(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラント装置と、該装置に接続されている配管を有するプラントに設置され、各計測点の情報を取り込み、プラントの運転制御監視を行う計算機システムからなるプラント制御監視装置において、
前記計算機システムは、配管ユニット、装置ユニット、制約監視制御ユニット及び制御ユニットを管理単位として有すると共に、実行制御管理処理部を備え、前記制約監視制御ユニットとして、前記配管ユニット及び前記装置ユニットで得られた演算結果と前記各計測点の計器データから制約条件を考慮した運転限界の制御目標値の算出を行う演算処理部と、得られた結果を格納する制約条件データベースを有し、前記実行制御管理処理部によって前記制約監視制御ユニットに前記計器データの取得と前記制御目標値の計算を実行させることを特徴とするプラント制御監視装置。
【請求項２】
プラント装置と、該装置に接続されている配管を有するプラントに設置され、各計測点の情報を取り込み、プラントの運転制御監視を行う計算機システムからなるプラント制御監視装置において、
前記計算機システムは、配管ユニット、装置ユニット、制約監視制御ユニット及び制御ユニットを管理単位として有すると共に、実行制御管理処理部を備え、前記配管ユニットは、前記プラントの配管に対応して仮想的に構築されると共に、該配管内を移動する物質の性状及び動きを示すデータを計器データから取得あるいは計器データから計算によって取得するための演算処理部と、得られた結果を格納する配管データベースを有し、前記装置ユニットは、プラントの装置に対応して仮想的に構築されると共に、該装置の性能を計算によって取得するための演算処理部と、得られた結果を格納する装置データベースを有し、前記制約監視制御ユニットは、前記配管ユニット及び前記装置ユニットで得られた演算結果と前記計器データから制約条件を考慮した運転限界の制御目標値の算出を行う演算処理部と、得られた結果を格納する制約条件データベースを有し、前記制御ユニットは、前記配管ユニット、前記装置ユニット及び前記制約監視制御ユニットで得られた演算結果を用いてプラント制御のための演算を行う演算処理部と、得られた結果を格納する制御データベースを有し、前記実行制御管理処理部によって予め指定された前記各ユニットについて予め指定された計器データを取得して予め定義された計算を予め指定された順序に従って実行させることを特徴とするプラント制御監視装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記計算機システムは、前記制約監視制御ユニット内で演算に使用するプラント装置及びプラント運転上の制約条件の設定及びプラントの操作変数の設定を行う機能を有することを特徴とするプラント制御監視装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記計算機システムは、表示部と操作部とを有するマンマシン装置を有し、前記マンマシン装置は、前記配管ユニットが有する配管データベース、前記装置ユニットが有する装置データベース、前記制約監視制御ユニットが有する制約条件データベース及び前記制御ユニットが有する制御データベースから演算結果を取得して表示する機能を有することを特徴とするプラント制御監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機を用いたプラントの運転制御監視システムにおいて生産計画、装置限界などのプラント運転上の制約を考慮した制御目標値を算出するプラント制御監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロセス産業においては、そのプラントの運転制御に計算機システムを導入することが一般的であり、プラントの運転制御においては、制御の高度化及び高機能化が進められている。
図２に、従来のプラント運転監視用計算機システムを示す。プラント装置５にはプラントの状態を測定するための各種計器４が備えられている。その計器４の計測データは、プロセス入出力装置１１を経由して演算処理装置１２に取り込まれる。演算処理装置１２では、取り込んだ計測データの計器データベース１３への保存、マンマシン装置３への表示出力などを行う。
プラントの運転監視を実施する際には、計器４から直接取り込まれた計測データを監視するだけではなく、計測データを利用してプラント装置の性能、熱収支、物質収支などの運転管理計算を行った上で、それらの値を監視することも少なくない。このようなプラントの運転監視を行うために、その目的に応じた各種業務プログラム群（１，２，…，ｎ）１４をプラント運転監視用計算機システム１に搭載している。しかし、このような各種業務プログラム群１４により計算される運転管理データは、計算機システム内で取り扱う構造が規定されていないため、業務プログラム間あるいは外部のプログラムから参照することができない、という問題があった。
前述の問題に対しては、計測データ及び運転管理データを配管毎あるいは装置毎のユニット構成で一元管理するプラント運転管理システムにより解決されている。なお、このプラント運転管理システムに関連する技術として、特開平５−３２２６０２号公報に記載がある。
また、プラントの運転制御においては、プラントの最適運転状態を維持するための制御目標値の計算を行う必要がある。従来はこの制御目標値の計算をするために、プラント運転制御用計算機システムを構築し、プラント運転監視用計算機システムとは独立したシステムで運用を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラントの運転制御監視を実施する際には、上述のように、各種運転管理計算及び制御目標値計算を行う必要がある。しかし、従来はこれらの機能を実現する際に、系統だてたシステムが提供されておらず、目的とする機能毎に業務プログラムを個別に作成あるいは専用の計算機システムを構築する必要があった。また、運転管理データについては、データベース化されていないため、異なる業務プログラム間にわたって共有することができなかった。
【０００４】
本発明の課題は、プラントの運転上の複数の制約を考慮し、常に運転限界条件である制御目標値を算出するプラント制御監視装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、プラントの運転制御監視を行う計算機システムは、配管ユニット、装置ユニット、制約監視制御ユニット及び制御ユニットを管理単位として有すると共に、実行制御管理処理部を備え、制約監視制御ユニットとして、配管ユニット及び装置ユニットで得られた演算結果と各計測点の計器データから制約条件を考慮した運転限界の制御目標値の算出を行う演算処理部と、得られた結果を格納する制約条件データベースを有し、実行制御管理処理部によって制約監視制御ユニットに計器データの取得と制御目標値の計算を実行させる。
ここで、計算機システムは、制約監視制御ユニット内で演算に使用するプラント装置及びプラント運転上の制約条件の設定及びプラントの操作変数の設定を行う機能を有する。
ここで、計算機システムは、表示部と操作部とを有するマンマシン装置に配管データベース、装置データベース、制約条件データベース及び制御データベースから演算結果を取得して表示する機能を有する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明のプラント制御監視装置の一実施形態の概要を示す。
本実施形態で用いられる計算機システム１は、図１に示すように計算機本体２と計算機本体２に接続されるマンマシン装置３とを有する。計算機本体２は、プラントの管理システムとして配管ユニット３１、装置ユニット３２、制御ユニット３３及び制約監視制御ユニット３４を各管理単位として有する。
配管ユニット３１は、実際のプラント配管に対応して計算機本体内に仮想的に作成されるプラント配管であり、配管内を流れる物質の温度、圧力、流量、組成などのデータを一括管理する。装置ユニット３２は、プラントの構成要素である熱交換器、反応器などのプラント装置の性能計算、管理計算を行い、プラント装置の性能を監視する。制御ユニット３３は、各計器に対する制御目標値の設定、プラントの立ち上げ、停止などの非定常運転時の順序制御などを行う。制約監視制御ユニット３４は、配管ユニット３１及び装置ユニット３２で管理、監視されているデータを含む複数の運転上の制約下で運転上の限界条件となる制御目標値を算出する。なお、制約監視制御ユニット３４の詳細については後述する。
【０００７】
上記各ユニットを有する計算機本体２について、図３を参照して説明する。図３は、本発明のプラント制御監視装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。各構成要素間の矢印は情報または信号の流れを示す。
計算機本体２は、プラント５との間で計器４の計測データの入出力を行うためのプロセス入出力装置１１を有する。その計器４の計測データは、プロセス入出力装置１１を経由して演算処理装置１２に取り込まれる。演算処理装置１２では、取り込んだ計測データの計器データベース１３への保存、マンマシン装置３への表示出力などを行う。この他に、プロセス入出力装置１１に代えて通信装置１５を経由してＤＣＳ（分散型計装システム）６より計器データを取り込む構成とすることもできる。また、計算機本体２は、プラント５からの計器データを格納するための計器データベース１３と、各ユニット内で各種計算を実行するための配管処理プログラム４６、装置処理プログラム４７、制御処理プログラム４８及び制約監視制御処理プログラム４９、各ユニット内での処理結果を格納する配管データベース４１、装置データベース４２、制御データベース４３及び制約監視制御データベース４４とを有し、各ユニット内のプログラムとデータベースの生成、実行順序テーブル１６の生成を行うＢ＆Ｍ（ビルダ＆メンテナンス）機能１８を有する。各ユニットは、各ユニット内のプログラムに従って各種演算を行う演算処理部を有し、また、その演算の実行タイミングについては、予め指定された各ユニットの予め指定された計器データを取得して予め定義された計算を予め指定された順序で実行させるなどの管理を行う実行制御管理処理部１７を有する。
さらに、計算機本体２は、プラント内で取り扱われる物質の分子量、臨界定数などの各種物性データを管理する物性データベース４５と、各ユニットのプログラム内で必要に応じて計算される密度や粘度などの物性計算を物性データベース内で管理されている物性データを基に実行する物性推算ライブラリー５０を有する。物性データベース４５及び物性推算ライブラリー５０の生成もＢ＆Ｍ機能１８によって行う。なお、Ｂ＆Ｍ機能１８は、本実施形態ではプラント制御監視装置を構成する計算機本体２に搭載しているが、異なる計算機システムに搭載してそこで生成されたプログラムなどを本装置にロードする構成としても良い。
マンマシン装置３は、プラントの運転監視のために表示部２１と操作部２２とを有する。表示部２１では、ＣＲＴディスプレイなどにより各種データベースの内容などを表示する。操作部２２ではキーボードやマウスなどにより計算機システムに対する指示の入力を受け付ける。
【０００８】
次に、本実施形態が適用されるプロセスの一例の構成について、図４を参照して説明する。
図４に示すプロセスは、プラント装置として反応器１０１を備え、供給原料を配管１０２より反応器１０１へ供給し、反応製品を配管１０３より取り出す。反応製品の濃度については、分析計１２１により測定される。反応器内の温度は、スチーム１０４による熱交換方式で調節を行う。
次に、本実施形態のプラント制御監視装置の機能について説明する。このプロセスに適用する本実施形態のプラント制御監視装置は、図１、図３に示したプラント制御監視装置と同じ構成である。
配管１０２及び配管１０３は、プラント制御監視装置内で配管ユニット３１として定義される。配管ユニット３１では、該当配管に設置された計器の計測データ及び他の配管ユニットの演算結果などを基に配管処理プログラム４６により必要な演算処理が行われ、演算結果を配管データベース４１に保存する。ここでいう演算としては、温度圧力などの単位換算、流量の温度圧力補正、エンタルピの計算などがある。
反応器１０１は、プラント制御監視装置内で装置ユニット３２として定義される。装置ユニット３２では、該当装置に設置された計器の計測データ及び該当装置に接続された配管ユニットの演算結果などを基に装置処理プログラム４７により必要な演算処理が行われ、演算結果を装置データベース４２に保存する。ここでいう演算としては、計器４により直接測定できないデータを化学工学的な解析により求めるものであり、反応器の性能、反応器内での反応速度などがある。
制約監視制御ユニット３４では、制約監視制御処理プログラム４９により複数の運転上の制約下で、運転上の限界条件となる制御目標値を算出する。まず、Ｂ＆Ｍ機能１８によりプラント装置において制御対象となる操作変数と、運転上の制約条件を設定する。図５に、操作変数の設定画面の一例を示す。本実施形態のプロセスにおいて操作変数となるのは、反応器１０１への供給原料流量である。この操作変数２０１に対して、上限値２０２、下限値２０３、制御をかける場合の１回当たりの操作変数変化量の上限値２０４と下限値２０５及びそれらの単位２０６について設定を行う。図６に、制約条件の設定画面の一例を示す。本実施形態のプロセスにおいて制約条件となるのは、反応器内の温度、反応器内の反応速度及びスチームの供給流量である。これらの制約条件２１１に対して、制約の向き２１２、制約値２１３及びその単位２１４について設定を行う。これらの制約条件２１１には、計器４による直接の計測データだけではなく、装置ユニット３２での演算結果も設定できる。このようにして設定された操作変数２０１と運転上の制約条件２１１は、制約条件データベース４４へ保存される。
【０００９】
一般に、プロセス制御は、操作量の変化を抑制しながら目標値へ追従するように、現時点で加える操作量を決定していく。つまり、操作変数は、ある評価関数（制御目的）に基づいて決定する必要がある。ここで、操作変数の変化幅を未知変数とすると、「操作変数の変化」の最小化と「目標値との偏差」の最小化を同時に満たす解を決定することが制御目的となる。従って、評価関数は、
評価関数＝（操作変数の変化量）２＋（操作変数の更新値−制御目標値）２        （数１）
と表現できる。すなわち、評価関数は、操作変数の変化量に関して二次形式で表現できるため、二次計画法をはじめとする数理計画法によって解くことができる。
また、プロセス制御においては、通常、制御対象となるプロセスに対して、運転上の制約が存在する。操作変数２０１に関する制約は、以下のように不等式によって表現できる。
（運転上の下限値）＜（操作変数の更新値）＜（運転上の上限値）    （数２）
（変化量下限値）＜（操作変数の変化量）＜（変化量上限値）            （数３）
運転上の制約条件２１１については、以下のような不等式によって表現できる。
（運転制約下限値）＜（操作変数更新時の制約条件予測値）＜（運転制約上限値）        （数４）
ここで、運転上の制約に関しては、装置ユニットにおいて操作変数を関数として表現できるものとする。したがって、上記の不等式は、すべて操作変数の変化量を未知数として表現できる。
上記のようにして、運転限界の制御目標値（操作変数の更新値）が計算される。この算出された制御目標値（操作変数の更新値）は、制約条件データベース４４に保存される。
さらに、制御ユニット３３により、制御目標値がプラント５に出力され、目的の性能で運転されるように制御することができる。
【００１０】
次に、図７、図８及び図９を用いて、本実施形態における操作変数２０１と制約条件２１１の関係について説明する。図７は、操作変数（反応器への供給原料の流量）のトレンド、図８は、３個の制約条件のうち、反応器内の反応速度のトレンド、図９は、３つの制約条件の余裕度のトレンドをそれぞれ示す。
いま、図７の時刻１において、供給原料流量の第一制御目標値（運転員または上位計算機から与えられる。）４０３を１５から２５に変更した場合を考える。供給原料流量４０５は、運転上の制約条件を考慮した上で算出された第二制御目標値（運転限界の制御目標値に相当）（数１〜数４に従って決められる。）４０４に追従しながら、第一制御目標値４０３へ近づいていく。この時、図８において、供給原料流量の増加にともなって制約条件の１つである反応速度４１２も増加していく。図７では、時刻２．６以降、第二制御目標値４０４は一定値２２となるが、これは、制約条件内でとりうる最大流量である。制約条件によって必ずしも第一制御目標値４０３と第二制御目標値４０４が等しくはならない。図８より、反応速度については、時刻３．５以降、一定値３００となり、最大制約条件値４１１である３２０を下回っている。他の制約条件との関係で制約条件値が必ずしも制約条件の最大値（あるいは最小値）と等しくはならない。
また、図９に示す余裕度については、
（余裕度）＝１−（制約条件の現状値）／（制約条件の最大値）        （数５）
または、
（余裕度）＝（制約条件の現状値）／（制約条件の最小値）−１        （数６）
として定義する。余裕度が０に近いほど制約条件の限界に近づいており、余裕がないことを示している。図９において時刻２．２までは、反応器内温度４２１が最も制約の限界に近く、それ以降は、反応器内の反応速度４２２が最も制約の限界に近いことがわかる。ここで、スチーム供給量４２３は略一定に保つ。
図７、図８及び図９は、マンマシン装置３の表示部２１へ表示させることにより、運転員への監視画面として使用することもできる。
【００１１】
なお、本実施形態では、操作変数２０１が１個、制約条件２１１が３個といった小規模な構成となっているが、対象となるプラントが大規模な構成でも同様の運転制御監視を行うことができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プロセスの計測データに加えて化学工学的な解析を行うことにより、計器で直接測定できないデータを含む運転上の複数の制約下で常に運転限界条件である制御目標値を設定し、プラントの高効率運転を実施することが可能となる。
また、運転員へ制約条件のトレンドを表示することにより、プラントの高度な運転制御監視を実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラント制御監視装置の一実施形態の概要を示すブロック図。
【図２】従来技術によるプラント運転監視用計算機システムの構成を示すブロック図
【図３】本発明のプラント制御監視装置の一実施形態の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施形態が適用されるプロセスの構成を示すブロック図
【図５】本発明の一実施形態に係わる操作変数の定義方法例を示す説明図
【図６】本発明の一実施形態に係わる制約条件の定義方法例を示す説明図
【図７】本発明の一実施形態に係わる操作変数及び制御目標値のトレンド例を示す説明図
【図８】本発明の一実施形態に係わる制約条件のトレンド例を示す説明図
【図９】本発明の一実施形態に係わる制約条件の余裕度のトレンド例を示す説明図
【符号の説明】
１…プラント制御監視装置、２…計算機システム、３…マンマシン装置、４…計器、５…プラント、６…ＤＣＳ（分散型計装システム）、１１…プロセス入出力装置、１２…演算処理装置、１３…計器データベース、１４…業務プログラム、１５…通信装置、１６…実行順序テーブル、１７…実行制御管理処理部、１８…Ｂ＆Ｍ（ビルダー＆メンテナンス）機能、２１…表示部、２２…操作部、３１…配管ユニット、３２…装置ユニット、３３…制御ユニット、３４…制約監視制御ユニット、４１…配管データベース、４２…装置データベース、４３…制御データベース、４４…制約条件データベース、４５…物性データベース、４６…配管処理プログラム、４７…装置処理プログラム、４８…制御処理プログラム、４９…制約監視制御処理プログラム、５０…物性推算ライブラリー、１０１…反応器、１０２、１０３、１０４…配管、１２１…分析計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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