JPH0560603B2

JPH0560603B2 -

Info

Publication number: JPH0560603B2
Application number: JP61055868A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Tamaoka
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1993-09-02
Also published as: JPS62212701A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、ボイラ、圧縮機、熱交換器などが複
数台並列運転されているとき、各機器の発停をも
考慮に入れて設備全体の運転コスト・ミニマムを
実現する最適負荷分配制御装置に関するものであ
る。

＜従来技術＞第７図は、多缶設置ボイラシステムの概念図で
あり、ボイラB₁〜B₄はスチームヘツダ１に対し
て並列接続され、それぞれの出力（蒸気流量）
L₁〜L₄の加算出力である、トータル負荷Ｌ＝L₁
＋L₂＋L₃＋L₄に対して運転コスト・ミニマムと
なるように各ボイラ出力が選定される。E₁〜E₄
は各ボイラに供給される燃料を示す。

第８図は圧縮機の並列運転システムの概念図で
あり、圧縮機C₁〜C₄は出力管路２に対して並列
接続され、それぞれの出力F₁〜F₄の加算出力で
ある、トータル風量Ｆ＝〓ⁱ F_i− 〓ⁱ F_i′に対して無
駄な放風〓ⁱ F_i′を減らして運転コスト・ミニマム
となるように各圧縮機の風量が選定される。

次にボイラ２缶の場合に付いてコストミニマム
の最適化制御の手法の例を簡単に説明する。第９
図の特性、は、２缶それぞれの負荷に対する
運転コストの関係を示す。

合計コストＣ＝f₁（L₁）＋ｆ（L₂）合計負荷Ｌ＝L₁＋L₂ の条件で最適解を求めることを考える。

このためにはこれら２式をλを未定係数として C′＝f₁＋f₂＋λ（L₁＋L₂−Ｌ）のように変形して、 ∂C′／∂L₁＝f₁′−λ＝０ ∂C′／∂L₂＝f₂′−λ＝０より、λ＝f₁′＝f₂′かつL₁＋L₂＝Ｌを解ととして
取る。即ち、第１０図に示すように、コスト変化
率が互いに等しく、かつトータル負荷最も満足す
る負荷L₁，L₂がコスト・ミニマムとなる最適負
荷となる。

第１１図はこのような最適負荷を自動的に判断
して運転する制御装置の構成図であり、１次調節
計３は、トータル負荷量Ｌが要求負荷量の設定値
Lsになるように未定係数λに対応する操作出力
を２次調節計４，５に発信する。２次調節計４，
５は、第１０図に相当する関数演算手段６，７に
より、自己の出力L₁，L₂に対するコスト変化率
f₁′、f₂′を測定値として、これらがλに等しくな
るように自己の出力L₁，L₂を変化させる。

＜発明が解決しようとする問題点＞この様な方法による最適負荷分配制御では、ボ
イラの発停が許されない状況下においては有効で
あるが、ボイラの発停を含めて最適負荷分配を考
えようとするとき、この方法は適用できない。

要求蒸気量が極めて低負荷から最大定格負荷ま
で大きく変動するようなケースでは、例えば年間
のボイラ運転コストをミニマムとすべく、大形ボ
イラ１缶を設置するよりは頻繁な起動、停止の許
される小型ボイラを多缶設置するような場合があ
る。この様なときには、ボイラの発停を含めた制
御を当然考慮しなければならない。

ボイラの連続運転を前提とした第１１図のよう
な構成で最適負荷分配したとき、複数缶のボイラ
の総合効率、運転コストは概ね第１２図、第１３
図に実線をもつて示すようなカーブとなる。この
カーブから明らかなように、要求蒸気量が小さい
領域では、停止ができない条件のために効率が悪
く、コストの高い運転をせざるを得なくなる。

これに対して各ボイラの起動、停止をも考慮し
て最適負荷分配を行うときは、総合効率並びに運
転コストは、破線に示すように理想的なカーブに
なると考えられる。

この比較から、ボイラの起動、停止をも含む最
適負荷分配の方が低負荷時には極めて有効である
ことが解る。

本発明は、ボイラ、圧縮機などが複数台並列運
転されているとき、機器の発停も考慮にいれて、
設備全体の運転コスト・ミニマムを実現する最適
負荷分配制御装置を実現することを目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞本発明の構成上の特徴は、与えられた要求負荷
に対してNo.１〜No.ｎのｎ台装置の並列運転で負荷
分担する場合に、（No.１＋No.２）の組み合わせで
最小コストで運転する最適負荷分配関係を計算す
る第１段決定、（No.１＋No.２）とNo.３の組み合わ
せで最小コストで運転する最適負荷分配関係を計
算する第２段決定、…（No.１＋No.２…No.ｎ−１）
とNo.ｎの組み合わせで最小コストで運転する最適
負荷分配関係を計算する第（ｎ−１）段決定の
（ｎ−１）個の各決定演算を実行する上位計算手
段と、上記第１〜第（ｎ−１）段決定出力がNo.１
の負荷データと（No.１＋No.２）の負荷データとの
関係、（No.１＋No.２）の負荷データと（No.１＋No.
２＋No.３）の負荷データとの関係、…（No.１＋No.
２＋…No.ｎ−１）の負荷データと（No.１＋No.２＋
No.ｎ）の負荷データとの関係としてそれぞれ対応
する第１〜第（ｎ−１）関係ユニツトにダウンロ
ードされ、運転装置の台数（No.１〜No.ｎ）及び要
求トータル負荷量が与えられたときに上記第（ｎ
−１）関数ユニツトに基づいてNo.ｎの最適負荷量
を決定し、第（ｎ−２）関数ユニツトに基づいて
No.（ｎ−１）の最適負荷量を決定し、順次同様に
第１関数ユニツトに基づいてNo.２及びNo.１までの
最適負荷を決定し、これら決定に基づく負荷量で
No.１〜No.ｎの運転を制御する下位制御手段とを具
備した点にある。

＜作用＞本発明によれば、上位計算手段においては、並
列運転している各機器の２項組み合わせ問題を、
動的計画法（ダイナミツク・プログラミング）の
段としてとらえ、最適負荷分配を求める問題を多
段決定過程と見なして最適解を求め、この結果を
下位制御手段にダウンロードする。下位制御手段
は、要求負荷量に応じて各機器の最適負荷分配を
ダウンロードされた上位計算機の計算結果を参照
してリアルタイムに決定し、各機器の運転を実行
する。

＜実施例＞第１図は、本発明制御装置の基本構成図であ
り、８はマンマシンインターフエイス機能８０１
を有する上位計算手段、９は通信線１０で上位計
算手段と結合した下位制御手段であり、フイール
ドの機器１１の制御を実行する。

上位計算手段は、複数の装置データに基づいて
ダイナミツク・プログラミングの手法により、最
適負荷分配計算をオフラインで実行する。この計
算結果は、負荷の分配制御をオンライン・リアル
タイムで実行する下位制御手段にダウンロードさ
れる。

上位計算手段におけるダイナミツク・プログラ
ミングの手法を用いた計算は、装置数が４台の場
合についてのフローチヤートで説明すると、第１
段決定のプロセスでは、No.１装置とNo.２装置での
最適負荷分配計算（最適組み合わせ計算）が実行
され、第２段決定のプロセスでは、（No.１装置＋
No.２装置）とNo.３装置での最適負荷分配計算が実
行され、第３段決定のプロセスでは、（No.１装置
＋No.２装置＋No.３装置）とNo.４装置での最適負荷
分配計算が実行され、これら計算結果が下位制御
手段にダウンロードされる。

下位制御手段においては、要求負荷量に応じて
各機器の最適負荷分配をリアルタイムに高速で求
め、各機器の制御系にその結果を受け渡す。負荷
の変動は頻繁に生ずるので、分配量の決定はリア
ルタイム高速処理されなければならない。

この様に、本来最適負荷分配問題は、リアルタ
イム処理されなければならないものであるから、
フイールド機器を直接制御する下位の制御手段の
中で処理する機能を有するのが望ましいが、制御
手段は一般に高速である代わりに扱える情報量に
制限があり、情報量の多い装置データを処理して
最適化計算を実行することが困難な場合が多い。

逆にすべての計算を計算機で高速リアルタイム
処理（１秒以下）することも装置のコストパフオ
ーマンスを低下させる。

そこで本発明では、最適負荷分配のための計算
は計算の頻度が少ないことに着目して、データ処
理容量の大きい上位の計算手段によりオフライン
で処理し、この計算結果をフイールド機器をリア
ルタイムで制御している下位の制御手段にダウン
ロードさせる２分割構成とし、それぞれの処理に
適した手段にその機能を担わせることにより装置
全体のコスト・パフオーマンスを向上させること
を特徴としている。

第２図は、ｎ台のボイラB₁，B₂…B_oの並列運
転におけるヘツダー１の圧力制御装置に本発明を
実施した場合の構成図を示すもので、上位計算手
段８では、各ボイラの負荷（蒸気流量）Ｌと総合
効率ηとの関係が規定されたｎ個のボイラデータ
に基づいて第１段より第（ｎ−１）段決定の計算
を実行して下位制御装置９側にダウンロードす
る。

下位制御装置側において、１１はヘツダーの圧
力センサーでPVはその測定値を示す。９０１は
圧力制御用のマスター調節計であり、測定値PV
と圧力設定値SPとの偏差を制御演算して、操作
量として要求負荷Ｌを発信する。

９０２は、要求負荷Ｌを入力する最適負荷分配
制御機能であり、上位計算手段よりダウンロード
された第１〜第（ｎ−１）段決定の情報に基づい
て各ボイラに対する最適負荷分配操作出力L₁，
L₂…L_oを各ボイラの蒸気流量制御装置（給水、
燃料制御装置）C₁，C₂…C_oに分配供給する。

９０３は、負荷分配結果を監視するモニタリン
グテーブルで、このテーブル手段を介して各ボイ
ラの起動と停止を制御するシーケンステーブル９
０４に起動、停止要求を発信する。即ち要求負荷
量がゼロとなつたボイラを停止させ、また停止ボ
イラに対して有限な要求負荷量が分配された場合
にはこれを起動させるシーケンスが実行される。

次に、第３図〜第５図により、上位計算手段側
で実行される、ダイナミツク・プログラミングの
手法による多段決定の例を説明する。

第３図Ａ，Ｂは、No.１ボイラ、No.２ボイラのボ
イラデータであり、負荷（蒸気流量）TON／Ｈ
と運転コスト￥／Ｈの対応関係が示されている。
第４図は、これらのデータを用いて、No.１、No.２
の２台のボイラの並列運転の場合に、要求トータ
ル負荷Ｌが与えられたときのコスト・ミニマム運
転を実現する各ボイラ負荷の選択を見出すための
関連図であり、横軸にNo.１ボイラデータを、縦軸
にNo.２ボイラデータが表示され、直交点に各ボイ
ラの同一負荷におけるコストの合計が表示されて
いる。今、トータル負荷Ｌが与えられたときの各
ボイラの負荷分担の組み合わせとそのときの運転
コストは、第４図において一点鎖線上にプロツト
される合計コストとなる。例えばトータル負荷
が、3TON／Ｈで与えられた場合の負荷分担の組
み合わせは計算の刻みを1TON／Ｈとしたとき４
通りあり、それぞれのコストは、□印で囲んで示
すように、35.0、43.0、43.0、29.0￥／Ｈとなる。

ここでこれらのコストより最少のコストを捜す
と29.0で、これはNo.１を3TON／Ｈで運転し、No.
２を停止させる組み合わせとなる。この様に、ト
ータル負荷の０〜25についてコスト・ミニマムな
組み合わせ点をプロツトすれ○印で示したコスト
となり、これを組み合わせ全体に付いて実行して
○印点を結べば点線で示したコスト・ミニマム特
性図が得られる。この特性を見出だすステツプが
第１段決定である。

次に、第２段決定以後の決定に付いて第５図に
より説明する。(A)は第４図で説明した第１段決定
によるボイラの特性である。この特性と(B)に示す
No.３ボイラのボイラデータに基づいて、第１段決
定とまつたく同一手法によつて（No.１＋No.２）と
No.３によるコスト・ミニマム特性を求め(C)のごと
き特性を得る。これが第２段決定である。

同様に(C)の第２段決定の結果と、(D)に示すNo.４
ボイラのボラデータにより、No.１＋No.２＋No.３）
とNo.４によるコスト・ミニマム特性を求め(E)のご
とき特性を得る。これが第３段決定である。

同様に、運転台数がｎ台の場合は、（ｎ−１）
段決定までを実行する。この様に決定された格段
の結果が下位制御装置の最適負荷分配制御機能９
０２にダウンロードされる。

ダウンロードされるされる内容は、第５図にお
いて第１段決定(A)では、No.１ボイラの負荷データ
L₁と（No.１＋No.２）の負荷データL₁₂の関係であ
り、これが第１関数ユニツトの内容として９０２
内にダウンロードされる。

第２段決定(C)では、（No.１＋No.２）ボイラの負
荷データL₁₂と（No.１＋No.２＋No.３）の負荷デー
タL₁₂₃の関係であり、これが第２関数ユニツトの
内容として９０２内にダウンロードされる。

同様に、第（ｎ−１）段決定では、（No.１＋No.
２＋…No.ｎ−１）ボイラの負荷データL₁₂…_o-1と
（No.１＋No.２＋No.３＋…No.ｎ）の負荷データ
L₁₂…_oの関係であり、これが第（ｎ−１）関数ユ
ニツトの内容として９０２内にダウンロードされ
る。

次に、最適負荷分配制御機能９０２の構成をボ
イラの運転台数が４台の場合について第６により
説明する。９０５は第１関数ユニツト、９０６は
第２関数ユニツト、９０７は第３関数ユニツトで
あり、それぞれ上位計算手段側の第１、第２、第
３段決定の結果がダウンロードされた内容となつ
ている。

まず、要求負荷L₁₂₃₄が与えられた場合に、第
３関数ユニツト９０７によりL₁₂₃₄に対する最適
負荷L₁₂₃を点線で示すようにこの関数関係から決
定する。この決定出力L₁₂₃と要求負荷L₁₂₃₄との
差が第３減算機能９１０で演算され、No.４ボイラ
の最適負荷L₄が決定される。

さらに、この決定出力は第２関数ユニツト９０
６及び第２減算機能９０９に導かれる。第２関数
ユニツト９０６では、要求負荷入力をL₁₂₃として
これに対する最適負荷L₁₂を決定して第２減算機
能９０９に出力する。減算機能９０９は最適負荷
L₁₂₃とL₁₂の差を演算してNo.３ボイラの最適負荷
L₃を決定する。

さらに、この決定出力は第１関数ユニツト９０
５及び第１減算機能９０８に導かれる。第１関数
ユニツト９０５では、要求負荷入力をL₁₂として
これに対する最適負荷L₁を決定すると共に、第
１減算機能９０８に出力する。減算機能９０８は
最適負荷L₁₂とL₁の差を演算してNo.２ボイラの最
適負荷L₂を決定する。

この様な信号処理により、No.４〜No.１ボイラの
最適負荷L₁〜L₄が決定されることになる。決定
された最適負荷は、第２図で説明したように、各
ボイラの制御装置に負荷制御設定値として供給さ
れると共にモニタリングテーブル９０３の機能に
より起動、停止が監視され、シーケンステーブル
９０４により起動、停止運転が実行される。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば複数装置
の並列運転で負荷分担する装置において、要求負
荷に対して各装置の停止を含めた最適負荷分配が
可能となり、とくに要求負荷の変更範囲が大きい
場合に、総合効率の改善効果が高い。また装置及
びその制御機能を分散化することによる制御装置
のコスト・パフオーマンスの改善も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図、第２図はボイラ
制御に適用した実施例を示す構成図、第３図はボ
イラデータの一例を示す特性図、第４図は最適組
み合わせを決定する処理の説明図、第５図は上位
計算手段における各段の決定の説明図、第６図は
下位制御手段における最適負荷分配制御機能の構
成図、第７図、第８図はボイラ及び圧縮機におけ
る複数装置による並列運転の説明図、第９図、第
１０図は２台のボイラのコスト特性及びコスト変
化率特性図、第１１図は従来の最適負荷分配制御
の一例を示す構成図、第１２図、第１３図は従来
制御の場合の総合効率及びトータル運転コスト特
性図である。８……上位計算手段、９……下位制御手段、９
０１……マスター調節計、９０２……最適負荷分
配制御機能、９０３……モニタリング・テーブ
ル、９０４……シーケンス・テーブル、９０５，
９０６，９０７……第１、第２、第３関数ユニツ
ト、９０８，９０９，９１０……第１、第２、第
３減算機能、１０……通信線、１１……フイール
ド機器。

Claims

【特許請求の範囲】

１与えられた要求負荷に対してNo.１〜No.ｎのｎ
台装置の並列運転で負荷分担する場合に、（No.１
＋No.２）の組み合わせで最小コストで運転する最
適負荷分配関係を計算する第１段決定、（No.１＋
No.２）とNo.３の組み合わせで最小コストで運転す
る最適負荷分配関係を計算する第２段決定、…
（No.１＋No.２…No.ｎ−１）とNo.ｎの組み合わせで
最小コストで運転する最適負荷分配関係を計算す
る第（ｎ−１）段決定の（ｎ−１）個の各決定演
算を実行する上位計算手段と、上記第１〜第（ｎ
−１）段決定出力がNo.１の負荷データと（No.１＋
No.２）の負荷データとの関係、（No.１＋No.２）の
負荷データと（No.１＋No.２＋No.３）の負荷データ
との関係、…（No.１＋No.２＋…No.ｎ−１）の負荷
データと（No.１＋No.２＋…No.ｎ）の負荷データと
の関係としてそれぞれ対応する第１〜第（ｎ−
１）関数ユニツトにダウンロードされ、運転装置
の台数（No.１〜No.ｎ）及び要求トータル負荷量が
与えられたときに上記第（ｎ−１）関数ユニツト
に基づいてNo.ｎの最適負荷量を決定し、第（ｎ−
２）関数ユニツトに基づいてNo.（ｎ−１）の最適
負荷量を決定し、順次同様に第１関数ユニツトに
基づいてNo.２及びNo.１までの最適負荷を決定し、
これら決定に基づく負荷量でNo.１〜No.ｎの運転を
制御する下位制御手段とで構成された最適負荷分
配制御装置。