(57)【要約】【課題】異常判定のためのデータの収集や登録等を不要とし、短期間のデータで容易に運用するとともに、簡易な構成でコストを削減する。【解決手段】プロセスにおける制御対象の状態を測定して第１信号を出力する測定機器２１と、制御対象の状態を調節する調節機器２２と、第１信号が制御対象の目標値と一致するように調節機器２２を制御するための第２信号を出力する制御機器２３と、を含む制御系２における異常を判定する制御系異常判定装置１であって、第１信号および第２信号を、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換する信号変換部１１と、信号変換部１１によりそれぞれ変換されたウェーブレット変換信号間の相関度が、予め設定した制御系２の正常時に示す相関度の範囲から逸脱した場合に、制御系２に異常があると判定する判定部１２と、を有する。【選択図】図１
2015225517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスにおける制御対象の状態を測定して第１信号を出力する測定機器と、
前記制御対象の状態を調節する調節機器と、
前記第１信号が前記制御対象の目標値と一致するように前記調節機器を制御するための第２信号を出力する制御機器と、
を含む制御系における異常を判定する制御系異常判定装置であって、
前記第１信号および前記第２信号を、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換する信号変換部と、
前記信号変換部によりそれぞれ変換された前記ウェーブレット変換信号間の相関度が、予め設定した前記制御系の正常時に示す前記相関度の範囲から逸脱した場合に、前記制御系に異常があると判定する判定部と、
を有する制御系異常判定装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記制御系に異常があると判定した場合に、表示装置にアラートを表示させる、請求項１記載の制御系異常判定装置。
【請求項３】
プロセスにおける制御対象の状態を測定して第１信号を出力する測定機器と、
前記制御対象の状態を調節する調節機器と、
前記第１信号が前記制御対象の目標値と一致するように前記調節機器を制御するための第２信号を出力する制御機器と、
を含む制御系における異常を判定する制御系異常判定方法であって、
前記第１信号および前記第２信号を、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換する信号変換ステップと、
前記信号変換ステップにおいてそれぞれ変換された前記ウェーブレット変換信号間の相関度が、予め設定した前記制御系の正常時に示す前記相関度の範囲から逸脱した場合に、前記制御系に異常があると判定する判定ステップと、
を含む制御系異常判定方法。
【請求項４】
前記判定ステップは、前記制御系に異常があると判定した場合に、表示装置にアラートを表示させる、請求項３記載の制御系異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御系異常判定装置および制御系異常判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセスを管理する工場では、プラント内に多数の機器（例えばセンサ機器やバルブポジショナ等）を配置してプロセスを管理している。このような工場では、プラント内の機器等の状態を監視し、異常が発生した場合に、早期に対処することが要求される。下記特許文献１には、プラント設備の故障原因や制御状況の悪化原因を早期に発見するためのプラント設備診断装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−４０７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のプラント設備診断装置では、予め知識データベース装置に多くの異常状態および正常状態における各データを登録する必要がある。ここで、安定した診断を行うためには、数年単位に亘る長期間のデータが必要になる場合があり、そのような場合には、データの収集や登録／検証作業に膨大な時間が必要となる。したがって、このようなデータを登録する可能性のある上記診断装置には、構成が複雑になるとともに、コストアップの要因になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、異常判定のためのデータの収集や登録等を不要とし、短期間のデータで容易に運用することができるとともに、簡易な構成でコストを削減することができる制御系異常判定装置および制御系異常判定方法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】
【０００６】
本発明に係る制御系異常判定装置は、プロセスにおける制御対象の状態を測定して第１信号を出力する測定機器と、前記制御対象の状態を調節する調節機器と、前記第１信号が前記制御対象の目標値と一致するように前記調節機器を制御するための第２信号を出力する制御機器と、を含む制御系における異常を判定する制御系異常判定装置であって、前記第１信号および前記第２信号を、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換する信号変換部と、前記信号変換部によりそれぞれ変換された前記ウェーブレット変換信号間の相関度が、予め設定した前記制御系の正常時に示す前記相関度の範囲から逸脱した場合に、前記制御系に異常があると判定する判定部と、を有する。
【０００７】
本発明に係る制御系異常判定方法は、プロセスにおける制御対象の状態を測定して第１信号を出力する測定機器と、前記制御対象の状態を調節する調節機器と、前記第１信号が前記制御対象の目標値と一致するように前記調節機器を制御するための第２信号を出力する制御機器と、を含む制御系における異常を判定する制御系異常判定方法であって、前記第１信号および前記第２信号を、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換する信号変換ステップと、前記信号変換ステップにおいてそれぞれ変換された前記ウェーブレット変換信号間の相関度が、予め設定した前記制御系の正常時に示す前記相関度の範囲から逸脱した場合に、前記制御系に異常があると判定する判定ステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成でコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における制御系異常判定装置を含む機器管理システムの構成を例示する図である。
【図２】図１に示す表示装置に表示される画面を例示する図である。
【図３】実施形態における制御系異常判定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態における制御系異常判定装置を含む機器管理システムの概略構成を例示する図である。図１に示すように、機器管理システムは、測定機器２１、調節機器２２および制御機器２３を含む制御系２と、その制御系２における異常を判定する制御系異常判定装置１と、を備える。
【００１２】
測定機器２１は、例えば、流量、温度または圧力等を検出する各種のセンサ機器であり、プロセスにおける制御対象の状態を測定し、その測定した値に基づく測定値信号（第１信号）を制御機器２３に出力する。
【００１３】
上記制御対象の状態としては、例示的に、プラントが化学プラントである場合には、製品を製造する反応器に対する原料の供給量、反応器内の温度、圧力などが該当し、石油化学プラントである場合には、精製前の原油を貯蔵するタンクにおける原油の貯蔵量などが該当する。
【００１４】
調節機器２２は、例えば、流量調節弁または圧力調節弁等の各種バルブの開度を制御するバルブポジショナであり、各種バルブの開度を制御して、上記制御対象の状態を調節する。
【００１５】
制御機器２３は、測定値信号に対応する測定値が、予め設定された目標値（設定値）と一致するように、調節機器２２を制御するための出力信号（第２信号）を調節機器２２に出力する。
【００１６】
制御系異常判定装置１は、機能的に、例えば、信号変換部１１と、判定部１２とを有する。
【００１７】
信号変換部１１は、制御系２から受信した測定値信号および出力信号を、それぞれウェーブレット変換することで、それぞれの信号に対応するウェーブレット変換信号を生成する。
【００１８】
ここで、ウェーブレット変換する方法としては、公知のウェーブレット変換方法を用いることができるが、上記測定値信号および出力信号を、それぞれ時間と周波数との関係を示す変換信号に変換することができれば、どのような方法を用いてもよい。以下に、ウェーブレット変換方法の一例について記載する。
【００１９】
この方法では、ウェーブレット変換の基底関数として、以下の数１に示す複素数型ウェーブレット関数Ψ（ｔ）を用いる。数１は、ガボール（Ｇａｂｏｒ）ウェーブレット関数の一形態であり、複素数型ウェーブレット関数の代表的なものである。
【数１】
2015225517.tif 000003
【００２０】
信号変換部１１は、以下の数２に示すウェーブレット変換の定義式を用いて、時系列データである測定値信号または出力信号ｆ（ｔ）を、ウェーブレット変換する。
【数２】
2015225517.tif 000004
【００２１】
上記数２に示すＷ（ａ，ｂ）は、ウェーブレット変換によって、複素数で表される時間−周波数領域に展開されたウェーブレット変換データである。数２に示すａは、複素数型ウェーブレット関数のスケールパラメータであり、数２に示すｂは、複素数型ウェーブレット関数のシフトパラメータである。
【００２２】
判定部１２は、信号変換部１１により変換された測定値信号に対応するウェーブレット変換信号と、出力信号に対応するウェーブレット変換信号との間の相関度を算出する。相関度を算出する方法は、類似度を算出する方法を含め、公知の方法を適用することができる。
【００２３】
判定部１２は、算出した相関度が正常時の相関度の範囲から逸脱する場合に、制御系２に異常があると判定し、アラート（警報）を出力する。アラートの出力には、例えば、表示装置１４にアラート内容を表示させることや、管理者の端末にアラート内容を送信することが含まれる。正常時の相関度の範囲は、正常時の制御系２において算出される相関度に基づいて予め設定する。相関度の範囲は、相関度の絶対値の範囲であってもよいし、相関度の偏差の範囲であってもよい。正常時における相関度の実験値の一例を以下に示す。
【００２４】
例示的に、正常時の制御系２において、測定値信号および出力信号を１分周期で収集し、記憶装置１３に蓄積したうえで、直近の１０時間で収集された測定値信号および出力信号を取り出し、２〜１６分の周波数帯域でウェーブレット変換を行った。その結果、測定値信号に対応するウェーブレット変換信号と、出力信号に対応するウェーブレット変換信号との間の相関度は、０．８程度となった。なお、この値は、あくまでも実験値の一例であり、正常時の相関度を０．８程度に限定するものではない。
【００２５】
ここで、本発明の原理について簡単に概説する。例えば流量センサおよびバルブポジショナを含む制御系２では、流量センサによる測定値信号の変動状態とバルブポジショナへの出力信号の変動状態とを、一方の変位方向（正負）を反転させた状態で比較すると、同じように推移することが確認できる。そこで、測定値信号の変動状態と出力信号の変動状態とを比較し、同じように推移していれば、制御系２が正常に動作しており、同じように推移していなければ、制御系２に異常があるとの知見に基づいて本発明に想到した。制御系２に異常がある場合としては、例えば、いずれかの機器が故障していること、配管が詰まっていること等が該当する。
【００２６】
本発明に係る制御系２は、制御対象の状態（例えば原料の流量）に応じて調節機器２２（例えば調節弁の開度）を調節する、即時応答型の制御ループを形成する。このような制御系２には、測定値信号の変動と出力信号の変動との間に生ずる時間的なずれ（遅延）が小さいという特性がある。したがって、本発明に係る制御系異常判定装置１は、時間的なずれを考慮しなくても、測定値信号の変動状態と出力信号の変動状態とを比較して、異常の有無を判定できることにも特徴がある。これにより、時間的なずれを考慮する他の装置に比べ、構成を簡易にすることが可能となった。
【００２７】
図２を参照して、実施形態における表示装置１４に表示される画面について説明する。画面１４１は、測定機器２１から制御機器２３に出力される測定値信号を監視する際の画面である。画面１４１の上段部には、測定値信号のトレンドグラフ（時系列データ）Ｔ１が表示され、画面１４１の中段部には、測定値信号のトレンドグラフＴ１に対応するウェーブレット変換信号Ｗ１が表示される。
【００２８】
画面１４２は、制御機器２３から調節機器２２に出力される出力信号を監視する際の画面である。画面１４２の上段部には、出力信号のトレンドグラフＴ２が表示され、画面１４２の中段部には、出力信号のトレンドグラフＴ２に対応するウェーブレット変換信号Ｗ２が表示される。
【００２９】
判定部１２は、画面１４１に表示されたウェーブレット変換信号Ｗ１および画面１４２に表示されたウェーブレット変換信号Ｗ２の一部の周波数帯を使ってそれぞれを比較し、相関度を算出することになる。
【００３０】
次に、図３を参照して、実施形態における制御系異常判定装置１の動作について説明する。この動作の前提として、制御系異常判定装置１は、所定周期（例えば１分）ごとに、制御系２から測定値信号および出力信号を収集し、記憶装置１３に蓄積していることとする。
【００３１】
最初に、信号変換部１１は、直近の所定時間（例えば１０時間）に収集された測定値信号および出力信号を記憶装置１３から抽出する（ステップＳ１０１）。
【００３２】
続いて、信号変換部１１は、上記ステップＳ１０１で抽出した測定値信号および出力信号を、それぞれウェーブレット変換する（ステップＳ１０２）。
【００３３】
続いて、判定部１２は、上記ステップＳ１０２で変換されたウェーブレット変換信号間の相関度を算出する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
続いて、判定部１２は、上記ステップＳ１０３で算出した相関度が正常時の相関度の範囲から逸脱するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）には、処理を上記ステップＳ１０１に移行する。
【００３５】
一方、上記ステップＳ１０４の判定で相関度が正常時の相関度の範囲から逸脱すると判定された場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）に、判定部１２は、制御系２に異常があると判定し、表示装置１４にアラートを表示させる（ステップＳ１０５）。そして本動作を終了する。
【００３６】
上述したように、実施形態における制御系異常判定装置１によれば、信号変換部１１を有することで、測定機器２１から出力された測定値信号と制御機器２３から出力された出力信号とを、時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号にそれぞれ変換することができ、判定部１２を有することで、変換後のウェーブレット変換信号間の相関度が、制御系２の正常時における相関度の範囲から逸脱した場合に、制御系２に異常があると判定することができる。
【００３７】
これにより、測定値信号と出力信号とをそれぞれウェーブレット変換信号に変換し、変換後の信号間の相関度が正常時の範囲から逸脱するか否かを判定する、という簡易な構成により制御系２の異常を監視することができる。
【００３８】
それゆえ、実施形態における制御系異常判定装置によれば、異常判定のためのデータの収集や登録等を不要とし、短期間のデータで容易に運用することができるとともに、簡易な構成でコストを削減することが可能となる。
【００３９】
なお、上述した実施形態では、記憶装置１３に蓄積された測定値信号および出力信号を取り出す際の収集期間を、例示として１０時間に設定した場合について説明しているが、上記収集期間は１０時間に限定されない。例えば、２〜１０時間の間で任意に設定できることとしてもよい。上記収集期間を短くすると、短い期間で異常の有無を判定することができるため、異常の発見をより早期に行うことが可能となる。一方、上記収集期間を長くすると、測定値信号の変動と出力信号の変動との間に時間的なずれが生ずる制御系であっても、収集期間に対する時間的なずれの割合を小さくすることができるため、異常有無の判定精度をより向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１…制御系異常判定装置
２…制御系
１１…信号変換部
１２…判定部
１３…記憶装置
１４…表示装置
２１…測定機器
２２…調節機器
２３…制御機器
【図１】
2015225517.tif 000005
【図３】
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【図２】
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