(57)【要約】【課題】鉄鋼業種において実際のプロセスの挙動に即したシミュレーションを行うことができ、臨場感あふれる訓練が実施できる運転訓練用シミュレータシステムを提供する。【解決手段】運転訓練用シミュレータシステムは、プラントの運転訓練に用いられるシミュレータシステムであって、実機の分散型制御システムを用い、かつ熱力学、伝熱工学の少なくともいずれかに基づいて作成されたダイナミックモデルを訓練用プロセスモデルとして用いることにより、鉄鋼業種プロセスに対応した運転訓練を行うものである。【選択図】　　　　　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの運転訓練に用いられるシミュレータシステムであって、実機の分散型制御システムを用い、かつ熱力学、伝熱工学の少なくともいずれかに基づいて作成したダイナミックモデルを訓練用プロセスモデルとして用いることにより、鉄鋼業種プロセスに対応した運転訓練を行うことを特徴とする運転訓練用シミュレータシステム。
【請求項２】
訓練用プロセスモデルは、ＧＵＩ機能を有するユニットベースのダイナミックシミュレータを用いた記述により作成される請求項１に記載の運転訓練用シミュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラントの運転訓練に用いられるシミュレータシステムに関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プラントの運転訓練用シミュレータは、石油精製、石油化学、ボイラープラント等で多く利用されている。これに対し、鉄鋼業種では、分散型制御システム（ＤＣＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ））のオペレータ習熟の方法として、以下に挙げるものが主流となっている。つまり、鉄鋼業種における訓練システムでは、図７に示すような、ビルダのテスト機能を用いる。或いは、図８に示すような、種々の事柄の学習を実際の仕事を通して行うＯＪＴ（Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｊｏｂ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ）を用い、実際の操業中にトレーニングする。
【０００３】
また、図９は、制御性の改善に使用されるプロセスモデルを示す図である。図９（ａ）では、制御量を、プロセスの伝達関数モデルに入力することにより非制御量を導く。また、図９（ｂ）では、制御量を、汎用言語によるプロセスモデルに入力することにより非制御量を導出する。このように、従来の鉄鋼業種における「制御性の改善」の検討方法としては、ＭＡＴＬＡＢ等のソフトにより作成された伝達関数モデルを用いるか、ＢＡＳＩＣ、ＦＯＲＴＲＡＮ等の汎用言語で書かれたプロセスモデルを用いる方法が主流であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した従来のビルダのテスト機能は、実際のプロセス入出力ではなく、ソフトウエアによる入出力信号を用いているため、シミュレーションできる入力信号は、出力信号の一次遅れ等の単純なものでしかなかった。このため、運転の訓練は、ＨＭＩのボタン操作訓練程度での使用に限られていた。
【０００５】
一方、図８に示した従来の実操業におけるＯＪＴでは、訓練中における操作ミスが許されないため、訓練する者にとっての負担が大きく、また、プロセス異常時の操作訓練を行うことができなかった。
【０００６】
本発明は、上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、鉄鋼業種において実際のプロセスの挙動に即したシミュレーションを行うことができ、臨場感あふれる訓練が実施できる運転訓練用シミュレータシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の運転訓練用シミュレータシステムは、プラントの運転訓練に用いられるシミュレータシステムであって、実機の分散型制御システムを用い、かつ熱力学、伝熱工学の少なくともいずれかに基づいて作成されたダイナミックモデルを訓練用プロセスモデルとして用いることにより、鉄鋼業種プロセスに対応した運転訓練を行うことを特徴とする運転訓練用シミュレータシステムを提供する。
【０００８】
本発明の運転訓練用シミュレータでは、ＤＣＳとして実機ＤＣＳを使用し、また、プロセスモデルとして熱力学、伝熱工学等に基づくダイナミックモデルを用いているので、鉄鋼業種プロセスにおいて臨場感あふれる訓練を行うことができる。また、プロセスモデルにより故意に異常状態を発生させるように構成すれば、プロセス異常時に対応した操作訓練を実施することができる。
【０００９】
また、訓練用プロセスモデルは、視覚的に分かり易い表示画面を選択しながら目的とする機能を実行するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）機能を有するユニットベースのダイナミックシミュレータを用いて記述されることが好ましい。このプロセスモデルは、制御性の改善に用いられる厳密モデルとしても利用可能であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本実施形態例に係るプラントの運転訓練用シミュレータシステムを示すシステム構成図である。
【００１１】
本運転訓練用シミュレータシステムは、石油精製、石油化学、ボイラープラント等で用いられるシミュレータシステムを利用し、鉄鋼業種における高炉設備及びその付帯設備において▲１▼オペレータの習熟、及び、▲２▼制御性の改善を目的としこれらを達成するために構築された。
【００１２】
オペレータ習熟のために、熱風炉の自動休送風の手動シミュレーションを行い、手動運転機会の減少を改善する。また、熱風炉弁類のトラブルを想定した炉切替えスケジュールの変更訓練を行い、異常時の処置体験の減少を補う。更に、熱風炉モード切替えシミュレーションや、ＴＲＴ官庁検査を想定した操作シミュレーションを行い、非定常操作の訓練とする。
【００１３】
また、制御性改善のために、熱風炉の炉熱モデルを作製して最適操業点を把握し、熱風炉、弁冷却水の熱負荷モデルを作製し、更に、ガス清浄設備の最適操業点モデルを作製する。
【００１４】
本運転訓練用シミュレータシステムは、図１に示すように、ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１０、コンピュータ１１乃至１３のハードウェアがネットワークケーブル１４を介して接続された構成を備える。
【００１５】
ＨＭＩ１０は、ＤＳＣシステムのオペレータステーションであり、実機で用いるハードウェアをそのまま利用することができる。また、コンピュータ１１は、コンピュータ１２とＤＳＣシステムとの間のゲートウェイとして機能するものであり、ＤＣＳのビルダとしても機能する。コンピュータ１２には、プロセスの挙動を模擬するダイナミックシミュレータが搭載されている。また、コンピュータ１３は、ＤＣＳの制御ステーション機能を模擬するものである。
【００１６】
ここで、本運転訓練用シミュレータシステムで用いるプロセスモデルの一例として、熱風炉の熱収支モデルを挙げる。図２及び図３は、熱風炉設備のＰＦＤ（Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｆｌｏｗ　Ｄｉａｇｒａｍ）を示す図である。
【００１７】
図２及び図３に示すように、熱風炉１５は燃焼室１６及び蓄熱室１７を有しており、燃焼室１６では、ガス燃焼及び熱風の放出が行われる。また、蓄熱室１７では、排ガスが煙道から外部に導かれ、冷風が内部に取り入れられる。熱風、冷風、ガス燃焼、煙道はそれぞれ、対応するバルブ等によって制御される。
【００１８】
図４は、蓄熱室１７をモデル化した図である。図４において、ガスＴｇ−レンガＴｗ間の伝熱は１次元（総括伝熱係数Ｕ）であり、レンガＴｗの断面方向の温度は均一であり、レンガＴｗ同士の伝導伝熱は無視することとし、炉壁からの熱損失は考慮しないこととする。また、図５は、蓄熱室モデルにおける標準ユニット（汎用簡易熱交換器ユニット）を適用した図である。
【００１９】
図６は、汎用簡易熱交換器ユニットの構成を示す図である。
（１）流体側における熱収支は、
Ｑ＝Ｆ＊（Ｈｉｎ−Ｈ）
Ｑ＝Ｕ＊Ａ＊（Ｔｇ−Ｔｗ）　であり、
（２）圧損と流量は、
Ｐｆ−Ｐｂ＝Ｐｄ＊（Ｄｄ／ρ＊ｍｗ）＊（Ｆ／ＷＯ）２　　　であり、
（３）伝熱壁における熱収支は、
ｄＴｗ／ｄｔ＝（ΣＱ−Ｑｌｏｓ）／（Ｇｗ＊Ｃｐｗ）
である。但し、Ｑ：伝熱壁への伝熱量、Ｈ：流体のエンタルピー、Ｆ：流体の流量、Ｕ：総括伝熱係数、Ｔｇ：流体出口温度、Ｔｗ：伝熱壁温度、Ａ：有効伝熱面積、Ｈｉｎ：流体の入りエンタルピー、Ｐｆ：入口圧力、Ｐｐ：出口圧力、Ｐｄ：設計差圧、ＷＯ：設計流量、Ｄｄ：設計密度、ρ：入口密度、ｍｗ：平均分子量、Ｑｌｏｓ：放熱量、Ｇｗ：伝熱壁の重量、Ｃｐｗ：伝熱壁の比熱。
【００２０】
本実施形態例では、訓練システムのプロセスモデルは、ＧＵＩ機能を有するユニットベースのダイナミックシミュレータを用いて記述され、制御性の改善に用いられる厳密モデルとしての利用も可能である。例えば、熱風炉１５の蓄熱室１７のモデルは、ダイナミックシミュレータの標準ユニットである「汎用簡易熱交換器ユニット」を用いて作成されている。これにより、モデル作成の工数が削減される。また、上記プロセスモデルは、最適操業点の把握（制御性の改善）に用いる炉熱モデルとしても利用できる。
【００２１】
以上のように、本運転訓練用シミュレータシステムでは、ＤＣＳとして実機ＤＣＳを使用し、熱力学、伝熱工学等に基づくダイナミックモデルをプロセスモデルとして用いて鉄鋼業種プロセスに適用した訓練を行うことができる。このため、鉄鋼業種において実際のプロセスの挙動に即したシミュレーションを行うことができ、臨場感あふれる訓練を実施することができる。
【００２２】
本訓練システムのプロセスモデルは、制御性の改善に用いられる厳密モデルに流用することができる。これにより、プロセスモデルを作成する際の工数削減を図ることができる。また、プロセスモデルに故意に異常状態を発生させるように構成すれば、プロセス異常時に対応した操作訓練を実施することができる。この場合、実操業のＯＪＴでは経験できない異常時対応の訓練が実施できるので、訓練する者の資質の向上に大きく貢献することができる。更に、前述の数式モデルを用いることにより、実際のプロセスでは測定していないデータを数値計算により把握でき、従って、操業手法の検討、制御性の改善に活用することができる。
【００２３】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の運転訓練用シミュレータシステムは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものでなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した運転訓練用シミュレータシステムも、本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、鉄鋼業種において実際のプロセスの挙動に即したシミュレーションを行うことができ、臨場感あふれる訓練が実施できる運転訓練用シミュレータシステムを提供することができる。
また、本発明の運転訓練用シミュレータシステムを用いることによって、ＤＣＳのソフトウェアをデバックしたり、ＤＣＳのパラメータをチューニングすることができる。
さらに、作成した訓練用プロセスモデルをモデル予測制御等の高度制御に流用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る運転訓練用シミュレータを示すシステム構成図である。
【図２】熱風炉設備のＰＦＤを示す図である。
【図３】熱風炉設備のＰＦＤを示す図である。
【図４】蓄熱室をモデル化して示す図である。
【図５】蓄熱室モデルにおける標準ユニットを適用した図である。
【図６】図５に示した汎用型簡易熱交換器ユニットの構成を示す図である。
【図７】従来のビルダのテスト機能を用いる場合の模式図である。
【図８】従来のＯＪＴを用いて実際の操業中にトレーニングする場合の模式図である。
【図９】制御性の改善に用いられるプロセスモデルを示す図であり、（ａ）はプロセスの伝達関数モデルを用いた場合、（ｂ）は汎用言語によるプロセスモデルを用いた場合を示す。
【符号の説明】
１０　ＨＭＩ
１１　ＡＰ
１２　ＭＤＬ
１３　ＳＩＭ
１４　ネットワークケーブル
１５　熱風炉
１６　燃焼室
１７　蓄熱室
【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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