JP2006244072A

JP2006244072A - プラント内状態シミュレーション方法およびシステム

Info

Publication number: JP2006244072A
Application number: JP2005057888A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Matsumoto; 充博松本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】機器の運転や開閉操作をしたことにより、系内の状態変化を簡易的にシミュレートし、その状態変化を識別できるように表示することによって、系統内の状態把握（流体種別や圧力状態など）と操作手順の検討が視覚的にできるプラント内状態シミュレーション方法およびシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】プラント情報管理サーバー１０と表示端末２０（２０ａ乃至２０ｃ）とを基本として構成されている。プラント情報管理サーバー１０には、２次元P＆ＩＤファイル１１及び３次元ＣＡＤモデルファイル１２からそれぞれP＆ＩＤ変換DB１３及び３Ｄモデル変換DBの情報に基づいて、インテリジェント化P＆ＩＤ１５及びインテリジェント化３Ｄモデル１６を事前に格納しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラントの運転・保守において、機器の運転・停止やバルブの開閉操作などによってプラント内状態（圧力・流体）の変化を簡易的にシミュレートし、インテリジェント化されたＰ＆ＩＤや接続情報を持った３次元モデルによってディスプレー上で可視化できるようにするプラント内状態シミュレーション方法およびシステムに関するものである。

従来のプラント設備のメンテナンス業務においては、メンテナンスの対象となる設備・機器の情報が、施工図面、配管計装系統図（PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM、以下Ｐ＆ＩＤという）、設備台帳、メンテナンス記録といった具合にバラバラに管理されており、メンテナンスが必要な機器を特定したり、その機器の情報を収集するためには、設備・機器に精通した作業員でも多大な労力を必要としていた。また、運転や保守作業時に機器やバルブを操作する場合に、その操作による系内の状態変化を事前に、かつ視覚的に確認することは困難であった。

従来のプラント設備のメンテナンス技術としては、例えば、特開平６−２７４１３５号公報（特許文献１）に開示されている系統図面表示方法および図面管理装置という技術がある。これは、施設系統図を系統の繋がりがわかるように図形データとして持っておき、系統の開閉要素を操作したことにより影響を受ける系統を判断して影響を受ける系統を他の系統と識別できるように表示装置に表示するものである。
また、特開２００１−３５６８１３号公報（特許文献２）に開示されているプラント保全支援システムという技術がある。これは、管理対象のプラントを自由な視点から見ることができる三次元モデルにより構成し、この三次元モデルと保全管理のデータベースとを橋渡しするための機能をメニュー上に設定し、各部位に所定の保全管理データをリンクさせる手段を備えたシステムである。この三次元モデルにより、複雑化したプラントの要注意箇所を視点を変えて見たり、プラント装置内部に視点を置くことで、見にくい場所についても容易に見ることができる効果がある。

また、特開２００２−３４１９３０号公報（特許文献３）に開示されているプラント設備のメンテナンスシステムという技術がある。これは、プラント設備のメンテナンスに必要な設備・機器情報及びそれらの運転情報を体系的に一元管理することにより、メンテナンス業務の作業効率を向上させるものである。

さらに、特開２００２−３４２３８４号公報（特許文献４）に開示されている配管計装系統図のインテリジェント化方法という技術がある。これは、属性を全く考慮しない既存の無属性ＣＡＤ（ラインやシンボルを単なる図形で描くＣＡＤ）により描かれた図（無属性ＣＡＤ図面）をインテリジェント化することを可能にした配管計装系統図のインテリジェント化方法である。
特開平６−２７４１３５号公報特開２００１−３５６８１３号公報特開２００２−３４１９３０号公報特開２００２−３４２３８４号公報

しかし、特許文献１で開示された技術は、「系統図における開閉の影響を受ける範囲の識別表示のみであり、操作による状態の変化が表示されない」という問題がある。

また、特許文献２で開示された技術は、「三次元モデルを活用して保全データとのリンクを図っているものの、モデル上でバルブの開閉操作などを行うことができない。そのため特許文献１と同様に操作による状態の変化は表示されない」という問題がある。

また、特許文献３で開示された技術は、「機器の運転状態を可変にし、かつ表示画面で該当機器そのものの色彩変更を行うが、機器の運転（開閉を含む）状態の変更に伴う接続関係にある系内の状態変化を予測できないし、また、その結果が表示できない」という問題がある。

さらに、特許文献４で開示された技術は、「無属性ＣＡＤを、接続情報を保有したインテリジェントな配管計装系統図にすることを可能にした手法」であり、その後の効果的な運用方法を考案する必要があった。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、機器の運転や開閉操作をしたことにより、系内の状態変化を簡易的にシミュレートし、その状態変化を識別できるように表示することによって、系統内の状態把握（流体種別や圧力状態など）と操作手順の検討が視覚的にできるプラント内状態シミュレーション方法およびシステムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、配管・機器の固有ＩＤおよび接続ＩＤの定義を行ったのち、インテリジェント化されたＰ＆ＩＤおよびインテリジェント化３Dモデルの準備を行う準備工程と、圧力依存機器および部品の定義を行う圧力依存機器・部品の定義工程と、流れ方向依存機器および部品の圧力変化の設定を行う流れ方向依存部品の設定工程と、運転状態にある部品の圧力変化の設定を行う運転時の圧力変化の設定工程と、機器・バルブなどの初期状態または現在の運転状態の設定を行う系内の初期状態の設定工程と、バルブや機器の操作による流体・圧力の伝播シミュレーションを行うバルブや機器の操作による伝播シミュレーション工程と、シミュレーション結果を表示する結果表示工程とを有して、プラント内状態の変化を簡易的にシミュレートし、結果表示することを特徴とするプラント内状態シミュレーション方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、インテリジェント化P＆ＩＤおよびインテリジェント化３Ｄモデルを有するプラント情報管理サーバーと、表示端末とを備え、請求項１に記載のプラント内状態シミュレーション方法を用いて、プラント内状態の変化を簡易的にシミュレートし、結果表示することを特徴とするプラント内状態シミュレーションシステムである。

本発明は、簡易的な圧力設定でプラント内の該当する個所の圧力状態や流体種別を容易にかつ視覚的に識別可能となる。またディスプレー上でのバルブ操作によって管内の状態変化の結果もただちに視覚認識され、操作手順の検討や手順書作成が画面上でシミュレートしながら可能となる。さらに、高圧ラインの識別表示や管内流体種別の分類表示が可能となり、バルブの操作支援や緊急時の対応検討が非常に容易となる。

本発明の詳細説明に入る前に、用語の説明を行う。先ず、無属性ＣＡＤとは、ラインやシンボルが単なる線や図形で描かれたＣＡＤを指す。また、インテリジェント化とは、無属性ＣＡＤで描かれた線や図形を、それぞれが意味する属性（配管、機器、配管部品、計装部品等）を保有し、かつコネクト情報をもつものに変換することである。また、図形属性とは、２次元や３次元（以下、２Dや３Dとも略記する）のＣＡＤ図形が保有するレイヤー（画層）、色、線種、線幅、形状およびセル名等をいう。また、部品属性とは、部品（機器、配管、計器等）が保有する固有の機器番号、ラインナンバー、部品番号、計装番号やサイズ、仕様等の情報をいう。さらに、管内属性とは、管内の流体属性を意味し、圧力、流体種別（ガス、液の区別を含む）をあらわす。なお以下の説明では取り扱ってはいないが、管内属性としては、他に温度属性がある。

図１は、本発明を実施するための最良の形態に係るシステムの構成図である。このシステムは、プラント情報管理サーバー１０と表示端末２０（２０ａ乃至２０ｃ）とを基本として構成されている。プラント情報管理サーバー１０には、２次元P＆ＩＤファイル１１及び３次元ＣＡＤモデルファイル１２からそれぞれP＆ＩＤ変換DB１３及び３Ｄモデル変換DBの情報に基づいて、インテリジェント化P＆ＩＤ１５及びインテリジェント化３Ｄモデル１６を事前に格納しておく。本システムでは、２次元Ｐ＆ＩＤと三次元モデルの両方を取り扱っているが、システムとしてはどちらか一方でも十分であり、プラントの規模や種類によって適宜選択されるべきものである。

P＆ＩＤ変換DB１３は、P＆ＩＤ図面情報、部品属性、および接続情報を有しており、それぞれが独立した別個のDBであってもよい（この場合には、P＆ＩＤ変換DB１３はDB群を総称した意味となる）し、一つのDBで構成されていてもよい。さらに、DB自身は、プラント情報管理サーバー１０に内蔵するものであってもよいし、プラント情報管理サーバー１０と別個のサーバーに内蔵するものであってもよい。同様に、３Ｄモデル変換DB１４も、図形情報、部品属性、および接続情報を有している。

さらに、プラント情報管理サーバー１０には、プラント管理情報DB１７、保守情報DB１８、および図書データDB１９が接続または内蔵されている。また、監視制御設備（ＤＣＳ等）２１とも接続され、運転情報（機器・バルブの開閉状態、ライン圧力値など計測値）の取込みを行うとともに、演算処理およびシミュレーションの結果は、表示端末２０ａ〜ｃに表示される。

次に、図２を用いて詳細処理フローの説明を行う。

（１）インテリジェント化における配管・機器の固有ＩＤおよび接続ＩＤの定義（S100）
各配管（ライン）や部品・機器は２Ｄや３Ｄの図形情報と結びつく固有ＩＤ（システムＩＤ）を持ち、また接続端には必ず接続ＩＤを定義する。図３は、配管・機器における固有ＩＤおよび接続ＩＤの定義および設定例を説明する図である。図３（ａ）および（ｂ）は、バルブおよび配管をそれぞれを表している。この例のように通常は、１つの固有ＩＤと２つの接続ＩＤを有するが、３方弁や機器などのように３つ以上の接続ＩＤのケースもある。

図３（ｃ）は、バルブと配管の直列接続の例であり、バルブ＝＝＞固有ＩＤ（ID:3000）,接続１（ID:2001200）,接続２(ID:2001201)、配管＝＝＞固有ＩＤ（ID:3001）,接続１（ID:2001201）,接続２(ID:2001202)という具合に定義を行う。

（２）インテリジェント化Ｐ＆ＩＤの準備（S101）
Ｐ＆ＩＤにおいては、描かれる配管ラインや計装ライン、機器、配管部品、計装部品が、あらかじめインテリジェント化されたＰ＆ＩＤを使用し、ＷＥＢ上での表示・操作を可能とする。このインテリジェント化されたＰ＆ＩＤとは、各部品（機器、バルブ等）やライン（配管）の接続情報を保持しているもので、相互の接続関係は接続情報ＤＢに格納されている。

（３）インテリジェント化３Dモデルの準備（S102）
３次元モデルにおいては、モデルを作成するプラント用３次元ＣＡＤを用いないで、その形状データや部品属性が表示可能なビューイングシステムを表示・操作に使用し、接続情報ＤＢ（３次元ＣＡＤから取り出し作成）を作成して、相互のつながりから圧力・流体の伝播結果を表示する。以上が事前準備する準備工程であり次に、流体種別と圧力属性の設定化作業の工程に入る。

（４）圧力依存機器・部品の定義(S200)
圧力設定に寄与する機器・部品を、(イ)昇圧機器(ロ)降圧機器(ハ)保圧機器(ニ)開放機器(ホ)一般部品の５種類に分類する事前定義を行う。表１は、圧力依存機器・部品の定義と変化の設定（これについては、後述する）を示している。

（５）流れ方向依存機器・部品の圧力変化の設定(S300)
機器やバルブには、流れ方向が定まっているものがあり、表２に示すようにその入り口・出口や片流れ部品を設定する。

（６）運転状態にある部品の圧力変化の設定(S400)
機器やバルブは、運転・停止や開・閉などの作動状態を設定でき、この時、前掲した表１の右側に示すように運転状態になった時の圧力状態変化を事前に設定しておく。

（７）系内の初期状態設定(S500)
系内の初期状態の設定を行う。まず該当する系内に稼動状態の機器がなく、流体が静止状態にある場合には、作業開始時のバルブの開閉状態、圧力、保持流体を順次設定することで初期状態の設定完了となる。この設定方法について、図４を用いて次に詳説する。

また、作業実施時の系内状態が運転状態にあり流れがある場合には、その系内状態を構築する必要があり、後述する機器の運転やバルブの開閉操作で伝播シミュレーションを順次実行した結果を、初期状態（現在の運転状態）(S601)として取り扱うことになる。

（ａ）系内の機器状態の初期設定
初期の管内状態を設定するため、まず機器のうち、圧力依存機器（表１の１〜３の機器）をすべて停止状態にする。これは静止時（流動がない状態）の管内状態を初期状態に設定するためである。この操作は表示端末（または操作端末）にて行うことも可能であるがデフォルト値として、圧力依存機器は全て初期状態を停止状態に一括指定も可能である。
（ｂ）バルブの開閉状態の初期設定
次にバルブの開閉状態を設定する。これらの操作は表示端末（または操作端末）にて行い、表示されているバルブを選択し、順次開閉操作を指示する。（８）、（９）における、これらの結果は該当機器・バルブの表示色などで識別できるようになっている。この時点では系内の流体種別や圧力はすべて初期値（またはデフォルト値）のままである。
（ｃ）系内の流体種別・静的圧力の設定
つぎに、初期の系内状態として、管内と保圧機器の流体種別と圧力状態を設定する。これは、保圧機器やライン（管）を選択し、流体種別と圧力値を入力する。この時、バルブなどで閉塞された区間は、一度に選択と設定ができるようにしている。このため、前記の（ｂ）でライン中のバルブで、事前に開状態のバルブは、開操作をやっておくとこの設定操作が少なくてすむ。図３（ｄ）は、設定された静止圧力状態と流体種別の例を示している。
＜圧力状態の設定は＞
閉塞区間に設定された圧力状態は、各パーツの接続ＩＤ毎に圧力値が付与される。

バルブ＝＝＞接続１（ID:2001200）：圧力＝未定義
接続２（ID:2001201）：圧力＝0.1
配管＝＝＞接続１（ID:2001201）：圧力＝0.1
接続２（ID:2001202）：圧力＝0.1
接続３（ID:2001203）：圧力＝0.1
接続４（ID:2001204）：圧力＝0.1
＜流体種別の設定は＞
各ライン（管）のＩＤに流体の種別記号が付与される。

配管（ID:3001、3002、3003）：流体＝Ｗ（水）
（ｄ）未設定個所のチェックをおこなって、系内の流体種別と静的圧力状態の設定が完了となる。未設定個所においては、圧力＝0、流体＝未定義（または設計時のテ゛フォルト流体）が設定される。静的状態の設定が完了すると、つぎに行われる操作端末からの、機器の運転やバルブの開閉操作による伝播シミュレーションモードについて記述する。

（８）バルブや機器の操作による伝播シミュレーション(図２のS600)
図５は、バルブや機器の操作による流体・圧力の伝播シミュレーションの流れを説明する図である。先ず操作する機器やバルブを選択し、次に停止モード→運転モード、バルブの開閉操作を行うと、圧力の高いほうから低いほうへ管内流体の移動が生じる。伝播シミュレーションモードでは、この現象を簡易的に伝播ステップとして処理し、系内の流体や圧力の変化結果を直ちに、視覚的に表示する。

機器・バルブ操作時の系内の伝播ステップの詳細を、図６に示す。たとえばＶ−１バルブの開操作が端末から指示されると、バルブ両端の接続点（接続ＩＤ）の圧力値の比較を行い、高いほうから低いほうへ流れ方向をセットし、流体の伝播（プロパゲート）を行う。同時に圧力損失を考慮した圧力のプロパゲートを行う。この時、部品や管、管継手などの通過時に生じる圧損を厳密な圧力損失計算を行わないで、微小圧損として△Ｐ（システム処理可能な微小値）を一義的にさだめた処理が実行される。これによって、管径や流体の物性など細かい入力なしで、流れ方向が定められ、実際より高めのマクロ的な圧力値を容易に抽出し表示可能になる。この伝播ステップは分岐をふくめ、流れの終点（閉止バルブや機器など系の終点）まで順次行われる。その結果、系内圧力の異常（設計圧との比較など）が生じる場合のアラームや、操作結果を流体種別や圧力分類で色分けして表示端末（インテリジェントＰ＆ＩＤやインテリジェント３Ｄモデル上で）に表示する(S700)ことによって、容易な確認が可能となった。

また、圧力計などの計測値を、定点計測値として監視制御設備（ＤＣＳ等）から取り込みも行える。これによってより精度を高めた補正が可能となる。流体の設定は、スタートアップや保守作業時のエアー（Ｏ２）パージやＮ２パージにも対応できるように、通常運転時の計画流体だけでなく、実作業時の流体種別データを用意して設定できるようにしている。

本発明を実施するための最良の形態に係るシステムの構成図である。本発明の詳細処理フローの一例を示す図である。配管・機器における固有ＩＤおよび接続ＩＤの定義および設定例を説明する図である。系内の初期状態設定の流れを説明する図である。バルブや機器の操作による流体・圧力の伝播シミュレーションの流れを説明する図である。機器・バルブ操作時の系内の伝播ステップの詳細を示す図である。

符号の説明

１０プラント情報管理サーバー
１１２次元P＆ＩＤ
１２３次元ＣＡＤモデル
１３ P＆ＩＤ変換DB
１４３Ｄモデル変換DB
１５インテリジェント化P＆ＩＤ
１６インテリジェント化３Ｄモデル
１７プラント管理情報DB
１８保守情報DB
１９図書データDB
２０ａ〜ｃ表示端末
２１監視制御設備（ＤＣＳ等）

Claims

配管・機器の固有ＩＤおよび接続ＩＤの定義を行ったのち、インテリジェント化されたＰ＆ＩＤおよびインテリジェント化３Dモデルの準備を行う準備工程と、
圧力依存機器および部品の定義を行う圧力依存機器・部品の定義工程と、
流れ方向依存機器および部品の圧力変化の設定を行う流れ方向依存部品の設定工程と、
運転状態にある部品の圧力変化の設定を行う運転時の圧力変化の設定工程と、
機器・バルブなどの初期状態または現在の運転状態の設定を行う系内の初期状態の設定工程と、
バルブや機器の操作による流体・圧力の伝播シミュレーションを行うバルブや機器の操作による伝播シミュレーション工程と、
シミュレーション結果を表示する結果表示工程とを有して、プラント内状態の変化を簡易的にシミュレートし、結果表示することを特徴とするプラント内状態シミュレーション方法。
インテリジェント化P＆ＩＤおよびインテリジェント化３Ｄモデルを有するプラント情報管理サーバーと、
表示端末とを備え、
請求項１に記載のプラント内状態シミュレーション方法を用いて、プラント内状態の変化を簡易的にシミュレートし、結果表示することを特徴とするプラント内状態シミュレーションシステム。