JP4515939B2 - プラント監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラント内の複数の機器で構成されるプロセスや機器単体の異常兆候を監視するプラント監視方法に関する。

プラント内の機器の故障や性能の劣化によりプラント停止が至る前にプラントや機器の異常な兆候を早期に検知し、対策を行うことが望ましい。プラント内の複数の機器で構成されるプロセスや機器単体の異常兆候を早期に検出するためには、これらを監視するためのプロセスデータの常時監視が必要となる。この場合、プラントの異常兆候を早期に検出するためのプロセスデータは膨大な数となるので、しきい値による自動スクリーニングが行われている。

この際、使用されるしきい値は、予め蓄積されたデータに基づき算出されるか、あるいは監視機器に関わる設計保証値や警報設定を基に決定された固定のしきい値を用いて監視が行われている。予め蓄積されたデータに基づき算出する場合には、運転中の定常的な変化と点検によるデータ変化を考慮して、点検などを数回挟んだデータからしきい値を求めている。

プラントの運転開始直後から監視を行うことができ、また、外乱等によって機器の状態が変化した場合でも信頼性の高い監視を行うことができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、試運転時または調整試験時の振動値および運転パラメータに基づいてプラント立ち上げ時の監視対象の異常を判断するための仮しきい値を設定し、プラントの立ち上げ時には仮しきい値を用いてプラントを監視し、プラントの立ち上げ運転から通常運転への移行時には、プラントの通常運転中に得られた運転パラメータと振動値との関係を統計処理して得られたしきい値に変更するものである。
特開平７−２８６８９２号公報

しかし、点検時の改造や設定値の変更等により点検後にしきい値の逸脱が発生した場合には、人力によりデータを確認し、データ判定としきい値の再計算が必要である。このため、しきい値の逸脱が多数発生した場合には異常兆候の監視を再開するまでに時間が掛かり異常兆候を見逃す可能性がある。

また、しきい値による異常検出精度を上げようとすると、プラント機器の分解や点検等による異常とは言えない小幅の変化まで検出してしまい、大規模なプラントの場合は監視対象信号が多くなるため、分解点検後に多くの誤検出を発生し監視の効率が悪くなる。従って、真の異常を発見できない可能性があり、これを避けようとすると、しきい値の許容幅を広げざるを得ない。そうすると、異常検出精度が低下し真の異常を発見できない可能性がある。

一方、特許文献１のものにおいても同様に、プラント立ち上げ時に仮しきい値を変更したりアラートを発生したりするものではないので、仮しきい値が適切でない場合には適切な監視ができない。

本発明の目的は、プラントの点検や改造等の後のしきい値を適切に設定でき、その適切なしきい値を用いてプラントを監視できるプラント監視方法を得ることである。

本発明のプラント監視方法は、プラントのプロセスデータを入力し、しきい値を用いてプラントを監視するプラント監視方法において、プラントの点検前のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検前に蓄積していたプロセスデータの平均値Ａ1および標準偏差σ1を求め、前記プラントの点検後のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検後の運転が定常安定状態となってから蓄積したプロセスデータを母集団としてプロセスデータの平均値Ａiおよび標準偏差σiを求め、下記の条件を満たしているか否かを判定し、下記の条件を満たしている場合には新しいプロセスデータから得られる平均値Ａiと標準偏差σiを用いてしきい値を算出し、新しいしきい値を用いてプラントを監視し、下記の条件を満足しなかった場合にはアラートを発生させることを特徴とする。
σi＜ασ1、｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1
（ただし、ｉ：データ採取のタイミング、α：正数、Ｎ：正数）

本発明によれば、プラントの点検後のプロセスデータを用いてしきい値を算定するので、誤検出の発生を減らすことができ、しきい値の許容幅の増加を抑えることができるため異常検出精度が低下しない。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図である。プラントを構成するプロセスあるいはプラント構成機器の分解点検後の定常状態になった後、すなわち、点検後のｊ番目（ｊ：正整数）のデータが得られた時点で、それまでの間に蓄積されたプロセスデータＰ１から標準偏差σiおよび平均値Ａi（ｉ＜ｊ）を算出する（Ｓ１）。一方、過去に蓄積されたプロセスデータＰ２から標準偏差σ1および平均値Ａ1を算出する（Ｓ２）。そして、標準偏差σiおよび平均値Ａiと、標準偏差σ1および平均値Ａ1との関係が下記の条件式（１）、（２）を満たしているか否かを判定する（Ｓ３）。

σi＜ασ1 …（１）
｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1 …（２）
α：正数、Ｎ：正数
プロセスデータＰ１から求めた標準偏差σiが過去に蓄積されたプロセスデータＰ２から求めた標準偏差σ1に正数αを乗算した値より小さく、プロセスデータＰ１から求めた平均値Ａiと過去に蓄積されたプロセスデータＰ２から求めた平均値Ａ1との差の絶対値が標準偏差σ1に正数Ｎを乗算した値より小さい場合には、プロセスデータＰ１から求めた標準偏差σiと平均値Ａiとからしきい値Ｌ1を演算する（Ｓ４）。一方、（１）式や（２）式の条件が成立しない場合にはアラートを発する（Ｓ５）。そして、ステップＳ４で算出されたしきい値Ｌ1によるプラント監視を行う（Ｓ６）。

このように、プラントあるいは機器の分解点検後のｊ番目のデータが得られた時点で、プラントや機器の分解点検後のデータを統計的に処理し、その平均値と標準偏差から新しいしきい値Ｌ1を算定する。すなわち、プラントや機器の分解点検前後のデータの特徴を比較することにより、データの変化が大幅でなければしきい値Ｌ1の再計算を行う。ここでｊ（正整数）、α（正任意数）、Ｎ（正任意数）は別途事前に設定しておく。正数αや正数Ｎは、プラントあるいは機器の分解点検によるデータ変化を見込んで予め設定される。この第１の実施の形態では、しきい値Ｌ1により監視する対象が正規性のある特徴のプロセスデータの監視に適している。

第１の実施の形態によれば、しきい値Ｌ1の算出はプラントの点検後にプラントの運転状態が定常状態になってからのプロセスデータを使用し、そのプロセスデータから統計値を求め、（１）式や（２）式の所定の条件を満たす場合はしきい値Ｌ1を算出し、所定の条件を満たさない場合には、しきい値Ｌ1の算出は行わずアラートを発するので、自動でしきい値Ｌ1を追従させることができ、無駄なアラートを発生させないようにし、プロセスデータの大幅な変化に対してはアラートを発生させ監視担当者に注意を喚起できる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、新しいプロセスデータＰ１から求めた標準偏差σiと平均値Ａiとからしきい値Ｌ1を求めることに代えて、新しいプロセスデータＰ１から得られる平均値Ａiと予め定めたしきい値の所定値ｄａとを用いてしきい値Ｌ1を算出するようにしたものであり、しきい値Ｌ1により監視する対象が正規性のないプロセスデータである場合に適している。図１と同一ステップには同一符号を付し重複する説明は省略する。

図２において、ステップＳ３の判定で、（１）式および（２）式の条件が満たされている場合には、プロセスデータＰ１から求めた平均値Ａiと、予めしきい値の幅として定めた定数ｄａ（正数）とからしきい値Ｌ1を算出し（Ｓ４’）、条件が満たされない場合にはアラートを発する（Ｓ５）。そして、ステップＳ４で算出されたしきい値Ｌ1によるプラント監視を行う（Ｓ６）。

このように、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で分解点検後のデータの平均値Ａiと標準偏差σiとを使用してしきい値Ｌ1を計算したのに対して、平均値Ａiのみを使用し、しきい値Ｌ1の幅としては予め定めた定数ｄａを用いる。

第２の実施の形態によれば、監視対象信号のヒストグラムが正規分布にならないプロセスデータに対して第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、プラント点検後の定常状態になった後の期間ｊ（正整数）を規定することに代えて、プロセスデータＰ１から収集周期毎に、随時、標準偏差σiおよび平均値Ａiを算出し、ｉ周期のプロセスデータの直前のｉ＋１周期に収集したプロセスデータＰ１の標準偏差σi-1と標準偏差σiとを比較し、｜σi―σi-1｜が予め設定した定数β（正数）より小さくなった時点で、（１）式および（２）式の条件の判定をするようにしたものである。図１と同一ステップには同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３において、プロセスデータＰ１から収集周期毎に、随時、平均値Ａi、Ａi-1および標準偏差σi、σi-1を算出する（Ｓ１’）。そして、標準偏差σi-1と標準偏差σiとを比較し（Ｓ７）、｜σi―σi-1｜が予め設定した定数β（正数）より小さくなった時点で、（１）式および（２）式の条件の判定をする（Ｓ３）。

ステップＳ３の判定で、（１）式および（２）式の条件が満たされている場合には、プロセスデータＰ１から求めた標準偏差σiと平均値Ａiとからしきい値Ｌ1を演算する（Ｓ４）。一方、（１）式や（２）式の条件が成立しない場合にはアラートを発する（Ｓ５）。そして、ステップＳ４で算出されたしきい値Ｌ1によるプラント監視を行う（Ｓ６）。

図４は本発明の第３の実施の形態に係わるプラント監視方法の他の一例の流れ図である。図４では、図２に示した第２の実施の形態に対し、プラント点検後の定常状態になった後の期間ｊ（正整数）を規定することに代えて、プロセスデータＰ１から収集周期毎に、随時、標準偏差σiおよび平均値Ａiを算出し、ｉ周期のプロセスデータの直前のｉ＋１周期に収集したプロセスデータＰ１の標準偏差σi-1と標準偏差σiとを比較し、｜σi―σi-1｜が予め設定した定数β（正数）より小さくなった時点で、（１）式および（２）式の条件の判定をするようにしたものである。

第３の実施の形態においては、第１の実施の形態や第２の実施の形態で、しきい値Ｌ1の更新のタイミングを予めｊ番目のデータが採取された時点と規定するのに対して、データ採取ごとにσiを計算し直し、ｉ番目の標準偏差σiとｉ−１番目の標準偏差σi-1との差の絶対値｜σi―σi-1｜が予め設定した値よりも小さくなった時点をしきい値Ｌ1の更新のタイミングと判断する。なお、プロセスデータの挙動によっては、この差の絶対値｜σi―σi-1｜がいつまで経っても小さくならないこともあるので、その場合は、しきい値Ｌ1の更新のタイミングを予めｊ番目のデータが採取された時点とする第１の実施の形態や第２の実施の形態と組み合わせて使用することとなる。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態は第２の実施の形態の効果に加え、プロセスデータＰ１の標準偏差σi-1と標準偏差σiとを比較し、｜σi―σi-1｜が予め設定した定数β（正数）より小さくなった時点で、（１）式および（２）式の条件の判定をするので、しきい値Ｌ1の算出を早期に行うことができる。

（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図である。図５において、プラントの点検後に蓄積されたプロセスデータＰ１およびプラントの点検前の所定期間に蓄積されたプロセスデータＰ２を母集団として、プロセスデータの平均値Ａiを算出する（Ｓ１１）。すなわち、プロセスデータの平均値Ａiを算出するための母集団として、プラントの点検前の所定時期からプラントの点検後の最新データまでとし、最新データが採取される毎にプロセスデータの平均値Ａiを求める。

そして、その平均値Ａiに所定値ｄａを加減算して最新データに対するしきい値Ｌ1（Ｌ1＝Ａi±ｄａ）を算出し（Ｓ１２）、更新されるしきい値Ｌ1（Ｌ1＝Ａi±ｄａ）によりプラントの監視を行う（Ｓ１３）。これにより、突変的な変化をより精度良く検出できる。

第４の実施の形態によれば、しきい値Ｌ1のベースとなるプロセスデータの平均値Ａiの算定するにあたり、過去に遡ったプロセスデータを組み入れて、新たなプロセスデータが採取される毎に、しきい値Ｌ1をＡi±ｄａとして逐次計算し、これを用いてプロセスデータを監視するので、プロセスデータの突変的な変化をより精度良く検出できる。すなわち、プロセスデータの平均値Ａiに過去データの重みが大きく寄与するため、プロセスデータの突発的な変化に対して追従しなくなり、しきい値の検出精度がよくなる。

（第５の実施の形態）
図６は本発明の第５の実施の形態に係わるプラント監視方法におけるしきい値の検証処理内容の流れ図である。この第５の実施の形態は、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態で算出したしきい値Ｌ1を検証する機能を追加したものである。

図６において、まず、プラントの点検前のプロセスデータＰ２とプラントの点検前のしきい値Ｌ2とを比較し（Ｓ２１）、プラントの点検前のしきい値Ｌ2内のプラントの点検前のプロセスデータＰ２を取り出す。そして、正常と判定された過去に蓄積されたプロセスデータＰ２と、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態で算出されたしきい値Ｌ1とを比較し（Ｓ２２）、プロセスデータＰ２がしきい値Ｌ1の範囲内に分布していればプラントの監視を実行し（Ｓ２３）、しきい値Ｌ1の範囲外に分布している場合にアラートを発する（Ｓ２４）。

第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態で算出したしきい値Ｌ1は、プロセスデータが長い期間をかけて漸増あるいは漸減する場合、プロセスデータの動きに合わせて追従してしまう可能性があるので、これを防止するため、過去のプロセスデータＰ２と新しいしきい値Ｌ1とを比較し、過去のプロセスデータＰ２が新しいしきい値Ｌ1の範囲に分布しているかどうかを判定する。従って、新しいしきい値Ｌ1が適切なものであることを確認しつつプラントの監視ができる。

（第６の実施の形態）
図７は本発明の第６の実施の形態に係わるプラント監視方法におけるしきい値の検証処理内容の流れ図である。この第６の実施の形態は、第５の実施の形態と同様に、算出したしきい値Ｌ1を検証する機能を有したものである。

図７において、新しいしきい値Ｌ1と、プラント機器の設計制限値、保障値、警報値等の検証値Ｃとを比較し（Ｓ３１）、新しいしきい値Ｌ1がそれらの設計制限値、保障値、警報値に対して余裕を持つことを確認し、余裕を持つときはプラントの監視を実行し（Ｓ３２）、余裕がない場合はアラートを発する（Ｓ３３）。

第６の実施の形態によれば、プラントや機器で最も守られるべき基準である設計制限値や警報値等と算出された新しいしきい値とを比較するので、しきい値による監視が無駄となることがない。また、余裕がない場合はアラートを発するので、監視担当者に注意を喚起できる。

本発明の第１の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図。 本発明の第２の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図。 本発明の第３の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図。 本発明の第３の実施の形態に係わるプラント監視方法の他の一例の流れ図。 本発明の第４の実施の形態に係わるプラント監視方法の流れ図。 本発明の第５の実施の形態に係わるプラント監視方法におけるしきい値の検証処理内容の流れ図。 本発明の第６の実施の形態に係わるプラント監視方法におけるしきい値の検証処理内容の流れ図。

符号の説明

Ｓ１…プロセスデータＰ１の処理、Ｓ２…プロセスデータＰ２の処理、Ｓ３…条件判定処理、Ｓ４…しきい値算出処理、Ｓ５…アラート処理、Ｓ６…しきい値による監視処理

Claims (4)

1. プラントのプロセスデータを入力し、しきい値を用いてプラントを監視するプラント監視方法において、プラントの点検前のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検前に蓄積していたプロセスデータの平均値Ａ1および標準偏差σ1を求め、前記プラントの点検後のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検後の運転が定常安定状態となってから蓄積したプロセスデータを母集団としてプロセスデータの平均値Ａiおよび標準偏差σiを求め、下記の条件を満たしているか否かを判定し、下記の条件を満たしている場合には新しいプロセスデータから得られる平均値Ａiと標準偏差σiを用いてしきい値を算出し、新しいしきい値を用いてプラントを監視し、下記の条件を満足しなかった場合にはアラートを発生させることを特徴とするプラント監視方法。
   σi＜ασ1、｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1
   （ただし、ｉ：データ採取のタイミング、α：正数、Ｎ：正数）
2. プラントのプロセスデータを入力し、しきい値を用いてプラントを監視するプラント監視方法において、プラントの点検前のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検前に蓄積していたプロセスデータの平均値Ａ1および標準偏差σ1を求め、前記プラントの点検後のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検後の運転が定常安定状態となってから蓄積したプロセスデータを母集団としてプロセスデータの平均値Ａiおよび標準偏差σiを求め、下記の条件を満たしているか否かを判定し、下記の条件を満たしている場合には新しいプロセスデータから得られる平均値Ａiと予め定めたしきい値の所定値ｄａとを用いてしきい値を算出し、それ以後新しいしきい値を用いてプラントを監視し、下記の条件を満足しなかった場合にはアラートを発生させることを特徴とするプラント監視方法。
   σi＜ασ1、｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1
   （ただし、ｉ：データ採取のタイミング、α：正数、Ｎ：正数）
3. プラントのプロセスデータを入力し、しきい値を用いてプラントを監視するプラント監視方法において、プラントの点検前のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検前に蓄積していたプロセスデータの平均値Ａ1および標準偏差σ1を求め、前記プラントの点検後のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検後の運転で蓄積したプロセスデータを母集団としてプロセスデータの平均値Ａiおよび標準偏差σiを求め、標準偏差の今回値σiと前回値σi-1との差分の絶対値｜σi−σi-1｜が所定値より小さくなったとき、下記の条件を満たしているか否かを判定し、下記の条件を満たしている場合には新しいプロセスデータから得られる平均値Ａiと標準偏差σiを用いてしきい値を算出し、新しいしきい値を用いてプラントを監視し、下記の条件を満足しなかった場合にはアラートを発生させることを特徴とするプラント監視方法。
   σi＜ασ1、｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1
   （ただし、ｉ：データ採取のタイミング、α：正数、Ｎ：正数）
4. プラントのプロセスデータを入力し、しきい値を用いてプラントを監視するプラント監視方法において、プラントの点検前のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検前に蓄積していたプロセスデータの平均値Ａ1および標準偏差σ1を求め、前記プラントの点検後のプロセスデータの統計的な処理では、プラントの点検後の運転で蓄積したプロセスデータを母集団としてプロセスデータの平均値Ａiおよび標準偏差σiを求め、標準偏差の今回値σiと前回値σi-1との差分の絶対値｜σi−σi-1｜が所定値より小さくなったとき、下記の条件を満たしているか否かを判定し、下記の条件を満たしている場合には新しいプロセスデータから得られる平均値Ａiと予め定めたしきい値の所定値ｄａとを用いてしきい値を算出し、新しいしきい値を用いてプラントを監視し、下記の条件を満足しなかった場合にはアラートを発生させることを特徴とするプラント監視方法。
   σi＜ασ1、｜Ａi−Ａ1｜＜Ｎσ1
   （ただし、ｉ：データ採取のタイミング、α：正数、Ｎ：正数）

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