JPH11259144A

JPH11259144A - プロセス系の制御方法

Info

Publication number: JPH11259144A
Application number: JP6312298A
Authority: JP
Inventors: Minoru Iino; 野穣飯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】製品の品質を維持するとともに経済面および
環境面での最適な運用を可能にする。【解決手段】複数の原料を混合してし中間製品を製造
する第１のプロセス１２０に供給される複数の原料の配
合比率と中間製品の性状とに基づいて、複数の原料各々
の性状を推定する第１のステップ２と、中間製品に熱処
理を施す第２のプロセス１４０の熱処理に必要とされる
熱量を推定する第２のステップ４と、第１のステップで
推定された複数の原料各々の性状に基づいて、中間製品
の性状、および第２のステップで推定された必要とされ
る熱量が、各々予め設定された上下限値内に存在するよ
うに複数の原料の配合比率を算出する第３のステップ６
と、第３のステップで算出された複数の原料の配合比率
に基づいて第１のプロセスに供給される複数の原料の各
々の供給量を制御する第４のステップ１２と、を備えた
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数の原料を混合し
て中間製品を製造するプロセスと、中間製品に熱処理を
施すプロセスとを有するプロセス系の制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に産業界の各種プロセス系において
は様々な原料を混合する混合プロセスが存在する。この
混合プロセスは、複数の原料を混合して得られる中間製
品が所望の性状（例えば元素組成などの物理的性状、あ
るいは化学的性状）を有するように混合比率を調整する
必要がある。また、更に混合プロセスの後で中間製品に
燃焼などの発熱、あるいは焼成などの吸熱を伴なう処理
を施す熱プロセスに、投入すべき総カロリーは原料の配
合比率により変動する。

【０００３】このような混合プロセスおよび熱プロセス
を有するプロセス系の従来の制御方法においては、製品
品質のみを重視しているため、混合プロセスによって製
造される中間製品の性状として特定元素の組成（または
含有率）などを制御し、熱プロセスに一定の性状の中間
製品を送り込む運転が主体であった。

【０００４】したがって従来の制御方法においては、混
合プロセスと熱プロセスとを総合的に管理し、例えば、
原料コスト、燃料コスト、全プロセス運用コストの最小
化など経済的最適運用を考慮した配合制御は行われてい
なかった。

【０００５】更に最近では、地球環境問題への対策か
ら、原料の一部にリサイクル原料を活用する場合が増え
ている。ここでリサイクル原料とは、ある製造工程で製
造された不要な製品、または上記製造工程で製造された
製品には不要なものである。そしてこのリサイクル原料
は例えばリサイクル業者等から入手することが可能であ
る。このようにリサイクル原料を活用する場合、原料コ
スト最小化と同時にリサイクル原料の利用率を最大にす
ることが要求される。

【０００６】また、熱プロセスで熱量供給が必要な場合
は、燃料コストを最小に抑え、かつＣＯ₂発生量を最小
化する必要がある。従来の経済面に加え、これらの環境
面での最適性も加味した多角的な評価指標に基づく最適
運転を実現する配合制御方式が必要とされていた。

【０００７】これらのプロセス系の一般形は図７の様に
表される。すなわち、混合プロセス１２０にはｍ種類の
原料がそれぞれｕ_１，…，ｕ_ｍ（％）の配合比率で投入
され、混合（以下、配合ともいうことにする）され、中
間製品が生成される。原料のうちｍ′種類は通常の原
料、残りはリサイクル原料であるとする。中間製品は分
析計１３０などで元素組成などの性状が測定される。ま
た、熱プロセス１４０では中間製品に燃焼、焼成、相変
化などの発熱あるいは吸熱をともなう処理を施す。熱プ
ロセスへの熱量供給が必要な場合は、燃焼バーナー１４
２などが付加し、燃料を供給しながら運用する。なお、
発熱あるいは吸熱にともなう熱量は熱量測定計１４５に
よって測定される。

【０００８】このようなプロセス系の例として、例えば
セメント製造プロセス系やごみ焼却プロセス系などが挙
げられる。セメント製造プロセス系では、原料は石灰
石、珪石、粘土などの基本原料の他に焼却灰、建築廃
材、汚泥などのリサイクル原料が用いられる。熱プロセ
スはセメント焼成プロセスに相当し、燃焼バーナーによ
る熱供与が必要になる。一方、ごみ焼却プロセス系で
は、すべての原料は生活ごみ、リサイクル原料などとな
る。後段プロセスは焼却炉に相当し、ごみの安定燃焼の
ために補助バーナーが必要になる。このように図７に示
すプロセス構造は数々の産業プロセスを表現する一般的
構造である。この様な一般的プロセスに対し、経済面お
よび環境面で最適な運用を実現するための環境調和型最
適運用制御方式が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、混合
プロセスと熱プロセスとを備えているプロセス系におい
ては、製品の品質を維持するとともに、経済面および環
境面で最適な運用を考慮した制御は行われていなかっ
た。

【００１０】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であって、製品の品質を維持するとともに、経済面およ
び環境面で最適な運用を実現することのできるプロセス
系の制御方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によるプロセス系
の制御方法は、複数の原料を混合してし中間製品を製造
する第１のプロセスに供給される前記複数の原料の配合
比率と前記中間製品の性状とに基づいて、前記複数の原
料各々の性状を推定する第１のステップと、前記中間製
品に熱処理を施す第２のプロセスの熱処理に必要とされ
る熱量を推定する第２のステップと、前記中間製品の性
状、および前記第２のステップで必要とされる熱量が、
各々予め設定された範囲内に存在するように前記複数の
原料の配合比率を算出する第３のステップと、前記第３
のステップで算出された前記複数の原料の配合比率に基
づいて前記第１のプロセスに供給される前記複数の原料
の各々の供給量を制御する第４のステップと、を備えた
ことを特徴とする。

【００１２】また、本発明によるプロセス系の制御方法
は、リサイクル原料を含む複数の原料を混合して中間製
品を製造する第１のプロセスに供給される前記複数の原
料の配合比率と前記中間製品の性状とに基づいて、前記
複数の原料各々の性状を推定する第１のステップと、前
記中間製品に熱処理を施す第２のプロセスの熱処理に必
要とされる熱量を推定する第２のステップと、前記中間
製品の性状、および前記第２のステップで推定された前
記必要とされる熱量が、各々予め設定された上下限値内
に存在するとともに前記リサイクル原料の使用量が最適
となるように前記複数の原料の配合比率を算出する第３
のステップと、前記第３のステップで算出された前記複
数の原料の配合比率に基づいて前記第１のプロセスに供
給される前記複数の原料の各々の供給量を制御する第４
のステップと、を備えたことを特徴とする。

【００１３】なお、前記第２のステップは、前記第２の
プロセスで消費された燃料消費量に基づいて前記第２の
プロセスへの総投入熱量を算出するステップと、前記第
２のプロセスから排出される排気ガスの温度および流量
を測定し、この測定結果に基づいて前記排気ガスの熱量
を算出するステップと、前記中間製品の前記第２のプロ
セスの入口と出口での温度差に基づいて前記中間製品に
与えられた熱量を算出するステップと、前記第２のプロ
セスが実行される装置の外壁温度と外気温度に基づいて
外部への放熱量を算出するステップと、を有し、前記総
投入熱量、前記排気ガスの熱量、前記中間製品に与えら
れた熱量、および外部への放熱量に基づいて前記第２の
プロセスで熱処理に必要な熱量を推定するように構成す
ることができる。

【００１４】なお、前記第３のステップは、前記複数の
原料の配合比率、前記中間製品の性状、および前記必要
とされる熱量からなるデータの妥当性を判定し、判定結
果を表示するステップと、前記データから前記複数の原
料の各々の性状を実時間で推定するステップと、推定さ
れた前記原料の各々の性状が妥当であるか否かを判定す
るとともに判定結果を表示し、妥当でない場合には推定
された前記原料の各々の性状を修正するステップと、推
定または修正された前記原料の性状に基づいて前記複数
の原料の配合比率を算出するステップと、算出された前
記配合比率の妥当性を判定し、判定結果を表示するステ
ップと、を備えるように構成することができる。

【００１５】なお、前記複数の原料のうち少なくとも１
つの原料がリサイクル原料であるとともに残りの原料に
セメントを生成するための原料が含まれ、更に前記第２
のプロセスがセメントを焼成させる焼成プロセスである
ように構成しても良い。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明によるプロセス系の制御方
法の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下
の実施の形態においては、対象となるプロセス系はセメ
ント製造プロセス系とし、原料の一部にリサイクル原料
（例えば産業廃棄物）を用いる場合を想定する。

【００１７】セメント製造プロセス系は図６に示す様
に、ホッパー、粉砕機、秤量機、原料乾燥機、原料ミ
ル、セパレータ、ブレンディングサイロ、ストレージサ
イロなどより構成される原料系２１０と、サスペンショ
ンプレヒーター、キルン、バーナー、クーラーより構成
される焼成系２２０と、さらにクリンカサイロ、セパレ
ータ、仕上げミル、セメントサイロなどより構成される
仕上げ系２３０とから構成される。このうち、原料系２
１０が混合プロセス、焼成系２２０が熱プロセスに相当
する。ホッパーは実際にはｍ機あり、ｍ種類の原料ある
いはリサイクル原料を混合（配合）する。例えば、原料
は石灰石、珪石、粘土、リサイクル原料はボイラの焼却
灰や建築廃材、汚泥などである。これらの配合比率はホ
ッパーおよび秤量機により調整される。また、原料ミル
で粉砕、混合された原料は中間製品として、ブレンディ
ングサイロにおいて、オンライン分析計でｎ種類の元素
組成を測定する。例えば、ｎ＝４であり、測定対象の元
素組成はＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｆｅ₂Ｏ₃，ＣａＯな
どである。

【００１８】本発明によるプロセス系の制御方法の第１
の実施の形態に用いられる制御システムの一具体例の構
成を図一に示す。この制御システムは、配合制御演算シ
ステム１と、分散型制御システム（以下、ＤＳＣともい
う）１２と、操作監視端末１６とを備えており、原料投
入機１１０、混合プロセス１２０、分析計１３０、およ
び熱プロセス１４０を有しているセメント製造プロセス
系に用いられる。

【００１９】図１において、各原料は原料投入機１１０
に投入された後、混合プロセスに送られて混合され中間
製品が製造される。この中間製品は分析計１３０によっ
て性状、例えば元素組成が分析されるとともに、熱プロ
セス１４０に送られ、焼成等の処理が行われる。

【００２０】配合制御演算システム１は各原料の投入量
から得られる配合比率、分析計１３０から得られる中間
製品の性状、および後述する熱プロセス１４０から得ら
れる処理に必要な熱量に基づいて各原料の最適配合比率
を演算するように構成されており、原料組成・性状推定
機能２と、吸収熱量推定システム４と、最適配合率計算
機能６とを有している。この配合制御演算システム１に
よって演算された最適配合比率に基づいて、ＤＣＳ１２
が各原料の投入量を決定し、各原料の原料投入機１１０
への投入制御を行う。

【００２１】次に配合制御演算システム１の構成要素で
ある吸収熱量推定システムを図２を参照して説明する。

【００２２】図２に示すように、熱プロセス１４０であ
る焼成系では、セメント原料の焼成過程で必要とされる
吸収熱量の測定手段として、バーナー燃料流量計１４０
ａと、排ガス流量系１４０ｂ、排ガス温度計１４０ｃ、
キルン外壁温度計１４０ｄ、外気温度計１４０ｅ、クリ
ンカ（焼成後の中間製品）温度計１４０ｆ、クリンカ製
造量計１４０ｇ、プレヒータ温度計１４０ｈが設置され
ている。吸収熱量推定システム４では、これらのセンサ
ー情報から総投入熱量＝燃料流量×燃料単位カロリー排ガス流出熱量＝排ガス温度×排ガス重量換算流量×排ガス比熱中間製品温度変化分熱量＝（クリンカ温度−プレヒータ温度）×クリンカ製造量キルン放熱量＝放射熱量係数×（外壁温度−外気温度）^４＋熱伝達係数×（外壁温度−外気温度）を計算し、中間製品吸収熱量＝総投入熱量−排ガス流出熱量 −中間製品温度変化分熱量 −キルン放熱量なる計算により、中間製品であるクリンカの生成に必要
となる吸収熱量ｙ_ｎ＋１をオンライン測定する。

【００２３】これにより、熱プロセスでの発生あるいは
必要熱量に関する実時間定量測定手段が実現できる。特
にセメント製造プロセスでは、これまで測定が困難であ
った単位重量のセメントの焼成過程における必要とされ
る熱量が上記手段により容易に推定できる。

【００２４】図１に示す制御システムにおける各変数の
関係を以下に説明する。まず、混合プロセス（原料系）
１２０には原料組成Ｘ_ij（ｉ＝１，…，ｎ＋１、ｊ＝
１，…，ｍ）の原料が配合比率ｕ_j（ｊ＝１，…，ｍ）
で配合され、生成された中間製品は分析計で組成（性
状）ｙ_i（ｉ＝１，…，ｎ）が測定される。さらに、熱
プロセス（焼成系）１４０で前述の熱量推定システム４
により必要熱量ｙ_n+1が測定される。ここで、ｘ_ijは第
ｊ番目の原料あるいはリサイクル原料に対する第ｉ性状
を意味する。配合比率ｕ_j、原料組成ｘ_ij、中間製品性
状ｙ_iの間には、物質収支則より時刻ｔにおいて以下の
関係が成立する。ただし、ここまでの説明では注目すべ
き中間原料性状はｎ種類、さらに熱量管理が必要の場合
は、必要熱量を第ｎ＋１番目の性状パラメータとした
が、記述を簡易にするために改めて、それらをまとめて
ｎ種類の性状パラメータｙ₁……ｙ_nとして以下では表
現することにする。

【数１】配合制御演算システム１では、この関係式をベースに原
料組成推定、中間製品性状予測、最適配合比率の計算な
どを行なう。

【００２５】次に図１に示す原料組成・性状推定機能２
では、ｍ種類の原料（リサイクル原料を含む）に対する
配合比率と中間製品の性状（元素組成と吸収熱量）分析
結果の時系列データに基づき、各原料の各性状値を実時
間で推定する。その原理は、以下のとおりである。

【００２６】物質収支則（１）式より、時刻ｔ＝１，
…，ＮのＮ個の過去の時系列データに対しては、

【数２】が成り立つ。ここでＹはＮ×ｎ型の、性状を示すマトリ
ックであり、ＵはＮ×ｍ型の配合比率を示すマトリック
スであり、Ｘはｍ×ｎ型の、原料組成を示すマトリック
スである。この時、各原料の各成分の組成ｘ_ijは、最小
二乗法の原理により、

【数３】なる計算で求められる。これを各時刻ごとに時系列デー
タｙ_i(t) ，ｕ_j(t) をずらしながら実行することによ
り、原料性状値を実時間推定できる。

【００２７】特に各原料配合の遅れ特性の影響を考慮す
る場合は、（２ａ）式を操作監視端末１６の例えば図３
に示す操作設定画面で設定された遅れ特性パラメータ、
すなわち混合時定数Ｔ_j，混合無駄時間Ｌ_j（ｊ＝１，
…，ｍ）に基づいて以下の様に修正する。

【数４】ここでＧ_j(s) は第ｊ原料の配合比率変更が分析計に組
成、性状変動として表れるまでのダイナミクスを表す伝
達関数であり、Ｔ_jは時定数、Ｌ_jは無駄時間である。
これにより、混合プロセス１２０の混合過程で遅れが生
じ、組成分析データにずれが生じる場合にも、それらの
影響を補正し、精度の高い原料組成推定が可能となる。

【００２８】次に最適配合率計算機能６では、組成比率
推定値に基づき、最適な配合率を決定し、分散型制御シ
ステムＤＣＳ１２へ送信する。ＤＣＳ１２では与えられ
た比率を実現する各原料の投入量制御を実行する。最適
配合比率の計算、すなわち配合制御演算は、以下の手順
で行なう。

【００２９】まず、最適配合率計算機能６では、中間原
料の各性状が設定値に一致し、かつ原料コストが最小あ
るいはリサイクル原料の処理量が最大になる様な配合比
率を計算するために、以下の評価関数を設定し、それを
最小化することにより最適配合比率を算出する。評価関数：ｍｉｎｊ＝ｃ₁ｕ₁ ^*（ｋ）＋ｃ₂ｕ₂ ^*（ｋ）＋… ＋ｃ_mｕ_m ^*（ｋ）（４）ただし、ｕ_j ^*（ｋ），ｊ＝１，…，ｍは各原料の最適
配合比率、ｃ_j（ｋ），ｊ＝１，…，ｍは各原料・産業
廃棄物の単位重量コストを意味する。

【００３０】ここで、各原料に対し通常の経済的コスト
の他に、仮想的なコスト係数ｃ_ｉ（ｉ＝１，…ｍ）を導
入する。これらの仮想コスト係数は、図３に示す配合制
御系操作・監視画面上で任意の値を設定することができ
る。例えば、値段の高い原料は高いコストを設定すれば
消費量が最小になり、リサイクル原料は０または負のコ
ストを設定することにより、最大の消費量になる様に各
原料の配合率が制御される。

【００３１】従って、原料の残量などの都合で経済性と
は別に優先度管理が必要になる場合について、運転員の
意図を仮想コストという形で配合制御演算に反映させる
ことが可能となり、制御システムとしての操作性が良く
なる。特に、セメント製造プロセス系の場合は、リサイ
クル資源活用率最大化の観点から、運転状況をみながら
可能な限り多くのリサイクル原料を投入する、といった
操作を、リサイクル原料に対し、負のコストを設定する
ことにより、自動的に実現できる。

【００３２】また、上記評価関数の最適化において、配
合プロセス（原料系）１２０および熱プロセス（焼成
系）１４０における各種の運転制約条件として以下を設
定する。

【００３３】元素組成比率の制約：上述の制御仕様を表
現を変えて、以下の等式で表す。ｙ₄ ^*＝ＨＭ×（ｙ₁ ^*＋ｙ₂ ^*＋ｙ₃ ^*）ｙ₁ ^*＝ＳＭ×（ｙ₂ ^*＋ｙ₃ ^*）（５）ｙ₂ ^*＝ＩＭ×ｙ₃ ^* これはセメント製造プロセスにおける中間製品の元素組
成比率の条件で、ＨＭ，ＳＭ，ＩＭはそれぞれ元素比率
条件に関わる係数（目標値）で図３に示す操作監視画面
より設定される。セメントの場合、一般的には、上式で
ｙ₁はＳｉＯ₂，ｙ₂はＡｌ₂Ｏ₃、ｙ₃はＦｅ
₂Ｏ₂、ｙ₄はＣａＯの含有率［％］となる。

【００３４】比率定義上の制約：各原料の比率の総和が
１００[%] であるための条件として、

【数５】を与える。

【００３５】物質収支制約：（１）式と同等の原料配合
比率と中間原料組成間に成立すべき物質収支に基づく等
式条件である。

【数６】これは、ある原料配合比率ｕ_j ^*（ｋ），ｊ＝１，…，
ｍを仮定した時、結果として生成される中間製品の性状
（組成および必要熱量）ｙ_i ^*（ｋ），ｉ＝１，…，ｎ
がどうなるかを予測する予測モデルになっている。特
に、各原料配合の遅れ特性の影響を考慮する場合は、こ
れを図３の操作設定画面で設定された遅れ特性パラメー
タＴ_j，Ｌ_j（ｊ＝１，…，ｍ）に基づいて（７）式を
以下の様に修正する。

【数７】ここで、Ｇ_ｊ（ｓ）は第ｊ原料の配合比率変更が分析計
に組成，性状変動として表れるまでのダイナミクスを表
す伝達関数であり、Ｔ_jは時定数、Ｌ_jは無駄時間であ
る。これにより、混合プロセス１２０の混合過程で遅れ
が生じ、組成分析データにずれが生じる場合にも、それ
らの影響を補正し、精度の高い原料組成予測、配合比率
計算が可能となる。配合率制約条件：各原料の配合率の
上下限を与える不等式制約条件である。ｕ_{j min}≦ｕ_j ^*≦ｕ_{j max} （９）ここで、各原料の混合比率を一定値に固定するか否かを
指定する設定手段を図３の操作監視画面に用意し、ある
原料を現在の配合比率で固定する場合は、以下の等式制
約条件を設定する。ここでｕ_j(t) は第ｊ原料の現在の
配合率である。ｕ_j ^*＝ｕ_j(t) （１０）これにより、配合制御計算における制御自由度、すなわ
ちいくつの操作量を動かすか、といった自由度を任意に
設定することができる。特に、経済性のみを過度に追及
した制御を行なうと制御系の安定性が低下する、といっ
た問題に対し、一時的に制御自由度を低減するなどの操
作で安定性を確保することが可能となる。

【００３６】以上により定式化された制約条件のもとで
評価関数の最適化計算（最小化）を実行する。これは線
形計画問題になり、線形計画法により最適な原料配合比
率ｕ_j ^*（ｋ），ｊ＝１，…，ｍを計算できる。

【００３７】ただし、線形計画法では、しばしば制約条
件が厳しすぎて、解が求められない事態が生じる。そこ
で、上記各制約条件に優先順位を設定する設定手段を有
し、配合比率の最適解が得られない場合は準最適解が得
られるまで優先順位の低い条件から順番に除外していく
機能を用意した。具体的には、図３の設定監視画面で条
件の優先順位設定ボタンを押し、表示された条件の優先
順位を設定する。この機能により、準最適解が得られる
ので、配合制御演算を実時間で続行させることができ、
制御動作の信頼性が向上する。

【００３８】また、しばしば、原料には測定できないバ
イアス成分が含まれることがある。例えば、吸湿性の高
い原料では、天候により空気中の水分を吸収し、重量が
増えてしまうことにより、中間製品性状組成の配合制御
に狂いが生じるなどの問題がある。そこで、（７）の中
間製品の性状に対する予測モデルの代わりに、各原料の
配合比率の時間差部（配合率増部）Δｕ₁，…，Δｕ_m
に対する新しい表現の予測モデルとして

【数８】なる差分表現形式予測モデルを用いる機能を用意した。
これを用いた配合制御演算では、バイアス外乱を除去す
ることができる。その原理を以下に示す。

【００３９】一般に、バイアス外乱成分は、新たな第ｍ
＋１番目の仮想原料（組成Ｘ_bias、比率ｕ_bias）と考え
られる。その変動は急激ではないと仮定すると、

【数９】となり、上述の差分形式予測モデルでは、バイアス外乱
成分を打ち消すことができる。これに基づき、原料配合
比率ｕ₁，ｕ_mのかわりに、その増分Δｕ₁，…，Δｕ
_mを最適化変数として、上述の線形計画問題を解く。そ
して、Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ−１）＋ΔＵ（ｋ）（１３）なる積算演算を行なうことで、最適な配合比率を得るこ
とができる。これは、配合制御則が積分型制御則になる
ため、バイアス外乱に対するオフセット除去効果を持つ
訳である。これにより、原料水分などの未知のバイアス
外乱の影響を押え込むことができる。

【００４０】以上説明したことにより、第１の実施の形
態によれば中間製品の品質を維持しながら原料コストを
最小にする、リサイクル資源活用率を最大にする、さら
に、熱プロセス１４０ての燃料コストを最小にする、燃
焼により発生するＣＯ₂の量を最小化するなどの経済
的、環境的最適運用を実現することができる。特に、セ
メント製造プロセス系においては、セメントの品質を維
持しながら、混合プロセス１２０である原料系での原料
コストの最小化とリサイクル原料処理量の最大化、さら
に熱プロセスである焼成系では消費燃料、ＣＯ₂発生量
の最小化が可能となる。また、ここでは、混合プロセス
と熱プロセスを同時に考慮した配合制御方式になってい
るので、プロセス系全体のバランスのとれた最適運用を
実現することが可能となる。

【００４１】次に本発明によるプロセス系の制御方法の
第２の実施の形態の処理手順を図４を参照して説明す
る。この第２の実施の形態も図１に示す制御システムを
用いて実現される。この第２の実施の形態においては最
適配合率計算機能６は以下のステップで実行される。（ａ）まず、ステップＦ２で、時刻ｔで原料の配合比率
ｕ₁，…，ｕ_mと中間製品の性状あるいは吸収熱量
ｙ₁，…，ｙ_nのデータを観測する。（ｂ）ステップＦ４で、現在得られている各原料の組成
ｘ_ijに基づき、下式より中間原料の各性状に関する誤差
ｅ_iを計算する。

【数１０】そして、次の（１５）式に示す判定により、データの異
常を検出した場合は、図３に示す操作監視画面にアラー
ム表示する。ｉｆ｜ｅ_i(t) ｜≧ｅ_maxｔｈｅｎ異常発生（１５）なおｅ_maxは許容誤差の上限を示す。（ｃ）ステップＦ６で、上記データに基づき（３）式に
従って各原料の組成ｘ_ijを実時間で推定する。（ｄ）ステップＦ８で、その推定データに基づき、再
度、（１４）式の誤差を計算し、以下の判定により、推
定値の異常を検出した場合は、図３に示す操作監視画面
にアラーム表示する。ｉｆ｜ｅ_i(t) ｜≧ｅ_maxｔｈｅｎ異常発生（１６）（ｅ）ステップＦ１０では、前述の評価関数、制約条件
に基づく線形計画問題の定式化に基づき、線形計画法で
最適解を得る。（ｆ）ステップＦ１２では、得られた最適解あるいは準
最適解に対する妥当性を評価する。特に準最適解の場合
には、一部の制約条件の満たされない度合いを評価し、
図３に示す操作監視画面にアラームとともに表示する。（ｇ）最後に得られた原料配合比率をＤＣＳ１２へ送信
後、ステップＦ１４で次の制御周期まで待機する。

【００４２】この第２の実施の形態の制御方法によれ
ば、原料組成・性状を逐次推定し、修正することにより、
原料の組成や熱量の大きな変動に対し、中間製品の性状
・品質を維持し、また原料コスト、燃料コストを最小化
する経済的最適性を維持することが可能になる。特にセ
メント製造プロセス系の場合は、セメント原料やリサイ
クル原料の組成、必要熱量が大きく変動しても、セメン
ト品質を維持しながらリサイクル原料のリサイクル資源
活用率を最大化し、また焼成に必要な燃料消費量、ＣＯ
₂発生量を最小にする経済的、環境的最適性を維持する
ことが可能になる。

【００４３】データ、各原料の組成推定値、配合比率
などの測定・算出結果を表示する手段により、本プロセ
ス系の運転員に対し、本制御装置の動作健全性、有効性
を実時間で知らしめることができ、特に原料組成が大幅
に変動した非定常時に配合制御の異常動作を未然に防ぐ
ことができる。

【００４４】上述の第２の実施の形態の制御方法に、手
動介入操作、原料・変更操作などの非定常運転時に対応
した機能を付加しても良い。これらの機能を以下に説明
する。

【００４５】手動介入対策：最適配合計算結果を下位制
御系（ＤＣＳ）に送信する過程で運転員の判断に基づく
意図的な手動介入がなされる場合がある。この時、配合
制御系としては手動操作からの一種の外乱を受けたこと
に相当し、それを考慮したバンプレスな組成推定・配合
制御計算動作の修正が必要になる。そこで、原料配合比
率の一部を手動で変更した場合に、その変更情報（手動
介入の時刻、変更した原料の種別、変更量）を入力する
設定手段を用意した。その設定画面を図３に示す。現状
の原料配合比率の数値を変更し、手動介入ボタンを押す
ことにより、情報が入力される。また、これらの情報が
入力された時、中間原料性状・組成の予測計算において
その影響を考慮し、修正する機能を用意した。たとえ
ば、時刻ｋ−１で第ｊ₁，ｊ₂，…，ｊ_h原料の配合率
が手動介入によりｕ_j ^oldからｕ_j ^newに変ったとする
と、組成予測式は、

【数１１】と修正される。この修正された予測式を用いた配合制御
は、手動介入に伴う修正分を考慮したフィードフォワー
ド制御に相当する。その機能ブロック構成を図５に示
す。上式右辺第３項の部分がフィードフォワード信号と
して図５のフィードフォワード制御機能５０で算出され
て、最適配合率計算機能６および原料組成・性状推定機
能２へ伝達され、上式の手順で性状予測値の修正がなさ
れる。

【００４６】これにより、原料配合比率の頻繁な手動介
入による制御系の非定常状態を安定化させ、プロセス全
体の経済的最適性、中間製品の品質を保つことができ
る。

【００４７】原料変更時対策：同時に、運転中に原料ホ
ッパーを一度空にして、他の種類の原料を入れる場合の
ような原料切り替えに対し、原料組成推定値の切り替え
を行う必要がある。また、組成制御をバンプレスにする
ために、原料切り替えに伴い配合原料組成制御演算にお
けるフィードフォワード的な動作が必要になる。

【００４８】そこで、一部原料の種類を変更した場合
に、その変更情報（変更時刻、変更した原料の種別）と
新原料の組成情報を入力する設定手段を用意した。その
設定画面を図３に示す。対象原料を選択し、別画面で新
原料の組成情報を入力し、原料切替ボタンを押すことに
より、情報が入力される。これらの情報が入力された
時、原料組成推定値が修正されるとともに、中間原料性
状・組成の予測計算においてその影響を考慮し、修正す
る機能を用意した。たとえば、時刻ｋ−１で第ｊ₁，ｊ
₂，…，ｊ_c原料を入れ替えたとき、それぞれの原料の
第ｉ成分組成がｘ_ji ^oldからｘ_ji ^newに変ったとする
と、組成予測式は、

【数１２】と修正される。この修正された予測式を用いた配合制御
は、原料変更に伴う修正分を考慮したフィードフォワー
ド制御に相当する。前述と同様に、その機能ブロック構
成を図５に示す。上式右辺第３項の部分がフィードフォ
ワード信号として図５のフィードフォワード制御機能５
０で算出されて、最適配合率計算機能６および原料組成
・性状推定機能２へ伝達され、上式の手順で原料組成推
定値および性状予測値の修正がなされる。

【００４９】これにより、原料種類の頻繁な変更・切り
替えによる制御系の非定常状態を安定化させ、プロセス
全体の経済的最適性、中間製品の品質を保つことができ
る。

【００５０】最後に本実施に用いられる制御システムの
操作監視画面３１のレイアウトを図３に示す。上述の様
に各種パラメータの設定や計算処理の状態、アラーム等
の情報表示がなされる。図３で中間製品組成分析値３１
ａ（ｙ₁，…，ｙ₄）および熱量推定値３１ｂ（ｙ₅）
が実時間で表示される。ここで、配合制御演算実行ボタ
ン３１ｃを押すと一連の配合制御演算が実行される。途
中でデータ、組成・性状推定、配合計算において妥当性
の判定結果でエラーが生じれば、アラーム表示３１ｄが
出る。組成比率条件係数３１ｅとして、ＨＭ，ＳＭ，Ｉ
Ｍおよび必要熱量などのパラメータを目標値として設定
しておくと、実際の現状値が表示される。これらの上下
限値も別画面で設定ができる。また、各原料ｕ₁，…，
ｕ₇については、その配合比率の現状値の他に固定か自
由かの制御モード、仮想コスト係数、混合動特性パラメ
ータとしての時定数と無駄時間、さらに別画面で上下限
制限値などを設定できる。非定常運転対応機能３１ｆと
しては、発生時刻と手動介入による原料配合比率変更か
原料の種類変更に相当する原料切替かを指定すると対応
するフィードフォワード制御演算が実行される。さら
に、原料切替については別画面３３で新しい原料の組成
・性状パラメータを入力する。また、各制約条件の優先
順位変更は制約条件優先順位変更ボタン３１ｇを押し
て、別画面３５で個々の制約条件の優先順位を定義しな
おすことができる。

【００５１】以上説明した実施の形態においてはセメン
ト製造プロセス系について述べたが、本発明はこれに限
られるものではなく、混合プロセスと熱プロセスとを有
している他のプロセス系に用いることができることは言
うまでもない。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、製品
の品質を維持するとともに、経済面および環境面で最適
な運用を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプロセス系の制御方法に用いられ
る制御システムの構成を示すブロック図。

【図２】本発明にかかる吸収熱量推定システムと熱プロ
セスとの関係を示す模式図。

【図３】制御システムに用いられる設定監視画面を示す
模式図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の処理手順を示すフ
ローチャート。

【図５】非定常運転時のフィードフォワード制御機能の
構成を示すブロック図。

【図６】セメント製造プロセス系の構成を示す模式図。

【図７】混合プロセスと熱プロセスとを有するプロセス
系の一般的な構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１配合制御演算システム２原料組成・性状推定機能４吸収熱量推定システム６最適配合率計算機能１２分散型制御システム（ＤＣＳ）１６操作監視端末１１０原料投入機１２０混合プロセス１３０分析計１４０熱プロセス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の原料を混合してし中間製品を製造す
る第１のプロセスに供給される前記複数の原料の配合比
率と前記中間製品の性状とに基づいて、前記複数の原料
各々の性状を推定する第１のステップと、前記中間製品に熱処理を施す第２のプロセスの熱処理に
必要とされる熱量を推定する第２のステップと、前記中間製品の性状、および前記第２のステップで必要
とされる熱量が、各々予め設定された範囲内に存在する
ように前記複数の原料の配合比率を算出する第３のステ
ップと、前記第３のステップで算出された前記複数の原料の配合
比率に基づいて前記第１のプロセスに供給される前記複
数の原料の各々の供給量を制御する第４のステップと、を備えたことを特徴とするプロセス系の制御方法。
【請求項２】リサイクル原料を含む複数の原料を混合し
て中間製品を製造する第１のプロセスに供給される前記
複数の原料の配合比率と前記中間製品の性状とに基づい
て、前記複数の原料各々の性状を推定する第１のステッ
プと、前記中間製品に熱処理を施す第２のプロセスの熱処理に
必要とされる熱量を推定する第２のステップと、前記中間製品の性状、および前記第２のステップで必要
とされる熱量が、各々予め設定された上下限値内に存在
するとともに前記リサイクル原料の使用量が最適となる
ように前記複数の原料の配合比率を算出する第３のステ
ップと、前記第３のステップで算出された前記複数の原料の配合
比率に基づいて前記第１のプロセスに供給される前記複
数の原料の各々の供給量を制御する第４のステップと、を備えたことを特徴とするプロセス系の制御方法。
【請求項３】前記第２のステップは、前記第２のプロセスで消費された燃料消費量に基づいて
前記第２のプロセスへの総投入熱量を算出するステップ
と、前記第２のプロセスから排出される排気ガスの温度およ
び流量を測定し、この測定結果に基づいて前記排気ガス
の熱量を算出するステップと、前記中間製品の前記第２のプロセスの入口と出口での温
度差に基づいて前記中間製品に与えられた熱量を算出す
るステップと、前記第２のプロセスが実行される装置の外壁温度と外気
温度に基づいて外部への放熱量を算出するステップと、を有し、前記総投入熱量、前記排気ガスの熱量、前記中
間製品に与えられた熱量、および外部への放熱量に基づ
いて前記第２のプロセスで熱処理に必要な熱量を推定す
ることを特徴とする請求項１または２記載のプロセス系
の制御方法。
【請求項４】前記第３のステップは、前記複数の原料の配合比率、前記中間製品の性状、およ
び前記必要とされる熱量からなるデータの妥当性を判定
し、判定結果を表示するステップと、前記データから前
記複数の原料の各々の性状を実時間で推定するステップ
と、推定された前記原料の各々の性状が妥当であるか否
かを判定するとともに判定結果を表示し、妥当でない場
合には推定された前記原料の各々の性状を修正するステ
ップと、推定または修正された前記原料の性状に基づいて前記複
数の原料の配合比率を算出するステップと、算出された前記配合比率の妥当性を判定し、判定結果を
表示するステップと、を備えたことを特徴とする請求項
１乃至３のいずれかに記載のプロセス系の制御方法。
【請求項５】前記複数の原料のうち少なくとも１つの原
料がリサイクル原料であるとともに残りの原料にセメン
トを生成するための原料が含まれ、更に前記第２のプロ
セスがセメントを焼成させる焼成プロセスであることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプロセス
系の制御方法。