JP7144462B2 - プラント運転条件設定支援システム及び運転条件設定支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラントの運転条件の設定を支援するためのプラント運転条件設定支援システム、及びそのプラント運転条件設定支援システムに利用可能な学習装置及び運転条件設定支援装置に関する。

化学製品や工業製品などを生産するためのプラントにおいては、反応器や加熱炉などの多数の装置により一連のプロセスが実行されており、多数の装置のそれぞれを制御するための多数の操作量により運転条件が設定される。多段階のプロセスが実行されるプラントにおいては、多数の操作量が複雑に相互作用しうるため、操作量の変更による影響を予測することは容易ではなく、熟練したオペレータにより操作量が設定されてプラントが運転されている。

プラントにおいて実行されるプロセスを単位操作ごとに再現したプロセスシミュレータを組み合わせることにより、複数の単位操作の組合せを再現するためのシミュレーションモデルを構築することが試みられている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／１５４１８１号

シミュレーションモデルは人手で調整されるため、多大な工数を必要とする上、現実のプロセスを再現する精度が調整者の経験やスキルに左右されうる。また、プロセスシミュレータにより再現することが困難な事象も存在しうるため、現実のプラントの運転状況を精確に再現するシミュレーションモデルを構築するのは困難であった。

本発明は、こうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、プラントの好適な運転を実現することが可能な運転条件の設定を支援する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のプラント運転条件設定支援システムは、プラントの運転条件の設定を支援するためのプラント運転条件設定支援システムであって、プラントの運転条件を示す複数の状態量の値、及び、プラントの運転を制御するために設定される複数の操作量の値から、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラントの運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデルを学習させる学習装置と、学習装置により学習された回帰モデルを使用して、プラントの運転を制御するために設定すべき複数の操作量の値を算出する運転条件設定支援装置と、を備える。学習装置は、複数の状態量の値と、複数の操作量の値と、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラントの運転結果を示す出力の値との組合せの実績値を取得する実績値取得部と、実績値取得部により取得された複数の実績値に基づいて、回帰モデルを学習させる学習部と、学習部により学習された回帰モデルを運転条件設定支援装置に提供する回帰モデル提供部と、を備える。運転条件設定支援装置は、学習装置により学習された回帰モデルを取得する回帰モデル取得部と、複数の状態量の値を取得する状態量取得部と、状態量取得部により取得された複数の状態量により示される運転条件でプラントを運転する場合に、出力の値が所定の条件を充足するような複数の操作量の値を、回帰モデルを使用して算出する操作量算出部と、操作量算出部により算出された複数の操作量の値を出力する操作量出力部と、を備える。

この態様によると、プラントの運転結果を示す出力の値を向上させることが可能な操作量の値を迅速に算出して出力することができるので、手動又は自動による操作量の設定を的確に支援することができ、プラントの運転効率を向上させることができる。また、オペレータの経験やスキルなどに左右されることなく、的確にプラントの運転条件を設定することができるように支援することができる。

操作量算出部は、最適化問題の解法アルゴリズムを出力の値に適用することにより、複数の操作量の値を算出してもよい。

この態様によると、プラントの出力の値を最適化することが可能な複数の操作量の値を迅速かつ精確に算出することができるので、目的に応じて適切なプラントの運転条件の設定を支援することができる。

本発明の別の態様は、学習装置である。この装置は、プラントの運転条件を示す複数の状態量の値と、プラントの運転を制御するために設定される複数の操作量の値と、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラントの運転結果を示す出力の値との組合せの実績値を取得する実績値取得部と、実績値取得部により取得された複数の実績値に基づいて、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラントの運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデルを学習させる学習部と、学習部により学習された回帰モデルを、プラントの運転を制御するために設定すべき複数の操作量の値を算出する運転条件設定支援装置に提供する回帰モデル提供部と、を備える。

この態様によると、より迅速かつ精確にプラントの運転結果を示す出力の予測値を算出することができる。また、プロセスシミュレータなどにより再現することが困難な要素も加味された、より再現性の高い回帰モデルを生成することができる。

本発明のさらに別の態様は、運転条件設定支援装置である。この装置は、プラントの運転条件を示す複数の状態量の値、及び、プラントの運転を制御するために設定される複数の操作量の値から、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラントの運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデルを学習させる学習装置から、学習装置により学習された回帰モデルを取得する回帰モデル取得部と、プラントの運転条件を示す複数の状態量の値を取得する状態量取得部と、状態量取得部により取得された複数の状態量により示される運転条件でプラントを運転する場合に、出力の値が所定の条件を充足するような複数の操作量の値を、回帰モデルを使用して算出する操作量算出部と、操作量算出部により算出された複数の操作量の値を出力する操作量出力部と、を備える。

この態様によると、プラントの運転結果を示す出力の値を向上させることが可能な操作量の値を迅速に算出して出力することができるので、手動又は自動による操作量の設定を的確に支援することができ、プラントの運転効率を向上させることができる。また、オペレータの経験やスキルなどに左右されることなく、的確にプラントの運転条件を設定することができるように支援することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、プラントの好適な運転を実現することが可能な運転条件の設定を支援する技術を提供することができる。

実施の形態に係るプラント運転条件設定支援システムの全体構成を示す図である。 実施の形態に係る運転条件設定支援装置及び制御装置の構成を示す図である。 操作パネルの表示装置に表示される表示画面の例を示す図である。

図１は、実施の形態に係るプラント運転条件設定支援システムの全体構成を示す。プラント３の運転条件の設定を支援するためのプラント運転条件設定支援システム１は、化学製品や工業製品などを生産するためのプラント３と、プラント３の運転条件を示す複数の状態量の値、及び、プラント３の運転を制御するために設定される複数の操作量の値から、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラント３の運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデル８を学習させる学習装置４とを備える。それぞれのプラント３は、プラント３に設置された反応器や加熱炉などの制御対象装置１０と、制御対象装置１０の運転を制御するための操作量を設定する制御装置２０と、学習装置４により学習された回帰モデル８を使用して、プラント３の運転を制御するために設定すべき複数の操作量の値を算出する運転条件設定支援装置３０とを備える。それぞれのプラント３と学習装置４とは、インターネット２により接続されている。

学習装置４は、実績値取得部５、学習部６、回帰モデル提供部７、及び回帰モデル８を備える。これらの構成は、ハードウエアコンポーネントでいえば、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、メモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

回帰モデル８は、プラント３の運転条件を示す複数の状態量の値と、プラント３の運転を制御するために設定された複数の操作量の値とに基づいて、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラント３の運転結果を示す出力の予測値を算出するためのモデルである。すなわち、回帰モデル８は、プラント３において実行される個々のプロセスをシミュレートするものではなく、複数の状態量の値と複数の操作量の値とを用いた演算により出力の予測値を算出するものである。回帰モデル８は、複数の状態量の値及び複数の操作量の値と、出力の予測値を演算するための演算パラメータとを用いた演算により、出力の予測値を算出するものであってもよい。

出力の値は、プラント３の運転結果を示す任意の値であってもよく、例えば、プラント３により生産される製品の量、純度などの質、収率などであってもよいし、副産物や排ガスなどの量、濃度などであってもよいし、製品の生産に要する時間、エネルギー、原料や供給物などの量、質、温度などであってもよいし、プラント３の生産効率などを示す重要業績評価指標（ＫＰＩ：Key Performance Indicator）などであってもよい。

実績値取得部５は、プラント３から、プラント３の運転条件を示す複数の状態量の値と、プラント３の運転を制御するために設定された複数の操作量の値と、複数の状態量の値により示される運転条件で複数の操作量の値が設定された場合のプラント３の運転結果を示す出力の値との組合せの実績値を取得する。

学習部６は、実績値取得部５により取得された複数の実績値に基づいて、回帰モデル８を学習させる。学習部６は、実績値取得部５により取得された複数の状態量の値及び複数の操作量の値を回帰モデル８に入力したときに、それらの値と組になっている出力の実績値に近い値が算出されるように、演算パラメータの値を調整してもよい。学習部６は、プラント３の出力の実績値を教師データとした教師あり学習により回帰モデル８を学習させてもよいし、その他の既知の任意の機械学習技術により回帰モデル８を学習させてもよい。

多数の実績値を用いて回帰モデル８を学習させることにより、回帰モデル８の精度を向上させることができるので、より精確にプラント３の運転結果を示す出力の予測値を算出することが可能な回帰モデル８を生成することができる。また、複雑なプロセスを再現するための高度なシミュレータを開発する必要がないので、回帰モデル８を生成するのに要する時間及び負荷を大幅に低減させることができる。また、シミュレータでは再現が困難であるような要素も加味することができるので、より精確に出力の予測値を算出することができる。

プラント３ごとに異なる回帰モデル８が学習されてもよいし、同種のプロセスを実行する複数のプラント３からの実績値を用いて、複数のプラント３に共通の回帰モデル８が学習されてもよい。

回帰モデル提供部７は、学習部６により学習された回帰モデル８を運転条件設定支援装置３０に提供する。

本図においては、説明の簡略化のため、学習装置４を単独の装置として示しているが、学習装置４は、クラウドコンピューティング技術や分散処理技術などを利用して、複数のサーバにより実現されてもよい。これにより、プラント３から収集した大量の情報を高速に処理して回帰モデル８を学習させることができるので、回帰モデル８の精度を向上させるために要する時間を大幅に短縮することができる。

図２は、実施の形態に係る運転条件設定支援装置及び制御装置の構成を示す。制御装置２０は、制御部２１及び操作パネル２２を備える。

操作パネル２２は、プラント３の運転状況を示す各種の状態量の値と、制御装置２０により設定された各種の操作量の設定値と、プラント３の運転結果を示す出力の値を表示装置に表示するとともに、各種の操作量の設定値の入力をオペレータから受け付ける。

制御部２１は、操作量設定部２３、状態量取得部２４、状態量送信部２５、及び実績値送信部２６を備える。これらの機能ブロックも、ハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できる。

操作量設定部２３は、操作パネル２２によりオペレータから受け付けた各種の操作量の設定値を設定し、制御対象装置１０を制御するとともに、操作パネル２２の表示装置に表示する。状態量取得部２４は、制御対象装置１０などに設けられた各種のセンサや測定器などから、プラント３の運転状況及び運転結果を示す各種の状態量の値を取得し、操作パネル２２の表示装置に表示する。状態量送信部２５は、状態量取得部２４により取得された状態量の値を運転条件設定支援装置３０に送信する。実績値送信部２６は、操作量設定部２３により設定された操作量の値と、状態量取得部２４により取得された状態量の値及び出力の値を、学習装置４に送信する。

運転条件設定支援装置３０は、制御部３１及び回帰モデル３８を備える。

制御部３１は、状態量取得部３２、操作量算出部３３、操作量出力部３４、回帰モデル取得部３５、予測値算出部３６、及び予測値提示部３７を備える。これらの機能ブロックも、ハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できる。

回帰モデル取得部３５は、学習装置４により学習された回帰モデル８を取得し、記憶装置に回帰モデル３８として格納する。状態量取得部３２は、制御装置２０の状態量送信部２５から、複数の状態量の値を取得する。操作量算出部３３は、状態量取得部３２により取得された複数の状態量により示される運転条件でプラント３を運転する場合に、出力の値が所定の条件を充足するような複数の操作量の値を、回帰モデル３８を使用して算出する。操作量出力部３４は、操作量算出部３３により算出された複数の操作量の値を制御装置２０へ出力する。出力された操作量の値は、オペレータが操作量の値を手動で入力する際に参照するために操作パネル２２に提示されてもよいし、自動的に操作量設定部２３に入力されてもよい。

操作量算出部３３は、最適化問題の解法アルゴリズムを、目的に応じた出力の値に適用することにより、その出力の値を最適化することが可能な複数の操作量の値を算出する。例えば、最終製品の生産効率を最大化することが可能な最適運転設定点を求めたい場合は、状態量取得部３２により取得された複数の状態量を固定値とし、複数の操作量の値を変数として、最終製品の生産効率を示すＫＰＩを算出するための回帰モデル８に入力することにより算出されるＫＰＩの予測値が最大となる複数の操作量の値を、最適化問題の解法アルゴリズムにより算出する。最適化問題の解法アルゴリズムとしては、勾配法やネルダー－ミード法など、既知の任意のアルゴリズムを使用してもよい。

ＫＰＩなどの予測値をシミュレータにより算出する場合には、複数の状態量の値と複数の操作量の値の１つの組に対応するＫＰＩの値を算出するだけでもかなりの計算量と時間を要する。したがって、全ての操作量の操作可能な全範囲の値にわたって膨大な量のＫＰＩの予測値を算出し、ＫＰＩの予測値が最大となるような複数の操作量の値を探索するには、数週間から数ヶ月もの期間を要する場合がある。探索に要する期間を短縮するためには、ＫＰＩの予測値を算出する組を削減する必要があるので、真に最適な運転設定点が探索できない可能性もある。さらに、個々の工程を再現するプロセスシミュレータを組み合わせてプロセス全体をシミュレートする場合には、個々の工程において最適解が算出できたとしても、プロセス全体としての最適解に収束しない場合がある。このように、従来の技術では、プラント３の運転設定点を変更するのは容易ではなく、プラント３において設定されている複数の操作量の値が、そのときの複数の状態量により示される運転状況において最適な運転設定点ではないとしても、最適な運転設定点に変更するのは困難であった。

それに対して、本実施の形態の技術によれば、精度の高い回帰モデル８を機械学習により得ることができるので、複数の状態量の値と複数の操作量の値の１つの組に対応する出力の値を迅速かつ精確に算出することができる。したがって、所定の条件を充足するような出力の値を与える複数の操作量の値を短期間に探索して出力することができるので、複数の状態量の変化に応じて最適な操作量の値を設定することができ、プラント３の運転を最適化することができる。また、複数の状態量の値と複数の操作量の値の１つの組に対応する出力の予測値を短時間で算出することができるので、より多くの組について出力の予測値を算出して最適運転設定点を探索することができる。これにより、どんな最適化問題の解法アルゴリズムによっても、局所的な極値につかまらずに、全域的な最大値又は最小値を探索することができるので、真の最適解を算出することができる。

予測値算出部３６は、複数の状態量と、複数の操作量を回帰モデル３８に代入することにより、出力の予測値を算出する。予測値提示部３７は、予測値算出部３６により算出された出力の予測値を操作パネル２２に提示する。例えば、状態量取得部３２により取得された現在の状態量の値と、制御装置２０の操作量設定部２３により実際に設定された複数の操作量の設定値とに基づいて、現在のＫＰＩなどの出力の値を算出して提示してもよい。また、環境の変化などにより状態量の変化が今後予測される場合に、変化後の状態量の値と、現在の操作量の設定値とに基づいて、今後の出力の予測値を算出して提示してもよい。また、オペレータが操作量の設定値の変更を検討しているときに、現在の状態量の値と、変更後の操作量の設定値とに基づいて、変更後の出力の予測値を算出して提示してもよい。これにより、オペレータによる運転条件の設定を適切に支援することができる。

図３は、操作パネルの表示装置に表示される表示画面の例を示す。表示画面には、プラント３のプロセスフロー図と、運転条件に関する状態量の値と、運転結果に関する状態量の値と、複数の操作量の設定値が表示されている。オペレータが、プラント３の運転結果を示す出力の値の条件を設定すると、操作量算出部３３は、回帰モデル３８を使用して、条件を充足する最適な操作量の値を算出する。操作量出力部３４は、算出された操作量の値を表示画面に表示する。また、操作量出力部３４は、算出された操作量の値に変更した場合と変更しなかった場合のプラント３の運転結果を示す出力の値の時間変化を示すグラフを表示画面に表示する。操作量出力部３４は、出力の値を表示画面に表示する際に、その値が実績値に対応するものであるか予測値に対応するものであるかを識別可能に表示してもよい。オペレータは、提示された操作量の値を参考にして、操作量の設定値を決定し、操作パネル２２に入力する。操作量設定部２３は、入力された設定値に基づいて制御対象装置１０を制御する。

操作量出力部３４により出力された操作量の値が操作量設定部２３に直接入力され、自動的に制御対象装置１０に設定されてもよい。この場合、制御対象装置１０に自動的に設定された操作量の値は、操作パネル２２に提示されてもよいし、提示されなくてもよい。操作量出力部３４により出力される操作量の値を操作量設定部２３に直接入力する自動モードと、操作量設定部２３に直接入力せずに操作パネル２２に提示して、操作量の値をオペレータに手動で入力させる手動モードとの間で運転モードが切替可能とされてもよい。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の技術は、連続工程のプラントにも、バッチ工程のプラントにも適用可能である。

１ プラント運転条件設定支援システム、３ プラント、４ 学習装置、５ 実績値取得部、６ 学習部、７ 回帰モデル提供部、８ 回帰モデル、１０ 制御対象装置、２０ 制御装置、２２ 操作パネル、２３ 操作量設定部、２４ 状態量取得部、２５ 状態量送信部、２６ 実績値送信部、３０ 運転条件設定支援装置、３２ 状態量取得部、３３ 操作量算出部、３４ 操作量出力部、３５ 回帰モデル取得部、３６ 予測値算出部、３７ 予測値提示部、３８ 回帰モデル。

本発明は、プラントの運転条件の設定を支援するためのプラント運転条件設定支援システムに利用可能である。

Claims (3)

1. プラントの運転条件の設定を支援するためのプラント運転条件設定支援システムであって、
   前記プラントの運転条件を示す複数の状態量の値、及び、前記プラントの運転を制御するために設定される複数の操作量の値から、前記複数の状態量の値により示される運転条件で前記複数の操作量の値が設定された場合の前記プラントの運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデルを学習させる学習装置と、
   前記学習装置により学習された前記回帰モデルを使用して、前記プラントの運転を制御するために設定すべき前記複数の操作量の値を算出する運転条件設定支援装置と、
   を備え、
   前記学習装置は、
   前記複数の状態量の値と、前記複数の操作量の値と、前記複数の状態量の値により示される運転条件で前記複数の操作量の値が設定された場合の前記プラントの運転結果を示す出力の値との組合せの実績値を取得する実績値取得部と、
   前記実績値取得部により取得された複数の実績値に基づいて、前記回帰モデルを学習させる学習部と、
   前記学習部により学習された前記回帰モデルを前記運転条件設定支援装置に提供する回帰モデル提供部と、
   を備え、
   前記運転条件設定支援装置は、
   前記学習装置により学習された前記回帰モデルを取得する回帰モデル取得部と、
   前記複数の状態量の値を取得する状態量取得部と、
   前記状態量取得部により取得された前記複数の状態量により示される運転条件で前記プラントを運転する場合に、前記複数の操作量に異なる複数の値を設定したときの出力の値を前記回帰モデルを使用して算出することにより、前記出力の値が所定の条件を充足するような前記複数の操作量の値を探索する操作量算出部と、
   前記操作量算出部により算出された前記複数の操作量の値を出力する操作量出力部と、
   を備えることを特徴とするプラント運転条件設定支援システム。
2. 前記操作量算出部は、最適化問題の解法アルゴリズムを前記出力の値に適用することにより、前記複数の操作量の値を算出することを特徴とする請求項１に記載のプラント運転条件設定支援システム。
3. プラントの運転条件を示す複数の状態量の値、及び、前記プラントの運転を制御するために設定される複数の操作量の値から、前記複数の状態量の値により示される運転条件で前記複数の操作量の値が設定された場合の前記プラントの運転結果を示す出力の予測値を算出するための回帰モデルを学習させる学習装置から、前記学習装置により学習された回帰モデルを取得する回帰モデル取得部と、
   プラントの運転条件を示す複数の状態量の値を取得する状態量取得部と、
   前記状態量取得部により取得された前記複数の状態量により示される運転条件で前記プラントを運転する場合に、前記複数の操作量に異なる複数の値を設定したときの出力の値を前記回帰モデルを使用して算出することにより、前記出力の値が所定の条件を充足するような前記複数の操作量の値を探索する操作量算出部と、
   前記操作量算出部により算出された前記複数の操作量の値を出力する操作量出力部と、
   を備えることを特徴とする運転条件設定支援装置。

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