(57)【要約】【課題】  簡単かつ安定的に純度制御を行うことができる蒸留塔の純度制御方法を提供する。【解決手段】  貯槽の液面レベル（Ｌ）を検出し、貯槽から次工程に送られる抜き出し成分の純度（Ｘ）を検出し、液面レベル（Ｌ）を一定に保つように、貯槽からの流出量（Ｒ＋Ｄ）を線形モデルから決定し、検出された純度（Ｘ）及び求められた流出量（Ｒ＋Ｄ）から還元量（Ｒ）と送出量（Ｄ）との比（Ｒ／Ｄ）を純度（Ｘ）の非線形モデルから決定し、線形モデル及び非線形モデルから還元量（Ｒ）及び送出量（Ｄ）を決定し、非線形モデルを用いて純度（Ｘ）の予測値（Ｘｍ）を求めて予測値（Ｘｍ）と純度（Ｘ）の実測値（Ｘｐ）との位相差を一致させ、予測値（Ｘｍ）と実測値（Ｘｐ）とを比較し、両者の差（Ｘｐ−Ｘｍ）をフィードバックし、差（Ｘｐ−Ｘｍ）が予め設定された許容値の範囲内であるときにこの差をキャンセルする方法である。【選択図】  図２
2008043890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸留塔から抜き出される一つ又は複数の成分の純度を制御する方法において、
抜き出し成分を貯留する貯槽の液面レベル（Ｌ）を検出するステップと、
前記貯槽から次工程に送られる抜き出し成分の純度（Ｘ）を検出するステップと、
前記液面レベル（Ｌ）が変化した場合に、レベル変化量に基づき、前記液面レベル（Ｌ）を一定に保つように、前記貯槽からの流出量（Ｒ＋Ｄ）を、レベルＬに関する線形モデルから決定するステップと、
検出された純度（Ｘ）及び求められた前記流出量（Ｒ＋Ｄ）に基づき、還元量（Ｒ）次工程への送出量（Ｄ）との比（Ｒ／Ｄ）を純度（Ｘ）に関する非線形モデルから決定するステップと、
前記純度（Ｘ）が変化した場合に、前記流出量（Ｒ＋Ｄ）を一定に保ったまま純度（Ｘ）を一定に維持するように前記線形モデル及び前記非線形モデルから前記還元量（Ｒ）及び前記送出量（Ｄ）を決定するステップと、
前記還元量（Ｒ）及び送出し量（Ｄ）を決定した後に、前記非線形モデルを用いて純度（Ｘ）の予測値（Ｘｍ）を求めるステップと、
この予測値（Ｘｍ）と、純度（Ｘ）の実測値（Ｘｐ）との位相差を一致させるステップと、
前記予測値（Ｘｍ）と前記実測値（Ｘｐ）とを比較し、両者の差（Ｘｐ−Ｘｍ）をフィードバックするステップと、
フィードバックされた前記差（Ｘｐ−Ｘｍ）が予め設定された許容値の範囲内であるときに、前記差をキャンセルするステップと、
を有することを特徴とする蒸留塔における純度制御方法。
【請求項２】
前記還元量（Ｒ）及び送出量（Ｄ）の決定を純度検出手段が純度（Ｘ）を検出するタイミングで行う場合において、
前記非線形モデルによる純度の予測値（Ｘｍ）と実測された純度（Ｘｐ）との位相差を推測し、
推測された前記位相差を前記予測値（Ｘｍ）に与えて、前記予測値（Ｘｍ）と前記実測値（Ｘｐ）とを比較するに先立ち、純度の前記予測値と前記実測値との位相を一致させること、
を特徴とする請求項１に記載の蒸留塔における純度制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の純度制御方法における各ステップをを実行するための制御システムであって、
蒸留塔から抜き出された抜き出し成分の貯槽における液面レベルを検出するレベル検出手段と、次工程に送出される抜き出し成分の純度を検出する純度検出手段と、
前記貯槽から前記蒸留塔に抜き出し成分を還元するための還元側バルブ及び前記貯槽から次工程に抜き出し成分を送出する送出側バルブの開閉量を決定する操作変数を出力するＰＩＤコントローラと、
純度に関する非線形モデル及び前記貯槽の液面レベルを一定に保つための線形モデルとを有する内部モデルと、
内部モデルによる予測結果と、前記操作変数の出力に基づく純度検出手段の検出結果とを比較する比較手段と、
前記ＰＩＤコントローラの入力側に設けられ、前記比較手段によって比較された結果が入力されるとともに、前記比較結果が予め設定された許容値の範囲内であるときに、前記比較結果をキャンセルするフィルタと、
を有することを特徴とする蒸留塔における純度制御システム。
【請求項４】
前記純度検出手段の検出タイミングと同じタイミングで前記ＰＩＤコントローラから操作変数の出力を行う場合において、
前記非線形モデルによる純度の予測値と実測された純度との位相差を推測し、推測された前記位相差を前記予測値に与えて、純度の前記予測値と前記実測値との位相を一致させる位相調整部を設けたこと、
を特徴とする請求項３に記載の蒸留塔における純度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留塔から抜き出される成分の純度を制御するための純度制御方法及び純度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油化学工場等のプラントにおいては混合物から複数の成分に分留する蒸留塔が用いられている。蒸留塔では、各成分の沸点の違いを利用し、各段で集められた蒸気を凝縮している。
図４は、本発明の従来例にかかる蒸留塔の純度制御システムの概要を説明する図である。
図４に示す蒸留塔１では、低沸点成分が塔頂部から抜き出されて凝縮器４で液化され、高沸点成分が塔底部から抜き出されて凝縮器１０で液化される。
凝縮器４で液化された低沸点成分は、貯槽５に貯留される。そして、この貯槽５から抜き出された低沸点成分が、管路７を経て次工程に送られる。また、貯槽５から抜き出された低沸点成分の一部は、管路７に分岐して設けられた管路６を経て、蒸留塔１に還元される。
【０００３】
管路７の途中部位には、次工程への低沸点成分の送出量を調整する送出側のバルブ７ａが設けられ、管路６の途中部位には、低沸点成分の還元量を調整する還元側のバルブ６ａが設けられている。また、管路７のバルブ７ａの下流には、低沸点成分の純度を検出するガスクロマトグラフィー等の純度検出器９が設けられている。
バルブ６ａ，７ａの開閉制御を行う制御装置３は、蒸留塔１内の温度や圧力を検出する温度・圧力検出器２及び純度検出器９の検出結果に基づいて、モデル予測制御（ＭＰＣ）等によりバルブ６ａ，７ａの開閉制御を行う。
また、制御装置３は、貯槽５の液面レベルＬを一定に保つために、液面レベルＬとバルブ６ａ，７ａの開閉量とを関連付けて制御するカスケード制御により、バルブ６ａ，７ａの開閉量を決定する。
【０００４】
図５は、図４における蒸留塔１の制御システムのブロック図である。
ＰＩＤコントローラ３１から出力された操作変数ｕは、制御対象プロセス３２に入力され、プロセス出力値Ｘｐとして出力される。このプロセス出力値Ｘｐは、実際には、純度検出器９によって検出された純度である。
一方、内部モデル３３′には、蒸留塔１の塔頂部の温度及び圧力を変数とする線形モデル３３ａ′が用いられていて、操作変数ｕをこの線形モデルに適用したときの出力値に遅れ３３ｂ′を加味したものが、モデル出力値（予測値）Ｘｍとして内部モデル３３′から出力される。
そして、プロセス出力値Ｘｐとモデル出力値Ｘｍとの差（Ｘｐ−Ｘｍ）がＰＩＤコントローラ１にフィードバックされる。
この種の蒸留塔及び純度制御方法は、例えば特許文献１，２により公知である。
【特許文献１】特開２００６−７８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１００１号公報
【０００５】
ところで、上記した従来の制御装置３による制御としては、内部モデル３３′に制御対象プロセス３２の線形モデル３３ａ′を使用したモデル予測制御が知られている。このモデル予測制御は、蒸留塔１の内部の圧力変化や温度変化に応じてバルブ６ａ，７ａの開閉を細かく調整できるという利点は有するものの、圧力変化や温度変化等が生じてから純度検出器９が純度の変化を検出するまでの時間差が大きく、バルブ６ａ，７ａの開閉制御に遅れが生じ、純度制御が不安定になるという問題がある。
【０００６】
このような問題は、蒸留塔１に最大負荷をかけて運転するような場合に特に顕著で、純度制御が不安定になった場合にその回復に長時間を要し、その間に大量の無駄製品が排出されるという問題がある。そのため、上記したような従来の制御においては、蒸留塔１の最大能力をフルに発揮した状態での安定的な運転は困難であった。
【０００７】
また、上記した従来の純度制御では、線形モデルしか用いることができないことから、純度が温度及び圧力と相関関係があることに着目し、近似的に圧力要素と温度要素を含む線形モデル（例えば、Ｘ＝ａＴ＋ｂＰ＋ｃ：ａ，ｂ，ｃは係数、Ｔは温度、Ｐは圧力）を使用していた。そのため、適用範囲が狭いという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、簡単かつ安定的に純度制御を行うことができ、蒸留塔の能力をフルに活用することのできる純度制御方法及び純度制御システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の発明者は、塔内の組成（温度，圧力，原料の供給量、原料の性質等）が変化すると、それに応じて塔頂からの抜き出し量が変化し、貯槽のレベル（Ｌ）が変化すること及びこのレベル変化と蒸留塔への還元量（Ｒ）及び次工程への送出量（Ｄ）とが密接に関連し、かつ、送出量（Ｄ）と還元量（Ｒ）との比が純度（Ｘ）の非線形モデルとして表せることに着目し、本発明に想到した。
【００１０】
すなわち、本発明の制御方法は、蒸留塔から抜き出される一つ又は複数の成分の純度を制御する方法において、抜き出し成分を貯留する貯槽の液面レベル（Ｌ）を検出するステップと、前記貯槽から次工程に送られる抜き出し成分の純度（Ｘ）を検出するステップと、前記液面レベル（Ｌ）が変化した場合に、レベル変化量に基づき、前記液面レベル（Ｌ）を一定に保つように、前記貯槽からの流出量（Ｒ＋Ｄ）を、レベルＬに関する線形モデルから決定するステップと、検出された純度（Ｘ）及び求められた前記流出量（Ｒ＋Ｄ）に基づき、還元量（Ｒ）次工程への送出量（Ｄ）との比（Ｒ／Ｄ）を純度（Ｘ）に関する非線形モデルから決定するステップと、前記純度（Ｘ）が変化した場合に、前記流出量（Ｒ＋Ｄ）を一定に保ったまま純度（Ｘ）を一定に維持するように前記線形モデル及び前記非線形モデルから前記還元量（Ｒ）及び前記送出量（Ｄ）を決定するステップと、前記還元量（Ｒ）及び送出し量（Ｄ）を決定した後に、前記非線形モデルを用いて純度（Ｘ）の予測値（Ｘｍ）を求めるステップと、この予測値（Ｘｅ）と、純度（Ｘ）の実測値（Ｘｐ）との位相差を一致させるステップと、前記予測値（Ｘｍ）と前記実測値（Ｘｐ）とを比較し、両者の差（Ｘｐ−Ｘｍ）をフィードバックするステップと、フィードバックされた前記差（Ｘｐ−Ｘｍ）が予め設定された許容値の範囲内であるときに、前記差をキャンセルするステップとを有する方法としてある。
【００１１】
この方法によれば、蒸留塔の塔内組成の変化により、例えば塔頂抜き出し量が変化すると、この変化量は貯槽の液面レベルの変化として検出される。
液面レベル（Ｌ）が変化すると、液面レベルを一定にさせるべく還元量（Ｒ）と送出量（Ｄ）との和（Ｒ＋Ｄ）を変化させる必要があるが、このときの還元量（Ｒ）と送出量（Ｄ）との比は、純度（Ｘ）を一定にするように求められる。
一方、例えば塔頂抜き出し量が変化しないにも関わらず、実測された純度（Ｘ）に変化が生じた場合は、前記和（Ｒ＋Ｄ）を一定に保ったままで、比（Ｒ／Ｄ）で純度（Ｘ）の変化分を吸収するように、還元量（Ｒ）と送出量（Ｄ）とを決定する。
このようにすることで、塔内の組成の変化とは切り離した形で、抜き出し量の変化と純度とから、還元側及び送出側のバルブ制御を行うことが可能になる。
【００１２】
前記バルブ制御の指令は、定期的であってもよいし不定期的であってもよいが、ガスクロマトグラフィー等の純度検出手段が純度を検出するタイミングで行ってもよい。
この場合、純度検出手段によって純度が検出され、純度の実測値が算出されるまでに一定のタイムラグが生じる。そのため、内部モデルによる純度の予測値と実測値との間に位相差が生じる。
そこで、請求項２に記載の方法では、非線形モデルによる純度の予測値（Ｘｍ）と純度の実測値（Ｘｐ）との位相差を推測し、推測された前記位相差を前記予測値に与えて、前記予測値（Ｘｍ）と前記実測値（Ｘｐ）とを比較するに先立ち、純度の前記予測値と前記実測値との位相を一致させるようにしている。
【００１３】
上記方法を実現するためのシステムは、請求項３に記載するように、請求項１に記載の純度制御方法における各ステップを実行するための制御システムであって、蒸留塔から抜き出された抜き出し成分の貯槽における液面レベルを検出するレベル検出手段と、次工程に送出される抜き出し成分の純度を検出する純度検出手段と、前記貯槽から前記蒸留塔に抜き出し成分を還元するための還元側バルブ及び前記貯槽から次工程に抜き出し成分を送出する送出側バルブの開閉量を決定する操作変数を出力するＰＩＤコントローラと、純度に関する非線形モデル及び前記貯槽の液面レベルを一定に保つための線形モデルとを有する内部モデルと、内部モデルによる予測結果と、前記操作変数の出力に基づく純度検出手段の検出結果とを比較する比較手段と、前記ＰＩＤコントローラの入力側に設けられ、前記比較手段によって比較された結果が入力されるとともに、前記比較結果が予め設定された許容値の範囲内であるときに、前記比較結果をキャンセルするフィルタとを有する構成としてある。
【００１４】
また、請求項２に記載の方法を実現するために請求項４に記載の発明は、前記純度検出手段の検出タイミングと同じタイミングで前記ＰＩＤコントローラから操作変数の出力を行う場合において、前記非線形モデルによる純度の予測値と実測された純度との位相差を推測し、推測された前記位相差を前記予測値に与えて、純度の前記予測値と前記実測値との位相を一致させる位相調整部を設けた構成としてある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上記のように構成されているので、液面レベルを一定にするのに必要な流出量と純度とから、還元側と送出側のバルブ制御を行うことが可能になる。そのため、塔内組成の変化とは切り離した形で、迅速かつ精密で安定した純度制御が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、図４の蒸留塔と同一の部分には同一の符号を付している。
本発明では、図１に示すように、バルブ６ａ，７ａの制御装置３は、貯槽５内の液面レベルを検出するレベル検出器８からの検出結果Ｌと、次工程に送出される低沸点成分の純度Ｘを検出する純度検出器９からの検出結果Ｘとから、バルブ６ａ，７ａの開閉制御を行う。
【００１７】
すなわち、レベル検出器８が液面レベルＬの変化を検出すれば、その変化量に見合うだけのバルブ開閉操作指令を、バルブ６ａ及びバルブ７ａに対して出力する。また、このとき、純度Ｘが変化しないように、バルブ６ａ，７ａの各々の開閉量を決定するわけである。
従って、蒸留塔１の塔内組成の変化から切り離した形で、バルブ６ａ，７ａの開閉制御を行うことができ、かつ、純度Ｘの変化に対して迅速にバルブ６ａ，７ａの開閉制御を行うことができるという利点がある。
【００１８】
図２は、上記制御を行う制御システムのブロック図である。
図示するように、この実施形態の制御システムは、ＰＩＤコントローラ３１，制御対象プロセス３２及び内部モデル３３を基本的な構成要素とするＩＭＣ形のスミス予測器である。
ＰＩＤコントローラ３１の入力側には、制御対象プロセス３２からの出力値Ｘｐと、内部モデル３３からの出力値Ｘｍとの差を、予め設定された許容値の範囲内で、制御対象プロセス３２に生じた系統誤差（外乱）としてキャンセルするフィルタ３０が設けられている。
【００１９】
内部モデル３３は、液面レベルＬと流出量（Ｒ＋Ｄ）との関係を表す線形モデルの他に、純度ＸとＲ／Ｄとの関係を表す非線形モデル３３ａを有していて、この非線形モデル３３ａの演算結果に遅れ３３ｂを付与して、モデル出力値（予測値）Ｘｍとして出力する。
【００２０】
この実施形態では、純度検出器９による純度Ｘの検出タイミングで、ＰＩＤコントローラ３１から制御対象プロセス３２に対して操作変数ｕが出力される。
そのため、内部モデル３３による予測結果Ｘｍと実測値Ｘｐとの間に、図３に示すような位相差が生じる。この位相差は、実験や実測で得られたデータから予測が可能である。
そこで、この実施形態では、位相調整器３５を非線形モデル３３ａの外側に設けて、操作変数ｕに基づく非線形モデル３３ａの演算結果に位相を与え、予測結果Ｘｍと実測値Ｘｐとの間で位相を一致させるようにしている。
【００２１】
次に、上記構成の制御システムにおける作用を説明する。
ＰＩＤコントローラ３１からは、制御対象プロセス３２に対して、純度検出器９からの純度Ｘの検出タイミングで、操作変数ｕが出力される。ＰＩＤコントローラ３１は、モデル部３３の線形モデル及び非線形モデル３３ａを使い、この出力結果から無駄時間の要素を取り除いた伝達関数に基づいて、前記モデルによって求められた還元量Ｒと送出量Ｄとから、操作変数ｕを演算する。
【００２２】
制御対象プロセス３２では、操作変数ｕが制御変数に変換され、この制御変数に応じたバルブ６ａ，７ａの開閉を行う。制御対象プロセス３２からは、バルブ６ａ，７ａの開閉制御の結果、すなわち、純度検出器９によって検出された純度Ｘの実測値がプロセス出力値Ｘｐとして出力される。
【００２３】
操作変数ｕは、モデル部３３にも入力される。そして、操作変数ｕによる制御対象プロセス３２からの出力結果（すなわち純度Ｘ）の予測が行われる。
前記したように、モデル部３３は、還元量Ｒと送出量Ｄとの比（Ｒ／Ｄ）を含む非線形モデル３３ａを備え、この非線形モデル３３ａに基づいて純度Ｘの予測を行う。
非線形モデルとしては、Ｘ＝ａ・ｌｏｇ（Ｒ／Ｄ）＋ｂ    ［ａ，ｂは定数］
を用いることができる。
ここで、定数ａ，ｂは、純度の実測値Ｘｐと、そのときの実際の還元量Ｒ及び送出量Ｄとから求めることができる。
【００２４】
純度検出器９が純度を検出してからその実測値Ｘｐが算出されるまでのタイムラグに基づく非線形モデル３３ａによる純度Ｘの予測値Ｘｍとの間の位相差は、位相調整器３５によってキャンセルされる。
そして、位相を一致させ、遅れ３３ｂを付与して内部モデル３３から出力された予測値Ｘｍと、制御対象プロセス３２からのプロセス出力値Ｘｐとを比較し、その差（Ｘｐ−Ｘｍ）をＰＩＤコントローラ３１にフィードバックする。
【００２５】
ＰＩＤコントローラ３１の入力口側には、フィルタ３０が設けられているので、差（Ｘｐ−Ｘｍ）は、ＰＩＤコントローラ３１に入力されるに先立ち、このフィルタ３０に入力されることになる。
このフィルタ３０では、差（Ｘｐ−Ｘｍ）が予め設定された許容値の範囲内であるときには、差（Ｘｐ−Ｘｍ）を系統誤差としてキャンセルし、その結果がＰＩＤコントローラ３１に入力される。
【００２６】
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限られるものではない。
例えば、上記の説明では、塔頂抜き出し成分である低沸点成分についてのみ説明したが、塔底抜き出し成分である高沸点成分についても同様である。この場合、純度の制御は塔頂抜き出し成分と塔底抜き出し成分の二つについて行う必要があるが、本発明の制御システムを各々に設けることで、塔内組成の変化や他の抜き出し成分の純度制御系とは切り離した形で、純度制御を行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、蒸留塔における抜き出し成分の純度制御に広範に適用が可能で、二液成分の蒸留塔に限らず、多成分の蒸留を行う蒸留塔にも適用が可能である。また、また、本発明は、一般的なＰＩＤ制御に限らず、Ｐ，Ｉ，Ｄの制御パラメータによる制御であれば、Ｉ−ＰＤ，ＰＩ−ＰＤ等の他のＰＩＤ系の全ての制御も含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態にかかり、蒸留塔の純度制御システムの概要を説明する図である。
【図２】図１における蒸留塔の制御システムのブロック図である。
【図３】プロセス出力値とモデル出力値との位相差を説明する図である。
【図４】本発明の従来例にかかり、蒸留塔の純度制御システムの概要を説明する図である。
【図５】図４における蒸留塔の制御システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００２９】
１        蒸留塔
３        制御装置
４        凝縮器
５        貯槽
６        管路（還元用）
７        管路（送出用）
６ａ，７ａ      バルブ（制御対象）
８        レベル検出器
９        純度検出器
Ｒ        還元成分
Ｄ        送出成分
【図１】
2008043890.tif 000003
【図２】
2008043890.tif 000004
【図３】
2008043890.tif 000005
【図４】
2008043890.tif 000006
【図５】
2008043890.tif 000007