JP6043348B2 - 産業プロセスを監視する方法 - Google Patents

Description

本発明は概して自動化システムによる産業プロセスの制御に関する。

プロセス制御や自動化システムは、化学製品、石油精製所、紙パルプ工場及び発電所などの産業プロセスを自動的に制御するために使用される。プロセス自動化システムは、ネットワークをしばしば使用して、センサ、アクチュエータ、コントローラ及びオペレータ端末などの種々のシステムコンポーネントを相互接続する。プロセス自動化は、コンピュータ技術及びソフトウェア工学の活用を伴って、発電所や工場がより効率良くかつ安全に稼働することを支援する。

プロセスシミュレーションは、実際のシステム又は理論上のシステムの動作及び性能を研究及び解析するソフトウェアにおける、産業プロセス及びユニット作業についての、モデルに基づいた表現である。シミュレーション研究は、実在のシステム上ではなく、特定のシステムダイナミクス及びシステム特性を研究する目的で生成されたシステムの（一般にコンピュータに基づいた）モデル上で、実行される。いずれのモデルの目的も、モデル応答を研究及び解析することによって、そのユーザに、実システムに関する結論を出させることである。モデルを開発する主な理由には、実システムを解析することとは対照的に、経済的側面、「実」システムを利用できないこと、及びシステムの要素間の関係についてより深い理解を得るという目標を含む。

プロセスシミュレーションは、概算及び仮定を導入するモデルを常に使用するが、実データには含まれない可能性がある温度や圧力などの、広範囲の特性にわたって、特性の内容を与える。モデルは、さらに、一定の制限の範囲内で内挿及び外挿を与え、既知の特性の範囲外の条件について検索することを可能にする。プロセス自動化において、シミュレータは、そのプラントがどれほど稼働しているかを示すだけではなく、種々の動作モードをシミュレートし、そのプラントに対する最適な戦略を見出すために、測定結果を活用してよい。

シミュレーションを、タスクにおいて又は状況トレーニングの分野において活用してよく、その目的は、オペレータに特定の状況を想定させて、正しく対応することを可能にすることでもあり、いくつかの基準に基づいて選択肢を試行及び選択すること、特定の現象が考慮中のシステムの動作においてなぜ発生するのかを試行すること、どの変数が性能に対して最も重要であるのかとこれらの変数がどのように相互作用するのかとに関する洞察を得ること、プロセス内のボトルネックを識別すること、（誰もが思っている、システムがどのように動作しているのかとは対照的に）システムが実際にどのように動作しているのかをより理解すること、並びに選択肢を比べて判断のリスクを減らすことを、可能にすることでもある。

基本的なプロセスシミュレータは、シミュレートされるプロセスに対してリアルタイムの接続を有さずに実行される。一方、トラッキングシミュレータは、その動作を現実のものに適合させる機能を有する。トラッキングシミュレータは、実プロセスと並行してリアルタイムで動作するプロセスシミュレータであり、実プロセスへの接続を備える。より具体的には、トラッキングシミュレータは、プロセス測定結果を実プロセスから受け取り、実プロセス測定結果とシミュレータ出力とを比較することによって、それ自身の動作（モデル）を補正することができる。ＰＣＴ／ＦＩ２０１０／０５０５６４が、そうしたトラッキングシミュレータの一例を開示している。

ＵＳ２００８／００２７７０４が、プロセスプラントにおける、リアルタイムの同期された制御及びシミュレーションを開示している。シミュレータが、実際の制御システム及び実際のプロセスと並行して実行される。そのオペレータは、シミュレータを、２つの択一的な動作モード、すなわち、トラッキングモードと予測モードとの間で、切り替えることができる。トラッキングモードにおいて、シミュレータは、実プロセスからのデータに基づいて、そのモデルを訂正又は更新できる。予測モードにおいて、シミュレータは、いくらかの将来の計画対象期間にわたって、例えば、仮定のシナリオを実行するために、プロセス制御システムのシミュレーションを実行する。予測モードにおいて、シミュレータは、シミュレートされるプロセスへのリアルタイムの接続を有さない、基本的なプロセスシミュレータに対応する。

外乱が、プロセスに入り込んだり影響したりして、制御下の従属変数を所望の値条件又は設定点条件から離してしまう傾向がある。典型的な外乱には、生産品の需要量における変化や、供給材料の供給量における変化を含む。制御システムは、従属変数を調整しなければならず、ゆえに、独立変数の定点値は外乱にもかかわらず維持される。設定点が変更される場合、制御下の変数を新たな所望の値に適合させるように、独立変数を変更しなければならない。

そうした差異にも関わらず、連続的なプロセス産業は、基本的な特性を共有する。すなわち、それらは、相当な準備費用と準備期間とを意味する設備における連続的な稼働を維持するが、小さな外乱によって干渉されたり中断されたりする可能性がある。生産品ストリームが中断される場合、あるいは、プロセスが最適に実行されない場合、損なわれた生産性と失われた生産品とが、大きな財務負担を生成する可能性がある。したがって、オペレータがプロセスをリアルタイムで監視及び管理することが重要となる。制御室が、産業プロセスなどの大規模システムを管理するために使用される、中心施設である。大規模システムのオペレータが、より能率的に働くこと、より高機能の制御システムを使用すること、並びにより多くの職務及び責任を引き受けることを要求されるにつれて、制御室装置の開発者らは、彼らのシステムと効率よくやりとりするためにオペレータの能力を向上させようとしてきている。

近年のプロセスプラントは、大量のリアルタイムデータを生成し、そのリアルタイムデータはしばしば、後の解析のために効果的に保存及び処理される必要がある。すべての測定結果、設定点、コントローラ出力、機器ステータス、モータ起動、アラーム、オペレーション・トラッキング等を、いわゆる過去データベース（historian database）に保存してよい。過去データベースを、制御部、エンジニアリング、及び制御室機能などの、制御システムの他の部分と統合してよい。プロセスプラントから徐々に収集された履歴データによって、プロセストレンドをデータにおいて時間と共に示す、トレンドグラフを生成してよい。近年の制御室では、大抵、長い履歴トレンドをユーザが利用可能となっている。すべてのプロセスが変化する場合、単一のポイントの測定結果は誤解を招く可能性がある。時間とともに履歴データを表示することは、プロセスの実性能への理解を向上させる。

本発明の目的は、産業プロセスについて、改良された監視スキームを提供することである。本発明のこの目的は、別記の独立請求項の内容によって達成される。本発明のより好ましい実施形態を、従属請求項において開示する。

本発明の一態様は、産業プロセスを監視する方法であって、
過去データベースに、産業プロセスを制御する実自動化システムによって提供される、複数の実際の制御入力及び実際のプロセス測定結果を連続的に保存するステップと、
将来データベースに、前記産業プロセスのモデルに基づいた仮想自動化システムによって提供される、複数の予想の制御入力及びプロセス測定結果を連続的に保存するステップと、
グラフィカルユーザインタフェース上で、前記過去データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点までの過去オペレーションと、前記将来データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点から先の予想将来オペレーションとの双方を、同一のグラフィカルなトレンドビュー内に表示するステップと、
を含む。

本発明の実施形態によると、前記過去データベース内の実際の制御入力及びプロセス測定結果が、前記将来データベース内の同一のタイムスタンプを有するそれぞれの予想の制御入力及びプロセス測定結果をリアルタイムで上書き又は置換する。

本発明の実施形態によると、当該方法は、将来の措置及び／又は設定点を前記将来データベースに保存するステップと、それぞれのトレンドを前記グラフィカルユーザインタフェース上に表示するステップとを含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、
別の自動化システムと協調データをやりとりするステップであって、前記協調データは、将来措置、将来設定点、将来トレンド、将来プロセス測定結果、将来プロセス制御、将来アラームのうち、１つ又は複数を含む、ステップと、
前記協調データを前記将来データベースに保存するステップと、
前記協調データを、前記グラフィカルなトレンドビューを生成すること及び表示することに使用するステップと、
を含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、前記実自動化システムのステートを、前記仮想自動化システムにおいて追跡するステップを含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、前記の実際のプロセスのプロセスステートを、前記仮想自動化システムにおける予想又はシミュレーションにおいて追跡するステップを含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、前記予想の制御入力及びプロセス測定結果を、前記仮想自動化システムにおいて、実際の制御入力及びプロセス測定結果のリアルタイムの速度より速い速度で生成するステップを含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、前記グラフィカルユーザインタフェース上に、前記将来データベースに保存されているデータに基づいて、将来アラームを生成及び表示するステップを含む。

本発明の実施形態によると、当該方法は、前記グラフィカルユーザインタフェース上に時系列制御ツールを表示するステップと、ユーザが前記時系列制御ツールを使用するステップであって、前記時系列制御ツールは、データについての所望の分解能及び／又は所望の期間を用いて、前記過去データベース内の過去イベントを分析するために時間を戻るためのものでもあり、前記将来データベース内の将来イベントを分析するために時間を進むためのものでもある、ステップと、を含む。

本発明のさらなる態様が上記の実施形態のいずれか１つによる方法を実施するシステムであって、産業プロセスに接続されているリアルタイムの自動化システム、リアルタイムよりも速く実行することが可能な仮想自動化システム、グラフィカルユーザインタフェース、過去データベース、及び将来データベースを含む。

本発明の別の態様がコンピュータプログラムであって、当該プログラムがコンピュータ上で実行された場合に上記の実施形態のいずれか１つによる方法を実行する、プログラムコードを含む。

本発明の別の態様がコンピュータプログラム製品であって、当該プログラム製品がコンピュータ上で実行された場合に上記の実施形態のいずれか１つによる方法を実行する、コンピュータ読み取り可能媒体に保存された、プログラムコード手段を含む。

下記において、別記の図面を参照しながら例示的な実施形態を用いてより詳細に、本発明を説明していく。
本発明の例示的な実施形態によるシステムを示しているブロック図である。 過去データベース及び将来データベースにおけるタグの保存の例を示している、単純化されたブロック図である。 図３Ａは、本発明の例示的な実施形態によるオペレータユーザインタフェース上に表示可能な、例示的なトレンドビューを示す。 図３Ｂは、グラフィカルユーザインタフェース上に過去データ及び将来データを表示する、さらなる例を示す。 図３Ｃは、グラフィカルユーザインタフェース上に過去データ及び将来データを表示する、さらなる例を示す。 図３Ｄは、グラフィカルユーザインタフェース上に過去データ及び将来データを表示する、さらなる例を示す。 図３Ｅは、グラフィカルユーザインタフェース上に過去データ及び将来データを表示する、さらなる例を示す。 図３Ｆは、グラフィカルユーザインタフェース上に過去データ及び将来データを表示する、さらなる例を示す。 グラフィカルユーザインタフェース上に表示された時系列ツール及びズーミングツールの例を示す。 本発明の例示的な実施形態による仮想自動化システムを示しているブロック図である。 本発明のまたさらなる例示的な実施形態によるシステムを示しているブロック図である。

図１に、本発明の例示的な実施形態を示す。本発明を、どんな自動化システム（プロセス制御システム）４に関して適用してもよく、どんな産業プロセス２に関して適用してもよく、他も同様である。産業プロセス２には、紙パルプ、石油精製、石油化学工業及び化学工業などの、加工産業におけるプロセス、又は発電所におけるプロセスなどを含んでよいが、これらに限定されない。自動化システムについて、種々のアーキテクチャが存在する。例えば、自動化システム４は、すべて当分野において既知である、直接デジタル制御（Direct Digital Control；ＤＤＣ）システム、分散制御システム（Distributed Control System；ＤＣＳ）又はフィールド制御システム（Field Control System；ＦＣＳ）であってよい。上記の分散型自動化システムの一例が、Ｍｅｔｓｏが提供する、Ｍｅｔｓｏ ＤＮＡ（ＤＮＡはDynamic Network of Applications）である。製紙工場などの工場全体の生産活動を制御する自動化システムの中央処理装置が、しばしば制御室と言われる。その制御室は、１つ又は複数の制御室コンピュータ／プログラムと、プロセス制御コンピュータ／プログラムと、自動化システムのデータベースとから成ってよい。自動化システム４は、プロセスバス／ネットワーク、及び／又は制御室バス／ネットワークを含んでよく、それらによって、種々のプロセス制御コンポーネント又はコンピュータを互いに接続する。制御室バス／ネットワークは、自動化システム４のユーザインタフェースコンポーネントを相互接続してよい。制御室バス／ネットワークはローカルエリアネットワークであってよく、例えば、標準のイーサネット技術に基づいてよい。プロセスバス／ネットワークは、順に、プロセス制御コンポーネントを相互接続してよい。プロセスバス／ネットワークは、例えば、決定性のトークンパッシングプロトコルに基づいてよい。プロセスコントローラが、さらに、制御室ネットワークに接続されてよく、プロセスコントローラとユーザインタフェースとの間の通信を可能にする。しかしながら、本発明の適用分野を何らかの特定の自動化システム４の実施に限定する意図はないということが、十分理解されるべきである。

自動化システム４が制御するプロセス２は、一般に、アクチュエータ、バルブ、ポンプ及びセンサなどの多数のフィールド機器を、プラントエリア（フィールド）内に含んでよい。自動化システム４とプロセス２（例えば、フィールド機器）との間の相互接続を配備するための、種々の代わりの方法が存在し、例えば、２線のツイストペアループ（４〜２０ｍＡアナログ信号）、ＨＡＲＴ（ハイウェイアドレス可能遠隔トランスデューサ）プロトコル、及び他のフィールドバス（例えば、フィールドバスやプロフィバス）などがある。しかしながら、自動化システム４とプロセス２との間、例えば、制御室とフィールド機器との間の相互接続の種類又は実装は、上述の代替手段のうちいずれか１つに基づいてよく、あるいは上述の代替手段のどんな組み合わせに基づいてもよく、あるいはどんな他の実装に基づいてもよい。プラントは長期間にわたって徐々に更新及び拡張されるため、実際のプラント構成は、複数の種類の自動化ライン又はフィールドバスを並行して含んでよく、典型的には含むものである。

プロセス測定結果ｙ(ｋ)が、プロセス２における任意の所望の変数又は特性、例えば、流量、圧力、温度、バルブ位置などについての、どんな測定結果も含んでよい。これらのプロセス変数を、プロセスプラントのフィールドに配置された専用のセンサで測定してよい。自動化システム４からプロセス２へのプロセス制御（入力）ｕ(ｋ)は、フィールド機器への制御入力を含んでよいが、これに限定されない。

オペレータ又はユーザが、自動化システム４を、自動化システムのユーザインタフェース６を介して監視及び制御してよい。ユーザインタフェースを通じて、ユーザは、自動化システム４から受信した、表示された測定結果データｙ(ｋ)及びプロセス制御ｕ(ｋ)を監視してよく、措置及び設定点を自動化システム４に与えてよい。図１に示す例示的な実施形態において、測定結果データｙ(ｋ)、プロセス制御ｕ(ｋ)、並びに措置及び設定点ｒ(ｋ)を、データベース８に、又は過去データベース（historian database）８Ａという、データベース８の一部分に保存してよい。過去データには、稼働中の自動化システム及びプロセスから取得される、測定結果、設定点、コントローラ出力、機器ステータス、モータ起動、アラーム、オペレーション・トラッキングなどのうち、一部又はすべてを含んでよい。データベース８は、一般にタグデータベースといわれるデータベースであってよく、そのタグデータベースには、タグ又はポイントというデータ要素を含む。タグは、システム４が監視又は制御する、単一の入力値又は出力値を表してよい。タグは、「ハード」又は「ソフト」のいずれかであってよい。ハードタグは、システム４における実際の入力又は出力を表し、一方、ソフトタグは、他のポイントに適用される論理演算や数学演算から生じる。タグは、記録又は計算された際、値‐タイムスタンプの対、すなわち、値とタイムスタンプとで通常保存される。一連の値‐タイムスタンプの対が、そのタグの履歴を与える。随意に、履歴データベース８は、アラーム情報などの追加のメタデータを、タグとともに保存してよい。履歴データベース８は、大量のタグからのデータ、例えば数千又は数万からのデータを、長期間（履歴の長さ）にわたって保存してよく、主な制限要素は、データベースのストレージ容量となる。タグの収集サイクル、すなわち、２つのサンプルの収集（サンプリング）の時間間隔が、ユーザによって選択可能であってよく、例えば、約０．１秒から日又は週まで選択可能であってよい。例えば、様々なタグ又は様々なユーザについて、種々の収集サイクル及び／又は履歴の長さが存在してよい。トレンド履歴の長さは、利用可能なデータベース容量、例えばハードディスクのスペースによって制限される。１つの例示的な実施形態によると、過去データベースはラウンド・バッファであってよく、すなわち、データベースが最大保存容量に達した場合、より古いデータが自動的に削除及び上書きされる。

制御室内のオペレータユーザインタフェース６は、オペレータコンソール内で実行されてユーザにプロセスを監視、管理及び制御させる、ヒューマン‐マシンインタフェース（ＨＭＩ）に基づいてよい。オペレータユーザインタフェースの狙いは、プラントシステムの効果的な稼働及び制御である。典型的には、キーボード及びマウスで制御されるディスプレイを用い、そのディスプレイ上に、大量のプロセス情報が図表を用いて提示される（グラフィカルユーザインタフェース、ＧＵＩ）。このインタフェースの主な特徴は、稼働の意思決定を行う際、例えば、プロセスを稼働するために措置を行って設定点を変更する際にオペレータを支援する、プロセスからのフィードバックを用いてアニメ化された、グラフィックスである。オペレータユーザインタフェースは、さらに、データ・ブラウジング・ユーティリティ及びデータ解析ユーティリティ、構成ツール、並びにアラーム表示を含んでもよい。定常運転において、メイン制御室内に表示されるオペレータインタフェースが、プラントシステムの総合的かつ機能的なステートを示してよい。一目で、オペレータは、プラントシステムの全体ステート、すなわち、すべてのコンポーネントの大域的なステートを知ることができるであろう。問題が発生した場合、制御下のコンポーネントがエラーを示して、オペレータはその詳細なステートにアクセスでき、例えば、管理下のコンポーネントに固有のディスプレイを開くことになる。このインタフェースは、オペレータが障害の発端を決めるのを支援してよく、可能であれば当然是正措置を示唆するであろう。オペレータユーザインタフェースにおいて、表示される情報は、目的をもって、意味のある有用な方法で、明瞭な一貫したモデルに基づいて整理されることが、望ましい。そのモデルは、オペレータにとって明白で認識可能であり、関連するものを一緒に配置し、関連しないものを分離し、似ていないものを識別し、そして類似するものを互いに類似させる。

プロセス産業においてオペレータに改良されたユーザインタフェース環境を提供するために、本発明の例示的な実施形態によると、予想制御入力ｕ'(ｋ)、予想プロセス測定結果ｙ'(ｋ)、及び予想措置及び設定点ｒ'(ｋ)を同様に与えて、履歴データベース８に保存してよい。さらに、本書において、保存された予想データを将来（futurian）データといい、さらに、将来データを保存するデータベース８の一部分を、将来データベース８Ｂという。予想措置及び設定点ｒ'(ｋ)を、オペレータがオペレータユーザインタフェース６を介して作成又は設定してよい。予想制御入力ｕ'(ｋ)、予想プロセス測定結果ｙ'(ｋ)、及び任意の他の将来データを、仮想自動化システムによって生成してよく、その仮想自動化システムは、プロセスモデル及びシミュレータを活用する仮想自動化システム、あるいは、例えば回帰モデル及び／又はエントロピーといった、統計的な予測に基づく仮想自動化システムなどである。換言すると、過去データベース部分８Ａは、産業プロセスの過去のオペレーションから現時点（すなわち、現在のリアルタイムの状況）までに収集されたプロセス履歴データを保存し、一方、将来データベース部分８Ｂは、現時点（すなわち、現在のリアルタイムの状況）から未来に向かって所望の期間にわたって産業プロセスの将来のオペレーションを表している、予想されたプロセス「履歴」データを保存する。図２において、これを概略的に示しており、現在の瞬間のＵｌ(現在)、１時間前の過去のＵｌ(−１ｈ)、２時間前の過去のＵｌ(−２ｈ)などにおいてシステムから収集されたタグを、過去データベース８Ａに保存する。同様にして、１時間後の未来のＵｌ(＋１ｈ)、２時間後の未来のＵｌ(＋２ｈ)、そして、５時間後の未来のＵｌ(＋５ｈ)などの、プロセスの将来のオペレーションをシミュレートする／予想する将来タグを、将来データベース８Ｂに保存する。やがて、１収集サイクル後、実プロセスからの過去データタグが、将来データベース８Ｂに予め保存されている、同一のタイムスタンプを有する将来タグを、上書きする（すなわち、置換する）ことになる。図２に示す例を参照すると、やがて１時間後、すなわち、時刻＋１ｈにおいて収集される実プロセスタグが、予め保存されている、同一のタイムスタンプ＋１ｈを有する将来タグＵｌ(＋１ｈ)を上書きする／置換することになる。過去データベース８Ａ及び将来データベース８Ｂは仮想データベースであってよく、過去データベース８Ａと将来データベース８Ｂとの境界を、単にタイムスタンプに基づいて定義してよいということが、十分理解されるべきである。すなわち、過去から現（今）時点までのタイムスタンプが過去データベース８Ａに対応し、現時点以降のタイムスタンプが将来データベース８Ｂに対応してよい。したがって、その境界は、リアルタイム（現在）とともに連続的にスライドしている。履歴データベース８の物理的な構成は関係しないが、その構成には、単一の連続的なバッファ・データベース（ラウンド・バッファなど）、時間の境界領域において互いに重なるであろう連続的な過去バッファ・データベースと連続的な将来バッファ・データベースとの対、分散型データベース、又は任意の他のデータベース構成を含んでよい。

図３Ａは、本発明の実施形態の原理に従うオペレータユーザインタフェース６上に表示されるであろう、例示的なトレンドビューを示す。例示のビューにおいて、３つの異なるウィンドウ又はゾーン、すなわち、措置３１、措置トレンド３２、及び履歴トレンド３３が存在してよい。本例において、措置ウィンドウ３１は、ポンプなどのプロセスコンポーネント２５Ｍ‐１００及び２５ＦＣ‐１００についての措置を含んでいる措置リスト３１０と、リアルタイムの措置及び設定点ｒ(ｋ)と将来の措置及び設定点ｒ'(ｋ)とを設定する制御ツール３１２とを表示してよい。措置トレンドウィンドウ３２は、過去から現時点（今）までのトレンドからの過去（過去状況）措置及び設定点と、現時点から未来への予想（将来）措置及び設定点とを含んでいる時系列におけるトレンドとして、図表を用いて措置を示してよい。同様にして、履歴トレンドウィンドウ３３は、現時点（今）までの過去（過去状況）測定結果ｙ(ｋ)及び制御ｕ(ｋ)についての過去トレンド部分と、予想（将来）測定結果ｙ'(ｋ)及び制御ｕ'(ｋ)についての予想トレンド部分とを含んでいる履歴トレンドを示してよい。したがって、将来トレンド（予想トレンド）を、同一の画面に（例えば、同一のグラフ又はプロット内に）表示してよく、プロセス履歴データベースからの任意の他のトレンドと同一の時系列内に表示してよい。換言すると、自動化システムユーザインタフェース上に表示される履歴トレンドを、共通の時系列を有する同一の画像内にトレンド予想を（アラーム及びイベントと共に）さらに含むように、拡張してよい。画面上に将来の措置及びトレンドを表示させると、すべての将来の措置及びトレンドを覚えておかなければならない状況や、将来の措置又はトレンドの情報がない状況と比べて、プロセス状況を管理することがより容易になる。さらに、リアルタイムで行われる、又は将来行われるように設定されている是正措置の結果が、同一の画面上に表示されるため、問題のある状況からの回復がより速くなるであろう。オペレータは、特定のプロセス状況において何が起こったのか、又は何が起こることになるのかと、一連のイベントがどのように進んだのか、又はどのように進むことになるのかとを、即座に確認できる。時系列及びズーミング機能を用いることによって、オペレータは、データについての所望の分解能を用いて、時間の中を前後に動いてよい。オペレータは、履歴データベース８に保存されている過去イベント及び将来イベントの双方を「再現」してよい。時系列及びズーミングツールは、例えば、グラフィカルなスライドコントローラであってよく、それにおいて、ポインタ又は調整「ノブ」を、時系列に沿って過去又は未来における所望の時点までスライドしてよい。ここで、履歴データベース８に保存されているより詳細なプロセスデータを、プロセス状況を分析するために表示してよい。図４に、上記のグラフィカルな時系列及びズーミングツールの一例を示す。さらに、将来のアラームを予想して、将来データベース又はアラームリストに保存してよく、その結果、オペレータは、過去データによって特定される現在の状況から既存の及び／又は将来の措置及び設定点を有する未来までプロセスが続く場合、将来起こりうる問題のある状況のアラームを取得できる。上記のアラーム予想の例には、原材料の不足についてのアラームや、廃棄タンクが満杯であることのアラームを含んでよいが、問題になっている特定のプロセスに依存して、どんなアラームが予想されてもよい。

図３Ａに示す例示的なトレンドビューについてより詳細に考えよう。コントロールスライドと、「活性化」、「削除」及び「キャンセル」ボタンとを用いて、オペレータは、将来データベース８Ｂに未来のタイムスタンプとともに書き込む、以下の将来措置ｒ'(ｋ)を設定してよい。その将来措置ｒ'(ｋ)とは、すなわち、時点（time instant）ｔ１で２５Ｍ‐１００が停止すること、時点ｔ２で２５ＦＣ‐１００がローカルモードに入ること、時点ｔ３で２５ＦＣ‐１００がｓｐ１＝１００のレベルまで制御されること、時点ｔ４で２５ＦＣ‐１００がｓｐ１＝５０のレベルまで制御されること、及び時点ｔ５で２５ＦＣ‐１００がリモートモードに戻ること、である。さらに、これらの将来措置を、措置トレンドウィンドウ３２に示す。過去（実）データ及び将来措置ｒ'(ｋ)に基づいて計算されて、将来データベース８Ｂに保存される、予想の測定結果ｙ'(ｋ)及び制御ｕ'(ｋ)を、ウィンドウ３３の履歴トレンドの将来部分に示す。したがって、本発明の実施形態によるオペレータユーザインタフェースは、将来トレンドによって、過去及び将来の措置の累積的な結果を示すことができ、その結果、オペレータは、結果が実プロセスにおいて実現される前に、前もって結果を見込むことができる。将来の制御措置及びトレンドを、画面上に他の履歴データと同時に表示してよく、オペレータは、将来の結果について、それらを思い出したり実モードと将来モードとを切り替えたりする必要なく、次々と認識する。

本発明の実施形態の原理を、オペレータに対するいかなる種類のグラフィカルな将来状況の表現の提供にも適用してよく、図３Ａは単に一例を示しているだけであるということが、十分理解されるべきである。さらなる例として、過去及び／又は将来データを、任意のグラフィカルなグラフ表現又はデータ表現、例えば、ヒストグラム図、円グラフ、バーチャート、折れ線グラフ、他の種類の図表、トレンドなどを用いて、表示してもよい。過去データ及び将来データを単一のウィンドウ内に表示してよく、過去データ及び将来データを同一画面上の別個のウィンドウ内に表示してよい。上記の別個の過去及び将来ウィンドウは、図３Ｂに示すように、画面上で連続的なトレンドを生成するように互いに近接してよく、あるいは、図３Ｃに示すように、画面上で互いに離れて水平又は垂直に位置してよい。またさらなる例として、図３Ｄに示すように、別個の過去及び将来のビュー又はウィンドウを、別個の画面上に表示してよい。ユーザは、画面上に現在表示されている何らかの制御ビュー上で、過去及び／又は将来ウィンドウを選択的に開閉（活性化及び非活性化）することが可能であってよい。

図３Ｅは例示的なビューを示し、ここでは、過去及び将来データを、プロセスコンポーネントのグラフィカルな表現を含んでいるプロセス制御ビューの一部として表示している。図示された例において、蒸留プロセスの過去及び将来データを統合されたトレンドとして表しており、ここで、過去データを実線で表し、将来データを破線で表している。同様にして、過去及び将来データを、任意のプロセス制御ビューの一部として表示してよい。

図３Ｆはさらに別の例示的なビューを示し、ここでは、過去及び将来データを、プロセスコンポーネントのグラフィカルな表現を含んでいるプロセス制御ビューの一部として表示している。図示された例において、ガスタービンの過去及び将来データを、画面上に現在表示されているガスタービン制御ビュー上に開かれている別個のウィンドウ内に表現しており、例えば、ユーザがガスタービン制御ビュー上の所望のアイコン又はコンポーネントをクリックすることによってなされる。ユーザは、過去及び将来ウィンドウを、例えば、そのウィンドウ内の適切なアイコンをクリックすることによって、閉じてよい。同様にして、過去及び将来データを、任意のプロセス制御ビューの一部として選択的に表示してよい。

図５に、本発明のさらに別の例示的な実施形態による仮想自動化システム１０を示す。例示的な仮想自動化システム１０には、プロセス制御システムの複製（コピー）５０、ステートエスティメータ５２、及びシミュレータ／予想部（forecaster）５４を含んでよい。シミュレータ５４のユニットプロセスモデルには、シミュレータステート（ｘ）の記述、制御及び外乱のリスト（ｕ）、測定結果のリスト（ｙ）、ステート更新を示す関数（ｆ）、ステート（ｘ）から測定結果へのマッピングを示す関数（ｇ）を含んでよい。プロセスモデルは、迅速なシミュレーションを保証するために離散時間モデルであってよく、しかしながら、他の種類のモデルを使用してもよい。プロセスモデルは、非線形モデル又は線形モデルであってよい。ステートエスティメータ５２は、時点ｋ（タイムスタンプｋ）において測定結果ｙ(ｋ)及び制御ｕ(ｋ)を受信してよく、例えば、関数ｘ(ｋ＋１)＝ｆ(ｘ(ｋ)，ｕ(ｋ))を用いて、次の時点ｋ＋１（タイムスタンプｋ＋１）についての次のステートｘ(ｋ＋１)を生成してよい。エスティメータ５２は、生成されたステートが実際の測定値からどのように更新されるのかを定義している、予想部ゲイン（Ｈ）を設定していてよい。シミュレーションは、現在のリアルタイムの状況（タイムスタンプｋ＝０）から始まる。所望の期間にわたる予想トレンドを可能な限り迅速に取得及び更新するために、シミュレーションをより速い速度で一般に実行してよい。シミュレータ５４は、例えば、ステートｘから将来測定結果ｙ'(ｋ)を、関数ｙ(ｋ＋１)＝ｇ(ｘ(ｋ＋１))を用いて将来制御ｕ'(ｋ)を、生成してよい。仮想自動化システム５０の複製は、タイムスタンプｋについて、予想測定結果ｙ'(ｋ)と将来措置及び設定ｒ'(ｋ)とを受信してよく、タイムスタンプｋ＋１について、予想制御ｕ'(ｋ＋１)を生成してよい。すべての将来又は予想データを、それぞれのタイムスタンプとともに将来データベースに保存する。同時に、シミュレータのステートは、実プロセス２及び実自動化システム４のステートを追跡してよい。このようにして、シミュレータは仮定の分析に対して常に準備できているため、シミュレーションを現在のリアルタイムの状況から常に開始可能であり、シミュレーションのホット・スタートが可能である。ｋ＝０からｋの最大値（kmax）までの期間に対する例示的な予想プロセスを、次のループ、すなわち、
Ｒｅｐｅａｔ
ｘ＝ｆ(ｘ，ｕ)；
ｙ＝ｇ(ｘ)；
ｚ＝Ｆ(ｚ，ｙ，ｒ)；
ｕ＝Ｇ(ｚ)；
ｋ＝ｋ＋１；
Ｕｎｔｉｌ ｋ＞ｋｍａｘ
によって示してよい。

パラメータｚ(ｋ)は、プロセス制御システム４のアプリケーションステートを示す。図６に、本発明の実装についてのまたさらなる例示的な実施形態を示す。実制御アプリケーション６０２を有する実自動化システム（例えば、プロセス制御ステーション、ＰＣＳ）４が、図１と類似の方法で実プロセスインタフェース６０６を介して実産業プロセス２を制御する。収集された履歴データ、すなわち、測定結果データｙ(ｋ)、プロセス制御ｕ(ｋ)、並びに措置及び設定点ｒ(ｋ)を、過去データベース８Ａに保存してよい。産業プロセス２と同時に並行して産業プロセス２をモデル化する、トラッキングシミュレータを備える。トラッキングシミュレータ６０８は、シミュレーションインタフェース６１０を介して、自動化システム４によって実産業プロセス２へと与えられる制御と同一の制御を受信してよい。これらの入力に基づいて、プロセスモデルを有するトラッキングシミュレータ６０８は、採用されているプロセスモデルを用いて実プロセス出力を可能な限り正確に表す、シミュレートされた（推定された）プロセス出力を提供してよい。モデルの、実プロセス２からの逸脱を回避するために、パラメータ推定部６０４が、トラッキングシミュレータ６０８のパラメータ及び動作（モデル）を、実プロセス２からの出力とトラッキングシミュレータ６０８との差異に基づいて、補正、すなわち更新することができる。

実制御アプリケーションの複製を有する仮想自動化システム（仮想プロセス制御システム）１０が、仮想制御Ｉ／Ｏ６１４及びシミュレーションインタフェース６１６を介して、予想シミュレータ６１８を制御してよい。予想制御入力ｕ'(ｋ)、予想プロセス測定結果ｙ'(ｋ)、及び予想措置及び設定点ｒ'(ｋ)を、仮想プロセス制御システム１０が将来データベース８Ｂに保存してよい。仮想プロセス制御システム１０のリアルタイムのステートを、更新された状態で、実プロセス制御システム４と同期した状態で維持するために、実プロセス制御システム４内の実制御アプリケーション６０２のアプリケーションステートのコピー６２０を、それぞれのシミュレーションの前に、仮想プロセス制御システム１０内の複製制御アプリケーションにコピーしなければならない。さらに、シミュレーションを可能な限り実プロセスに近いステートから開始することを保証するために、トラッキングシミュレータ６０８のプロセスステートのコピー６２２を、それぞれのシミュレーションの前に、予想シミュレータ６１８にコピーしなければならない。

本発明の実施形態において、さらに、産業プラントにおける種々の部門間又はユニットプロセス間のやりとり及び協調が存在してよい。１つの部門又はユニットプロセスから取得された予想が、別の部門又はユニットプロセスに対して有益な情報である可能性がある。したがって、将来措置及び設定点ｒ'(ｋ)のうち、又は他の将来データのうち、選択された１つ又は複数を、別の部門又はプロセスから受信してよい。例えば、仮想自動化システム１０は、原材料の新しい積荷があるタイムスタンプにおいて到着予定であること、あるいは原材料を変更予定であること、あるいは最終製品をある時刻に出荷予定であること、あるいは他のプロセス又は部門のオペレータがプロセス予想に影響するであろう特定の措置を行う予定であること、といった情報を受信してよい。同様にして、上記の協調情報を、固有のシステムから他のシステムに転送してよい。上記の協調は、予想の精度を向上させるであろうし、他の部門又はユニットプロセスに起因する、予期せぬプロセス状況の回避に役立つであろう。

本書で説明する手法を、種々の方法で実施してよい。例えば、これらの手法を、ハードウェア（１つ又は複数の機器）、ファームウェア（１つ又は複数の機器）、ソフトウェア（１つ又は複数のモジュール）、又はそれらの組み合わせにおいて実施してよい。ファームウェア及びソフトウェアについて、実装が、本書で説明する機能を実行するモジュール（例えば、プロシージャ、関数など）を手段としてよい。ソフトウェアコードを、任意の適切な、プロセッサ／コンピュータが読み取り可能なデータ記憶媒体又はメモリユニットに保存してよく、１つ又は複数のプロセッサ／コンピュータによって実行してよい。そのデータ記憶媒体又はメモリユニットを、プロセッサ／コンピュータの内部又は外部に実装してよく、その場合、当分野において既知である種々の手段を介してプロセッサ／コンピュータに通信可能に接続してよい。さらに、当業者が十分理解するように、本書で説明するシステムのコンポーネントを、本書に関連して示される種々の特徴、目標、利点等の達成を容易にするために追加のコンポーネントによって再配置及び／又は調整してよく、そのシステムのコンポーネントは、所与の図に明記の構成そのものに限定されない。

本説明及び関連する図は、単に例として本発明の原理を説明することを目的としている。種々の代替的な実施形態、変形、及び変更が、この説明に基づいて、当業者に対して明らかとなる。本発明は、本書に記載の例に限定されることを意図するものではなく、別記の請求項の範囲内及び主旨内で変化しうるものである。

Claims (14)

1. 産業プロセスを監視する方法であって、
   産業プロセスを実プロセス制御システムにより制御するステップであって、該制御するステップは、前記実プロセス制御システムから前記産業プロセスに実際の制御入力を提供することと前記産業プロセスから前記実プロセス制御システムに実際のプロセス測定結果を提供することとを含む、ステップと、
   過去データベースに、提供される複数の前記実際の制御入力及び実際のプロセス測定結果を保存するステップと、
   前記産業プロセスを、前記産業プロセスのモデルに基づいてプロセスシミュレータによりシミュレートするステップと、
   前記プロセスシミュレータを、前記実プロセス制御システムの複製である仮想プロセス制御システムにより制御するステップであって、該制御するステップは、前記仮想プロセス制御システムから前記プロセスシミュレータに予想の制御入力を提供することと、前記プロセスシミュレータから前記仮想プロセス制御システムに予想のプロセス測定結果を提供することとを含む、ステップと、
   前記実プロセス制御システムのステートを、前記実プロセス制御システムの複製である前記仮想プロセス制御システムにおいて追跡するステップと、
   将来データベースに、提供される複数の前記予想の制御入力及びプロセス測定結果を保存するステップと、
   オペレータディスプレイ上に、前記過去データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点までの過去オペレーションと、前記将来データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点から先の予想将来オペレーションとの双方を、グラフィカルに表示するステップと、
   オペレータによって設定される実際の将来措置及び／又は実際の将来設定点を前記将来データベースに保存し、それぞれのグラフィックスを前記オペレータディスプレイ上に表示するステップと、
   を含む、方法。
2. あるタイムスタンプを有する新しい実際の制御入力及びプロセス測定結果が、同一のタイムスタンプとともに前記将来データベース内に保存されているそれぞれの予想の制御入力及びプロセス測定結果を上書き又は置換する、請求項１に記載の方法。
3. 別の自動化システムと協調データをやりとりするステップであって、前記協調データは、実際の将来措置、実際の将来設定点、将来アラーム、将来オペレーション、将来プロセス測定結果、将来プロセス制御のうち、１つ又は複数を含む、ステップと、
   前記協調データを前記将来データベースに保存するステップと、
   前記協調データを、前記将来オペレーションに関するグラフィックスを生成すること及び表示することに使用するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記の実際のプロセスのプロセスステートを、前記仮想プロセス制御システムにおける予想又はシミュレーションにおいて追跡するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記予想の制御入力及びプロセス測定結果を、前記仮想プロセス制御システムにおいて、実際の制御入力及びプロセス測定結果のリアルタイムの速度より実質的に速い速度で、バックグラウンドで自動的に生成するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記予想の制御入力及びプロセス測定結果を、前記仮想プロセス制御システムにおいて、オペレータによって実施される少なくとも１つの所定パラメータにおける変更に応じて、生成するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記オペレータディスプレイ上に、前記将来データベースに保存されているデータに基づいて、将来アラームを生成及び表示するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記オペレータディスプレイ上に、時系列制御ツールを表示するステップと、
   オペレータが前記時系列制御ツールを使用するステップであって、前記時系列制御ツールは、所望の分解能及び／又は期間を用いて、前記過去データベース内の過去イベントを分析するために時間を戻るためのものでもあり、前記将来データベース内の将来イベントを分析するために時間を進むためのものでもある、ステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記オペレータディスプレイ上に、前記の過去データ又は将来データを、次のグラフィカルなグラフ又はデータ表現、すなわち、ヒストグラム図、円グラフ、バーチャート、折れ線グラフ、トレンド等のうち、１つ又は複数を用いて表示するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記オペレータディスプレイ上に、前記の過去データ又は将来データを、単一の共通ウィンドウにおいて、又は別個のウィンドウにおいて表示するステップ、
    を含む、請求項１に記載の方法。
11. ユーザが、前記オペレータディスプレイ上に表示されているプロセス制御ビュー上の１若しくは複数の過去ウィンドウ及び／又は１若しくは複数の将来ウィンドウを選択的に開閉するステップ、
    を含む、請求項１に記載の方法。
12. コンピュータに、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法を実行させるプログラムコードを含む、コンピュータプログラム。
13. 産業プロセスに、前記産業プロセスを制御するために接続されている、実プロセス制御システムであって、前記制御は、前記実プロセス制御システムから前記産業プロセスに提供される実際の制御入力と、前記産業プロセスから前記実プロセス制御システムに提供される実際のプロセス測定結果とを含む、実プロセス制御システムと、
    提供される複数の前記実際の制御入力及び実際のプロセス測定結果を保存する、過去データベースと、
    前記産業プロセスを、前記産業プロセスのモデルを用いてシミュレートするプロセスシミュレータと、
    前記実プロセス制御システムの複製であり、前記実プロセス制御システムのステートを追跡するように配置された、仮想プロセス制御システムであって、
    前記仮想プロセス制御システムは、前記プロセスシミュレータを制御するように配置され、該制御は、前記実プロセス制御システムより速い速度において前記仮想プロセス制御システムから前記プロセスシミュレータに提供される予想の制御入力と前記プロセスシミュレータから前記仮想プロセス制御システムに提供される予想のプロセス測定結果とを含む、
    仮想プロセス制御システムと、
    提供される複数の前記予想の制御入力及びプロセス測定結果、並びにオペレータによって設定される実際の将来措置及び／又は実際の将来設定点を保存する、将来データベースと、
    前記過去データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点までの過去オペレーションと、前記将来データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点から先の予想将来オペレーションとの双方を表示するように構成された、グラフィカルユーザインタフェースと、
    を含む、システム。
14. コンピュータ読み取り可能記憶装置であって、当該記憶装置に対して動作可能につながれているコンピュータによって実行可能な命令を当該記憶装置上に含み、前記命令は前記コンピュータによって実行されると、
    過去データベースに、実プロセス制御システムから制御された産業プロセスへの複数の実際の制御入力及び前記産業プロセスから前記実プロセス制御システムに提供される複数の実際のプロセス測定結果を保存する機能と、
    前記産業プロセスを、前記産業プロセスのモデルに基づいてプロセスシミュレータによりシミュレートする機能と、
    前記プロセスシミュレータを、前記実プロセス制御システムの複製である仮想プロセス制御システムにより制御する機能であって、該制御する機能は、前記仮想プロセス制御システムから前記プロセスシミュレータに予想の制御入力を提供することと、前記プロセスシミュレータから前記仮想プロセス制御システムに予想のプロセス測定結果を提供することとを含む、機能と、
    前記実プロセス制御システムのステートを、前記実プロセス制御システムの複製である前記仮想プロセス制御システムにおいて追跡する機能と、
    将来データベースに、提供される複数の前記予想の制御入力及びプロセス測定結果を保存する機能と、
    オペレータディスプレイ上に、前記過去データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点までの過去オペレーションと、前記将来データベースからのデータに基づいた、前記産業プロセスの現時点から先の予想将来オペレーションとの双方を、グラフィカルに表示する機能と、
    オペレータによって設定される実際の将来措置及び／又は実際の将来設定点を前記将来データベースに保存し、それぞれのグラフィックスを前記オペレータディスプレイ上に表示する機能と、
    を実行する、記憶装置。

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