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

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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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