JP2017502425A - 流体移送生産システムのためのモニタリングシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

流体移送カスケード生産システム（２００）内の少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の動作状態を特定するためのコンピュータシステム（１００）、コンピュータ実装方法及びコンピュータプログラム製品を提供する。このコンピュータシステムは、生産システム（２００）を通過する前の圧力パルスの特性を示す第１の圧力パルス信号（２０１）と、生産システム（２００）を通過した後の圧力パルスの特性を示す第２の圧力パルス信号（２０２）とを受け取るように構成されたインターフェイス（１１０）を含む。システムは、各々が少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の圧力パルスに対する動作状態依存パルス応答を示す複数のシステムコンポーネント固有の伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）を記憶するように構成された記憶装置（１２０）をさらに含む。システムは、第１及び第２の圧力パルス（２０１、２０２）から生産システムの実際の伝達関数を求め、生産システム（２００）の実際の伝達関数を、記憶されたシステムコンポーネントの複数の伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）と比較し、この比較結果から生産システム（２００）の特定のシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の動作状態を特定するように構成された評価装置（１３０）をさらに含む。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電子データ処理に関し、具体的には、流体移送カスケード生産システムのコンポーネントをモニタするためのコンピュータシステム、コンピュータプログラム製品及びコンピュータ実装方法に関する。

透析用の水処理システムなどの流体移送カスケード生産システムでは、各生産ステップ及び洗浄ステップ後に、特定のパラメータをモニタするセンサが使用される。これらのセンサは、センサによってモニタされる生産システムのコンポーネント毎に、それぞれのコンポーネントの動作状態を特定するために使用できる測定データを提供する。このような特定のパラメータの一例に、特定のコンポーネントの入力圧力と、この特定のコンポーネントの出力圧力との間の圧力差がある。例えば、サンドフィルタにきれいな砂が詰まっている場合、この圧力差は、押し流されてきた粒子でサンドフィルタが汚れている時の圧力差と異なる。従って、この特定のパラメータ（例えば、圧力差）から、それぞれのコンポーネントの動作状態に関する推測を立てることができる。カスケード生産システムの個々のコンポーネントについて特定のパラメータをモニタする場合には、生産システムの機能を遠隔的にモニタし、任意に点検又は修理の仕事を計画して準備することができる。一般に、このような複雑なモニタリングシステムでは、コンポーネント毎に２つのセンサを使用し、第１のセンサが特定のパラメータの入力値を測定し、第２のセンサがそれぞれのコンポーネントのパラメータの出力値を測定する。従って、カスケード生産システムには非常に多くのセンサが必要であり、従ってシステムが非常に複雑になるとともに、測定データが大量になってしまう。

従って、流体移送カスケード生産システム内のシステムコンポーネントをモニタすると同時に、このようなモニタリングに関連する測定データの量を低減する複雑度の低いコンピュータ支援システムに対する需要が存在する。

この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。１つの実施形態は、流体移送カスケード生産システム内のシステムコンポーネントの動作状態を特定するコンピュータシステムに関する。このような流体移送カスケード生産システムの例としては、生産システムの複数のカスケードシステムコンポーネント（例えば、フィルタ、ポンプなど）によって処理対象の流体が修正及び／又は形成される水処理設備、精製装置、化学処理設備又はその他の設備が挙げられる。

コンピュータシステムは、第１の圧力パルス信号及び第２の圧力パルス信号を受け取るインターフェイスを含む。第１の圧力パルス信号は、生産システムを通過する前の圧力パルスの特性を示し、第２の圧力パルス信号は、生産システムを通過した後の圧力パルスの特性を示す。例えば、この圧力パルスは、生産システムの対応するシステムコンポーネント（例えば、ポンプ）に対する制御信号を通じてコンピュータシステム自体によってトリガすることができる。しかしながら、圧力パルスは、生産システムのユーザによって手動で、又はコンピュータシステム自体によって所定の間隔でトリガすることもできる。圧力パルスは、例えば圧力が元の状態のレベルに急速に降下する短期圧力増加の形を取ることができる。しかしながら、圧力が元のレベルから高レベルに突然増加し、その後長期にわたって維持される梯形などの他のパルス形状も可能である。この期間は、システムコンポーネントのパルス応答の長さを含む。

圧力パラメータは、生産システム全体にわたって絶えず存在する物理的測定変数の一例である。他の物理的測定パラメータを使用することもできる。例えば、圧力測定センサに加え、塩素含量、水の硬度、鉄含量、ｐＨ、又は同様のパラメータなどの、システムコンポーネントを通過することによって影響を受ける値を有する化学的及び／又は物理的パラメータを測定するセンサを使用することもできる。当業者であれば、後述する圧力パラメータに基づく原理を、システムを特徴付ける他の技術的パラメータに移行又は拡張することができる。

圧力パルスは、圧力パルスによって引き起こされる圧力波の伝播方向に関して、生産システム内の他のシステムコンポーネントよりも上流の位置において発生する。このようなシステムコンポーネントは、例えば流体を浄化する、又は流体を化学的に変化させる特定のフィルタコンポーネントとすることができる。１つの実施形態では、圧力パルス生成コンポーネントと他のシステムコンポーネントとの間に設置された生産システムの第１の圧力センサによって第１の圧力パルス信号が検出される。圧力パルスによって引き起こされる圧力波の伝播方向に関して、最後のシステムコンポーネントの後ろに設置された生産システムの第２の圧力センサによって第２の圧力パルス信号が検出される。別の実施形態では、圧力パルス生成コンポーネントが、第１の圧力パルス信号を直接検出し、従って第１の圧力パルスセンサの機能を果すことができる。従って、測定値を必要とするのは、生産システム内にシステム全体にわたって存在する全てのコンポーネントにわたる圧力パルスの変化を特徴付ける２つの測定点のみである。

コンピュータシステムは、複数の伝達関数を記憶する記憶装置をさらに含む。記憶された伝達関数は、生産システムのシステムコンポーネントのうちの少なくとも１つのシステムコンポーネントからの圧力パルスに対する動作状態依存パルス応答を示す。一般に、伝達関数は、例えば周波数空間における動的システムの入力信号と出力信号との間の関係を数学的に示す。生産システムの文脈では、各システムコンポーネントをサブシステムとして理解することができる。伝達関数を用いれば、いずれかの入力信号（圧力パルス）について出力信号（変化した圧力パルス）を、すなわち対応するシステムコンポーネントの応答を求めることができる。入力信号に対する出力信号の時間遅延応答は、システム挙動の典型である。

システムコンポーネントの伝達関数は周波数の関数であり、すなわち入力信号の各個々の周波数がどう変化するかを示す。この伝達関数を用いて、いずれかの入力信号がシステムコンポーネントによってどのように変換されるか、及び／又はどの出力信号をトリガするかを計算することができる。システムの反応を計算する伝達関数は、線型微分方程式で表すことができる全てのシステムに適用することができる。例えばサンドフィルタなどのシステムコンポーネントは、例えば集積した粒子によるフィルタの汚れ度合いに応じて圧力パルスを異なる形で減衰させる典型的な減衰挙動を示すことができる。記憶装置には、各システムコンポーネントにつき、例えば、（きれいな）理想的な動作状態の、又は理想的な状態から外れた（わずかに汚れている、非常に汚れている、洗浄中などの）動作状態のシステムコンポーネントのパルス応答を示す１又は２以上の伝達関数を記憶することができる。

頻繁に使用される伝達関数の例としては、バターワースフィルタ、ベッセルフィルタ、カウアーフィルタ、チェビシェフフィルタ、ガウシアンフィルタ、レイズドコサインフィルタ、Ｐ要素、Ｉ要素、Ｄ要素、ＰＴ１要素、ＰＴ２要素、又は無駄時間要素が挙げられる。

コンピュータシステムは、第１及び第２の圧力パルス信号から生産システムの伝達関数を求める評価装置をさらに含む。２つの圧力パルス信号は、全てのシステムコンポーネントにわたる圧力パルスの変化を示し、従って信号差は、システム全体のパルス応答の尺度を構成する。従って、システム全体の伝達関数は、個々のシステムコンポーネントのパルス応答に関連する周波数成分を含む。個々のシステムコンポーネントは、その固有の減衰特性に基づいてコンポーネント固有のパルス応答をトリガし、従ってそれぞれのシステムコンポーネントにはコンポーネント固有の周波数スペクトルも相関する。システム全体としての伝達関数は、様々なシステムコンポーネントの個々の伝達関数から計算することができる。生産システム全体の伝達関数を、システムコンポーネントの乱れていない動作状態を示すシステムコンポーネント固有の伝達関数に基づいて計算する場合、システム全体としての伝達関数は、乱れていない動作状態について取得される。従って、評価装置は、測定値に基づいて求められた生産システムの伝達関数を、個々のシステムコンポーネント固有の伝達関数に基づいて計算された生産システムの全体的な伝達関数と比較することにより、生産システムが乱れていない動作状態にあるかどうかを判定することができる。この比較において、評価コンポーネントが、乱れていない動作状態からの逸脱を発見した場合、周波数スペクトル解析を通じて、どの（単複の）システムコンポーネントが逸脱の原因となっているかを確認することができる。最終的に、この生産システムの特定のシステムコンポーネントの伝達関数に基づいて、生産システムの特定のシステムコンポーネントの動作状態を特定することができる。例えば、評価装置は、周波数スペクトル解析によって特定のシステムコンポーネントが特定された後に、全体的な生産システムの伝達関数を再び計算し、この過程でシステムコンポーネントの乱れた動作状態を表すコンポーネント固有の伝達関数を使用することができる。この時、このようにして計算された全体的なシステムの伝達関数が、測定値から求められた全体的なシステムの伝達関数に正確に一致する場合、この伝達関数から特定のコンポーネントの動作状態を特定することができる。

本明細書における「外乱」という用語は、一般に理想的な動作状態からの逸脱を意味する。この意味において、たとえ特定の動作状態が意図的に引き起こされたものであっても、これらの動作状態は外乱と見なされる。従って、例えば洗浄中のシステムコンポーネントのパルス応答は通常の生産動作中のパルス応答から逸脱するので、このコンポーネントの洗浄状態は外乱に該当する。

本発明のさらなる態様は、本明細書で説明するコンピュータシステムによって実行できるコンピュータ実装方法と、このコンピュータ実装方法が行われるようにこのコンピュータシステムによって処理できる命令を有するコンピュータプログラム製品とを含む。

従属請求項には、本発明のさらなる有利な実施形態を定める。

本発明による、生産システムのシステムコンポーネントをモニタするコンピュータシステムの例示的な実施形態を示す図である。 本発明による圧力パルスの様々な例を示す図である。 時間と共に減少する減衰挙動を示すシステムコンポーネントの減衰特性線を一例として示す図である。 時間と共に増加する減衰挙動を示すシステムコンポーネントの減衰特性線を一例として示す図である。 カスケード生産システム全体の時間依存モデル伝達関数の計算を示す図である。 カスケード生産システム全体の実際の伝達関数を示す図である。 本発明による、実際の伝達関数をモデル伝達関数と比較する実施形態を示す図である。 本発明によるコンピュータ実装方法の簡略フローチャートである。

図１に、本発明による、生産システム２００のシステムコンポーネントＫ１〜Ｋｐをモニタするコンピュータシステム１００の例示的な実施形態を示す。

流体移送カスケード生産システム２００は、生産システム２００によって移送される流体を処理するのに適したカスケード構成で設置された複数のシステムコンポーネントを含む。各システムコンポーネントは、流体を処理又は変質するのに役立つ処理ステップを実行する。システムコンポーネントは、例示的な実施形態に示すようにカスケードの形で連続配置することができるが、流体経路をセグメントの形で平行させ、平行になった経路が遅くともカスケードの最終ステップＫｐにおいて再び１つになるように分岐を設けることもできる。

流体移送カスケード生産システム２００の一例には、透析の水処理システムがある。このようなカスケードの形で配置された水処理システムのシステムコンポーネントＫ１〜Ｋｐの例としては、未処理水入口装置、未処理水タンク、媒体フィルタ、粒子フィルタ、硬水軟化装置、活性炭フィルタ、ディープフィルタカートリッジ、粗フィルタ、又は螺旋フィルタが挙げられる。

生産システム２００は、２つのセンサＳ１、Ｓ２を備える。これらのセンサＳ１、Ｓ２は、生産システム２００の特定の技術的パラメータをモニタするために使用される。このような技術的パラメータの例としては、生産カスケードの始点及び終点における圧力、或いは塩素含量、水の硬度、鉄含量又は流体のｐＨなどの、各々が生産カスケードの始点及び終点において測定される化学的パラメータが挙げられる。１つの実施形態では、センサＳ１及びＳ２が、生産システム２００を通過する前の圧力パルスの特性を示す第１の圧力パルス信号２０１と、生産システム２００を通過した後の圧力パルスの特性を示す第２の圧力パルス信号２０２とを生成するパルスピックアップ装置として機能する圧力センサとして実装される。これらの圧力パルスは、パルス発生器装置ＰＧによって生成することができる。このような圧力パルス発生器は、最先端技術において周知であり、例えばピーク形態２１０、ジャンプ形態２１１又は傾斜形態２１２（図２を参照）などの異なる形態の圧力パルスを生成することができる。パルス発生器は、（例えば、コンピュータシステム１００によって）外部から始動又は循環させることができる。応答、すなわち出力における時間関数は、パルス応答と呼ばれる。しかしながら、内部クロック調整によって（例えば、一定の時間間隔で）パルス発生器ＰＧを始動させることもできる。別の実施形態では、パルス発生器ＰＧが、第１の圧力センサＳ１の機能を担うこともできる。パルス発生器は、圧力パルスによって引き起こされる圧力曲線を既に認識しているので、その圧力曲線に関連する圧力パルス信号をパルス発生器の出力パルスとして生成することができる。

２つのセンサＳ１、Ｓ２によって、及び／又はパルス発生器ＰＧと第２の圧力センサＳ２とによって生成される圧力パルス信号２０１、２０２は、コンピュータシステム１００の適切に構成されたインターフェイス１１０を介してコンピュータシステムによって受け取ることができる。このコンピュータシステム１００は、（図１に示すように）生産システム２００の内蔵コンポーネントとすることもできるが、単に通信によって生産システムに結び付いた独立システムとすることもできる。生産システム２００のセンサ信号２０１、２０２は、例えばデータバス又は無線接続などの標準的な通信技術を用いて、適切な通信プロトコルを通じてコンピュータシステム１００に送信することができる。これにより、遠隔位置からの生産システム２００のモニタリング又は保守計画も可能になる。

コンピュータシステム１００は、第１及び第２の圧力パルス信号２０１及び２０２から全体的な生産システム２００の実際の伝達関数ＧＴＦを求めるＧＴＦ決定コンポーネント１３１を有する評価装置１３０をさらに含む。第１の圧力パルス信号は、パルス発生器ＰＧによって生成された圧力パルスのパルス特性を直接的に表す。一方、第２の圧力パルス信号２０２は、最初に生成された圧力パルスに対するシステム２００全体のパルス応答を表す。従って、このパルス応答に関連する伝達関数ＧＴＦは、生産システム２００全体としてのパルス応答から計算することもできる。この計算は、例えばフーリエ変換を用いた周波数スペクトル解析を用いて行うことができる。フーリエ級数、連続フーリエ変換、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は離散時間フーリエ変換（ＤＴＦＴ）信号などのフーリエ変換の変形を使用することもできる。

コンピュータシステム２００は、複数の伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍを記憶するように構成された記憶装置１２０をさらに含む。この記憶装置には、コンピュータメモリの対応する記憶域を使用することができる。伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍは、データベース又は適切なファイルシステムに記憶することもできる。各伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍは、圧力パルスに対する少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の動作状態に依存したパルス応答を示す。伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍは、入力変数の時系列的推移についての知識を所与としていずれかの時点における対応する出力変数を求めることができる時間依存成分を含むことができる。特定のシステムコンポーネントＫ１について、複数の伝達関数ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３を記憶することができる。従って、システムコンポーネントと伝達関数との間には、１：ｎの関係が存在する。従って、システムコンポーネント固有の伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍの数ｍは、対応するシステムコンポーネントＫ１〜Ｋｐの数ｐよりも多くなり得る。例えば、伝達関数ＴＦ１は、サンドフィルタＫ１の乱れていない動作状態を示すことができ、従って伝達関数ＴＦ２及びＴＦ３は、同じフィルタＫ１の動作状態を外乱変数（例えば、粒子の集積）の関数として示すことができる。時間依存伝達関数では、単一の伝達関数を用いてこれらの同じフィルタの様々な時点における動作状態を計算することができる。

各システムコンポーネントＫ１〜Ｋｐにつき、乱れていない動作を表す少なくとも１つの伝達関数と、外乱変数の影響を示す１つの伝達関数とを記憶することができる。外乱変数を時間の関数ｚ（ｔ）として示すことができ、時点ｔ＝０が乱れていない状態に対応する場合には、１つの時間依存伝達関数によって乱れていない動作と外乱変数の影響を受けた動作の両方を示すことができる。図２に、システムのフィルタコンポーネント（濾過機能を有する全てのシステムコンポーネント）に集積した粒子によって生じる圧力差が存在する場合、この圧力差の経時的変化を対応するサブシステムの減衰として時間ｔの関数としてどのように表現できるかを詳細に示す。

評価装置１３０は、（例えば、ＧＴＦ決定コンポーネント１３１を通じて）乱れていない動作状態を示す個々のシステムコンポーネントの伝達関数から生産システム２００全体の伝達関数を計算することができる。その後、評価装置１３０の比較器コンポーネント１３２が、実際の伝達関数ＧＴＦと、計算された乱れていない動作状態の生産システムの伝達関数とを比較して、あらゆる逸脱の可能性を求めることができる。比較器１３２は、実際のシステムの伝達関数ＧＴＦと、記憶された複数の伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍとを比較することにより、システムコンポーネントＫ１〜Ｋｐのうちのどのシステムコンポーネントが乱れていない状態からどのように逸脱しているかを求めることもできる。伝達関数は、それぞれのシステムコンポーネントのパルス応答の、周波数範囲における表現とすることができる。換言すれば、周波数スペクトルは、それぞれのシステムコンポーネントの、周波数範囲における経時的な動作状態依存時系列パルス応答を表し、実際のシステム伝達関数との比較は、対応する周波数スペクトルの比較によって行うことができ、従って最終的に生産システム２００の特定のシステムコンポーネントＫ１〜Ｋｐの動作状態を特定することができる。周波数スペクトルの比較では、スペクトル線の周波数及びスペクトル線の振幅がそれぞれの動作状態の特性である。

それぞれの動作状態が同じ周波数における周波数スペクトルの振幅の変化のみを生じるシステムコンポーネントでは、システムコンポーネントの特徴的周波数に基づいて、実際のシステム伝達関数から対応するシステムコンポーネントを直接推定することができる。その後、振幅の変化に基づいてそれぞれのコンポーネントの動作状態を推測することができる。

変化した動作状態がそれぞれのシステムコンポーネントの特徴的周波数の変化も徐々に引き起こすシステムコンポーネントでは、実際のシステム伝達関数と、乱れていない状態について計算されたシステム伝達関数との周波数比較により、乱れていない状態からの逸脱の原因である（単複の）第１のシステムコンポーネントを最初に推測することができる。その後、対応するコンポーネント固有の伝達関数との比較により、実際の伝達関数の対応する振幅を通じて実際の動作状態をさらに推測することができる。

生産システムは、（ここには図示しない）別の圧力センサを含むこともできる。コンピュータシステムは、この第３の圧力センサから第３の圧力パルスを受け取ることができ、この圧力パルス信号は、生産システムにおける絶対的圧力降下を特徴付け、生産システムの伝達関数を求める際に考慮される。伝達関数は、以下の生産／洗浄ステップに関連して、動的動作状態及び静的動作状態として区別することができる。例えば、動的状態は、下流のシステムコンポーネント又はシステムのさらなる処理装置の入口弁が開いている（例えば、逆浸透）時に発生する。従って、この動的状態では、生産システムを通る流量は０Ｌ／分よりも大きい。この状態では、生産システム内を圧力パルスが伝搬することができ、上述した個々のシステムコンポーネントの動作状態特定方法を実行することができる。静的状態では、下流のさらなる処理装置が作動していない。上流のさらなる処理（例えば、透析用水処理）装置は、０バールよりも高い静的圧力を維持する。静的状態での流量は、０Ｌ／分である。静的状態では、圧力差解析を通じて、生産システムを漏出について試験することができる。例えば、圧力センサの１つにおける圧力が予期せぬ理由で降下した場合には、生産システムに漏出が存在する。

任意に、コンピュータシステムは、生産システムについて特定した状態をユーザのために視覚化する出力装置（例えば、モニタ、プリンタなど）を有することもできる。例えば、生産システムのシステム設計では、これに従ってシステムコンポーネントの動作状態を特徴付けることができる。例えば、この特徴付けは、（例えば、乱れていない場合には緑色、閉塞には赤色、洗浄中には青色などの）色分け、又は（点滅、拍動などの）グラフィックアニメーションによって行うことができる。

図３Ａ及び図３Ｂに、生産システムの様々なタイプのシステムコンポーネントのいくつかの減衰特性（外乱関数ｚ（ｔ））の例を示す。図３Ａには、減衰挙動が時間と共に低下するシステムコンポーネントの減衰特性を示す。減衰特性ｄ１は、未処理水入力装置の経時的減衰挙動の典型的な曲線を示す。減衰特性ｄ２は、管路の経時的減衰挙動の典型的な曲線を示す。減衰特性ｄ３は、硬水軟化装置の経時的減衰挙動の典型的な曲線を示す。図３Ｂには、減衰挙動が時間と共に増加するシステムコンポーネントの減衰特性を示す。減衰曲線ｄ４は、媒体フィルタの経時的減衰挙動の典型的な曲線を示す。粒子フィルタも同様の特性を有する。減衰特性ｄ５及びｄ６は、２つの異なる活性炭フィルタの経時的減衰挙動の典型的な曲線を示す。

図４Ａに、カスケード生産システム全体の時間依存モデル伝達関数ＧＴＦ＿ｍｏｄ１３５の計算を示す。モデル伝達関数ＧＴＦ＿ｍｏｄは、コンポーネント固有の伝達関数ＴＦ１〜ＴＦｍから取得され、時間依存外乱変数ｚ＿ｍ（ｔ）の影響下における入力ｘ＿ｍ（ｔ）（圧力パルス）への応答として生産システムのモデルパルス応答ｙ＿ｍ（ｔ）を供給する。時間依存外乱変数ｚ＿ｍ（ｔ）は、全てのシステムコンポーネントの総外乱影響に対応し、従って全てのシステムコンポーネント固有の減衰特性に基づいて取得されるシステム全体としてのモデル外乱関数を表す。

図４Ｂには、圧力パルス信号に基づいて求められる生産システムの実際の伝達関数ＧＴＦ＿ｒｅａｌ１３６を示しており、ｘ＿ｒ（ｔ）は、第１の測定／特定された圧力パルス信号を表し、ｙ＿ｒ（ｔ）は、第２の測定された圧力パルス信号（パルス応答）を表し、ｚ＿ｒ（ｔ）は、例えば常圧タンク、沈殿池の使用又は同様の原因などに起因する追加の圧力損失が存在しない限り、最終的に全てのシステムコンポーネントの実際の動作状態によって生じる実際のシステム減衰を特徴付ける。このような絶対圧力損失の影響は、別のセンサを用いて生産システムの絶対圧力を求めることによって測定することができ、従ってシステム全体の実際の伝達関数の計算に加えることができる。例えば、このようなさらなる圧力センサを用いて、システム内の常圧タンクにおける圧力パルスを測定することができる。このさらなる圧力センサに起因して、システムの総伝達関数を２つの連続する伝達関数に分割することができ、これらの部分的伝達関数の各々は、常圧タンクよりも前又は後ろのそれぞれのサブシステムのパルス応答を表す。２つのセンサによって求められる圧力差の変化は、時間の関数としてのシステムの減衰と同一視すべきである。この変化が、図３Ｂのフィルタコンポーネントなどの濾過効率を有するシステムコンポーネントに関与する場合、外乱変数ｚ＿ｒ（ｔ）は、それぞれのフィルタ内の集積した粒子数に依存する。

図５に、本発明による、実際の伝達関数ＧＴＦ＿ｒｅａｌ１３９と、個々のシステムコンポーネントの記憶されている伝達関数から取得されたモデル伝達関数ＧＴＦ＿ｍｏｄ１３５とを比較する実施形態を示す。図５には、矢印で示すように３つのステップを示しており、これらは示す順番に上から下に処理することができる。第１のステップにおいて、システムは、生産システムのモデル伝達関数ＧＴＦ＿ｍｏｄ１３５を計算する。ＧＴＦ＿ｍｏｄを用いて、圧力パルスに対するパルス応答ｙ＿ｍ（ｔ）を求めることができる。この図には、時点ｔ０＝０における周波数範囲でのモデルパルス応答の例（生産システムの乱れていない動作状態）を示している。個々の周波数スペクトル線の周波数ｆ及び振幅Ａ（ｆ）は、個々のシステムコンポーネントの特性線を表す。第２のステップにおいて、第１及び第２の圧力パルス信号に基づいて実際のシステム伝達関数ＧＴＧ＿ｒｅａｌ１３６を求める。ここに示す時点ｔ０＝０における周波数スペクトルは、モデル伝達関数に基づく周波数スペクトルとの広範囲にわたる対応を示す。この周波数スペクトルは、時点ｔ０＝０における生産システムの動作が乱れていないことを示唆する。

第３のステップにおいて、時点ｔ１＞０における実際のシステム伝達関数ＧＴＧ＿ｒｅａｌ１３６を求める。この時点では、既に１又は２以上のフィルタコンポーネントに粒子が集積しており、システムの全体としての減衰が変化するようになる。点線矢印を付けた３つのスペクトル線は、パルス応答のスペクトル解析における乱れていない状態からの著しい逸脱を示す。モデル伝達関数ＧＴＦ＿ｍｏｄから、それぞれのスペクトル線に関与するシステムコンポーネントを特定することができる。また、スペクトル線の振幅及び／又は周波数の逸脱から得られる時間依存伝達関数は、影響を受けたシステムコンポーネントの時間依存伝達関数を用いてシステム全体のものとして求めることができるので、これから外乱のタイプ及び程度を推定することができ、従って時点ｔ１におけるＧＴＦ＿ｍｏｄを計算することができる。モデル計算は、モデル化されたパルス応答と実際のパルス応答に基づくとともに、モデル化された伝達関数と実際の伝達関数にも基づいて、実際の測定結果と比較することができる。

生産システムは、同一又は同様の伝達関数を有する同じタイプの複数のシステムコンポーネントを含む場合、乱れた動作システムにある特定のシステムコンポーネントを本発明による解析のみに基づいて容易に推測することができない。このような場合、例えば同じタイプのシステムコンポーネントの異なる事例に統合フローエンベロープを設けて、各フロースルーエンベロープがそれぞれのシステムコンポーネントにおいて規定の圧力降下を引き起こすようにすることができる。この規定の圧力降下がそれぞれのコンポーネント固有の圧力降下に加えられ、対応するコンポーネント固有の伝達関数の周波数スペクトルが変化するようになる。フロースルーエンベロープは、圧力測定センサのセンサ精度、及び使用する処理段階のシステムコンポーネントに適合すべきである。従って、異なる寸法の統合フロースルーエンベロープにより、同じタイプのシステムコンポーネントの伝達関数を区別できるようになる。生産システムの重複する処理ステップにも同じ原理を当てはめることができる。

この解析に基づき、とりわけ適切なコンポーネント固有の伝達関数を用いて、個々のコンポーネントの洗浄状態を認識することができる。従って、コンピュータシステムは、既にどのタイプの洗浄が行われたか、及びその洗浄が正しく完了したかどうかを自動的に判定することができる。洗浄サイクルは、主に伝達関数の解析から求めることができる。これにより、コンピュータシステムは、生産システムにおける洗浄動作が時間的に調整されるように命令することができる。例えば、圧力パルス信号、並びに対応する全体的な伝達関数及び／又はコンポーネント固有の伝達関数の解析に基づいて、例えばサンドフィルタのデマンド制御による再洗浄、又はディープフィルタカートリッジのデマンド制御による交換を行うことができる。これにより、流体（例えば、水）の消費、及び生産システムに起因する電流消費、並びに消費可能な材料が外乱変数ｚ（ｔ）の関数として減少する。コンピュータシステムは、生産システムとのインターフェイスを介してアクチュエータ信号をトリガすることにより、デマンド制御処理において対応するアクチュエータを始動させることができ、これらのアクチュエータが、生産システム内の流体のフロースルー挙動を変化させる。例えば、アクチュエータは、稼働中にデマンド制御処理における対応する再生及び／又は洗浄動作を設定することができる。大まかに言えば、対応する誘発処理を通じてアクチュエータを用いて流速又は流路を変化させることができる。

例えば、これは制御可能な以下のものを用いて行うことができる。
− スロットルバルブ、
− 制御に応答して流れをバイパス経路に迂回させるバイパススイッチ、
− 圧力スイッチ、又は、
− その他のシャントアクチュエータ（例えば、Ｙシャント）。

従って、生産システムは、本発明によるコンピュータモニタリングシステムを通じて、システムによって（例えば、通常動作又は洗浄動作を通じて）提供される実際の流体品質の関数として動作する。

従って、カスケード生産システムが透析用水処理システムである場合、コンピュータシステムは、生産システムを使用する際に以下の因子を適宜モニタすることができる。
・生産システムの漏出、
・外乱変数によるフィルタカートリッジの負荷及びフィルタカートリッジの交換時期、
・このように導入される外乱変数の関数としての、例えばサンドフィルタ又は活性炭フィルタなどのフィルタの再洗浄時期、
・水硬度測定装置と組み合わせた硬水軟化装置の再生時点、及びその結果生じる硬水軟化用の塩の詰め替え時期。

生産システムは、第１及び第２の圧力センサに加え、塩素含量、水の硬度、鉄含量又はｐＨなどの生産システムの技術的パラメータの測定に適した他のセンサ対を有することもできる。これらの技術的パラメータについてコンポーネント固有の伝達関数をモニタリングシステムに記憶することもでき、これらの技術的パラメータから、圧力パラメータの場合と同様の方法で個々のシステムコンポーネントの動作状態に関する追加情報を取得することができる。本発明によるセンサの数を減少させると、システム全体がより堅牢になって必要な保守が低減される。

コンピュータシステムは、評価装置において、モデル伝達関数を実際の伝達関数と比較することによってアラーム限界の調整を可能にするルールを管理し、これらの限界を超えた時にアラームが引き起こされて、生産システムの動作状態がもはや受け入れられないことを示すようにすることもできる。例えば、１つのこのようなアラーム限界は、フィルタの閉塞に対応する減衰値について設定することができる。

個々のシステムコンポーネントの動作状態を特定することに加え、図２の様々な圧力パルス形状を用いて、結果として得られるシステム応答から生産システム全体の漏出に関する推測を立て、システムコンポーネント固有の伝達関数の減衰関数を校正し、新たなアラーム限界を設定し、これらを比較又はトリガすることもできる。

図６に、本発明による、流体移送カスケード生産システムの少なくとも１つのシステムコンポーネントの動作状態を特定するコンピュータ実装方法１０００の簡略フローチャートを示す。点線で示すブロック内のステップは、任意のステップとして理解されたい。

このコンピュータ実装方法の個々のステップは、コンピュータシステム１００のコンポーネント（図１を参照）によって実行することができる。コンピュータシステムは、生産システムの第１及び第２の圧力パルスセンサから、生産システムを通過する前の圧力パルスの特性を示す第１の圧力パルス信号と、生産システムを通過した後の圧力パルスの特性を示す第２の圧力パルス信号とを受け取る（１２００）。次に、コンピュータシステムは、第１及び第２の圧力パルス信号から生産システムの実際の伝達関数を求める（１３００）。次に、この生産システムの実際の伝達関数を、各々が少なくとも１つのシステムコンポーネントの圧力パルスに対する動作状態依存パルス応答を示す、記憶されている複数のシステムコンポーネント固有の伝達関数と比較する（１４００）。最後に、コンピュータシステムは、比較結果に基づいて、生産システムの特定のシステムコンポーネントの動作状態を特定することができる（１５００）。比較ステップ１４００及び特定ステップ１５００では、生産システムの実際の伝達関数をシステムコンポーネントの動作状態に関して分類するニューラルネットワークを使用することができる。システムコンポーネントの伝達関数は、周波数スペクトルとして記憶することができる。各周波数スペクトルは、周波数範囲におけるそれぞれのシステムコンポーネントの動作状態依存パルス応答を形成する。この結果、この周波数範囲において比較ステップ１４００及び判定ステップ１５００が行われる。

コンピュータシステムは、生産システム内の圧力パルスを生成する制御信号を任意に生成し、生産システムのパルス発生器に送る（１１００）ことができる。このステップは、方法の開始時に実行することができる。

コンピュータシステムは、特定のコンポーネントの動作状態の特定に基づいて再生又は洗浄の需要を検出した後に、任意に、稼働中に再生及び／又は洗浄処理を設定するように生産システム内のアクチュエータを始動できるデマンド制御アクチュエータ信号を生産システムに送ることができる（１６００）。

当業者であれば、このコンピュータ実装方法を実装する検討において、コンピュータシステムの既に開示されている有利な実施形態を容易に含めることができる。

例えば、図１に関連して説明したコンピュータシステムが、処理のアルゴリズムを実装する命令を含むコンピュータプログラムを処理する場合、コンピュータ実装方法１０００は、このコンピュータシステムによって実行することができる。

本発明の実施形態は、デジタル回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらのいずれかの組み合わせの形で実装することができる。本発明は、物理的情報媒体（例えば、機械可読記憶媒体）上のコンピュータプログラムなどの、データ処理装置（例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ又は通信可能に結合されたコンピュータ）によって実行される、又はデータ処理装置の動作を制御するコンピュータプログラム製品の形で実装することもできる。特許請求の範囲に記載するコンピュータプログラム製品は、あらゆるプログラム言語で形成することができるが、コンパイラ型言語又はインタプリタ型言語も含まれる。このコンピュータプログラム製品は、例えば、スタンドアロン型プログラム、モジュール、コンポーネント、サブプログラム、或いはデータ処理システムで使用するのに適した別の装置などのあらゆる形で使用することができる。

コンピュータプログラムは、コンピュータによって実行することができ、或いは一箇所に、又は通信ネットワークを介して結合された複数のコンピュータを通じて複数箇所に分散することもできる。コンピュータ実装方法は、対応するデータ処理装置において対応するコンピュータプログラム製品を実行することによって実行することができる。

本発明による処理ステップは、入力データを処理して対応する出力データを生成する本発明による機能を実行するようにコンピュータプログラムを実行することにより、１又は２以上のプログラマブルプロセッサによって実行することができる。処理ステップは、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの専用論理モジュールによって実行することもできる。

コンピュータプログラムを実行するのに適したプロセッサの例としては、汎用又は専用マイクロプロセッサ、及びいずれかのデジタルコンピュータのいずれか１つ又は２つ以上のプロセッサソリューションが挙げられる。一般に、プロセッサは、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、又はこれらの両方から命令及びデータを受け取る。コンピュータの必須要素としては、少なくとも１つのプロセッサ、並びにデータ及び命令を記憶する１又は２以上の記憶媒体が挙げられる。一般に、コンピュータは、１又は２以上の大容量記憶媒体（例えば、磁気、光磁気、光学、又は固体（ＳＳＤ）記憶媒体）にも結合してここからデータを受け取り、又はここにデータを記憶する。このような記憶媒体は、オンデマンドで提供することも、又はインターネットを介したアクセスによって提供することもできる（例えば、クラウドコンピューティング）。プログラム命令及びデータを記憶するのに適したデータ媒体としては、半導体記憶素子（例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリデバイス、磁気又は光磁気記憶媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、又はＢｌｕｅ Ｒａｙディスクなどの全てのタイプの不揮発性記憶素子が挙げられる。プロセッサ及び記憶素子は、専用論理モジュールによって補完することも、又は専用論理モジュールの一部とすることもできる。

本発明は、ユーザとのやりとりを可能にするために、少なくとも１つの出力装置（例えば、ＬＣＤモニタ、スピーカなど）と、少なくとも１つの入力装置（例えば、キーボード、タッチ画面、マイク、マウス又はトラックボールなどのポインティングデバイス）とを含むコンピュータに実装することができる。

本発明は、ユーザが本発明の実施形態とやりとりできるようにするバックエンドコンポーネント（例えば、データサーバ）、ミドルウェアコンポーネント（例えば、アプリケーションサーバ）、又はフロントエンドコンポーネント（例えば、グラフィカルユーザインターフェイス又はＷｅｂブラウザを含むクライアントコンピュータ）、或いはバックエンドコンポーネント、ミドルウェアコンポーネント及びフロントエンドコンポーネントのいずれかの組み合わせを含むデータ処理装置に実装することもできる。

クライアントコンピュータは、例えば、スマートフォン、タブレットＰＣ、又はいずれかのポータブルコンピュータ装置などのモバイル端末とすることもできる。システムのコンポーネントは、（例えば、ローカルエリアネットワークＬＡＮ、ワイドネットワークＷＡＮ、インターネット、無線ＬＡＮ、又はテレコミュニケーションネットワークなどの通信ネットワークを介して）共に通信可能に結合することができる。

コンピュータシステムは、クライアント及びサーバを含むことができる。一般に、クライアントとサーバは互いに物理的に分離され、通信ネットワークを介してやりとりする。ここでのクライアントとサーバの関係は、それぞれのコンピュータ上で実行される、互いにクライアント−サーバの関係を有するコンピュータプログラムを通じて発生する。

１００ コンピュータシステム
１１０ インターフェイス
１２０ 記憶装置
１３０ 評価装置
１３１ ＧＴＦ決定コンポーネント
１３２ 比較器コンポーネント
２００ 生産システム
２０１ 第１の圧力パルス信号
２０２ 第２の圧力パルス信号
２２０ 制御信号

Claims (15)

1. 流体移送カスケード生産システム（２００）における少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の動作状態を特定するコンピュータシステム（１００）であって、
   前記生産システム（２００）を通過する前の圧力パルスの特性を示す第１の圧力パルス信号（２０１）と、前記生産システム（２００）を通過した後の前記圧力パルスの特性を示す第２の圧力パルス信号（２０２）とを受け取るように構成されたインターフェイス（１１０）と、
   各々が少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の前記圧力パルスに対する動作状態依存パルス応答を示す複数のシステムコンポーネント固有の伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）を記憶するように構成された記憶装置（１２０）と、
   前記第１及び第２の圧力パルス（２０１、２０２）から前記生産システムの実際の伝達関数を求め、該生産システム（２００）の実際の伝達関数を、前記システムコンポーネントの前記記憶された複数の伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）と比較し、この比較結果から前記生産システム（２００）の特定のシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の動作状態を特定するように構成された評価装置（１３０）と、
   を備えることを特徴とするコンピュータシステム。
2. 前記インターフェイス（１１０）は、前記生産システムにおける絶対圧力降下を特徴付ける、前記生産システムの前記伝達関数を求める際に考慮される第３の圧力パルス信号を受け取るようにさらに構成される、
   請求項１に記載のコンピュータシステム。
3. 前記生産システム（２００）における前記圧力パルスを生成する制御信号（２２０）を生成するように構成された信号生成器をさらに備える、
   請求項１又は２に記載のコンピュータシステム。
4. 前記システムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の前記伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）は周波数スペクトルとして記憶され、該周波数スペクトルの各々は、周波数範囲におけるそれぞれのシステムコンポーネントの動作状態依存パルス応答を表す、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のコンピュータシステム。
5. 特定のシステムコンポーネントの前記動作状態の変化は、特徴的な周波数及び／又は周波数振幅におけるそれぞれの周波数スペクトルの変化に対応する、
   請求項４に記載のコンピュータシステム。
6. 流体移送カスケード生産システム（２００）であって、
   前記生産システムにおける流体を処理する複数のカスケードシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）と、
   圧力パルスによって引き起こされる圧力波の伝播方向に関して、前記生産システムにおける該生産システム（２００）の前記カスケードシステムコンポーネントよりも上流の位置において圧力パルスを生成する圧力パルス生成コンポーネント（ＰＧ）と、
   前記圧力パルスによって引き起こされる前記圧力波の伝播方向に関して、前記生産システムにおける最後のカスケードシステムコンポーネントよりも下流の位置において圧力パルス信号を検出する少なくとも１つの圧力センサ（Ｓ１、Ｓ２）と、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のコンピュータシステム（１００）と、
   を備えることを特徴とする生産システム。
7. 特定のシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）は、未処理水入口装置、未処理水タンク、媒体フィルタ、粒子フィルタ、硬水軟化装置、活性炭フィルタ、ディープフィルタカートリッジ、粗フィルタ及び螺旋フィルタというコンポーネントタイプのうちの１つのコンポーネントタイプの事例として設計される、
   請求項６に記載の生産システム。
8. 同じタイプのコンポーネントのシステムコンポーネントの複数の異なる事例は、異なる形で調整された統合フローエンベロープを有し、従ってそれぞれの統合フローエンベロープを有する各事例は、区別可能なコンポーネント固有の伝達関数を有する、
   請求項６又は７に記載の生産システム。
9. 前記生産システムは、該生産システムにおける前記コンピュータシステムによって受け取られたデマンド制御アクチュエータ信号に応答して前記流体の流動作用を変化させるように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備える、
   請求項６から８のいずれか１項に記載の生産システム。
10. 流体移送カスケード生産システムにおける少なくとも１つのシステムコンポーネントの動作状態を特定するコンピュータ実装方法（１０００）であって、
    前記生産システム（２００）を通過する前の圧力パルスの特性を示す第１の圧力パルス信号（２０１）と、前記生産システム（２００）を通過した後の前記圧力パルスの特性を示す第２の圧力パルス信号（２０２）とを受け取るステップ（１２００）と、
    前記第１及び第２の圧力パルス信号（２０１、２０２）から前記生産システム（２００）の実際の伝達関数を求めるステップ（１３００）と、
    前記生産システム（２００）の実際の伝達関数を、各々が少なくとも１つのシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の前記圧力パルスに対する動作状態依存パルス応答を示す記憶された複数のシステムコンポーネント固有の伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）と比較するステップ（１４００）と、
    前記比較の結果に基づいて、前記生産システム（２００）の特定のシステムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の前記動作状態を特定するステップ（１５００）と、
    を含むことを特徴とするコンピュータ実装方法（１０００）。
11. 前記生産システム（２００）における前記圧力パルスを生成する制御信号（２２０）を送出するステップ（１１００）をさらに含む、
    請求項１０に記載のコンピュータ実装方法（１０００）。
12. 前記生産システムにおいて再生及び／又は洗浄動作を開始するようにアクチュエータを始動させるよう構成されたデマンド制御アクチュエータ信号を前記生産システムに送出するステップ（１６００）をさらに含む、
    請求項１０又は１１に記載のコンピュータ実装方法（１０００）。
13. 前記システムコンポーネント（Ｋ１〜Ｋｐ）の前記伝達関数（ＴＦ１〜ＴＦｍ）は周波数スペクトルとして記憶され、該周波数スペクトルの各々は、周波数範囲におけるそれぞれのシステムコンポーネントの動作状態依存パルス応答を表し、前記周波数範囲内で前記ステップが比較されて前記特定が行われる、
    請求項１０から１２のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法（１０００）。
14. 前記比較するステップ及び前記特定するステップは、前記生産システム（２００）の前記伝達関数を前記システムコンポーネントの前記動作状態に関して分類するニューラルネットワークを使用する、
    請求項１０から１３のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法（１０００）。
15. 請求項１０から１４のいずれか１項に記載の前記コンピュータ実装方法を実行する命令を含むコンピュータプログラム製品であって、前記命令は、コンピュータシステムの少なくとも１つの記憶モジュールにロードされ、前記コンピュータシステムの少なくとも１つのプロセッサによって処理される、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム製品。

Images