JP4789277B2 - プラント運転支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、石油精製の化学プロセス、上下水道の水処理プロセス等のような挙動が複雑なプラントの運転に用いるプラント運転支援装置に関するものである。

従来、プラントシミュレータを用いたプラント運転支援システムとしては、特許文献１〜３に記載された発明があった。

特許文献１に記載の発明（従来例１）では、プラントと同期してプラントシミュレータを動作させ、シミュレータ上で予測シミュレーション用の初期値を作成し、この初期値を用いて高速シミュレーションを実施してプラントの動きを予測している。
特許文献２及び３に記載の発明（従来例２）では、プラントと同期してプラントシミュレータを動作させ、シミュレーションモデルのパラメータを変更する。

特開平６−２２２１９１号公報 特開平９−１３４２１３号公報 特開平１０−２１４１１２号公報

しかし、従来例１では、シミュレータで用いられているパラメータを変更しないため、プラント動作の予測精度が悪いという問題点があった。
特許文献３に記載の発明では、プラントモデル中のパラメータを自動調整はしているものの、すでに取得記録されたプラントデータを利用したもので、オンラインでプラントの実動作に同期したものではなく、プラントシミュレータのパラメータ調整が主目的であった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、実データをもとにシミュレーションモデルを随時修正し、リアルタイムで実プラントの動作と並行してシミュレーションを行うことによって、実プラントの状態を逐次にシミュレーションモデルに反映し、高精度に実プラントの動作を予測できるプラント運転支援装置を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。

（１）プラントシミュレータを用いたプラント運転支援装置において、
実プラントの動作と同期して動作し、物理・化学モデル式で構成されたシミュレーションモデルを用いてプラントの挙動を模擬するプロセスシミュレーション手段と、
実プラントから所定の時刻毎で提供されるプラントデータを前記プロセスシミュレーション手段が受け取り、受け取ったプラントデータに対応する出力を持つ前記物理・化学モデル式中の物理・化学量であるパラメータを直接リアルタイムに変更し、前記シミュレーションモデルの出力を受け取ったプラントデータに合致させるパラメータ修正手段からなるプロセスシミュレータと、
前記パラメータ修正手段で修正される前記物理・化学モデル中の物理・化学量であるパラメータがシミュレーション結果に影響を与えるかを、プラント立ち上げ時のデータやモデル式の分析結果での相関が高いパラメータから事前に選択するパラメータ決定手段と、
過去のシミュレーションにおいて修正された物理・化学量であるパラメータ値と現在のシミュレーションにおいて修正された物理・化学量であるパラメータの値とを比較することでプラントを診断するプラント診断手段と、
ある任意の時刻に実プラントから実データを受け、前記パラメータ修正手段により前記物理・化学モデル式を修正し、このシミュレーションモデルを初期値として前記実プラントの動作速度よりも高速でシミュレーションし、前記実プラントの未来トレンドをシミュレーションする未来予測手段と、
表示手段と、
を備えた装置であって、
前記プラント診断手段は、過去のプロセスシミュレーションにおけるシミュレーションモデルの物理・化学量であるパラメータの変化と、現在のプロセスシミュレーションにおける物理・化学量であるパラメータの変化を比較し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として制御部へ報告し、前記物理・化学モデル式からプラント内のどの部分の異常であるかを推定し、前記プロセスシミュレーション手段が算出した値と実プラントから得られる実データの整合性を調査し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として前記表示手段に表示し、
前記未来予測手段は、未来トレンドのシミュレーション結果を実プラントの制御にフィードバックするとともに前記表示手段に表示し、
前記プロセスシミュレーション手段は、シミュレーションにおける演算結果の中で、実
プラントでは検出されないプロセス値、及び、装置や物質の特性値を前記表示手段に表示することを特徴とするプラント運転支援装置。

（２）前記表示手段は、過去から現在までの時系列状態量を表示する画面と、現在から未来の対応するデータの時系列の予測量をトレンド表示する画面の少なくとも１つを表示することを特徴とする（１）に記載のプラント運転支援装置。

（３）前記表示手段は、未来予測を開始した時刻を記憶し、これを画面のトレンドグラフ内に表示することを特徴とする請求項１または２に記載のプラント運転支援装置。

（４）前記表示手段は、表示したトレンドグラフ画面内に事前に予測する時間幅、時間刻みを表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

（５）前記表示手段は、グラフ画面のサイズに合わせて、未来時系列状態量をスクロール表示することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

（６）前記表示手段は、表示した予測状態量が事前に設定した上下限を超えると、アラーム発生予想時刻を表示することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

（７）前記表示手段は、未来予測画面を表示中に、再度未来予測が要求された場合は以前の予測状態トレンドをクリアすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

（８）前記表示手段は、センサが配置できない場所での物理量、センサでは測定できない物理量の時系列予測状態量を表示することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

（９）前記表示手段は、横軸、縦軸のズーム機能を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）実プラントから受け取った実データに基づいてシミュレーションモデルを修正し、修正したシミュレーションモデルを用いて実プラントの動作と並行してシミュレーションを行っている。このため、実プラントの状態を逐次にシミュレーションモデルに反映でき、高精度に実プラントの動作を予測できる。
（２）従来はプラント運転員が実際に見ることができない有益なパラメータを本発明では提示することができるので、運転操作等の対応における運転ミスの防止に役立てることができる。
（３）フィルタ等の目詰まりや配管からの漏れ等のプラント異常を推定し、早期にプラント運転員は異常を検出できる。
（４）未来予測手段は、実プラントの動作速度よりも高速でシミュレーションモデルにシミュレーション動作を行わせ、未来トレンドを得ることによって、プラント運転員は数分先、数時間先のプラントの動きを予想することができ、プラント制御に反映することができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。
図１で、プロセスシミュレータ１０は、プロセスデータサーバ２０を介して実プラント３０からプロセスデータを受け取る。
プロセスシミュレータ１０は、実プラント３０と同期して動作し、実プラント３０からプロセスデータがプロセスシミュレータ１０に供給される度に、プロセスシミュレータ１０内にあるシミュレーションモデルの計算モデル式のパラメータを修正し演算を行う。プロセスシミュレータ１０は、演算結果を出力する。この出力は摸擬出力となる。

図２は図１のプラント運転支援装置の具体的構成例を示した図である。図２で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
プロセスシミュレーション手段１０２は、シミュレーションモデル１０３を用いて実プラント３０の動作を模擬するプロセスシミュレーションを行う。このプロセスシミュレーションは実プラントの動作と並行して行う。

実プラント３０内に存在するセンサ（図示せず）のデータはプロセスデータサーバ２０、入力インターフェース手段１０４を介してパラメータ修正手段１０１へ送られる。
パラメータ決定手段１０５は、プラントデータとシミュレーションモデル１０３の変数との相関関係から修正するパラメータを選択する。パラメータ決定手段１０５は、シミュレーションモデル１０３のどのパラメータを変更すると最終的なシミュレーション結果にどの程度影響を与えるか、事前にプラント立ち上げ時のデータやモデル式の分析結果から相関が高いパラメータを選択する。

パラメータ修正手段１０１は、供給されたプロセスデータを利用して、パラメータ決定手段１０５にて選択されたパラメータを逐次変更する。プロセスシミュレーション手段１０２の摸擬出力を実プラント３０の実出力に合わせ込むようにパラメータ修正手段１０１はパラメータを変更する。

変更されたパラメータはプロセスシミュレーション手段１０２に送られ、修正されたパラメータをもとに物理・化学モデル式で構成されたプロセスシミュレーションの演算を行う。シミュレーション結果はシミュレーションデータサーバ１０６に蓄えられる。蓄えられたデータをもとにプロセスシミュレーション手段１０２は、実際には測定できない箇所の物理量の表示を表示手段１０７に行わせる。また、プロセスシミュレーション手段１０２は、シミュレーションにおける演算結果の中で、実プラントでは検出されないプロセス値、及び、装置や物質の特性値を表示手段１０７に表示する。
プロセスシミュレーション手段１０２は、パラメータを修正したシミュレーションモデルを用いてリアルタイムで実プラントの動作と並行してシミュレーションを行う。
実プラントの動作と並行したシミュレーションでは、実プラントの出力にシミュレーションモデルの出力が合致するようにパラメータを変えていく。

プラント運転員の指示により、実プラント３０と並行して動作していたプロセスシミュレータ１０を、実プラント３０の動作速度よりも高速で動作させ、所定時間先（例えば、数分先、数時間先）のトレンドを予測する場合は、ある時刻でのプロセスシミュレーション結果を初期値作成手段１０８経由で初期値として受けとる。そして高速シミュレーションのための初期値を作成する。この場合の初期値とはシミュレーションモデルのパラメータ値や設定条件等である。

未来予測手段１０９は、この初期値を利用し、プロセスシミュレータの時間を例えば通常の数倍から数百倍に高速で進めて演算を実施する。また、未来予測手段１０９は、所定の時刻に実プラントから実データを受け、シミュレーションモデル１０３のパラメータ（状態変数）を修正する。
未来予測手段１０９は、未来トレンドのシミュレーション結果を表示手段１０７に表示する。また、未来予測手段１０９は、制御部１１１にシミュレーション結果を送り、未来トレンドのシミュレーション結果を実プラントの制御にフィードバックする。

プラント診断手段１１０は、過去のシミュレーションにおいて修正されたパラメータ値と現在のシミュレーションにおいて修正されたパラメータの値とを比較することでプラントを診断する。
プラント診断手段１１０は、過去のプロセスシミュレーションにおけるシミュレーションモデル１０３のパラメータの変化と、現在のプロセスシミュレーションにおけるパラメータの変化を比較し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として制御部１１１へ報告し、表示手段１０７への画面表示を通してプラント運転員に示す。すなわち、現在のプロセスシミュレーションにおけるパラメータの変化のしかたが、過去データとして記憶しておいたパラメータの変化のしかたから大きく外れる場合は、プラント異常として報告する。制御部１１１は、実プラント３０に操作量指令値を与えたり、実プラントのデータをプロセスシミュレーション手段１０２に与えるコントローラである。
この際、プラント診断手段１１０は、シミュレーションモデル１０３のモデル式からプラント内のどの部分の異常であるかを推定する。
また、プラント診断手段１１０は、プロセスシミュレーション手段１０２が算出した値と実プラント３０から得られる実データの整合性を調査し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として表示手段１０７に表示する。

図１のプロセスシミュレータ１０は、パラメータ修正手段１０１、プロセスシミュレーション手段１０２及びシミュレーションモデル１０３の部分に相当する。

微生物反応や化学反応を伴うプロセスでは、その挙動は機械系や電気系に比べて著しく複雑であるが、積極的に物理・化学モデルを導入したプロセスシミュレータがある。不完全なモデルであっても、実プラントデータをシミュレータに供給し、モデル内の一部のパラメータを補正して、プラントを良好に模擬することが可能となる。
本発明のシミュレータでは、シミュレーションモデルが物理・化学モデルで表現されているため、実際のプラントでセンサを設置できない場所の温度や流量等の物理情報や、現実的に計測・観測不能な組成比や沸点等の情報も取り扱え、可視化することが可能である。

また、本発明では、プロセスシミュレーション手段１０２をプラントの動作速度よりも高速に動作させ、現在より数分先、数時間後の予測トレンドを得ることでプラント運転員のプラント制御に役立てることができる。さらに、過去のシミュレーション結果と現在のシミュレーション結果とを比較することでプラントの診断を行い、プラント異常を早期に発見したり、フィルタ等の保守部品の交換をタイムリーに行うことができる。

なお、制御は運転作業員が予測トレンド画面を見て手動で行ってもよいし、制御部４０が自動で行ってもよい。
また、プロセスシミュレーション手段１０２と未来予測手段１０９が同一計算機上にある場合などはＣＰＵ負荷を軽減するため、未来予測手段１０９で時間を高速に進めるシミュレーションはプロセスシミュレーション手段１０２を停止して行ってもよい。
経験的な知識により修正を加えるシミュレーションモデルのパラメータが判明している場合は、パラメータ決定手段１０５はなくてもよい。
計算機の計算能力が高い場合は、オフラインで行っていたパラメータ決定手段１０５演算はオンライン、すなわちプラントを実際に稼働しながら行ってもよい。

次に、本発明のプラント運転支援装置の表示装置について説明する。はじめに従来の表示例について簡単に説明する。
図３は従来より用いられている典型的なプロセストレンド画面を示すものである。
この画面ではプラント内に配置したセンサの時系列データをトレンド画面やヒストリカルデータとして表示してプラント内で発生する異常などを監視している。
しかし、このような従来のプラント運転支援装置ではオンラインでプラントの運転状態の予測を行って表示した例はなかった。

図４は本発明のプラント運転支援装置の表示装置の画面の一例を示すもので、横軸は過去、現在及び未来を含む時間軸、縦軸は０〜１００％を表示している。この例では時間軸は現在時刻（ｇ）を中心として１０時１０分００秒の少し前から、１０時１４分００秒の少し後までが表示されている。図中（ａ）で示す曲線は実プラント３０からのプロセス出力値である実計測値、（ｂ）で示す曲線は推定・模擬値であり、図２におけるプロセスシュミレーション手段１０２の模擬出力を示している。この推定・模擬値は反応器内の温度分布や反応器内の製品の物理定数などの時系列の状態を表示するものである。

また、（ｃ）で示す曲線は未来予測手段１０９からの出力であり、この例では１０時１１分００秒から予測を開始して１０時１４分００秒の少し後までを予測した状態を示している。この曲線は、オペレータが表示装置の画面などからもしくは定周期に、ある時刻から、指定した時刻までの予測シミュレーションの起動をかけて表示する。プラントシミュレータ１０（図１参照）は、予測シミュレーションの起動が指示された時刻での模擬・推定状態量を利用し、実時間より早く、指定された時刻までのシミュレーションを行い、この結果を表示画面に表示する。

図４において、実計測値、推定・模擬値、予測値を表示したトレンドグラフ上で、マウス等の入力デバイスを用いて拡大幅指定を行うと、拡大される場所が拡大幅指定インジケータにより掲示され、その部分が拡大表示される。

図５は図４の（ｄ）で示す部分を拡大機能により拡大して示すトレンドグラフ図である。この表示画面は、予測シミュレーションが起動され、その起動時刻を示すインジケータが表示され、その時刻以降から指定された時刻までの時系列の予測トレンドグラフが重ね書きされた状態を示している。
予測トレンドグラフは常に最新のものに更新され、以前の予測トレンドグラフは画面から消去される。

拡大表示画面では、グラフの拡大の他に、指定された幅内での実計測値と推定・模擬値の差や分散値等の統計値も表示される。
図４に戻り、（ｅ）で示す矢印は予測されるアラーム表示法を示している。この表示装置では予測された時系列値について、あらかじめ決められた許容値を超えた場合、予測アラームが発生し、予測トレンドグラフ上の発生予想時間に予測アラーム発生マーカが表示され、予測アラームサマリに表示される。

図６は未来予測アラームサマリの一例を示すもので、アラームサマリでは、色分けや予測マークの付与によって予測アラームは実アラームと区別を付けている。図６の例では、●が過去発生したアラーム、○が未来の予測アラームを示している。なお、操作変更などで予測したアラームが回避された場合は、自動的に消去される。

上述の表示を行う表示装置によれは、プラント内でのパラメータの未来予測トレンドを表示するので、オペレータに対し従来より有効な情報を与えることができ、プラントでの異常の早期発見、品質の低下の未然防止に効果がある。また、未来を予測することにより現在のプラント運転状態が最適化な運転であるか否かを判断することができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば実施例では未来を推定する機能としてパラメータトラッキングにより精度を高めたプラントシミュレータについて表示したが、数式モデルを利用した予測機能であっても構わない。また、未来予測トレンド画面は過去から予測の起動をかけた時刻までのトレンドデータとして別ウィンドウで表示することも可能である。
また、予測した時系列データ、実計測値、模擬・推定値などは異なった色や線種で表示することも可能である。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明のプラント運転支援装置の一実施例を示す構成図である。 図１のプラント運転支援装置の具体的構成例を示した図である。 従来より用いられている典型的なプロセストレンド画面を示す図である。 本発明のプラント運転支援装置の表示装置の画面の一例を示す図である。 図４の（ｄ）で示す部分を拡大して示すトレンドグラフ図である 未来予測アラームサマリの一例を示す図である。

符号の説明

１０ プロセスシミュレータ
３０ 実プラント
１０１ モデルパラメータ修正手段
１０２ プロセスシミュレーション手段
１０３ シミュレーションモデル
１０５ パラメータ決定手段
１０７ 表示手段
１０９ 未来予測手段
１１０ プラント診断手段

Claims (9)

1. プラントシミュレータを用いたプラント運転支援装置において、
   実プラントの動作と同期して動作し、物理・化学モデル式で構成されたシミュレーションモデルを用いてプラントの挙動を模擬するプロセスシミュレーション手段と、
   実プラントから所定の時刻毎で提供されるプラントデータを前記プロセスシミュレーション手段が受け取り、受け取ったプラントデータに対応する出力を持つ前記物理・化学モデル式中の物理・化学量であるパラメータを直接リアルタイムに変更し、前記シミュレーションモデルの出力を受け取ったプラントデータに合致させるパラメータ修正手段からなるプロセスシミュレータと、
   前記パラメータ修正手段で修正される前記物理・化学モデル中の物理・化学量であるパラメータがシミュレーション結果に影響を与えるかを、プラント立ち上げ時のデータやモデル式の分析結果での相関が高いパラメータから事前に選択するパラメータ決定手段と、
   過去のシミュレーションにおいて修正された物理・化学量であるパラメータ値と現在のシミュレーションにおいて修正された物理・化学量であるパラメータの値とを比較することでプラントを診断するプラント診断手段と、
   ある任意の時刻に実プラントから実データを受け、前記パラメータ修正手段により前記物理・化学モデル式を修正し、このシミュレーションモデルを初期値として前記実プラントの動作速度よりも高速でシミュレーションし、前記実プラントの未来トレンドをシミュレーションする未来予測手段と、
   表示手段と、
   を備えた装置であって、
   前記プラント診断手段は、過去のプロセスシミュレーションにおけるシミュレーションモデルの物理・化学量であるパラメータの変化と、現在のプロセスシミュレーションにおける物理・化学量であるパラメータの変化を比較し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として制御部へ報告し、前記物理・化学モデル式からプラント内のどの部分の異常であるかを推定し、前記プロセスシミュレーション手段が算出した値と実プラントから得られる実データの整合性を調査し、両者の差が予め設定した許容差を超えた場合は、プラント異常として前記表示手段に表示し、
   前記未来予測手段は、未来トレンドのシミュレーション結果を実プラントの制御にフィードバックするとともに前記表示手段に表示し、
   前記プロセスシミュレーション手段は、シミュレーションにおける演算結果の中で、実
   プラントでは検出されないプロセス値、及び、装置や物質の特性値を前記表示手段に表示することを特徴とするプラント運転支援装置。
2. 前記表示手段は、過去から現在までの時系列状態量を表示する画面と、現在から未来の
   対応するデータの時系列の予測量をトレンド表示する画面の少なくとも１つを表示するこ
   とを特徴とする請求項１に記載のプラント運転支援装置。
3. 前記表示手段は、未来予測を開始した時刻を記憶し、これを画面のトレンドグラフ内に
   表示することを特徴とする請求項１または２に記載のプラント運転支援装置。
4. 前記表示手段は、表示したトレンドグラフ画面内に事前に予測する時間幅、時間刻みを
   表示することを特徴とする請求項１乃至３に記載のプラント運転支援装置。
5. 前記表示手段は、グラフ画面のサイズに合わせて、未来時系列状態量をスクロール表示
   することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラント運転支援装置。
6. 前記表示手段は、表示した予測状態量が事前に設定した上下限を超えると、アラーム発
   生予想時刻を表示することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプラント運転支援装置。
7. 前記表示手段は、未来予測画面を表示中に、再度未来予測が要求された場合は以前の予
   測状態トレンドをクリアすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラント運転支援装置。
8. 前記表示手段は、センサが配置できない場所での物理量、センサでは測定できない物理
   量の時系列予測状態量を表示することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のプラント運転支援装置。
9. 前記表示手段は、横軸、縦軸のズーム機能を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のプラント運転支援装置。

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