JP6788349B2 - プラント評価装置及びプラント評価方法 - Google Patents

Description

本発明はプラント評価装置及びプラント評価方法に関する。

化学プラントなどのプラントの最適運転を目的として、プラントモデルを用いたシミュレーションが行われる場合がある。特許文献１には、トラッキングモデル部と同定モデル部と解析モデル部と比較判定部とを備えたシミュレーション装置が記載されている。

特開２００９−２８２８０４号公報

特許文献１においては、バルブ開度などのプラント操作量についての明確な記述がなされていないが、シミュレーションを行うためにはプラント操作量を計算する必要があると考えられる。特にオンラインで動作させる場合には、プラント操作量を計算するためのモデルが必要となり、全体的な計算コストが増加するおそれがある。

本発明は、かかる不都合を解消し、プラント評価における計算コストを抑えることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るプラント評価装置は、プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付部と、前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定部と、前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較部と、前記受付部により受け付けられた実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測部と、を備えている。

別の態様によれば、プラント評価装置は、プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付部と、前記受付部により受け付けられた実機操作量を平滑化する平滑化処理部と、前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記平滑化処理部により平滑化された実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定部と、前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較部と、前記平滑化処理部により平滑化された実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測部と、を備えている。

上記の目的を達成するために、本発明に係るプラント評価方法は、プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付ステップと、前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定ステップと、前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較ステップと、前記受付ステップにおいて受け付けられた実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測ステップと、を含む。

別の態様によれば、プラント評価方法は、プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付ステップと、前記受付ステップにおいて受け付けられた実機操作量を平滑化する平滑化処理ステップと、前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記平滑化処理ステップにおいて平滑化された実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定ステップと、前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較ステップと、前記平滑化処理ステップにおいて平滑化された実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測ステップと、を含む。

前記プラント評価装置の演算周期がプラントにおけるサンプリング周期よりも短く、サンプリングした実際の操作量を補間して得た値を前記実機操作量として前記プロセスモデルに代入することができる。

本発明によれば、プラント評価における計算コストを抑えることができる。

実プラントの構成を示す説明図である。 プラントモデルの説明図である。 プラント評価の流れを示す説明図である。 プラント評価装置の機能構成例を示す説明図である。 プラント評価装置のコンピュータハードウェア構成例を示す説明図である。 推定部及び比較部による処理を示す説明図である。 推定部及び比較部による処理を示す説明図である。 平滑化処理前後の実機操作量の経時的な変化を示すグラフである。 予測された操作量及び状態量を示すグラフである。

［実プラント］
まず、評価対象となるプラントの一例を説明する。図１に示すように、実際のプラントである実プラント１は、流体の流量を調節するバルブ２と流量計３とフローコントローラ４とを備えている。バルブ２と流量計３とフローコントローラ４とはいずれも、プラント機器である。

バルブ２は、フローコントローラ４により操作される。まず、フローコントローラ４は、外部から設定値ＳＰの入力を受けるとともに、流量計３により測定された実機流量ＰＶ_ｒの入力を流量計３から受ける。実機流量ＰＶ_ｒは、実プラント１の状態を表す実機状態量の一つである。そして、フローコントローラ４は、次式に基づいて偏差ｅ_ｒ及びバルブ２の実機操作量ＭＶ_ｒを計算する。

ただし、Ｋ_ｐは、比例ゲインと呼ばれる定数であり、Ｔ_ｉは積分時間である。

フローコントローラ４は、計算された実機操作量ＭＶ_ｒをバルブ２に送る。バルブ２は、フローコントローラ４から受け取った実機操作量ＭＶ_ｒに基づいて操作される。

このように、実プラント１のプロセス制御において、フローコントローラ４は、偏差ｅ_ｒがゼロになるように、すなわち実機流量ＰＶ_ｒが設定値ＳＰに等しくなるように実機操作量ＭＶ_ｒを算出する。

［プラントモデルの例］
プラントモデルを用いて実プラント１を評価する手法の一例について以下に説明する。図２及び図３に、実プラント１の動きを模擬するプラントモデル１ｍを示している。プラントモデル１ｍは、プロセスモデル２ｍとコントローラモデル４ｍとを有している。

プロセスモデル２ｍは、プラントのプロセス制御における操作量ＭＶと、プロセス制御の制御対象である流量（状態量）ＰＶとの数学的関係を次式のように定めたモデルである。

ただし、ΔＰは、バルブ２における差圧である。

コントローラモデル４ｍは、実プラント１におけるフローコントローラ４の動きを模擬するモデルである。このコントローラモデル４ｍにおいて、操作量の推定値（推定操作量）ＭＶ_ｍは、実プラント１における設定値ＳＰと、プロセスモデル２ｍを用いて後述するようにして得られる流量の推定値（推定流量）ＰＶ_ｍとを用いて以下のように表される。

ただし、ｅ_ｍは、偏差の推定値である。

また、流量の推定値ＰＶ_ｍは、式（３）のプロセスモデル２ｍにおける操作量ＭＶに、操作量の推定値ＭＶ_ｍを代入することにより得られる流量ＰＶとして求められる。すなわち、以下の通りである。

そして、コントローラモデル４ｍにより得られた操作量の推定値ＭＶ_ｍと、実プラント１における実機操作量ＭＶ_ｒとが比較される。この比較は、操作量の推定値ＭＶ_ｍと実機操作量ＭＶ_ｒとの差分を計算することなどにより行うことができる。また、プロセスモデル２ｍにより得られた流量の推定値ＰＶ_ｍと、実プラント１における実機流量ＰＶ_ｒとが比較される。この比較は、流量の推定値ＰＶ_ｍと実機流量ＰＶ_ｒとの差分を計算することなどにより行うことができる。このようにして、実プラント１が評価される。

以上のようなプラント評価においては、プラント機器の操作量の推定値を得るためにコントローラモデルが必要である。通常、プラントには複数のプラント機器が存在するため、コントローラモデルもプラント機器と同じ数だけ必要である。その結果、プラント評価の全体的な計算コストが増加するおそれがある。

本発明者は、以上のように想定した不都合に対し、鋭意検討を行った。これを踏まえた本発明の実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態］
図４に示すように、プラント評価装置５は、実プラント１からデータを受け付ける受付部５１と、推定部５２と、比較部５３とを備えている。推定部５２及び比較部５３の機能の詳細は後述する。

図５は、プラント評価装置５のコンピュータハードウェア構成例を示している。プラント評価装置５は、ＣＰＵ５１０と、インタフェース装置５２０と、表示装置５３０と、入力装置５４０と、ドライブ装置５５０と、補助記憶装置５６０と、メモリ装置５７０とを備えており、これらがバス５８０により相互に接続されている。

プラント評価装置５の機能を実現するプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体５９０によって提供される。プログラムを記録した記録媒体５９０がドライブ装置５５０にセットされると、プログラムが記録媒体５９０からドライブ装置５５０を介して補助記憶装置５６０にインストールされる。あるいは、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体５９０により行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータからダウンロードすることもできる。補助記憶装置５６０は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

メモリ装置５７０は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置５６０からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ５１０は、メモリ装置５７０に格納されたプログラムにしたがってプラント評価装置５の機能を実現する。インタフェース装置５２０は、ネットワークを通して他のコンピュータに接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置５３０はプログラムによるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を表示する。入力装置５４０はキーボード及びマウス等である。

プラント評価装置５が行う処理について、図４〜図７を参照しながら以下に説明する。受付部５１は、実プラント１から実機操作量ＭＶ_ｒと実機流量ＰＶ_ｒとを受け付ける。受け付けられた実機操作量ＭＶ_ｒと実機流量ＰＶ_ｒは、必要に応じて補助記憶装置５６０に記憶することができる。

次に、推定部５２は、式（３）のプロセスモデル２ｍにおける操作量ＭＶに、実機操作量ＭＶ_ｒを代入することにより得られる流量ＰＶを、流量の推定値ＰＶ_ｍとして求める。すなわち以下の通りである。

続いて、比較部５３は、流量の推定値ＰＶ_ｍと実機流量ＰＶ_ｒとを比較し、比較結果に基づいてプラントを評価する。この比較は、流量の推定値ＰＶ_ｍと実機流量ＰＶ_ｒとの差分を計算することにより行うことができる。

以上のように、流量の推定値を計算する際に、実機操作量をプロセスモデルへ入力する。このようにすることで、操作量の推定値を計算する必要がなくなる。結果として、コントローラモデルが不要となり、流量推定値の計算コストを抑えることができる。さらに、流量推定値の計算をコントローラモデルを用いる場合に比べて高速に行うことができる。過去のプラント運転データの解析など、オフラインで動作させる場合は特に効果的である。なお、オフラインとは、プラント評価装置５が実プラント１に通信可能に接続されていない状態を指す。

プラント評価装置の演算周期（１秒、１００ミリ秒など）が、実機操作量のサンプリング周期（１０秒、１分など）よりも短い場合がある。この場合は、実機操作量を補間すればよい。

なお、本実施形態では、実機操作量を用いて流量の推定値を計算するため、現在及び過去の流量推定値を計算することはできるものの、将来の流量を予測することはできない。

［第２実施形態］
プラント評価装置５は、平滑化処理部５４をさらに備えていてもよい。この平滑化処理部５４は、実機操作量ＭＶ_ｒにノイズのような経時的微小変動が含まれる場合に、実機操作量ＭＶ_ｒを平滑化する。図８に、平滑化処理前の実機操作量ＭＶ_ｒの経時的変化を表すグラフＧ１と、平滑化処理後の実機操作量の経時的変化を表すグラフＧ２とを示している。そして、推定部５２は、平滑化処理部５４により平滑化された実機操作量を式（３）の操作量ＭＶに代入することにより得られる流量ＰＶを、流量の推定値ＰＶ_ｍとして求める。

平滑化処理部５４による平滑化の方法として、時間平均、移動平均などを用いることができる。実機操作量のサンプリング周期を長くすることによる平滑化を行ってもよい。

このような形態によれば、実機操作量に含まれる経時的微小変動により、流量の推定値が発散してしまうことを防ぐことができる。なお、プラントは定格負荷一定で運転することが多いことから、操作量が大きく変化することはない。そのため、平滑化処理部により平滑化を行った場合でも、推定部による推定に大きな影響はない。

［第３実施形態］
プラント評価装置５は、受付部５１と推定部５２と比較部５３とに加えて、予測部５５をさらに備えていてもよい。この予測部５５は、受付部５１により受け付けられた実機操作量ＭＶ_ｒの過去のデータから将来の操作量を予測する。予測にあたり、スプライン補間を用いることができる。図９に、実機操作量ＭＶ_ｒの過去の経時的変化を表すグラフＧ１１と、予測部５５により予測された将来の操作量を表すグラフＧ１３とを示している。

予測部はさらに、予測された将来の操作量を式（３）の操作量ＭＶに代入することにより得られる流量ＰＶを、将来の流量として求める。このように計算された将来の流量を図９のグラフＧ１４として示している。

本実施形態によれば、コントローラモデルを用いることなく、将来の操作量及び状態量を予測することができる。さらに、直前のプラント操作量データを反映した予測を行うことができる。

なお、予測部による処理は、推定部による処理及び比較部による処理とは無関係に行うことができる。

プラント評価装置５は、受付部５１と推定部５２と比較部５３と平滑化処理部５４とに加えて、予測部５５をさらに備えていてもよい。この場合、予測部５５は、平滑化処理部により平滑化された実機操作量の過去のデータから、将来の操作量を予測する。予測部はさらに、予測された将来の操作量を式（３）の操作量ＭＶに代入することにより得られる流量ＰＶを、将来の流量として求める。この場合も、予測部による処理は、推定部による処理及び比較部による処理とは無関係に行うことができる。

［その他］
状態量の例として流量を挙げたが、これに限られない。温度、圧力など測定可能な任意の量を状態量として用いることができる。また、プロセス制御における操作対象は、バルブに限られず、任意のプラント機器とすることができる。

前述したプラント評価装置５の機能的構成は、前述の態様に限られるものではなく、例えば、各手段を統合して実装したり、逆に、さらに分散して実装したりすることも可能である。

前述した実施形態は、プラント評価装置５により実行されるプラント評価方法としての側面をも有している。

本発明の特定の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づく種々の変更は本発明の概念に含まれる。

１ 実プラント
２ バルブ
３ 流量計
４ フローコントローラ

１ｍ プラントモデル
２ｍ プロセスモデル
４ｍ コントローラモデル

ＳＰ 設定値
ＭＶ_ｒ 実機操作量
ＰＶ_ｒ 実機流量（実機状態量）
ｅ_ｒ 偏差

ＭＶ 操作量
ＰＶ 状態量

ＭＶ_ｍ 操作量の推定値（推定操作量）
ＰＶ_ｍ 流量の推定値（推定流量）
ｅ_ｍ 偏差の推定値

５ プラント評価装置
５１ 受付部
５２ 推定部
５３ 比較部
５４ 平滑化処理部
５５ 予測部

Claims (5)

1. プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付部と、
   前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定部と、
   前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較部と、
   前記受付部により受け付けられた実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測部と、
   を備えたプラント評価装置。
2. プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付部と、
   前記受付部により受け付けられた実機操作量を平滑化する平滑化処理部と、
   前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記平滑化処理部により平滑化された実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定部と、
   前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較部と、
   前記平滑化処理部により平滑化された実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測部と、
   を備えたプラント評価装置。
3. プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付ステップと、
   前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定ステップと、
   前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較ステップと、
   前記受付ステップにおいて受け付けられた実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測ステップと、
   を含むプラント評価方法。
4. プラントのプロセス制御における実機操作量と、前記プロセス制御の制御対象である実機状態量とを受け付ける受付ステップと、
   前記受付ステップにおいて受け付けられた実機操作量を平滑化する平滑化処理ステップと、
   前記プロセス制御における操作量と状態量との数学的関係を定めたプロセスモデルを用いて、前記平滑化処理ステップにおいて平滑化された実機操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を推定状態量として求める推定ステップと、
   前記推定状態量と前記実機状態量とを比較する比較ステップと、
   前記平滑化処理ステップにおいて平滑化された実機操作量の過去のデータに基づいて将来の操作量を予測するとともに、前記将来の操作量を前記プロセスモデルの操作量に代入することにより得られる状態量を将来の状態量として求める予測ステップと、
   を含むプラント評価方法。
5. 前記プラント評価装置の演算周期がプラントにおけるサンプリング周期よりも短く、サンプリングした実際の操作量を補間して得た値を前記実機操作量として前記プロセスモデルに代入することを特徴とする請求項１に記載のプラント評価装置。
   

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