JP5726775B2 - プラント運転訓練シミュレータ、シミュレート方法、及びシミュレートプログラム - Google Patents

Description

本発明は、プラントのオペレータを訓練するためのプラント運転訓練シミュレート技術に関する。

プラント運転訓練シミュレータは、発電所等の運転制御を模擬した訓練装置で、ボイラ、タービン、発電機などのプロセス信号をデータプロセッサにより仮想実現し、実際の発電所で運転しているのと同じ感覚でプラント操作ができるようになっている。
そして、このシミュレータを使用することにより、実際の運転ではほとんど経験できないような事故に対応した訓練を繰返して行えるため、運転員の訓練を短期間で効果的に実施できる。

プラント運転訓練シミュレータは、センサー等の機器に故障が発生した場合を想定し、段階的・直線的に変化して異常状態を模擬する信号プロファイルを出力する訓練モードを備えている。そして、訓練員は、訓練用コンソールに表示されている異常状態の信号プロファイルに基づいて、発生した異常事態への対応や故障機器の復旧処理について訓練する（例えば、特許文献１参照）。

特許第２６７８４７６号公報

しかし、従来技術において異常状態を模擬した信号プロファイルは、段階的・直線的に事象変化するのみであるために、種々の想定事故に対応した運転訓練を実施するのに限界があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、機器に想定故障が発生した場合に出力される信号プロファイルの多様な挙動を、模擬的に表示することができるプラント運転訓練シミュレート技術を提供することを目的とする。

プラント運転訓練シミュレータにおいて、機器の故障状態をシミュレートする関数が保存される関数保存部と、インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数保存部内の前記関数の中から少なくとも異常状態の信号プロファイルの進展状態を再現する進展関数及びその回復状態を再現する回復関数を選択する関数選択部と、前記インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数のパラメータと前記進展状態が停止して前記回復状態に切り替わる切替条件とを設定するパラメータ設定部と、選択された関数に基づいて異常状態の信号プロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、前記異常状態の信号プロファイルを訓練員端末に表示させる表示データ出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、機器に想定故障が発生した場合に出力される信号プロファイルの多様な挙動を、模擬的に表示することができるプラント運転訓練シミュレート技術が提供される。

本発明に係るプラント運転訓練シミュレータの第１実施形態を示すブロック図。 （Ａ）第１実施形態においてインストラクタ端末に表示されるプロファイル設定画面、（Ｂ）訓練員端末に表示される信号プロファイル。 （Ａ）第２実施形態においてインストラクタ端末に表示されるプロファイル設定画面、（Ｂ）訓練員端末に表示される信号プロファイル。 （Ａ）第３実施形態においてインストラクタ端末に表示されるプロファイル設定画面、（Ｂ）訓練員端末に表示される信号プロファイル。 第４実施形態のプラント運転訓練シミュレータを示すブロック図。 （Ａ）第４実施形態においてインストラクタ端末に表示されるプロファイル設定画面、（Ｂ）訓練員端末に表示される信号プロファイル。 第５実施形態のプラント運転訓練シミュレータを示すブロック図。 （Ａ）第５実施形態においてインストラクタ端末に表示されるプロファイル設定画面、（Ｂ）外部作成されたテーブルデータ。 本発明に係るプラント運転訓練シミュレータの動作を説明するフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態に係るプラント運転訓練シミュレータ１０（以下、単に「シミュレータ１０」という）は、実プラントの制御盤を模擬した訓練員端末１１にプラントのプロセス信号（例えば、温度、圧力、流量）の経時的変化（信号プロファイル）を表示させる第１インターフェイス１３と、プラント運転訓練のシミュレーションをコントロールするインストラクタ端末１２に接続する第２インターフェイス１４と、センサー等の機器に故障が発生した場合に想定される異常状態の信号プロファイル４０（図２（Ｂ））をインストラクタ端末１２の命令に基づいて訓練員端末１１に出力するオルタレーション実行部２０と、訓練員端末１１における操作履歴をインターフェイス１３，１４を介してインストラクタ端末１２に通知する操作履歴通知部１５と、から構成されている。

そして、オルタレーション実行部２０は、機器の故障状態をシミュレートする関数が保存される関数保存部２３と、インストラクタ端末１２からの入力に基づいて保存されている関数の中からいずれかを選択する関数選択部２１と、インストラクタ端末１２からの入力に基づいて前記関数のパラメータを設定するパラメータ設定部２２とを備える。

さらにオルタレーション実行部２０は、設定されたパラメータ及び選択された関数に基づいて異常状態の信号値を演算する演算部２４と、演算部２４で演算された異常状態の信号値を時系列順に結んだ信号プロファイル４０（図２（Ｂ））を生成する信号プロファイル生成部２５と、異常状態の信号プロファイル４０を訓練員端末１１に表示させる表示データ出力部２６と、を備える。

関数選択部２１は、インストラクタ端末１２のプロファイル設定画面３０（図２（Ａ））で選択された信号識別子に対応する関数を関数保存部２３の中から選択する。
関数保存部２３には、「一次遅れ系」「正弦波」「パルス波」といった数学的な一般式で表すことができる関数が信号識別子に紐付けされて保存されている。
インストラクタによるインストラクタ端末１２における信号識別子の選択にあたっては、インストラクタが自身経験に基づいて模擬対象の機器の故障状態に合致する関数を信号識別子によって選択するものとする。または、インストラクタ端末１２において、各信号識別子が模擬可能な機器や故障状態を当該信号識別子に併記表示することによって、模擬対象とする機器や故障状態をシミュレートする関数の信号識別子を容易に選択することができる。

パラメータ設定部２２は、プロファイル設定画面３０の入力に従い、関数に物理的な特徴を与えるパラメータを設定する。例えば、「一次遅れ系」であれば時定数やゲイン定数等をパラメータとして設定し、「正弦波」であれば振幅、位相、周波数等をパラメータとして設定し、「パルス波」であれば、波高値、パルス幅、周期等をパラメータとして設定する。

また、パラメータ設定部２２は、異常状態の信号プロファイル４０ａが訓練員端末１１に表示されるオルタレーションを開始する条件及び解除する条件が設定される。ここでプロファイル設定画面３０に示されるＡＬＴ開始条件とは、正常状態から異常状態の信号プロファイル４０ａに切り替えるときの条件であり、ＡＬＴ解除条件とは、異常状態の信号プロファイル４０ａから正常状態に切り替えるときの条件である。

この開始条件及び解除条件は、インストラクタ端末１２からの命令を入力すると命令に従って異常状態または正常状態に切り替える「即時」設定の他に、設定された閾値を超えたところで異常状態または正常状態に切り替える「自動」設定にすることができる。
このように設定されたパラメータは、対応する関数とともに関数保存部２３に保存することができる。そして、別々の信号識別子で紐付けされ、付随するパラメータのみが異なる複数の関数を、関数保存部２３に保存させることができる。これにより、インストラクタは、プロファイル設定画面３０においてパラメータを毎回入力する手間を省くことができる。

演算部２４は、プロファイル設定画面３０ａ（図２（Ａ））の設定に従って、所定の時間間隔で異常状態の信号値を演算する。
信号プロファイル生成部２５は、演算部２４で演算された異常状態の信号値を時系列順に結んだ信号プロファイル４０（図２（Ｂ））を生成する。この生成した信号プロファイル４０は、演算部２４の演算間隔に対応する時間間隔で表示データ出力部２６から更新出力され、訓練員端末１１に表示される。

図２（Ｂ）は、関数選択部２１で一次遅れ関数が選択された場合において、パラメータ設定部２２の設定に従って正常状態からオルタレーションが開始され、このオルタレーションが解除されて正常状態に復帰した直後の信号プロファイル４０ａが示されている。

このように、シミュレータ１０が構成されることにより、インストラクタは、プラントの機器故障を模擬するにあたり、インストラクタ端末１２に表示されているプロファイル設定画面３０の中から関数を選択し、さらにパラメータを設定することにより、訓練員端末１１に、実機プラントにおける異常状態の挙動に近い信号プロファイルを表示させることができる。
これにより訓練員は、実機プラントを操作するときと同じ緊張感を持って訓練に臨み、故障発生のケーススタディーを実践することができ、不測の機器故障にも的確に対応する技術を身につけることができる。

（第２実施形態）
図３（Ａ）は、第２実施形態においてインストラクタ端末１２（図１）に表示されるプロファイル設定画面３０ｂを示している。
第２実施形態において関数選択部２１（図１）は、このプロファイル設定画面３０ｂで入力された「進展関数」及び「回復関数」を選択する。

進展関数は、異常状態の信号プロファイル４０ｂの進展状態を再現する関数であり、回復関数はその回復状態を再現する関数である。
そして、パラメータ設定部２２（図１）は、このプロファイル設定画面３０ｂに入力される「ＡＬＴ切替条件」に基づいて、異常状態の信号プロファイル４０ｂの進展状態を停止させ回復状態に切り替える条件を設定する。

図３（Ｂ）は、第２実施形態において訓練員端末１１に表示される異常状態の信号プロファイル４０ｂを示している。
ここでは、正常状態の信号プロファイルの値がＡＬＴ開始条件を満たしたところで、進展関数として選択されている一次遅れ関数で演算された信号値が、時間経過とともにプロットされていく。

そして、進展関数により演算された信号値がＡＬＴ切替条件を満たしたところで、回復関数として選択されている一次遅れ関数で演算された信号値が時間経過とともにプロットされていく。さらに、回復関数により演算された信号値がＡＬＴ解除条件を満たしたところで、正常状態の信号プロファイルのプロットに戻る。

このようなプロットを連続させた異常状態の信号プロファイル４０ｂが訓練員端末１１に時間経過とともに更新表示される。なお、プロファイル設定画面３０ｂにおけるＡＬＴ開始条件、ＡＬＴ切替条件及びＡＬＴ解除条件は、演算された信号値で設定しているが、時間で設定したり即時設定したりすることも可能である。

第２実施形態によれば、回復関数を用いることにより、機器の故障状態から正常状態に回復するまでの模擬信号のプロファイルを、実機プラントの挙動に近づけることができる。これにより、オルタレーションのバリエーションを増やすことができ、運転訓練の質を向上させることができる。

（第３実施形態）
図４（Ａ）は、第３実施形態においてインストラクタ端末１２（図１）に表示されるプロファイル設定画面３０ｃを示している。
第３実施形態におけるパラメータ設定部２２（図１）は、異常状態の信号プロファイル４０の進展状態（又は回復状態）を一時的にホールドするための条件を、さらに設定することができる。なお、プロファイル設定画面３０ｃにおける「ホールド開始条件」及び「ホールド解除条件」は、時間で設定しているが、演算された信号値で設定したり即時設定したりすることも可能である。

図４（Ｂ）は、第３実施形態において訓練員端末１１に表示される異常状態の信号プロファイル４０ｃを示している。
ここでは、異常状態の信号プロファイル４０ｃにおいて「ホールド開始条件」を満たしたところで信号値は一定値を示し、「ホールド解除条件」を満たしたところで、選択された関数による演算を再開して信号値が時間経過とともにプロットされる。

第３実施形態によれば、オルタレーションの進展状態や回復状態において変化を一時停止することにより、機器故障に対処する訓練員に時間的な猶予を与えることができる。これにより、訓練員の技量に応じてホールド期間を調整することができ、より効果的な運転訓練を実施することができる。

（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係るプラント運転訓練シミュレータ１０を示すブロック図である。なお、図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第４実施形態のシミュレータ１０は、関数選択部２１に代えてインストラクタ端末１２からの入力に基づいて折れ線グラフ４０ｄ（図６（Ｂ））を作成してユーザ関数とするユーザ関数作成部２７を備えている。このユーザ関数作成部２７で作成された折れ線グラフ４０ｄは、訓練員端末１１に表示させる信号プロファイル４０を生成する関数として関数保存部２３に保存され、インストラクタ端末１２のプロファイル設定画面３０ｄ（図６（Ａ））から選択される。

この関数保存部２３には複数の折れ線グラフ４０ｄをユーザ関数として追加保存することができ、保存されているユーザ関数の折れ線グラフ４０ｄを事後的に編集することができる。
なお、記載を省略しているが、第４実施形態においても、第１実施形態と同様にパラメータ設定部２２及び演算部２４を設けることにより、数学的な一般式で表される関数を関数保存部２３に保存して適用することもできる。

第４実施形態によれば、インストラクタは、平面座標上の複数の点を指定しながら折れ線グラフ４０ｄ（ユーザ関数）を作成するので、自由度の高い信号プロファイル４０を生成することができる。これにより、さまざまな挙動を示す実機プラントのプロセス信号に対応するように、オルタレーションのバリエーションを増やすことができ、運転訓練の質を向上させることができる。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係るプラント運転訓練シミュレータ１０を示すブロック図である。なお、図７において図１及び図５と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第５実施形態のシミュレータ１０は、第４の実施形態の構成に加えて外部作成されたテーブルデータ３１（図８（Ｂ））を取得する外部データ取得部２８を備えている。そして、ユーザ関数作成部２７は、テーブルデータ３１に基づいて折れ線グラフ４０ｄ（図６（Ｂ））を作成し、信号プロファイル４０を生成するための関数とする。

図８（Ａ）は、第５実施形態においてインストラクタ端末１２（図７）に表示されるプロファイル設定画面３０ｄである。
第５実施形態におけるプロファイル設定画面３０ｄは、第４実施形態の場合と比較して外部データの追加ボタンが存在する点において相違する。

図８（Ｂ）に示されるテーブルデータ３１は、汎用の表計算ソフト等を用いて外部作成される。このテーブルデータ３１は、時刻と信号値が組み合わされた複数のデータ対から構成されている。

第５実施形態によれば、実機プラントから取得したプロセス信号を、オルタレーションのための信号プロファイル４０に変換して利用することが容易となり、訓練員は実機プラントを操作するときと同じ感覚で訓練を実施することができる。

図９のフローチャートを参照して本発明に係るプラント運転訓練シミュレータの動作を説明する（適宜、図１参照）。
まず、機器の故障状態をシミュレートする関数が関数保存部２３に保存されている状態で、インストラクタ端末１２からの入力に基づいて、保存されているものの中からいずれかの関数を選択する（Ｓ１１）。訓練員端末１１には、オルタレーションが開始されるまで、正常状態の信号プロファイル４０が表示される（Ｓ１２；Ｎｏ、Ｓ１３）。
そしてオルタレーションが開始すると、異常状態の信号プロファイル４０がシミュレータ１０で生成され（Ｓ１２；Ｙｅｓ、Ｓ１４）、訓練員端末１１に表示される（Ｓ１５）。

訓練員端末１１では、この異常状態に対処するための模擬操作が実行され（Ｓ１６）、その操作履歴がインストラクタ端末１２に対し送受信される（Ｓ１７，Ｓ１８）。
オルタレーションが解除されるまでＳ１４〜Ｓ１８の処理が繰り返され（Ｓ１９；Ｎｏ）、解除されたところで運転訓練が終了する（Ｓ１９；Ｙｅｓ）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のプラント運転訓練シミュレータによれば、訓練員端末１１に、豊富なパターンの信号プロファイル４０を表示させることができるとともに、ユーザカスタマイズ性を高めた機器故障を模擬することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…プラント運転訓練シミュレータ、１１…訓練員端末、１２…インストラクタ端末、１３…第１インターフェイス、１４…第２インターフェイス、１５…操作履歴通知部、２０…オルタレーション実行部、２１…関数選択部、２２…パラメータ設定部、２３…関数保存部、２４…演算部、２５…信号プロファイル生成部、２６…表示データ出力部、２７…ユーザ関数作成部、２８…外部データ取得部、３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）…プロファイル設定画面、３１…テーブルデータ、４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ）…信号プロファイル。

Claims (7)

1. 機器の故障状態をシミュレートする関数が保存される関数保存部と、
   インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数保存部内の前記関数の中から少なくとも異常状態の信号プロファイルの進展状態を再現する進展関数及びその回復状態を再現する回復関数を選択する関数選択部と、
   前記インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数のパラメータと前記進展状態が停止して前記回復状態に切り替わる切替条件とを設定するパラメータ設定部と、
   選択された前記関数に基づいて異常状態の信号プロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
   前記異常状態の信号プロファイルを訓練員端末に表示させる表示データ出力部と、を備えることを特徴とするプラント運転訓練シミュレータ。
2. 請求項１に記載のプラント運転訓練シミュレータにおいて、
   前記パラメータ設定部は、前記異常状態の信号プロファイルが前記訓練員端末に表示される開始条件及びその表示の解除条件を、さらに設定することを特徴とするプラント運転訓練シミュレータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプラント運転訓練シミュレータにおいて、
   前記パラメータ設定部は、前記異常状態の信号プロファイルの進展状態又は回復状態を一時的にホールドするための条件を、さらに設定することを特徴とするプラント運転訓練シミュレータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラント運転訓練シミュレータにおいて、
   前記インストラクタ端末からの入力に基づいて折れ線グラフを作成し前記関数とするユーザ関数作成部、をさらに備えることを特徴とするプラント運転訓練シミュレータ。
5. 請求項４に記載のプラント運転訓練シミュレータにおいて、
   外部作成されたテーブルデータを取得する外部データ取得部を備え、
   前記ユーザ関数作成部は、前記テーブルデータに基づいて前記折れ線グラフを作成し前記関数とすることを特徴とするプラント運転訓練シミュレータ。
6. 機器の故障状態をシミュレートする関数を保存するステップと、
   インストラクタ端末からの入力に基づいて保存されている前記関数の中から少なくとも異常状態の信号プロファイルの進展状態を再現する進展関数及びその回復状態を再現する回復関数を選択するステップと、
   前記インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数のパラメータと前記進展状態が停止して前記回復状態に切り替わる切替条件とを設定するステップと、
   選択された前記関数に基づいて異常状態の信号プロファイルを生成するステップと、
   前記異常状態の信号プロファイルを訓練員端末に表示させるステップと、を含むことを特徴とするプラント運転訓練シミュレート方法。
7. コンピュータに、
   機器の故障状態をシミュレートする関数が保存される機能、
   インストラクタ端末からの入力に基づいて前記保存されている関数の中から少なくとも異常状態の信号プロファイルの進展状態を再現する進展関数及びその回復状態を再現する回復関数を選択する機能、
   前記インストラクタ端末からの入力に基づいて前記関数のパラメータと前記進展状態が停止して前記回復状態に切り替わる切替条件とを設定する機能、
   前記選択された関数に基づいて異常状態の信号プロファイルを生成する機能、
   前記コンピュータに接続される訓練員端末に、前記異常状態の信号プロファイルを表示させる機能、を実行させることを特徴とするプラント運転訓練シミュレートプログラム。

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