JP4524683B2 - プラントモデルのパラメータ調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラントモデルのパラメータ調整装置に関し、特に複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能なプラントモデルのパラメータ調整装置に関する。

化学、石油、電力、ガス、鉄鋼、薬品、食品、上下水道等のプラントにおいて、プラントモデルを用いたシミュレーションにより、温度、電圧、圧力等の物理量を算出し、プラントの最適運転の実現等を行っている。

プラントモデルを用いたシミュレーションについて説明する。プラントモデルは実際のプラント（以下、実プラントと呼ぶ。）を構成している機器をモデル化したもので、予めその機器の特性をデータベースに持っている。プラントモデルは実プラントと並行して動作する。

そして、プラントモデルを用いたシミュレータは、常に実プラントの各部の状態を示す運転データを受信し、プラントモデルの出力値が受信した運転データに合うようにプラントモデルのパラメータを変化させる。このようにすることで、プラントモデルと実プラントの挙動はリアルタイムで追従させることができ、シミュレーションの時間を進めることにより、実プラントの挙動を予測することが可能になる。

また、プラントモデルにおいて使用されるパラメータは大きく２つに分けられ、後述する動的パラメータと静的パラメータがある。

従来のパラメータ調整装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０７−１６０３０９号公報 特開平０９−１７９６０４号公報 特開２００１−１５４７０５号公報 特開２００５−０７８５４５号公報 特開２００５−３３２３６０号公報

図７はこのような従来のプラントモデルのパラメータ調整装置の一例を示す構成ブロック図である。図７において１はＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御部、２はＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory)、フラッシュメモリ（電気的に書き換え可能なＲＯＭ）、若しくは、ハードディスク等の記憶部、３はデータの送受信を行う通信部、４はＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示部、５はキーボード等の入力部である。

また、１００はインターネット、若しくは、イントラネット等のネットワーク、１０１は被測定対象のプラントである。

演算制御部１の入出力端子は記憶部２の入出力端子及び通信部３の入出力端子にそれぞれ相互に接続され、演算制御部１の出力端子は表示部４の入力端子に接続される。入力部５の出力端子は演算制御部１の入力端子に接続される。演算制御部１、記憶部２、通信部３、表示部４及び入力部５はパラメータ調整装置５０を構成している。パラメータ調整装置５０及びプラント１０１はネットワーク１００に相互に接続される。

ここで、図７に示す従来例の動作を図８を用いて説明する。図８はパラメータ調整装置５０のパラメータ調整時の動作を示すフロー図である。

図８中”Ｓ００１”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、通信部３を制御し、ネットワーク１００を介してプラント１０１から運転データを受信する。そして、演算制御部１はこの運転データを基にプラントモデルのパラメータを選択する。

図８中”Ｓ００２”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、選択したパラメータを用いてシミュレーションを実行する。図８中”Ｓ００３”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、運転データとプラントモデルの出力値を比較して予め設定された許容範囲内に入っているか否かを判断し、もし、許容範囲内に入っている場合には、パラメータの選択を終了する。

一方、図８中”Ｓ００３”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、運転データとプラントモデルの出力値を比較して予め設定された許容範囲内に入っているか否かを判断し、もし、許容範囲内に入っていない場合には、図８中”Ｓ００４”においてパラメータ調整装置５０の演算制御部１は、パラメータを変更する。そして、図８中”Ｓ００２”に戻り、プラントモデルの出力値が許容範囲内に入るまで、処理を繰り返す。

この結果、パラメータ調整装置５０は、ネットワーク１００を介してプラント１０１から運転データを受信し、この運転データを基にプラントモデルのパラメータを選択し、シミュレーションを実行する。そして、プラントモデルの出力値が許容範囲内に入るまでパラメータを変更してシミュレーションを繰り返すことにより、常にプラントモデルが実際のプラントの状態に追従しているので、異常診断や未来予測等を正確に行うことが可能になる。

しかし、図７及び図８に示す従来例では、パラメータを変更する時に１つずつ行うので、プラントモデルの出力値を実プラントから受信したデータに合わせるのに非常に時間がかかるという問題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能なプラントモデルのパラメータ調整装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
実際のプラントを構成している機器をモデル化したプラントモデルの出力値と前記プラントの各部の状態を示す運転データを比較して前記プラントモデルのパラメータを調整するパラメータ調整装置において、
ネットワークを介して前記プラントからの前記運転データを受信する通信部と、この通信部が受信した前記運転データ及び前記プラントモデルからの出力値を格納する記憶部と、前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習し、この記憶部に格納された前記運転データ及び前記出力値を用いて動的パラメータを調整する動的パラメータ調整機能と、前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習し、前記記憶部に格納された前記運転データ及び前記出力値を用いて静的パラメータを調整する静的パラメータ調整機能と、前記動的パラメータ及び前記静的パラメータを用いて前記プラントモデルでシミュレーションを行い、前記出力値が予め設定された許容範囲内に入るまで前記調整及び前記シミュレーションを繰り返す運転データ追従機能とを備え、前記動的パラメータ調整機能における前記動的パラメータの調整と前記静的パラメータ調整機能における前記静的パラメータの調整が同時に行われることにより、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のパラメータ調整装置において、
前記動的パラメータ調整機能が、
前記運転データと前記プラントモデルからの出力値の相関係数の演算式が格納されている動的特徴解析知識ベースと、前記運転データと前記出力値を比較し前記動的特徴解析知識ベースに格納されている前記演算式を用いて前記運転データと前記出力値の過渡応答の時定数のずれの度合を検出する第１の運転データ解析部と、前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習する第１の非線形性解析部と、前記時定数のずれの度合に応じて前記動的パラメータを調整する第１のパラメータ更新演算部とから構成されることにより、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載のパラメータ調整装置において、
前記静的パラメータ調整機能が、
前記運転データと前記プラントモデルからの出力値の相関係数の演算式が格納されている静的特徴解析知識ベースと、前記運転データと前記出力値を比較し前記静的特徴解析知識ベースに格納されている前記演算式を用いて前記運転データと前記出力値の過渡応答の定常値のずれの度合を検出する第２の運転データ解析部と、前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習する第２の非線形性解析部と、前記定常値のずれの度合に応じて前記静的パラメータを調整する第２のパラメータ更新演算部とから構成されることにより、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１、請求項２及び請求項３の発明によれば、プラントから受信した運転データを用いて動的パラメータ調整機能及び静的パラメータ調整機能においてパラメータを調整し、このパラメータを用いてシミュレーションを実行し、プラントモデルの出力値と運転データを比較してパラメータの調整とシミュレーションを繰り返すことにより、プラントモデルの出力値が予め設定された許容範囲内に入るので、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るプラントモデルのパラメータ調整装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において１００及び１０１は図７と同一符号を付してあり、６はＣＰＵ等の演算制御部、７はＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、若しくは、ハードディスク等の記憶部、８はデータの送受信を行う通信部、９はＣＲＴ等の表示部、１０はキーボード等の入力部である。

演算制御部６の入出力端子は記憶部７の入出力端子及び通信部８の入出力端子にそれぞれ相互に接続され、演算制御部６の出力端子は表示部９の入力端子に接続される。入力部１０の出力端子は演算制御部６の入力端子に接続される。演算制御部６、記憶部７、通信部８、表示部９及び入力部１０はパラメータ調整装置５１を構成している。パラメータ調整装置５１はネットワーク１００に相互に接続される。

ここで、プラントモデルにおいて使用されるパラメータについて図２及び図３を用いて説明する。図２は動的パラメータの説明図、図３は静的パラメータの説明図である。

図２において特性曲線”ＣＨ０１”及び特性曲線”ＣＨ０２”はいずれもプラントモデルからの出力値であり、始点”ＳＰ０１”と終点”ＥＰ０１”が同じであるが、シミュレーション時のパラメータが異なる。このように、動的パラメータとは、パラメータを変化させてシミュレーションした時に始点と終点は同じであるが、途中の経路が異なるようになるパラメータをいう。

一方、図３において特性曲線”ＣＨ０３”及び特性曲線”ＣＨ０４”はいずれもプラントモデルからの出力値であり、シミュレーション時のパラメータが異なる。特性曲線”ＣＨ０３”及び特性曲線”ＣＨ０４”は始点が”ＳＰ０２”で同じであるが、終点が”ＥＰ０２”及び”ＥＰ０３”で異なる。

このように、静的パラメータとは、パラメータを変化させてシミュレーションした時に始点は同じであるが、終点が異なるようになるパラメータをいう。

ここで、図１に示す実施例の動作を図４を用いて説明する。図４は実施例の動作を説明する説明図である。図４において１０１は図１と同一符号を付してあり、１１はプラント１０１の各部の状態を示すプラント運転データが格納されるデータベース、１２はプラントモデルの動的パラメータを調整する動的パラメータ調整器、１３はプラントモデルの静的パラメータを調整する静的パラメータ調整器、１４はプラントモデル、１５はプラントモデル１４からの出力値が格納されるデータベースである。

データベース１１の出力は動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３へそれぞれ入力され、動的パラメータ調整器１２の出力及び静的パラメータ調整器１３の出力はプラントモデル１４へそれぞれ入力される。プラントモデル１４の出力はデータベース１５へ入力され、データベース１５の出力は動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３にそれぞれ入力される。

図４における動的パラメータ調整器１２、静的パラメータ調整器１３及びプラントモデル１４は、図１においては、演算制御部６が記憶部７に展開したプログラムである。また、データベース１１及びデータベース１５は記憶部７、若しくは、パラメータ調整装置５１の外部にある記憶装置（図示せず）である。

プラント１０１から受信した運転データはデータベース１１に格納される。この運転データは動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３においてプラントモデル１４のパラメータを調整する時に使用される。また、動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３におけるパラメータの調整は同時に行われる。

そして、演算制御部６は、動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３において調整されたパラメータを用いてシミュレーションを実行する。シミュレーションで得られたプラントモデル１４の出力値はデータベース１５に格納される。

動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３はデータベース１５に格納されたプラントモデル１４の出力値と運転データを比較し、予め設定された許容範囲内に入っていない場合には、再度、パラメータを調整する。そして、演算制御部６は、再度調整されたパラメータを用いてシミュレーションを実行する。この一連の動作をプラントモデル１４の出力値が許容範囲内に入るまで繰り返す（以下、運転データ追従機能と呼ぶ。）。

この時のパラメータ調整において、動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３はパラメータを大きく変化させてしまうとプラントモデルの出力値が運転データから大きく外れてしまうので、パラメータを徐々に変化させる。そして、プラントモデルの出力値が運転データに近づくか遠ざかるかの傾向を見て、その結果をパラメータの調整にフィードバックさせる。

この結果、プラント１０１から受信した運転データを用いて動的パラメータ調整器１２及び静的パラメータ調整器１３においてパラメータを調整し、このパラメータを用いてシミュレーションを実行し、プラントモデル１４の出力値と運転データを比較してパラメータの調整とシミュレーションを繰り返すことにより、プラントモデル１４の出力値が予め設定された許容範囲内に入るので、複数のパラメータを同時に調整し、パラメータ調整時間を短縮すると共にシミュレーションの精度向上が可能になる。

ここで、動的パラメータ調整器１２の具体的な動作（以下、動的パラメータ調整機能と呼ぶ。）を図５を用いて説明する。図５は動的パラメータ調整器１２の構成ブロック図である。図５において１１，１２，１４及び１５は図４と同一符号を付してあり、１６は運転データ解析部、１７は動的特徴解析知識ベース、１８はパラメータ更新演算部、１９は非線形性解析部である。

データベース１１の出力及びデータベース１５の出力は運転データ解析部１６へそれぞれ入力される。動的特徴解析知識ベース１７の出力は運転データ解析部１６へ入力され、運転データ解析部１６の出力はパラメータ更新演算部１８へ入力される。パラメータ更新演算部１８の出力は非線形性解析部１９へ入力され、非線形性解析部１９の出力はパラメータ更新演算部１８へ入力される。

運転データ解析部１６、動的特徴解析知識ベース１７、パラメータ更新演算部１８及び非線形性解析部１９は動的パラメータ調整器１２を構成している。

動的パラメータ調整器１２において、データベース１１からの運転データ及びデータベース１５からのプラントモデルの出力値が運転データ解析部１６へ入力される。運転データ解析部１６は運転データとプラントモデルの出力値を比較し、動的特徴解析知識ベース１７に格納されている演算式等を用いて、実プラントとプラントモデルの過渡応答の時定数のずれの度合を検出し、パラメータ更新演算部１８へ送る。

この時定数のずれとは、例えば、図２における特性曲線”ＣＨ０１”と特性曲線”ＣＨ０２”のように、時間の経過に対する応答の違いをいう。

動的特徴解析知識ベース１７には、プラントから受信した運転データとプラントモデルの出力値の差から、動的パラメータに関する情報のみを検出する特徴解析手段（図示せず）を備えている。この特徴解析手段は、例えば、運転データとプラントモデルの出力値の相関係数の演算式等が格納されている。

パラメータ更新演算部１８は、運転データ解析部１６において求められた時定数のずれの度合に応じて、動的パラメータを調整し、プラントモデル１４へ出力する。また、非線形性解析部１９は、プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析することで、周期的にパラメータが変動している場合等に、パラメータの非線形性を学習する。

この結果、運転データ解析部１６で運転データとプラントモデルの出力値を比較し、動的特徴解析知識ベース１７に格納されている演算式等を用いて、実プラントとプラントモデルの過渡応答の時定数のずれの度合を検出し、パラメータ更新演算部１８でこの時定数のずれの度合に応じて、動的パラメータを調整することにより、運転データとプラントモデルの出力値のずれをパラメータの調整にフィードバックできるので、シミュレーションの精度向上が可能になる。

また、静的パラメータ調整器１３の具体的な動作（以下、静的パラメータ調整機能と呼ぶ。）を図６を用いて説明する。図６は静的パラメータ調整器１３の構成ブロック図である。図６において１１，１３，１４及び１５は図４と同一符号を付してあり、２０は運転データ解析部、２１は静的特徴解析知識ベース、２２はパラメータ更新演算部、２３は非線形性解析部である。

データベース１１の出力及びデータベース１５の出力は運転データ解析部２０へそれぞれ入力される。静的特徴解析知識ベース２１の出力は運転データ解析部２０へ入力され、運転データ解析部２０の出力はパラメータ更新演算部２２へ入力される。パラメータ更新演算部２２の出力は非線形性解析部２３へ入力され、非線形性解析部２３の出力はパラメータ更新演算部２２へ入力される。

運転データ解析部２０、静的特徴解析知識ベース２１、パラメータ更新演算部２２及び非線形性解析部２３は静的パラメータ調整器１３を構成している。

静的パラメータ調整器１３において、データベース１１からの運転データ及びデータベース１５からのプラントモデルの出力値が運転データ解析部２０へ入力される。運転データ解析部２０は運転データとプラントモデルの出力値を比較し、静的特徴解析知識ベース２１に格納されている演算式等を用いて、実プラントとプラントモデルの定常値のずれの度合を検出し、パラメータ更新演算部２２へ送る。

この定常値のずれとは、例えば、図３における特性曲線”ＣＨ０３”と特性曲線”ＣＨ０４”のように、時間の経過に対する変化量の違いをいう。

静的特徴解析知識ベース２１には、プラントから受信した運転データとプラントモデルの出力値の差から、静的パラメータに関する情報のみを検出する特徴解析手段（図示せず）を備えている。この特徴解析手段は、例えば、運転データとプラントモデルの出力値の相関係数の演算式等が格納されている。

パラメータ更新演算部２２は、運転データ解析部２０において求められた定常値のずれの度合に応じて、静的パラメータを調整し、プラントモデル１４へ出力する。また、非線形性解析部２３は、非線形性解析部１９と同様に、プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析することで、周期的にパラメータが変動している場合等に、パラメータの非線形性を学習する。

この結果、運転データ解析部２０で運転データとプラントモデルの出力値を比較し、静的特徴解析知識ベース２１に格納されている演算式等を用いて、実プラントとプラントモデルの定常値のずれの度合を検出し、パラメータ更新演算部２２でこの定常値のずれの度合に応じて、静的パラメータを調整することにより、運転データとプラントモデルの出力値のずれをパラメータの調整にフィードバックできるので、シミュレーションの精度向上が可能になる。

なお、図５に示す実施例において非線形性解析部１９を備えているが、必須の構成要素ではないので、非線形性解析部１９を備えなくてもよい。ただし、この場合には動的パラメータが周期的に変動している場合の非線形性は学習できない。

同様に、図６に示す実施例において非線形性解析部２３を備えているが、必須の構成要素ではないので、非線形性解析部２３を備えなくてもよい。ただし、この場合には静的パラメータが周期的に変動している場合の非線形性は学習できない。

本発明に係るプラントモデルのパラメータ調整装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 動的パラメータの説明図である。 静的パラメータの説明図である。 実施例の動作を説明する説明図である。 動的パラメータ調整器の構成ブロック図である。 静的パラメータ調整器の構成ブロック図である。 従来のプラントモデルのパラメータ調整装置の一例を示す構成ブロック図である。 パラメータ調整装置のパラメータ調整時の動作を示すフロー図である。

符号の説明

１，６ 演算制御部
２，７ 記憶部
３，８ 通信部
４，９ 表示部
５，１０ 入力部
１１，１５ データベース
１２ 動的パラメータ調整器
１３ 静的パラメータ調整器
１４ プラントモデル
１６，２０ 運転データ解析部
１７ 動的特徴解析知識ベース
１８，２２ パラメータ更新演算部
１９，２３ 非線形性解析部
２１ 静的特徴解析知識ベース
５０，５１ パラメータ調整部
１００ ネットワーク
１０１ プラント

Claims (3)

1. 実際のプラントを構成している機器をモデル化したプラントモデルの出力値と前記プラントの各部の状態を示す運転データを比較して前記プラントモデルのパラメータを調整するパラメータ調整装置において、
   ネットワークを介して前記プラントからの前記運転データを受信する通信部と、
   この通信部が受信した前記運転データ及び前記プラントモデルからの出力値を格納する記憶部と、
   前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習し、この記憶部に格納された前記運転データ及び前記出力値を用いて動的パラメータを調整する動的パラメータ調整機能と、
   前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習し、前記記憶部に格納された前記運転データ及び前記出力値を用いて静的パラメータを調整する静的パラメータ調整機能と、
   前記動的パラメータ及び前記静的パラメータを用いて前記プラントモデルでシミュレーションを行い、前記出力値が予め設定された許容範囲内に入るまで前記調整及び前記シミュレーションを繰り返す運転データ追従機能とを備え、
   前記動的パラメータ調整機能における前記動的パラメータの調整と前記静的パラメータ調整機能における前記静的パラメータの調整が同時に行われることを特徴とするパラメータ調整装置。
2. 前記動的パラメータ調整機能が、
   前記運転データと前記プラントモデルからの出力値の相関係数の演算式が格納されている動的特徴解析知識ベースと、
   前記運転データと前記出力値を比較し前記動的特徴解析知識ベースに格納されている前記演算式を用いて前記運転データと前記出力値の過渡応答の時定数のずれの度合を検出する第１の運転データ解析部と、
   前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習する第１の非線形性解析部と、
   前記時定数のずれの度合に応じて前記動的パラメータを調整する第１のパラメータ更新演算部とから構成されることを特徴とする
   請求項１記載のパラメータ調整装置。
3. 前記静的パラメータ調整機能が、
   前記運転データと前記プラントモデルからの出力値の相関係数の演算式が格納されている静的特徴解析知識ベースと、
   前記運転データと前記出力値を比較し前記静的特徴解析知識ベースに格納されている前記演算式を用いて前記運転データと前記出力値の過渡応答の定常値のずれの度合を検出する第２の運転データ解析部と、
   前記プラントモデルのパラメータの時間履歴を解析して前記パラメータの非線形性を学習する第２の非線形性解析部と、
   前記定常値のずれの度合に応じて前記静的パラメータを調整する第２のパラメータ更新演算部とから構成されることを特徴とする
   請求項１記載のパラメータ調整装置。

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