JP4763014B2

JP4763014B2 - 製造プロセスラインのシミュレーション装置

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Publication number: JP4763014B2
Application number: JP2008085954A
Authority: JP
Inventors: 泰伸堤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009238102A

Description

本発明は、製造プロセスラインのシミュレーション装置に関し、特に、１つの被加工物が複数の製造機器に跨って加工される製造設備、例えば鋼板の製造プロセスラインの動作を模擬するシミュレーション装置に関するものである。

近年の製造プラントは、多様化した需要化のニーズに応えるべく、多品種・少ロット生産へ移行しており、また時間的に増減する需要量にも柔軟に対応すべく、製造プロセスの自動化や操業方案の最適化等によって生産能力向上にも取り組んでいることが多い。このため製造プラントを制御する制御システムには複雑多岐な機能が要求され、制御プログラムのステップ数や規模が年々増大する傾向にある。

一方、制御システムの製作費の削減、及び早期の投資費用回収のために工期は短縮され、立上げ後はすぐに本来能力の発揮が求められている。かかる背景より、大規模で、且つ複雑多岐にわたる機能を有する制御プログラムを、製造プラントが構築されて稼動する前、すなわち製造プラントの実機が無い段階に機能検証し、当該制御プログラムの不具合を解消しておくことが期待されている。

通常、製造プラントの実機が無い段階で制御プログラムの機能検証を行うとき、製造プラントを構成するアクチュエータやセンサ等の機器の動作を模擬するシミュレータを、制御プログラムを組み込む計算機と同じ計算機、或いは別の計算機にシミュレーション・ソフトウエアを作成して組み込んで構築し、当該シミュレータと制御プログラムとを連携させることによって制御プログラムの機能検証を行っている。例えば、機器Ａ（例えばアクチュエータ）を動作させる指令を制御プログラムで生成し、当該指令の情報を製造プラントのシミュレータが受けて機器Ａの動作を計算し、またその動作によって生じる製造プロセス現象や、当該製造プロセス現象を検知するセンサから出力されるセンサ信号を計算し、そのセンサ信号の計算値を制御プログラムへフィードバックさせる。こうして、制御プログラムから見れば、製造プラントのシミュレータ（以下では単にシミュレータとも記す）はあたかも製造プラントの実機があるかの如く振舞う。すなわち、実機の動作と全く等価な動作をするシミュレータを構築することができ、実プラントで行う全操業パターンを検証すれば、理論上は制御プログラムの不具合は全て事前に抽出することが可能である。

しかし現実には、シミュレータを構築するときの時間、工数等の負荷を下げるために、製造プラントを構成する機器・装置の範囲を限定したり、或いは再現の難しい製造プロセス現象として簡略化したモデルを用いるなどして、制御プログラムの機能が検証できる範囲は限定的なものとなることが多い。

以下、その詳細について述べる。製造プラントを模擬するシミュレータは、大きく３つのタイプのモデルで構成することができる。１つ目は電磁弁、アクチュエータ、センサ等の設備機器に対応するもので、その動作を記述する設備機器モデル、２つ目は各設備機器によって搬送・加工される被加工物を対象としてその動きを記述する被加工物モデル、３つ目は設備機器と被加工物とが作用し合って生じる張力、荷重等を記述するプロセスモデルである。なお、被加工物モデルは、被加工物である材料の変形や材質変化等を無視できる製造プラントについては、搬送によるトラッキングモデルが主となる。

設備機器モデルは、機器毎に動作・機能が完結するためのモデル化、すなわち計算機で計算できるようその動作を数式で表現することが比較的容易である。一方、他の２つのモデル（被加工物モデル、プロセスモデル）は、記述する動作又は現象が一般に複雑であるため、当該モデルをシミュレータ内に構築するために膨大な時間がかかることが多い。

また、モデル化が困難であるため、従来の制御プログラムのデバッグでは、設備機器モデルはシミュレータで構築するが、他の２つのモデルについては機能を省略、或いは限定することも多かった。

特許文献１には、加工・製造プラントを制御対象とするプラント制御システムにおいて、制御対象プラントにおける被加工物の移動と、この被加工物の位置を検出する位置検出器の検出信号を模擬する被加工物搬送シミュレータと、被加工物が加工される際の物理特性と被加工物がなければ検出できない検出器の検出信号を模擬するプロセスシミュレータとを備え、被加工物搬送シミュレータ及びプロセスシミュレータの出力信号に基いて、制御対象プラントを動かす複数のアクチュエータの動作と合わせてシステムの機能又は性能試験を行うようにしたプラント制御システムが開示されている。当該プラント制御システムでは、被加工物が鋼板である圧延プロセスを例として、被加工物の張力や荷重といったプロセスモデルを精密に再現するモデルを用いたシミュレータの構築を提案している。

また、従来の被加工物モデルの例として、特許文献２には搬送物を自動で搬送する自動搬送システムの動作をシミュレートする自動搬送システムのシミュレーション装置及び自動搬送システムのシミュレーション方法において、複雑な搬送設備にも適用可能なトラッキングシミュレーション方法を提案している。

また、被加工物が複数機器に跨った製造ラインのトラッキングシミュレータ装置が「特許文献３」に開示されている。

特開平０５−２９６８０４号公報特開２００２−２９７２２６号公報特開平０４−５２９８４号公報

しかしながら、特許文献１で提案しているプロセスモデルは、全てのアクチュエータが被加工物を加工している連続状態のときしか適用できないモデル、すなわち一つの被加工物に対して複数アクチュエータが一つずつ加工に参加するような加工開始時や、一つずつ加工から外れるような加工終了時等の非連続状態には適用できないモデルであるため、被加工物の加工開始から終了までの一連のシーケンス動作や制御機能を確認することができないという問題があった。特に被加工物とアクチュエータの接触／非接触が頻繁に繰り返されるような設備では、適用範囲がかなり限定されてしまう。

また、特許文献２に開示している手法では、対象としている搬送材料は小包のような梱包材を想定しているため、被加工物が複数機器に跨っている、例えば鋼板のプロセスラインのような、複数の鋼板が連結されて連続的に加工されるような製造プラントには適用することができないという問題があった。この手法において前記の３つのモデルである設備機器モデル、被加工物モデル及びプロセスモデルの相関関係の例を図1に示す。各機器１（Ａ）、１（Ｂ）及び１（Ｃ）と被加工物２（Ａ）、２（Ｂ）及び２（Ｃ）とは、それぞれプロセス３を介して１対１に対応している。しかしながら、被加工物が複数機器に跨っている場合は、図２のように各機器の被加工物に対する処理が隣接する被加工物に影響を及ぼすので、複雑にプロセス（処理）が交錯するためである。例えば、図３に示すような被加工物である鋼板を二つの昇降機能付きロール４（Ａ）、（Ｂ）・・・で挟んで板を送り出す機器が連続して設置されている設備において、ある一つの機器だけ送り出す速度を変えると、その機器の前後張力が変動し、さらにその張力変動が前後機器に影響を与え、前後機器の速度を変動させることになる。また、ある機器だけ上昇或いは下降すると、被加工物を送り出す機器、及び張力に影響する機器が変動することにもなる。

また、特許文献３に開示されている当該トラッキングシミュレータ装置では、トラッキングを処理する機器は一つに限定しているため、すなわち他の機器の動作は無視しているため、やはり図１に示す形と同じであり、通板ラインの動作を高精度に検証するためには機能不足であるという問題があった。

前記のように、被加工物が複数機器に跨っている場合は、被加工物のトラッキングや張力等の複数の機器による処理が複雑に交錯するため、従来のシミュレーション方法では実際の製造プラントで生じる現象を再現することができなかった。このように事前に検証できる制御プログラムの機能が限られてしまうため、実際の製造プラントで実材を使った現場テストにおいて多くのテスト項目が残っており、現場テストになって多数の不具合が発生してしまい、必要な機能のみを優先的に立ち上げたり、最悪の場合は立上げ時期を遅らせたりするなどの処置が必要となってしまうことが多かった。

前記の問題点に鑑みて本発明は、複数の機器が連続して配設された製造プラントにおいて連続的に被加工物を処理する製造プロセスについて、各機器の動作、被加工物の動き及びプロセスの態様を高精度に記述して、シミュレーションを従来よりも簡便に行うことができる、製造プロセスラインのシミュレーション技術を提供することを目的とする。

本願の発明の要旨とするところは以下の如くである。
本願第１の発明の製造プロセスラインのシミュレーション装置は、伝送路を介して互いに接続されており、製造ラインで連続して配置された複数の設備機器と複数のセンサと操作盤と制御用計算機とから構成され、連続的に被加工物を処理する製造プロセスラインについて、制御用計算機の制御プログラム又は製造プロセスラインの動作の正常と異常とを調べるための製造プロセスラインのシミュレーション装置であって、前記複数の設備機器の動作を模擬する設備機器シミュレーション用計算機と、前記被加工物の動きを模擬する被加工物シミュレーション用計算機と、プロセス現象を模擬するプロセスシミュレーション用計算機、のうちのいずれか１つ以上のシミュレーション用計算機と、前記１つ以上のシミュレーション用計算機に所定の模擬的動作をさせるプログラムを作成するシミュレーションプログラム作成手段と、で構成され、前記シミュレーションプログラム作成手段は、前記複数の設備機器それぞれの動作を模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納する設備機器モデル部品データベースと、前記被加工物の製造プロセスラインにおける動きを模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納する被加工物モデル部品データベースと、前記プロセス現象を模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納するプロセス部品データベースと、前記製造プロセスラインの各設備機器の仕様、及び機器の配置を含む情報からなる製造プロセスラインの設計書に基づいて、前記各データベースのプログラム部品を用いて前記シミュレーション用計算機を動作させるプログラムを作成・編集するシミュレーションプログラム編集手段とを具備することを特徴とする。
また、本願の第２の発明の製造プロセスラインのシミュレーション装置は、前記シミュレーションプログラム作成手段が、前記製造プロセスラインの各設備機器の仕様、及び機器の配置を含む情報からなる製造プロセスラインの設計書を基に製造ラインプロセス内の設備機器の種類と配置を含む製造プロセスラインの構成情報を解析する設計書解析手段と、該設計書解析手段から出力された製造プロセスラインの構成情報に基づき、前記１つ以上のシミュレーション用計算機を動作させるプログラム部品を選択して抽出するモデル部品選択手段と、前記製造プロセスラインの構成情報と前記抽出されたプログラム部品を用いて、前記シミュレーション用計算機を動作させるシミュレーションプログラムを作成・編集するシミュレーションプログラム編集手段と、で構成されることを特徴とする。
また、本願の発明の製造プロセスラインのシミュレーション装置は、前記設備機器モデル部品データベースに収納されたプログラム部品、前記被加工物モデル部品データベースに収納されたプログラム部品、及びプロセス部品データベースに収納されたプログラム部品のうちの複数のプログラム部品と、設備機器を制御のための指令信号又は製造ラインの状態を示す信号は共通変数を保持し、前記シミュレーションプログラム編集手段が、前記設計書解析手段から出力された製造プロセスラインの構成情報に基づき、シミュレーションプログラムにおいて、所定の共通変数をキー情報として、前記複数のプログラム部品における処理を連携させるシミュレーションプログラムを作成・編集することを特徴とする。

本発明では、設備機器モデルをシミュレートする計算機、被加工物モデルをシミュレートする計算機、プロセスモデルをシミュレートする計算機、及びそれらの動作結果をシミュレータの使用者であるプログラマやオペレータ等に理解できる形で表示する表示機から構成される。これらの計算機と表示機は実際に制御を実行する計算機と接続されており、それぞれの情報を共有できる構成とした。
前記構成により、制御計算機から出力される指令に基づいて、アクチュエータなどの設備機器を動作させ、さらにその動作に基づいて被加工物の搬送や、張力・荷重等のプロセス現象を計算し、その結果を制御計算機にフィードバック情報として受け渡したり、表示機に動作結果を表示させたりすることが可能となる。
本発明によって、被加工物が複数機器に跨った状態で加工されるような、設備機器モデル／被加工物モデル／プロセスモデルにて計算される情報が複雑に交錯している場合でも、容易に忠実に実現象を再現することが可能となる。
また、本発明による他の効果として、本発明による製造プラントシミュレータは仮想的に実機プラント動作を表示する装置も備えているため、運転操作盤と組み合わせることにより事前に操業者の運転習熟にも利用することが可能となる。

本発明の製造プロセスラインのシミュレーション装置を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。本実施形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置は、製造ラインで連続して配置された複数の設備機器と複数のセンサと操作盤と制御用計算機とから構成され、連続的に被加工物を処理する製造プロセスラインについて、制御用計算機の制御プログラム又は製造プロセスラインの動作の正常と異常とを調べるために用いられる。まず、本実施の形態の適用対象とする、鉄鋼業における圧延工程のような製造プロセスラインの一例における、制御システムのシステム構成の概略について図４を用いて説明する。
製造プロセスラインを制御する制御プログラムを作成するとき、プログラマは入力装置であるキーボード、及びマウスを具備する第１のパーソナルコンピュータ５（以下ではパソコンと記す）上に製造プロセスラインを制御する制御プログラムを作成し、単一又は複数の設備機器１やセンサ１１を直接制御するプロセスコントローラである制御ＰＬＣ６へ、当該制御プログラムをダウンロードして実行させる。当該実行において、設備機器１やセンサ１１への動作指令信号が制御ＰＬＣ６で作成され、プロセス入出力装置（ＰＩ／Ｏ）９、伝送路１０及び別のプロセス入出力装置（ＰＩ／Ｏ）９を介して、各設備機器１等や、操作者が製造プロセスの操業を監視・制御するための操作盤７へ伝達される。

＜第１の実施の形態＞
各設備機器１や製造プロセスの状態を検知する位置検出器や歪み計などの各センサ１１からの動作状態を示す信号や測定データの信号、及び操作者により入力された操作盤からの操作信号は、伝送路１０を介して制御ＰＬＣ６へ伝達され、又、制御ＰＬＣ６から制御のための動作指令の信号が逆方向に伝達される。そして、制御ＰＬＣ６では前記伝達された各信号に基づいて設備機器１へ次の動作指令信号を作成して送信される。ここで、伝送路１０の数は単一又は複数であり、伝送路１０の形態は専用回線又はＬＡＮ等のネットワークであってもよい。

前記のように各信号のやりとりを繰り返すことにより、単一又は複数の設備機器１及びセンサ１１並びに制御ＰＬＣ６等で構成された製造プロセスラインは、制御プログラムにおいて構築された所定の一連の処理手順に従って動作して、所望の操業を遂行する。なお、製造プロセスラインは、単一の制御ＰＬＣ６のみを含むこともあるが、複数の制御ＰＬＣ６で構成されることが多く、そのときには、各制御ＰＬＣ６の間で信号の送受信をすることが多い。

次に、第１の実施の形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置を詳細に説明する。図４に示した製造プロセスラインの実機が無い段階又は実機の稼動前に、予め作成した、当該製造プロセスラインの制御プログラムのデバッグを行うための、製造プロセスラインのシミュレーション装置１７Ａ、及びシステム構成の概略を図５に示す。図４に示したような製造プロセスラインの実機が組み込まれていないため設備機器１やプロセスの状態を検知するセンサ１１が伝送路１０に接続されておらず、実機の代わりに製造プロセスラインのシミュレーション装置（単にシミュレーション装置とも記す）１７Ａが伝送路１０に接続されている。

第１の実施の形態のシミュレーション装置１７Ａは、設備機器１や操作盤７の動作を模擬する設備機器シミュレーションＰＬＣ１２（設備機器シミュレーション用計算機）、被加工物の動きを模擬する被加工物シミュレーションＰＬＣ１３（被加工物シミュレーション用計算機）、プロセス現象を模擬するプロセスシミュレーションＰＬＣ１４（プロセスシミュレーション用計算機）、それらを動作させる制御プログラムを作成して各ＰＬＣへ当該制御プログラムを転送するためのシミュレーション用パソコンで構成するシミュレーションプログラム作成手段１６、並びに、各設備機器１を模擬した動作、被加工物を模擬した動作、及びプロセス現象を模擬した現象を表示する仮想プラント画面を表示するコンピュータディスプレー、及びキーボード等で構成するヒューマン＝マシン＝インターフェース（ＨＭＩと記す）１５で構成される。なお、製造プロセスラインに複数配設されている各種のセンサの働きは、前記の設備機器シミュレーションＰＬＣ１２、被加工物シミュレーションＰＬＣ１３、及びプロセスシミュレーションＰＬＣ１４によって、センサの設置位置や機能により配分されてシミュレーションされる。例えば、設備機器に動きを検知するセンサは設備機器シミュレーションＰＬＣ１２により、又被加工物の動きを検知するセンサは被加工物シミュレーションＰＬＣ１３により模擬される。前記シミュレーションプログラム作成手段１６は、１つ以上のシミュレーション用計算機に所定の模擬的動作をさせるプログラムを作成する。

本シミュレーション装置１７Ａは、製造プロセスラインの構成及び機能・動作を記述した設計書２２を解析して製造プロセスラインの操業シミュレーションに必要な設備機器１、被加工物２、プロセス現象３を抽出する設計書解析手段２５と、設計書解析手段２５から出力される解析結果から、シミュレーションプログラムの作成に用いるために予め作成されたモデル部品を、設備機器モデル部品データベース（ＤＢと記す）１９、被加工物モデル部品ＤＢ（複数のプログラム部品を収納する被加工物モデル部品データベース）２０、及びプロセスモデル部品ＤＢ（複数のプログラム部品を収納するプロセス部品データベース）２１から選択するモデル部品選択手段２４と、シミュレーションプログラムを実際に作成・編集するシミュレーションプログラム編集手段２６と、さらにＰＬＣ通信手段２３とで構成される。以下では各部・手段の詳細な説明をする。

設計書２２は、シミュレーション対象の製造プロセスラインの、所定のフォーマットで記載された設計資料の電子データ（ファイル）であって、プラント設計者が予め第３のパソコン２９によって作成しておくものである。圧延工程における設計書の一例を図６、図７に示す。図７は、圧延工程における製造プロセスライン上の各設備機器の配置を示す機器レイアウト図であって、この図には機器番号（又は機器名称）、その配置位置や間隔等が設計図の形式で記載されている。因みに、図７において、ペイオフリール（以下ＰＯＲとも記す）３１は鋼板コイルを巻きほぐす装置で、ピンチロール（以下ＰＲとも記す）３２〜３４は上下のロールで鋼板を圧着し送り出す装置で、鋼板を圧延、酸洗、焼鈍等の次工程（図示せず）へ送り出す設備機器の配置・構成を示している。また、図６は製造プロセスの各設備機器の機器番号、機器名称、機器種別、形式、及びその動作の種類等の情報の一覧表形式の機器リストである。

設計書解析手段２５では、前記設計書２２からシミュレーションに必要な製造プロセスラインの機器の情報、例えば図７の機器レイアウト図からは設備機器やセンサの大きさや隣接機器との間隔等の情報を、また、図６の機器リストからは機器の型式や動作速度等の情報を、機器番号又は機器名称をキー情報として取り込む。そして、製造プロセスラインの各設備機器の仕様、及び機器の配置を含む情報からなる製造プロセスラインの設計書を基に製造ラインプロセス内の設備機器の種類と配置を含む製造プロセスラインの構成情報を解析する。

また、設計書解析手段２５では、機器リストからは機器番号又は機器名称をキー情報として、機器の種別や型式等の設備機器を特定するための情報を取り込んでから、シミュレーションに使用するために予め作成された、当該設備機器やセンサの動作・機能を模擬するモデル部品（ソフトウエアモジュール）の名前（モデル部品名）を抽出し、抽出した情報をモデル部品選択手段２４へ受け渡しする。

設計書解析手段２５から出力されたモデル部品名に基づいて、モデル部品選択手段２４では該当するモデル部品を各モデル部品ＤＢ１９〜２１から選択し、選択したモデル部品をシミュレーションプログラム編集手段２６にてプログラミングシートへ記述する。また、設計書解析手段から出力された製造プロセスラインの構成情報に基づき、前記１つ以上のシミュレーション用計算機を動作させるプログラム部品を選択して抽出する。ここで、プログラミングシートとはプログラミングツール、例えばＩＥＣ６１１３１−３言語のようなプログラム言語を作成するためのツールでのプログラムを記述する描画領域のことである。

また前記作業と並行して、設計書解析手段２５において抽出された当該モデル部品固有の情報、例えば寸法や動作速度等もシミュレーションプログラム編集手段２６へ受け渡し、機器番号又は機器名称をキー情報として先に記述したモデル部品と組み合わすことにより、後で例を示して詳細に説明するようなシミュレーションプログラムを完成させる。なお、シミュレーションプログラムは最終的には実行形式に変換してから各ＰＬＣ等で実行される。

そして、ＰＬＣ通信手段２３を介して、作成したシミュレーションプログラムは、各ＰＬＣの機能別に設備機器シミュレーションＰＬＣ１２、被加工物シミュレーションＰＬＣ１３、及びプロセスシミュレーションＰＬＣ１４へ転送し、各々のＰＬＣにて製造プロセスラインのシミュレーションを実行する。

図５に示したように、設備機器シミュレーションＰＬＣ１２、被加工物シミュレーションＰＬＣ１３、及びプロセスシミュレーションＰＬＣ１４は、制御ＰＬＣ６と共通の伝送路１０にて接続されており、デバッグする制御プログラムにより制御ＰＬＣ６が作成した動作指令信号を受けて、それぞれ設備機器動作、被加工物動作、及びプロセス現象を模擬し、それによって生ずる動作又は現象を検知したセンサ１１からのセンサ信号、又は各設備機器から返される信号を制御ＰＬＣ６へ伝達する。こうして、制御ＰＬＣ６は、あたかも実機の製造プロセスラインがあるかの如く、各設備機器又はセンサと動作指令又は信号のやり取りをすることができるので、制御プログラムに組み込まれた各処理を順次実行して、製造プロセスラインのシミュレーションを進めることができる。

前記の設備機器モデルＤＢ１９、被加工物モデル部品ＤＢ２０、プロセスモデル部品ＤＢ２１に登録されている各種モデル部品は、予め、又は必要に応じてモデル部品管理者がモデル部品追加・修正手段１８を用いて、モデル部品の作成、新規追加や、機能の修正を実施することが可能である。モデル部品管理者はシミュレーションソフトを作成するプログラマ（以下、シミュレーションプログラマ）が兼任しても良い。

第１の実施の形態のシミュレーション装置１７Ａには、設備機器シミュレーションＰＬＣ１２、被加工物シミュレーションＰＬＣ１３、及びプロセスシミュレーションＰＬＣ１４と共通の伝送路１０に設備機器動作、被加工物動作及びプロセス現象を視覚的に表示する仮想プラント画面表示装置ＨＭＩ１５が備わっており、当該ＨＭＩ１５の画面はプラント画面作成手段２８にて画面製作者が作成し、作成した画面はＨＭＩ通信手段２７を介して当該ＨＭＩ１５に伝送し表示される。制御プログラマはこの仮想プラント画面において、実機が無い事前デバッグの段階においても、あたかも実機があるかのごとく製造プラントラインの動作、及びプロセスにおいて発生する現象を視覚的に確認することができる。すなわち制御プログラマは自分が意図しないプラント動作を容易に視認できるため、円滑に制御プログラムの不具合抽出が行え、デバッグ作業の効率を高めることができる。

＜第２の実施の形態＞
図８は、製造プロセスラインの現場にて行う無負荷テスト、すなわち実際の設備機器は使用するが被加工物（例えば鋼板）は使用しないで制御プログラムのテスト（デバッグ）を行う時に、本発明の製造プロセスラインのシミュレーション装置を用いるときの第２の実施の形態のシステム構成例である。第１の実施の形態の説明における図５に示したシステムと異なる点は、実物の設備機器１及びセンサ１１が追加され、設備機器シミュレーションＰＬＣ１２が除かれている点である。設備機器シミュレーションＰＬＣ１２を除くことができる理由は、本実施の形態においては、設備機器シミュレーションＰＬＣ１２、被加工物シミュレーションＰＬＣ１３、プロセスシミュレーションＰＬＣ１４は、それぞれ機能的及びシステムとして独立しているためである。これにより、制御プログラムのデバッグを行う時の実際の設備構成に合わせて、利用するシミュレーションＰＬＣ１２〜１４の取捨選択を容易に行うことができる点も本発明の優れた点の一つである。

第１及び第２の実施の形態のシミュレーション装置を適用する、鉄鋼業における鋼板に熱処理や圧延等を施す製造プロセスラインの一部の概要を図９に示す。当該製造プロセスラインの入側セクションにおける操業プロセス（自動シーケンス）を説明すると、始めに鋼板３０を巻いたコイルの払出しを行うＰＯＲ３１にコイルを挿入し、ＰＯＲ３１を回転させて鋼板３０の先端を二つのロールで板を挟んで送り出すピンチロールＰＲ（以下では単にＰＲとも記す）３２、３３、及び３４へ送り出す。その後、裁断機３５で鋼板３０の形状の悪い先端部分を裁断し、その後溶接機３６まで送り出し、先端を溶接機にて前材鋼板の尾端と溶接する。隣接するＰＯＲとＰＲ、又はＰＲの間をゾーンｎ（ｎ：１、２、…）とし、各ゾーンｎでは鋼板３０に張力Ｔｎが作用しているものとする。

この自動シーケンスを制御する制御プログラムの各処理をデバッグする際の主な確認項目としては、裁断機３５でカットした鋼板の長さ、及び溶接機における鋼板３０の先端の停止位置等がある。また設備によっては、各ピンチロールＰＲ３２、３３、３４の上ロールには昇降機構３２ｂ、３３ｂ、３４ｂが備わっており、最初は各ピンチロールＰＲを開放した状態にしておき、鋼板３０が各ピンチロールＰＲを通過した後に上ロールを下降させて鋼板を圧下する場合があり、その場合は各ピンチロールＰＲを下降させて鋼板３０を挟む下降タイミングもデバッグを行う際の確認項目となる。このように、鋼板の当該製造ラインにおける鋼板３０の搬送は、ＰＯＲ回転、ＰＲ回転、ＰＲ上ロール昇降、鋼板に負荷される張力等の各機器の動作及びそれに伴う物理現象等が複雑に影響し合って行われるものである。

図１０は、図９に示した製造プロセスラインの制御プログラムについて、第１及び第２の実施の形態のシミュレーション装置１７Ａ，１７Ｂによる、シミュレーションプログラムの処理相関図で、各処理の共有情報である共通変数Ｓ１０３を介して（キー情報として）、各処理が連携する様子を示した図である。以下にその連携の一例を示す。

まず、制御プログラムＳ１０１にてライン動作に必要なモータ速度指令を生成し「モータ速度指令」として共有伝送路上の共通変数Ｓ１０３に格納する。設備機器モデルプログラムＳ１０４は格納された「モータ速度指令」に基づいてモータの回転をシミュレートし、その結果を共通変数Ｓ１０３に「モータ速度ＦＢＫ」として格納する。なお「モータ速度ＦＢＫ」の計算にはモータにかかる負荷として、後述するプロセスモデルプログラムＳ１０６にてシミュレートされる「張力ＦＢＫ」が反映される。

被加工物モデルプログラムＳ１０５では「モータ速度ＦＢＫ」を基に、被加工物の搬送に利用する「トラッキング速度」を計算し、共通変数Ｓ１０３に格納する。さらにこの「トラッキング速度」を基に、プロセスモデルプログラムＳ１０６ではプロセス現象、例えば張力をシミュレートし「張力ＦＢＫ」として共通変数Ｓ１０３に格納する。格納された「張力ＦＢＫ」は前述の設備機器モデルプログラムＳ１０４にて「モータ速度ＦＢＫ」の計算に使用される。

また、共通変数Ｓ１０３の「モータ速度ＦＢＫ」「張力ＦＢＫ」は、制御プログラムＳ１０１へセンサ信号としてフィードバックされ、仮想プラント画面Ｓ１０２においては表示情報としても利用される。
このように各モデル処理が独立していても、共通変数Ｓ１０３を介して情報を共有することにより、複雑にプロセスが交錯したプラント動作をシミュレート可能としている。

以下、設備機器モデルＤＢ１９、被加工物モデル部品ＤＢ２０、及びプロセスモデル部品ＤＢ２１に格納されているモデルについて、モデル別に処理の詳細を説明する。
（設備機器モデル部品の例）
ＰＯＲ回転、ＰＲ回転、ＰＲ昇降等の各設備機器１の動作並びに入力信号又出力信号端子を記述する設備機器モデル部品であるプログラムモジュールの一例を図１１、図１２に示す。当該プログラムモジュールは、例えばＩＥＣ６１１３１−３のＦＢＤ（ＦｕｎｃｔｉｏｎＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ）言語のようなグラフィック言語で構築されたグラフィカルモジュールであり、ステップで構成させたプログラムよりもソフトの流用性／メンテナンス性が良好である。

図１１に示した設備機器モデル部品は、設備機器１の一つである電磁弁の動作の物理特性を模擬する機能をモジュール化したものである。
すなわち、当該電磁弁モデル部品は電磁弁の仕様及び性能に基づいて構築されていて、制御プログラムの実行時に一連の操業処理の一つとして、制御ＰＬＣから出力される開放指令４１や圧下指令４２を入力信号とし、弁を動かすシリンダの動作を電磁弁のモデル部品４０にて計算し、シリンダが設定パラメータ４３で設定した位置に到達したところでリミットセンサ４４、４５をＯＮ／ＯＦＦさせる信号を出力する一連の動作をシミュレートする。ここで設定パラメータ４３は、電磁弁のシリンダ長、シリンダ動作速度等を実機に合わせて予め制御プログラマが設定する。

図１２は、モータの仕様及び性能に基づいてモータの回転動作の物理特性を模擬する設備機器モデルのプログラムモジュールをグラフィカルに表現したモータモデル部品５０である。制御プログラムの実行時に一連の操業処理の一つとして、制御ＰＬＣから出力される速度指令５１、ブレーキ閉指令５２、及び、以下で説明するプロセスモデル部品からの張力ＦＢＫ５３を入力信号として、モータモデル部品５０にてモータの速度ＦＢＫ５５やトルクＦＢＫ５６を算出して出力する例である。モデル部品５０の設定パラメータ５４にはモータ仕様やギア比等を実機に合わせて、予め制御プログラマが設定する。

（プロセスモデル部品の例）
図１３に、設備機器１の一つ又は複数と被加工物（鋼板）３０とが相互作用し合って生じる物理現象を記述するプロセスモデル部品の一例として、張力現象のグラフィカルなプログラムモジュールである張力モデル部品６０を示す。張力モデル部品６０では、機器モデル部品（この場合は回転数センサ）からのＰＯＲ３１の速度測定値であるＰＯＲ速度ＦＢＫ６１、ロールＰＲ１の速度測定値であるＰＲ１速度ＦＢＫ６２、及び鋼板３０のヤング率、スタンド間距離や初期張力値等を設定した設定パラメータ６３を入力信号又はデータとして、下記の式にて張力ＦＢＫ６４を計算して出力する。

張力：Ｔ＝（Ａ・Ｅ／Ｌ）・∫（Ｖ１−Ｖ２）ｄｔ＋Ｔ０
ここで、
Ａ：鋼板３０の断面積［ｍ²］
Ｅ：鋼板３０のヤング率［ｋｇｆ／ｍ²］
Ｌ：ＰＲ１とＰＲ２のスタンド間距離［ｍ］
Ｖ１：入側の材料速度（ＰＲ１速度ＦＢＫ）［ｍ／ｓｅｃ］
Ｖ２：出側の材料速度の材料速度（ＰＲ２速度ＦＢＫ）［ｍ／ｓｅｃ］
Ｔ０：初期張力値［Ｎ］

（被加工物モデル部品の例）
図１４に、被加工物モデル部品のグラフィカルなプログラムモジュールの一例を示す。ゾーン通板状態７０、及びトラッキングモデル７２は、被加工物の動作を模擬する被加工物モデル部品である。当該モデル部品の入力信号７１、７３には先述の設備機器モデル及びその他の設備機器モデルから出力された信号又はデータである情報が、複数信号を１つの配列変数に纏めるＭＵＸ部品７４経由で入力され、また当該被加工物モデル部品で演算されて模擬された結果の信号又はデータは、１つの配列変数を複数信号に分配するＤＥＭＵＸ部品７５を経て出力信号７６として出力される。

図１４に示すように、本実施の形態のシミュレーション装置により、各種の設備機器１やセンサ１１を予め、機能分類やモデル機能のモジュールを作成しておくことにより、シミュレーションプログラマは、例えばＩＥＣ６１１３１−３のＦＢＤ言語をサポートしたプログラミングツールを用いると、ブロックを配置、及び接続するという簡便な作業でこの複雑な処理のシミュレーションプログラムを製作することができる。

前記の図１４に示した被加工物モデル部品に含まれているゾーン通板状態モデル部品７０で実行される処理の流れのフローチャートを図１５に示す。通板状態とは、各ゾーン内で入側から出側まで板を、「通板」、「板無し」、「先端のみ存在」、「尾端のみ存在」、及び「先尾端の両方が存在」、の５つに分類する処理である。この通板状態は現在通板している材料（以下、通板材）全てについて以下の処理を行うことにより導出可能である。なお、各通板材には後述するトラッキング処理にて先端のゾーンＮｏ、及び尾端のゾーンＮｏが関連付けされている。

まず、全ゾーンの通板状態を「板無し」状態にセットし、続いてＳ２０２〜Ｓ２１３の処理にて各ゾーンの通板状態を導出する。Ｓ２０２及びＳ２１３はゾーン１から最終ゾーンまで連続して通板状態の導出処理を実行するための繰返し命令である。Ｓ２０３は処理対象となるゾーンｋ内に先端が位置するか調査し、先端が存在する場合はさらにＳ２０６にてゾーンｋの通板状態を調査し、ゾーンｋに尾端がなければＳ２０８にてゾーンｋの通板状態を「先端のみ」に設定し、ゾーンｋに既に尾端が存在する場合はＳ２０９にてゾーンｋの通板状態を「先尾端」に設定する。Ｓ２０３にてゾーンｋに先端が無い場合は、Ｓ２０４にてゾーンｋが先端と尾端の間に位置するか調査し、先端と尾端の間に位置する場合はＳ２１０にてゾーンｋの通板状態を「通板」に設定し、先端と尾端の間に位置しない場合はＳ２０５にてゾーンｋに尾端が存在するか調査し、尾端が存在する場合はＳ２０７にてゾーンｋの通板状態を調査し、ゾーンｋに先端が無ければＳ２１１にてゾーンｋの通板状態を「尾端のみ」に設定し、ゾーンｋに既に先端が存在する場合はＳ２１２にてゾーンｋの通板状態を「先尾端」に設定する。

図１４に示したトラッキングモデル部品７２の処理概要フローを図１６に示す。
まず、Ｓ３０１にて、ＰＯＲやＰＲの速度、及び開閉から後述するゾーンの入出側速度を導出し、そのゾーン入出側速度を元に通板材の先端、尾端、溶接点のトラッキングをそれぞれＳ３０２、Ｓ３０３、Ｓ３０４にて行う。一例として先端トラッキングＳ３０２を以下に説明する。

まず、トラッキング処理に利用するゾーン入出側速度について、図１７、図１８を用いて説明する。図１７は複数のＰＲによって鋼板を送り出す設備の例である。Ｖ１入、Ｖ２入、Ｖ３入はそれぞれゾーン１、ゾーン２、ゾーン３の入側速度を、Ｖ０出、Ｖ１出、Ｖ２出はそれぞれゾーン０、ゾーン１、ゾーン２の出側速度を表している。これらゾーン入出側速度とＰＲ周速の関係は、例えばゾーン１の入側ピンチロールＰＲ８０のようにピンチロールが鋼板を圧下していればＰＲ８０の周速とＶ０出、Ｖ１入は同一の値となるが、ピンチロールＰＲ８１のように開放して鋼板と接触していない状態では、ＰＲ８１の周速はＶ１出、及びＶ２入に全く影響を与えないため、図１８に示す処理フロー（後述）にてＶ１出はゾーン２の出側速度Ｖ２出を、Ｖ１入はゾーン１の入側速度Ｖ０入を利用して導出する。

図１８にゾーン入出側速度の導出方法を示す。
本処理はゾーン入側速度を導出する処理Ｓ４０１〜Ｓ４０７、ゾーン出側速度を導出する処理Ｓ４０８〜Ｓ４１４の二つに大別することができる。
ゾーン入側速度の導出は、Ｓ４０１とＳ４０７にてＳ４０２〜Ｓ４０６の処理を、ゾーン１から最終ゾーンまで繰り返し行う。Ｓ４０２にてゾーン入側ＰＲの圧着／開放状態を調べ、圧着していればＳ４０４にてゾーン入側ＰＲの周速をゾーン入側速度に設定し、開放していればＳ４０３にて一つ手前のゾーンの通板状態を調べ、「通板」であれば一つ手前のゾーン入側速度を当該ゾーンのゾーン入側速度に設定し、「通板」以外であればゾーン入側速度はゼロに設定する。これにより、仮に複数のＰＲが連続して開放状態であったとしても、板が繋がっていれば当該ゾーンから見て入側方向に一番近い圧着状態のＰＲ周速をゾーン入側速度に設定することができ、板が繋がっていなければ前ゾーンのゾーン入側速度は当該ゾーンに影響を及ぼさないため、当該ゾーンの入側速度はゼロとなる。

ゾーン出側速度の導出は、Ｓ４０８とＳ４１４にてＳ４０９〜Ｓ４１３の処理を、最終ゾーンからゾーン１に向けて繰り返し行う。Ｓ４０９にてゾーン出側ＰＲの圧着／開放状態を調べ、圧着していればＳ４１１にてゾーン出側ＰＲの周速をゾーン出側速度に設定し、開放していればＳ４１０にて一つ先のゾーンの通板状態を調べ、「通板」であれば一つ先のゾーン出側速度を当該ゾーンのゾーン出側速度に設定し、「通板」以外であればゾーン出側速度はゼロに設定する。これにより、仮に複数のＰＲが連続して開放状態であったとしても、板が繋がっていれば当該ゾーンから見て出側方向に一番近い圧着状態のＰＲ周速をゾーン出側速度に設定することができ、板が繋がっていなければ次ゾーンのゾーン出側速度は当該ゾーンに影響を及ぼさないため、当該ゾーンの出側速度はゼロとなる。

図１９に前記方法で導出した入側速度を利用する先端トラッキングの処理フローを示す。まず、Ｓ５０１にてゾーンｎに存在する先端位置に対して、１演算周期分（１スキャン分）のゾーンｎ入側速度による移送量（以下、Δゾーンｎ入側速度）を加え、先端位置の
トラッキングを行う。Ｓ５０２にて先端が次ゾーンに到達しているか監視し、到達していたらＳ５０４にて次スキャンから先端のトラッキングに利用する速度がゾーン（ｎ＋１）入側速度となるよう設定する。またＳ５０３では先端が前ゾーンに到達しているか監視を行い、到達していたらＳ５０５にて次スキャンから先端のトラッキングに利用する速度がゾーン（ｎ−１）入側速度となるよう設定する。
このように先端トラッキングは先に述べたゾーン入側速度を用いてトラッキングを行っている。このゾーン入側速度には前述の通りＰＲの圧下／開放や鋼板の通板状態が考慮されているため、当該トラッキング処理による先端トラッキングにも、自ずとＰＲの圧下／開放や鋼板の通板状態が反映される仕組みとなっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実施可能である。前記の第１の実施の形態では設備機器シミュレーションＰＬＣ、被加工物シミュレーションＰＬＣ、及びプロセスシミュレーションＰＬＣ，並びに、それぞれに対応するモデル部品データベースを用いる構成であり、第２の実施の形態では被加工物シミュレーションＰＬＣ及びプロセスシミュレーションＰＬＣを用いる構成である。さらに、比較的小規模の製造プロセスにおいては、例えば設備機器シミュレーションＰＬＣのみを用いて構成しても良いときがある。その他、例えば、本実施の形態に係わるシミュレーション装置を鋼板のプロセスラインに適用したが、他の被加工物を対象とした製造プラントのシミュレーションにも適用可能である。また、本実施の形態に係わるシミュレーション装置はＰＬＣにて構築しているが、これを他の計算機、例えば汎用パソコンを用いて構築してもよい。

被加工物が複数機器と作用し合わない場合の設備機器モデル、被加工物モデル及びプロセスモデルの相関関係図である。被加工物が複数機器に跨って作用し合う場合の設備機器モデル、被加工物モデル及びプロセスモデルの相関関係図である。被加工物が複数機器に跨って作用し合う一例を示す図である。製造プロセスラインにおける制御システムのシステム構成例を示す概略図である。第１の実施の形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置のシステム構成を示す図である。製造プロセスラインの設計書（機器リスト）例を示す図である。製造プロセスラインの設計書（設備機器レイアウト）例を示す図である。第２の実施の形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置のシステム構成を示す図である。鉄鋼業における製造プロセスラインの一部の設備概要図を示す図である。第１及び第２の実施の形態のシミュレーション装置によるシミュレーションプログラムの処理相関図を示す図である。設備機器モデル部品の一例（電磁弁）を示す図である。設備機器モデル部品の一例（モータ）を示す図である。プロセスモデル部品の一例を示す図である。被加工物モデル部品の一例、及び部品の組み合わせ例を示す図である。ゾーン通板状態モデル部品の処理を示すフローチャートである。トラッキングモデル部品の処理概要を示すフローチャートである。複数のピンチロールによって鋼板を送り出す設備例を示す図である。トラッキング処理に用いるゾーン入出側速度の導出方法を示すフローチャートである。ゾーン入側速度を利用した鋼板の先端トラッキングの処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１設備機器
２被加工物
３圧延等のプロセス現象
４二つのロールで鋼板を送り出すピンチロール
５製造プロセスラインの制御プログラムを作成する制御用パソコン
６製造プロセスラインの制御プログラムを実行する制御用ＰＬＣ
７操業者が製造プロセスの操業を監視・制御するための操作盤
８集線装置（ＨＵＢ）
９プロセス入出力装置（ＰＩ／Ｏ）
１０伝送路
１１センサ
１２設備機器モデル用シミュレーションＰＬＣ
１３被加工物モデル用シミュレーションＰＬＣ
１４プロセスモデル用シミュレーションＰＬＣ
１５仮想プラント画面を表示する表示装置（ＨＭＩ）
１６シミュレーション用プログラムの作成・編集や転送等の管理を行うシミュレーションプログラム作成手段（第２のパソコン）
１７Ａ第１の実施の形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置
１７Ｂ第２の実施の形態の製造プロセスラインのシミュレーション装置
１８モデル部品の追加・修正手段
１９シミュレーションプログラム製作に用いる設備機器モデル部品データベース
２０シミュレーションプログラム製作に用いる被加工物モデル部品データベース
２１シミュレーションプログラム製作に用いるプロセスモデル部品データベース
２２製造プロセスラインの設計書
２３シミュレーション用パソコンとシミュレーション用ＰＬＣとの通信手段
２４モデル部品選択手段
２５シミュレーションに必要なモデル部品を抽出する設計書解析手段
２６シミュレーションプログラム編集手段
２７シミュレーション用パソコンと仮想プラント画面を表示する表示機との通信手段
２８仮想プラント画面の作成手段
２９製造プロセスラインの設計書を作成する第３のパソコン
３０，８３鋼板
３１コイルの払い出しを行うペイオフリール
３１ａペイオフリールを駆動するモータ
３２，３３，３４，８０，８１，８２鋼板を上下のロールで挟み送り出すピンチロール
３２ａ，３３ａ，３４ａピンチロールを駆動するモータ
３２ｂ，３３ｂ，３４ｂピンチロールの上下昇降機構
３２ｃ，３３ｃ，３４ｃピンチロールの極限位置到達を検知するセンサ
３５鋼板をカットする裁断機
３６鋼板を溶接する溶接機
４０，５０設備機器モデル部品例
４１，４２，４３，５１，５２，５３，５４設備機器モデル部品への入力信号
４４，４５，４６，４７，５５，５６設備機器モデル部品からの出力信号
６０プロセスモデル部品例
６１，６２，６３プロセスモデル部品への入力信号
６４プロセスモデル部品からの出力信号
７０，７２被加工物モデル部品例
７１，７３被加工物モデル部品への入力信号
７４複数信号を１つの配列変数に纏めるＭＵＸ部品
７５１つの配列変数を複数信号に分配するＤＥＭＵＸ部
７６被加工物モデル部品からの出力信号

Claims

伝送路を介して互いに接続されており、製造ラインで連続して配置された複数の設備機器と複数のセンサと操作盤と制御用計算機とから構成され、連続的に被加工物を処理する製造プロセスラインについて、制御用計算機の制御プログラム又は製造プロセスラインの動作の正常と異常とを調べるための製造プロセスラインのシミュレーション装置であって、
前記複数の設備機器の動作を模擬する設備機器シミュレーション用計算機と、前記被加工物の動きを模擬する被加工物シミュレーション用計算機と、プロセス現象を模擬するプロセスシミュレーション用計算機、のうちのいずれか１つ以上のシミュレーション用計算機と、
前記１つ以上のシミュレーション用計算機に所定の模擬的動作をさせるプログラムを作成するシミュレーションプログラム作成手段と、で構成され、前記シミュレーションプログラム作成手段は、前記複数の設備機器それぞれの動作を模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納する設備機器モデル部品データベースと、
前記被加工物の製造プロセスラインにおける動きを模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納する被加工物モデル部品データベースと、
前記プロセス現象を模擬するために予め作成された複数のプログラム部品を収納するプロセス部品データベースと、
前記製造プロセスラインの各設備機器の仕様、及び機器の配置を含む情報からなる製造プロセスラインの設計書に基づいて、前記各データベースのプログラム部品を用いて前記シミュレーション用計算機を動作させるプログラムを作成・編集するシミュレーションプログラム編集手段とを具備することを特徴とする製造プロセスラインのシミュレーション装置。
前記シミュレーションプログラム作成手段は、
前記製造プロセスラインの各設備機器の仕様、及び機器の配置を含む情報からなる製造プロセスラインの設計書を基に製造ラインプロセス内の設備機器の種類と配置を含む製造プロセスラインの構成情報を解析する設計書解析手段と、
該設計書解析手段から出力された製造プロセスラインの構成情報に基づき、前記１つ以上のシミュレーション用計算機を動作させるプログラム部品を選択して抽出するモデル部品選択手段と、
前記製造プロセスラインの構成情報と前記抽出されたプログラム部品を用いて、前記シミュレーション用計算機を動作させるシミュレーションプログラムを作成・編集するシミュレーションプログラム編集手段と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載の製造プロセスラインのシミュレーション装置。
前記設備機器モデル部品データベースに収納されたプログラム部品、前記被加工物モデル部品データベースに収納されたプログラム部品、及びプロセス部品データベースに収納されたプログラム部品のうちの複数のプログラム部品と、設備機器を制御のための指令信号又は製造ラインの状態を示す信号とは共通変数を保持し、
前記シミュレーションプログラム編集手段は、前記設計書解析手段から出力された製造プロセスラインの構成情報に基づき、シミュレーションプログラムにおいて、所定の共通変数をキー情報として、前記複数のプログラム部品における処理を連携させるシミュレーションプログラムを作成・編集することを特徴とする請求項２に記載の製造プロセスラインのシミュレーション装置。