JPS6132689B2

JPS6132689B2 -

Info

Publication number: JPS6132689B2
Application number: JP52079122A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Kurihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-07-04
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1986-07-29
Also published as: JPS5413883A; US4213175A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はプラント等の自動制御装置の異常を検
出する異常検知装置に係り、特に異常検知装置を
構成する自動制御装置モデルの修正部を備えた異
常検知装置に関する。

自動制御システムを構成する検出器、演算器あ
るいは制御弁等が故障もしくは不調となつた場合
は、プロセス側に大きな外乱を与え、プラント停
止に到ることもありその損失は大きい。したがつ
て、かかる故障をいち早く検出して異常動作をロ
ツクするか、または手動運転に移行させることが
望まれる。

従来、この種の検出装置の例として、制御シス
テムの指令信号と帰還信号の偏差の大きさによつ
て判定するものや、検出器を二重化してその偏差
の大きさによつて判定する方式などが実用されて
いるが、いずれも制御システムの一部分を診断し
ているものであり、かつ後者は高価格な装置とな
ることをまぬがれない。

さらに、これらの方式では上記の如く自動制御
装置が故障した場合に、その故障した箇所を早期
に発見することができない。したがつて、運転員
は故障に対する適切な対応処置がとれず、当該プ
ラントは不必要なトリツプに至つてしまうおそれ
があつた。

そこで従来よりこの対策としてモデル比較法が
提案されている。この方式は自動制御装置を模擬
するモデルを備え、このモデルの演算結果を実際
の自動制御装置の演算結果と比較し、両者の偏差
に基づいて故障を検出する方式である。この方式
は、例えば昭和47年特許願第18725号（特開昭48
−96977号公報）に提案されている「自動監視装
置」に近似するものであり、上記のような自動制
御装置のモデル化をその構成部分ごとにすれば故
障箇所の指摘が可能となる。

但し、このモデル比較法は各モデルが自動制御
装置の正常時の特性を正確に模擬してはじめて可
能となるものである。しかし、実際上はモデルの
特性を調整して自動制御装置の特性と一致させる
ことは不可能であるし、たとえ当初正しく調整で
きても、経年的に変化するプラント特性に応じて
あるいは他の理由から、制御装置のパラメータは
しばしば変更させるため、正常時の特性を常に正
確に模擬することはむずかしい。

したがつて本発明の目的はかかる従来の欠点を
除き、異常検知対象たる自動制御装置のモデルに
適宜修正信号を与えることにより、常に良好な異
常検知を行ない得る異常検知装置を提供するにあ
る。

本発明の要点は、自動制御装置の正常時の特性
を記憶しておき時々刻々に計測される自動制御装
置の特性が、該記憶された特性と異なる変動を示
したことにより異常の発生を検出する異常検知装
置において、制御対象が安定状態すなわち自動制
御に関与するいくつかの信号のすべてに変動が見
られない状態においては、自動制御装置は正常で
あると判断できることに着目して、あらかじめ記
憶された正常時の特性を、計測された特性を用い
て修正するようにしたところにある。もつと一般
的な言い方をすれば、本発明は制御対象が安定状
態にあることを条件に自動制御装置のモデルの出
力を当該時点における自動制御装置の出力と一致
させるようにモデル修正しつつ自動制御装置の異
常を検知することに特徴がある。

第１図においてx₁₀，x₂₀及びx₃₀はそれぞれ独立
した信号であり、８１，８２及び８３はそれぞれ
レベル検出器で各信号x₁₀，x₂₀，x₃₀のレベルが所
定値内にあれば論理“１”を出力し、逆に所定値
外であれば論理“０”を出力する。８４はアンド
回路であり、レベル検出器８１，８２及び８３の
出力がすべて論理“１”のときのみ論理“１”を
出力し、他の場合は論理“０”を出力する。８５
は例えば自動制御装置のモデルであり、上記アン
ド回路８４の論理出力“１”のタイミングでその
内容の書き換えあるいは修正を受ける。したがつ
てモデル８５は常に自動制御装置が正常であると
きの特性を記憶している。８６は比較器であり、
信号x₃₀とモデル８５の出力X′₃₀との偏差を検出
し、この偏差が一定値を越えたとき故障であると
判断する。以上が異常検知装置の概略であるが、
上記レベル検出器８１，８２又は８３について各
信号の変動の有無を判定する方法としては、第２
図ａで示す状態変数ｘ（ｔ）の平均値μのまわり
の変動、即ち第２図ｂで示すもしくはを用いるとよい。

以上により与えられる修正信号は、３つの信号
x₁₀，x₂₀およびX₃₀のすべてについて変動が見ら
れないときに発せられる。しかし他の２つの信号
x₂₀，x₃₀がほとんど変化しないことが明らかなと
きは、例えば第３図のように設定に係る信号x₁₀
が変動しないときに修正信号を発生するようにし
てもよい。いずれにしても自動制御に関与する信
号の全てに変動がみられないときにモデル修正信
号を発生する。

以下、本発明の一実施例を説明する。第４図
は、この方式を流量制御系の自動制御装置に適用
した例を示す。第４図において、１は演算部、２
は操作部、３は検出部および８は異常検知装置で
ある。ここで検出部３は、流量を検出する検出器
７を備え、その検出値に基づいて帰還信号x₂を出
力する。また演算部１は、加算器４、比例積分器
５および自動・手動切換器６から成り、制御量設
定部１８から出力される指令信号x₁と上記検出部
３の出力である帰還信号x₂とにより操作信号x₃を
算出する。操作部２は、このようにして算出され
た操作信号x₃に基づいて制御弁２０に操作するこ
とになる。

一方、異常検知装置８は、実際には計算機のプ
ログラム演算処理によりその機能の実現を図つて
いるのであるがその処理内容を機能プロツク図で
表わすと第４図のようになる。以下、説明上この
機能ブロツクを用いる。すなわち、異常検知装置
８は演算部モデル９、操作部モデル１０及びモデ
ル修正部１４を備え、各モデルは演算部１および
操作部２の動作を模擬し、またモデル修正部１４
は各モデルを正常特性に保つている。演算モデル
９は、指令信号x₁と帰還信号x₂から演算部１が正
常な場合の操作信号x₃ ^*を次式により算出する。

x₃ ^*＝（k₁x₁＋k₂x₂）（１＋１／Ｔ・ｓ） ………(1) ここでk₁、k₂はそれぞれ定数であり、操作信号
x₃ ^*は上式のように演算部１により算出された操
作信号x₃と同様に、比例・積分演算により算出さ
れる。また操作モデル１０は、第５図に示すよう
な給水流量の操作信号x₃と給水流量の帰還信号x₂
との関係から操作部２および検出器３が正常な場
合の帰還信号x₂ ^*を次式により算出する。

x^2*＝ｂ_ｉ＋１−ｂ_ｉ／ａ_ｉ＋１ａ_ｉ（x₃−ａ_i）＋ｂ_i
………(2) 但し、ａ_ix₃ａ_i+1 ここでｉは自然数であり、ａ_i、ｂ_iは第５図に
おける各点Ａ乃至Ｄの成分である。第５図におい
て、横軸は操作信号x₃、縦軸は帰還信号x₂である
から図上Ａ点乃至Ｄ点の各成分a₁乃至a₄およびb₁
乃至b₄は負荷流量によつて定まる値である。した
がつて、例えば負荷流量がＣ点で表わされるとす
ると、(2)式にｉ＝３とおいて帰還信号x₂ ^*が求め
れらる。偏差演算部１１はこのようにして求めら
れた操作信号x₃ ^*と演算部１の出力である操作信
号x₃とを入力し、また偏差演算部１２は同様にし
て求められた帰還信号x₂ ^*と検出部３の出力であ
る帰還信号x₂とを入力し、それぞれ下式により偏
差信号ε_１、およびε_２を求める。

ε_１＝｜x₃ ^*−x₃｜ ……………(3) ε_２＝｜x₂ ^*−x₂｜ ……………(4) このようにして求められた偏差信号ε_１および
ε_２に基づいて異常判定部１３は異常箇所表示信
号１０８を発生する。第６図は、この異常判定部
１３の判断内容のフロー図である。その動作は、
まずブロツク１１０及び１２０において偏差信号
ε_１及びε_２を入力し、それぞれの設定レベル
L₁、L₂と入力した偏差信号ε_１、ε_２とを比較
する。そして偏差信号ε_１が設定レベルL₁より
大きいときはブロツク１１５により、演算部１に
異常が発生したことが表示され、また偏差信号ε
_２が設定レベルL₂より大きいときはブロツク１
２５により操作部２又は検出部３に異常が発生し
たことが表示される。この故障表示後、異常判定
部１３の判断は終了する。以上により、運転員
は、演算部の故障と検出部・操作部の故障とを区
別することができ、この結果を利用してたとえば
自動／手動モード切替器６によつて運転モードを
自動から手動に切替え、部分負荷でのボイラ運転
を行なつてトリツプを防止することができる。こ
こで重要なことは、各モデルについてその模擬特
性の変化による影響を防止するために、常にモデ
ルの内容を自動制御装置の正常時の特性により修
正していることである。これは第４図に示すモデ
ル修正部１４の出力により実行される。このモデ
ル修正部１４は第１図で説明したのと同様に、そ
の制御に関与する信号、この場合は指令信号x₁、
帰還信号x₂及び操作信号x₃のすべてに変動が見ら
れない間を正常時として上記各モデルに修正信号
を与えるのである。このモデル修正部１４の演算
内容は第７図に示すフロー図のとおりである。第
７図のように、まずブロツク６０１は指令信号
x₁、帰還信号x₂及び操作信号x₃を入力し、これら
の平均値Ｓ_o1、２乗平均値Ｓ_o2及び分散Ｖ_oを次式
より求める。

Ｖ_o＝Ｎ・Ｓ_o2−Ｓ^２ _ｏ１ ………(7) ここで、ｎ：入力信号ｘの番号（ｎ＝１、２、
３）、Ｎ：測定回数、すなわち指令信号x₁、帰還
信号x₂及び操作信号x₃に対して分数はそれぞれ次
のようになる。

V₁＝ｆ（S₁₁、S₁₂） ………(8) V₂＝ｆ（S₂₁、S₂₂） ………(9) V₃＝ｆ（S₃₁、S₃₂） ………(10) したがつてブロツク６０３により分散の総和Ｖ
_Tは次のようなる。

Ｖ_T＝V₁＋V₂＋V₃ ………(11) そしてブロツク６０４は、この分散の総和Ｖ_T
が所定レベルＶ_L以下のとき各モデルに修正信号
を発することになる。ただ本実施例では、上記条
件Ｖ_TＶ_Lを満足する状態であれば常に修正信号
を発生するように構成されているが、一定期間毎
にこの修正信号を与えるようにしてもよい。ブロ
ツク６０５はブロツク６０４からのモデル修正信
号を受けて、モデル９に入力される指令信号x₁お
よび帰還信号x₂の入力ゲインk₁、k₂の比を次式の
如く変更する。

k₂＝−Ｓ_１１／Ｓ_２１・k₁ ………(12) このように入力ゲインを調整することによつて
モデル９の特性は常に正常に保たれる。

すなわち、 k₂＝−Ｓ_１１／Ｓ_２１k₁ とすれば(1)式においてS₁₁及びS₂₁はx₁、x₂の平均
値だから、 k₁x₁＋k₂x₂＝k₁x₁−k₁Ｓ_１１／Ｓ_２１x₂ ≒k₁x₁−k₁x₁＝０とすることができるからである。

一方、ブロツク６０６は、操作信号x₃の平均値
S₃₁の状態に応じてブロツク６０７又は６０８に
よりモデル１０の修正を行なう。すなわち、第５
図における考え方と同様に、｜ａ_i−S₃₁｜＜｜ａ_i
＋１−S₃₁｜のときは、ブロツク６０７に、また
逆のときはブロツク６０８の条件で修正信号がモ
デル１０に与えられ、その特性は常に正常に保た
れる。これに反して、分散総和Ｖ_Tが所定レベル
Ｖ_L以上のときは各モデルに修正信号が与えられ
ないのは言うまでもない。

以上のように本発明によれば、自動制御装置の
異常を早期に検出できると共に異常箇所を識別で
きるので事故対応操作ならびにトラブルシユーテ
イングが容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は本発明の原理説明図、第
２図ａ，ｂは信号の変動有無を判定する方法の説
明図、第４図は本発明の一実施例、第５図は給水
流量の操作信号と帰還信号との関係、第６図は異
常検知装置における異常判定部の判断フロー図、
第７図はモデル修正部の出力条件フロー図であ
る。１……演算部、２……操作部、３……検出部、
４……加算器、５……比例積分器、６……自動／
手動切替器、７……検出器、８……異常検知装
置、９……演算部モデル、１０……操作部モデ
ル、１１，１２……偏差演算部、１３……異常判
定部、１４……モデル修正部。

Claims

【特許請求の範囲】１制御対象を制御する自動制御装置と該自動制
御装置の特性を模擬した制御モデルの相互に対応
する信号を比較して該自動制御装置の故障を検出
する異常検知装置において、該制御装置の複数の状態信号を入力信号とし該
入力された複数の状態信号のそれぞれの時間平均
値からの変動があらかじめ定められた値よりも小
さいことを条件に該制御モデルの修正信号を発生
する手段と該制御モデル修正信号により当該制御モデルの
出力信号が当該自動制御装置の状態信号に一致す
るように当該制御モデルを修正する制御モデル手
段とを有し該制御モデルを修正しつつモデル比較に
より異常を検知することを特徴とする自動制御装
置の異常検知装置。２前記特許請求の範囲第１項記載において、状
態信号の変動を判断する指標として該状態信号の
時間平均値からの偏差の累積値あるいは分散を用
いることを特徴とする自動制御装置の異常検知装
置。