特許 7059346 プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーションシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-15

(45)【発行日】2022-04-25

(54)【発明の名称】プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーションシステム

(51)【国際特許分類】

   G05B 23/02 20060101AFI20220418BHJP

【ＦＩ】

G05B23/02 H

G05B23/02 302V

G05B23/02 301Q

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020212857

(22)【出願日】2020-12-22

【審査請求日】2020-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】390014568

【氏名又は名称】東芝プラントシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(74)【代理人】

【識別番号】100217940

【弁理士】

【氏名又は名称】三並 大悟

(72)【発明者】

【氏名】持地 繁

(72)【発明者】

【氏名】山口 典也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 隆

(72)【発明者】

【氏名】杉田 勝徳

(72)【発明者】

【氏名】楠畑 淳一郎

【審査官】藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１９７７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１４６３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１５１７４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０２１６８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／２０８７７３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ ２３／００－２３／０２

Ｇ０５Ｂ １／００－７／０４；１１／００－１３／０４；１７／００－１７／０２；２１／００

Ｆ２２Ｂ １／１８；３５／００－３５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納部と、
前記データ格納部から前記運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、前記第１プロセス値に基づいて演算した結果を示す第１操作量を算出し、前記データ格納部に第１プロセス値が格納されていない場合には前記第１プロセス値に基づかずに演算した第２操作量を算出する制御部と、
前記制御部から入力された前記第１操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションするとともに、前記制御部から第２操作量が入力されると、前記第２操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を示す第２プロセス値を前記制御部へフィードバックするシミュレータと、
前記第１プロセス値または前記第２プロセス値のいずれか一方を前記制御部に入力させるスイッチと、
を備えるプラントシミュレーション装置。

【請求項2】

プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納部と、
前記データ格納部から前記運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、前記第１プロセス値に基づいて演算した結果を示す第１操作量を算出し、前記データ格納部に第１プロセス値が格納されていない場合には前記第１プロセス値に基づかずに演算した第２操作量を算出する制御部と、
前記制御部から入力された前記第１操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションするとともに、前記制御部から第２操作量が入力されると、前記第２操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を示す第２プロセス値を前記制御部へフィードバックするシミュレータと、
前記制御部に設けられた複数の制御ロジックから前記第１操作量または前記第２操作量の算出に用いる制御ロジックを抽出するロジック抽出回路と、
を備えるプラントシミュレーション装置。

【請求項3】

プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納部と、
前記データ格納部から前記運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、前記第１プロセス値に基づいて演算した結果を示す第１操作量を算出し、前記データ格納部に第１プロセス値が格納されていない場合には制御ロジックを用いて第２操作量を算出する制御部と、
前記制御部から入力された前記第１操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションするとともに、前記制御部から第２操作量が入力されると、前記第２操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を示す第２プロセス値を前記制御部へフィードバックするシミュレータと、
前記第１プロセス値または前記第２プロセス値のいずれか一方を前記制御部に入力させるスイッチと、
前記制御部に設けられた複数の制御ロジックから前記第１操作量または前記第２操作量の算出に用いる制御ロジックを抽出するロジック抽出回路と、
を備えるプラントシミュレーション装置。

【請求項4】

前記データ格納部は、前記運転履歴データの一部を前記第１プロセス値として抽出するデータ抽出回路をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項5】

前記シミュレータは、シミュレーション結果から前記第２プロセス値として前記制御部へ伝送する範囲を抽出する、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項6】

前記データ格納部は、前記制御部の演算周期と同期させて前記第１プロセス値を前記制御部へ伝送する伝送回路をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項7】

前記シミュレータは、前記制御部の演算周期と同期させて前記第２プロセス値を前記制御部へ伝送する、請求項１から６のいずれか１項に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項8】

前記制御ロジックの改善前後のシミュレーション結果を比較したグラフを表示する表示部をさらに備える、請求項２または３に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項9】

前記グラフに基づいて、前記制御ロジックの改善結果を判定する判定部をさらに備える、請求項８に記載のプラントシミュレーション装置。

【請求項10】

プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納装置と、
前記データ格納装置から前記運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、前記第１プロセス値に基いて演算した結果を示す第１操作量を算出し、前記データ格納装置に第１プロセス値が格納されていない場合には前記第１プロセス値に基づかずに演算した第２操作量を算出する制御装置と、
前記制御装置から入力された前記第１操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションするとともに、前記制御装置から第２操作量が入力されると、前記第２操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を示す第２プロセス値を前記制御装置へフィードバックするシミュレータ装置と、
前記第１プロセス値または前記第２プロセス値のいずれか一方を前記制御装置に入力させるスイッチと、
を備えるプラントシミュレーションシステム。

【請求項11】

プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納装置と、
前記データ格納装置から前記運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、前記第１プロセス値に基づいて演算した結果を示す第１操作量を算出し、前記データ格納装置に前記第１プロセス値が格納されていない場合には前記第１プロセス値に基づかずに演算した第２操作量を算出する制御装置と、
前記制御装置から入力された前記第１操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションするとともに、前記制御装置から第２操作量が入力されると、前記第２操作量に基づいて前記プラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を示す第２プロセス値を前記制御装置へフィードバックするシミュレータ装置と、
前記制御装置に設けられた複数の制御ロジックから前記第１操作量または前記第２操作量の算出に用いる制御ロジックを抽出するロジック抽出回路と、
を備えるプラントシミュレーションシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーションシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電所等のプラントでは、ＤＣＳ（Distributed Control System：分散型制御システム）のＨＭＩ（Human Machine Interface）という操作用ＰＣ（Personal Computer）の画面と制御ロジックを有する制御装置経由でプラントの弁やモータを操作することが一般的である。

【0003】

上記のような制御システムを実際に使用する前には、シミュレーションが求められる。そのため、試運転フェーズにおける制御ロジックの検証は、プラントシミュレータを用いて事前に実施される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－１０９１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

プラントが実際に運転し始めると、プラントの運転状況に応じて制御装置の制御ロジックを改善する必要が生じる場合がある。この場合、改善後の制御ロジックをプラントシミュレータで事前に検証する。この事前検証では、制御ロジックの信頼性を向上させるために、プラントの実際の動特性により近いシミュレーションが求められる。

【0006】

しかし、プラントは数多くの機器を有しているので、その動特性は複雑になる。そのため、十分なシミュレーション精度を得ることが困難である。

【0007】

本発明は、シミュレーション精度を向上させることが可能なプラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーションシステム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】

【0008】

一実施形態に係るプラントシミュレーション装置は、プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納部と、データ格納部から運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、第１プロセス値に基いて演算した結果を示す第１操作量を算出する制御部と、制御部から入力された第１操作量に基づいてプラントの運転をシミュレーションするシミュレータと、を備える。

【0009】

一実施形態に係るプラントシミュレーションシステムは、プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納装置と、データ格納装置から運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、第１プロセス値に基いて演算した結果を示す第１操作量を算出する制御装置と、制御装置から入力された第１操作量に基づいてプラントの運転をシミュレーションするシミュレータ装置と、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、シミュレーション精度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係るプラントシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。

【図2】運転履歴データの一構造例を示す図である。

【図3】プラントの監視制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。

【図4】プラントの一部の構成を示すブロック図である。

【図5】表示部の表示画像の一例を示す図である。

【図6】第２実施形態に係るプラントシミュレーションシステムの概略的な構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るプラントシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。図１に示すプラントシミュレーション装置１は、例えばノート型ＰＣ等の端末装置であり、データ格納部１０と、制御部２０と、シミュレータ３０と、スイッチ４０と、ロジック抽出回路５０と、表示部６０と、判定部７０と、入力部８０と、を備える。プラントシミュレーション装置１において、データ格納部１０、制御部２０、シミュレータ３０、スイッチ４０、およびロジック抽出回路５０は、ハードウェアとして構成されてもよいし、ソフトウェアとして仮想的に構成されていてもよい。

【0014】

データ格納部１０には、プラントで実測された運転履歴データ１１が格納されている。図２は、運転履歴データ１１の一構造例を示す図である。図２に示すように、運転履歴データ１１には、プラントで実際に計測された計測データ（Ａ、Ｂ、Ｃ）が、計測日時とともに示されている。また、運転履歴データ１１は、計測日時ごとにデータ識別子で識別することができるとともに、計測項目ごとにＴＡＧ番号で識別することができる。計測項目には、例えば、ガス圧力、ガス流量、蒸気温度、給水流量、タービン回転数、発電機の出力電力などが含まれる。

【0015】

また、データ格納部１０は、データ抽出回路１２および伝送回路１３を有する。データ抽出回路１２は、運転履歴データ１１の一部を第１プロセス値ＰＶ１として抽出する。本実施形態では、作業者Ｈ１による入力部８０の操作によって、運転履歴データ１１の各計測データには有効フラグまたは無効フラグが設定されている。データ抽出回路１２は、運転履歴データ１１のうち、有効フラグに設定されている計測データを抽出して伝送回路１３へ伝送する。なお、有効フラグおよび無効フラグは、入力部８０の操作によって、適宜変更することができる。

【0016】

伝送回路１３は、データ抽出回路１２によって抽出された計測データを第１プロセス値ＰＶ１として制御部２０へ伝送する。このとき、伝送回路１３は、制御部２０の単位時間当たりの演算回数に相当する演算周期と同期させて第１プロセス値ＰＶ１を制御部２０へ伝送する。

【0017】

制御部２０は、複数の制御ロジック２１を有する。複数の制御ロジック２１には、プラントで計測される物理量（圧力、流量）に応じて種々の演算式がプログラミングされている。制御部２０は、第１プロセス値ＰＶ１を複数の制御ロジック２１のいずれかで演算し、演算結果を第１操作量ＭＶ１としてシミュレータ３０へ伝送する。また、第１プロセス値ＰＶ１が取得されていないとき、制御部２０は所定値を複数の制御ロジック２１のいずれかで演算した結果を示す第２操作量ＭＶ２をシミュレータ３０へ伝送する。

【0018】

シミュレータ３０は、プラントの実際の動特性を模擬するものであり、シミュレーションモデル３１と、伝送抽出回路３２と、模擬ＩＯ（Input Output）基板３３と、を有する。

【0019】

シミュレーションモデル３１は、物理モデル、アクチュエータモデル、およびセンサモデルで構成される。物理モデルは、プラントの蒸気温度、給水流量、タービン回転数、発電機の出力電力等の物理的過渡特性を模擬する動特性モデルである。アクチュエータモデルは、制御装置からの操作指令を受けて動作するバルブに加えて、ポンプ、ダンパ、ファン、遮断機等の補機Ｍや、操作端などを模擬するためのモデルである。センサモデルは、圧力計ＰＸ、流量計ＦＸ、レベルスイッチ等のプラント配管に接続され、計測データを上記制御装置へ送信するセンサを模擬するためのモデルである。

【0020】

伝送抽出回路３２は、シミュレーションモデル３１が第２操作量ＭＶ２に基づいてシミュレーションしたときに、シミュレーション結果から第２プロセス値ＰＶ２として制御部２０へ伝送する範囲を抽出する。伝送抽出回路３２は、入力部８０の操作内容に従って、この抽出動作を行う。

【0021】

模擬ＩＯ基板３３は、制御部２０とシミュレータ３０との間における信号データの入出力回路を模擬したものである。模擬ＩＯ基板３３は、例えば、各操作量をアナログ信号からデジタル信号へ変換する回路や、シミュレーション結果をデジタル信号からアナログ信号に変換する回路等を有する。

【0022】

スイッチ４０は、第１プロセス値ＰＶ１の伝送路と第２プロセス値ＰＶ２の伝送路の交点に設置されている。スイッチ４０は、入力部８０の操作内容に基づいて、上記２つの伝送路のいずれか一方を制御部２０へ接続する。スイッチ４０によって、制御部２０へ入力されるプロセス値を第１プロセス値ＰＶ１または第２プロセス値ＰＶ２に切り替えることができる。

【0023】

ロジック抽出回路５０は、入力部８０の操作内容に基づいて、制御部２０に設けられた複数の制御ロジック２１から、第１操作量ＭＶ１または第２操作量ＭＶ２の算出に用いる制御ロジックを抽出する。

【0024】

表示部６０は、制御ロジック２１や、シミュレータ３０のシミュレーション結果等の種々のデータを表示する。判定部７０は、表示部６０に表示されたシミュレーション結果に基づいて、制御ロジック２１の改善結果を判定する。入力部８０は、例えばキーボード等で構成され、作業者Ｈ１の操作を受け付ける。

【0025】

ここで、図３を参照して、プラントの監視制御システムについて説明する。図３は、プラントの監視制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。

【0026】

図３に示す監視制御システムでは、プラント３００の運転は、ＤＣＳの一例である制御装置２００に設けられた制御ロジック２１によって制御される。制御ロジック２１は、上述したプラントシミュレーション装置１のシミュレーション結果に基づいて設定されている。また、プラント３００の運転は、監視端末５００を介して監視員Ｈ２によって監視されている。

【0027】

プラント３００には、バルブＶ、補機Ｍ（ポンプ、ダンパ、ファン、遮断機等）といったアクチュエータや、圧力計ＰＸや流量計ＦＸといったセンサが設置されている。アクチュエータは、制御装置２００からＩＯ基板４００を介して入力された操作量ＭＶに基づいて動作する。また、センサの計測データは、プロセス値ＰＶとしてＩＯ基板４００を介して制御装置２００へフィードバックされるとともに、運転履歴データ１１としてデータ格納部１０に蓄積される。

【0028】

プラント３００が新規に建設される場合、データ格納部１０には、運転履歴データ１１は格納されていない。そのため、上述したプラントシミュレーション装置１を用いて制御ロジック２１を設定する必要がある。

【0029】

そこで、以下、プラントシミュレーション装置１のシミュレーション動作について説明する。

【0030】

まず、スイッチ４０が、入力部８０の操作に基づいて第２プロセス値ＰＶ２の伝送路を制御部２０に接続する。

【0031】

続いて、制御部２０が、ロジック抽出回路５０で抽出された制御ロジック２１を用いて第２操作量ＭＶ２を算出してシミュレータ３０へ伝送する。続いて、シミュレータ３０が、第２操作量ＭＶ２に基づいてプラントの運転をシミュレーションし、シミュレーション結果を第２プロセス値ＰＶ２として制御ロジック２１へフィードバックする。このフィードバックを繰り返して、制御ロジック２１が設定される。設定された制御ロジック２１を用いて、プラント３００が実際に運転を開始する。これにより、データ格納部１０には、運転履歴データ１１が蓄積される。

【0032】

その後、図４に示すように、プラント３００において、例えば蒸気弁Ｖ１の開放により高温になった蒸気ライン３０１を冷却するために、冷却水供給弁Ｖ２の開弁速度を高くする必要が生じたとする。この場合、プラントシミュレーション装置１において、作業者Ｈ１が入力部８０を操作して制御部２０の制御ロジック２１を改善する。このとき、改善後の制御ロジック２１の検証が必要になる。

【0033】

改善後の制御ロジック２１を検証する場合、まず、スイッチ４０が、入力部８０の操作に基づいて、制御部２０に接続する伝送路を第２プロセス値ＰＶ２から第１プロセス値ＰＶ１に切り替える。

【0034】

続いて、データ抽出回路１２が、入力部８０の操作に基づいて運転履歴データ１１の一部を抽出して伝送回路１３へ伝送する。続いて、伝送回路１３が、抽出された運転履歴データ１１を、制御部２０の演算周期と同期させた第１プロセス値ＰＶ１として制御部２０へ伝送する。

【0035】

続いて、制御部２０が、ロジック抽出回路５０で抽出された制御ロジック２１を用いて第１プロセス値ＰＶ１を演算して第１操作量ＭＶ１を算出し、算出した第１操作量ＭＶ１をシミュレータ３０へ伝送する。続いて、シミュレータ３０が、第１操作量ＭＶ１に基づいてプラントの運転をシミュレーションする。

【0036】

続いて、表示部６０がシミュレーション結果を表示する。図５は、表示部６０の表示画像の一例を示す図である。図５には、制御ロジック２１の改善前後のシミュレーション結果を比較したグラフが図示されている。このグラフでは、横軸は時間を示し、縦軸は弁開度を示す。また、線Ｌ１は、蒸気弁Ｖ１の弁開度の変化を示す。線Ｌ２は、改善前の冷却水供給弁Ｖ２の弁開度の変化を示す。線Ｌ３は、改善後の冷却水供給弁Ｖ２の弁開度の変化を示す。図５に示すように、制御ロジック２１を改善することによって、冷却水供給弁Ｖ２の開弁速度が蒸気弁Ｖ１の開弁速度と同等になっている。

【0037】

続いて、判定部７０が、制御ロジック２１の改善結果を良否判定する。例えば、判定部７０は、表示部６０の表示画像から改善前後の冷却水供給弁Ｖ２の立ち上がり時間差Δｔを算出し、この時間差Δｔが予め設定された許容範囲内であれば改善結果を良好と判定する。

【0038】

その後、改善後の制御ロジック２１は、制御装置２００にインストールされる。これにより、プラント３００は、改善後の制御ロジック２１で運転する。

【0039】

以上説明した本実施形態によれば、制御部２０は、プラントで実際に計測されたデータをプロセス値として用いて操作量を算出している。そのため、シミュレータ３０は、実際のプラントの動特性を反映させた操作量に基づいてシミュレーションを行うことができるので、シミュレーション精度を向上させることが可能となる。

【0040】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。上述した第１実施形態では、データ格納部１０、制御部２０、およびシミュレータ３０、スイッチ４０等のシミュレーションに必要な構成要素が、１台のプラントシミュレーション装置１内に集約されている。

【0041】

一方、本実施形態では、上述した各構成要素に相当する装置が、分散して設けられている。例えば、図６に示すプラントシミュレーションシステム２は、データ格納装置１１０と、制御装置１２０と、シミュレータ装置１３０と、スイッチ機器１４０と、制御端末１５０と、を備える。

【0042】

データ格納装置１１０、制御装置１２０、シミュレータ装置１３０、スイッチ機器１４０は、第１実施形態で説明したデータ格納部１０、制御部２０、シミュレータ３０、およびスイッチ４０にそれぞれ相当する。また、本実施形態では、第１実施形態で説明したロジック抽出回路５０、表示部６０、判定部７０、および入力部８０が制御端末１５０内に集約されている。制御端末１５０は、例えば作業者Ｈ１によって操作されるＰＣ端末である。

【0043】

本実施形態でも、制御装置１２０の制御ロジック２１を改善した場合には、第１実施形態と同様に、スイッチ機器１４０が、第１プロセス値ＰＶ１の伝送路を制御装置１２０に接続する。これにより、シミュレータ装置１３０は、データ格納装置１１０に格納されている運転履歴データ１１に基づくシミュレーションを行うことができる。また、シミュレーション結果は制御端末１５０の表示部６０に表示され、改善結果は判定部７０によって判定される。

【0044】

したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、実際のプラントの動特性を反映させた操作量に基づいてシミュレーションを行うことができるので、シミュレーション精度を向上させることが可能となる。

【0045】

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

【符号の説明】

【0046】

１：プラントシミュレーション装置、２：プラントシミュレーションシステム、１０：データ格納部、１１：運転履歴データ、１２：データ抽出回路、１３：伝送回路、２０：制御部、３０：シミュレータ、４０：スイッチ、５０：ロジック抽出回路、６０：表示部、７０：判定部、１１０：データ格納装置、１２０：制御装置、１３０：シミュレータ装置

【要約】      （修正有）

【課題】シミュレーション精度を向上させることが可能なプラントシミュレーション装置を提供する。
【解決手段】プラントシミュレーション装置１は、プラントで実測された運転履歴データを格納するデータ格納部１０と、データ格納部から運転履歴データが第１プロセス値として入力されると、第１プロセス値に基いて演算した結果を示す第１操作量を算出する制御部と、制御部から入力された第１操作量に基づいてプラントの運転をシミュレーションするシミュレータ３０と、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】