JP7289282B2

JP7289282B2 - 瞬時データ評価システム

Info

Publication number: JP7289282B2
Application number: JP2020110620A
Authority: JP
Inventors: 理人二本柳
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: JP2022007572A

Description

本発明の実施形態は、プラントに設置された電力変換装置等内の高速で変動する信号やデータを取得して、低速の通信ネットワークで収集して利用する瞬時データ評価システムに関する。

プラントに設置された無効電力補償装置等の電力変換装置では、その内部で制御等のために用いられている電流や電圧等の信号やデータは、高速、高周波で変化するものがある。一般にプラントでは、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等を用いて、電力変換装置は、制御盤や他の変換器等と通信ネットワークを介して互いにデータを伝送する。ＰＬＣを運用するプラント内の通信ネットワークでは、機器間、装置間の伝送を保証するために、伝送周期は、最も高速の場合でも１ｍｓ程度に設定される場合が多い。

上述した電力変換装置内の信号等の時間変動は、数１０μｓ程度でサンプリングする必要があり、ＰＬＣ用の通信の伝送周期では、電力変換装置内の信号等を収集して利用することは困難である。

プラント内で用いられる電力変換装置は、プラント内の主要装置、機器等に電力を配分したり、プラント内の電力系統を適切な状態に維持したり、といった重要な機能を有していいる。そのため、運転状況を適切に監視し、より適切な状態で運用を継続できるように管理され、制御されることが望まれている。

特開平４－１２２１４６号公報特開２００４－４０２００号公報

本発明の実施形態は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、高速で変化する電力変換装置等の瞬時データを収集し、利用することを可能にする瞬時データ評価システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る瞬時データ評価システムは、プラント制御に用いられ第１周期でデータ伝送する通信ネットワークに接続された第１装置から、前記第１周期よりも速い第２周期で前記第１装置に関する計測値である第１データを取得し、前記第１データを取得した時刻ごとに関連付けて前記時刻とともにパケットデータを形成するデータ計測伝送装置と、前記通信ネットワークまたは伝送周期の保証されないネットワークを介して、前記データ計測伝送装置から前記パケットデータを受信して、所望の処理を施して出力するデータ評価装置と、を備える。

本実施形態では、高速で変化する電力変換装置等の瞬時データを収集し、利用することを可能にする瞬時データ評価システムが実現される。

実施形態に係る瞬時データ評価システムを例示する模式的なブロック図である。瞬時データ評価システムを構成するデータ計測・伝送装置を例示する模式的なブロック図である。瞬時データ評価システムで用いられるパケットデータの構成例の模式図である。瞬時データ評価システムを構成するデータ評価装置を例示する模式的なブロック図である。データ評価装置によって評価する制御回路のブロック線図の例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る瞬時データ評価システムを例示する模式的なブロック図である。
図１には、瞬時データ評価システム１００が用いられるプラント制御システム１の構成が、瞬時データ評価システム１００とともに示されている。
まず、この例におけるプラント制御システム１の構成について説明する。
図１に示すように、プラント制御システム１は、制御装置５、ドライブ装置６、無効電力補償装置（以下、ＳＶＣと表記）７および瞬時データ評価システム１００を含んでいる。

プラント制御システム１は、電力線４から電力を供給されて運転される。この例では、電力線４は、変圧器３を介して、電力系統２に接続されている。制御装置５の電力供給のための構成は示されていないが、たとえば、電力線４から供給される交流電圧を、制御装置５のための直流電圧等に変換する電源盤等が設けられており、制御装置５は、電源盤から供給される電力で動作する。電力線４は、プラント制御システムの構成によって、複数供給され、たとえば電力線ごとに異なる電圧等とされることがある。この例では、単純化のため、単一の電力線４の場合について説明する。

電力線４は、ドライブ装置６やその他の交流電力で運転される機器や装置等によって、力率、無効電力が変動する。ＳＶＣ７は、電力線４によって供給される電力を無効電力を保障することによって、所望の力率に調整する。

プラント制御システム１は、たとえば、電気炉を運転するプラントの制御システムである。電気炉では、スクラップ溶解時のスクラップ等の状態によって発生する特有の電圧変動が生じることがあるので、ＳＶＣ７を設けることによって、電力線４の変動を抑制し、溶解時のフリッカを低減する。

プラント制御システム１においては、ドライブ装置６やＳＶＣ７等の運転状況は、制御装置５によって、監視され、制御される。制御装置５は、あらかじめ導入された制御プラグラムにしたがって、ドライブ装置６およびＳＶＣ７等の運転を制御する。

制御装置５、ドライブ装置６、ＳＶＣ７および瞬時データ評価システム１００は、通信ネットワーク３０を介して、互いに接続されている。通信ネットワーク３０は、制御用通信ネットワークであり、たとえば産業用のイーサネット（イーサネットは登録商標）等である。

通信ネットワーク３０を介して接続された制御装置５、ドライブ装置６、ＳＶＣ７および瞬時データ評価システム１００は、たとえば１ｍｓ～５ｍｓ程度の一定周期で、操業データ等のデータ伝送を行うことができる。通信ネットワーク３０では、上述の周期でデータ伝送されることが保証されており、プラント制御システム１の安定した運用が保証される。

次に、瞬時データ評価システム１００の構成について説明する。
瞬時データ評価システム１００は、データ計測・伝送装置１０と、データ評価装置２０と、を備える。この例では、データ計測・伝送装置１０およびデータ評価装置２０は、通信ネットワーク３０を介して接続されているが、他の通信手段によって接続されてもよい。たとえば、データ計測・伝送装置１０およびデータ評価装置２０は、汎用のイーサネット等によって接続されていてもよい。汎用のイーサネット等では、データの伝送周期が必ずしも保証されない。

データ計測・伝送装置１０は、ＳＶＣ（第１装置）７に接続されている。ＳＶＣ７およびデータ計測・伝送装置１０間の接続によって、ＳＶＣ７からデータ計測・伝送装置１０に複数個のデータが送信される。複数個のデータは、この例ではｎ個のデータとされている。ｎ個のデータは、ＳＶＣ７内やＳＶＣ７に接続された電線に設けられた電流センサや電圧センサ、筐体内に設けられた温度センサ等によって計測された電流値のデータ、電圧値のデータ、温度のデータ等である。計測され、取得されるデータは、この例では、アナログデータである。

データ計測・伝送装置１０は、ＳＶＣ７から受信した電流値等のデータをディジタルデータに変換し、アナログデータの取得時刻とともに、パケットデータに変換して、通信ネットワーク３０を介して、データ評価装置２０に送信する。

データ評価装置２０は、データ計測・伝送装置１０から送信されてきたパケットデータに所望の処理を施して、処理を施したデータを、たとえば制御装置５に送信する。

制御装置５は、データ評価装置２０によって処理を施されたデータを、更新されたパラメータとして制御プログラムに設定する。制御装置５は、新たに設定されたパラメータにもとづいて動作し、ドライブ装置６およびＳＶＣ７等の制御を継続する。

データ評価装置２０は、処理を施したデータを制御装置５に限らず、ドライブ装置６やＳＶＣ７に送信するようにしてもよい。たとえば、ＳＶＣ７は、処理を施されたデータを受信し、更新されたパラメータとして、データを設定して、運転を継続する。

瞬時データ評価システム１００の各部の構成についてより詳細に説明する。
図２は、瞬時データ評価システムを構成するデータ計測・伝送装置を例示する模式的なブロック図である。
図２に示すように、データ計測・伝送装置１０は、Ａ／Ｄ変換器１２と、データ処理部１４と、伝送コントローラ１６と、を含む。Ａ／Ｄ変換器１２は、この例では、ＳＶＣ７から受信するアナログデータＡ１～Ａｎの個数分設けられている。

Ａ／Ｄ変換器１２は、アナログデータＡ１～Ａｎを入力して、ディジタルデータに変換して、変換したデータをデータ処理部１４に送る。

ｎ個のアナログデータＡ１～Ａｎは、同一時刻に取得されたデータである。データ処理部１４は、アナログデータＡ１～Ａｎが取得された時刻に、アナログデータに対応するディジタルデータに関連付ける処理を行う。

アナログデータは、たとえば一定の周期で取得されるので、データ取得時刻にデータを関連付けることによって、時刻ごとのデータをひとまとまりのデータとすることができる。アナログデータを取得する時刻は、たとえば３０μｓ～５０μｓの周期とされる。アナログデータを取得する時刻の周期は、たとえば、Ａ／Ｄ変換器１２の変換速度に応じて設定される。この周期は、通信ネットワーク３０の伝送周期よりも十分速ければよく、３０μｓよりも速くてもよいし、５０μｓよりも遅くなる場合もある。

実施形態の瞬時データ評価システム１００のデータ計測・伝送装置１０では、データ処理部１４は、時刻ごとのひとまとまりのデータでパケットデータを構成する。時刻ごとのデータを複数時刻分まとめてパケットデータとすることによって、たとえば通信ネットワーク３０の伝送周期よりも短い周期の瞬時データを、それよりも低速あるいは伝送周期の保証されない通信ネットワークを用いてデータ伝送することができる。

伝送コントローラ１６は、データ処理部１４によって生成されたパケットデータＤ１を、所望のアドレスに送信する。

図３は、瞬時データ評価システムで用いられるパケットデータの構成例の模式図である。
図３に示すように、パケットデータＤ１は、ＩＰヘッダＤ１１、ＵＤＰヘッダＤ１２および搬送データ領域Ｄ１３，Ｄ１４，…を含む。ＩＰヘッダＤ１１およびＵＤＰヘッダＤ１２は、送信先・送信元を識別するデータを格納している。

搬送データは、搬送データ領域Ｄ１３，Ｄ１４，…に格納される。搬送データ領域Ｄ１３，Ｄ１４，…のそれぞれに、時刻ごとに取得されたデータが格納される。この例では、搬送データ領域Ｄ１３には、時刻ｔ１において取得されたアナログデータに対応するディジタルデータが格納されている。搬送データ領域Ｄ１４には、時刻ｔ２において取得されたアナログデータに対応するディジタルデータが格納されている。符号を付していないデータ領域には、時刻ｔｍにおいて取得されたアナログデータに対応するディジタルデータが格納されている。時刻ｔ１，ｔ２，…ｔｍは、この順に取得された時系列の時刻である。

この例では、時刻ｔｉにおけるディジタルデータをＡｊ（ｔｉ）のように表している。ｊは、ｊ番目のデータであることを表している。たとえば、時刻ｔ１で取得されたアナログデータＡ１をアナログ－ディジタル変換したディジタルデータは、Ａ１（ｔ１）のように表されている。この例では、パケットデータＤ１は、ｍ個の時刻においてそれぞれ取得されたｎ個のアナログデータに対応するディジタルデータが格納されている。

上述の時刻の前後の時刻におけるデータがある場合には、たとえばパケットデータＤ１と同一の長さのパケットデータとして生成される。生成されるパケットデータは、たとえば同じ形式とされる。

このようにして、パケットデータＤ１は、通信ネットワーク３０の伝送周期よりも短い周期の時刻で取得された瞬時データを複数の時刻についてひとまとまりとして格納し、伝送される。パケットデータを受信したプログラムは、所定のアルゴリズムを用いて、パケットデータＤ１内の瞬時データを利用することができる。たとえば、時系列でデータを表示するプログラムでは、同一センサによって取得されたデータを時系列でプロットして、ＳＶＣ７内の各種電流、電圧等の波形情報として、出力し、表示することができる。

図４は、瞬時データ評価システムを構成するデータ評価装置を例示する模式的なブロック図である。
図４に示すように、データ評価装置２０は、データ取得部２２と、データ解析部２４と、データ出力部２６と、を含む。

データ取得部２２は、通信ネットワーク３０等を介して送信されてきたパケットデータＤ１を受信する。データ取得部２２は、受信したパケットデータＤ１をデータ解析部２４に送信するほか、データベースを有するデータサーバ（図示せず）との相互のデータ送受信を行うようにしてもよい。

データベースは、取得されたパケットデータを格納して管理する。データベースは、たとえば、パケットデータ内の搬送データに関する情報を、データＡｊごとに時系列で格納するようにしてもよい。つまり、データベースは、ＳＶＣ７において計測された電流値や電圧値等のデータを、データごとに時系列データとして格納し、管理する。

データベースは、データ解析部２４における解析に応じて、上述以外のデータを、データＡｊごとに関連付けて格納し、管理するようにしてもよい。たとえば、ドライブ装置６の起動用の操作信号を、制御装置５を経由して収集し、時系列データとして格納し、管理するようにしてもよい。この場合には、制御装置５によって収集される操作信号や操作データは、通信ネットワーク３０の伝送周期ごとのデータとなる。

データ解析部２４は、データ取得部２２によって取得されたパケットデータＤ１を解析し、所望の形式のデータにして出力する。データ解析部２４でのデータ解析は、１つまたは複数の解析を選択的に実行する。たとえば、データ解析部２４は、ＳＶＣ７内の制御回路のシミュレーションモデルを有しており、データごとの時系列データから、電流や電圧波形の信号を復元し、復元した信号および制御回路のシミュレーションモデルを用いて、制御回路の動作をシミュレーションする。たとえば、電力線４の特定の条件における復元した信号を入力条件として、制御回路の出力をシミュレーションし、制御回路の設定パラメータを適宜変更して、シミュレーションを繰り返すことによって、より適切な設定パラメータを算出することができる。

上述では、復元した信号は、時系列データであるが、データ解析部２４は、周波数領域変換機能を有することによって、時系列データを周波数領域のデータに変換し、制御回路の周波数特性等を取得するようにすることもできる。データ解析部２４は、周波数領域におけるシミュレーションモデルを有することによって、より高度に適切な設定パラメータを算出することができる。

通信ネットワーク３０上の伝送周期で取得されるデータを、上述のシミュレーションモデルによる最適な設定パラメータを自動計算する場合のためのトリガ信号として利用するようにしてもよい。たとえば、制御装置（第２装置）５からドライブ装置６への運転指令（第２データ）をデータベース中に含めることによって、ドライブ装置６が特定の運転モードの期間内におけるＳＶＣ７の動作状況を識別することができる。データ解析部２４は、データベース中の運転指令がアクティブの期間のデータを用いて、信号を復元し、適切な設定パラメータを算出するようにシミュレーションを実行することができる。

データ解析部２４は、適切な設定パラメータを算出するたびに、算出したデータをデータ出力部２６に送信し、データ出力部２６は、通信ネットワーク３０を介して、制御装置５やＳＶＣ７に送信する。たとえば、ＳＶＣ７は、あらかじめ設定されたプログラムによって、受信した設定パラメータを設定する。これにより、ＳＶＣ７は、特定の運転モードの場合におけるより適切な設定パラメータを自動的に導入することができる。

また、データ解析部２４は、典型的な動作波形や周波数応答特性のデータおよび特定の部品の故障時に再現される動作波形や周波数応答特性のデータをあらかじめ有し、復元された動作波形や推定された周波数応答特性と比較するようにしてもよい。動作波形等の比較では、それぞれプロットした波形を画像処理して抽出した特徴量の一致および相違により、典型的な動作か部品故障時の動作かを判定することもできる。

上述の部品故障判定の場合には、特定の部品の故障時に再現される動作波形や周波数応答特性のデータを多数取得して、これらの画像データを機械学習用のデータセットとして用いることによって、より高精度に不具合部品の判定を行うことができる。

図５は、データ評価装置によって評価する制御回路のブロック線図の例である。
図５には、ＳＶＣ等の電力変換器の出力電圧Ｖｏｕｔを電圧指令値Ｖ＊に追従するように制御するＰＩＤ制御モデルが示されている。データ解析部２４が有するシミュレーションモデルは、たとえばこのようなブロック線図で表される。

実施形態の瞬時データ評価システム１００のデータ解析部２４では、ＳＶＣ７の出力電圧Ｖｏｕｔおよび電圧指令値Ｖ＊のデータを用いて、ＰＩＤ制御における各部のゲインＫＰ，ＫＩ，ＫＤの最適値を求めることができる。

出力電圧Ｖｏｕｔや電圧指令値Ｖ＊のデータは、瞬時値データとして、時系列で取得されている。また、データ取得部２２によって、時刻のデータには、ドライブ装置６等の起動やモード設定信号のデータも関連付けられている。そのため、データ解析部２４では、起動、停止等を含む特定の動作モードごとに、出力電圧Ｖｏｕｔおよび電圧指令値Ｖ＊の評価期間を設定することができる。

設定された評価期間において、各部のゲインＫＰ，ＫＩ，ＫＤの最適値を求めることができる。設定された評価期間は、たとえば、特定の運転モード時に制御装置５が生成する運転指令がアクティブとなる期間である。データ解析部２４は、この期間における電圧指令値Ｖ＊をデータベースから抽出し、たとえば、ＫＰ，ＫＩ，ＫＤを設定範囲内でランダムに変化させて、出力電圧Ｖｏｕｔを計算する。データ出力部２６は、計算されたＶｏｕｔを表示装置に出力する。データ評価装置２０の操作者は、表示装置に出力された出力電圧Ｖｏｕｔの動作波形や周波数特性を確認して、より適切なゲインＫＰ，ＫＩ，ＫＤを決定する。

出力される動作波形や周波数応答特性について、あらかじめ適切な波形等をデータ解析部２４に記憶させ、出力されたデータと比較することによって、データ解析部２４によって自動的に要否判定させるようにしてもよい。

本実施形態の瞬時データ評価システム１００の効果について説明する。
本実施形態の瞬時データ評価システム１００は、プラントに用いられる伝送周期が保証された低速の通信ネットワーク３０に接続されるとともに、ＳＶＣ７内部の信号等を取得するセンサに接続されている。ＳＶＣ７内部の信号の取得周期は、通信ネットワーク３０の伝送周期よりも十分に速く設定されているので、高速に変化する運転時のＳＶＣ７内の電流や電圧等の信号の変化を収集することができる。瞬時データ評価システム１００は、収集した瞬時データを、時刻ごとに関連付けられたパケットデータとして生成し、利用するので、通信ネットワーク３０を含む瞬時データのデータ収集サイクルよりも遅いネットワークを介して、データ収集し、利用することができる。

瞬時データ評価システム１００によって収集されたパケットデータは、データごとに時系列データとすることができ、時間変化する信号として復元し、利用することが可能になる。

瞬時データ評価システム１００のデータ評価装置２０は、復元された瞬時データを、たとえばオシロスコープで波形確認を行うように、所望の復元信号を選択して、カラーディスプレイ等の出力表示装置に出力し、表示することができる。そのため、運転中のＳＶＣ７の動作状態をより正確に確認することができる。

データ評価装置２０は、シミュレーションモデルを有するようにすることができるので、復元された信号を用意されたシミュレーションモデルに適用して、シミュレーションモデルに対応した制御回路等の回路パラメータの最適値を決定することができる。

取得する瞬時データには、低速周期の通信ネットワーク３０経由の操作データを含めることができる。ＰＬＣ等の制御プログラムに関する操作データを瞬時データとともに、時刻データに関連付けて管理することによって、ＳＶＣ７の運転条件の変化を、操作データの変化をトリガとして抽出することができるようになり、特定条件下における瞬時データを復元することができる。

操作データをトリガとすることによって、シミュレーションによる最適化パラメータを計算を、特定条件下で行うことができるので、特定条件ごとに最適な運転条件、制御条件での運転が可能になる。

データ評価装置２０のデータ解析部２４には、画像認識機能を持たせることができ、復元された瞬時データによる特性図を画像データとして特性の良否判定を行うことができる。

瞬時データによる特性図の良否判定には、機械学習を導入することによって、多数の画像サンプルを学習させることができ、より精密に判定をすることが可能になる。

なお、上述では、ＳＶＣの内部信号を瞬時データとして取得する場合について具体例を挙げて説明したが、瞬時データを取得する装置は、ＳＶＣに限られず、その他の電力変換装置であってももちろんかまわない。また、電力変換装置に限らず、ドライブ装置等の定周期の伝送周期で運転される他の装置や機器であってもよい。

以上説明した実施形態によれば、高速で変化する電力変換装置等の瞬時データを収集し、利用することを可能にする瞬時データ評価システムを実現することができる。

以上、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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ともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１プラント制御システム、２電力系統、４電力線、５制御装置、６ドライブ装置、７無効電力補償装置、１０データ計測・伝送装置、１２Ａ／Ｄ変換器、１４データ処理部、１６伝送コントローラ、２０データ評価装置、２２データ取得部、２４データ解析部、２６データ出力部、１００瞬時データ評価システム

Claims

プラント制御に用いられ第１周期でデータ伝送する通信ネットワークに接続された第１装置から、前記第１周期よりも速い第２周期で前記第１装置に関する計測値である第１データを取得し、前記第１データを取得した時刻ごとに関連付けて前記時刻とともにパケットデータを形成するデータ計測伝送装置と、
前記通信ネットワークまたは伝送周期の保証されないネットワークを介して、前記データ計測伝送装置から前記パケットデータを受信して、所望の処理を施して出力するデータ評価装置と、
を備えた瞬時データ評価システム。
前記データ評価装置は、受信した前記パケットデータから前記第１データを含む時系列データを復元して出力する請求項１記載の瞬時データ評価システム。
前記データ評価装置は、前記第１装置に関してあらかじめ設定されたシミュレーションモデルを有し、復元した時系列データを前記シミュレーションモデルに適用する請求項２記載の瞬時データ評価システム。
前記データ評価装置は、前記時系列データにもとづいて、前記シミュレーションモデルのパラメータの最適値を計算し、前記最適値を前記第１装置に送信する請求項３記載の瞬時データ評価システム。
前記通信ネットワークに接続された第２装置をさらに備え、
前記データ計測伝送装置は、前記第１周期にしたがって前記第２装置が生成する第２データを前記第１データとともに前記時刻に関連付けて前記パケットデータを形成し、
前記データ評価装置は、復元された前記第２データにもとづいて、前記シミュレーションモデルを適用する請求項３記載の瞬時データ評価システム。
前記データ評価装置は、前記時系列データの出力結果を含む画像データを生成し、生成された前記画像データを、あらかじめ設定された基準画像データと比較する請求項２記載の瞬時データ評価システム。