(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスにおける制御対象に関する複数の時系列データを用意し、
前記複数の時系列データを各々ウエーブレット変換して複数の変換データとし、
前記複数の時系列データのいずれか１つをテンプレートデータとし、
このテンプレートデータをウエーブレット変換してテンプレート変換データを作成し、
このテンプレート変換データと前記複数の変換データとの間の相関を各々求めて複数の相関データを生成し、かつ前記テンプレート変換データの一部と、前記複数の変換データ各々における一部との相関を求め相関データを生成する
ことを特徴とするプロセス制御支援方法。
【請求項２】
請求項１記載のプロセス制御支援方法において、
前記変換データは、前記時系列データをウエーブレット変換することで得られた強度が所定の基準値で規格化された規格化データであり、
前記相関データは、規格化データ間の類似度を算出することで求める
ことを特徴とするプロセス制御支援方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のプロセス制御支援方法において、
前記複数の相関データ同士を比較して比較データを生成する
ことを特徴とするプロセス制御支援方法。
【請求項４】
プロセスにおける制御対象に関する複数の時系列データが格納された記憶部と、
前記記憶部に格納された複数の時系列データを各々ウエーブレット変換して各々の変換データを出力する変換手段と、
前記変換手段により変換された複数の変換データ間の相関を求めて出力する相関算出手段と
を備え、
前記相関算出手段は、
前記複数の時系列データのいずれか１つをウエーブレット変換したテンプレート変換データと、前記複数の変換データとの間の相関を各々求めて複数の相関データを出力するものであり、かつ前記テンプレート変換データの一部と前記複数の変換データ各々における一部との相関を求めて相関データを生成するものである
ことを特徴とするプロセス制御支援装置。
【請求項５】
請求項４記載のプロセス制御支援装置において、
前記変換手段は、前記時系列データをウエーブレット変換することで得た強度が所定の基準値で規格化された規格化データを前記変換データとして出力し、
前記相関算出手段は、前記規格化データ間の類似度を算出することで前記相関を求める
ものであることを特徴とするプロセス制御支援装置。
【請求項６】
請求項４又は５記載のプロセス制御支援装置において、
前記複数の相関データ同士を比較して比較データを出力する相関比較手段を備えた
ことを特徴とするプロセス制御支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラントなどにおける時系列的に変化する複数の変数間の相関を求めるプロセス制御支援方法およびプロセス制御支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学プラントなどにおける制御対象には、製品を製造する反応器に対する原料の供給量や、反応器内の温度，圧力など、多くの測定変数がある。また、これらの変数は、各々の変動の影響を受けて時系列的に変動している。このような制御対象を安定した状態で操業するためには、各々の変数間の因果関係を把握した上で、各々の制御対象を制御する必要がある。
【０００３】
例えば、図６に示すような重合プラント装置では、原料供給部６０１より供給された原料は、原料供給ライン６０２を通り、還流ライン６０５に合流し、溶媒を収容している重合器６０６の溶媒中に供給される。原料供給ライン６０２では、通過している原料の流量が、原料流量計６０３により測定され、また、流量調節弁６０４により制御されている。
【０００４】
重合器６０６内では、供給された原料が溶解し、攪拌機６０７により攪拌され、重合反応が行われている。この反応の中で、重合反応による発熱により気化している成分が発生している。この気化している成分は、ガス排出ライン６０５ａより排出され、熱交換器６０８を通過して熱が除去され、気液分離ドラム６０９に一時貯蔵される。気液分離ドラム６０９に一時的に貯蔵された成分は、冷却されたことにより、液体状の成分と気体状の成分とに分離される。
【０００５】
気液分離ドラム６０９中の液体成分は、ポンプ６１０により重合器６０６に戻される。また、気液分離ドラム６０９中の気体成分は、ブロワー６１１により吸い出され、還流ライン６０５を通って、原料供給ライン６０２より供給される原料ガスと合流して、重合器６０６に戻される。ブロワー６１１により吸い出された気体成分は、還流流量計６１２により流量が計測され、還流量調節弁６１３により流量が調節されている。なお、ブロワー６１１により吸い出された一部の気体成分は、バイパスライン６０５ｂを通り、流量調節弁６１６で流量が調節されてブロワー６１１に戻される。
【０００６】
また、重合器６０６内部の温度は、温度検出部６１４により検出され、還流流量計６１２により計測された流量値とともに、還流流量調節弁６１３の制御に用いられる。また、重合器６０６内部の圧力は、圧力検出部６１５により検出され、原料流量計６０３により計測された流量値とともに、流量調節弁６０４の制御に用いられる。また、重合器６０６内の各成分の濃度が、濃度検出部６１７により検出されている。
【０００７】
プラント装置では、重合器６０６における重合生成物の生成を安定に行うため、重合器６０６内の溶媒や溶液の温度を一定に保つ必要があり、重合反応による反応熱を、ガス排出ライン６０５ａ，熱交換器６０８などの循環ラインにより冷却するようにしている。重合器６０６内の温度が上昇し、これを下げようとするときは、還流量調節弁６１３を開けて熱交換器６０８を通過するガスの循環量を増加させ、ガスの蒸発潜熱による除熱量を大きくする。
【０００８】
このようなプラント装置では、重合器６０６内の温度を、重合している生成物の種類の変更などに応じて変更している。一方、上述したように、重合器６０６内の除熱に関わる制御系では、温度検出部６１４で測定した重合器６０６内の温度が設定値となるように、還流流量計６１２で測定している流量をもとに還流量調節弁６１３の開度を制御している。
【０００９】
以上のようなプラント装置において、複数の変数間の因果関係を把握するためには、例えば温度や圧力また流量などの測定される変数の間で、相関の度合いを検出・判定することが必要となる。
このような、化学プラントにおける温度や圧力また流量などの測定される変数には、大きく分けてつぎの３つの変動がある。１つは、設定値の変更などにより意図的に発生させる操作量の変動がある。また、意図的な設定値の変更などに伴う他の状態量の変動がある。また、外乱などにより、特定の設定値近傍で発生する変動がある。
従来では、変数間の関係を、絶対値での比較、相関の度合いなどから判定していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、操業中の化学プラントにおいては、人為的な設定値の変更による変動や、外乱などによる変動などが複雑に混在しているため、各変数間の絶対値での比較，相関の度合いからでは、変数間の関係を誤って判定することがある。
【００１１】
例えば、全く干渉のない温度と圧力の２つの値が計測されているとき、プラントの操作者により、温度と圧力が同時に変更されていると、同時に大きな変動が計測されることになる。この結果、相関を判定すると、実際には干渉のないこれら２つの変数間に、高い相関があるものと判定されてしまう。また逆に、干渉はあるが変動としては小さい場合は、絶対値で比較すると、操作者による変更と判定され、干渉が見過ごされる場合もある。これでは、干渉の度合いを判定しているとは言えず、プラントの操作者による操作特性を判定していることになってしまう。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、操業状態であっても、プラントにおける各々の変数間の関係が、容易に判定できるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態におけるプロセス制御支援方法は、例えばプロセスなどの制御対象に関する複数の時系列データを用意し、複数の時系列データを各々ウエーブレット変換して複数の変換データとし、この複数の変換データ間の相関を求めて複数の相関データを生成しようとしたものである。
このプロセス制御支援方法によれば、複数の時系列データ同士が、時系列データにおける時間変動の各周波数毎に比較されて相関データが得られる。
【００１４】
上記プロセス制御支援方法において、変換データは、例えば、時系列データをウエーブレット変換することで得られた強度が所定の基準値で規格化された規格化データであり、相関データは、規格化データ間の類似度を算出することで求めるようにすればよい。
【００１５】
また、上記プロセス制御支援方法では、複数の時系列データのいずれか１つをテンプレートデータとし、このテンプレートデータをウエーブレット変換してテンプレート変換データを作成し、このテンプレート変換データと複数の変換データとの間の相関を各々求めて複数の相関データを生成し、かつテンプレート変換データの一部と、複数の変換データ各々における一部との相関を求め相関データを生成する。
また、上記プロセス制御支援方法において、複数の相関データ同士を比較して比較データを生成するようにしてもよい。
【００１６】
本発明の一形態におけるプロセス制御支援装置は、プロセスにおける制御対象に関する複数の時系列データが格納された記憶部と、記憶部に格納された複数の時系列データを各々ウエーブレット変換して各々の変換データを出力する変換手段と、変換手段により変換された複数の変換データ間の相関を求めて出力する相関算出手段とを備えたものである。
このプロセス制御支援装置によれば、複数の時系列データ同士が、時系列データにおける時間変動の各周波数毎に比較されて相関が出力される。
【００１７】
上記プロセス制御支援装置において、変換手段は、時系列データをウエーブレット変換することで得た強度が所定の基準値で規格化された規格化データを変換データとして出力し、相関算出手段は、規格化データ間の類似度を算出することで相関を求めるものでもよい。
【００１８】
また、上記プロセス制御装置では、相関算出手段が、複数の時系列データのいずれか１つをウエーブレット変換したテンプレート変換データと、複数の変換データとの間の相関を各々求めて複数の相関データを出力するものであり、かつ、テンプレート変換データの一部と複数の変換データ各々における一部との相関を求めて相関データを生成する。
また、上記プロセス制御支援装置において、複数の相関データ同士を比較して比較データを出力する相関比較手段を備えるようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態におけるプロセス制御支援装置の構成例を示す構成図である。このプロセス制御支援装置は、まず、制御対象に関する複数の時系列データ（変数）が格納された記憶部１０１と、記憶部１０１に格納されている時系列データをウエーブレット変換する変換部１０２と、変換部１０２が変換した複数の変換データ間の相関を求める相関算出部１０３とを備える。
【００２０】
また、図１（ａ）のプロセス制御支援装置は、入力部１０４から入力されたデータや指示などを受け付け、入力されたデータを記憶部１０１に記憶し、また変換部１０２，相関算出部１０３の制御を行う入力制御部１０５と、入力制御部１０５の制御により、相関算出部１０３が算出した相関データなどを表示部１０６に表示する表示制御部１０７とを備える。また、変換部１０２は、関数生成部１２１と、ウエーブレット変換部１２２と、強度演算部１２３とから構成され、記憶部１０１に格納されている時系列データをウエーブレット変換する。
【００２１】
以下、図１（ａ）のプロセス制御支援装置の動作について説明する。まず、入力部１０４から、制御対象に関する複数の時系列データを入力し、記憶部１０１に記憶させる。入力部１０４にデータが入力されると、入力制御部１０５が、入力された時系列データを記憶部１０１の所定領域に格納する。
【００２２】
また、変換部１０２は、記憶部１０１に記憶された時系列データを、以下に示すようにして変換する。まず、関数生成部１２１が、例えば、以下の数１で示される、ウエーブレット変換の基底関数となる複素数型ウエーブレット関数Ψ（ｔ）を生成する。これは、複素数型ウエーブレット関数の代表的なものである、ガボール（Ｇａｂｏｒ）ウエーブレット関数の一形態である。
【００２３】
【数１】
0003954337.tif 000002
【００２４】
ウエーブレット変換部１２２では、関数生成部１２１で生成された複素数型ウエーブレット関数を用い、記憶部１０１に記憶されている対象となる時系列データをウエーブレット変換する。ウエーブレット変換部１２２では、記憶部１０１に記憶されている時系列データに対し、入力部１０４により設定された周波数に対応したスケールパラメータを基に、関数生成部１２１で生成された複素数型ウエーブレット関数を用いてウエーブレット変換を行う。
【００２５】
ウエーブレット変換部１２２は、ウエーブレット変換の結果として、複素数で表される時間−周波数領域に展開されたウエーブレット変換データＷ（ａ，ｂ）を得る（出力する）。
なお、ウエーブレット変換の定義式とその条件は、つぎの数２で表される。
【００２６】
【数２】
0003954337.tif 000003
【００２７】
ここでは、ウエーブレット変換データＷ（ａ，ｂ）を、Ｍ：スケールパラメータａの個数、Ｎ：シフトパラメータｂの個数（時系列データ点数に等しい）とおいて、以下に示すように、大きさＭ×Ｎの２次元配列Ｗijとして演算する。
Ｗij＝Ｗ（ａi，ｂj）    ｉ＝１，２，・・・・，Ｍ、ｊ＝１，２，・・・・，Ｎ
【００２８】
強度演算部１２３では、以上のようにして出力されたウエーブレット変換の結果であるウエーブレット変換データＷijから、Ａij＝｜Ｗij｜によりウエーブレット強度データＡijを演算し、時間変化の中で各周波数成分の強度分布を示すデータを生成する。ここでは、ウエーブレット強度データとして、ウエーブレット変換データの絶対値を用いたが、これに限るものではない。
【００２９】
以上のようにして、記憶部１０１に格納されている時系列データをウエーブレット変換して複数の変換データ（ウエーブレット変換データＷijとウエーブレット強度データＡij）を生成すると、変換部１０２は、生成したデータを記憶部１０１に格納する。
【００３０】
生成された複数の変換データが記憶部１０１に格納されると、相関算出部１０３が、以下の式を用い、記憶部１０１に格納されている各変換データ間の相関（類似度）を求める。ここでは、記憶部１０１に予め用意されている基準となるテンプレートデータとの相関を求める場合を例にする。
相関データＲ＝Ｓat／（Ｓa×Ｓt）
なお、Ｓaは、強度データＡijの標準偏差を示し、Ｓtはテンプレートデータの強度の標準偏差を示し、Ｓatは、強度データＡijとテンプレートデータの強度との共分散を示す。
【００３１】
なお、上述では、変換データ（強度）から相関を求めるようにしたが、以下に示す規格化データや、画像データをもとに相関を求めるようにしても良い。
まず、強度（ウエーブレット強度データＡij）の規格化は、例えば、規格化データＳＡij＝Ａij／（Ａijの最大値）により求めることができる。
また、この規格化データより、変換データの強度を濃度分布として示す画像データ（ＩＡij）を求めることができる。これは、ＩＡij＝round（Ｍｉ×ＳＡij）として求めればよい。なお、Ｍｉは、画像の濃淡の最大値であり、round（）は括弧内の値の小数点以下を四捨五入するものである。
【００３２】
以上説明したようにして、テンプレートデータに対する各変換データ（画像データ）の相関を求めると、相関算出部１０３は、得られた相関データを記憶部１０１に格納する。
相関算出部１０３が生成した相関データが記憶部１０１に格納されると、表示制御部１０７が、格納された各相関データを、値の順に並べ替えた状態（比較データ）にして表示部１０６に表示する。このとき、百分率で表示される状態で表示するようにしても良い。これらは、図示しない相関比較手段により行うようにしても良い。
【００３３】
図１（ｂ）は、表示部１０６における表示例を示す説明図である。上記テンプレートデータが、テンプレート表示領域２０１に示され、求めた各相関データが相関データ表示部２０２に表示される。また、相関データ表示部２０２に表示されている相関データを選択すると、この相関データを算出した対象となる時系列データのウエーブレット変換結果が、対象データ表示部２０３に表示される。
【００３４】
また、表示部１０６のテンプレート表示領域２０１に表示されたテンプレートデータの中で、このプロセス制御支援装置の利用者が選択した所望とする領域を、新たなテンプレートデータとして用いるようにしても良い。この場合、まず、上記利用者が、入力部１０４より選択する領域情報を入力すると、入力制御部１０５を介してこの領域情報が相関算出部１０３に入力される。領域情報が入力された相関算出部１０３は、記憶部１０１に格納されているテンプレートデータの中より、指示された領域を選択して新たなテンプレートデータとして用い、前述と同様にして相関を求める。
【００３５】
また、上述したように、基準としたテンプレートデータの中より、所望の小領域を取りだして新たなテンプレートデータとした場合、つぎのようにして相関データを求めるようにしても良い。まず、相関データを求める対象の変換データの中で、小領域としたテンプレートデータを、時間軸方向や周波数軸方向に移動させて複数の相関を求める。複数の相関を求めたら、この中で、最も高い値をこの変換データとテンプレートデータとの相関データとする。このようにすることで、特徴的な周波数帯だけを、相関データを求める対象領域として絞ることが可能となる。
【００３６】
ここで、上述したウエーブレット変換データ同士で相関を求めることについて考察する。図６に示したような化学プラントにおいて、重要な品質指標の１つとしてメルトフローレート（ＭＦＲ）がある。このＭＦＲの時系列変動を計測すると、例えば、図２に示すような時系列データが得られる。
この時系列データと同様の変動を示す他の時系列データを調査しても、高い相関が得られる時系列データを探すことは容易ではない。
【００３７】
図２に示す時系列データを、図１のプロセス制御支援装置により、前述したようにしてウエーブレット変換して変換データ（画像データ）を求めると、図３（ａ）に示すような、時系列的に各周波数成分毎の強度が濃淡で示された画像が得られる。
【００３８】
これに対し、上記化学プラントの中で計測される他の複数の変数を、前述したようにウエーブレット変換して変換データを求め、図１のプロセス制御支援装置により、図３（ａ）の画像データをテンプレートとして、各変換データとの相関を求め、最も相関の高い変換データを抽出すると、図３（ｂ）に示すような画像データ（変換データ）が求められる。図３（ｂ）に示す変換データの中には、図３（ａ）に示すテンプレートデータと高い相関を示す濃淡パターンが存在している。
【００３９】
図３（ｂ）に示す変換データは、重合器内におけるモディファイア（分子量調整剤）の濃度の時間的推移を示す時系列データをウエーブレット変換した結果である。分子量調整剤の濃度の時間的推移を示す時系列データは、図４に示すように変化しており、図２に示す時系列データとの相関を単純に見ても、図５に示すようになり、分子量調整剤の濃度変化が小さい領域では、原料の濃度や温度などの増減の影響を受けるため、弱い相関関係しか得られていないか、また、分子量調整剤の濃度が高くなるにつれて、ＭＦＲが低下するといった逆の相関関係を示すこともあった。
【００４０】
これに対し、本実施の形態のプロセス制御支援装置によれば、上述したように、時系列データ（トレンドグラフ）同士の比較では、強い相関が見られない２つの変数の間に、強い相関が存在することが容易に把握できるようになる。
また、本実施の形態によれば、時系列データにおける時間変動の各周波数毎に比較するようになるので、プラントの操作者による設定値の変更などの大きな変動が存在する操業状態であっても、外乱などに起因する小さな変動による相関を、容易に把握できるようになる。また、本実施の形態によれば。時系列データ間の遅れ時間関係の検知や、ステップ応答テストなどをすることなしに、応答特性の検出が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウエーブレット変換することで、複数の時系列データ同士を、時系列データにおける時間変動の各周波数毎に比較して相関データを得るようにしたので、操業状態であっても、プラントにおける各々の変数間の関係が、容易に判定できるようになるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態におけるプロセス制御支援装置の構成例を示す構成図である。
【図２】  メルトフローレート（ＭＦＲ）の時系列変動を計測した結果得られる時系列データを示す特性図である。
【図３】  時系列データを、図１のプロセス制御支援装置によりウエーブレット変換して得られた変換データ（画像データ）を示す特性図である。
【図４】  分子量調整剤の濃度の時間的推移を示す時系列データの特性図である。
【図５】  時系列データをもとにしたＭＦＲと分子量調整剤の濃度との間の相関を示す相関図である。
【図６】  化学プラントの構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１…記憶部、１０２…変換部、１０３…相関算出部、１０４…入力部、１０５…入力制御部、１０６…表示部、１０７…表示制御部、１２１…関数生成部、１２２…ウエーブレット変換部、１２３…強度演算部。
【図１】
0003954337.tif 000004
【図２】
0003954337.tif 000005
【図３】
0003954337.tif 000006
【図４】
0003954337.tif 000007
【図５】
0003954337.tif 000008
【図６】
0003954337.tif 000009