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JP2006120049A - Plant failure prediction method - Google Patents

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JP2006120049A
JP2006120049A JP2004309320A JP2004309320A JP2006120049A JP 2006120049 A JP2006120049 A JP 2006120049A JP 2004309320 A JP2004309320 A JP 2004309320A JP 2004309320 A JP2004309320 A JP 2004309320A JP 2006120049 A JP2006120049 A JP 2006120049A
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Abstract

【課題】 制御系を含めたシミュレーションが可能であって、設定項目が少なく、汎用性の高い故障予測システムのロジックに基づいて故障予測を行う。
【解決手段】 空気を圧縮機11で圧縮した後二酸化炭素や水分をMS吸着器12によって除去する。圧縮空気を主熱交換器13で冷却・液化し、精留塔14で窒素、酸素、アルゴンなどに分離し、高純度の窒素を製品回収系統3へ送出する。制御系統は、系統毎に制御ループで結ばれた制御系だけではなく、互いに外乱として影響を及ぼしあう制御系を組み合わせてシステム同定し、一つのARXモデルを形成している。蒸留分離系統2の液体窒素注入弁LV3501が詰まり、正常に精留塔14へ液体窒素の注入ができない場合でも容易に故障予測を行うことができる。
【選択図】 図3
PROBLEM TO BE SOLVED: To perform a failure prediction based on a logic of a failure prediction system that can perform a simulation including a control system, has few setting items, and has high versatility.
SOLUTION: After compressing air with a compressor 11, carbon dioxide and moisture are removed by an MS adsorber 12. The compressed air is cooled and liquefied by the main heat exchanger 13, separated into nitrogen, oxygen, argon, and the like by the rectifying tower 14, and high-purity nitrogen is sent to the product recovery system 3. The control system is not only a control system connected by a control loop for each system but also a system identification by combining control systems that influence each other as a disturbance to form one ARX model. Even when the liquid nitrogen injection valve LV3501 of the distillation separation system 2 is clogged and liquid nitrogen cannot normally be injected into the rectification column 14, failure prediction can be easily performed.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、所定のロジックに基づいてプラントの故障を予測するプラントの故障予測方法に関し、特に、配管系統のバルブや圧縮・膨張タービンやヒータなどの制御系を実装してプロセス制御を行う化学・鉄鋼・石油プラントなどの制御を適正に行うためのプラントの故障予測方法に関する。   The present invention relates to a plant failure prediction method for predicting a plant failure based on a predetermined logic, and in particular, a chemical / chemical process for controlling a process by implementing a control system such as a valve of a piping system, a compression / expansion turbine, or a heater. The present invention relates to a failure prediction method for a plant for properly controlling steel and oil plants.

近年、化学・鉄鋼・石油プラントの複雑化・特殊化が益々進んでいる。しかし、一方では、運転コスト節減などの理由から、オペレーティング現場ではオペレータの少人数化に拍車がかかっている。このような環境下において、複雑かつ汎用化されていないプラントの監視を少人数で実施することは非常に難しく、異常発生時にプラントの停止警報などが発報されてから、初めてプラントの異変が表面化するといった事例も多い。そのため、プラントの故障予測のシミュレーションをリアルタイムで行って事前に異常を検出する故障予測システムが非常に有用となる。   In recent years, the complexity and specialization of chemical, steel, and petroleum plants are increasing. On the other hand, however, the number of operators is declining in the operating field due to reasons such as reduced operating costs. In such an environment, it is very difficult to monitor a complex and non-generalized plant with a small number of people, and plant abnormalities will surface for the first time after a plant stop alarm is issued when an abnormality occurs. There are many cases of doing. Therefore, a failure prediction system that detects an abnormality in advance by performing simulation of plant failure prediction in real time is very useful.

このようなプラントの故障予測システムは従来より種々報告されている。例えば、大型冷凍設備について、プロセスシミュレータを用いて個々の制御変数の予測を行うシステムや、予め収集したプラント管理データから、プラント異常により変動が予想される化学パラメータを予測し、基準値と化学パラメータ変動との比較でプラントの異常事象を診断する方法などが知られている(例えば、非特許文献1参照)。また、発電プラントの化学管理に関するデータを収集して所定の評価基準と比較することによりプランの異常事象を診断する技術も開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、これらの制御変数の予測を行うシステムでは、予測対象装置となる配管やバルブCV値等の全パラメータを調査したり、プラント管理データを収集したりするなど、細かい制御定数の合わせ込みを実施する必要がある。したがって、このような故障予測システムは個々に特性の異なるプラントに対して汎用的に適用することはできない。   Various plant failure prediction systems have been reported in the past. For example, for large-scale refrigeration equipment, a system that predicts individual control variables using a process simulator, or chemical parameters that are expected to fluctuate due to plant abnormalities are predicted from plant management data collected in advance. A method of diagnosing an abnormal event of a plant by comparison with fluctuation is known (for example, see Non-Patent Document 1). A technique for diagnosing an abnormal event in a plan by collecting data related to chemical management of a power plant and comparing it with a predetermined evaluation standard is also disclosed (for example, see Patent Document 1). However, in the system that predicts these control variables, fine adjustment of control constants such as investigation of all parameters such as piping and valve CV values, which are the prediction target devices, and collection of plant management data is performed. There is a need to. Therefore, such a failure prediction system cannot be applied universally to plants having different characteristics.

そこで、汎用的な故障予測システムに適用させる方法として、正常時の入出力データに基づいてモデル同定(またはシステム同定)を行い、基準プラントにおける特性モデルのパラメータと運用プラントにおける特性モデルのパラメータとを比較してプラントの異常診断を行う方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、特許文献2に開示されている方法では、異常診断のみを目的としているため、個々のモデルについては詳細な設定が必要であるので、やはり汎用性という点においては問題がある。そこで、個々のモデルに適用できるような汎用性のある故障予測の方法として、プロセス制御の応答傾向を記憶しておき、応答の所要時間と応答傾向の関係を比較することによって異常を検出する方法が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
Maekawa R., et.al.,Simulation system for a large scale cryogenic facility at NIFS, Proceedings of the 19th International Cryogenic Engineering Conference, Narosa Pubilishing House,691-694 (2002) 特開2003−122429号公報 特開2003−303020号公報 特開平5−40517号公報
Therefore, as a method applied to a general-purpose failure prediction system, model identification (or system identification) is performed based on normal input / output data, and the characteristic model parameters in the reference plant and the characteristic model parameters in the operational plant are determined. In comparison, a method for diagnosing plant abnormality is disclosed (for example, see Patent Document 2). However, since the method disclosed in Patent Document 2 is intended only for abnormality diagnosis, detailed setting is necessary for each model, and there is still a problem in terms of versatility. Therefore, as a general-purpose failure prediction method that can be applied to individual models, process control response tendencies are stored, and anomalies are detected by comparing the relationship between response time and response tendencies. Is disclosed (for example, see Patent Document 3).
Maekawa R., et.al., Simulation system for a large scale cryogenic facility at NIFS, Proceedings of the 19th International Cryogenic Engineering Conference, Narosa Pubilishing House, 691-694 (2002) JP 2003-122429 A JP 2003-303020 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-40517

しかしながら、特許文献3に開示されている故障予測システムは汎用性が高いという利点があるものの、故障診断のロジックが単純であって複雑なプラントにおける各制御系の特性を十分考慮したものではないので、プラントプロセスの一部の故障にしか適用することができない。すなわち、上記従来の故障予測システムでは、制御系を十分考慮したものにしようとすると、プラント毎にトレンド特性が異なることから、個々のプラントに合わせた制御設定を行う必要があると共に細かい制御の要素が多くなるため、化学・鉄鋼・石油プラントのような異種プラントには適応できない。一方、汎用性を求めて単純なロジックにすると、プラントの一部の故障にしか適応できないという不具合が生じる。   However, although the failure prediction system disclosed in Patent Document 3 has the advantage of high versatility, the failure diagnosis logic is simple and the characteristics of each control system in a complex plant are not fully considered. It can only be applied to some failures in the plant process. That is, in the above-described conventional failure prediction system, if the control system is considered sufficiently, the trend characteristics differ from plant to plant. Therefore, it cannot be applied to dissimilar plants such as chemical / steel / petroleum plants. On the other hand, if a simple logic is sought for versatility, there is a problem that it can be applied only to a part of the plant failure.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、制御系を含めたシミュレーションが可能であって、設定項目が少なく、かつ汎用性の高い故障予測システムのロジックに基づいてプラントの故障を予測するプラントの故障予測方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems as described above, and can be simulated including a control system, has few setting items, and is based on the logic of a highly versatile failure prediction system. An object of the present invention is to provide a plant failure prediction method for predicting a failure of a plant.

本発明によるプラントの故障予測方法は、上記の目的を達成するために創案されたものであり、プロセス制御を行うプラントの故障を自動的に予測するプラントの故障予測方法であって、相互に影響を及ぼしあう制御系同士の入出力系統を多入力多出力型とし、プラントの実測データを用いて最小二乗法で伝達関数を求めるシステム同定を行う手順と、システム同定した数学モデルに基づいて、数分前の制御変数及び数分前から現時点までの操作変数の2つの実測データをシミュレーションして現在の推定値を算出する手順と、現時点の実測データと推定値との差分を数時間分に亘って積分する手順と、差分の積分値があらかじめ設定した閾値を超えたときに故障予測の警報を発報する手順とを含むことを特徴とする。   A plant failure prediction method according to the present invention was devised in order to achieve the above-described object, and is a plant failure prediction method for automatically predicting a failure of a plant that performs process control, and has a mutual influence. The input / output system between control systems that affect each other is a multi-input / multi-output type, and based on the mathematical model that identifies the system identification procedure to obtain the transfer function using the least squares method using the measured plant data The procedure for simulating the two actual measurement data of the control variable of minutes before and the manipulated variable from several minutes ago to the present time to calculate the current estimated value, and the difference between the actual measured data and the estimated value over several hours And a procedure for issuing a failure prediction alarm when the integrated value of the difference exceeds a preset threshold value.

かかる手順によれば、互いに影響を及ぼしあう制御系同士を多入力多出力型としてプラントの実測データを用いてシステム同定を行う。そして、システム同定した数学モデルに基づいて、現在運転中の数分前の制御変数と数分前から現時点までの操作変数の2つの実測データから現在のシミュレーション値を算出する。さらに、実測データと算出したシミュレーション値との差分を数時間分に亘って積分し、その差分の積分値があらかじめ設定した閾値を超えたときに警報を発報するようにしている。これによって、プロセスごとに制御設定を行ったり個別の制御を行ったりする必要がなくなるので、複雑なプラントのプロセスについても容易に故障予測を行うことができる。   According to such a procedure, system identification is performed by using the measured data of the plant as a multi-input multi-output type of control systems that influence each other. Then, based on the mathematical model identified by the system, a current simulation value is calculated from two actually measured data of a control variable several minutes before the current operation and an operation variable from several minutes before to the present. Further, the difference between the actually measured data and the calculated simulation value is integrated over several hours, and an alarm is issued when the integrated value of the difference exceeds a preset threshold value. As a result, it is not necessary to perform control setting for each process or to perform individual control, so that failure prediction can be easily performed even for complicated plant processes.

また、本発明によるプラントの故障予測方法においては、前記制御系同士は、制御ループで結ばれた制御系と互いに外乱を及ぼしあう制御系とを組み合わせた組合せ制御系であって、システム同定は、組合せ制御系による多入力多出力の数学モデルを作成することを特徴とする。これによって互いに外乱を及ぼしあうプロセスを持つプラントの故障予測を行うことができるので、さらに複雑なプラントの故障予測を行うことができる。   Further, in the plant failure prediction method according to the present invention, the control systems are a combination control system in which a control system connected by a control loop and a control system that causes disturbance to each other are combined. It is characterized by creating a multi-input multi-output mathematical model by a combination control system. As a result, it is possible to predict the failure of a plant having processes that cause disturbances to each other, and therefore it is possible to perform a more complicated failure prediction of a plant.

また、本発明によるプラントの故障予測方法においては、システム同定した数学モデルはARX(Auto-Regressive eXogenous)モデルであることを特徴とする。すなわち、ARXモデルはシステム同定の中で最も単純な数学モデルであるので、複雑なプラントの制御変数や操作変数でも容易にモデル化することができる。   In the plant failure prediction method according to the present invention, the system-identified mathematical model is an ARX (Auto-Regressive eXogenous) model. That is, since the ARX model is the simplest mathematical model in system identification, it can be easily modeled even with complex plant control variables and operation variables.

本発明によるプラントの故障予測方法によれば、ロジックを自動システム化することにより、ユーザは、システム導入時に制御ループで結ばれている制御系と互いに外乱として影響を及ぼしあう制御系を設定するだけで、正確な故障予測のシミュレーションが実施することができる。そして、数時間分の実測値とシミュレーション値の差分の積分値を所定の閾値と比較することによって、プロセス制御系を考慮した故障の事前予測を容易に行うことができる。これによって、プロセスごとに制御設定を行ったり個別の制御を行ったりする必要がなくなるので、化学・鉄鋼・石油プラントのような複雑なプラントの故障予測を容易に行うことができる。   According to the plant failure prediction method according to the present invention, by making the logic into an automatic system, the user only sets a control system that affects each other as a disturbance with the control system connected by the control loop when the system is introduced. Thus, an accurate failure prediction simulation can be performed. Then, by comparing the integral value of the difference between the actual measurement value and the simulation value for several hours with a predetermined threshold value, it is possible to easily perform a prior prediction of a failure in consideration of the process control system. As a result, it is not necessary to perform control settings for each process or to perform individual control, so that it is possible to easily predict failure of a complex plant such as a chemical / steel / petroleum plant.

<発明の概要>
本発明によるプラントの故障予測方法は、プロセス制御を行うプラントにおいて、互いに影響を及ぼしあう制御系同士を多入力多出力型としてプラントの実測データを用いたシステム同定を行う。そして、システム同定した数学モデルに基づいて、「数分前の制御変数」および「数分前から現時点までの操作変数」の2つの実測値から現在のシミュレーション値を算出する。さらに、数時間分の実測値と現在のシミュレーション値の差分を積分し、その差分の積分値が所定の閾値を超えたときに警報を発報することによってプラントの故障を事前に予測することを特徴とする。また、前記のシステム同定は、制御ループで結ばれた制御系と、互いに外乱を及ぼしあう制御系とを組み合わせた多入力多出力の数学モデルで故障の事前予測を行う。
<Outline of the invention>
According to the plant failure prediction method of the present invention, in a plant that performs process control, control systems that influence each other are set as a multi-input multi-output type, and system identification is performed using measured plant data. Then, based on the mathematical model identified by the system, a current simulation value is calculated from two actually measured values of “control variable several minutes ago” and “manipulated variable from several minutes ago to the present time”. In addition, it integrates the difference between the measured value for several hours and the current simulation value, and predicts a plant failure in advance by issuing an alarm when the integrated value of the difference exceeds a predetermined threshold. Features. In the system identification, failure prediction is performed in advance using a multi-input multi-output mathematical model that combines a control system connected by a control loop and a control system that causes disturbance.

尚、システム同定とは、制御対象となるシステムにおける入出力の時系列データから対象の数学モデルを作成することであって、プロセス制御の分野で広く利用されている。このシステム同定の中で最も単純な数学モデルがARXモデルであるので、本発明ではこのARXモデルを用いてプラントの故障予測方法を実現している。   The system identification is to create a mathematical model of an object from input / output time series data in a system to be controlled, and is widely used in the field of process control. Since the simplest mathematical model in this system identification is the ARX model, the present invention realizes a plant failure prediction method using this ARX model.

<実施の形態>
以下、図面を参照しながら本発明におけるプラントの故障予測方法の実施の形態を詳細に説明する。通常、空気から窒素などを分離精製する空気深冷分離装置の制御監視システムにおいては、空気深冷分離装置の過去の運転時におけるプラントの実測値、例えば、弁開度、温度、圧力、ガス流量、及び液面などの数値を操作変数として、システム同定の数学モデルへ入力する。つまり、これらの実測値に基づいて最小二乗法によってシステム同定を行い、多項式の伝達関数の係数を求める。この同定モデルは式誤差モデルに基づいて式(1)のようなARXモデルを使用する。
A(q)y(k)=B(q)u(k)+w(k) (1)
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of a plant failure prediction method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Usually, in the control and monitoring system of an air cryogenic separator that separates and purifies nitrogen and the like from air, the measured values of the plant during the past operation of the air cryogenic separator, for example, valve opening, temperature, pressure, gas flow rate, etc. And numerical values such as the liquid level are input to the mathematical model for system identification as operation variables. That is, system identification is performed by the least square method based on these actually measured values, and a coefficient of a polynomial transfer function is obtained. This identification model uses an ARX model as shown in equation (1) based on the equation error model.
A (q) y (k) = B (q) u (k) + w (k) (1)

上記の式(1)のようなARXモデルは以下のようにして得られる。すなわち、差分方程式で外乱項を白色雑音w(k)とした式(2)に、パラメータベクトルとして式(3)を、データベクトルとして式(4)をそれぞれ定義すると、出力y(k)は式(5)のように表現することができる。   An ARX model like the above equation (1) is obtained as follows. That is, when equation (2) is defined as a parameter vector and equation (4) is defined as a parameter vector in equation (2) where the disturbance term is white noise w (k) in the difference equation, output y (k) is expressed by equation (2). It can be expressed as (5).

y(k)+ay(k−1)+…+anay(k−n
=bu(k−1)+…+bnbu(k−n)+w(k) (2)

θ=[a,…,ana,b,…,bnb] (3)
φ(k)=[−y(k−1),…,−y(k−n),u(k−1),…u(k−n)] (4)
y(k)=θφ(k)+w(k) (5)
y (k) + a 1 y (k-1) + ... + a na y (k-n a)
= B 1 u (k−1) +... + B nb u (k−n b ) + w (k) (2)

θ = [a 1 ,..., a na , b 1 ,..., b nb ] T (3)
φ (k) = [− y (k−1),..., −y (k−n a ), u (k−1),... u (k−n b )] T (4)
y (k) = θ T φ (k) + w (k) (5)

ここで、既約なシフトオペレータqの多項式である以下の2式を上記の式(4)に導入する。
A(q)=1+a−1+…+ana−na
B(q)=b−1+…+bnb−nb
Here, the following two expressions that are irreducible polynomials of the shift operator q are introduced into the above expression (4).
A (q) = 1 + a 1 q −1 +... + A na q −na
B (q) = b 1 q −1 +... + B nb q −nb

すると、式(2)は式(1)のように書き直すことができる。この式(1)がARXモデルであって、システム同定においてしばしば利用される数学モデルである。式(1)のようなARXモデルは、図1に示す多入力多出力の数学モデルの概念図のように、操作変数u(k)を入力し、外乱w(k)を加えて制御変数y(k)を出力する制御系のモデルである。そして、現在の出力y(k)を有限個の過去の出力デ−タy(k−n)と入力デ−タu(k−n)に関連づけることによって故障予測を行う。 Then, equation (2) can be rewritten as equation (1). This equation (1) is an ARX model, which is a mathematical model often used in system identification. As in the conceptual diagram of the multi-input / multi-output mathematical model shown in FIG. 1, the ARX model as shown in Equation (1) is inputted with the manipulated variable u (k) and added with the disturbance w (k) to control variable y. It is a model of a control system that outputs (k). Then, past output data of a finite number current output y a (k) - the failure prediction by associating the data u (k-n b) - data y (k-n a) and input data.

尚、図1に示す各要素はそれぞれ次のように定義する。
A(q):多項式(1+a−1+a−2+…)
B(q):多項式(b−1+b−2+…)
y(k):制御変数(例えば、圧力や温度など)
u(k):操作変数(例えば、バルブ開度など)
w(k):雑音(例えば、ノイズなど)
Each element shown in FIG. 1 is defined as follows.
A (q): polynomial (1 + a 1 q −1 + a 2 q −2 +...)
B (q): polynomial (b 1 q −1 + b 2 q −2 +...)
y (k): Control variable (for example, pressure, temperature, etc.)
u (k): manipulated variable (for example, valve opening, etc.)
w (k): Noise (for example, noise)

図1のようなARXモデルを用いたシミュレーションでは、以下に示すように、現在の制御変数y(k)は、m段前からのデータを使用して現在の値を予測するものである。
m−1段前の制御変数は、
y(k−m+1)=B(q)u(k−m+1)+[1−A(q)]y(k−m+1)
m−2段前の制御変数は、
y(k−m+2)=B(q)u(k−m+2)+[1−A(q)]y(k−m+2)
というようにして求め、
現在の制御変数は、
y(k)=B(q)u(k)+[1−A(q)]y(k)
として求める。
In the simulation using the ARX model as shown in FIG. 1, as shown below, the current control variable y (k) is used to predict the current value using data from the previous m stages.
The control variable before m-1 stage is
y (k−m + 1) = B (q) u (k−m + 1) + [1−A (q)] y (k−m + 1)
The control variable before m-2 stage is
y (k−m + 2) = B (q) u (k−m + 2) + [1−A (q)] y (k−m + 2)
And so on,
The current control variable is
y (k) = B (q) u (k) + [1-A (q)] y (k)
Asking.

システム同定のARXモデルの入出力系は、制御ループで結ばれている制御系だけではなく、互いに外乱として影響を及ぼしあう制御系を組み合わせて多入力多出力型としてある。また、システム同定のARXモデル内の伝達関数の次数(べき数)は損失関数が最小になるように求めている。このようにしてシステム同定したARXモデルを使用して、「数分前の制御変数」と「数分前から現在の操作変数」の2つの実測値から現在のシミュレーション値を算出する。この方法は、シミュレーションの初期値として「数分前の制御変数」を採用し、各時間における操作変数とARXモデルから次段時間の制御変数を逐次計算する手法である。このような故障予測は、実測値とシミュレーション値との差分を数時間に亘って積分し、その積分値が所定の閾値を超えたときに警報を発報するように設定することにより行う。   The input / output system of the ARX model for system identification is not only a control system connected by a control loop but also a multi-input multi-output type by combining control systems that influence each other as a disturbance. Further, the order (power number) of the transfer function in the ARX model for system identification is determined so that the loss function is minimized. Using the ARX model identified in this way, the current simulation value is calculated from two actually measured values of “control variable several minutes ago” and “current operation variable several minutes ago”. This method employs a “control variable several minutes ago” as the initial value of the simulation, and sequentially calculates the control variable for the next stage time from the operation variable at each time and the ARX model. Such failure prediction is performed by integrating the difference between the actual measurement value and the simulation value over several hours and setting so as to issue an alarm when the integration value exceeds a predetermined threshold value.

<実施例>
システム同定の数学モデルとしてARXモデルを用いて、プラントの故障事前予測を行う場合の概念図を図2に示す。
データベース21は、プラントの過去のデータを蓄積している。システム同定部22では、データベース21のデータを読み込み、伝達関数23を決定し、出力する。一度決定した伝達関数23は、新たにシステム同定を実施するまで、メモリ上、あるいは伝達関数用データベース等に保持する。
故障予測対象のプラント25から、実際のプラントデータ26(操作変数および制御変数)を収集する。
シミュレーション部24において、伝達関数23と実際のプラントデータ26を使用し、現在の制御変数推定値をシミュレーションする。シミュレーション部24においてシミュレーションした値を、現在の制御変数推定値27として保持する。保持した値は、次回、シミュレーションを行うまでは、メモリ上、あるいは伝達関数用データベース等に保持する。
現在の制御変数推定値27と、実際のプラントデータ26との差の積分値を異常判定部28において逐次計算し、一定値以上の値となった場合、警報を発するようにする。
次に、深冷空気分離装置の故障予測を行う場合の実施例を説明する。図3は、本発明の一実施例としてプラント異常診断システムを適用した深冷空気分離装置の系統図である。深冷空気分離装置の制御系統は、原料空気精製系統1、蒸留分離系統2、及び製品回収系統3にブロック分けされている。原料空気精製系統1は、主に、空気を圧縮する圧縮機11と圧縮空気に含まれる二酸化炭素や水分を除去するMS吸着器12とによって構成されている。また、蒸留分離系統2は、空気を冷却・液化する主熱交換器13と冷却空気から窒素、酸素、アルゴンなどを分離する精留塔14とによって構成されている。製品回収系統3は配管とバルブのみによって構成されている。
<Example>
FIG. 2 shows a conceptual diagram in the case of performing plant failure prediction using the ARX model as a mathematical model for system identification.
The database 21 stores past data of the plant. The system identification unit 22 reads the data in the database 21, determines the transfer function 23, and outputs it. The transfer function 23 once determined is held in a memory or a transfer function database or the like until a new system identification is performed.
Actual plant data 26 (operation variables and control variables) is collected from the plant 25 to be predicted for failure.
The simulation unit 24 simulates the current control variable estimated value using the transfer function 23 and the actual plant data 26. The value simulated in the simulation unit 24 is held as the current control variable estimated value 27. The stored value is stored in the memory or the transfer function database until the next simulation.
An integral value of a difference between the current control variable estimated value 27 and the actual plant data 26 is sequentially calculated in the abnormality determination unit 28, and an alarm is issued when the value exceeds a certain value.
Next, an example in the case of performing failure prediction of the chilled air separation device will be described. FIG. 3 is a system diagram of a cryogenic air separation apparatus to which a plant abnormality diagnosis system is applied as an embodiment of the present invention. The control system of the cryogenic air separation apparatus is divided into a raw material air purification system 1, a distillation separation system 2, and a product recovery system 3. The raw material air purification system 1 is mainly composed of a compressor 11 that compresses air and an MS adsorber 12 that removes carbon dioxide and moisture contained in the compressed air. The distillation separation system 2 is composed of a main heat exchanger 13 that cools and liquefies air and a rectifying column 14 that separates nitrogen, oxygen, argon, and the like from the cooling air. The product recovery system 3 is composed only of piping and valves.

図3に示す深冷空気分離装置は、原料となる空気を圧縮機11で圧縮した後、低温によって固化する二酸化炭素や水分をMS吸着器12によって除去する。さらに、圧縮空気を主熱交換器13で冷却・液化した後、精留塔14で窒素、酸素、アルゴンなどに分離する。このようにして、精留塔14によって原料空気から高純度の窒素を製品として精製し、製品回収系統3へ取り出す。このとき、制御系統は、各系統ごとに制御ループで結ばれている制御系だけではなく、互いに外乱として影響を及ぼしあう制御系を組み合わせて一つのARXモデルを形成している。   The chilled air separation apparatus shown in FIG. 3 removes carbon dioxide and moisture solidified at a low temperature by the MS adsorber 12 after compressing air as a raw material by the compressor 11. Further, after the compressed air is cooled and liquefied by the main heat exchanger 13, it is separated into nitrogen, oxygen, argon and the like by the rectifying column 14. In this way, high-purity nitrogen is purified from the raw air as a product by the rectification column 14 and taken out to the product recovery system 3. At this time, the control system forms not only a control system connected by a control loop for each system but also a combination of control systems that influence each other as a disturbance to form one ARX model.

図4は、図3の原料空気精製系統1におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。すなわち、原料空気精製系統1において、図4のテーブルに示すような操作変数u(k)と制御変数y(k)の組み合わせで一つのARXモデルを作成する。例えば、原料空気精製系統1の原料空気圧力調整弁PV1791を操作変数u(k)としたときは原料空気圧力PT1791を制御変数y(k)として組み合わせ、プレクーラTV2401を操作変数u(k)としたときはMS吸着器12の入力温度TE2401を制御変数y(k)として組み合わせ、さらに、アフタークーラTV2403を操作変数u(k)としたときはMS吸着器12の出口温度TE2403を制御変数y(k)として組み合わせる。   FIG. 4 is a diagram showing an ARX model creation table in the raw material air purification system 1 of FIG. That is, in the raw material air purification system 1, one ARX model is created by a combination of the operation variable u (k) and the control variable y (k) as shown in the table of FIG. For example, when the raw material air pressure adjustment valve PV1791 of the raw material air purification system 1 is set as the operation variable u (k), the raw material air pressure PT1791 is combined as the control variable y (k), and the precooler TV2401 is set as the operation variable u (k). When the input temperature TE2401 of the MS adsorber 12 is combined as a control variable y (k), and when the aftercooler TV 2403 is an operation variable u (k), the outlet temperature TE2403 of the MS adsorber 12 is controlled by the control variable y (k). ).

図5は、図3の蒸留分離系統2におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。蒸留分離系統2においては図5のテーブルに示すような操作変数u(k)と制御変数y(k)の組み合わせで一つのARXモデルを作成する。例えば、蒸留分離系統2の液化窒素注入弁LV3501を操作変数u(k)としたときは精留塔14の液面LT3501を制御変数y(k)として組み合わせ、プレクーラFV2441を操作変数u(k)としたときは液体空気流量FT2441を制御変数y(k)として組み合わせる。   FIG. 5 is a diagram showing an ARX model creation table in the distillation separation system 2 of FIG. In the distillation separation system 2, one ARX model is created by a combination of the operation variable u (k) and the control variable y (k) as shown in the table of FIG. For example, when the liquefied nitrogen injection valve LV3501 of the distillation separation system 2 is the operation variable u (k), the liquid level LT3501 of the rectification column 14 is combined as the control variable y (k), and the precooler FV2441 is the operation variable u (k). In this case, the liquid air flow rate FT2441 is combined as the control variable y (k).

図6は、図3の製品回収系統3におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。製品回収系統3においては図6のテーブルに示すような操作変数u(k)と制御変数y(k)の組み合わせで一つのARXモデルを作成する。例えば、製品回収系統3の製品窒素流量調整弁FV3521を操作変数u(k)としたときは、製品窒素流量FT3521と製品窒素圧力PT3521を制御変数y(k)として組み合わせる。このようにして、多入力多出力の組み合わせのARXモデルを監視したい制御変数の組み合わせの数だけ作成する。このとき、ARXモデルの組み合わせ数には制限はない。   FIG. 6 is a diagram showing an ARX model creation table in the product collection system 3 of FIG. In the product collection system 3, one ARX model is created by combining the operation variable u (k) and the control variable y (k) as shown in the table of FIG. For example, when the product nitrogen flow rate adjustment valve FV3521 of the product recovery system 3 is set as the operation variable u (k), the product nitrogen flow rate FT3521 and the product nitrogen pressure PT3521 are combined as the control variable y (k). In this way, as many ARX models as combinations of multiple inputs and multiple outputs are created for the number of combinations of control variables to be monitored. At this time, the number of combinations of ARX models is not limited.

以下、上記のようにして作成したARXモデルを用いて図1に示す深冷空気分離装置のシステム同定を行った結果のシミュレーション動作について説明する。図7は、図3に示す深冷空気分離装置の蒸留分離系統2で収集したデータに基づいてシステム同定したARXモデルによるシミュレーションの一例を示す図であり、(a)は操作変数u(k)として液化窒素注入弁LV3501を操作したときの特性(上図)と制御変数y(k)として液面LT3501が変化したときの特性(下図)の関係を示し、(b)は操作変数u(k)としてプレクーラFV2441を操作したときの特性(上図)と制御変数y(k)として液体空気流量FT2441が変化したときの特性(下図)の関係を示している。何れの特性図も横軸は時間(h)を表わし、縦軸は、液化窒素注入弁LV3501及びプレクーラFV2441はバルブ開度の変化の割合(%)を表わし、液面LT3501は精留塔14の液面位置(mm)を表わし、液体空気流量FT2441は流量(Nm/h)を表わしている。 Hereinafter, a simulation operation as a result of system identification of the cryogenic air separation device shown in FIG. 1 using the ARX model created as described above will be described. FIG. 7 is a diagram showing an example of simulation based on the ARX model in which the system is identified based on the data collected in the distillation separation system 2 of the cryogenic air separation device shown in FIG. 3, and (a) is an operation variable u (k). Shows the relationship between the characteristic when the liquefied nitrogen injection valve LV3501 is operated (upper figure) and the characteristic when the liquid level LT3501 changes as the control variable y (k) (lower figure), and (b) shows the operational variable u (k ) Shows the relationship between the characteristic when the precooler FV 2441 is operated (upper figure) and the characteristic when the liquid air flow rate FT2441 changes as the control variable y (k) (lower figure). In all the characteristic diagrams, the horizontal axis represents time (h), the vertical axis represents the change rate (%) of the valve opening of the liquefied nitrogen injection valve LV3501 and the precooler FV2441, and the liquid level LT3501 represents the rectification column 14 It represents the liquid level position (mm), and the liquid air flow rate FT2441 represents the flow rate (Nm 3 / h).

図7のデータは、図5に示した蒸留分離系統2のARXモデルで、蒸留分離系統2における精留塔14の液面制御と空流量制御を2入力2出力でシステム同定して得られたシミュレーション結果を実測値と比較したものである。何れの特性も実測値が実線で示されシミュレーション結果が破線で示されている。   The data in FIG. 7 is the ARX model of the distillation separation system 2 shown in FIG. 5, and was obtained by system identification of the liquid level control and the air flow rate control of the rectification column 14 in the distillation separation system 2 with two inputs and two outputs. The simulation result is compared with the actual measurement value. In each characteristic, the actual measurement value is indicated by a solid line and the simulation result is indicated by a broken line.

このときの操作変数u(k)は、蒸留分離系統2における液化窒素注入弁LV3501の開度及びプレクーラの液体空気流量調節弁FV2441の開度(%)であり、それに対応する制御変数y(k)は、それぞれの開度の結果で得られた精留塔14の塔底部での液面LT3501の高さ(mm)及び液体空気流量FT2441の流量値(Nm/h)である。 The operation variable u (k) at this time is the opening degree of the liquefied nitrogen injection valve LV3501 and the opening degree (%) of the liquid air flow rate control valve FV2441 of the precooler in the distillation separation system 2, and the corresponding control variable y (k ) Are the height (mm) of the liquid level LT 3501 at the bottom of the rectifying column 14 and the flow rate value (Nm 3 / h) of the liquid air flow rate FT2441 obtained as a result of the respective opening degrees.

つまり、図7(a)の上図は、液体窒素注入弁LV3501の弁開度の時間変化を示したものであり、精留塔14の液面の実測値に基づいたフィードバック制御により、弁開度は82〜2%程度変化している。また、図7(a)の下図は、精留塔14の塔底部の液面LT3501の高さの実測値(実線)とシミュレーション値(破線)を示したものである。図7(a)から明らかなように、シミュレーション値(破線)は液体窒素注入弁LV3501の弁開度の変化に対応して液面の変化をよく表している。   That is, the upper diagram of FIG. 7A shows the change over time of the valve opening degree of the liquid nitrogen injection valve LV3501, and the valve opening is performed by feedback control based on the measured value of the liquid level of the rectifying column 14. The degree has changed by about 82-2%. Moreover, the lower figure of Fig.7 (a) shows the measured value (solid line) and simulation value (broken line) of the height of the liquid level LT3501 of the tower bottom part of the rectification column 14. FIG. As is clear from FIG. 7A, the simulation value (broken line) well represents the change in the liquid level corresponding to the change in the valve opening degree of the liquid nitrogen injection valve LV3501.

図7(b)の上図は、プレクーラの液体空気流量調節弁FV2441の弁開度の時間変化を示したものである。液体空気流量の実測値に基づいたフィードバック制御によって弁開度は48〜56%程度変化している。また、図7(b)の下図は、液体空気流量FT2441の実測値(実線)と、シミュレーション値(破線)を示したものである。図6(b9から明らかなように、シミュレーション値(破線)は液体空気流量調節弁FV2441の弁開度の変化に対応して液体空気流量の変化をよく表している。   The upper diagram of FIG. 7B shows the change over time of the valve opening of the liquid air flow rate adjustment valve FV2441 of the precooler. The valve opening changes by about 48 to 56% by feedback control based on the measured value of the liquid air flow rate. Further, the lower diagram of FIG. 7B shows an actual measurement value (solid line) and a simulation value (broken line) of the liquid air flow rate FT2441. As is clear from FIG. 6 (b9), the simulation value (broken line) well represents the change in the liquid air flow rate corresponding to the change in the valve opening degree of the liquid air flow rate adjustment valve FV2441.

次に、蒸留分離系統2の液体窒素注入弁LV3501が詰まり、正常に精留塔14へ液体窒素の注入ができなくなった故障事例について、本発明のARXモデルを適用した例を説明する。図8は、図1の深冷空気分離装置において故障が生じた場合のシミュレーションの一例を示す図である。すなわち、図8(a)は、蒸留分離系統2の液体窒素注入弁LV3501の開度の時間変化を示したものである。また図8(b)は、精留塔14の塔底部の液面LT3501の時間変化の実測値(実線)と、シミュレーション値(破線)を示したものである。図8(a)に示すように、時刻が2h付近で液体窒素注入弁LV3501が詰まっていることで(つまり、液体窒素注入弁LV3501の開度が0%になっていることで)、精留塔14への液体窒素の注入が行われないと、図8(b)に示すように、液面LT3501の実測値は、実線で示すように精留塔14の塔底部まで液面が徐々に下がっていく。そのため、液体窒素注入弁LV3501は、図8(a)で示すように液面を維持するために再び弁開度を82%で保持している。   Next, an example in which the ARX model of the present invention is applied to a failure example in which liquid nitrogen injection valve LV3501 of distillation separation system 2 is clogged and liquid nitrogen cannot be normally injected into rectification column 14 will be described. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a simulation when a failure occurs in the cryogenic air separation device of FIG. 1. That is, FIG. 8A shows the time change of the opening degree of the liquid nitrogen injection valve LV3501 of the distillation separation system 2. FIG. FIG. 8B shows an actual measurement value (solid line) and a simulation value (broken line) of the time change of the liquid level LT 3501 at the bottom of the rectifying column 14. As shown in FIG. 8A, when the time is around 2 h, the liquid nitrogen injection valve LV3501 is clogged (that is, the opening degree of the liquid nitrogen injection valve LV3501 is 0%). If liquid nitrogen is not injected into the column 14, as shown in FIG. 8B, the measured value of the liquid level LT3501 gradually increases to the bottom of the rectifying column 14 as shown by the solid line. Going down. Therefore, the liquid nitrogen injection valve LV3501 holds the valve opening again at 82% in order to maintain the liquid level as shown in FIG.

一方、図8(b)の破線で示す液面LT3501のシミュレーション値は、時刻が2h付近の故障発生後から、徐々に、精留塔14の液面の実測値から乖離していく。この差の積分値に対して警報設定をすることにより、早い段階でプラントの異常が検知することができる。例えば、液体窒素注入弁LV3501や、精留塔14の塔底部の液面LT3501の時間変化をシミュレーションできるモデルがあれば、これらの実測値とシミュレーション結果を比較して、異常検知することが可能であるが、個々の実測値に適用したモデルを作成することは、前述の通り困難である。それに比較して、本発明による故障予測の方法を適用すれば、ARXモデルを用いることによって各実測値に固有のモデルを作成する必要がなくなるので、相互に影響を及ぼすと考えられる操作変数と制御変数を組合せてARXモデルを作成すればプラント全体の異常検知が容易に行うことができる。   On the other hand, the simulation value of the liquid level LT3501 indicated by the broken line in FIG. 8B gradually deviates from the actual measurement value of the liquid level in the rectifying column 14 after the occurrence of a failure at a time near 2h. By setting an alarm for the integrated value of this difference, a plant abnormality can be detected at an early stage. For example, if there is a model capable of simulating the time change of the liquid nitrogen injection valve LV3501 or the liquid level LT3501 at the bottom of the rectifying column 14, it is possible to detect an abnormality by comparing these measured values with the simulation results. However, as described above, it is difficult to create a model applied to each actually measured value. On the other hand, if the fault prediction method according to the present invention is applied, it is not necessary to create a model specific to each actual measurement value by using the ARX model. If an ARX model is created by combining variables, abnormality detection of the entire plant can be easily performed.

本発明によるプラントの故障予測方法によれば、操作変数と制御変数を組合せてARXモデルを作成することにより、個々の設定や制御を行わなくても容易にプラントの異常状態を予測することができるので、化学・鉄鋼・石油プラントのような異種プラントや複合プラントの故障予測に利用することができる。   According to the plant failure prediction method of the present invention, an abnormal state of a plant can be easily predicted without performing individual setting and control by creating an ARX model by combining operation variables and control variables. Therefore, it can be used for failure prediction of heterogeneous plants and complex plants such as chemical, steel, and petroleum plants.

本発明に適用される多入力多出力の同定モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the identification model of multiple input multiple output applied to this invention. システム同定の数学モデルとしてARXモデルを用いて、プラントの故障事前予測を行う場合の本発明の概念図である。It is a conceptual diagram of this invention in the case of performing failure prediction of a plant using an ARX model as a mathematical model of system identification. 本発明の一実施例としてプラント異常診断システムを適用した深冷空気分離装置の系統図である。1 is a system diagram of a cryogenic air separation device to which a plant abnormality diagnosis system is applied as an embodiment of the present invention. 図3の原料空気精製系統1におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。It is a figure which shows the creation table of the ARX model in the raw material air purification system | strain 1 of FIG. 図3の蒸留分離系統2におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。It is a figure which shows the creation table of the ARX model in the distillation separation system 2 of FIG. 図3の製品回収系統3におけるARXモデルの作成テーブルを示す図である。It is a figure which shows the creation table of the ARX model in the product collection system | strain 3 of FIG. 図3に示す深冷空気分離装置の蒸留分離系統2で収集したデータに基づいてシステム同定したARXモデルによるシミュレーションの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation by the ARX model identified by the system identification based on the data collected by the distillation separation system 2 of the cryogenic air separation apparatus shown in FIG. 図1の深冷空気分離装置において故障が生じた場合のシミュレーションの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation when a failure arises in the cryogenic air separation apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 原料空気精製系統
2 蒸留分離系統
3 製品回収系統
11 圧縮機
12 MS吸着器
13 主熱交換器
14 精留塔


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material air purification system 2 Distillation separation system 3 Product recovery system 11 Compressor 12 MS adsorber 13 Main heat exchanger 14 Rectification tower


Claims (3)

プロセス制御を行うプラントの故障を自動的に予測するプラントの故障予測方法であって、
相互に影響を及ぼしあう制御系同士の入出力系統を多入力多出力型とし、前記プラントの実測データを用いて最小二乗法で伝達関数を求めるシステム同定を行う手順と、
前記システム同定した数学モデルに基づいて、数分前の制御変数及び数分前から現時点までの操作変数の2つの実測データをシミュレーションして現在の推定値を算出する手順と、
現時点の実測データと前記推定値との差分を数時間分に亘って積分する手順と、
前記差分の積分値があらかじめ設定した閾値を超えたときに故障予測の警報を発報する手順と
を含むことを特徴とするプラントの故障予測方法。
A plant failure prediction method for automatically predicting a failure of a plant performing process control,
The input / output system between the control systems that affect each other is a multi-input multi-output type, and the system identification to obtain the transfer function by the least square method using the measured data of the plant,
Based on the mathematical model identified by the system, a procedure for simulating two actual measurement data of a control variable several minutes ago and an operation variable several minutes before to the present time, and calculating a current estimated value;
A procedure for integrating the difference between the current measured data and the estimated value over several hours;
A failure prediction method for a plant, comprising: a step of issuing a failure prediction alarm when the integral value of the difference exceeds a preset threshold value.
前記制御系同士は、制御ループで結ばれた制御系と互いに外乱を及ぼしあう制御系とを組み合わせた組合せ制御系であり、
前記システム同定は、前記組合せ制御系による多入力多出力の数学モデルを作成することを特徴とする請求項1に記載のプラントの故障予測方法。
The control systems are a combination control system that combines a control system connected by a control loop and a control system that causes disturbance to each other,
2. The plant failure prediction method according to claim 1, wherein the system identification creates a multi-input multi-output mathematical model by the combination control system.
前記システム同定した数学モデルはARXモデルであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプラントの故障予測方法。


The plant failure prediction method according to claim 1, wherein the mathematical model identified by the system is an ARX model.


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