JP7179700B2 - プラント制御装置 - Google Patents

Description

本発明はプラント制御装置に係り、特に機械学習による最適制御技術を適用するプラント制御装置に関する。

産業プラント分野では効率向上を目的に、機械学習による最適制御技術の適用を試行している。機械学習による制御では、プラント運転時に得られるプロセス値を入力として、プラント稼働状態に応じて制御方式を更新することで制御性が向上し、効率を向上させることが期待できる。

特許文献１は、機械学習による最適制御技術を適用したプラント制御装置の構成例を示している。特許文献１のプラント制御装置は、この処理内容をごく簡便に述べるならば、操作量を演算・出力する制御実行装置と制御方式を学習する制御方法学習装置から構成され、制御方法学習装置において学習した制御方式を制御実行装置に転送してプラント制御に反映したものである。

特開２０１９－２８８２４号公報

機械学習に基づく制御では、制御方式を記述するデータサイズが大きくなり、データのメモリ転送、更新処理に時間がかかる。このため特許文献１の従来技術では、制御実行装置におけるプラント制御とデータ更新の並行処理が困難であるという問題がある。

このことから本発明においては、制御実行装置におけるプラント制御とデータ更新の並行処理を円滑に行うことができるプラント制御装置を提供することを目的とするものである。

以上のことから本発明においては、制御方式を記憶する第１のデータベースと、プラントのプロセス値を制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備える制御部と、プラントのプロセス値を用いた学習により制御方式を定める制御方式学習部と、制御方式学習部で求めた制御方式を記憶する第２のデータベースと、初期の制御方式と第２のデータベースに記憶した制御方式を比較しその差分を求める比較部を備える学習部とを備え、制御方式を記憶する第１のデータベースは少なくとも２組を備えており、第１のデータベースの一方に記憶された制御方式を用いて求めた操作量によりプラントを制御するとともに、第１のデータベースの一方を用いて求めた操作量によりプラントを制御している間に第１のデータベースの他方は比較部において求めた制御方式の差分を反映して記憶することを特徴とする。

また本発明においては、制御方式を記憶する第１のデータベースと、プラントのプロセス値を制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備える制御部と、プラントのプロセス値を用いた学習により制御方式を定める制御方式学習部と、制御方式学習部で求めた制御方式を記憶する第２のデータベースと、初期の制御方式と第２のデータベースに記憶した制御方式を比較しその差分を求める比較部を備える学習部とを備え、プラントを停止しているときに学習部において求めた初期の制御方式と第２のデータベースに記憶した制御方式の差分を第１のデータベースに反映して記憶することを特徴とする。

本発明によれば、制御実行装置におけるプラント制御とデータ更新の並行処理を円滑に行うことができる。

本発明の実施例１に係るプラント制御装置の構成例を示す図。 切替部Ｓｗを記述しないプラント制御装置の構成例と構成の遷移関係を示す図。 本発明の実施例２に係るプラント制御装置の構成例を示す図。 表示部４２への表示内容例を示す図。 本発明の実施例３に係るプラント制御装置の構成例を示す図。 切替部Ｓｗを記述しないプラント制御装置の構成例と構成の遷移関係を示す図。 本発明の実施例４に係るプラント制御装置の構成例を示す図。

以下，本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例１は、プラント制御装置を少なくとも２組の制御部と１つの学習部により構成し、学習部は学習により知得した制御方式を一方の制御部に転送し、この間は他方の制御部によりプラントを制御する構成である。また運転実態と学習の差が大きくなった時に、適宜一方の制御部によるプラント運転に切り替え、また切り替え以降は他方の制御部に学習した知見を転送する処理を行うように運用するものである。

図１は本発明の実施例１に係るプラント制御装置の構成例を示している。図１において１はプラント制御装置３の制御対象となるプラントであり、２はプラント１における各種のプロセス値である。プラント制御装置３は、プロセス値２を入力として、最終的に操作量２３または３３をプラント１に与える。

プラント制御装置３は、この機能を概略的に述べると３組の計算機システムＣＡ，ＣＢ，ＣＣにより構成されたものということができる。

このうち計算機システムＣＡ，ＣＢは、プロセス値２を入力とし、制御部制御方式データベースＤＢＡ，ＤＢＢから与えられた制御部制御方式ＲＡ，ＲＢに従って、操作量演算部２２，３２においてプラント１の操作量２３、３３を決定する制御部を構成している。制御部ＣＡ，ＣＢは、基本的に同一装置構成とされている。

ここで、制御部ＣＡ，ＣＢは、例えば調節機能を有して操作量を定める機能、あるいは操作手順やタイミングを定めるシーケンス機能を有しており、これらの調節機能やシーケンス機能を統合したものをここでは制御方式と称している。なお調節機能やシーケンス機能は一般には多数の機能により構成されており、互いに相関を有することが多いので、制御方式もまた多数個により形成されている。

計算機システムＣＣは、プロセス値２を入力とする制御方式学習部４１と、学習の結果得られた制御方式を学習部制御方式ＲＣとして記録する学習部制御方式データベースＤＢＣと、比較部５１並びに更新部５２を含んで構成されている。

ここで、制御方式学習部４１において実行される学習とは、学習の具体内容を特定するものではなく、特許文献1などに例示される各種の機械学習機能を利用可能である。要は、少なくともプロセス値２を入力として機械学習の結果として制御方式の新たな知見を生成することができるものであればよい。

また機械学習により制御方式の新たな知見を得るにあたり、その入力の重要な一つとして本明細書においては、プラント1からのプロセス値２を例示したが、要はプラントの運転上与えられる各種の入力、各種の出力などを総合的に学習に利用できればよいのであって、出力であるプロセス値以外に、入力側の操作量、さらにはプラントの外部環境上の情報、外部計算機システムからの各種指令などを総合的に利用するのがよい。

プラント制御装置３は、さらに３組の計算機システムＣＡ，ＣＢ，ＣＣによる入出力の関係を切り替える３組の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３を備えている。切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３は、学習部ＣＣ内の更新部５２により、切替制御が行われる。

このうち切替部Ｓｗ１は、２組の制御部ＣＡ，ＣＢが与える操作量２３，３３の一方を選択してプラント１に与える切替機能である。図１に示す切替部Ｓｗ１の切替位置によれば、制御部ＣＡが与える操作量２３によりプラント１を制御しており、制御部ＣＢはプラント制御上では待機状態にある。

切替部Ｓｗ２は、２組の制御部ＣＡ，ＣＢが保持する制御方式ＲＡ，ＲＢの一方を選択して計算機システムＣＣ内の比較部５１に与える切替機能である。図示の切替部Ｓｗ２の切替位置によれば、制御部ＣＢが保持する制御方式ＲＢが比較部５１に与えられている。この結果比較部５１は、制御部ＣＢが保持する制御部制御方式ＲＢと学習部ＣＣが保持する学習部制御方式ＲＣを比較部５１において比較していることになる。

切替部Ｓｗ３は、更新部５２で求めた制御方式変更部分ΔＲを２組の制御部ＣＡ，ＣＢのいずれに反映するのかを切替える機能である。図示の切替部Ｓｗ３の切替位置によれば、更新部５２で求めた制御方式変更部分ΔＲが、制御部ＣＢが保持する制御方式ＲＢに反映されている。このようにして、待機中の制御部ＣＢが保持する制御方式ＲＢが逐次更新をされていく。

図１において３組の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３により切替配置された３組の計算機システムＣＡ，ＣＢ，ＣＣによる構成は、要するに二重化構成の制御部ＣＡ，ＣＢのうち制御部ＣＡによりプラントを制御して制御部ＣＢを待機運転とし、学習部ＣＣでの学習結果として求めた学習部制御方式ＲＣと待機中の制御部ＣＢの制御部制御方式ＲＢの差分である制御方式変更部分ΔＲを制御部ＣＢが保持する制御方式ＲＢに反映することを示している。

図２は、切替部Ｓｗを記述しないプラント制御装置の構成例と構成の遷移関係を示している。この図で上部に示したプラント制御装置の構成が、図１の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３の配置時の構成を示している。

図２の上部に示すプラント制御装置３における上記構成は、プラント運転の初期状態に置ける構成である。この初期状態では、制御方式データベースＤＢＡ，ＤＢＢ、ＤＢＣに保有する制御方式ＲＡ，ＲＢ、ＲＣは、同一内容とされている。

然るに運転開始後にプラント運転経験が積み重なるにつれ、各種の経年劣化であるとか、種々の態様での運転経験とかに応じて、制御方式学習部４１における学習内容が新たな知見の学習部制御方式ＲＣとして得られ、徐々に制御部ＣＢに保有する初期の制御部制御方式ＲＢとの相違を生じてくる。この相違が多量、あるいは多数になってきたことをもって、更新部５２で求めた制御方式変更部分ΔＲを、制御部ＣＢが保持する制御方式ＲＢに反映する。

また制御方式変更部分ΔＲを制御部ＣＢに反映完了したことをもって、３組の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３による切り替えを行い、３組の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３により構成を変更する。この時の構成は、要するに二重化構成の制御部ＣＡ，ＣＢのうち制御部ＣＢによりプラントを制御して制御部ＣＡを待機運転とし、学習部ＣＣでの学習結果として求めた学習部制御方式ＲＣと待機中の制御部ＣＡの制御部制御方式ＲＡの差分である制御方式変更部分ΔＲを制御部ＣＡが保持する制御方式ＲＡに反映することを示している。

図２の下部には、３組の切替部Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３による切り替えを行った後のプラント制御装置３の構成を、切替部Ｓｗを記述しないで示したものである。図２の構成切替は、制御方式変更部分ΔＲに応じて、適宜のタイミングで順次繰り返し実行される。

以上図１に例示して述べた実施例１の構成によるプラント制御装置３は、これを簡便に述べるならば、以下のようである。プラント制御装置を、操作量を演算・出力する回路（制御部１）、制御部１のバックアップ回路（制御部２）、プロセス値から制御方式を更新する回路（学習部）に分離して構成する。学習部で更新した制御方式中のプラント状態量とプロセス値の関係（制御側）と、制御部２の制御方式中の制御側を比較し、差が大きくなった時点で学習部制御方式のデータ内容を制御２の制御部制御方式にメモリ転送、更新する。更新が完了したら、制御部２の操作量をプラントに出力するように切り替えるとともに、制御部１の制御部制御方式を比較・更新部に出力、入力するように切り替える。

図１の上記説明では、学習結果得られた制御方式と待機側の制御部における制御方式を比較して、その差分を待機側の制御部に反映しているが、ここで述べたいことは当初定めた制御方式が学習結果と乖離していることを確認できればよいということである。従って、当初定めた制御方式を保持し、あるいは類推できるものであれば、適宜の個所（例えば稼働側の制御方式データベースに保持している制御方式）から持ってくることができる。この考えは以降の実施例でも同じである。

本発明のプラント制御装置では、操作量を演算・出力する処理と、学習した制御方式をメモリ転送・更新する処理を並行して実施し、更新完了後、制御部１と制御部２を切り替えることにより、プラント制御を継続しつつ速やかに制御方式を更新できる。

なお実施例１の学習処理ならびに制御部へのデータ転送などの処理の詳細については、特許文献１に詳しく記述がされており、本発明はこの内容を応用することで実現が可能であるので、ここでの詳細説明を割愛する。

実施例２では、図１の構成においてプラント制御装置３の運転状態を外部から確認可能とすることについて説明する。

図３は、本発明の実施例２に係るプラント制御装置の構成例を示している。図３は、基本的に図１と同じ構成のプラント制御装置３であるが、新たに表示装置４が追加されている。

表示装置４は、表示制御部４１とモニタなどの表示部４２により構成されており、表示制御部４１にはプラント制御装置３内の比較更新情報Ｓ１と切替部Ｓｗ３の切替情報Ｓ２を少なくとも入力して、プラント制御装置３の運転状態を外部から確認可能な表示情報を生成して表示部４２の表示内容としている。なお比較更新情報Ｓ１とは、比較部５１と更新部５２での処理により得られる各種の情報であり、切替情報Ｓ２は切替部Ｓｗ３の切り替え位置に関連して得られる情報である。

図４には、表示部４２への表示内容例を示している。表示部４２の表示内容としては、上段に切替部Ｓｗ３の切り替え情報Ｓ２を用いて生成した「操作量を演算出力している制御回路」の別を表示し、下段にはプラント制御装置３内の比較更新情報Ｓ１を用いて生成した「制御方式学習処理のステータス」として、学習中、学習方式比較中、更新中、更新完了を区別して表示している。

以上図３、図４に例示して述べた実施例２の構成によるプラント制御装置３は、操作量の演算、出力を実施している制御部、比較更新部のステータス（待機中、制御方式比較中、更新中、切換完了）のデータを取得し、データ内容を表示装置に出力する。実施例２のプラント制御装置では、プラント管理者が制御方式の更新状況を確認できる。

実施例１、実施例２では、制御部を二重化し、制御部を切り替える方式について説明した。これに対し、実施例３では制御部全体を二重化するのではなく、最小限の部分のみを二重化して対応する方式を提案する。最小限二重化されないといけない部分は、制御方式データベースＤＢＡ，ＤＢＢである。

図５は、本発明の実施例３に係るプラント制御装置の構成例を示している。図５の構成を図１の構成と比較すると、制御部全体を二重化するのではなく、制御方式データベースＤＢＡ，ＤＢＢのみが二重化されている点と、切替部Ｓｗ１は、２組の制御部ＣＡ，ＣＢが与える操作量２３，３３の一方を選択してプラント１に与える切り替え機能ではなくて、２組の制御方式データベースＤＢＡ，ＤＢＢのデータのいずれを演算部２２に与えるのかを切り替える機能として採用されている点でのみ相違している。

図６には、切替部Ｓｗを記述しないプラント制御装置の構成例と構成の遷移関係を示している。この図で上部に示したプラント制御装置の構成が、図５の時の初期構成を示しており、この図の下部には切り替え後の構成が示されている。なお図６の構成と遷移についての説明は、図２と同等のものであるので、ここでの説明を割愛する。

以上述べたように、実施例３のプラント制御装置では、操作量を演算・出力する回路（制御部）において、制御方式を保存する記憶装置を、操作量の演算・出力に用いる回路（制御部制御方式１）と学習部の制御方式との比較、更新に用いる回路（制御部制御方式２）に分離する。操作量の演算・出力処理の空き時間に、学習部で更新した制御方式中のプラント状態量とプロセス値の関係（制御側）と、制御部制御方式２の制御側を比較し、差が大きくなった時点で学習部制御方式のデータ内容を制御部制御方式２にメモリ転送、更新する。更新が完了したら、制御部制御方式２を操作量演算部に出力するように切り替えるとともに、制御部制御方式１を比較・更新部に出力、入力するように切り替える。

実施例１のプラント制御装置と比較し、本発明のプラント制御装置では、一つの制御部から構成され、制御装置を低コスト化できる。

実施例１から実施例３では、少なくとも制御方式データベースを含む部分（実施例１，２では制御部、実施例３では制御方式データベース）を多重化して、一方を稼働状態、他方を待機状態として待機状態側の制御方式データベースに学習の結果得られた新しい知見としての制御方式を反映させる方式であった。

これらは一部多重化を前提とするために高コスト化することを避けられないものであったが、実施例４ではこの点を改善する。

図７は本発明の実施例４に係るプラント制御装置の構成例を示している。図４の構成を図１などの構成と比較すると、制御部ＣＡと学習部ＣＣが１台で構成されている。また学習部ＣＣには新たに比較更新処理起動部５３を備えている。

図７のプラント制御装置３によれば、制御部ＣＡはプロセス値２を入力とし、制御方式データベースＤＢＡから与えられた制御部制御方式ＲＡに従って、操作量演算部２３においてプラント１の操作量２３を決定し、プラント１を制御している。

これに対し、学習部ＣＣは、プロセス値２を入力とする制御方式学習部４１における学習により得られた制御方式を学習部制御方式ＲＣとして学習部制御方式データベースＤＢＣに記憶する。また比較部５１において、当初定めた制御方式（この場合には制御方式データベースＤＢＡに保持された制御部制御方式ＲＡ）と、学習結果としての制御方式ＲＣを比較する。また更新部５２において制御方式変更部分ΔＲを制御方式データベースＤＢＡに反映させる処理を行う。

ただし、更新部５２による制御方式データベースＤＢＡへの反映処理は、プラント１における休止状態を比較更新処理起動部５３にて確認し、プラント停止状態に置いて実行される。実施例１から実施例３ではプラント稼働中に制御方式変更部分ΔＲのデータ転送を行うが、実施例３ではプラント停止中、従ってプラント制御装置の停止中に上記の制御方式変更部分ΔＲのデータ転送を行うものである。

以上述べたように、実施例４のプラント制御装置では、操作量を演算・出力する回路（制御部）において、制御方式を保存する記憶装置の構成を一つとする。比較・更新部にプラントとの運転状態を入力し、プラントが停止している時間等、プラントへ操作量を出力していないタイミングで、制御部と学習部の制御方式を比較、更新する。実施例１から実施例３のプラント制御装置と比較し、実施例４のプラント制御装置では、制御部は一つの記憶装置から構成され、制御装置を低コスト化することができる。

１：プラント
２：プロセス値
３：プラント制御装置
２２，３２：操作量演算部
２３，３３：操作量
ＣＡ，ＣＢ：制御部
ＣＣ：学習部
ＤＢＡ，ＤＢＢ：制御部制御方式データベース
ＤＢＣ：学習部制御方式データベース
Ｓｗ１，Ｓｗ２，Ｓｗ３：切替部
４１：制御方式学習部
５１：比較部５１
５２：更新部

Claims (7)

1. 制御方式を記憶する第１のデータベースと、プラントのプロセス値を前記制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備える制御部と、
   プラントのプロセス値を用いた学習により制御方式を定める制御方式学習部と、前記制御方式学習部で求めた制御方式を記憶する第２のデータベースと、初期の制御方式と前記第２のデータベースに記憶した制御方式を比較しその差分を求める比較部を備える学習部とを備え、
   制御方式を記憶する前記第１のデータベースは少なくとも２組を備えており、前記第１のデータベースの一方に記憶された制御方式を用いて求めた操作量によりプラントを制御するとともに、前記第１のデータベースの一方を用いて求めた操作量によりプラントを制御している間に前記第１のデータベースの他方は前記比較部において求めた制御方式の差分を反映して記憶することを特徴とするプラント制御装置。
2. 請求項１に記載のプラント制御装置であって、
   前記制御部は、制御方式を記憶する第１のデータベースと、プラントのプロセス値を制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備えた２組の制御部により構成され、一方の制御部によりプラント操作中に他方の制御部内の第１のデータベースの記憶内容を変更していることを特徴とするプラント制御装置。
3. 請求項１に記載のプラント制御装置であって、
   前記制御部は、制御方式を記憶する２組の第１のデータベースと、プラントのプロセス値を制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備えた制御部により構成され、一方の前記第１のデータベースに記憶された制御方式を用いてプラント操作中に、他方の前記第１のデータベースの記憶内容を変更していることを特徴とするプラント制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラント制御装置であって、
   前記比較部における比較を実行するときの初期の制御方式として、プラント操作に使用されていない側の前記第１のデータベースに記憶されている制御方式を用いることを特徴とするプラント制御装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラント制御装置であって、
   前記比較部において求めた制御方式の差分に応じて、今まで差分を反映してきた側の第１のデータベースを用いたプラント制御に切り替え、かつ今までプラント制御に採用されてきた側の第１のデータベースに新たに生じる制御方式の差分を反映して記憶することを特徴とするプラント制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラント制御装置であって、
   制御に使用されている又は使用されていない側の第１のデータベースを表示し、また学習部における学習処理の状態を表示する表示部を備えることを特徴とするプラント制御装置。
7. 制御方式を記憶する第１のデータベースと、プラントのプロセス値を制御方式に従って演算しプラントの操作量を定める操作量演算部とを備える制御部と、
   プラントのプロセス値を用いた学習により制御方式を定める制御方式学習部と、前記制御方式学習部で求めた制御方式を記憶する第２のデータベースと、初期の制御方式と前記第２のデータベースに記憶した制御方式を比較しその差分を求める比較部を備える学習部とを備え、
   前記プラントを停止しているときに前記学習部において求めた初期の制御方式と前記第２のデータベースに記憶した制御方式の差分を前記第１のデータベースに反映して記憶することを特徴とするプラント制御装置。

Images