JP5115185B2 - プラント運転支援システム - Google Patents

Description

本発明は、プラントの動作を現したプラントモデルを用いてプラントの動作に追従するシミュレーションを行なうプラント運転支援システムに関し、詳しくは、異常検出に関する。

従来、化学、石油、ガスおよび薬品などの実プラント(以下、プラントという)に設置されるセンサ、アクチュエータ、コントローラなどのフィールド機器で得られる温度、流量、圧力などのプラントの状態量（以下、実測値という）に基づき、プラントの動作をシミュレートするための物理現象・化学現象を適切に数式化したモデル式（以下、プラントモデルという）を用いてプラントの動作に並行してシミュレーションを行うことにより、プラントの測定不可能な部分の温度、圧力などの状態量をリアルタイムに推定してプラントの状態量の推定値を求めるプラント運転支援システムがある。

また、このプラント運転支援システムは、プラントのフィールド機器の実測値とシミュレーションによる推定値とがあらかじめ定められた許容誤差以上のずれが発生した場合、なんらかの異常があるとみなして異常検出を行っている。

従来のプラントモデルを用いてプラントの動作に追従するシミュレーションを行なうプラント運転支援システム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６−２２２１９１号公報 特開平９−１３４２１３号公報 特開平１０−２１４１１２号公報 特開２００５−３３２３６０号公報

図４は、従来のプラント運転支援システムの構成ブロック図である。プラント１は図示しないフィールド機器が設置され、各フィールド機器で得られる流量や温度などの実測値やフィールド機器の操作量および設定値などを図示しないネットワークなどを介してリアルタイムにプラント運転支援システム２に送信する機能を有する。

プラント運転支援システム２は、プラントシミュレータ２１、表示制御部２２、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示部２３から構成される。プラントシミュレータ２１は、プラント１の動作をシミュレートするための物理現象・化学現象を適切に数式化したプラントモデルを有しプラント１の動作を推定するシミュレート機能を有する。表示制御部２２はグラフなどの画面表示を制御する表示制御機能を有している。

プラント１はプラントシミュレータ２１に接続され、プラントシミュレータ２１は表示制御部２２に接続される。表示制御部２２は表示部２３に接続される。

図４において、プラント１はプラント１内のフィールド機器で得られる実測値やフィールド機器の操作量および設定値などをプラントシミュレータ２１に送信する。プラントシミュレータ２１は、実測値、操作量、設定値に基づきプラントモデルを利用してシミュレーションを行う。

プラントシミュレータ２１は、プラント１からの実測値に基づき、プラントモデルを用いてプラント１の実際の動作に並行してリアルタイムにシミュレーションを実施し、プラント１の状態量の推定値を求める。また、プラントシミュレータ２１は、実測値およびシミュレーションにより求められる推定値を表示制御部２２に出力する。

表示制御部２２は、プラントシミュレータ２１からの実測値および推定値に基づき、実測値および推定値を時系列に示したトレンドグラフなどを表示部２３に表示する。この結果、オペレータは表示部２３のグラフに基づいてプラント１の状態を把握できる。また、表示制御部２２は、プラント１において実際には測定できない箇所のプラントシミュレータ２１による推定値を表示部２３に表示する。

このように、プラント運転支援システム２はプラント１からの実測値に基づきプラント１の実際の動作に並行してリアルタイムにシミュレーションを行うことにより、プラントの内部状態を把握できる。

ところで、プラント運転支援システム２は、プラント１の運転状態における異常を検出している。

たとえばプラント運転支援システム２は、プラント１の図示しないフィールド機器の実測値とプラントシミュレータ２１上の推定値にあらかじめ定められた許容誤差以上のずれが発生した場合、異常が検出されたものとして表示制御部２２を制御してその旨を表示部２３に表示して、プラント運転支援システム２のオペレータに通知する。

一方、プラントの動作を現したプラントモデルのモデル式は、完全にプラントの動作を模擬するものではなくあくまでも近似式であるので、このプラントモデルを用いてシミュレーションを行なったとしてもシミュレーション値と実測値とが一致しない場合もある。

このため、プラントシミュレータ２１は、自身で得られた推定値に基づいてプラントシミュレータ２１のモデル式におけるパラメータ（以下、調整パラメータという）の値を逐次自動調整する調整機能を有するパラメータ調整部を備え、高精度に制御対象の動作に追従するシミュレーションを行っている。

このパラメータ調整部は、プラント１から取得した実測値とプラントシミュレータ２１が算出・推定した推定値とを比較し、実測値と推定値の誤差が許容範囲内であるか否かを判断し、許容範囲内ではないと判断した場合は調整パラメータを調整してプラントシミュレータ２１のプラントモデルに適用することにより、高精度にプラント１の動作に追従するシミュレーションを行っている。

しかしながら、パラメータ調整部が調整パラメータを調整するとプラントの実測値とプラントシミュレータによる推定値のずれが発生しなくなるので、異常検知ができなくなってしまうという問題点があった。

また、パラメータを固定し調整などを行わないプラントシミュレータの場合は、そもそもシミュレータで得られる推定値は現実の系の実測値との誤差が大きく、プラントの運転状態が異常であるのかプラントシミュレータが不完全であるのかの切り分けが困難であり、異常検出は実現しにくいという問題点があった。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、高精度にプラントの動作に追従するシミュレーションによって得られる推定値に基づきプラントの異常を検出することにある。

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、
実プラントの動作を現したプラントモデルを用いて実プラントの動作に追従するシミュレーションを行なうプラント運転支援システムにおいて、
プラントシミュレータと異常検出部を有し、
前記プラントシミュレータはパラメータ調整部を具備し、前記パラメータ調整部は、プラントシミュレータが算出・推定した前記実プラントの運転状態の推定値に基づき前記プラントモデルにおける調整パラメータの値を逐次自動調整するとともに、前記実プラントから取得した実測値とプラントシミュレータで得られた推定値とを比較して実測値と推定値の誤差があらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判断し、許容範囲内ではないと判断した場合は前記実プラントの実測値とプラントシミュレータの推定値の誤差を低減するように調整パラメータを調整して前記プラントモデルに適用し、
前記異常検出部は前記調整パラメータの値とあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値を比較して前記実プラントの運転状態が異常か否かを判定する異常判定部と前記調整パラメータごとにあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値を記憶している異常検出テーブルを具備し、前記パラメータ調整部の調整パラメータの値に基づき前記実プラントの異常を検出し、
前記異常検出テーブルは、前記実プラントの運転条件を考慮した関数として各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶していることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のプラント運転支援システムにおいて、
プラント運転中における運転条件と調整パラメータの値の変動を記録し、非故障または故障時の調整パラメータの値やプラントの運転状態などの各データを収集記憶し学習することにより、前記異常検出テーブルの精度を高めることを特徴とする。

本発明によれば、高精度にプラントの動作に追従するシミュレーションによって得られる推定値に基づきプラントの異常を検出することにある。

図１は本発明に係るプラント運転支援システムの機能ブロック図である。図１においてプラント３は図示しないフィールド機器が設置され、各フィールド機器で得られる流量や温度などの実測値やフィールド機器の操作量および設定値を図示しないネットワークなどを介してリアルタイムにプラント運転支援システム４に送信する機能を有する。

プラント運転支援システム４は、プラントシミュレータ４１、グラフなどの画面表示を制御する表示制御機能を有する表示制御部４２、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示部４３、異常検出部４４から構成される。プラントシミュレータ４１は、プラント３の動作をシミュレートするための数式などにより予めモデル化されたプラントモデルを有し、プラント３からの実測値、操作量、設定値に基づきプラント３の動作を算出・推定するシミュレート機能を有する。

プラントシミュレータ４１は、パラメータ調整部４１Ａから構成される。パラメータ調整部４１Ａは、プラントシミュレータ４１が算出・推定したプラント３の運転状態の推定値に基づき、プラントモデルにおける調整パラメータの値を逐次自動調整する調整機能を有する。

またパラメータ調整部４１Ａは、プラント３から取得した実測値とプラントシミュレータ４１で得られた推定値とを比較し、実測値と推定値の誤差があらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判断し、許容範囲内ではないと判断した場合はプラント３の実測値とプラントシミュレータ４１の推定値の誤差を低減するように調整パラメータを調整してプラントシミュレータ４１のプラントモデルに適用する。

異常検出部４４は、パラメータ調整部４１Ａの調整パラメータの値に基づきプラントの異常を検出する異常検出機能を有する。また異常検出部４４は、調整パラメータの値とあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値を比較してプラント３の運転状態が異常か否かを判定する異常判定部４４Ａと、調整パラメータごとにあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値をそれぞれ記憶している異常検出テーブル４４Ｂを有する。

ところで、プラントの通常運転条件内では、パラメータ調整部４１Ａのパラメータ調整による調整パラメータの値のぶれ幅は、通常調整パラメータごとに一定の領域に収まることが分かっている。

このため、調整パラメータごとに許容上限値および許容下限値をあらかじめ定めて、調整された調整パラメータの値が許容上限値から許容下限値までの許容範囲内にあるか判定することでプラントの運転状態は異常であるか否かを判定する。

調整パラメータの許容上限値および許容下限値は、プラントモデルの作成時にプラント３での実験などより把握できる。また、プラントシミュレータ４１上でプラント３に異常が発生するケースやプラント３内の設備に故障が生じるケースにおけるプラント３の運転状態をあらかじめシミュレーションによって推定し、調整パラメータの許容上限値および許容下限値を把握するものでもよい。

プラント３はプラントシミュレータ４１に接続され、プラントシミュレータ４１は表示制御部４２および異常検出部４４に接続される。異常検出部４４は表示制御部４２に接続され、表示制御部４２は表示部４３に接続される。

プラント運転支援システム４は、各種機能や各部の動作を制御する図示しない演算制御部（たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit））、プラントや各機器間などで通信を行う通信部、ＯＳ（Operating System）や各機器として動作するためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、各種情報などを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory)などの記憶部などのハードウェアから構成され、各部はバスにより相互に接続される。

またプラント運転支援システム４の演算制御部は、記憶部に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することによりシステム全体（たとえば、演算制御部はプログラムを読み出し実行することによりプラントシミュレータ４１、表示制御部４２、異常検出部４４などの各機能、各部）を制御し、システム固有の動作を行う。

このとき記憶部は、演算制御部によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶する。

なお、プラントシミュレータ４１の演算制御部が記憶部に格納されたプログラムやアプリケーションを読み出し実行して各部や各機能を制御する動作については以下省略する。

図２は図１の動作を説明する動作フロー図、図３は異常検出テーブルの一例である。図２のステップＳＰ１において、プラントシミュレータ４１は、プラント３内のフィールド機器で得られる実測値を取得し、取得した実測値に基づきプラントモデルを利用してシミュレーションを行う。

ステップＳＰ２において、パラメータ調整部４１Ａは、プラント３から取得した実測値とプラントシミュレータ４１が算出・推定した推定値とを比較して実測値と推定値との誤差が許容範囲内であるか否かを判断する。パラメータ調整部４１Ａは実測値と推定値との誤差が許容範囲内ではないと判断すると、実測値と推定値とが一致するまで、または、推定値と実測値との誤差が許容範囲内になるまで調整パラメータを調整してプラントモデルに適用する。

ステップＳＰ３において、異常判定部４４Ａは、パラメータ調整部４１Ａにより調整された調整パラメータの値と異常検出テーブル４４Ｂに記憶されている許容上限値および許容下限値を比較してプラント３の運転状態が異常か否かを判定する。

いいかえれば、異常判定部４４Ａは、調整パラメータの値があらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判定し、プラント３の運転状態が異常であるか否かを把握する。異常判定部４４Ａは、調整パラメータの値が許容上限値よりも大きい、または、許容下限値よりも小さい場合、すなわち許容範囲外である場合はプラント３の運転状態が異常であると判定する。

異常検出部４４は、許容範囲外であってプラント３の運転状態が異常であると判定した場合はステップＳＰ４に移行する。パラメータの値が許容範囲外ではなく（許容範囲内であって）プラント３の運転状態が異常ではないと判定した場合はステップＳＰ２に戻る。

たとえば、異常判定部４４Ａは、プラントシミュレータ４１から取得した調整パラメータの値（たとえば調整パラメータ１の値：１１０）と図３（Ａ）のように異常検出テーブル４４Ｂに記憶されている当該調整パラメータの許容上限値（たとえば調整パラメータ１の許容上限値：１００）および許容下限値（たとえば調整パラメータ１の許容下限値：０）とを比較する。

異常判定部４４Ａは、図３のように調整パラメータ１の値「１１０」が許容上限値「１００」よりも大きいため、プラント３の運転状態が異常であるものと判定する。

ステップＳＰ４において、異常判定部４４Ａは、表示制御部４２を介してプラント３の運転状態が異常である旨を表示部４３に表示する、または、プラント運転支援システムの外部の装置またはオペレータなどに異常検出結果を含むアラームを送信出力する。

このように、本発明に係るプラント運転支援システムは、プラントシミュレータによって得られた推定値に基づき、プラントの実測値とプラントシミュレータの推定値の誤差を低減するように調整パラメータを調整し、調整された調整パラメータの値があらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判定することにより、プラントの運転状態の異常を検出することができる。

なお、上記実施例では、異常検出テーブル４４Ｂは図３（Ａ）に一例を図示したように各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶しているが、特にこれに限定するものではなく、プラント３の温度、圧力、入口組成などの運転条件の一部または全てが既知である場合には、各調整パラメータが正常時にとりうる値はより狭い範囲に限定されることを利用して、プラント３の運転条件を考慮し各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を設定するものであってもよい。また、プラントの運転条件を考慮した関数として各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶するものでもよい。

たとえば、図３（Ｂ）のように異常検出テーブル４４Ｂは、各調整パラメータ（たとえば調整用パラメータ２）に対し、プラント３の圧力（Ｐ）、温度（Ｔ）、流量（Ｆ）などの運転条件に基づき、運転条件の変化に合わせて許容上限値（たとえばＦ＜１００のとき１．００Ｅ＋０３、Ｆ＞１００のとき１．００Ｅ＋０４）および許容下限値（たとえば１．００Ｅ＋０５）を設定し記憶する。

たとえば、図３（Ｂ）のように異常検出テーブル４４Ｂは、各調整パラメータ（たとえば調整用パラメータ３）に対し、プラント３の圧力（Ｐ）、温度（Ｔ）、流量（Ｆ）などを考慮した関数として許容上限値（たとえば「（Ｐ−１）＊Ｔ＊３００」）および許容下限値（たとえば「（Ｐ＋１）＊Ｔ＊４００」）を記憶する。

このため、プラント３の運転条件を考慮した各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を設定することにより、より詳細に異常の検出を行うことができる。

また上記実施例では、図２のステップＳＰ２においてパラメータ調整部４１Ａは、プラント３から取得した実測値とプラントシミュレータ４１が算出・推定した推定値との差分が許容範囲内ではないと判断すると実測値と推定値とが一致する、または、推定値と実測値との差分が許容範囲内になるまで調整パラメータを調整しているが、どのようなパラメータ値を用いても推定値と実測値との差分を許容範囲内にすることができない場合は、無条件に異常と判定するものでもよい。このように推定値と実測値の値を一致できない、または、差分を許容範囲内にすることができない場合は、ステップＳＰ４に移行するものであってもよい。

また上記実施例は、プラント運転中に運転条件と調整パラメータの値の変動を記録して、非故障または故障時の調整パラメータの値やプラントの運転状態などの各データを収集記憶し学習することにより、異常検出テーブルの精度を高めるものであってもよい。

また上記実施例では、異常検出テーブル４４Ｂは図３（Ａ）に一例を図示したように各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶しているが、特にこれに限定するものではなく、各調整パラメータの許容上限値および許容下限値の間に上側管理値、下側管理値を設定するものでもよい。

たとえば図３（Ｃ）のように調整パラメータ（たとえば調整パラメータ１）の値がこれら各管理値（下側管理値：２０、上側管理値：８０）を超えた場合は、異常判断部４４Ａはプラントの運転状態が異常になりつつあると判断し、表示制御部４２を介して表示部４３に異常予告警告を表示する、またプラント運転支援システムの外部の装置またはオペレータなどに異常検出結果を含むアラームを送信出力することで、異常になる前に対処できる。

また上記実施例では、異常検出テーブル４４Ｂは図３（Ａ）に一例を図示したように各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶しているが、特にこれに限定するものではなく、物質収支、熱収支などの理論的に確定できる現象から調整パラメータ間の関係が規定できる（たとえば図３（Ｃ）では、調整パラメータ１と調整パラメータ３間の関係が規定できる）場合には、これらのパラメータの関係式を規定し、パラメータの関係式に基づき許容上限値（たとえば許容上限値「調整パラメータ３＝調整パラメータ１＊Ｆ＋１０」）、許容下限値（（たとえば許容上限値「調整パラメータ３＝調整パラメータ１＊Ｆ―１０」））、上限管理値や下限管理値を定めて、当該パラメータがこれらの許容誤差を超えた場合に異常と判定するものでもよい。

また、上記実施例のプラント運転支援システム４は、プラントシミュレータ４１、パラメータ調整部４１Ａ、異常検出部４４などの各機能から構成されているが、特にこれに限定するものではなく、上述のプラント運転支援システム４が各機能を有し動作できるものであれば、プラントシミュレータ４１、パラメータ調整部４１Ａ、異常検出部４４はそれぞれ独立した機器から構成され相互に接続するものであってもよい。

具体的には、プラントシミュレータ４１、パラメータ調整部４１Ａ、異常検出部４４は、それぞれ図示しない各種機能や各部の動作を制御する演算制御部（たとえばＣＰＵ）、各機器間で通信を行う通信部、ＯＳや各機器として動作するためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、各種情報などを格納するＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部などのハードウェアから構成され、各部はバスにより相互に接続されるような、それぞれ独立した機器から構成されるものであってもよい。

この場合、プラントシミュレータ４１、パラメータ調整部４１Ａ、異常検出部４４の演算制御部は、記憶部に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することにより各機器または各部全体を制御し、各機器または各部固有の動作を行う。このとき記憶部は、演算制御部によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶するものであってもよい。

本発明に係るプラント運転支援システムの機能ブロック図である。 図１の動作を説明する動作フロー図である。 異常検出テーブルの一例である。 従来のプラント運転支援システムの構成ブロック図である。

符号の説明

１、３ プラント
２、４ プラント運転支援システム
２１、４１ プラントシミュレータ
２２、４２ 表示制御部
２３、４３ 表示部
４１Ａ パラメータ調整部
４４ 異常検出部
４４Ａ 異常判定部
４４Ｂ 異常検出テーブル

Claims (2)

1. 実プラントの動作を現したプラントモデルを用いて実プラントの動作に追従するシミュレーションを行なうプラント運転支援システムにおいて、
   プラントシミュレータと異常検出部を有し、
   前記プラントシミュレータはパラメータ調整部を具備し、前記パラメータ調整部は、プラントシミュレータが算出・推定した前記実プラントの運転状態の推定値に基づき前記プラントモデルにおける調整パラメータの値を逐次自動調整するとともに、前記実プラントから取得した実測値とプラントシミュレータで得られた推定値とを比較して実測値と推定値の誤差があらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判断し、許容範囲内ではないと判断した場合は前記実プラントの実測値とプラントシミュレータの推定値の誤差を低減するように調整パラメータを調整して前記プラントモデルに適用し、
   前記異常検出部は前記調整パラメータの値とあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値を比較して前記実プラントの運転状態が異常か否かを判定する異常判定部と前記調整パラメータごとにあらかじめ定められた許容上限値および許容下限値を記憶している異常検出テーブルを具備し、前記パラメータ調整部の調整パラメータの値に基づき前記実プラントの異常を検出し、
   前記異常検出テーブルは、前記実プラントの運転条件を考慮した関数として各調整パラメータの許容上限値および許容下限値を記憶していることを特徴とするプラント運転支援システム。
2. プラント運転中における運転条件と調整パラメータの値の変動を記録し、非故障または故障時の調整パラメータの値やプラントの運転状態などの各データを収集記憶し学習することにより、前記異常検出テーブルの精度を高めることを特徴とする請求項１記載のプラント運転支援システム。

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