JP5211600B2 - 工業プロセスの制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、広くは製品や半製品を製造する工業プロセスの制御方法および装置に関するものであり、特に転炉吹錬プロセスの制御方法および装置に関するものである。

工業プロセスでは、種々の状態量が設定範囲内に入るようにあるいは目標値に近づくように制御をしながら操業が行われている。状態量の例には、温度、湿度、圧力、濃度などがある。例えば特許文献１では、転炉の吹錬プロセスにおいて、スラグ中酸素ポテンシャル推定値が目標パターンから一定の範囲内に入るように、ランス高さ及び上吹ガス流量を制御する方法を提案している。

一般に目標パターンは、製品の種類、操業条件、原料成分の変動等を考慮して処理毎に変更する必要があるものの、目標パターンは必ずしも物理法則に基づいた理論式から正確に計算できるものではなく、一般的には大なり小なりモデル化が難しい誤差を含んでいることが多い。特許文献1に開示の技術では、吹錬実績情報（終点P、Mn濃度情報）と各種推定値演算出力に基づいて、目標パターンを出力することが記載されている。
特開平５−２３９５２４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、具体的な目標パターンの計算方法及び目標パターンを用いた具体的な制御については記載されていない。目標パターン自体は時系列であり情報量が多いため、計算時間が長くなるなど取り扱いが難しくなることが多い。また、操業条件などの変動に対応するため過去処理の実績を利用して目標値計算及び操作量計算を行う必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、操業条件などの変動に対応した正しい目標値計算及び操作量計算を迅速に行うことができる工業プロセスの制御方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、過去の操業処理の状態量時系列データが、操業処理単位毎に記憶された状態量時系列データベースから前記状態量時系列データを入力する時系列データ入力ステップと、前記状態量時系列データから基底ベクトルを求め、該基底ベクトルに対する基底係数を操業処理単位毎に計算する基底係数計算ステップと、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理を選択する操業処理選択ステップと、操業処理条件に基づいて、状態量の目標値を算出すべき操業対象と操業処理選択ステップで選択された操業処理との類似度を計算する類似度計算ステップと、前記類似度、基底係数、基底ベクトルとから、状態量の目標値を計算する目標値計算ステップと、計算された状態量の目標値に、状態量の実績値または推定値が近づくようにリアルタイムに操作量を調節する制御量演算ステップとを備えたことを特徴とする工業プロセスの制御方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、過去の操業処理の状態時系列データが、操業処理単位毎に記憶された状態量時系列データベースから前記状態量時系列データを入力する時系列データ入力ステップと、前記状態量時系列データから基底ベクトルを求め、該基底ベクトルに対する基底係数を操業処理単位毎に計算する基底係数計算ステップと、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理を選択する操業処理選択ステップと、操業処理
条件に基づいて、状態量の目標値を算出すべき操業対象と操業処理選択ステップで選択された操業処理との類似度を計算する類似度計算ステップと、前記類似度、基底係数、基底ベクトルとから、状態量の目標値を計算する目標値計算ステップと、計算された状態量の目標値と過去の操業処理の状態量実績値の差から過去の操作量実績値の重みを計算し、計算された重みと過去の操作量実績値を用いて操作量を決定する制御量演算ステップとを備えたことを特徴とする工業プロセスの制御方法である。

また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の工業プロセスの制御方法において、前記基底係数計算ステップで基底ベクトルを計算する際に、主成分分析もしくは独立成分分析を用いることを特徴とする工業プロセスの制御方法である。

また本発明の請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の工業プロセスの制御方法において、前記目標値の計算ステップで、処理条件の回帰式もしくは重み付荷重和を用いて目標値の計算を行うことを特徴とする工業プロセスの制御方法である。

また本発明の請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の工業プロセスの制御方法において、前記工業プロセスは、鉄鋼の吹錬プロセスであり、前記状態量をスラグ中の成分実績値もしくはスラグ中の成分推定値とすることを特徴とする工業プロセスの制御方法である。

また本発明の請求項６に係る発明は、過去の操業処理の状態量時系列データを、操業処理単位に保存したデータベースと、該データベースから保存した状態量時系列データを入力し、基底ベクトルと基底係数を操業処理単位毎に求め、かつ、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理と状態量目標値を計算すべき操業処理との処理条件の類似度を求めて、求めた類似度、基底係数、基底ベクトルとから状態量の目標値を計算し設定する目標値設定手段と、状態量の実績値もしくは推定値が設定された目標値に近づくようにリアルタイムに操作量を調節する制御量演算手段とを、備えることを特徴とする工業プロセスの制御装置である。

また本発明の請求項７に係る発明は、過去の操業処理の状態量時系列データを、操業処理単位に保存したデータベースと、該データベースから保存した状態量時系列データを入力し、基底ベクトルと基底係数を操業処理単位毎に求め、かつ、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理と状態量目標値を計算すべき操業処理との処理条件の類似度を求めて、求めた類似度、基底係数、基底ベクトルとから状態量の目標値を計算し設定する目標値設定手段と、設定された目標値と過去の操業処理の状態量実績値との差から過去の操作量実績値の重みを計算し、計算された重みと過去の操作量実績値を用いて操作量を決定する制御量演算手段とを、備えることを特徴とする工業プロセスの制御装置である。

さらに本発明の請求項８に係る発明は、請求項６または請求項７に記載の工業プロセスの制御装置において、前記工業プロセスは、鉄鋼の吹錬プロセスであり、前記状態量をスラグ中の成分実績値もしくはスラグ中の成分推定値とすることを特徴とする工業プロセスの制御装置である。

本発明は、操業条件が近い過去操業データを用いて状態量の目標値を設定するようにしているので、操業条件を含めた各種変動に対応して正しい目標値を設定することができる。また、目標値計算の際に、特徴量を抽出してパラメータを減らすようにしているため目標値計算の計算時間を短くすることができる。さらに、状態量を目標値に近い値に近づけることによって高精度の制御を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に説明してゆく。図１は、本発明を転炉吹錬プロセスに適用した場合の制御システムの構成例を示す図である。図１中、１は転炉、２は溶鋼、３はランス、４はスラグ、５は排ガス煙道用ダクト、６は排ガス成分分析手段、７は操業ＤＢ、８はスラグ中成分推定手段、９は目標パターン設定手段、１０は制御量演算手段、１１は制御手段をそれぞれ表す。

転炉１内の溶鋼２上にランス３が配置され、ランス３の先端ノズル部から高圧酸素を溶鋼２に向かって噴出する。溶鋼２内の不要な成分はスラグ４内に取り込まれる。転炉１の上部には排ガス煙道用ダクト５が設置されており、排ガス煙道用ダクト５の内側には排ガス成分分析手段６が配置されている。排ガス成分分析手段６では、排ガス中の各種成分CO、CO2、O2、H2O等）を計測する機能がある。

そして、操業に関する各種情報（操業処理毎の条件や実績の代表値データ（合計値や平均値など）や時系列データ）は操業ＤＢ７に保存される。操業情報には下記に示すような情報が集められる。
・吹錬条件等各種情報（次に吹錬を行う溶銑の情報：溶銑成分、溶銑温度、送酸予定量、副原料投入予定量等）
・吹錬結果等実績情報（送酸量実績、副原料投入実績、吹錬後溶鋼成分、吹錬後溶鋼温度等）
・スラグ中成分推定結果
・スラグ中成分目標パターン設定結果
・吹錬途中経過情報（送酸流量実績パターン、ランス高さ実績パターン実績、副原料投入量実績パターン等）
この例では、請求項における状態量時系列データは、スラグ中成分推定結果に対応しており、操業処理を開始してからの時刻に対するスラグ中成分推定値の変化のデータである。また、スラグ中成分目標パターン設定結果、送酸流量実績パターン、ランス高さ実績パターン実績、副原料投入量実績パターン等なども、操業処理を開始してからの時刻に各値であり、それをこの明細書ではその時系列変化データをパターンと称している。

操業ＤＢ７に蓄えられた情報は、スラグ中成分推定手段８、目標パターン設定手段９、制御量演算手段１０で用いられる。この各種手段での計算内容の詳細について、以下に説明する。

まずスラグ中成分推定手段８では、排ガス成分分析手段６から得られた排ガス成分情報、および操業ＤＢ７から得られる溶銑成分、溶銑温度、送酸流量実績パターン、副原料投入量実績パターン等を用いて、操業各時点でのスラグ中の燐、珪素、酸化鉄の量、酸素ポテンシャル等を推定する。

次に目標パターン設定手段９では、スラグ中成分の目標パターン（時系列データ）を生成する。ここでは例として、スラグ中成分の一つである、スラグ中の酸化鉄量の目標パターン生成方法について説明する。、また、基底ベクトル（基底時系列）の生成方法としては主成分分析および独立成分分析を用いる方法があるが、主成分分析を用いる方法について説明する。

図２は、目標パターンの設定処理手順を示す図である。STEP１から順番に実行し、最終的にSTEP６で目標パターンの生成を行う。

まず、STEP１の「時系列情報の取得」ステップでは、操業ＤＢから過去吹錬の酸化鉄量
時系列情報を取得する。

そして、STEP２の「基底計算」ステップでは、取得した時系列情報に対し主成分分析により、複数の基底（時系列）およびその係数を求める。ここでの計算について、例えば、酸化鉄量時系列情報が100点であった場合にて、以下に説明する。

n回分の吹錬の時系列データ（吹錬における酸化鉄量の推定結果の時系列データ）は、
下記で表される。

これに対して、主成分分析により例えば４つの基底を計算した場合には、下記に示す４種類の１００次元ベクトルが生成される。この基底１〜４は、時系列データを表現するための代表的なパターン（時刻に対する値の変化）であり、これら４つの基底に重み付けし、それらを組み合わせることによって、時系列データを表現しようとするものである。

これらに対して吹錬毎に基底係数ａijが計算され、酸化鉄量時系列は下式で近似できる。なお、この基底係数ａijが、上述の基底への重み付けの値であり、この４つの基底係数を用いて、時系列データのパターン（時刻に対する値の変化する形態）を特徴づけること
が可能となる。

そして、STEP３の「望ましい結果の選択」ステップでは、操業ＤＢから過去吹錬のうち、吹錬後溶鋼成分、吹錬後溶鋼温度が予め設定範囲内（所定範囲内）に入ったものを選択、すなわち、望ましい吹錬結果だった過去吹錬に関するデータを選択し、抽出する。

さらに、STEP４の「類似度の計算」ステップでは、STEP3で選択された過去の吹錬と目
標値を算出すべき吹錬（次回実施する吹錬や現時点実施中の吹錬等）の吹錬条件（溶銑成分、溶銑温度、送酸（予定）量、副原料投入（予定）量）を比較して近いものほど値が大きくなる重み係数を計算する。つまり、操業処理条件の類似度を算出し、類似度が高いものほど、重み係数を高い値に設定する。ここでの類似度（近さの評価量）としては、例えば下記に示すノルムを用いる。

上記ノルム値が小さいほど値が大きくなる値を重み係数とする。

次に、STEP５の「目標係数の計算」ステップでは、STEP3で選択された吹錬の基底係数
（STEP2で計算）それぞれに重み係数Wi（STEP4）をそれぞれ掛けて、その和を計算し、基底１乃至基底４の目標係数ａ’1、ａ’2、ａ’3、ａ’4とする。このSTEP5で用いる目標
係数の計算式の例を下に示す。

ただし、WiはSTEP4で計算した吹錬No.iの重み係数を示し、以下の関係がある。

そして最終的に、STEP６の「目標パターンの生成」ステップでは、以下の式（７）のように、式（２）で求めた基底ベクトルｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４に、それぞれ式（５）で求められた基底１の目標係数ａ’1、基底２の目標係数ａ’2、基底３の目標係数ａ’3、基
底４の目標係数ａ’4を掛けて和を計算し、その結果をスラグ中酸化鉄量の目標パターン
（時系列データ）とする。

目標パターン設定手段９での処理が終わり、次に制御量演算手段１０での処理に移る。ここでの処理方式例として、２種類を以下に示す。

（１）処理方式１：リアルタイム制御
スラグ中成分推定手段で計算された推定量と目標パターンとを比較して、送酸流量や副原料投入量といった操作量の調整をリアルタイムに行う。

（２）処理方式２：制御パターン生成（例：送酸流量）
ａ）目標パターン設定処理のSTEP3で選択された過去吹錬のうち、吹錬条件（溶銑成分、
溶銑温度、送酸（予定）量、副原料投入（予定）量）が次回吹錬と近いものを既定数だけ選択する。
ｂ）上記a)で選択された過去吹錬の状態量と目標パターンが近いものほど大きな値を取る重み係数を計算する。
ｃ）上記b)で計算された重み係数を過去吹錬の送酸流量パターンに掛け、その合計値を送酸流量パターン設定値とする。

制御手段１１では、上記制御量演算手段１０の計算結果に基づき、操作量(上記の場合
には、送酸流量)についての制御信号を操作端(例えば、流量制御弁（図示せず）)に出力
する。これによって、操業条件などの変動に迅速に対応する、精度のよい転炉吹錬制御が実行される。

以上、本発明を転炉吹錬プロセスに適用した場合を例に説明したが、適用対象は温度、湿度、圧力、濃度などの状態量を設定範囲内に入るようにあるいは目標値に近づくように制御する工業プロセスであれば、どのようなものにでも適用可能である。

また、目標パターンの算出についても、スラグ中酸化鉄量の例で説明したが、これに限定されす、状態量の時系列データであれば適用可能である。

本発明を転炉吹錬プロセスに適用した場合の制御システムの構成例を示す図である。 目標パターンの設定処理手順を示す図である。

符号の説明

１ 転炉
２ 溶鋼
３ ランス
４ スラグ
５ 排ガス煙道用ダクト
６ 排ガス成分分析手段
７ 操業ＤＢ
８ スラグ中成分推定手段
９ 目標パターン設定手段
１０ 制御量演算手段
１１ 制御手段

Claims (8)

1. 過去の操業処理の状態量時系列データが、操業処理単位毎に記憶された状態量時系列データベースから前記状態量時系列データを入力する時系列データ入力ステップと、
   前記状態量時系列データから基底ベクトルを求め、該基底ベクトルに対する基底係数を操業処理単位毎に計算する基底係数計算ステップと、
   操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理を選択する操業処理選択ステップと、
   操業処理条件に基づいて、状態量の目標値を算出すべき操業対象と操業処理選択ステップで選択された操業処理との類似度を計算する類似度計算ステップと、
   前記類似度、基底係数、基底ベクトルとから、状態量の目標値を計算する目標値計算ステップと、
   計算された状態量の目標値に、状態量の実績値または推定値が近づくようにリアルタイムに操作量を調節する制御量演算ステップとを備えたことを特徴とする工業プロセスの制御方法。
2. 過去の操業処理の状態時系列データが、操業処理単位毎に記憶された状態量時系列データベースから
   前記状態量時系列データを入力する時系列データ入力ステップと、
   前記状態量時系列データから基底ベクトルを求め、該基底ベクトルに対する基底係数を操業処理単位毎に計算する基底係数計算ステップと、
   操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理を選択する操業処理選択ステップと、
   操業処理条件に基づいて、状態量の目標値を算出すべき操業対象と操業処理選択ステップで選択された操業処理との類似度を計算する類似度計算ステップと、
   前記類似度、基底係数、基底ベクトルとから、状態量の目標値を計算する目標値計算ステップと、
   計算された状態量の目標値と過去の操業処理の状態量実績値の差から過去の操作量実績値の重みを計算し、計算された重みと過去の操作量実績値を用いて操作量を決定する制御量演算ステップとを備えたことを特徴とする工業プロセスの制御方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の工業プロセスの制御方法において、
   前記基底係数計算ステップで基底ベクトルを計算する際に、主成分分析もしくは独立成分分析を用いることを特徴とする工業プロセスの制御方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の工業プロセスの制御方法において、
   前記目標値計算ステップで、処理条件の回帰式もしくは重み付荷重和を用いて目標値の計算を行うことを特徴とする工業プロセスの制御方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の工業プロセスの制御方法において、
   前記工業プロセスは、鉄鋼の吹錬プロセスであり、前記状態量をスラグ中の成分実績値もしくはスラグ中の成分推定値とすることを特徴とする工業プロセスの制御方法。
6. 過去の操業処理の状態量時系列データを、操業処理単位に保存したデータベースと、
   該データベースから保存した状態量時系列データを入力し、基底ベクトルと基底係数を操業処理単位毎に求め、かつ、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理と状態量目標値を計算すべき操業処理との処理条件の類似度を求めて、求めた類似度、基底係数、基底ベクトルとから状態量の目標値を計算し設定する目標値設定手段と、
   状態量の実績値もしくは推定値が設定された目標値に近づくようにリアルタイムに操作量を調節する制御量演算手段とを、
   備えることを特徴とする工業プロセスの制御装置。
7. 過去の操業処理の状態量時系列データを、操業処理単位に保存したデータベースと、
   該データベースから保存した状態量時系列データを入力し、基底ベクトルと基底係数を操業処理単位毎に求め、かつ、操業処理結果の評価値が所定範囲内である操業処理と状態量目標値を計算すべき操業処理との処理条件の類似度を求めて、求めた類似度、基底係数、基底ベクトルとから状態量の目標値を計算し設定する目標値設定手段と、
   設定された目標値と過去の操業処理の状態量実績値との差から過去の操作量実績値の重みを計算し、計算された重みと過去の操作量実績値を用いて操作量を決定する制御量演算手段とを、
   備えることを特徴とする工業プロセスの制御装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の工業プロセスの制御装置において、
   前記工業プロセスは、鉄鋼の吹錬プロセスであり、前記状態量をスラグ中の成分実績値もしくはスラグ中の成分推定値とすることを特徴とする工業プロセスの制御装置。

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