JP5561519B2 - プラントシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレータ等に関する。

プラント運転の訓練を目的として使用されるプラントシミュレータでは、プラントにおける圧力、温度等（プラントデータ）の挙動を物理・化学法則に基づいた厳密モデル（物理モデル）で記述する。このような厳密モデルはプラントでの現象が科学的に解明されている場合には記述できるが、現象が解明されていない場合には厳密モデルを作成できない。例えば、化学プロセスで製造されるポリマーの組成など、性状や品質については物理・化学的に解明されていない場合があり、このような場合には厳密モデルによるシミュレーションを行うことができない。

厳密モデルによるシミュレーションを行うことができない対象については、線形モデル式等を用いた統計モデルを用いることができる。この場合には、モデル式のパラメータを実際の現象に合わせ込む操作を行うことにより、物理・化学的な説明を要することなく、モデル式によるシミュレーションが可能となる。

特開２００５−３３２３６０号公報

しかし、従来、統計モデルで使用されるデータは、プラントから取得されるプラントデータに限定されているため、製品や中間品の性状等を精度よく推定できる統計モデルを構築できない場合がある。例えば、特定部位における製品や中間品の性状を知りたい場合に、その特定部位におけるプラントデータ（圧力、温度等）が得られなければ、上記性状を正確に推定することは困難である。

本発明の目的は、統計モデルを用いて高精度のシミュレーションを行うことができるプラントシミュレータ等を提供することにある。

本発明のプラントシミュレータは、プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレータにおいて、厳密モデルを使用して、プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行する厳密モデルシミュレーション手段と、統計モデルを使用して、前記プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行する統計モデルシミュレーション手段と、を備え、前記統計モデルシミュレーション手段は、前記プラントから得られる前記プラントデータに加えて、前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいて前記プラントのシミュレーションを実行し、統計モデルは、プラントにおける生成物の性状について記述し、前記仮想的なプラントデータは、温度または圧力を含むデータであり、前記生成物の性状は、前記生成物の粘度、成分、硬度、透明度、色相およびポリマー組成のいずれかであることを特徴とする。
このプラントシミュレータによれば、統計モデルシミュレーション手段は、プラントから得られるプラントデータに加えて、厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいてプラントのシミュレーションを実行するので、高精度のシミュレーションを行うことができる。

統計モデルシミュレーション手段において使用される前記統計モデルのパラメータは、前記プラントから得られるプラントデータと、前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータと、に基づき、これらのプラントデータとシミュレーション結果とが整合するように定められてもよい。

前記統計モデルとして線形モデルおよび非線形モデルを使用してもよい。

前記統計モデルシミュレーション手段は、前記プラントと並行して同時に動作し、前記プラントから得られる前記プラントデータおよび前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる前記仮想的なプラントデータに整合するように前記統計モデルを調整してもよい。

本発明のプラントシミュレーション方法は、プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレーション方法において、厳密モデルを使用して、プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行するステップと、統計モデルを使用して、前記プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行するステップと、を備え、前記統計モデルを使用してシミュレーションを実行するステップでは、前記プラントから得られる前記プラントデータに加えて、前記厳密モデルを使用したシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいて前記プラントのシミュレーションを実行し、統計モデルは、プラントにおける生成物の性状について記述し、前記仮想的なプラントデータは、温度または圧力を含むデータであり、前記生成物の性状は、前記生成物の粘度、成分、硬度、透明度、色相およびポリマー組成のいずれかであることを特徴とする。
このプラントシミュレーション方法によれば、プラントから得られるプラントデータに加えて、厳密モデルを使用したシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいてプラントのシミュレーションを実行するので、高精度のシミュレーションを行うことができる。

本発明のプラントシミュレータによれば、統計モデルシミュレーション手段は、プラントから得られるプラントデータに加えて、厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいてプラントのシミュレーションを実行するので、高精度のシミュレーションを行うことができる。

本発明のプラントシミュレーション方法によれば、プラントから得られるプラントデータに加えて、厳密モデルを使用したシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいてプラントのシミュレーションを実行するので、高精度のシミュレーションを行うことができる。

一実施形態のプラントシミュレータを示す図であり、（ａ）はプラントシミュレータの構成およびモデルの構築時の動作を示すブロック図、（ｂ）はオンライン動作時におけるモデルの調整手順を示す図。 厳密モデルシミュレーション部における厳密モデルの初期パラメータを決定する手順を示す図。

以下、本発明によるプラントシミュレータの一実施形態について説明する。

図１（ａ）は本実施形態のプラントシミュレータの構成等を示すブロック図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態のプラントシミュレータ１は、プラントにおける挙動を物理・化学モデル（厳密モデル）により擬似する厳密モデルシミュレーション部１１と、プラントにおける挙動を統計モデルにより擬似する統計モデルシミュレーション部１２と、を備える。

また、プラント２のプラントデータは、履歴データ格納部３に履歴データとして、順次格納される。プラントデータは、プラント２に設置されたセンサ（圧力計、温度計等）から得られるデータである。

厳密モデルシミュレーション部１１の厳密モデルはユーザにより入力される。ユーザは、機器データ、プラントデータ、文献・論文、化学便覧等を参照して厳密モデルを入力する。厳密モデルのパラメータは、厳密モデルシミュレーション部１１において履歴データ格納部３に格納された履歴データに基づいて設定される。

また、厳密モデルシミュレーション部１１は、オンライン動作時に得られるプラントデータに基づいて厳密モデルのパラメータを逐次更新することで、厳密モデルによるシミュレーション結果を実際のプラントの状態に合わせ込むトラッキングや、定期的にパラメータを調整するダイナミックリコンシリエーションにより、厳密モデルの精度を向上させる機能を有する。

統計モデルシミュレーション部１２で用いられる統計モデルは、線形モデルあるいは非線形モデルにより構築され、プラントデータを与えることにより統計モデルシミュレーション部１２において自動的に作成される。また、統計モデルシミュレーション部１２には、カルマンフィルタ等を用いて、統計モデルの出力値と実際のプラントデータ（履歴データおよび現在のプラントデータ）とが整合するように、モデル式のパラメータを選択し、あるいは適時修正する機能が設けられる。これによりプラントにおける挙動が常時正しく再現されるように統計モデルが調整される。

統計モデルは、ユーザの指示に基づいて統計モデルシミュレーション部１２において作成することもできる。ユーザは、線形モデル、非線形モデルのいずれかを統計モデルとして選択できる。また、ユーザの指示に基づいて作成された統計モデル式を登録することができ、この場合、登録された統計モデル式を任意に選択して使用することができる。

統計モデルは、物理・化学法則と無関係なモデル（例えば、線形モデル）、あるいは、物理・化学法則を考慮したモデル（例えば、ｌｏｇ関数やｅｘｐ関数を用いた非線形モデル）として構成される。いずれの場合であっても、統計モデルシミュレーション部１２においてモデル式のパラメータ修正が行われ、統計モデルが調整される。

統計モデルは、厳密モデルで説明困難な現象、例えば、製品や中間品の粘度、成分、硬度、透明度、色相、ポリマー組成などの性状等についても記述できる。

本実施形態のプラントシミュレータでは、統計モデルの構築に際して、厳密モデルシミュレーション部１１から出力される仮想的なプラントデータを使用することができる。この点については、さらに後述する。

次に、プラントシミュレータ１の動作について説明する。

図１（ａ）に示すように、モデルの構築時には、履歴データ格納部３に格納されている履歴データが厳密モデルシミュレーション部１１に与えられる。厳密モデルシミュレーション部１１は、履歴データと厳密モデルによるシミュレーション結果が整合するように、厳密モデルのパラメータ等を設定する。

また、図１（ａ）に示すように、履歴データ格納部３に格納されている履歴データが統計モデルシミュレーション部１２に与えられるとともに、厳密モデルシミュレーション部１１により算出されたシミュレーション結果（仮想的なプラントデータ）が、仮想データとして統計モデルシミュレーション部１２に与えられる。

統計モデルシミュレーション部１２は、これらの履歴データおよび仮想データと、統計モデルによるシミュレーション結果とが整合するように、統計モデルのパラメータ等を設定する。

このように、本実施形態のプラントシミュレータ１では、履歴データに加えて厳密モデルシミュレーション部１１から得られる仮想データを用いて統計モデルを構築するので、統計モデルによる推定精度を大幅に向上させることができる。すなわち、プラント２において温度や圧力等を測定するためのセンサの設置位置は限定されるため、履歴データとして得られるプラントデータも限定される。このため、履歴データのみに基づいて統計モデルを構築する場合には、構築される統計モデルの精度に限界を生じさせる。しかし、本実施形態のプラントシミュレータ１では、履歴データに加えて厳密モデルシミュレーション部１１から得られる仮想データを用いるため、統計モデルをより正確に定めることができる。例えば、特定部位における製品や中間品の性状を算出したい場合、性状に直接的な影響を与える、その特定部位（例えば、特定のタンクや配管）ないしその特定部位に近い位置における温度、圧力等を仮想データとして取得し、これを統計モデルに使用できるため、性状を正確に推定することが可能となる。

図１（ｂ）は、オンライン動作時におけるモデルの調整手順を示す図である。

図１（ｂ）に示すように、プラント２のプラントデータは、厳密モデルシミュレーション部１１および統計モデルシミュレーション部１２にリアルタイムに与えられる。厳密モデルシミュレーション部１１はプラントデータに基づいてリアルタイムにプラントのシミュレーションを実行する。また、厳密モデルシミュレーション部１１は、このプラントデータと厳密モデルによるシミュレーション結果とが常時一致するように、逐次、厳密モデルのパラメータを更新するとともに、定期的にパラメータを調整することで、厳密モデルの精度を向上させる。

一方、統計モデルシミュレーション部１２には、プラント２からのプラントデータに加えて、厳密モデルシミュレーション部１１から得られる仮想データ（プラントデータ）が与えられる。統計モデルシミュレーション部１２は、プラント２からのプラントデータと、厳密モデルシミュレーション部１１からの仮想データに基づいてリアルタイムにプラントのシミュレーションを実行する。また、統計モデルシミュレーション部１２は統計モデルにおけるシミュレーション結果が、プラント２からのプラントデータおよび仮想データと整合するように、統計モデル式のパラメータを逐次、修正して統計モデルを継続的に調整する。

このように、本実施形態のプラントシミュレータ１では、オンライン動作時に、統計モデルシミュレーション部１２に対してプラント２からのプラントデータに加えて厳密モデルシミュレーション部１１からの仮想データが与えられる。このため、仮想データを利用した統計モデルを用いた演算が可能となり、性状などのシミュレーションを高精度化することができる。また、統計モデルの継続的な調整に、仮想データを反映させることができる。したがって、例えば、特定部位における製品や中間品の性状をリアルタイムに正確に推定できるので、リアルタイムでの製品の品質管理や品質制御が可能となる。

次に、図２は統計モデルシミュレーション部１２の機能を利用して厳密モデルシミュレーション部１１における厳密モデルの初期パラメータを決定する手順を示す図である。

上記のように、統計モデルシミュレーション部１２には、プラントデータおよび仮想データに基づいて、統計モデルにおけるモデル式のパラメータを調整する機能を有する。したがって、厳密モデルシミュレーション部１１の厳密モデルのモデル式（非線形モデル式）と、統計モデルシミュレーション部１２の統計モデルのモデル式とが同型の場合には、統計モデルシミュレーション部１２によるパラメータの調整結果を厳密モデルのモデル式に当てはめ、カーブフィッティングさせることができる。

図２の例では、履歴格納部３に格納された履歴データを用いて、統計モデルシミュレーション部１２において統計モデルにおけるモデル式のパラメータを調整し、得られたパラメータを厳密モデルにおけるモデル式の初期パラメータとして適用している。このように、統計モデルシミュレーション部１２の機能を利用することで、従来のようなトライ＆エラーを繰り返して厳密モデルのパラメータを調整する煩雑な作業が不要となり、厳密モデルにおけるモデル式の初期パラメータを効率的に設定することができる。

以上説明したように、上記実施形態のプラントシミュレータでは、履歴データに加えてプラント厳密モデルシミュレーション部１１から得られる仮想データに基づいて、統計モデルシミュレーション部１２の統計モデルを構築するため、統計モデルによる製品や中間品の性状等の推定精度を向上させることができる。

また、上記実施形態のプラントシミュレータでは、プラント２からのプラントデータに加えて厳密モデルシミュレーション部１１から得られる仮想データに基づいて、統計モデルシミュレーション部１２における統計モデルを用いたシミュレーションを実行するので、製品や中間品の性状等を高精度に推定できる。

さらに、上記実施形態のプラントシミュレータでは、統計モデルおよび厳密モデルのモデル式が同型の場合に、統計モデルシミュレーション部１２によるパラメータの調整結果を用いて厳密モデルをカーブフィッティングさせることができる。このため、厳密モデルの構築に要する作業負担を大幅に軽減できる。

本発明によるプラントシミュレータの用途は限定されることなく、プラント運転の訓練用のシミュレータ、プラントの状況をリアルタイムに再現するトラッキングシミュレータ、プラントの挙動をオフラインで分析する分析用シミュレータ、その他の用途に広く適用できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレータ等に対し、広く適用することができる。

１ プラントシミュレータ
２ プラント
１１ 厳密モデルシミュレーション部（厳密モデルシミュレーション手段）
１２ 統計モデルシミュレーション部（統計モデルシミュレーション手段）

Claims (5)

1. プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレータにおいて、
   厳密モデルを使用して、プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行する厳密モデルシミュレーション手段と、
   統計モデルを使用して、前記プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行する統計モデルシミュレーション手段と、
   を備え、
   前記統計モデルシミュレーション手段は、前記プラントから得られる前記プラントデータに加えて、前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいて前記プラントのシミュレーションを実行し、
   統計モデルは、プラントにおける生成物の性状について記述し、
   前記仮想的なプラントデータは、温度または圧力を含むデータであり、
   前記生成物の性状は、前記生成物の粘度、成分、硬度、透明度、色相およびポリマー組成のいずれかであることを特徴とするプラントシミュレータ。
2. 統計モデルシミュレーション手段において使用される前記統計モデルのパラメータは、前記プラントから得られるプラントデータと、前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータと、に基づき、これらのプラントデータとシミュレーション結果とが整合するように定められることを特徴とする請求項１に記載のプラントシミュレータ。
3. 前記統計モデルとして線形モデルおよび非線形モデルを使用できることを特徴とする請求項１または２に記載のプラントシミュレータ。
4. 前記統計モデルシミュレーション手段は、前記プラントと並行して同時に動作し、前記プラントから得られる前記プラントデータおよび前記厳密モデルシミュレーション手段によるシミュレーションから得られる前記仮想的なプラントデータに整合するように前記統計モデルを調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラントシミュレータ。
5. プラントデータに基づいて動的なプラントの挙動を模擬するプラントシミュレーション方法において、
   厳密モデルを使用して、プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行するステップと、
   統計モデルを使用して、前記プラントから得られるプラントデータに基づく前記プラントのシミュレーションを実行するステップと、
   を備え、
   前記統計モデルを使用してシミュレーションを実行するステップでは、前記プラントから得られる前記プラントデータに加えて、前記厳密モデルを使用したシミュレーションから得られる仮想的なプラントデータに基づいて前記プラントのシミュレーションを実行し、
   統計モデルは、プラントにおける生成物の性状について記述し、
   前記仮想的なプラントデータは、温度または圧力を含むデータであり、
   前記生成物の性状は、前記生成物の粘度、成分、硬度、透明度、色相およびポリマー組成のいずれかであることを特徴とするプラントシミュレーション方法。

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