JP5168544B2 - プラント運転支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラント運転支援装置に関し、詳しくは、プロセス制御装置における制御パラメータの調整に関するものである。

本発明の出願人は、石油精製における化学プロセスや上下水道の水処理プロセスなどのプロセス制御動作が複雑なプラントの運転を支援するプラント運転支援装置として、実プラントの動作と並行してプロセスシミュレーションを行い、シミュレーション結果をもとに実プラントの動作を予測するプラント運転支援装置を出願している（特許文献１）。

特開２００５−３３２３６０号公報

図２はこのような従来のプラント運転支援装置の概念構成を示すブロック図である。図２において、オンラインシミュレータ１０は、実プラント２０からオンラインで実測データを収集してその内部モデルを更新することにより高精度のシミュレーション結果を得るものであり、トラッキングモデル部１１とパラメータ調整部１２とで構成されている。

トラッキングモデル部１１は、実プラント２０からオンラインで実測データを収集し、これら実測データに合わせ込みながらダイナミックシミュレーションを行う。このトラッキングモデル部１１は、ダイナミックシミュレーションで計算されている状態変数の値を所定のタイミングまたは任意のタイミングでパラメータ調整部１２に渡す。

パラメータ調整部１２は、たとえばプラント全体のバランスを踏まえてパラメータ調整計算を行い、オンラインシミュレータ１０に反映させる。調整計算の基準としては、たとえば予め指定された計測点（複数指定可）の実測データとシミュレーションデータの重み付誤差二乗和を最小とするようなものが選択される。

このようにオンラインでパラメータ調整計算を行うことにより、プラントの現在の状況を反映した精度の高いモデルが利用可能となり、解析モデルによる予測計算や最適化計算ができるようになった。

ところで、従来の実プラント２０を構成するプロセス制御装置における制御パラメータの調整にあたっては、運転作業者が試行錯誤で調整を行ったり、実際の制御対象に対して何らかの試験操作を与え、その応答特性を１次遅れ系や積分系など、ある特定の系でプロセスを近似したモデルを用いて求めることが行われていた。

しかし、従来の近似モデルを用いた制御パラメータ調整では、特に非線形性の強いプロセスにおいて、近似モデルを求めた運転条件とは異なった条件で運転が行われると、適切な制御性能が得られないという問題がある。

また、適切な制御パラメータを求めるためには、実際の運転条件に近いところで試験操作を実プロセスに与えなければならない。

さらに、たとえば運転条件が変更されたことによりそれまでの制御パラメータが不適切になった場合には、再度試験操作を実プラントに与えて制御パラメータを求めなければならない。

また、運転作業者の経験則に基づいて試行錯誤的に制御パラメータを調整する場合は、実プロセスを構成する制御装置の挙動を直接変更することから、調整した制御パラメータが最適なものになるとは限らず、また、調整を与えた後のプロセスの挙動が事前に把握できないという問題がある。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、実プロセスに試験操作を与えることなくプロセス制御装置に適切な制御パラメータを求め、求めた制御パラメータを実プロセスに反映させることができるプラント運転支援装置を実現することにある。

実プラントのプロセスを物理や化学の法則に従ったモデルとして生成するように構成され、実プラントからオンラインで設定値およびプロセス値の実測データを収集してその内部モデルを更新することにより常に前記実プラントの状態を適切に模擬するオンラインシミュレータと、
物理や化学に則ったモデルで構成され前記実プラントを模擬する制御性能確認部と前記実プラントのプロセスと同様の制御アルゴリズムを含む前記実プラントを模擬した物理や化学に則ったモデルが与えられている制御パラメータ解析部を含む解析部と、
前記解析部に対して解析条件やアルゴリズムを設定する解析条件設定部と前記制御パラメータ解析部で演算された制御パラメータおよび前記制御性能確認部におけるシミュレーションの結果を表示する解析結果表示部と前記実プラントの制御装置に新しく求めた制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部を含み、前記実プラントおよび解析部に対する操作設定を行う操作設定インタフェースとを備え、
前記解析部は前記オンラインシミュレータから状態変数の値を受け取り試験操作を行ってプロセスの応答を得ることにより前記実プラントに適切な制御パラメータを求め、これら求めた制御パラメータを前記操作設定インタフェースを介して前記実プラントに反映させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のプラント運転支援装置において、前記操作設定インタフェースは、前記解析部で求めた前記実プラントに適切な制御パラメータを前記実プラントに反映させた場合におけるプロセスの挙動予測を画面に表示することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のプラント運転支援装置において、前記制御パラメータの解析にあたり、前記オンラインシミュレータの計算時間を実際の時間よりも早めることを特徴とする。

本発明によれば、実プロセスに試験操作を与えることなくプロセス制御装置に適切な制御パラメータを求め、求めた制御パラメータを実プロセスに反映させることができる。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。

図１において、オンラインシミュレータ１０には、解析部３０が接続され、解析部３０には操作設定インタフェース４０が接続されている。そして、操作設定インタフェース４０は、実プラント２０にも接続されている。

解析部３０は、制御性能確認部３１と制御パラメータ解析部３２で構成されている。

操作設定インタフェース４０は、制御パラメータ設定部４１、解析条件設定部４２、解析結果表示部４３などで構成されている。

オンラインシミュレータ１０は、プロセスを物理や化学の法則に従ったモデルとして生成するように構成されており、制御装置のアルゴリズムもモデル化しているプロセスシミュレータである。

オンラインシミュレータ１０を構成するトラッキングモデル部１１は、実プラント２０から、設定値や局所的にシミュレータモデルを調整するためのプロセス値を取得する。また、パラメータ調整部１２は、シミュレータモデル全体を適切なパラメータにするために、定期的あるいは必要に応じて、モデルパラメータを修正する。このようにすることで、トラッキングモデル部１１は常に実プラント２０の状態を適切に模擬するシミュレータとして機能することになる。

解析部３０を構成する制御性能確認部３１は、実プラントを模擬し、物理や化学に則ったモデルで構成されており、トラッキングモデル部１１から現在の状態変数の値や過去の状態変数の値を初期状態として取り込んでシミュレーションすることができる。

制御パラメータ解析部３２には、実プラント２０のプロセスと同様の制御アルゴリズムを含む実プラントを模擬した物理や化学に則ったモデルが与えられている。そして、解析条件設定部４２から解析の要求があった場合、制御パラメータ解析部３２は、トラッキングモデル部１１から現在の状態変数値や過去の状態変数値を初期状態として取り込み、解析条件設定部４２に指示された解析条件やアルゴリズムに従って、制御パラメータの解析に必要な試験操作量を演算し、制御パラメータ解析部３２自身にたとえばインパルス信号やステップ状信号などの試験操作を加えることで、最適な制御パラメータを演算する。ここで、トラッキングモデル部１１から取り込む状態変数の値には、実際のプロセス値だけでなく、トラッキングモデル部１１によって演算されているプロセス内部の状態量も含んでいる。

操作設定インタフェース４０の解析結果表示部４３には、制御装置の種別（ＰＩＤ制御やモデル予測制御など）と、現在の制御パラメータが表示されている。

解析条件設定部４２は、解析部３０に対して、解析条件やアルゴリズム（たとえばＰＩＤ制御の制御パラメータを求める場合には、制御パラメータを求めるアルゴリズムとして限界感度法やステップ応答法やリミットサイクル法などを選択したり、モデル予測制御の場合ではモデル次数など）を与える。

制御パラメータ解析部３２によって演算された制御パラメータは、解析結果表示部４３で運転作業者に表示される。運転作業者は、この結果が妥当であるか、出力結果を確認する。また、制御パラメータの値そのものでは判断がつきにくい場合には、制御性能確認部３１に対して制御パラメータを設定し、様々な仮想の運転条件を制御性能確認部３１に与えてシミュレーションする。このシミュレーションの結果は解析結果表示部４３に表示され、演算された制御パラメータにより望ましい制御性能が得られるか検証する。

運転作業者は、解析の結果に基づき望ましい制御性能が得られると判断した場合には、制御パラメータ設定部４１に対して、解析結果表示部４３に画面上にたとえばボタンなどで表現されている演算された制御パラメータを実プラント２０の制御装置に反映させる操作を与える。

これにより、実プラント２０の制御装置に対して、新しく求めた制御パラメータを反映させることができる。

すなわち、オンラインシミュレータ１０と解析部３０と操作設定インタフェース４０を用いることにより、従来実プラント２０に対して直接行われていた試験操作と実質的に同様な操作を、実プラント２０に対して直接行うことなく制御装置に適切な制御パラメータを求めることができ、実プラント２０に対して適切な制御パラメータを安全に設定することができる。

制御パラメータ解析にあたっては、制御パラメータ解析部３２に対して試験操作を与えてプロセスの応答を得るため、制御パラメータ解析部３２のシミュレーション時間を実際の時間よりも早めることができ、実プラント２０で応答試験を行うよりも高速に結果を得ることができる。

そして、制御パラメータ解析部３２を用いて試験操作を行うことにより、複数の応答試験に複数の制御パラメータ解析手法を適用でき、その中で最も妥当なものを運転作業者が選択できる。

さらに、オンラインシミュレータ１０や解析部３０は物理や化学の原理に則ったモデルで構成されているため、特に非線形の強いプロセスにおいて、運転条件が変更されるなどの要因で制御パラメータを再調整しなければならないことが予想される場合には、事前に制御パラメータを求めておくことができる。

以上説明したように、本発明によれば、実プロセスに試験操作を与えることなくプロセス制御装置に適切な制御パラメータを求め、求めた制御パラメータを実プロセスに反映させることができるプラント運転支援装置が実現できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 従来のプラント運転支援装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ オンラインシミュレータ
１１ トラッキングモデル部
１２ パラメータ調整部
２０ 実プラント
３０ 解析部
３１ 制御性能確認部
３２ 制御パラメータ解析部
４０ 操作設定インタフェース
４１ 制御パラメータ設定部
４２ 解析条件設定部
４３ 解析結果表示部

Claims (3)

1. 実プラントのプロセスを物理や化学の法則に従ったモデルとして生成するように構成され、実プラントからオンラインで設定値およびプロセス値の実測データを収集してその内部モデルを更新することにより常に前記実プラントの状態を適切に模擬するオンラインシミュレータと、
   物理や化学に則ったモデルで構成され前記実プラントを模擬する制御性能確認部と前記実プラントのプロセスと同様の制御アルゴリズムを含む前記実プラントを模擬した物理や化学に則ったモデルが与えられている制御パラメータ解析部を含む解析部と、
   前記解析部に対して解析条件やアルゴリズムを設定する解析条件設定部と前記制御パラメータ解析部で演算された制御パラメータおよび前記制御性能確認部におけるシミュレーションの結果を表示する解析結果表示部と前記実プラントの制御装置に新しく求めた制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部を含み、前記実プラントおよび解析部に対する操作設定を行う操作設定インタフェースとを備え、
   前記解析部は前記オンラインシミュレータから状態変数の値を受け取り試験操作を行ってプロセスの応答を得ることにより前記実プラントに適切な制御パラメータを求め、これら求めた制御パラメータを前記操作設定インタフェースを介して前記実プラントに反映させることを特徴とするプラント運転支援装置。
2. 前記操作設定インタフェースは、前記解析部で求めた前記実プラントに適切な制御パラメータを前記実プラントに反映させた場合におけるプロセスの挙動予測を画面に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. 前記制御パラメータの解析にあたり、前記オンラインシミュレータの計算時間を実際の時間よりも早めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラント運転支援装置。

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