JP5500370B2

JP5500370B2 - 多変数モデル予測を用いた運転制御装置および運転制御方法

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Publication number: JP5500370B2
Application number: JP2010165529A
Authority: JP
Inventors: 宏之若杉; 一雄末吉; 幸雄印南
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: JP2012027676A

Description

本発明は、多変数モデルを用いた多変数予測制御を行う制御手段を備える運転制御装置等に関する。

複数のボイラーとタービン発電機を用いて蒸気および電力を供給するシステムでは、運転コストを極力最小化するような運転条件が選択される。各機関のエネルギー効率には相違があり、さらに購入電力単価は季節や時間帯によって大きく異なる。したがって、要求される蒸気および電力の需要を満たしながら運転コストを最小とするためには、時々刻々と変化する需要や購入電力単価、機器の制約条件を監視しながら機器の負荷等を調節する制御が必要となる。このような制御を実現するための方法としては、多変数モデル予測制御を用いた方法が開発されている。多変数モデル予測制御では、あらかじめ作成されている動特性モデルにより得られる将来予測に基づき、最適な運転状態を維持するような制御を実行する。

「石油化学工場における発電プラントへの多変数予測制御システムの適用」服部、坂著；計装Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．９ｐ．２１−２３

しかし、従来のシステムでは、単一の運転パターンに適合した動特性モデルを用いており、機器の運転の停止、起動等が必要となるような、互いに異なる複数の運転パターンのそれぞれについて多変数モデル予測制御を行うことが困難であるという問題がある。例えば、上述した蒸気および電力を供給するシステムでは、昼間と夜間など負荷や条件が異なる場合には、運転対象となる機器が異なるなど、運転パターンが大きく異なるため、１つの動特性モデルを両者の運転パターンに適用することができず、それぞれの条件に対応する２つの動特性モデルを用意しておき、手動でモデルを切り替えることも考えられる。しかし、機器の運転台数の変更などを伴う場合には、多変数モデル予測制御を停止して各種設定値（上下限設定値、目的関数、最適化値など）を変更し、その後に再起動するなどの必要があり、作業が膨大なものとなる。このため、継続的な制御が実質的に不可能となるとともに作業負担がきわめて重くなるため、現実的でない。

本発明の目的は、運転状態の切り替えに対応可能な運転制御装置等を提供することにある。

本発明の運転制御装置は、動特性モデルを用いた多変数予測制御を行う制御手段を備える運転制御装置において、運転状態を管理するスケジューラと、前記スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替える運転状態切替手段と、前記スケジューラからの前記指示に従って前記動特性モデルを切り替えるモデル切替手段と、前記モデル切替手段による前記動特性モデルの切り替え時に、前記制御手段による多変数予測制御を所定の停止期間だけ停止させ、前記停止期間終了後に前記制御手段による多変数予測制御を再開させるように前記制御手段を制御する停止制御手段と、を備え、前記停止制御手段は、前記停止期間中におけるシーケンス制御により、運転状態を多変数予測制御を再開後の定常状態に移行させることを特徴とする。
この運転制御装置によれば、スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替えるとともに、動特性モデルを切り替えるので、運転状態の切り替えに際して煩雑な作業が不要となる。

前記スケジューラからの前記指示には、前記制御手段による多変数予測制御に用いる設定値の切り替えのタイミングおよび切り替えの内容が含まれ、前記モデル切替手段は、前記スケジューラからの前記指示に基づいて、前記制御手段による多変数予測制御に用いる設定値を切り替えてもよい。

本発明の運転制御方法は、動特性モデルを用いた多変数予測制御を行う制御ステップを備える運転制御方法において、運転状態の切り替えタイミングを含む運転の予定を管理するスケジューラからの指示に基づいて運転状態を切り替える運転状態切替ステップと、前記スケジューラからの前記指示に基づいて前記動特性モデルを切り替えるモデル切替ステップと、前記モデル切替ステップによる前記動特性モデルの切り替え時に、前記制御ステップによる多変数予測制御を所定の停止期間だけ停止させ、前記停止期間終了後に前記制御ステップによる多変数予測制御を再開させるように制御する停止制御ステップと、を備え、前記停止制御ステップでは、前記停止期間中におけるシーケンス制御により、運転状態を多変数予測制御を再開後の定常状態に移行させることを特徴とする。
この運転制御方法によれば、スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替えるとともに、動特性モデルを切り替えるので、運転状態の切り替えに際して煩雑な作業が不要となる。

本発明の運転制御装置によれば、スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替えるとともに、動特性モデルを切り替えるので、運転状態の切り替えに際して煩雑な作業が不要となる。

本発明の運転制御方法によれば、スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替えるとともに、動特性モデルを切り替えるので、運転状態の切り替えに際して煩雑な作業が不要となる。

蒸気電力供給システムを制御する運転制御装置の構成を示すブロック図。蒸気電力供給システムの運転状況を示す図。運転制御装置の動作を示すフローチャート。

以下、本発明による運転制御装置の実施形態について説明する。

図１は、ボイラー、スチームタービン、発電機などを備え、蒸気および電力を供給する蒸気電力供給システム１を制御する運転制御装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、運転制御装置は、蒸気電力供給システム１の各機器を制御するフィールドコントローラ２，２，・・・と、制御バス５を介してフィールドコントローラ２，２，・・・に接続された操作監視装置３と、制御バス５に接続された演算装置４と、を備える。

操作監視装置３は、蒸気電力供給システム１の各機器に対するシーケンス制御を実行する機能を有する。シーケンス制御には、各機器についての稼動／停止の制御が含まれ、運転状態が切り替えられる。

図１に示すように、操作監視装置３には、蒸気電力供給システム１における運転の予定を管理するスケジューラ３１が実装される。また、操作監視装置３は、スケジューラ３１からの指示に従って運転状態を切り替える運転状態切替手段３２を構成する。

図１に示すように、演算装置４には多変数予測制御のための動特性モデルを用いた演算を実行する演算部４１が設けられる。

演算部４１は、制御バス５を介してフィールドコントローラ２，２，・・・から各機器のデータをリアルタイムに収集し、収集されたデータに基づいて動特性モデルを用いた演算を実行する。また、演算部４１は、その演算に基づいて得られた予測結果に従って、蒸気電力供給システム１が理想的な定常状態を維持するような操作値を算出し、制御バス５を介してフィールドコントローラ２，２，・・・にその操作値をリアルタイムに与える。

また、演算装置４は、スケジューラ３１からの上記指示に従って動特性モデルを切り替えるモデル切替手段４２と、モデル切替手段４２による動特性モデルの切り替え時に、蒸気電力供給システム１に対する多変数予測制御を所定の停止期間だけ停止させ、上記停止期間終了後に蒸気電力供給システム１に対する多変数予測制御を再開させる停止制御手段４３と、を構成する。

図２は、蒸気電力供給システム１の運転状況を示す図である。

図２に示すように、蒸気電力供給システム１では、２つの運転状態を交互に繰り返している。運転状態の切り替え後、定常状態になるまでの間は非定常状態となるため、運転状態の切り替えのたびに、非定常状態から定常状態に移行するステップを繰り返すことになる。図２において、時刻ｔ_１、時刻ｔ_２、時刻ｔ_３、時刻ｔ_４などが運転状態の切り替え開始時刻にあたる。

図３は、本実施形態の運転制御装置の動作を示すフローチャートである。

図３のステップＳ１〜ステップＳ２は、運転状態切替手段３２の動作を示している。

図３のステップＳ１では、運転状態の切り替えに関するスケジューラ３１からの指示が受信されるのを待って、ステップＳ２へ進む。ステップＳ１では、図２に示す時刻ｔ_１、時刻ｔ_２、時刻ｔ_３、時刻ｔ_４などのタイミングで、スケジューラ３１から上記指示を受信する。

ステップＳ２では、運転状態切替手段３２は、スケジューラ３１からの上記指示に従って、運転状態を切り替える。例えば、蒸気電力供給システム１の運転状態を、昼間の運転状態から夜間の運転状態に切り替える。

ステップＳ２における運転状態の切り替えには、稼動していた機器の停止、稼働していなかった機器の起動を含むことができる。スケジューラ３１からの上記指示には、このような機器の停止、機器の起動などを含めることができ、運転状態切替手段３２は、この指示に従って運転状態の切り替えに必要な情報を、制御バス５を介してフィールドコントローラ２，２，・・・および演算装置４に向けて送信する。

図３のステップＳ１１〜ステップＳ１６は、演算装置４における運転状態の切り替えに関連する動作を示している。

図３のステップＳ１１では、スケジューラ３１からの上記指示、あるいは運転状態切替手段３２からの上記情報（運転状態の切り替えに必要な情報）が受信されるのを待って、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１１において上記指示あるいは上記情報が受信されるタイミングは、実質的に上記の運転状態の切り替え開始時刻、すなわち図２に示す時刻ｔ_１、時刻ｔ_２、時刻ｔ_３、時刻ｔ_４などのタイミングである。

ステップＳ１２では、停止制御手段４３により演算部４１における多変数予測制御のための動特性モデルを用いた演算を停止する。これにより、蒸気電力供給システム１は定常状態を維持するための制御から開放され、操作監視装置３によるシーケンス制御に従う。

次に、ステップＳ１３では、動特性モデルを用いた演算を中止してから所定時間が経過するのを待って、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１３においてカウントされる所定時間は非定常状態から定常状態に移行するまでの時間に相当する。図２において、例えば、時刻ｔ_１からの時間Δｔが、この所定時間に相当する。

ステップＳ１４では、モデル切替手段４２は、ステップＳ１１で受信されたスケジューラ３１からの上記指示、あるいは運転状態切替手段３２からの上記情報（運転状態の切り替えに必要な情報）に従って、演算部４１での演算対象となる動特性モデルを切り替える。例えば、動特性モデルを昼間の運転状態に適合するものから夜間の運転状態に適合するものに切り替える。複数の動特性モデルは、予め演算装置４内に格納され、ステップＳ１４では、格納された動特性モデルの中から、モデル切替手段４２が対応する動特性モデルを選択することで、動特性モデルを切り替えることができる。

次に、ステップＳ１５では、モデル切替手段４２は、ステップＳ１１で受信されたスケジューラ３１からの上記指示、あるいは運転状態切替手段３２からの上記情報（運転状態の切り替えに必要な情報）に従って、演算部４１での演算で用いる設定値を切り替える。この設定値には、動特性モデルの動作パラメータが含まれ、動作パラメータとして、例えば、各機器に対する操作値、上下限設定値、目的関数、最適化値などを挙げることができる。複数の設定値のセットは、予め演算装置４内に格納され、ステップＳ１５では、格納された設定値のセットの中から、モデル切替手段４２が対応するセットを選択することで、設定値をセット単位で切り替えることができる。

次に、ステップＳ１６では、停止制御手段４３による演算の中止を解除し、ステップＳ１１へ戻る。これにより、演算部４１において、モデル切替手段４２による切り替え（ステップＳ１４〜ステップＳ１５）により設定された新たな動特性モデルおよび新たな設定値を用いた多変数予測制御のための演算が開始される。

このように、本実施形態の運転制御装置によれば、スケジューラ３１からの指示に基づいて運転状態の切り替えと、動特性モデルの切り替えとを行っているため、運転状態の切り替えに際して運転状態の切り替えのための煩雑な作業が不要となる。また、動特性モデルおよび設定値が運転状態に応じて自動的に切り替えられるので、煩雑な作業を要することなく、複数の運転状態のいずれに対しても多変数予測制御を適用することが可能となる。したがって、多変数予測制御の適用率を向上させることができ、燃料費削減、排出ＣＯ_２削減、操作負荷削減等が図られる。また、作業ミスに起因する不都合の発生を回避できる。

また、本実施形態の運転制御装置によれば、定常状態では多変数予測制御を行うとともに、非定常状態では多変数予測制御を停止することにより、次の定常状態へ短時間で移行させることが可能となるとともに、多変数予測制御再開時の動作を円滑なものとすることができる。

なお、動特性モデルの切り替え時以外に設定値のみを切り替えることもできる。例えば、電力単価の変更、燃料単価の変更、あるいは負荷変動などを動特性モデルにリアルタイムに反映させることで、継続的な多変数予測制御を行うことができる。

なお、本実施形態では、スケジューラ３１と運転状態切替手段３２は操作監視装置３に設けられているが、それぞれ操作監視装置３とは独立して設けられていてもよい。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、動特性モデルを用いた多変数予測制御を行う制御手段を備える運転制御装置等に対し、広く適用することができる。

２フィールドコントローラ（制御手段）
３１スケジューラ
３２運転状態切替手段
４１演算部（制御手段）
４２モデル切替手段
４３停止制御手段

Claims

動特性モデルを用いた多変数予測制御を行う制御手段を備える運転制御装置において、
運転状態を管理するスケジューラと、
前記スケジューラからの指示に従って運転状態を切り替える運転状態切替手段と、
前記スケジューラからの前記指示に従って前記動特性モデルを切り替えるモデル切替手段と、
前記モデル切替手段による前記動特性モデルの切り替え時に、前記制御手段による多変数予測制御を所定の停止期間だけ停止させ、前記停止期間終了後に前記制御手段による多変数予測制御を再開させるように前記制御手段を制御する停止制御手段と、
を備え、
前記停止制御手段は、前記停止期間中におけるシーケンス制御により、運転状態を多変数予測制御を再開後の定常状態に移行させることを特徴とする運転制御装置。
前記スケジューラからの前記指示には、前記制御手段による多変数予測制御に用いる設定値の切り替えのタイミングおよび切り替えの内容が含まれ、
前記モデル切替手段は、前記スケジューラからの前記指示に基づいて、前記制御手段による多変数予測制御に用いる設定値を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の運転制御装置。
動特性モデルを用いた多変数予測制御を行う制御ステップを備える運転制御方法において、
運転状態の切り替えタイミングを含む運転の予定を管理するスケジューラからの指示に基づいて運転状態を切り替える運転状態切替ステップと、
前記スケジューラからの前記指示に基づいて前記動特性モデルを切り替えるモデル切替ステップと、
前記モデル切替ステップによる前記動特性モデルの切り替え時に、前記制御ステップによる多変数予測制御を所定の停止期間だけ停止させ、前記停止期間終了後に前記制御ステップによる多変数予測制御を再開させるように制御する停止制御ステップと、
を備え、
前記停止制御ステップでは、前記停止期間中におけるシーケンス制御により、運転状態を多変数予測制御を再開後の定常状態に移行させることを特徴とする運転制御方法。