(57)【要約】【課題】少ないデータでオートメーションシステムの異常を検出すること。【解決手段】複数のフィールド機器２５を有する対象システム１２と、対象システム１２の異常を検出して当該異常の原因を特定する異常検出装置１３とを備えて診断システム１０が構成されている。異常検出装置１３は、対象システム１２の運転状態を監視する監視機能４１と、この監視機能４１による監視結果に基づいて、対象システム１２を診断する診断機能４２とを備えている。監視機能４１は、対象システム１２内の所定の状態量から前記エネルギーの有効利用度を演算する演算手段４５と、演算されたエネルギーの有効利用度が正常値よりも低下したときに、異常が発生している可能性があると判断する比較決定手段４６とを備える。診断機能４２は、異常が発生している可能性があると判断されたときに、当該異常の原因を前記状態量から特定する原因特定手段５１を備える。【選択図】          図１
2004334418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のオートメーションシステム内の異常を検出する装置において、
前記オートメーションシステム内のエネルギーの有効利用度に基づいて、前記異常を検出可能に設けたことを特徴とするオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項２】
前記オートメーションシステムの動作状態を監視する監視機能と、この監視機能による監視結果に基づいて、前記オートメーションシステムを診断する診断機能とを備え、
前記監視機能は、前記オートメーションシステム内の所定の状態量から前記エネルギーの有効利用度を演算する演算手段と、演算されたエネルギーの有効利用度と正常値とを対比し、エネルギーの有効利用度が前記正常値よりも低下したときに、前記異常が発生している可能性があると判断する比較決定手段とを含み、
前記診断機能は、前記比較決定手段で、前記異常が発生している可能性があると判断されたときに、当該異常の原因を前記状態量、若しくは原因特定に必要な状態量から特定する原因特定手段を含むことを特徴とする請求項１記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項３】
前記監視機能には、前記オートメーションシステム内の所定の状態量を計測、収集する収集手段が設けられていることを特徴とする請求項２記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項４】
前記比較決定手段で前記異常が発生している可能性があると判断されたときに、前記原因特定手段に前記診断の実行を通知する監視状態の通知手段を更に備えたことを特徴とする請求項２又は３記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項５】
前記原因特定手段による診断結果を所定の装置に通知する診断結果の通知手段を更に備えたことを特徴とする請求項２、３又は４記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項６】
前記監視機能及び／又は診断機能は、フィールド機器のファンクションブロックに実装されていることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項７】
前記状態量の一部若しくは全部は、一台で複数の状態量を検出可能なマルチバリアブル型のフィールド機器により収集されることを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載のオートメーションシステムの異常検出装置。
【請求項８】
コンピュータを用いて所定のオートメーションシステムの異常を検出する方法において、
前記オートメーションシステム内のエネルギーの有効利用度を演算し、当該エネルギーの有効利用度が所定の正常値よりも低下したときに、前記オートメーションシステム内に異常が発生している可能性があると判断し、当該異常の原因に対応する状態量を順次調査して、前記異常の原因を特定することを特徴とするオートメーションシステムの異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートメーションシステムの異常検出装置及び異常検出方法に係り、更に詳しくは、少ないデータでオートメーションシステムの異常を検出可能なオートメーションシステムの異常検出装置及び異常検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロセスオートメーション等において、その異常の有無を判断する診断システムが数多く知られている（例えば、特許文献１等参照）。このような診断システムは、コンピュータを使って、多数のフィールド機器により検出された温度、圧力、流量等の各種状態量を短サイクルで収集し、当該各状態量を常時それぞれの正常値と対比して、総合的な見地から前記異常の判断を行うようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５０６１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記診断システムにあっては、その異常の有無に拘らず、膨大な種類の状態量を短サイクルで収集し、当該状態量と正常値とを常に対比するようになっているため、それらの処理を行うコンピュータに多大な負荷がかかる他、当該コンピュータとフィールド機器との間における通信上の負荷も多大になるという不都合がある。特に、近時のプラント等においては、高効率運転を実現するため、高度且つ複雑な制御技術が導入されていることから、前述の不都合が一層顕著となる。
また、エネルギーの有効利用、地球環境保護の観点から、今後の動力・エネルギーシステムとしては、大規模集中型から、各家庭単位等のような中小規模且つ自立分散型の形態を採った上で、自家発電した電気エネルギーのみならず同時に生成される熱エネルギーをも有効利用できるようなシステムの構築が重要となる。このようなシステムを普及させるには、システム毎で、自律的に異常診断を行えるようにする必要があるが、この場合には、システム構成の簡素化を促進する等の観点から、データの処理上及び通信上の負荷を掛けずにシステムの異常を検出可能にすることが望まれる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、このような不都合等に着目して案出されたものであり、その目的は、少ないデータでオートメーションシステムの異常を検出することができるオートメーションシステムの異常検出装置及び異常検出方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、所定のオートメーションシステム内の異常を検出する装置において、
前記オートメーションシステム内のエネルギーの有効利用度に基づいて、前記異常を検出可能に設ける、という構成を採っている。このような構成によれば、エネルギーの有効利用度は、オートメーションシステム内に存在する各種機器等の状態量のうち、一部の状態量を使って求めることができるため、オートメーションシステムの異常を検出する際に、全ての状態量と正常値とを常時対比する必要がなくなり、少ないデータでオートメーションシステムの異常を検出することができる。しかも、ここで求められたエネルギーの有効利用度は、オートメーションシステムの省エネルギー度を表す指標として活用することができ、オートメーションシステムの高効率化運転のチェック、若しくは、省エネに寄与する運転状態の維持や変更等が行い易くなる。
【０００７】
本発明において、前記オートメーションシステムの動作状態を監視する監視機能と、この監視機能による監視結果に基づいて、前記オートメーションシステムを診断する診断機能とを備え、
前記監視機能は、前記オートメーションシステム内の所定の状態量から前記エネルギーの有効利用度を演算する演算手段と、演算されたエネルギーの有効利用度と正常値とを対比し、エネルギーの有効利用度が前記正常値よりも低下したときに、前記異常が発生している可能性があると判断する比較決定手段とを含み、
前記診断機能は、前記比較決定手段で、前記異常が発生している可能性があると判断されたときに、当該異常の原因を前記状態量、若しくは原因特定に必要な状態量から特定する原因特定手段を含む、という構成を採ることが好ましい。このように構成することで、オートメーションシステムに異常の可能性がある場合に、対応する状態量を順次収集して異常の原因を特定することができるため、異常の検出に際しては、全ての状態量のデータを異常の有無に拘わらずに常時収集、通信等する必要がなくなり、データの処理上及び通信上の負荷を低減して異常の原因を特定することができる。
【０００８】
また、前記監視機能は、前記オートメーションシステム内の所定の状態量を計測、収集する収集手段を備える、という構成を採用している。
【０００９】
更に、前記比較決定手段で前記異常が発生している可能性があると判断されたときに、前記原因特定手段に前記診断の実行を通知する監視状態の通知手段を更に備える、という構成を採用することができる。
【００１０】
また、前記原因特定手段による診断結果を所定の装置に通知する診断結果の通知手段を更に備える、という構成を採用することができる。
【００１１】
更に、前記監視機能及び／又は診断機能は、フィールド機器のファンクションブロックに実装される、という構成を採用するとよい。このような構成によれば、フィールドレベルでシステムの監視や診断を行うことができ、システムの省スペース化に寄与することができるともに、データ通信上の負担が大幅に低減され、より多くの情報に基づく診断アルゴリズムの構築が可能となる。また、データ通信手段とファンクションブロックは、例えば、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＨＡＲＴなどのオープンネットワークに対応した形で実装することにより、システムの構築が容易になり、システム構築コストを低減することができる。
【００１２】
更に、前記状態量の一部若しくは全部は、一台で複数の状態量を検出可能なマルチバリアブル型のフィールド機器により収集される、という構成にするとよい。このような構成によれば、システム内のフィールド機器の数を減らし、システム全体の省スペース化に一層寄与することができる。
【００１３】
また、本発明は、コンピュータを用いて所定のオートメーションシステムの異常を検出する方法において、
前記オートメーションシステム内のエネルギーの有効利用度を演算し、当該エネルギーの有効利用度が所定の正常値よりも低下したときに、前記オートメーションシステム内に異常が発生している可能性があると判断し、当該異常の原因に対応する状態量を順次調査して、前記異常の原因を特定することを特徴とする、という手法を採っている。このような手法によっても、前述した目的を達成することができる。
【００１４】
なお、本明細書において、「オートメーションシステム」とは、設備を所定の状態に自動制御するシステム全般を意味し、プラント等の動力・エネルギーシステム、プロセスオートメーション、メカニカルオートメーション、ホームオートメーション等を総合した概念として用いる。
【００１５】
また、「エネルギーの有効利用度」とは、各種エネルギー変換プロセスにおける効率（エネルギーの入出力比に相当）を表す指標を意味し、例えば、動力・エネルギーシステムのシステム効率を例示できるとともに、システム構成機器の前記有効利用度として、ボイラのボイラ効率、蒸気タービン等のタービン断熱効率、熱交換器等の熱通過率、ポンプのポンプ効率等を例示できる。
【００１６】
更に、「フィールド機器」とは、流量、温度、圧力、液位などを測定する工業計器を総称した概念として用い、各種センサや、バルブ等のアクチュエータ機器等を例示できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１には、本実施例に係る異常検出装置を含む診断システムの概略構成図が示されている。この図において、診断システム１０は、診断対象となる所定のオートメーションシステム１２（以下、「対象システム１２」と称する）と、対象システム１２の異常を検出して当該異常の原因を特定する異常検出装置１３と、この異常検出装置１３との間でデータ通信可能に設けられるとともに、対象システム１２の管理を行うコンピュータからなる上位の管理装置１４とを備えて構成されている。
【００１９】
前記対象システム１２は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、水蒸気と水との熱交換プロセスに係るプロセスオートメーションが採用されている。この対象システム１２は、図２に示されるように、水蒸気を生成するボイラ１７と、このボイラ１７に繋がる蒸気ライン１８と、蒸気ライン１８から蒸気が供給されるシェルアンドチューブ式の熱交換器１９と、当該熱交換器１９と所定の貯水部２１との間に繋がる入口側及び出口側の水ライン２２，２３と、各ライン１８，２２，２３等に適宜設けられた複数のフィールド機器２５と、熱交換器１９内から凝縮液を排出するための凝縮液排出手段２７とを備えて構成されている。
【００２０】
前記対象システム１２では、ポンプ等（図示省略）を使って、貯水部２１内の水が入口側の水ライン２２から熱交換器１９内の伝熱管（図示省略）に供給されるとともに、当該伝熱管内の周囲に位置するシェル（図示省略）内に、ボイラ１７からの蒸気が供給され、前記伝熱管内の水と、前記シェル内の蒸気との間で熱交換が行われる。そして、熱交換後の水は、出口側の水ライン２３を通って貯水部２１に戻されるようになっており、その過程で熱消費が行われる。
【００２１】
前記フィールド機器２５は、蒸気ライン１８の水蒸気の流量を検出する蒸気流量計２９と、熱交換器１９内における蒸気の流路となる前記シェル（図示省略）内の圧力を検出する熱交換器用圧力計３０と、入口側の水ライン２２内の流量を検出する入口側水流量計３１と、入口側の水ライン２２内の水温を検出する入口側水温計３２と、出口側の水ライン２３内の水温を検出する出口側水度計３３と、各ライン１８，２２，２３等に設けられたバルブ装置２５を含んで構成されている。なお、図示省略しているが、対象システム１２内には、他のフィールド機器も多数設けられている。
【００２２】
前記凝縮液排出手段２７は、熱交換器１９内の凝縮液をタンク３６に一時的に貯め、タンク３６内の水位が所定以上になったときに、タンク３６内から外部に延びる管路３８の途中に配置されたバルブ装置３４が動作し、管路３８を開放してタンク３６内の凝縮液を外部に排水するようになっている。
【００２３】
前記異常検出装置１３は、所定のコンピュータにより構成されており、図１に示されるように、対象システム１２の運転状態（動作状態）を監視する監視機能４１と、この監視機能４１による監視結果に基づいて、対象システム１２を診断する診断機能４２とを備えている。
【００２４】
前記監視機能４１は、対象システム１２内の各種状態量（流量、圧力、温度等）を所定のタイミングで計測、収集する収集手段４４と、収集された所定の状態量から対象システム１２におけるエネルギーの有効利用度を演算する演算手段４５と、演算されたエネルギーの有効利用度を所定の正常値（基準値）と対比して異常の可能性の有無を判断する比較決定手段４６と、演算されたエネルギーの有効利用度が正常値よりも低下したと判断された場合に、前記診断機能４２に前記診断の実行を通知するとともに、演算されたエネルギーの有効利用度やそれに基づく異常の有無を管理装置１４に通知する第１の通知手段４７（監視状態の通知手段）とを備えて構成されている。
【００２５】
前記演算手段４５では、前記フィールド機器２５から検出される四種類の状態量から、熱交換器１９の伝熱性能を代表する熱通過率を求めるようになっている。具体的に、この熱通過率は、熱交換器用圧力計３０、入口側水流量計３１、入口側水温計３２、及び出口側水温計３３でそれぞれ得られた状態量（圧力、流量、温度）を予め記憶された所定の熱力学上の演算式に代入することで算出される。当該熱通過率は、ユーザ等に対する監視項目にもなり、前述したように、第１の通知手段４７を通じて前記管理装置１４に配信される。
【００２６】
前記比較決定手段４６は、演算されたエネルギーの有効利用度が正常値よりも低下した場合に、対象システム１２内に異常が発生している可能性があると判断するようになっている。ここでの正常値は、比較決定手段４６に記憶されるものであり、所定の理論値や設定値、若しくは、経時的な運転データに基づいて常時更新される値等となっている。
【００２７】
前記診断機能４２は、第１の通知手段４７からの指令に基づいて、収集手段４４で収集した状態量から前記異常の原因を特定する原因特定手段５１と、この原因特定手段５１による結果を上位の管理装置１４等に、アラームや電子メール等で通知する第２の通知手段５２（診断結果の通知手段）とを備えて構成されている。
【００２８】
前記原因特定手段５１は、予め記憶された診断アルゴリズムに基づいて、一又は複数の診断項目につき、収集手段４４を介して対応する状態量を順次収集しながら当該状態量を順次調査し、異常の原因を段階的に特定するようになっている。本実施形態では、複数の診断項目からなる図３のイベントツリーが用いられ、各診断項目に対し、対応する状態量の値が所定値の範囲内にあるか否かを順に調査し、当該調査結果に応じて対象システム１２の異常の有無や原因を特定するようになっている。
【００２９】
次に、前記診断システム１０による異常検出手順につき、主として図３を用い説明する。
【００３０】
先ず、対象システムの運転時に、比較決定手段４６（図１参照）で現在の熱通過率が所定の正常値よりも低下していると判断されると（ステップＳ１０１）、熱交換器１９（図２参照）に供給される水の流量が以前よりも減少しているか否かが判断される（ステップＳ１０２）。この判断は、入口側水流量計３１（図２参照）の検出値に基づいて行われる。その結果、流量が減少している場合には、運転の動作点変更に伴う熱通過率の変化であって、対象システム１２には異常がない旨の診断がなされる。
【００３１】
一方、そうでない場合には、次に、熱交換器１９内の蒸気の圧力が所定値よりも増加しているか否かが判断される（ステップＳ１０３）。この判断は、熱交換器用圧力計３０（図２参照）の検出値に基づいて行われる。その結果、熱交換器１９内の蒸気の圧力が増加している場合には、熱交換器１９の蒸気の流路である前記シェル内に空気が滞留している旨の診断がなされる。
【００３２】
一方、そうでない場合には、次に、熱交換器１９の前後における水温差が所定値よりも減少しているか否かが判断される（ステップＳ１０４）。この判断は、入口側及び出口側水温計３２，３３（図２参照）の各検出値の差に基づいて行われる。その結果、水温差が減少している場合には、蒸気ライン１８（図２参照）内の蒸気の流量が所定値よりも減少しているか否かが判断される（ステップＳ１０５）。この判断は、蒸気流量計２９（図２参照）の検出値に基づいて行われる。その結果、蒸気ライン１８内の蒸気の流量が減少している場合には、運転の動作点変更に伴う熱通過率の変化であって、対象システム１２には異常がない旨の診断がなされる。一方、蒸気ライン１８内の蒸気の流量が減少していない場合には、前記凝縮液排出手段２７（図２参照）に設けられたバルブ装置３４の動作不良や熱交換器１９内の水の流路となる前記伝熱管の詰まり等の異常が発生している旨の診断がなされる。
【００３３】
前記ステップＳ１０４において、熱交換器１９の前後における水温差が減少していないと判断された場合には、入口側及び出口側の水ライン２２，２３（図２参照）における各水温の平均値（以下、単に「水の平均温度」と称する）が所定値よりも低下しているか否かが判断される（ステップＳ１０６）。この場合は、入口側及び出口側水温計３２，３３の各検出値の平均値に基づいて行われる。その結果、水の平均温度が低下している場合には、入口側の水ライン２２内の水温が所定値に対して低下しているか否かが、入口側水温計３２の検出値に基づき判断される（ステップＳ１０７）。その結果、入口側の水ライン２２内の水温が低下している場合には、入口側の水ライン２２内の水温の低下に基づく熱通過率の変化であって、対象システム１２には異常がない旨の診断がなされる。一方、入口側の水ライン２２内の水温が低下していない場合には、その他の異常がある旨の診断がなされる。
【００３４】
前記ステップＳ１０６において、水の平均温度が低下していないと判断された場合には、状態量を計測する機器等に異常がある旨の診断がなされる。
【００３５】
従って、このような実施形態によれば、監視機能４１で、エネルギーの有効利用度を表す指標となる熱通過率により、対象システム１２に異常が生じている可能性の有無についての一次的判断が行われた上で、異常が生じている可能性がある場合に限り、診断機能４２で、必要となる状態量の確認を順次行って、異常個所の特定についての二次的判断が行われる。このため、全ての状態量のデータを用いることなく前記一次的判断が可能となり、データの処理上や通信上の負荷を低減した状態で異常の発生を検出し、且つ、その原因を効率的に特定できるという効果を得る。しかも、前記熱通過率は、管理装置１４側にも配信されるため、熱通過率の状態を管理装置１４側で確認することができ、対象システム１２の高効率化運転に役立てることもできる。
【００３６】
なお、前記収集手段４４で収集された前記状態量のうち幾つかを第１の通知手段４７を介して管理装置１４側にリアルタイムに送信するようにしてもよい。
【００３７】
また、前記監視機能４１及び／又は診断機能４２は、前記実施形態の配置態様に限らず、フィールドバス通信型のフィールド機器２５のファンクションブロック（図示省略）に実装したり、管理装置１４を構成するコンピュータや他に分散配置されたコンピュータ等に実装することも可能である。特に、前記監視機能４１及び／又は診断機能４２を前記ファンクションブロックに実装した場合には、より多種多様化した診断が可能となる。なお、「フィールドバス」とは、フィールド機器同士、及びフィールド機器とホストシステムを接続するデジタル通信プロトコルであり、例えば、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＨＡＲＴ、Ｂｒａｉｎなどがある。
【００３８】
更に、前記実施形態にあっては、一状態量を一台のフィールド機器２５で検出するようにしたが、本発明はこれに限らず、一台で複数の状態量を検出可能なマルチバリアブル型のフィールド機器２５で、前記状態量の一部若しくは全部を収集するようにしてもよい。これによれば、対象システム１２内におけるフィールド機器２５の構成数を必要最小限にすることができ、対象システム１２の設備の小型化を促進することができる。
【００３９】
また、本発明が適用されるオートメーションシステムとしては、前記実施形態のプロセスオートメーションに限らず、他のオートメーションシステムを採用することができる。要するに、オートメーションシステム内のエネルギーの有効利用度に基づいて、オートメーションシステムの異常を検出できる構成を採用する限り、システムの種類や構成は問わない。
【００４０】
その他、本発明における各構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、オートメーションシステムの異常を検出する際に、全ての状態量と正常値とを常時対比する必要がなくなり、少ないデータでオートメーションシステムの異常を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る異常検出装置が適用された診断システムの概略構成図。
【図２】前記診断システムの対象となるオートメーションシステムの詳細を示す概略構成図。
【図３】前記診断システムによる異常検出手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０  診断システム
１２  対象システム（オートメーションシステム）
１３  異常検出装置
２５  フィールド機器
４１  監視機能
４２  診断機能
４４  収集手段
４５  演算手段
４６  比較決定手段
４７  第１の通知手段（監視状態の通知手段）
５１  原因特定手段
５２  第１の通知手段（診断結果の通知手段）
【図１】
2004334418.tif 000003
【図２】
2004334418.tif 000004
【図３】
2004334418.tif 000005