(57)【要約】【課題】プラントの運転に利用するプロセスの状態を監視する。【解決手段】プラントの運転に利用するプロセスの状態を表す値として計測されたプロセス値を取得し、前記プロセス値と前記プロセス値が計測された時刻とを関連付けて計測データとして記憶装置に記憶するデータ取得手段１０１と、前記記憶装置から計測データを読出し、プロセス値の波形を特定する波形特定手段１０２と、前記波形特定手段で特定されたプロセス値の波形から、正弦理論又は余弦理論を利用して、プロセスで問題が繰り返し発生しているか否かを判定する判定手段１０３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプロセスによって運転されるプラントと接続され、前記プラントのプロセスの状態を監視する監視装置であって、
前記プロセスの状態を表す値として計測されたプロセス値を取得し、前記プロセス値と前記プロセス値が計測された時刻とを関連付けて計測データとして記憶装置に記憶するデータ取得手段と、
前記記憶装置から計測データを読出し、プロセス値の波形を特定する波形特定手段と、
前記波形特定手段で特定されたプロセス値の波形から、正弦理論又は余弦理論を利用して、プロセスで問題が繰り返し発生しているか否かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラント運転の各プロセスの状態を監視する監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上下水道プラント等のプラントは、複数のプロセスによって運転している。いずれかのプロセスで発生した問題は、プラント全体に影響することもあるため、プラントでは、各プロセスにおける問題発生の監視が重要である。そのため、プラントの状態の診断やプロセスの予測等については従来から様々な技術が開発されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
例えば、プラントのある場所における水量等の瞬時値（現在値）をプロセス値として測定し、プラントの現在の挙動を診断する方法や、水量等のプロセス値のトレンドから、プラントの将来の挙動を推定するとともにプラントの現在の運用を診断し、問題が発生するようであれば早期に解決しようとする方法がある。
【０００４】
（現在挙動の診断）
プラントにおける現在の挙動の診断には、プロセスから得られる現在の水量等のプロセス値と、数式モデルや運転データから得られたプロセスのトレンド値を利用する方法がある。
【０００５】
例えば、最も簡単な方法として知られているのは、図４に示すように、問題を判定するための上限しきい値、下限しきい値及び許容時間を予め定め、計測されるプロセス値が上限しきい値又は下限しきい値を許容時間以上逸脱したとき、プロセスで問題が発生していると判定する方法である。
【０００６】
また、理想的な挙動を数式モデルでシミュレートできるとき、図５に示すように、シミュレーション結果から上限しきい値及び下限しきい値のモデルを予め定め、計測されるプロセス値のトレンドが上限しきい値以上又は下限しきい値以下であるとき、プロセスで問題が発生していると判定する方法もある。
【０００７】
シミュレートで使用する数式モデルには、診断したいプロセスの挙動を模擬したモデルや過去のプロセス値の履歴に基づいて統計的に処理されて生成されたモデルを利用する。例えば、式（Ａ）に示すような配管抵抗による水頭損失モデル（管路モデル）を利用して圧力損失を算出したり、配水池のモデルを利用して池水位を算出し、算出した値を測定されたプロセス値と比較することで、現在のプロセスの診断や監視が可能になる。
【０００８】
ｈ1−ｈ2＝γＱμ  ・・・（Ａ）
ｈ1：入口側圧力
ｈ2：出口側圧力
Ｑ：流量
Ｃ：流速係数
D：管路径
Ｌ：管路長
λ＝１０．６６６×Ｃ-1.85×D-4.87×Ｌ
μ＝１．８７
（将来挙動の推定と診断）
プラントにおける将来の挙動と現在の運用の診断には、プロセスから得られる現在の水量等のプロセス値と、数式モデルや運用データに基づいて得られたトレンド値を利用して将来のプロセス挙動を推定し、推定した挙動で得られた将来のプロセス挙動を利用して現在のプラントの運用の良否を診断する方法がある。
【０００９】
具体的には、現在のプロセス値を初期値とし、水頭損失モデルや配水池モデル等のプロセスの挙動を予測する数式モデルを利用して将来の挙動をシミュレーションする。その後、シミュレーションによって得られたプロセスのトレンド値で推定される将来のプロセス挙動から、現状の運用方法での良否を診断する。この際、数式モデルの構築に過去に計測されたトレンド値を利用することで、ニューラルネットワークや時系列データによる統計モデル等、将来の挙動の推定と診断とが可能となる。
【００１０】
なお、過去のプロセス値の履歴が充分に蓄積されている場合、シミュレーションによって新たに数式モデルを作成せずに、新たに得られたプロセス値と類似の過去のプロセス値を履歴から検索し、このプロセス値を含むトレンドを将来の挙動と推定することもある。
【００１１】
このように、現在挙動の診断や将来挙動の予測と診断をする際、条件によってプロセス値やトレンドが大きく異なるという特徴がある。図３（ａ）は、排水量をプロセス値とし、この排水量の時間の変化による下水道プラントのトレンドの一例を示しているが、通常は、図３（ａ）に示すように、１日の下水量のトレンドは決まっている。したがって、プロセスの診断には、このようなトレンドを通常日の数式モデルとして予め定めて利用している。
【００１２】
一方、例えば、台風が発生した場合には、通常日と比較して下水量のトレンドは変化する。このように、天候（雨量、風量、気圧等）や交通障害に依存して排水量が変わる日を通常日に対して異常日とし、図３（ｂ）に示すように、通常日の下水量のトレンドを変換して利用する必要がある。また、例えば、水不足等で節水されている時期や、夏場のプールを頻繁に使用する時期にも下水量が変わるため、図３（ｃ）に示すように、通常日に対して特別日とし、通常日の下水量のトレンドを変換して利用する必要がある。
【００１３】
すなわち、プロセス値のトレンドは状況に応じて異なるため、状況に応じてプロセス値のトレンドを求め、求めたトレンドを利用して診断する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−５９２７０号公報
【特許文献２】特開２００４−６２４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したように、従来の方法では、プロセス値の診断等を行なう際には状況に応じて求めたトレンド利用する必要があった。この場合、異常日や特別日のパターンは多数あるため、多数のデータを予め準備しておく必要があり、プロセス値の取得から診断までの処理が複雑になる問題があった。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑み、容易にプラントのプロセスを監視する監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数のプロセスによって運転されるプラントと接続され、前記プラントのプロセスの状態を監視する監視装置であって、前記プロセスの状態を表す値として計測されたプロセス値を取得し、前記プロセス値と前記プロセス値が計測された時刻とを関連付けて計測データとして記憶装置に記憶するデータ取得手段と、前記記憶装置から計測データを読出し、プロセス値の波形を特定する波形特定手段と、前記波形特定手段で特定されたプロセス値の波形から、正弦理論又は余弦理論を利用して、プロセスで問題が繰り返し発生しているか否かを判定する判定手段とを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、容易にプラントのプロセスを監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る監視装置の構成を説明するブロック図である。
【図２】図１の監視装置で特定される波形について説明する図である。
【図３】一般的なプラントの診断で利用されるデータについて説明する図である。
【図４】一般的なプラントの診断方法の一例を説明する図である。
【図５】一般的なプラントの診断方法の他の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を用いて本発明の実施形態に係る監視装置について説明する。本発明に係る監視装置は、上下水道等のプラントと接続され、このプラントで計測される種々のデータ（計測値）を取得し、取得したデータを利用して、プラントにおけるウォーターハンマー等の問題の発生を監視する装置である。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係る監視装置１は、中央処理装置（ＣＰＵ）１０、記憶装置１１、出力装置１２及び入力装置１３等を備える情報処理装置である。監視装置１では、記憶装置１１に記憶される監視プログラム（図示せず）が実行されることにより、図１に示すように、データ取得手段１０１、波形特定手段１０２及び判定手段１０３がＣＰＵ１０に実装される。
【００２２】
データ取得手段１０１は、監視対象であるプラントのセンサで計測された計測値（プロセス値）を取得し、計測値の記憶装置１１に計測データDとして記憶する。この際、データ取得手段１０１は、取得するデータを時系列にサンプリングし、最大サンプリング数Kまでのデータを計測データDとして記憶装置に記憶する。すなわち、計測データDは、時間ti毎の計測値データdiを含むデータである。
【００２３】
波形特定手段１０２は、記憶装置１１に記憶されている計測データDを読出し、計測データDの波形を特定する。具体的には、波形特定手段１０２は、まず、記憶装置１１が記憶する計測データDを読み出し、式（１），（２）を利用して、波形（正弦波）生成の基準データZを求める。
【００２４】
Y＝（３６０×（di／K））  ・・・（１）
Z＝sin（radian（Y））  ・・・（２）
度数分布からラジアン分布への変換では誤差が生じやすいため、波形特定手段１０２は、式（２）で求めた基準データZに対し、式（３），（４）を利用して、誤差を吸収する補正値biasを求める。ここで、式（３）で用いる基準補正値Bは、計測値データdiの最大値を１００、最小値を０としたときに％で表わされる値であり、センサ機器等の「不感帯」である。この不感帯は、機器特性及び機器の適応システムによって一意に定まることが一般的である。
【００２５】
ｂ＝B／１０  ・・・（３）
bias＝（b／１０）＋（pow（b，２）／１００／２）＋（pow（b，３）／１００／２）  ・・・（４）
また、波形特定手段１０２は、基準データZ、補正値bias、上限値dmax及び基準最小値dminから式（５）を利用して最終データValueを求める。ここで、
Value＝（（dmax−dmin）×（（１．０＋Z）／（２．０＋bias）））＋（dmin×（１．０＋（b／１０））  ・・・（５）
このように、波形特定手段１０２は、式（１）〜（５）を利用して、時系列データである計測データDを、図２に示すような最終データValueである波形として表現することができる。波形として表現できるということは、波形として捕らえることができるということであり、すなわち、計測データDをN次式とすることができることを意味する。したがって、単なる時系列の計測値データdiを、論理式として評価することができる。
【００２６】
判定手段１０３は、波形特定手段１０２が特定した波形を利用して、プロセスで問題が繰り返し発生しているか否かを判定し、プラントのプロセスを監視する。
【００２７】
工学制御において求められるデータ（工学単位データ）は、理論上の正弦波（あるいは余弦波）の位相に近いことが多い。または、そのような工学単位データは、時間軸に平衡な直線波形等、所定値から変動の少ない波形であることも多い。正弦理論式や余弦理論式は、波形の直線性においてそのような理論が成立する。そのため、計測データDに正弦理論や余弦理論を適用し、比較的容易かつ正しく推測値を求めることができる。
【００２８】
平面波形上に置かれた正規分布（非正規分布であっても、正規化処理により対応可能なものを含む）は、n次式により表現することが可能であるため、逆にn次式による補正処理を行なうことが可能といえる。すなわち、理論値から算出される正弦曲線、正弦理論公式、正弦ｎ次方程式、余弦曲線、余弦理論公式又は余弦n次方程式による近似分布解析による逆位相検出、すなわち実測値から未測時間軸の算出や過去時間軸における擬似値の算出が可能になる。
【００２９】
正弦理論（正弦定理）は、式（６）を成立させるものであり、
a／sinＡ＝b／sinB＝c／sinC＝２R  ・・・（６）
A＝π／２であるとき、a＝２Rが成立するため、これを応用することで、容易に計測データDのベクトル化と論理式の評価が可能となる。また、計測データDが高次式へ拡散することを回避できる。さらに、正弦波理論は、正弦理論に時間t、時間当たりの単位量λを持たせた、無次元式（m・m-1）であるため、正弦波理論式への展開時にサンプリングデータである計測データDの時間式が適用可能となる。
【００３０】
また、過去データである計測データDを参照する際、余弦理論式は正弦理論式を後方に移動したものと同義であるため、正弦理論式を余弦理論式に置き換えることで計測データの参照が可能となる。具体的には、正弦理論式から余弦理論式へは、正弦理論式をπ／２シフトすればよい。
【００３１】
ここで、パラドックス解（シュレディンガー猫のパラドックス）である波動理論を考慮すると、実測ないし擬似曲線を構成する値の正規性は必須でないため実測データの点にならない部分においても、擬似曲線（予測曲線）を生成することが可能である。
【００３２】
したがって、平面上の値（立面上の値）そのものに意味はあまりなく、曲線の傾向にのみ注目する。このことが、曲線が表示されることがｎ次関数を導き出し、理論上の空間（平面、立面を問わない）での擬似曲線からの逆位相変換解析における理想分布図の生成を助長することになる。
【００３３】
このように、正規理論を適用した時間分布データ（時間単位によるサンプリングデータ）の正規分布についての解が求められる。ここで、正弦理論式の時間単位あたりの増加量をどのように求めるかが問題となる。この増加量が正規分布から著しく離れる値となる場合、時間当たりの単位量λが正常（正確）に求められていない可能性が高く、ｎ次式による解を求めることが無駄になる。したがって、増加量が正規分布から著しく離れている場合は「正規化できないデータ」として処理する必要がある。しかし、正規化分布において「正規化できないデータ」は必ず存在するため、この「正規化できないデータ」の排除と他のデータとの隔離が必要となる。
【００３４】
「正規化できないデータ」の特定方法としては、非可逆正規化式から求めた立体正弦理論値からラジアン値を算出し、角度分布の範囲から外れたデータを「正規化できないデータ」とするのが一般的である。しかしながら、制御理論（制御工学理論）において、非可逆正規化式を適用するのは、制御における外乱θを可逆的に排除してしまうという点、すなわち、外乱発生時に制御不可能になるという点で現実的ではない。
【００３５】
制御においては、外乱θが発生した場合においても、継続性を保つ必要があるため、外乱θもデータのひとつとして扱う必要がある。そのため、正規散乱した分布配置における相関位相を求める。ここで求めるべき相関位相は、正規分布に則したラジアン角度分布から著しく外れたデータを取り出す必要があることから、外乱θをさらに正弦理論に基づいて、再帰解析を利用して算出する。しかしながら、このときの外乱θの一定時間内における発生比率とデータ値のみで求められる正弦分布の信頼性はかなり低いと推定できる。すなわち、一定時間内のデータサンプル量が極めて少ないまたは全くデータがないと推定されるためである。したがって、極めて微量の「正規化できないデータ」においては、正規分布（正弦定理、余弦定理及びベクトル理論）のみでは、正確なデータ分析を行うことは困難である。
【００３６】
無視することができない微量な「正規化できないデータ」については、n次曲線から一定時間範囲の微分演算により、δ値を求め、外乱θの発生比率との関連性を一次式で求めることになり、かつ、外乱θ毎に値を求める必要がある。一次式により求められた値を、逆演算式のαとして与えることで、単位時間当たりの外乱θの発生確率を求めることが可能となり、求められたデータ群の分布図との整合性比較差分値をKとすることで、理論的にはKn次式から分布曲線を求めることが可能である。つまり、正弦波理論に基づいた正規分布曲線で描かれる面積と、Kn次曲線で求められる曲線で描かれる面積との差分面積を、時間単位の微分演算式で求めた結果から推測される非正規分布のベクトル値が、外乱θの一定時間あたりの発生確率となり、その時の外乱の実際の値が、正弦理論式における時間単位あたりにおける増加量の補正値となり得る。
【００３７】
上記の理論値で（実際のサンプリングデータの近似値であれば）、時間単位あたりの補正値を求めることができる。
【００３８】
最終的に問題になるのが、フェルマーの最終定理にあるように、n次式で求める解を算出する式が、Zn＝Xn＋Ynとなり、かつnが３より大きい素数となった場合には、その解を求めることができなくなることである。しかし、もともと正弦定理及び余弦定理でのデータ分布図と曲線は、理論式からの展開によりのみ可能であり、実際に自然界に存在するものではない。したがって、解なしの状態を回避するのに、素数nの近似値を用いて補正を行っても求める解に対する誤差は微小であると考えられる。
【００３９】
例えば、ウォーターハンマーについて推測し判定する場合、図２に示すように特定された波形を利用する。ここで求められる解αを、正規分布における理論上の正弦波形の頂点とし、時間tに依存する増加又は減少の傾向を示す。
【００４０】
解として求められた値αが正弦波形上にあるとき、判定手段１０３は、周期的にウォーターハンマーが繰り返し発生する可能性があると判定する。
【００４１】
一方、値αが正弦波上にないとき、判定手段１０３は、余弦定理を用いて時間軸tを移動させ、正弦波の時間軸tの推移に依存するかどうか判定する。すなわち、求められた解αが余弦波上にあるとき、ウォーターハンマーが繰り返し発生する可能性があると判定する。
【００４２】
正弦波形上又は余弦波形上のいずれにも値αがないとき、判定手段１０３は、ウォーターハンマー発生点がないと考えられ、ウォーターハンマーを外乱θとして捕らえて、波動波形理論から、その正規性を算出することで、ウォーターハンマーの発生推移を予想する。
【００４３】
値αが、波動波形での推測点、すなわち、正規化した時間軸tの相対前後時間（t−１，t−１）から波動波形の正規分布面積の点として現れない場合、判定手段１０３は、ウォーターハンマーは一時的に発生したものであると定義する。
【００４４】
波動理論は、「粒子は静止していて移動しないが、粒子が移動するとき、粒子の波は移動する」という理論であり、ここで「移動する粒子の波」を時間tとおき、波動理論式から求めた点と正弦定理又は余弦定理で求めた点の位相関係を求めることで、ウォーターハンマー発生点の理論式への展開を行い、その傾向と推移を正規分布図として把握できる。
【００４５】
上述した本発明の実施形態に係る監視装置によれば、取得するプロセス値に正弦理論又は余弦理論を適用するため、プロセス値の判定のためのモデルデータ等を予め準備する必要がなく、問題の発生が繰り返し発生しているか否かを容易に判定することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…監視装置
１０…ＣＰＵ
１１…記憶装置
１２…出力装置
１３…入力装置
１０１…データ取得手段
１０２…波形特定手段
１０３…判定手段
【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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