JP4261426B2 - プラント模擬装置およびプラント模擬システム - Google Patents

Description

本発明は、プラントのプロセスや制御装置を模擬して運転訓練に用いる運転訓練用のプラント模擬装置およびプラント模擬システムに関する。

例えば、化学プロセスプラントや原子力、火力等の発電プラントの安定運転を確保するために、プラントのプロセス特性や制御装置および操作装置をプラント模擬装置で模擬し運転訓練に用いている。このような運転訓練用のプラント模擬装置（シミュレータ）での運転訓練においては、実際のプラント（実プラント）の運転手順に沿った起動停止を学習・訓練するとともに、万一、プラントに起こることが想定される異常事象をシミュレータにより発生させ、これに対する対応操作・措置を訓練する。

運転訓練は、訓練の条件が実プラントと近いことが訓練の効果を高めるために必要である。模擬している状況が実プラントの状態および操作の条件において近いことが臨場感を高めることになる。すなわち、プラントの運転状態の温度、圧力、流量、放射線センサー読み値、スイッチの状態が実プラントの運転状態と近いことに加え、運転しているクルー（オペレータ）の数、作業の内容が実際の運転の状況と合っていることが望ましい。

実プラントと近い環境が望まれる一方、実プラントを対象とした場合には、その模擬範囲は広く、全ての環境を模擬として復元するのが望ましいが、全てをシミュレーションとして実現するには設備の面で限界がある。一方、運転訓練においては事前の机上の学習、シミュレータを使った訓練、訓練後の反省・復習が重要で被訓練者個人でも操作反復ができることが重要である。

このような化学プロセスプラントや原子力発電プラントの運転訓練に用いるプラント模擬装置については、プラント模擬装置にそれぞれ異なった複数のプラント動特性模擬手段を持ち、オペレータからの切換信号で使用する一つのプラント動特性模擬手段を選び実行するようにし、これにより一つの設備で複数のプラント動特性を模擬でき表示できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、従来のプラント模擬装置では、プラントを構成する制御装置や操作盤さらにはインターロックについては複数の模擬手段を持っていないので、一つのプラント制御装置等で模擬することになり設備が大きいものになる。

また、一つのプラントを模擬する際、関連するプラントとの信号、プロセス量のやり取りや入出力がある場合、これを固定値あるいは模擬関数で代用している。このような場合、関連プラントのプロセスへの影響が把握できず、関連プラントのオペレータとのコミュニケーションの訓練が十分できない。

本発明の目的は、プラント間の連携の訓練と個別の訓練とが同時にでき訓練の経済性を向上させ、ひいてはプラント運転の安全性を高めることができるプラント模擬装置およびプラント模擬システムを提供することにある。

本発明のプラント模擬装置は、模擬制御盤の運転操作に対してプラント挙動を模擬し、その結果を制御盤および表示装置に表示するプラント模擬装置において、それぞれ異なったプラント動特性を模擬しプロセス信号を出力するプラント動特性模擬手段と、前記プラント動特性模擬手段と対応しそれぞれ異なった制御ロジックを模擬しインターロック・制御信号を出力するプラントロジック模擬手段と、前記プラント動特性模擬手段によってそれぞれ模擬されるプラント情報および各模擬プラントの初期データを格納する模擬プラント設定ファイルと、オペレータからの切換要求により前記模擬プラント設定ファイルを読み込み模擬プラントの前記プラント動特性模擬手段および前記プラントロジック模擬手段を切り替える模擬プラント切換手段と、前記プラント動特性模擬手段から入力したプロセス信号と前記プラントロジック模擬手段から入力したインターロック・制御信号とを書き込むプロセスデータファイルと、前記プロセスデータファイルの信号を前記制御盤及び表示装置に表示するプロセス表示手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のプラント模擬システムは、請求項１の２台のプラント模擬装置を有し、各々のプラント模擬装置間でプラント間のプロセスデータを通信してプラント間の干渉を模擬し、あるいはプラント模擬装置のシミュレータパラメータを通信し、連携してシミュレーションを行うことを特徴とする。

本発明によれば、複数個のプラントロジック模擬手段を用意し、プラントロジックを切り替えることから、対象とするプラントを効率よくかつ他の用意したプラントに干渉しないで模擬することができる。従って、プラント間の連携の訓練と個別の訓練とが同時にできる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるプラント模擬装置のブロック構成図である。シミュレーションユニット１１は、それぞれ異なったプラント動特性を模擬する複数のプラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎと、プラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎと対応しそれぞれ異なった制御ロジックを模擬する複数のプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎとを有する。模擬プラント設定ファイル１４には、プラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎによってそれぞれ模擬されるプラント情報および各模擬プラントの初期データが格納され、模擬プラント切換手段１５は、入力装置１６から入力されるオペレータからの切換要求により模擬プラント設定ファイル１４を読み込み模擬プラントに対応するプラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎおよびプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎを切り替える。

すなわち、入力装置１６から模擬プラントの選択信号が入力されると、模擬プラント切換手段１５は、模擬プラント設定ファイル１４から模擬プラントのモデルパラメータおよび初期値が入力される。また、模擬プラント切換手段１５により、シミュレーションユニット１１内に複数用意されたプラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎおよびプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎの中から対応するものを選び、選択されたプラント動特性模擬手段１２ｉおよびプラントロジック模擬手段１３ｉを実行する。

プラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎはプラントの操作信号ａを制御盤１７から入力し、プロセスの動特性、すなわちマスバランスやヒートバランス、放射能などを計算して、温度、圧力、密度、流量などのプロセス信号（プロセスの計装値）ｂを出力するものである。プラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎはプラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎと対応して対象とするプラントの制御ロジックやインターロックなどを模擬し、インターロック・制御信号（インターロック信号や機器の操作信号）ｃを出力する。

プロセスデータファイル１８はプラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎから入力したプロセス信号ｂとプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎから入力したインターロック・制御信号ｃをプロセスデータファイル１８に書き込む。プロセス表示手段１９はこれらの信号ｄを制御盤１７に送るとともに別途用意された表示装置２０に表示する。

制御盤１７は、図２に示すように、画面表示装置２１、計器２２、操作スイッチ２３などから構成されており、プラント状態を表示し、操作スイッチ２３によりプラントの運転操作を行う。操作スイッチ２３により操作された信号および制御器の出力は、プラント動特性模擬手段１２ａ〜１２ｎとプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎからなるシミュレーションユニット１１に入力され毎時刻プラント状態が模擬される。

別途用意された表示装置２０は、プラント特性を必要に応じて表示するものであり、訓練のインストラクターがシミュレーション内容を把握するために使っても良いものである。

第１の実施の形態によれば、複数個のプラントロジック模擬手段１３ａ〜１３ｎを用意し、プラントロジックも切り替えることから、対象とするプラントを効率よくかつ他の用意したプラントに干渉しないで模擬することができる。従って、プラント間の連携の訓練と個別の訓練とが同時にできる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係わるプラント模擬システムのブロック構成図である。図３において、図１に示した第１の実施の形態における２台のプラント模擬装置を有し、各々のプラント模擬装置間でプラント間のプロセスデータＡｅ、Ｂｅを通信し、連携してシミュレーションを行う。図３ではＡ系とＢ系のプラント模擬装置を示している。なお、Ａ系、Ｂ系において、図１と同一部分には同一符号をにＡ、Ｂを付し、その構成の説明は省略する。

Ａ系とＢ系の２台のプラント模擬装置は、それぞれのプラントを模擬すると同時にプラント間のプロセス量の移送データなどを通信してプラント間の干渉を模擬し連携訓練を行うものである。シミュレーションユニット１１Ａ、１１Ｂ間で通信される移送データとしては液体の移送などの場合は、その流量、成分、温度などがある。

この複数のプラントを同時に模擬する際には、用意された制御盤１７Ａ、１７Ｂのそれぞれ一部を使ってシミュレーションしても良い。特に、制御盤１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ同様の機能を持つ制御盤ユニットの組合せで構成されている場合に有効となる。

図４はプラントＡとプラントＢとを連携してシミュレーションするときの制御盤１７の制御盤ユニット２４の割り振りの一例を示したものである。一般に、プラント間は緩やかにつながっている場合が多いので、第２の実施の形態では、特にプラントを施設と呼ぶことにする。

制御盤１７は１０個の同一の機能を持つ制御盤ユニット２４ａ〜２４ｊから構成されている。工程Ａ−１〜Ａ−３からなる施設Ａのシミュレーションにおいては制御盤ユニット２４ａ〜２４ｅを使う。工程Ｂ−１〜Ｂ−３からなる施設Ｂのシミュレーションにおいても制御盤ユニット２４ａ〜２４ｅを使う。

一方、制御盤ユニット２４ｆ〜２４ｊは空いているため、図４のように工程Ａ−１〜Ａ−３を制御盤ユニット２４ａ〜２４ｅ、工程Ｂ−１〜Ｂ−３を制御盤ユニット２４ｆ〜２４ｊに割り付けることで２つのプラント、施設Ａと施設Ｂとの連携したシミュレーションが可能となる。

また、図５は２台のシミュレーションユニット１１Ａ、１１Ｂと制御盤ユニット２４との関係を表したものである。この模擬するプラントの数は２つ以上あっても良い。図６は３台のシミュレーションユニット１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと制御盤ユニット２４との関係を表したものである。また、図７は４台以上のプラントシミュレーションユニット１１Ａ〜１１Ｉと制御盤ユニット２４とをそれぞれ１対１に対応させた場合の一例である。

第２の実施の形態によれば、二つのプラントをまたがってシミュレーションするので、関連する２つのプラント間での連絡を訓練することができコミュニケーションの訓練として効果がある。また、シミュレーションユニットと制御盤ユニットとの対応を付けを適切に選択することにより、例えば１対１対応とした場合には、細かくシミュレーションの単位を分けることが可能となり、同時に多くの人が訓練ができる。

次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図８は本発明の第３の実施の形態に係わるプラント模擬システムのブロック構成図である。この第３の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態に対し、各々のプラント模擬装置間でプラント間のプロセスデータに加え、プラント模擬装置のシミュレータパラメータｆを通信し、連携してシミュレーションを行うようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図８において、プラント模擬装置のシミュレータパラメータｆには、シミュレーション時刻、設定倍速の倍率、シミュレータ動作信号、シミュレータ停止信号および初期状態設定信号のいずれかが含まれる。

すなわち、プラント間の連携のシミュレーションにおいて、プロセスデータＡｅに加え、シミュレータパラメータｆ（シミュレータパラメータｆであるシミュレーション時刻、設定倍速の倍率、シミュレータ動作信号、シミュレータ停止信号および初期状態設定信号のいずれか）を通信する。

プラント模擬装置においては、実プラントで長時間かかる訓練を効率的に行うためにプラント動特性の進展を実時間より速める倍速の機能がある。しかし、二つのプラントを連携してシミュレーションする際には、シミュレーションの速度が異なる場合は二つのプラントで時刻の差が出てしまう可能性がある。そのため、主体となる第１のプラントのプラント模擬装置からシミュレーションの時刻あるいは倍速の指令などのシミュレータの制御信号をもう一つの第２のプラント模擬装置に送り、第２のプラント模擬装置はこれらのシミュレータパラメータｆを受けて動作させる。

第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果に加え、一方のプラント模擬装置は他方のプラント模擬装置からのシミュレータパラメータｆを受けて動作するので両者の同期が取れ、正確なシミュレーションを行うことができ適正に運転訓練ができる。

次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。制御盤ユニット２４の画面表示装置２１に表示する内容を制限した場合、あるいは訓練の内容から重要な機器のみをシミュレーション対象とした場合には、画面表示装置２１やスイッチなどのシミュレーション内容に模擬範囲外のものが発生する。そこで、制御盤１７の画面表示装置２１に表示される表示信号の模擬レベルを示す模擬レベルデータベースを設け、模擬レベルデータベースを参照して制御盤１７の画面表示装置２１に操作器や計測器について模擬レベルを併せて表示する。

図９は動特性モデルと動特性モデルのデータベースとの関係を示したものである。従来は動特性モデル２５によるデータを動特性モデルデータベース２６、アナログデータテーブル２７、ロジックデータベース２８を介して、そのまま制御ロジック２９や画面表示装置２１に渡していたが、第４の実施の形態では、アナログデータテーブル２７に入力先を示すフィールドを模擬レベルデータベース３０として追加して、画面表示装置２１や制御ロジック２９から検索してその設定元を判定するものである。

動特性モデル２５からのデータは動特性モデルデータベース２６に格納され、この動特性モデルデータベース２６で設定しているものに対しては、模擬レベルデータベース３０にインデックス（１）を設定し、動特性モデル２５と無関係で初期値のみを示しているものに対してはインデックス（２）を設定する。

このデータフィールド（模擬レベルデータベース３０）を検索することにより設定元が動特性モデルでなく単なる初期値のみが設定されている場合には、例えば図１０のように表示信号の展開された画面に模擬範囲外の表示をする。

第４の実施の形態によれば、制御盤ユニット２４の画面表示装置２１に表示する内容を制限した場合や、訓練の内容から重要な機器のみをシミュレーション対象とした場合に、画面表示装置２１やスイッチなどのシミュレーション内容に模擬範囲外のものが発生しても、その模擬レベルを併せて表示できる。

次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。第５の実施の形態は、動特性モデルおよび表示画面を生成する手法に関するものである。第５の実施の形態では、動特性モデルを生成するにあたり、タンクや配管などの機器の個々のプログラム（モジュール）をブロック図の要素として作成しておく。

図１１に示すように、モジュール登録手段３１は機器の個々のプログラム（モジュール）をモジュール登録ファイル３２に登録する。ブロック図作成結線手段３３は、これらモジュールおよびブロック図データファイル３４の情報に基づき、これらを結線してプロセスモデルを構築する。構築されたプロセスモデルはブロック図で表現されるが、これらの実体はモジュールの結合関係であり、ブロック図結線データファイル３５に格納される。

プログラムコード生成手段３６はこのブロック図結線データファイル３５に格納されたブロック図結線データからシミュレーションユニットのプログラムを生成し、プログラムソースファイル３７に格納する。プログラムソースファイル３７に格納されたプログラムソースはモジュールライブラリ３８とともにコンバイルリンク３９を経てプラント動特性模擬手段１２に入力される。また、ブロック図で定義された初期値や定数は初期値データファイル４０やパラメータファイル４１に落とされプラント動特性模擬手段１２によるシミュレーションに用いられる。

一方、ブロック図結線データファイル３５に格納されたブロック図結線データは、ブロック図の画面表示の内容を含むため、これより生成された画面固定画面として表示画面生成手段４２により生成し、画面表示装置２１に表示する。

図１２は、第５の実施の形態により清澄工程を生成した一例の説明図である。機器部品を貼り付けることでプロセスモデルを構成している。

第５の実施の形態によれば、プラント動特性模擬手段１２の動特性モデルや画面表示装置２１に表示される表示画面を、プラントモデルモジュールの組合せにより生成するので、内部データが表示されて教育的な効果があることのほかプラント模擬装置の検証においても有効である。

なお、上述した各実施の形態において記載した手法は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、記憶媒体に記憶し各装置に応用したり、通信媒体により伝送して各種装置に適用することも可能である。

本発明における記憶媒体としては、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤなど）、光磁気ディスク（ＭＯなど）、半導体メモリなど、プログラムを記憶でき、かつコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式はいずれの形態であっても良い。また、ここで記憶媒体とは、コンピュータと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネットなどにより伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。

本発明の第１の実施の形態に係わるプラント模擬装置のブロック構成図。 本発明の第１の実施の形態における制御盤の正面図。 本発明の第２の実施の形態に係わるプラント模擬システムのブロック構成図。 本発明の第２の実施の形態における制御盤の制御盤ユニットの施設の割り振りの説明図。 本発明の第２の実施の形態における２台のシミュレーションユニットと制御盤ユニットとの関係の説明図。 本発明の第２の実施の形態における３台のシミュレーションユニットと制御盤ユニットとの関係の説明図。 本発明の第２の実施の形態における４台のシミュレーションユニットと制御盤ユニットとの関係の説明図。 本発明の第３の実施の形態に係わるプラント模擬システムのブロック構成図。 本発明の第４の実施の形態における動特性モデルと動特性モデルのデータベースとの関係の説明図。 本発明の第４の実施の形態における模擬レベルの表示の一例の説明図。 本発明の第５の実施の形態における動特性モデルおよび表示画面を生成する手法の説明図。 本発明の第５の実施の形態により清澄工程を生成した一例の説明図。

符号の説明

１１…シミュレーションユニット、１２…プラント動特性模擬手段、１３…プラントロジック模擬手段、１４…模擬プラント設定ファイル、１５…模擬プラント切換手段、１６…入力装置、１７…制御盤、１８…プロセスデータファイル、１９…プロセス表示手段、２０…表示装置、２１…画面表示装置、２２…計器、２３…操作スイッチ、２４…制御盤ユニット、２５…動特性モデル、２６…動特性モデルデータベース、２７…アナログデータテーブル、２８…ロジックデータベース、２９…制御ロジック、３０…模擬レベルデータベース、３１…モジュール登録手段、３２…モジュール登録ファイル、３３…ブロック図作成結線手段、３４…ブロック図データファイル、３５…ブロック図結線データファイル、３６…プログラムコード生成手段、３７…プログラムソースファイル、３８…モジュールライブラリ、３９…コンバイルリンク、４０…初期値データファイル、４１…パラメータファイル、４２…表示画面生成手段

Claims (5)

1. 模擬制御盤の運転操作に対してプラント挙動を模擬し、その結果を制御盤および表示装置に表示するプラント模擬装置において、それぞれ異なったプラント動特性を模擬しプロセス信号を出力するプラント動特性模擬手段と、前記プラント動特性模擬手段と対応しそれぞれ異なった制御ロジックを模擬しインターロック・制御信号を出力するプラントロジック模擬手段と、前記プラント動特性模擬手段によってそれぞれ模擬されるプラント情報および各模擬プラントの初期データを格納する模擬プラント設定ファイルと、オペレータからの切換要求により前記模擬プラント設定ファイルを読み込み模擬プラントの前記プラント動特性模擬手段および前記プラントロジック模擬手段を切り替える模擬プラント切換手段と、前記プラント動特性模擬手段から入力したプロセス信号と前記プラントロジック模擬手段から入力したインターロック・制御信号とを書き込むプロセスデータファイルと、前記プロセスデータファイルの信号を前記制御盤及び表示装置に表示するプロセス表示手段とを備えたことを特徴とするプラント模擬装置。
2. 請求項１記載のプラント模擬装置を複数台有し、各々のプラント模擬装置間でプラント間のプロセスデータを通信してプラント間の干渉を模擬し、あるいはプラント模擬装置のシミュレータパラメータを通信し、連携してシミュレーションを行うことを特徴とするプラント模擬システム。
3. 前記プラント模擬装置のシミュレータパラメータには、シミュレーション時刻、設定倍速の倍率、シミュレータ動作信号、シミュレータ停止信号および初期状態設定信号のいずれかを含むことを特徴とする請求項２項記載のプラント模擬システム。
4. 制御盤の画面表示装置に表示される表示信号の模擬レベルを示す模擬レベルデータベースを有し、前記模擬レベルデータベースを参照して制御盤の画面表示装置に操作器や計測器について前記模擬レベルを併せて表示することを特徴とする請求項２項記載のプラントプラント模擬システム。
5. 前記プラント動特性模擬手段の動特性モデルおよび画面表示装置に表示される表示画面は、プラントモデルモジュールの組合せにより生成することを特徴とする請求項１記載のプラント模擬装置。

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