JP5967522B2 - 分散制御システム用の訓練システムおよび訓練制御状態設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、分散制御システムの操作を訓練するために用いる訓練システムに関する。

プロセスオートメーションの分野における計測制御システムは、その多くが分散制御システムを採用している。分散制御システムを備えたプラントでは、制御の自動化が行われている。しかし、プラントの異常が発見された場合には、プラントの信頼性を保つために、運転員によるプラントの操作が必要になる場合がある。つまり、運転員には高信頼の操作技術力が要求されるので、運転員を養成するための訓練システムが必要となる。

例えば、特許文献１には、プラントの各構成要素の特性を機器モジュールとして定義し、機器モジュールを連結することで仮想的にプロセスモデルを表現する手法が開示されている。そして、このプロセスモデルを訓練システムに用いた場合、訓練生が操作を行うと、プロセスモデルによって所定の演算が行われて、仮想的にプラントの制御が行われているように出力が生成される。（段落０００７〜００１１参照）

特開平１１−１１０００５号公報

訓練システムでは、訓練コースごとに訓練システムの初期状態の設定値を示す訓練初期状態情報を作成し、初期状態の設定値を訓練システムを構成する各装置に設定することによって、訓練を開始することができる。しかし、訓練初期状態情報は、訓練システムを用いて試行錯誤しつつ生成することになるため、訓練カリキュラムとして、複数の訓練コースや訓練コースごとに複数の訓練パターンを準備しなければならない場合、手数や手間を要している。

また、分散制御システムは、長年使用している間に改修される。その場合、訓練システムで用いるプロセスモデルを、改修内容に合わせて変更するとともに、訓練初期状態情報も作成し直す必要がある。そのため、プロセスを熟知しているオペレータ部門および分散制御システムを熟知している部門を動員して、訓練初期状態情報も作成し直すという手数や手間のかかる作業をともなっている。

特許文献１の技術は、プロセスモデルの変更を容易にすることはできるが、訓練初期状態情報の生成過程においては、依然として手数や手間を低減できていないという問題がある。
そこで、本発明では、訓練に用いる訓練初期状態情報を簡易に生成可能な訓練システムおよび訓練方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の訓練システムは、プラントを模擬するプラント擬似装置と、前記プラント擬似装置に操作信号を出力する訓練用コントローラと、前記訓練用コントローラおよび実運用されているプラントを構成する機器に対して操作信号を出力する実プラント用コントローラと通信可能に接続された訓練開発用装置と、を備え、前記訓練開発用装置は、前記実プラント用コントローラから前記プラントの制御状態の情報を取得して第１の訓練初期状態情報として記憶部に記憶し、前記第１の訓練初期状態情報として前記記憶部に記憶した前記制御状態の情報を前記プラント擬似装置に設定して、プロセス処理を擬似的に実行させることによって取得した制御状態の情報が安定した動作となるように再計算した制御状態の情報を訓練コース名と関連付けて訓練再生成情報として前記記憶部に記憶し、前記プラント擬似装置は、訓練開始要求および前記訓練コース名を受け付けて、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を前記訓練開発用装置を介して前記訓練用コントローラに送信し、前記訓練用コントローラは、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を受信したとき、前記訓練再生成情報を参照して、前記訓練コース名に関連付けられた前記制御状態の情報を取得し、自身に設定することを特徴とする。

本発明によれば、訓練に用いる訓練初期状態情報を簡易に生成可能な訓練システムおよび訓練方法を提供することができる。

分散制御システムの構成例を示す図である。 本実施形態における訓練システムの構成例を示す図である。 訓練開発用装置の機能例を示す図である。 自動再生成ファイルの一例を示す図である。 訓練システムにおける実プラント用コントローラの機能例を示す図である。 訓練システムに訓練制御状態を設定するフロー例を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（以降、「本実施形態」と称す。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

はじめに、一般的な分散制御システムの構成例について、図１を用いて説明する。図１に示すように、分散制御システム１００は、実プラント１、実プラント用コントローラ２、監視制御用装置３、開発用装置４を有している。
図１では、実プラント１は、例えば、ガス製造プラントの一例であり、プラント内には、プラントを構成するバルブ、電動機、ポンプ等の複数の制御対象の機器を備えている。そして、監視制御用装置３、開発用装置４および実プラント用コントローラ２は、ネットワーク１０１に接続している。また、実プラント用コントローラ２と実プラント１との間には情報を送受信可能な信号線１０２が備えられ、実プラント用コントローラ２から実プラント１を構成する機器へ操作信号が送信され、実プラント１から実プラント用コントローラ２へ制御状態の情報が送信される。

実プラント用コントローラ２は、例えばプログラマブルコントローラであって、監視制御用装置３から各種設定信号を受信し、実プラント１を構成する機器に対して操作信号を出力する機能を有する。また、実プラント用コントローラ２は、実プラント１から取得した制御状態の情報を、監視制御用装置３へ送信する機能を有する。実プラント用コントローラ２は、一般的に、原材料から最終製品を製造する場合に、複数の工程を経ることに対応するために、工程単位で適宜機能を分散して設けられている。

監視制御用装置３は、例えば、マウスやキーボード等の入力装置やディスプレイ等の表示装置を備えたコンピュータである。監視制御用装置３は、実プラント用コントローラ２を経由して取得した実プラント１の制御状態の情報を表示装置に表示する機能、およびその表示を監視している運転員によって操作入力された各種設定信号を受け付けて、実プラント１に送信する機能を有する。

開発用装置４は、例えば、マウスやキーボード等の入力装置やディスプレイ等の表示装置を備えたコンピュータである。開発用装置４は、分散制御システム１００の構成をハード的および／またはソフト的に変更する場合に、実プラント用コントローラ２のプログラムを変更したり、監視制御用装置３のアプリケーションプログラムを変更したりするために用いられる。

なお、図１では、３台の監視制御用装置３、１台の開発用装置４、２台の実プラント用コントローラ２が記載されているが、台数はこれらに限られることはなく、必要に応じて、適宜台数が決められれば良い。

次に、本実施形態における訓練システムの構成例について、図２を用いて説明する（適宜、図１参照）。
図２に示すように、訓練システム２００は、訓練制御用装置３１、訓練開発用装置４１、訓練用コントローラ２１およびプラント擬似装置１１を有している。
訓練制御用装置３１および訓練用コントローラ２１それぞれは、分散制御システム１００（図１参照）における監視制御用装置３および実プラント用コントローラ２それぞれと同様の機能を備えている。

プラント擬似装置１１は、例えば、仮想のプラントを模擬するコンピュータであって、訓練用コントローラ２１から操作信号を入力されると、仮想のプラントの特性に基づいて所定の演算を実行し、演算結果を制御状態の情報として出力する機能を有する。また、プラント擬似装置１１は、不図示の入力装置から運転員による入力を受け付ける機能を有する。運転員による入力とは、例えば、制御状態を保存するための保存要求、訓練を開始するための訓練開始要求や訓練コース名等である。

プラント擬似装置１１は、訓練コースの訓練開始時に、訓練用コントローラ２１およびプラント擬似装置１１に設定するための制御状態の情報を算出する機能を有する。なお、訓練開発用装置４１の機能の詳細については後記する。

訓練制御用装置３１、訓練用コントローラ２１および訓練開発用装置４１は、分散制御システム１００で使用されているネットワーク１０１に接続される。また、訓練用コントローラ２１とプラント擬似装置１１とは、ネットワーク１０１とは別のネットワーク１０３で接続される。

また、実プラント用コントローラ２ａは、プラント擬似装置１１から実プラント１の現在の制御状態の情報を保存する要求を示す保存要求を受信したときに、現在の制御状態の情報を一時的に記憶する機能を有する点において、図１に示す実プラント用コントローラ２とは異なる。なお、実プラント用コントローラ２ａの機能の詳細については後記する。

なお、図２では、３台の訓練制御用装置３１、１台の訓練開発用装置４１、２台の訓練用コントローラ２１が記載されているが、台数はこれらに限られることはなく、必要に応じて、適宜台数が決められれば良い。

次に、訓練開発用装置４１の機能例について、図３を用いて説明する。
図３に示すように、訓練開発用装置４１は、処理部４１ａ、通信部４１ｂおよび記憶部４１ｃを備えている。
処理部４１ａは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメインメモリによって構成され、処理部４１ａの機能は記憶部４１ｃに記憶されているアプリケーションプログラム（ＤＣＳソフトウェア４１ｄ）をメインメモリに展開して具現化される。なお、ＤＣＳは、Distributed Control Systemの略である。

通信部４１ｂは、通信インタフェースであり、ネットワーク１０１を介して情報の送受信を実行する。

記憶部４１ｃは、情報を記憶可能な記憶媒体で構成される。記憶部４１ｃには、ＤＣＳソフトウェア４１ｄ、訓練初期状態ファイル４１ｅおよび自動再生成ファイル４１ｆが記憶される。

ＤＣＳソフトウェア４１ｄは、実プラント１の起動から通常運転を経て停止に至るまでの各運転状態における分散制御システム１００のプログラムである。

訓練初期状態ファイル（第１の訓練初期状態情報）４１ｅは、実プラント用コントローラ２ａから取得した実プラント１の制御状態の情報である。ここで、制御状態の情報とは、具体的には、ＴＡＧ情報、シーケンス情報および端子情報である。なお、ＴＡＧ情報、シーケンス情報および端子情報の詳細については後記する。

自動再生成ファイル（訓練再生成情報）４１ｆは、訓練初期状態ファイル４１ｅの情報から生成される制御状態の情報である。具体的には、訓練開発用装置４１は、訓練初期状態ファイル４１ｅの情報を初期値として、訓練用コントローラ２１に初期値を設定して操作することによってプラント擬似装置１１に測定値を再計算させて、訓練システム２００が安定した動作となるような制御状態の情報を生成させ、自動再生成ファイル４１ｆに記憶する。つまり、自動再生成ファイル４１ｆに記憶される制御状態の情報は、訓練初期状態ファイル４１ｅの場合と同様に、ＴＡＧ情報、シーケンス情報および端子情報である。

なお、自動再生成ファイル４１ｆの詳細については、図４を用いて説明する。
図４に示すように、自動再生成ファイル４１ｆは、訓練コース名４０１、格納場所４０２、ＴＡＧ情報４０３、シーケンス情報４０４および端子情報４０５を関連付けて記憶している。

訓練コース名４０１は、訓練のコース名を表し、運転員によってプラント擬似装置１１から指定される。
ファイル名４０２は、訓練コースごとに生成され、訓練コース名４０１と関連付けて記憶されている。なお、訓練コース名４０１が、ファイル名４０２を兼ねている場合には、ファイル名４０２は不要である。

ＴＡＧ情報４０３は、プラントを構成する機器（操作対象機器または計測機器）ごとに付与された固有の識別情報および各機器のプロセス状態を表した情報である。プロセス状態とは、具体的には、プラントにおける、プロセス制御のアドバンスループのカスケード状態、計測用ＴＡＧのモード（所定の周期または任意指定）、調節器のＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）のチューニングパラメータ値、ＴＡＧのステータス（正常または異常）に関する情報等である。

シーケンス情報４０４は、コントローラ（訓練用コントローラ２１または実プラント用コントローラ２ａ）によって実行中のシーケンス処理が一連の処理のどこに位置しているかを示す情報である。
端子情報４０５は、プラントから制御状態の情報を取得するときに使用した端子を識別する情報である。

つまり、ＴＡＧ情報４０３、シーケンス情報４０４および端子情報４０５を組み合わせることによって、プラントから取得されたプロセス状態と、そのプロセス状態に対応して、運転員がどの機器にどのような操作指示を与え、その結果、プロセス量がどのように変化し、その変化に対して運転員がさらにどのようなアクションを採ったかが表されることになる。

次に、訓練システム２００における実プラント用コントローラ２ａの機能例について、図５を用いて説明する（適宜、図２参照）。
実プラント用コントローラ２ａは、処理部２ｂ、通信部２ｃおよび記憶部２ｄを備える。
処理部２ｂは、マイコン等によって構成され、記憶部２ｄに記憶される不図示のアプリケーションプログラムを読み込んで、プログラマブルに動作可能である。処理部２ｂは、監視制御用装置３から各種設定信号を受信し、実プラント１を構成する機器に対して操作信号を生成し出力する。

通信部２ｃは、通信インタフェースであり、ネットワーク１０１を介して情報の送受信を実行する。

記憶部２ｄは、情報を記憶可能な記憶媒体で構成される。記憶部２ｄには、処理部２ｂの機能を具現化する不図示のアプリケーションプログラム以外に、実プラント状態一時ファイル２ｅが記憶される。実プラント状態一時ファイル２ｅは、処理部２ｂがプラント擬似装置１１から出力された保存要求を受け付けた時点における、実プラント１の制御状態の情報を記憶する。ただし、実プラント用コントローラ２ａと訓練システム２００との間で、ネットワーク１０１が切断されると、訓練初期状態一時ファイル２ｅに記憶されている情報は自動消去される。

次に、訓練システム２００に訓練制御状態を設定するフロー例について、図６を用いて説明する（適宜、図３，５参照）。

ステップＳ１では、プラント擬似装置１１は、運転員が入力した保存要求を受け付ける。そして、プラント擬似装置１１は、受け付けた保存要求を、訓練開発用装置４１へ送信する。

ステップＳ２では、実プラント用コントローラ２ａは、保存要求を受け付けた時点における、実プラント１の制御状態の情報を訓練初期状態一時ファイル２ｅに記憶する。

ステップＳ３では、訓練開発用装置４１は、実プラント用コントローラ２ａの訓練初期状態一時ファイル２ｅに記憶された制御状態の情報を取得し、訓練初期状態ファイル４１ｅに記憶する。

ステップＳ４では、訓練開発用装置４１は、保存要求を受け付けて、訓練初期状態ファイル４１ｅに記憶した制御状態の情報から、自動再生成ファイル４１ｆを作成する。具体的には、訓練開発用装置４１は、訓練初期状態ファイル４１ｅの情報を初期値として、訓練用コントローラ２１に初期値を設定して操作することによってプラント擬似装置１１に測定値を再計算させて、訓練システム２００が安定した動作となるような制御状態の情報を生成させ、自動再生成ファイル４１ｆに記憶する。

訓練初期状態ファイル４１ｅの情報から自動再生成ファイル４１ｆの情報を作成する理由は、訓練初期状態ファイル４１ｅの情報が実プラント１の情報であり、その測定値がプラント擬似装置１１の演算結果とは必ずしも一致せず、訓練システム２００が安定動作しなくなることを避けるためである。

ステップＳ５では、プラント擬似装置１１は、運転員が入力した訓練開始要求および訓練コース名を受け付ける。そして、プラント擬似装置１１は、訓練開始要求および訓練コース名を訓練用コントローラ２１に送信する。

ステップＳ６では、訓練用コントローラ２１は、訓練開発用装置４１の自動再生成ファイル４１ｆを参照して、受信した訓練コース名に対応する制御状態の情報を取得し、自身に設定する。また、プラント擬似装置１１も、訓練開発用装置４１の自動再生成ファイル４１ｆを参照して、訓練コース名に対応する制御状態の情報を取得し、自身に設定する。

ステップＳ１〜Ｓ６の処理によって、訓練システム２００は、簡単に訓練制御状態を設定することができる。すなわち、訓練初期状態ファイル４１ｅは、実プラント１から取得された制御状態の情報を用いているので、訓練開発用装置４１がプラント擬似装置１１を用いて試行錯誤しつつ生成する手数や手間を低減することができる。

以上説明したように、訓練システム２００は、実プラント１を有する分散制御システム１００の実プラント用コントローラ２ａと通信可能に接続されているので、図６に示すステップＳ２〜Ｓ３の処理によって、実プラント用コントローラ２ａから実プラント１の制御状態の情報を取得することによって、訓練初期状態ファイル４１ｅを簡易に生成することができる。さらに、実プラント１が改修された場合であっても、実プラント用コントローラ２ａから取得した実プラント１の制御状態の情報は、すでに、改修内容を含んだ情報となっているため、訓練初期状態ファイル４１ｅを簡易に生成することができる。

なお、本実施形態では、訓練初期状態ファイル４１ｅは、訓練開発用装置４１に記憶されるものとして説明したが、訓練中における途中経過を、プラント擬似装置１１に、第２の訓練初期状態情報として記憶しておくと、訓練途中から訓練を再開する場合に容易に制御状態を設定することができる。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも、説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、処理部４１ａ，２ｂの機能は、それらの一部または全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、各機能を実現するプログラム、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、またはＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に置くことができる。
また、訓練開発用装置４１（図３参照）、実プラント用コントローラ２ａ（図５参照）では、制御線や情報線は、記載を省略しているが、実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 実プラント
２，２ａ 実プラント用コントローラ
２ｄ 記憶部
２ｅ 実プラント状態一時ファイル
１１ プラント擬似装置
２１ 訓練用コントローラ
３１ 訓練制御用装置
４１ 訓練開発用装置
４１ｃ 記憶部
４１ｅ 訓練初期状態ファイル（第１の訓練初期状態情報）
４１ｆ 自動再生成ファイル（訓練再生成情報）
１００ 分散制御システム
１０１ ネットワーク
２００ 訓練システム
４０１ 訓練コース名
４０２ 格納場所
４０３ ＴＡＧ情報
４０４ シーケンス情報
４０５ 端子情報

Claims (5)

1. プラントを模擬するプラント擬似装置と、
   前記プラント擬似装置に操作信号を出力する訓練用コントローラと、
   前記訓練用コントローラおよび実運用されているプラントを構成する機器に対して操作信号を出力する実プラント用コントローラと通信可能に接続された訓練開発用装置と、
   を備え、
   前記訓練開発用装置は、前記実プラント用コントローラから前記プラントの制御状態の情報を取得して第１の訓練初期状態情報として記憶部に記憶し、前記第１の訓練初期状態情報として前記記憶部に記憶した前記制御状態の情報を前記プラント擬似装置に設定して、プロセス処理を擬似的に実行させることによって取得した制御状態の情報が安定した動作となるように再計算した制御状態の情報を訓練コース名と関連付けて訓練再生成情報として前記記憶部に記憶し、
   前記プラント擬似装置は、訓練開始要求および前記訓練コース名を受け付けて、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を前記訓練開発用装置を介して前記訓練用コントローラに送信し、
   前記訓練用コントローラは、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を受信したとき、前記訓練再生成情報を参照して、前記訓練コース名に関連付けられた前記制御状態の情報を取得し、自身に設定する
   ことを特徴とする分散制御システム用の訓練システム。
2. 前記プラント擬似装置は、訓練開始後の訓練途中の前記制御状態の情報を前記訓練コース名と関連付けて、自身が有する第２の訓練初期状態情報として前記記憶部に記憶する
   ことを特徴とする請求項１に記載の分散制御システム用の訓練システム。
3. 前記制御状態の情報は、前記プラントを構成する機器に付与された固有の識別情報および前記機器のプロセス状態を示すＴＡＧ情報、プロセスの工程の位置を示すシーケンス情報および前記プラントから前記制御状態の情報を取得するときに使用した端子を識別する情報を示す端子情報である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分散制御システム用の訓練システム。
4. 分散制御システム用の訓練システムにおいて用いられる訓練制御状態設定方法であって、
   前記訓練システムは、
   プラントを模擬するプラント擬似装置と、
   前記プラント擬似装置に操作信号を出力する訓練用コントローラと、
   前記訓練用コントローラおよび実運用されているプラントを構成する機器に対して操作信号を出力する実プラント用コントローラと通信可能に接続された訓練開発用装置と、
   を備え、
   前記訓練開発用装置は、前記実プラント用コントローラから前記プラントの制御状態の情報を取得して第１の訓練初期状態情報として記憶部に記憶し、前記第１の訓練初期状態情報として前記記憶部に記憶した前記制御状態の情報を前記プラント擬似装置に設定して、プロセス処理を擬似的に実行させることによって取得した制御状態の情報が安定した動作となるように再計算した制御状態の情報を訓練コース名と関連付けて訓練再生成情報として前記記憶部に記憶するステップを実行し、
   前記プラント擬似装置は、訓練開始要求および前記訓練コース名を受け付けて、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を前記訓練開発用装置を介して前記訓練用コントローラに送信するステップを実行し、
   前記訓練用コントローラおよび前記プラント擬似装置それぞれは、前記訓練開始要求および前記訓練コース名を受信したとき、前記訓練再生成情報を参照して、前記訓練コース名に関連付けられた前記制御状態の情報を取得し、自身に設定するステップ
   を実行することを特徴とする訓練制御状態設定方法。
5. 前記プラント擬似装置は、訓練開始後の訓練途中の前記制御状態の情報を前記訓練コース名と関連付けて、自身が有する第２の訓練初期状態情報として前記記憶部に記憶するステップ
   をさらに実行することを特徴とする請求項４に記載の訓練制御状態設定方法。

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