JP4908319B2 - 監視制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、水処理システムやプラントを監視制御する監視制御装置に関する。

上下水道処理施設等の水処理システムや発電所等のプラントは多数の設備によって構成されている。例えば、水処理システムの運転は、各設備に備えられるポンプやバルブ等の機器が監視制御装置による監視制御により実現されている。

都市のライフラインである水処理システムやプラントには、安定したサービスを提供することが必須であり、高い信頼性と操作性が要求される。したがって、機器の異常時には、異常によるシステムへの影響を最小限にすることや、早急に異常原因を特定して機器の復旧を行う必要があり、監視制御装置を操作するオペレータには、多くの知識や高い判断能力が要求されている。

近年、設備の高機能化に伴い、監視制御装置では機器に関して扱う情報量が増大している。また、施設の広域管理が進められ、施設に備えられる機器数が増大することによっても、監視制御装置で扱う情報量が増大している。このように、監視制御装置で扱う情報量が増大するのに伴い、監視制御装置を操作するオペレータに要求される知識量は増加の傾向にある。

このようにオペレータに要求される知識量が増加すると、オペレータの負担が増大している。また、監視制御装置を操作してきた熟練オペレータの数は年々減少するとともに、熟練オペレータからの技術や知識の継承が不足している問題によってもオペレータの負担は増加している。

一方、従来の監視制御装置では、多大な情報量を扱っているにも関わらず、オペレータに提供している情報は簡易的な情報に限定されている。例えば、機器の故障状況等をディスプレイに表示することはあるが、これらの状況の発生原因、これらの状況がシステムに与える影響（波及範囲）等は表示されていない（例えば、特許文献１参照）。

上述したような現状では、故障等の問題が発生した場合にも、オペレータは機器の故障状況のみから発生原因や波及範囲、改善のための対策や等の判断することは困難である。したがって、オペレータは取扱説明書の記載から原因を特定したり、減少している熟練オペレータの経験やメーカのサービス担当に頼って問題を解決しなければならず、問題の解決までに時間を要する恐れもある。

また、機器の制御は様々な制御プログラムの実行によって行われるが、オペレータは容易に最適な制御方法を選択するのは困難である。
特開平4‐175694号公報

上述したように、問題の解決等をオペレータが判断する従来の方法ではオペレータの負担が大きく、人為的ミスの誘発要因にも繋がるおそれがある。また、故障原因を特定するために機器に専用の診断装置を実装することもできるが、その場合には対象機器を大幅に設計変更する必要があるとともに、監視制御装置の構成も複雑になる問題がある。

本発明は、システムを監視して異常時には必要な情報をオペレータに提示し、また異常時には異常を回避した方法でシステムを制御することで、システムを安定して運転することのできる監視制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る監視制御装置は、制御プログラムの実行によって複数の機器を制御するとともに、前記複数の機器における異常の発生を監視する監視制御装置であって、前記機器を制御する複数の前記制御プログラムを記憶するプログラム記憶部と、前記機器の状況を表わす状況値の識別子と前記機器の状況を判定する閾値を関連付けるテーブルを記憶するテーブル記憶部と、前記機器に関して測定された前記状況値が入力されると、前記状況値に対応して、前記複数の制御プログラムを実行した場合に得られる前記機器の状況を表す実行値をそれぞれ演算する演算手段と、複数の前記実行値が、前記テーブルにおいて対応する前記状況値の識別子に関連付けられる前記閾値の範囲外であるか否かをそれぞれ判定する判定手段と、実行中の制御プログラムに関して求められる前記実行値が前記閾値の範囲外であるとき、前記実行中の制御プログラムに代替する制御プログラムを前記プログラム記憶部から読み出して実行する制御手段とを備える。

本発明によれば、システムを監視して異常時には必要な情報をオペレータに提示し、また異常時には異常を回避した方法でシステムを制御することで、システムを安定して運転することができる。

〈第１の実施形態〉
図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係る監視制御装置１について説明する。監視制御装置１は、例えば、流入幹線２１を介して流入される雨水を流入渠２２及びポンプ井２３で一時貯水した後に河川等に排水する雨水排水システム２の運転を監視制御することができる。以下の説明では、監視制御装置１が、雨水排水システム２においてポンプ井２３から雨水を排水するポンプ２４やバルブ２５等の機器を監視制御するものとして説明する。

監視制御装置１は、図１に示すように、各機器２４，２５を制御する制御プログラム、監視制御に関する情報を蓄積する履歴データＤ、各機器２４，２５の状態の判定に用いるテーブルT及び監視制御装置１を実現する監視制御プログラムを記憶する記憶装置１１と、記憶装置１１から制御プログラムを読み出して実行する制御手段１２と、機器２４，２５の状況を表わす状況値を入力する入力手段１３と、各機器２４，２５の状態を判定する判定手段１４と、機器の状態等を通知する画面を表示処理手段１５と、各機器２４，２５に関する状態をあらあわす実行値を演算する演算手段１４とを備えている。

記憶装置１１に記憶される制御プログラムは、雨水排水システム２が供える多数の機器２４，２５の運転を制御するが、これら多数の機器２４，２５の制御を複数で実行することもある。したがって、記憶装置１１は、異なる機器２４，２５を制御する複数の制御プログラムを記憶することができる。また、記憶装置１１では、同一の機能を有する制御プログラム（関連プログラム）を複数記憶することもできる。ここで、１つの制御プログラムは、１台の機器のみを制御対象とする場合もあれば、関連する複数の機器を制御対象とする場合もある。例えば、関連プログラムとして、第１ポンプ〜第３ポンプを制御する制御プログラムを複数記憶することができる。

記憶装置１１に記憶される履歴データDには、実行した制御プログラムの識別子、制御プログラムの実行に使用したパラメータ値、入力した状況値等の履歴に関する情報が蓄積されている。例えば、履歴データDは、ポンプの操作量等のパラメータ値、ポンプの流量等の状況値、ポンプ運転時間、ポンプの運転コスト等に関する情報を含むことが考えられる。

制御手段１２は、記憶装置１１から雨水排水システム２を運転する制御プログラムを読み出して、実行する。ここで制御手段１２は、関連プログラムを実行する場合、例えば、関連プログラムに予め定められる優先順位で最上位の制御プログラムを読み出して実行する。または、優先順位が定められていない場合、制御手段１２は、関連プログラムの中でメインプログラムとして定められる制御プログラムを読み出して実行してもよい。また、制御手段１２は、制御プログラムを実行する際に、新たな情報を履歴データDに蓄積させる。

制御プログラムを実行する際に制御プログラム内のパラメータ値（ポンプの流量、バルブの開度等）を調整する必要があるとき、制御手段１２は、入力手段１３に入力される状況値に従って、最良の制御ができるようにパラメータ値を設定する。状況値は、例えば、雨量レーダ２６や雨量計２８によって測定される雨量、水位計２９，３０によって測定される水位等のセンサ値である。また、図示しない測定器によって測定される圧力、水質等であってもよい。具体的には、制御手段１２は、入力される状況値を予め定められる基準値と比較し、過去の状況値やパラメータ値に関する情報が蓄積される履歴データＤから状況値と基準値との誤差が最小となるパラメータ値に設定し、制御プログラムを実行する。

監視制御装置１では、監視制御対象としているいずれかの機器２４，２５に異常が発生した場合にこの異常を検出してオペレータに通知する「異常通知モード」や、いずれかの機器２４，２５の異常の発生による雨水排水システム２への影響を防止するために他の制御プログラムに切り替える「自動切替モード」に設定することができる。

まず、「異常通知モード」に設定されている場合について説明する。異常通知モードを実現するため、監視制御装置１は、上述した制御手段１２及び入力手段１３に加え、異常を判定する判定手段１４、異常の通知を表示する表示処理手段１５及び表示装置１７を備え、記憶装置１１にテーブルＴを記憶している。

判定手段１４は、入力手段１３に入力された状況値が記憶装置１１に記憶されるテーブルＴに含まれる閾値の範囲外であるか否かを判定し、機器２４，２５の状況を判定して出力する。具体的には、判定手段１４は、状況値が閾値の範囲内であるとき、機器の異常は特定できないと判定し、閾値の範囲外であるとき、機器に異常が発生していると判定する。

テーブルＴは、例えば、図２に示すように、機器の異常を判定する閾値、異常機器の候補、異常による波及範囲、異常に対する対応策等を関連付けて記憶している。例えば、図２に示すテーブルＴでは、第１水位がα以上であるとき、第１ポンプが故障していると判定する。

表示処理手段１５は、判定手段１４から出力される判定結果に基づいて、状況値の異常、機器の異常の発生、異常の原因、波及範囲および対応策に関する情報等を含む異常画面Ｗ1（図３）を生成し、表示装置１７に表示させる。

すなわち、異常通知モードに設定されている場合、図４にフローチャートを示すように、入力手段１３に測定器２６〜３０で測定された状況値が入力されると（S01）、判定手段１４は、その状況値を閾値の範囲外であるか否かを判定することによって、機器２４，２５の状況を判定する（S02）。

機器２４，２５が異常でないとき（S03でYES）、制御手段１２は、記憶装置１１に記憶される制御プログラムのパラメータ値を状況値に基づいて最適な値にした制御プログラムの実行を継続する（S04）。一方、機器２４，２５が異常であるとき（S03でNO）、表示処理手段１５は、異常画面Ｗ1を表示装置１７に表示する（S04）。

続いて、「自動切替モード」に設定されている場合について説明する。自動切替モードを実現するため、監視制御装置１は、上述した制御手段１２乃至表示処理手段１５に加え、演算手段１６を備えている。

演算手段１６は、入力手段１３に入力された状況値に基づいて、記憶装置１１に記憶されている各制御プログラムを実行した場合に各機器に関する値として得られる複数の実行値を演算する。この実行値は、演算手段１６における演算によって求められる評価用の値であり、実際の状況値と同様に閾値と比較して機器２４，２５の異常の判定に利用することができる。

判定手段１４は、演算手段１６で演算された各実行値がテーブルＴに含まれる閾値の範囲外であるか否かを判定し、機器２４，２５の状況を判定して出力する。具体的には、判定手段１４は、実行値が対応する状況値の識別子に関連付けられる閾値の範囲内であるとき、機器２４，２５の異常は特定できないと判定し、閾値の範囲外であるとき、機器２４，２５に異常が発生していると判定する。

表示処理手段１５は、判定手段１４から機器２４，２５に異常が発生している判定結果を入力すると、異常画面を生成し、表示装置１７に表示する。また、制御手段１２は、現在実行していた制御プログラムが機器の異常の影響を受ける場合、現在実行していた制御プログラムに代替して、機器の異常の影響を受けず、予め定められる優先順位の高い制御プログラムを実行する。なお、制御手段１２は、この場合にも制御プログラム内のパラメータ値を最適な値に調整して実行する。

図５に表示処理手段が生成する異常画面Ｗ2の一例を示す。異常画面Ｗ2は、例えば、機器の異常の発生、異常の原因、波及範囲に加え、代替して実行される制御プログラムに関する情報等を含んでいる。

すなわち、自動切替モードに設定されている場合、図６にフローチャートを示すように、入力手段１３に測定器２６〜３０で測定された状況値が入力されると（S11）、演算手段１６は、状況値に基づく演算によって、記憶装置１１に記憶される各制御プログラムを実行した場合に得られる実行値を求める（S12）。

続いて、判定手段１４は、複数の実行値について、閾値の範囲外であるか否かを判定することによって、機器２４，２５の状況を判定する（S13）。機器２４，２５が異常であると判定されると（S13でYES）、表示処理手段１５は、異常画面を表示する（S14）。

その後、制御手段１２は、記憶装置１１に記憶される制御プログラムのパラメータ値を最適にした制御プログラムを実行する（S15）。このとき、記憶装置１１には、複数の制御プログラムが記憶されているが、複数の制御プログラムの中から、優先順位の高い制御プログラムを選択して、実行することが考えられる。

上述した監視制御装置１は、中央処理装置（CPU）、記憶装置、メモリ等を備える一般的なコンピュータであって、記憶装置１１に備えられる監視制御プログラムをインストールして実行することで、図１に示すように、CPUに制御手段１２、入力手段１３、判定手段１４、表示処理手段１５及び演算手段１６等が実装される。また、表示装置１７は、いわゆるディスプレイであり、表示処理手段１５からの操作に従って異常画面Ｗ1，Ｗ2等の必要な情報を表示する。

図１においては、監視制御装置１は、一台のコンピュータによって構成されているが、一台のコンピュータによって構成されず、複数のコンピュータによって構成されていても同様である。例えば、いずれかの手段１２〜１６を外部に備えていても良く、また、記憶装置１１や表示装置１７を外部に備えていても良い。

上述したように、監視制御装置１によれば、入力する状況値に基づいて判断した機器の異常発生の通知とともに、異常の原因、波及範囲、対策案等の情報を表示装置に表示する。したがって、監視制御に経験が浅いオペレータであっても、異常の発生とともに、直ちにその原因、波及範囲、対策案の把握や異常発生への対処を容易にし、異常の発生時に早急に対処することができる。

また、監視制御装置１によれば、いずれかの機器の異常の発生によりシステムの運転に影響が及ぼされる場合には、実行していた制御プログラムに代替した他の制御プログラムを自動で実行する。したがって、異常発生時にオペレータの判断を必要とせずに監視制御しているシステムの運転を停止せずに他のプログラムによって継続することで、システムの安定性を向上することができる。

なお、上述した実施の形態において、監視制御装置１は、雨水排水システム２を監視制御するものとして説明したが、監視制御装置１の監視制御の対象は、これに限られず、複数の機器の監視及び制御を行うその他の水処理システムやプラントであっても同様である。

〈変形例〉
変形例に係る監視制御装置について、図７を用いて説明する。図１を用いて上述した監視制御装置１では、自動切替モードに設定されている場合に異常が発生したとき、制御手段１２は、優先順位に基づいて、代替して実行する制御プログラムを実行していた。これに対し変形例に係る監視制御装置１は、図７に示すように、最適な制御プログラムを選択する選択手段１８を備えている。

記憶装置１１に記憶されている履歴データDには、上述したように、過去に使用した制御プログラム、パラメータ値、状況値等の情報が蓄積される。選択手段１８は、この履歴データDを参照し、実行可能な制御プログラムの中から、雨水排水システム２を最適に運転する制御プログラムを選択する。

例えば、履歴データDがポンプの操作量、運転時間、運転コスト等に関する情報を含んでいるとき、選択手段１８は、これらの操作量、運転時間、運用コスト等を指標とし、運用に合わせて、予め定めた周期毎に最適な制御性能を持つ制御プログラムを選択してもよい。

選択手段１８は、最適化問題を解く区間をサンプリング周期毎にシフトしながらオンライン最適化を繰り返すReceding horizon制御を利用してもよい。このReceding horizon制御は、制約条件を陽な形で取り扱うことが可能であり、制御入力やプロセス出力にかかる制御条件を直接制御アルゴリズムに反映させることができる。例えば、制御条件としては、水位計３０で測定されるポンプ井２３の水位の上下限を考慮することが考えられる。

最適制御問題を解く手法には、分岐限定法や遺伝的アルゴリズムの適用等が考えられる。分岐限定法では、解空間上の部分空間を一括チェックし、当該空間内に解の候補が存在し得るか否かを事前に検証して不必要な検索手続を予め排除して最適解を検索することができる。また、遺伝的アルゴリズムでは、最適解ではなく準最適解しか検索することができないが、局所的な極小解に陥りにくく、演算を高速にすることができる。

上述したように、変形例に係る監視制御装置１によれば、代替することができる制御プログラムが複数ある場合、最適な制御プログラムを選択して実行する。したがって、雨水排水システム２を最適に運転することができる。

本発明の第１実施形態に係る監視制御装置を説明する機能ブロック図である。 図１の監視制御装置で利用されるテーブルの一例である。 図１の監視制御装置において機器の異常発生時に表示される画面の一例である。 図１の監視制御装置における異常表示処理を説明するフローチャートである。 図１の監視制御装置において機器の自動切替時に表示される画面の一例である。 図１の監視制御装置における自動切替処理を説明するフローチャートである。 第１変形例に係る監視制御装置の構成を説明する機能ブロック図である。

符号の説明

１…監視制御装置
１１…記憶装置
１２…制御手段
１３…入力手段
１４…判定手段
１５…表示処理手段
１６…演算手段
１７…表示装置
１８…選択手段

Claims (4)

1. 制御プログラムの実行によって水処理システムの複数の機器を制御するとともに、前記複数の機器における異常の発生を監視する監視制御装置であって、
   前記機器を制御する複数の前記制御プログラムを記憶するプログラム記憶部と、
   識別子と前記識別子で特定される機器の状況を判定する閾値を関連付けるテーブルを記憶するテーブル記憶部と、
   前記機器に関して測定された状況値が入力されると、前記状況値に対応して、前記複数の制御プログラムを実行した場合の水処理システムの各機器の状況を評価する実行値をそれぞれ演算する演算手段と、
   複数の前記実行値が、前記テーブルにおいて対応する識別子に関連付けられる前記閾値の範囲外であるか否かをそれぞれ判定する判定手段と、
   最適化処理を利用して、前記複数の制御プログラムの中から実行中の制御プログラムに代替する最適な制御プログラムを選択する選択手段と、
   前記選択手段で選択された制御プログラムを前記プログラム記憶部から読み出して実行する制御手段と、
   前記実行中の制御プログラムに代替する制御プログラムが前記プログラム記憶部から読み出して実行されると、異常の発生の通知とともに代替する制御プログラムの実行を通知する異常画面を生成して表示する表示処理手段と、
   を備えることを特徴とする監視制御装置。
2. 入力される前記状況値及び前記制御プログラムの実行の状況を蓄積する履歴データを記憶する履歴データ記憶部を有し、
   前記選択手段は、入力される前記状況値及び入力される前記実行の状況に基づいて、最適な制御プログラムを検索することを特徴とする請求項１に記載の監視制御装置。
3. 前記選択手段は、Receding horizon制御を利用して最適な制御プログラムを検索することを特徴とする請求項１又は２に記載の監視制御装置。
4. 前記テーブルは、前記識別子及び閾値に、前記機器の異常原因、前記異常の対応策又は波及範囲の少なくともいずれかを関連付け、
   前記異常画面は、前記異常原因、前記対応策又は前記波及範囲を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の監視制御装置。

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