＯＬＬとして表示され、指示された変更が行われるまで参照できる。また、より早い時間ステップにおける制限値等の情報をオペレータに示すことも、さらに有用である。例えば、直線ＵＬ及びＬＬは、新しいデータの集合が受信される時点毎に消去されるのではなく、徐々に消去されることとしてもよい。これによって、ある時間ステップにおける制限値の表示は、予め選択された個数の時間ステップを経過した後に消滅する。その代わりに、プロセスのオペレータが最も有用と考えるものにしたがって、下記の通り表示することとしてもよい。まず、線ＵＬ及びＬＬによって囲まれた領域を無地一色（例えばライムグリーン）で表示し、各時間ステップ毎に徐々に消えていくように表示する。このときその表示強度は、順次加わる時間ステップの最後のステップに至るまでの所定の時間ステップ数によって定める。これにより、最も多い時間ステップの間実行可能であった実行可能範囲の部分が、最も強い表示色となる。

上記により説明した内容から、記憶７及び９内には、非常に多くの量の利用可能な操作履歴データを有しておく必要があることが導かれる。このようなデータは、従来のプロセス機器を通常に形成するデータベースから利用可能である。複数の異なる不連続期間にわたって収集されるデータを結合して利用してもよく、ある状況では、数学的モデルによって生成したデータを使用することとしてもよい。

さらに図１を参照すると、収集されたデータは、記憶７に蓄積されるプロセスデータと、記憶９に蓄積される品質データとを備える。このデータは、マージユニット１０においてマージされるとき、全ての品質変数及びプロセス変数の値という点で十分な、全てのデータ点を選択するために検査される（これに関して、「データ点」は、同時に（いくつかの変数は、他の変数に比べて、一定量だけ時間的に推移していてよい）なされたプロセス変数及び品質変数の測定量の集合からなる）。この選択は、動作変数上の制限値を導出するために、最良動作区間（ＢＯＺ）と、（プロセス動作中に変更されない）ＢＯＺの包絡線（この例では２次元凸包により示される）を与える。これらの制限値は各時間ステップ毎に異なり、図５〜７の方法によって表示ユニット１３により表示される。

プロセスが動作中の間には、多くの場合、記憶９に蓄積される品質変数の値は利用できない。それはこれら品質変数は、プロセスによる生成物の分析によって取得されるからである。この場合、アルゴリズムユニット１４は、その値がリアルタイムに利用可能なプロセス変数のみを利用する。理論的には、全ての変数により定義される多次元空間内のＢＯＺの包絡線は、プロセス変数により定義される多次元空間内へ投影される。そしてプロセスは、この投影された包絡線内に維持されることが必要とされる。この投影された包絡線は、全ての履歴データ点についてのプロセス変数の値の包絡線であり、このデータ点は、十分なプロセス変数の値及び品質変数の値についてのデータ点である。

このような状況において、アルゴリズムユニット１４は前記のアラームアルゴリズムに加えて、コントロールアルゴリズムに従って動作する。ある時間ステップにおいて、１以上のアラームがアラームアルゴリズムにより認められると、コントロールアルゴリズムは、まず、いずれかの変数がその絶対制限値の外側にあるかどうかを判断するように動作する。変数の絶対制限値は、他の変数の値に関わりなく適用される。絶対制限値は、図５〜７において、それぞれ上方及び下方の水平線「１」及び「０」によって示される。いずれかの被操作変数（図５〜７の例では変数ａ〜ｃ）がその絶対制限値の外側にあるときには、アラームを解除する手段の一部として、これら変数をその制限値の中へ移動することが必要となるであろう。しかし、被操作変数でない変数のいずれかがその絶対制限値の外側にあるときは、そのアラームは十分に解除することができない。

コントロールアルゴリズムの主要機能は、被操作変数の移動の最良な組合せを計算して、変数が、自己の絶対制限値の内側にあるが、他の変数の値に起因する制限値の外側にあるために生じるアラームを解除することである。この点でコントロールアルゴリズムは、全実行不可能性、すなわち制限値違反全体の大きさの合計や、被操作変数の各々についてのこの全実行不可能性の係数を計算することによって実行される。コントロールアルゴリズムは、被操作変数の推奨する新しい値の組合せを、これら係数から導出する。この目的のために適するアルゴリズムを以下に記述する。

記述されるべきアルゴリズムは、上述の平面凸包を使用するとともに、いずれか適した閉じた超幾何図形（hyper-geometric figure）をＢＯＺにフィッティングさせて得られる制限から、コントロールアルゴリズムを得ることが可能とする。

全実行不可能性は、アラーム状態にある全ての変数の値と、それぞれの変数が違反する制限値との間の相違量の大きさの合計である。いま説明のため、値Ｑａ及びＱｄが、（変数ａ及びｄについて計算された実行可能な変数すなわち変数ｂ、ｃ、ｆ、ｇの現在値に起因する下限値ＬＬａ及びＬＬｄよりそれぞれ小さいとし、値Ｑｅ及びＱｈが、（変数ｅ及びｈについて計算された変数ｂ、ｃ、ｆ、ｇの現在値に起因する）上限値ＵＬｅ及びＵＬｈより、それぞれ大きいとする。このとき全実行不可能性は、次式と等しくなる。

（ＬＬａ−Ｑａ）＋（ＬＬｄ−Ｑｄ）＋（Ｑｅ−ＵＬｅ）＋（Ｑｈ−ＵＬｈ）

ある被操作変数に関する全実行不可能性の係数は、その変数に関する全てのアラームの実行不可能性の係数の合計となる。ある被操作変数自身がアラーム状態にあれば、上限が違反されているときには、そのアラームの実行不可能性の係数は＋１であり、下限が違反されているときには、そのアラームの実行不可能性の係数は−１である。他の全てのアラームについては、その係数は、被操作変数の単位変化に対する違反された制限値の変化量となる。このとき係数の符号は、制限値がアラーム状態にある変数から遠ざかる方向に動くときは正とし、近づく方向に動くときは負とする。

値Ｑｍに関する制限値ＬＬｎの係数は、次式によって表現することができる。

ｄＬＬｎ／ｄＱｍ

ここにｎはｍと異なる数であり、軸Ｘｍの変数は被操作変数である。したがって、上記説明において、ａが被操作変数であるとすると、変数ａの値に関する全実行不可能性の係数は次式の通りとなる。

−１＋ｄＬＬｄ／ｄＱａ − ｄＵＬｅ／ｄＱａ − ｄＵＬｈ／ｄＱａ

係数ｄＬＬｎ／ｄＱｍの各々は、軸Ｘｍ及びＸｎ間にある２次元凸包から計算される。図８に、前記係数の計算法を示す。

図８を参照すると、平行座標の軸Ｘｍ及びＸｎ間の凸包は、上部チェーンＵＣｍｎ及び下部チェーンＬＣｍｎをそれぞれ有しており、また直線で接続される点又はノードの順序集合を備える。図８の上部チェーンのノードをＮ１〜Ｎ５と呼ぶこととする。軸Ｘｍ上にプロットされた変数の値は、Ｑｍにより示されている。そしてＵＬｎは、Ｑｍに起因する軸Ｘｎ上の上限である。この点について、ＵＬｎは、ＱｍからＵｃｍｎへ至る接線ＴＵの軸Ｘｎ上の切片であり、接線ＴＵは、チェーンＵＣｍｎのノードＮ４でＵＣｍｎに接する。Ｑｍに起因するＵＬｎが、他のいずれの変数によって軸Ｘｎ上に起因する最も上限よりも制限的な（最も低い）上限であるとき、ＵＬｎは軸Ｘｎ上の総合的な上限である。この状況では、係数ｄＵＬｎ／ｄＱｍはゼロとならず、次式により与えられる。

ｄＵＬｎ／ｄＱｍ ＝ −Ｌ／ｘ４

ここにｘ４は、軸ＸｍからノードＮ４までの水平長であり、Ｌは軸Ｘｍ及びＸｎ間の距離である。

図８に示す場合では、変数ｍの値Ｑｍを低減することにより、ＵＬｎをＱｎの方向へ増大させて、Ｘｎ上の実行不可能性を低減することができる。

係数ｄＵＬｎ／ｄＱｍは、Ｑｍの値の限定された範囲においてのみ有効である。図８は、軸Ｘｍ上の値Ｑｍに示される点からチェーンＵＣｍｎへの接線が、ＵＣｍｎにノードＮ５及びノードＮ３で接触する、変数ｍに関するそれぞれの制限値ＶＬｍ及びＶＵｍを示す。

値Ｑｍに関する全実行不可能性の係数の有効性の制限は、個々のアラームの実行不可能性の係数の有効性における最も制限的な制限である。これらの制限は、（実行可能または実行不可能な）他の何れかの変数上の制限がこの変数の現在値に至るとき、またはＱｍにより起因する制限が最も制限的に生じたときに、さらに制限される。

この、全実行不可能性の係数及びそれらの有効性の制限の計算を使用して、コントロールアルゴリズムは、以下のステップを反復的に実行する。

（１） 全実行不可能性を最も低減させる被操作変数を選択し、その有効性の限界まで移動させる。

（２） 全実行不可能性、全ての係数、及び全ての制限値を再計算する。

（３） そして、全実行不可能性がゼロになるまで繰り返す。

全実行不可能性がゼロになったときアラーム状態が解除される。そして、この点における被操作変数の値が推奨されるプロセスの移動である。

上述のコントロールアルゴリズム（これは使用可能なアルゴリズムのうちの一つである）は、被操作変数の現在値からの移動量全体が最小であることを要求するが、他の基準を使用してもよい。直線的な凸包の代わりに、都合のよい閉形状をＢＯＺの点にフィッティングして制限及び係数を導出してもよい。

被操作変数の推奨される新しい値は、表示ユニット１３（図１参照）上に表示され、（そして上記の通り）、これに加えて又はこれに代えて、プラントのリアルタイム制御のために使用される。既知のプラント制御システムにて実行されるコントロールアルゴリズムは、一般的に動作点に関するプロセス方程式の集合を線形化し、そしてその結果得た連立方程式の集合を解いて次の変数を計算することによって動作する。これは各変数上の制限が必要である。同様の各変数上の制限はまた、他の手段により解かれる多くの方程式の集合を使用するプロセス制御システム（これは時として「リアルタイムオプティマイザー」として知られる）にも必要とされる。各場合における制限は、プロセスオペレータによって手動で設定されるが、これは、前記変数上の制限のための正確な値を計算する方法が実用上現在利用可能でないからである。

しかし、上述する包絡線を使用する方法は、現在の動作点を使用して適切な制限のための値を計算するために使用することが可能である。これらの制限は、その後コントロールアルゴリズムによって、新しい動作点を計算するために使用される。そして、前記方法は再度適用され、新しい動作点に関する新しい制限を計算する。前記方法及びコントロールアルゴリズムの使用のこの２つの段階は、最良の解へ収束するまで反復して実行される。

上述の２つの段階の方法は、大きな利点を有する。具体的には、コントロールアルゴリズムは、リアルタイムに測定された変数上の条件だけではなく、ＢＯＺ包絡線内に作られた製品品質や他の条件を満たすように作られる。次に、オペレータは、定められた論理（ロジック）なしに変数の制限値を割り当てなければならない状態のままとなることがなくなり、よって、十分な動作点が見つからない制限値の「コーナー」へ、プロセスが駆動される影響を避けることができる。第３に、コントロールアルゴリズムのつながりと包絡線計算との間のより密接な関係によって、より小さい動作範囲（より最適に近いプロセス動作と等価である）を達成する制御が可能となる。

これに加えて又はこれに代えて、警報及び推奨されるプロセスの移動は、図５〜７に示されるような直線上の形式ではなく、円形のプロット上に表示されてもよい（しばしば、「レーダプロット」又は「スパイダープロット」として知られる）。この場合では、図９に示すように各軸が同じ角度で、車輪のスポークのように配置され、１２個の変数Ｘａ〜Ｚｌの円形のプロットのために使用される。全ての計算は平行座標軸を使用して実行され、表示の場合だけ、円形形式に変形される。

図９を参照すると、折線ＵＬ及びＬＬ（これは例えば、緑色に表示される（ここでは破線で表示される））は、変数の、それぞれ現在の上限及び下限を示している。この場合、上限を接続する線ＵＬは閉形状を形成する（下限を接続する線ＬＬも同様である）。プロセス変数の現在値を示す点Ｑａ〜Ｑｌ（これは例えば青色に表示される）は、（青い）実線で接続される。これによりオペレータは、現在の動作点の「形状」を認識することを支援される。変数がその制限値を超える場所では、違反された制限値の位置にカレット（例えば赤色）が現れる。ここでカレットＵＣ（軸Ｘｅ及びＸｉに示される）は、上限ＵＬが違反される場所に現れ、及びカレットＬＣ（軸Ｘａ及びＸｄに示される）は、下限ＬＬが違反される場所に現れる。アラーム状態を解除するために必要な修正の計算及び指示に関するシステムの動作は、図９に示される表示においても上記と同様である。

多変量処理プラントの動作から導出されたデータの収集及び利用に関する本発明によるシステムの略図である。 図１の多変量処理プラントの動作の、平行座標軸による多次元空間内のプロットの説明図である。 多変量プロセスの連続する動作の結果生じた、図２のプロットに対応する多数のプロットの一部を表す図である。 図１のシステムにおける、凸包の表示の説明図である。 本発明の方法及びシステムの動作に関する、本発明により与えられる連続する表示の説明図である。 本発明の方法及びシステムの動作に関する、本発明により与えられる連続する表示の説明図である。 本発明の方法及びシステムの動作に関する、本発明により与えられる連続する表示の説明図である。 本発明の方法及びシステムに利用される、特定の係数の導出の説明図である。 本発明によって利用可能な表示表現の代替的な形式の説明図である。

Claims (16)

1. 多変量プロセスの動作のコントロール方法であって、
   (i) 相互に間隔を空けて配置された複数の座標軸上にそれぞれ複数のプロセス変量の現在値を表示する、前記多変量プロセスの動作の多次元ディスプレイ表現を導出するステップと、
   (ii) 前記多次元ディスプレイ表現中に、前記多変量プロセスの動作に適する各前記プロセス変量の値の範囲を示す実行可能範囲を定義するステップであって、首尾良く実行された先行する前記多変量プロセスの動作によって蓄積された前記複数のプロセス変量の値の集合を包囲する凸包又は閉包絡線によって前記実行可能範囲を定義することにより、前記複数のプロセス変量毎に、当該プロセス変量以外の他のプロセス変量の現在値に依存する範囲であり、かつ表示される前記実行可能範囲内に前記多変量プロセスの動作が留まるために当該プロセス変量の現在値が存在すべき範囲が定義され、前記実行可能範囲は、前記座標軸と交差して前記多変量プロセスの動作に適する各前記プロセス変量の値の範囲を各前記座標軸上に示す、ステップと、
   (iii) 前記複数のプロセス変量のいずれかの現在値が、前記実行可能範囲により定められる範囲から逸脱するか否かを検出することにより、アラーム状態が存在するか否かを検出するステップと、
   (iv) 前記アラーム状態の存在に応答して、全てのプロセス変量が、前記多次元ディスプレイ表現中に定義された前記実行可能範囲内に存在する状態を回復するために必要な１以上の前記プロセス変量の値の変更を計算し、前記アラーム状態を解除するために前記１以上の前記プロセス変量の値を変更するステップと、
   を有する方法。
2. 前記実行可能範囲が、前記先行する多変量プロセスの動作によって蓄積された前記複数のプロセス変量の値の集合から計算される複数の凸包の線分を接続した、接続された複数の線分として表示され、
   前記複数の線分の各線分は、前記多次元ディスプレイ表現において互いに隣接して表示される前記座標軸の各対の間に伸長しており、かつ該対をなす２つの座標軸上に表示される２つの変量について計算された凸包の線分である請求項１に記載の方法。
3. 前記ディスプレイ表現におけるいずれかの前記変量に関する前記アラーム状態の存在が、該変量の座標軸上に示される請求項１又は２に記載の方法。
4. 多次元ディスプレイ表現の座標軸は、互いに平行である請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 多次元ディスプレイ表現の各座標軸が放射状に配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
6. 前記アラーム状態を解除するための、１以上の前記プロセス変量の値の変更を計算する前記のステップは、反復して実行される請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記プロセス変量の値の前記変更を計算する前記のステップは、
   前記アラーム状態にある１以上の前記プロセス変量毎に、当該プロセス変量の現在値が前記実行可能範囲により定義される範囲からどれだけ外れているかを示す相違量を決定するステップと、
   前記プロセス変量についての前記相違量の合計を導出するステップと、
   アラーム状態にある１以上の前記変量から、その変更が前記合計を最も低減する変量を選択するステップと、
   前記選択された変量について決定した前記相違量の代わりに、該選択された変量に関する前記座標軸と前記実行可能範囲との交差点によって該選択された変量について定められる範囲の最大値及び最小値のうち該選択された変量の現在値に近い方の値を用いて、前記合計を再計算するステップと、を含み、
   前記選択するステップと前記再計算するステップとを、再計算された前記合計がゼロになるまで繰り返す請求項６に記載の方法。
8. 計算された前記変更の実行は、前記変更の表示に従うオペレータの制御により実行される請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記変更は、自動実行を行うプロセスコントローラに伝達される請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
10. 多変量プロセスのコントロールのためのシステムであって、
    (i) 相互に間隔を空けて配置された複数の座標軸上にそれぞれ複数のプロセス変量の現在値を表示することにより、前記複数のプロセス変量の現在値に基づいて前記多変量プロセスの動作の多次元ディスプレイ表現を導出する手段と、
    (ii) 首尾良く実行された先行する前記多変量プロセスの動作によって蓄積された前記複数のプロセス変量の値の集合を保持するデータ記憶手段と、
    (iii) 記憶された前記プロセス変数値の集合を包囲する凸包又は閉包絡線を計算する手段と、
    (iv) 前記多次元ディスプレイ表現中に、前記多変量プロセスの動作に適する各前記プロセス変量の値の範囲を示す実行可能範囲を定義する手段であって、該手段は、前記凸包又は閉包絡線によって該実行可能範囲を定義することにより、前記複数のプロセス変量毎に、当該プロセス変量以外の他のプロセス変量の現在値に依存する範囲であり、かつ表示される前記実行可能範囲内に前記多変量プロセスの動作が留まるために当該プロセス変量の現在値が存在すべき範囲が定義され、前記実行可能範囲は、前記座標軸と交差して前記多変量プロセスの動作に適する各前記プロセス変量の値の範囲を各前記座標軸上に示す、手段と、
    (v) 前記複数のプロセス変量のいずれかの現在値が、前記実行可能範囲により定められる範囲から逸脱するか否かを検出することにより、アラーム状態が存在するか否かを検出する手段と、
    (vi) 前記アラーム状態の存在に応答して、全てのプロセス変量が、前記多次元ディスプレイ表現中に定義された前記実行可能範囲内に存在する状態を回復するために必要な１以上の前記プロセス変量の値の変更を計算する手段と、
    前記アラーム状態を解除するために前記１以上の前記プロセス変量の値を変更する手段と、
    (vii) 前記１以上のプロセス変量の前記計算された変更を前記多次元ディスプレイ表現上に示し、及び／又は、自動化された前記多変量プロセスのコントローラによって前記１以上のプロセス変量の前記計算された変更を実施する手段と、
    を備えるシステム。
11. 前記実行可能範囲が、前記先行する多変量プロセスの動作によって蓄積された前記複数のプロセス変量の値の集合から計算される複数の凸包の線分を接続した、接続された複数の線分として表示され、
    前記複数の線分の各線分は、前記多次元ディスプレイ表現において互いに隣接して表示される前記座標軸の各対の間に伸長しており、かつ該対をなす２つの座標軸上に表示される２つの変量について計算された凸包の線分である請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ディスプレイ表現におけるいずれかの前記変量に関する前記アラーム状態の存在が、該変量の座標軸上に示される請求項１０又は１１に記載のシステム。
13. 多次元ディスプレイ表現の座標軸は、互いに平行である請求項１０〜１２の何れか一項に記載のシステム。
14. 多次元ディスプレイ表現の各座標軸が放射状に配置される請求項１０〜１２の何れか一項に記載のシステム。
15. 前記アラーム状態を解除するための１以上の前記プロセス変量の値の変更の前記計算を、反復して実行する請求項１０〜１４の何れか一項に記載のシステム。
16. 前記プロセス変量の値の前記変更を計算する前記手段は、
    前記アラーム状態にある１以上の前記プロセス変量毎に、当該プロセス変量の現在値が前記実行可能範囲により定義される範囲からどれだけ外れているかを示す相違量を決定し、
    前記プロセス変量についての前記相違量の合計を導出し、
    アラーム状態にある１以上の前記変量から、その変更が前記合計を最も低減する変量を選択し、
    前記選択された変量について決定した前記相違量の代わりに、該選択された変量に関する前記座標軸と前記実行可能範囲との交差点によって該選択された変量について定められる範囲の最大値及び最小値のうち該選択された変量の現在値に近い方の値を用いて、前記合計を再計算し、
    前記変量の前記選択と前記合計の前記再計算とを、再計算された前記合計がゼロになるまで繰り返す請求項１５に記載のシステム。

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