JP6961156B2 - 物理プラントの動作をモデリングするための方法及びシステム - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、動作及びモデリング技術に関し、より詳細には、物理プラントの動作をモデリングするための方法及びシステムに関する。たとえば、オイル及びガス産業では、物理プラントによってガス液化、精製などに対する機能が得られる場合がある。物理プラントには、圧縮機、熱交換器、タービン、ポンプ、バルブ、アクチュエータ、レギュレータ、送風機、制御システム、及び他の物理的コンポーネントが含まれている場合がある。物理プラントの設計では、特定のエンジニアリング設計目標を実現するために物理的コンポーネントは特定の仕方で接続される。コンポーネントが接続されて、有機及び無機流体（気相及び液相の両方）のような材料のフローを可能にし、ガスタービン、蒸気タービン、ガスエンジン、または電動モータのような回転機器の機械接続性を可能にし、作業機械たとえば圧縮機（たとえば軸流式、遠心式、往復動式）及びポンプ（たとえば軸流式、遠心式、往復動式）を駆動し、静止及び回転機器の両方の関連する制御システムを可能にする。

一実施例では、物理プラントには、異なるベンダーによって供給される多くの物理的コンポーネントが含まれている場合がある。物理プラントの動作のモデリング及びシミュレーションを可能にするために、異なるベンダーが、特定の物理的コンポーネントの動作を物理的コンポーネントの動作モデルならびにコンポーネントに対する入力及び出力（境界条件または境界限界としても知られる）に基づいてモデリングする独自のモデリングソフトウェアを設計及び実施する場合がある。各コンポーネントに対するモデリングソフトウェアの独自性のために、従来のシステムモデリング技術では典型的に、第１のコンポーネントを、ある境界限界を想定する第１のモデルによってシミュレートし、その出力を次に、境界限界としてやはり第１のモデルの出力を用いて第２のコンポーネントをシミュレートするための第２のモデルに入力する等の別個の段階を必要とする。異なるモデルが、同じ境界限界上で、シミュレーションシナリオに含まれるいくつかのパーティによって検証された解決方法に収束するまで、プロセスは手動で複数回繰り返される。このような手動の反復プロセスでは実現に数週間かかる可能性があり、物理プラント動作をモデリング及び／またはシミュレートするときの時間及びコスト要求が増える。外部の制御システムが１つ以上の異なる動的モデルにリンクされていて、すべてのサブシステムに対して妥当な同じ解決方法に収束（すなわち、境界限界収束）するために計算を数回反復する必要があるときには、シナリオはさらにいっそう複雑になる。それに対する代替案は、単一パーティが、その独自の専門技術及び直接供給から出た機器に対する単純化モデルを用いて一意モデルを形成することである。そのシナリオでは、プラントのすべてのコンポーネントの高忠実度モデルを用いる可能性は失われる。

物理プラントの動作をモデリングするための方法及びシステムが提供される。たとえば、システムには、少なくとも第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとが含まれている。第１及び第２のコンポーネントは少なくとも１つの物理接続部を有している。物理接続部の第１及び第２のモデル動作パラメータを、第１及び第２のモデルからそれぞれ受け取る。第１及び第２のモデルを、第２及び第１のモデル動作パラメータを用いてそれぞれ更新する。方法またはシステムのいくつかの開示した実施形態を実施するときに実現され得る優位点は、品質を向上できること、及び物理プラント全体の動作をシミュレートまたはモデリングするサイクル時間を短縮できることである。別の優位点は、モデリングされたコンポーネント間の物理接続部に対応する動作パラメータのみがモデル間で交換されるため、モデルについての及び交換された動作パラメータがどのように生成されるかについての独自の詳細を共有する必要がないことである。

一実施例では、第１及び第２のモデルを、共通のローカルエリアネットワークを通して接続されてはいない異なる地理的位置に配置されたコンピュータシステム上で実行する。別の実施例では、第１及び第２のコンポーネントからリアルタイム動作データを受け取り、第２及び第１のコンポーネントから受け取ったリアルタイム動作データを用いて第１及び第２のモデルをそれぞれ更新する。さらなる実施例では、システムはシミュレーション入力を受け取って処理してもよい。種々の実施例では、物理接続部には、材料ストリーム、回転シャフト、または制御信号が含まれていてもよい。

前述の実施形態は単に典型的である。他の実施形態も開示した主題の範囲内である。

本発明の特徴の仕方を理解することができるように、ある実施形態を参照することによって本発明の詳細な説明を行ってもよく、その一部は添付図面に例示されている。しかし、図面が例示するのは本発明のある実施形態のみであり、したがってその範囲を限定していると考えるべきではなく、開示した主題の範囲には他の実施形態も包含されることに注意されたい。図面は必ずしも一定の比率ではなく、本発明のある実施形態の特徴を例示することに概して重きが置かれている。図面では、種々の図の全体にわたって同様の数字を用いて同様の部分を示している。

例示的な物理プラント及び物理プラントの動作をモデリングするための例示的なシステムの図である。 物理プラントの動作をモデリングする例示的な方法のフロー図である。 例示的な２段圧縮機物理プラントを示す図である。 例示的な２段圧縮機物理プラントを示す図である。 例示的な液化物理プラントを示す。

開示した主題の実施形態によって、物理プラントの動作をモデリングするための技術が提供される。他の実施形態も開示した主題の範囲内である。たとえば、本明細書で開示した方法及びシステムを、物理プラント、たとえばオイル及びガス産業物理プラント、工場、半導体もしくは他の製造設備、または任意の他のシステムであって、規定された物理及び／または論理インターフェースによって多くのコンポーネントが互いに接続されているものの動作をモデリングするために用いてもよい。有利なことに、本技術によって、コンポーネント及びシミュレーション及びモデリングロジックのある独自の詳細が安全に保持され得て、設計目標を実現するためにブリードコンポーネントの最善を組み合わせるシステムの設計を可能にし、高度で向上したシミュレーション及びモデリングロジックを同時にサポートするマルチベンダーシステムが可能になる。別の優位点として、シミュレーション及びモデリングロジックを用いて、多くの異なる作業をサポートすることができる。たとえば、システム設計、システムモデリング（たとえば、「ｗｈａｔ−ｉｆ」シナリオモデリング）、自動トレーニング、故障モード解析などである。

説明として、最新のインフラストラクチャ（たとえば、オイル及びガス物理プラントまたは複合工場または製造設備）には、種々の相互接続された機器またはコンポーネントが含まれている可能性がある。コンポーネントが、物理または論理インターフェースを通して互いに相互接続されている場合がある。たとえば、液化プラントでは、材料ストリームが種々のコンポーネント（たとえば、圧縮機または熱交換器）間の接続部を通して流れる場合がある。各コンポーネントは多くのサブコンポーネント及び複合動作環境を有する場合がある。これらのコンポーネントが異なるベンダーから供給される場合がある。各ベンダーはインフラストラクチャ全体の異なる側面を専門とする。各ベンダーはコンポーネントの独自の詳細を秘密にすることを希望する場合があるため、モデリングまたはシミュレーションソフトウェアとして、一度に１つのコンポーネントのみをモデリングまたはシミュレートするものが配置される場合があり、ベンダーはそのモデリングソフトウェアの詳細を明かさない場合がある。このような状況下において、モデリング及びシミュレーションを同期させて行なう（たとえば、多くのコンポーネントを含むマクロシステムの境界条件をリアルタイムで交換する）ことを可能にするマルチベンダーの相互運用可能なシステムが求められている。

説明として、最初に図１及び２には、例示的な物理プラント１１０（物理プラント１２０の単一コンポーネントをシミュレートするために用いる単一モデル）と例示的な動作モデリング方法２００とを、それぞれ示す。図３Ａ〜４は、オイル及びガス産業で見られる例示的な物理プラントに対するさらなる詳細を示す。図１は、例示的な物理プラント１１０（物理プラント１２０の単一コンポーネントをシミュレートするために用いる単一モデル）と物理プラント１１０の動作をモデリングするための例示的なシステム１０２とを含むインフラストラクチャ１００の図である。物理プラント１１０には多くのコンポーネントが含まれている。たとえば、第１のコンポーネント１１１、第２のコンポーネント１１２、及び第３のコンポーネント１１３である。例示的なコンポーネントとしては、圧縮機、熱交換器、タービン、ポンプ、バルブ、アクチュエータ、レギュレータ、送風機、制御システムなどが挙げられる。

一実施例では、システム１０２は、１つ以上のプロセッサ、メモリ、及びコンピュータ可読媒体（種々のプログラムファイルを記憶するため）を有するコンピュータシステムであってもよい。たとえば、システム１０２は、後述する方法ステップを行うためのデータベース及びサーバソフトウェアを含んでいてもよく、またアクセスを可能にするためのウェブベースのユーザインターフェースを有していてもよい。システム１０２は、システムに起因する制御コンポーネント及びネットワークトラフィックの量に応じて、マルチプロセッサシステム上または仮想化サーバファーム上で動作してもよい。他の実施例では、システム１０２は、コンパクトな動作に対する組み込み制御装置であってもよく、また他のコンポーネントと同じ場所に配置してもよいし、またはシステム１０２をサーバファームのコンピュータブレード内に配置してもよい。システム１０２には、ネットワークトラフィックを送受信するためのソフトウェアコンポーネントが含まれており、また１つ以上の無線または有線ネットワークインターフェースが含まれていてもよい。別の実施例では、システム１０２は、複数の地理的に異なるコンピュータシステムにわたって動作して冗長性を与えてもよい。本明細書で説明するシステム１０２及び他のコンピュータベースのコンポーネントのさらなる実施詳細（たとえば、記憶及びプログラミング方法）について、以下に述べる。

一実施形態では、システム１０２をクラウド環境またはローカルコンピュータシステム内で実行することができる。システム１０２は、コンポーネント間の同期化を保証し、必要な境界条件（すなわち、コンポーネント間の物理接続部に関連する動作パラメータ）をコンポーネント間においてリアルタイムで交換するコンポーネントの単一シミュレーションモデルを調整してもよい。

コンポーネント１１１〜１１３を多くの物理接続部を通して接続してもよい。たとえば、物理接続部１３０ａは第１のコンポーネント１１１と第２のコンポーネント１１２とを接続している。加えて、物理接続部１３０ｂは第１のコンポーネント１１１と第３のコンポーネント１１３とを接続している。さらに、物理接続部１３０ｃは第２のコンポーネント１１２と第３のコンポーネント１１３とを接続している。物理接続部を、配管、電気インフラストラクチャ、制御信号、機械的リンク機構（たとえば、回転シャフト）などを介して接続してもよい。これらの接続部を、質量流、材料組成、材料ストリーム、圧力、温度、制御プロトコル、シャフト速度、トルクなどのうちの１つ以上の点で特徴付けてもよい。

各コンポーネント１１１〜１１３には、関連するモデルがある。具体的には、第１のコンポーネント１１１は第１のモデル１２１に関連し、第２のコンポーネント１１２は第２のモデル１２２に関連し、第３のコンポーネント１１３は第３のモデル１２３に関連する。容易に理解され得るように、各モデル１２１〜１２３を、１つ以上の別個のコンピュータシステム上で実行される１つ以上のコンピュータプログラムにおいて具体化してもよい。他の実施例では、よりコンパクトな環境によって、複数のモデルを単一のコンピュータシステム上で実行できてもよい。

一例として、モデルには、動作パラメータとコンポーネント１１１〜１１３が見る境界条件との変化に応じてコンポーネント１１１〜１１３の物理的挙動を記述する方程式を含むソフトウェアシミュレーションプログラムが含まれていてもよい。たとえば、ソフトウェアシミュレーションプログラムは、任意の好適な手段（たとえば、規定されたステップサイズの時間ステップを用いて進行する離散積分方法）によって、物理的コンポーネント１１１〜１１３の動作をシミュレートしてもよい。各モデルに対するソフトウェアシミュレーションプログラムは、全体的な配置のサイズ及び複雑さに応じて、別個のコンピュータシステム上で動作してもよいし、または単一のコンピュータシステム上の同じ場所に配置してもよい。

一実施形態では、物理接続部１３０ａの第１のモデル動作パラメータを、第１のコンポーネント１１１の第１のモデル１２１から受け取ってもよい。物理接続部１３０ａの第２のモデル動作パラメータを、第２のコンポーネント１１２の第２のモデル１２２等から受け取ってもよい。システム１０２は、第１のモデル１２１を第２のモデル動作パラメータを用いて更新してもよく、第２のモデル１２２を第１のモデル動作パラメータを用いて更新してもよい。たとえば、第１のモデル１２１を第１のコンピュータシステム上で実行してもよく、第２のモデル１２２を第２のコンピュータシステム上で実行してもよい。別の実施例では、システム１０２は、各モデル１２１〜１２３を他の２つのモデルからの動作パラメータを用いて更新してもよい。システム１０２には、多くのモデルからパラメータを受け取り、パラメータを記憶し、パラメータを他のモデルに分配することを、物理プラント１１０のトポロジ全体及び物理接続部１３０ａ〜ｃの構成を認識している内部ロジックに基づいて行うことができる検索エンジンロジックが含まれていてもよい。たとえば、個々のモデルの独自の内部情報を保護するために、各単一モデルのオーナーは、モデルのどの動作パラメータを他のモデルと共有するかを決定し、モデルを適切に構成してもよい。

一実施例では、単一モデル１２１〜１２３とシステム１０２との間の接続部１５０ａ〜ｃと、単一コンポーネント１１１〜１１３とシステム１０２間との接続部１５１ａ〜ｃとを、たとえば、システム１０２がクラウドベースであるならばインターネット接続部を通して、設けてもよい。別の実施例では、システム１０２がローカルコンピュータシステムにおいて実行されるならば、同じ接続部をローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）接続部を通して設けてもよい。さらなる実施例では、接続部１５０ａ〜ｃ及び１５１ａ〜ｃを暗号化してシステムのサイバーセキュリティを強化してもよい。

たとえば、コンポーネント１１１〜１１３からリアルタイム動作データを受け取ってもよく、受け取ったデータ（たとえば、他のモデルに関連するコンポーネントから受け取ったデータ）を用いて各モデル１２１〜１２３を更新してもよい。このような場合には、コンポーネントが、有利なことに、他のモデルの新しいデータ及び動作パラメータを用いてリアルタイムで更新されるが、モデルを単一のコンピュータ上での動作に限定することなく行われるため、各モデルはその内部詳細のセキュリティを保持することができる。

種々のヒューマンマシンインターフェース（グラフィカルユーザインターフェースであってもよい）をシステム１０２に接続してもよい。たとえば、トレーニングインターフェースＡ１４０をトレーニング用に設けてもよく、エンジニアリングインターフェースＢ１４１をエンジニアリング／設計目的で設けてもよい。

インフラストラクチャ１００の一使用例は、たとえば物理プラントのオペレータに対するトレーニングシステムである。このような場合、システム１０２は、トレーニングインターフェースＡ１４０からシミュレーション入力を受け取ることができる。シミュレーション入力には、コンポーネント１１１〜１１３に関係する種々の入力パラメータ（たとえば、物理接続部１３０ａ〜１３０ｃに関係する動作パラメータ）を含めることができる。入力を受け取った後で、モデル１２１〜１２３を更新してもよい。一実施例では、トレーニングシステムによって、オペレータを、ライブシステムの動特性について物理プラント管理に関してトレーニングすることができるため、あるコンポーネントにおける種々の変化が他のコンポーネント及びシステムの全体的機能にどのように影響するかを理解することができる。

別の実施例では、システム１０２、接続部１５０ａ〜ｃ及び１５１ａ〜ｃとインターフェース１４０〜１４１とを、エンジニアリング設計システムにおいて、たとえば、物理プラント１１０を設計するエンジニアが用いるために用いてもよい。このような場合、システム１０２はエンジニアリングインターフェースＢ１４１から設計入力を受け取ることができる。インフラストラクチャ１００のシミュレーションの結果を設計エンジニアが用いて、各コンポーネント１１１〜１１３の設計の性能及び効率を向上させてもよい。

別の実施例では、インフラストラクチャ１００を用いて、物理プラントの実際の動作とは異なる種々のシナリオにおける物理プラントの動作を予測する。このような方法では、物理プラントの動作の新しくてより効率的なシナリオを決定してもよい。これらの新しいシナリオによって、物理プラントの動作を、たとえば、最大生産速度、最小エネルギー消費などに対して最適化してもよい。このような「ｗｈａｔ−ｉｆ」分析を、エンジニアリング設計目的、またはトレーニング目的で用いてもよい。

別の実施例では、インフラストラクチャ１００を用いて、シミュレーションの結果を物理プラントのリアルタイムデータと比べる（すなわちギャップ分析）。これによって、エンジニアは、物理プラントのいくつかのコンポーネントが予想通りには実行されていないこと、及びコンポーネントに対するメンテナンスまたは他の介入が必要なことを理解することができる。

図２は、物理プラントまたはその一部の動作をモデリングする例示的な方法２００のフロー図である。図１に記載したように、物理プラントには、少なくとも１つの物理接続部を有する少なくとも第１のコンポーネント及び第２のコンポーネントが含まれる。図２の実施形態において、方法２００はブロック２０２において、物理プラントのシミュレーションが、たとえば、動作、設計、またはトレーニング目的で求められたときに開始する。このような場合、物理的コンポーネントはそれぞれ、対応付けられるコンピュータシステム上で実行される対応するモデルを有することができる。対応するモデルは、物理的コンポーネントの動作をシミュレート及びモデリングするように設計されている。方法２００は、対応するコマンドが人間ユーザから図１のインターフェースＡ１４０またはインターフェースＢ１４１から受け取られたときに、システム１０２からブロック２０２において開始される。次に、方法２００はブロック２０４においてコンポーネント１１１〜１１３からリアルタイムデータを受け取る。リアルタイムデータには、コンポーネント間の物理接続部のリアルタイム動作データを含めることができる。たとえば、データとしては、質量流量、材料組成記述、材料ストリーム特性評価、圧力値、温度読み取り値、制御プロトコルメッセージ、シャフト速度、またはシャフトトルクを挙げてもよい。一例として、リアルタイムデータを刻々と更新してもよく、暗号化されたリンクを介して送ってもよい。モニタしているパラメータの変化を反映するために、コンポーネント内のセンサによって、更新を送ることが作動されてもよい。

例として、材料フローの実施例として、あるコンポーネントを別のコンポーネントに物理的な配管を通して接続して、その物理的配管を通して材料がコンポーネント間を流れてもよい。このような場合、各コンポーネントは、自分の側からの材料のフローに対して種々のパラメータを測定してもよい。これらのパラメータを、コンポーネント間の境界条件と見なしてもよい。異なるモデルが独立に動作しているとき、異なるモデルは、共有境界において、圧力、温度、材料組成などの異なる値を予測してもよい。

たとえば、各モデルには、特定の微分方程式、積分方程式、発見的近似、ルックアップテーブル、及びモデリングしているコンポーネントの動作をシミュレートするための他の方法を、たとえば、シミュレーションソフトウェアを用いることを通して計算することが含まれていてもよい。これらの方程式では、他のモデルから受け取ってもよい入力及び出力（境界条件または限界として知られる）が必要であってもよい。境界条件を頻繁に更新することなく各モデルが独立に動作すると、全体システムの精度は理想的ではない場合がある。有利なことに、また後述するように、本技術によって、あるモデルが他のモデルから、これらの共有された境界条件パラメータに関する入力を受け取ることができる。シミュレーションソフトウェアの実施例としては、ＭＡＴＬＡＢ（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ，Ｉｎｃ．，Ｎａｔｉｃｋ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ＵＳＡから入手可能）が挙げられる。他の好適なシミュレーションソフトウェアとしては、機器のステータスを時間の関数として記述するパラメータのセットの値を出力として与えることによって物理機器の動作をシミュレートすることができるソフトウェアが挙げられる。一実施例では、ソフトウェアは離散時間ベースで入力を受け取って出力を計算して、シミュレーションの時間ステップごとに入力及び出力を受け取る／与えるようにする。シミュレーションの時間ステップは固定することも可変にすることもできる。各時間ステップの間に、シミュレーションソフトウェアは、機器を記述する方程式の組（方程式は機器のモデルを形成する）を解いてもよい。例示的な方程式としては、時間微分方程式（たとえば、関数の微分が、時間であると全般的に想定される独立変数の陽関数として与えられる微分方程式）、ニューラルネットワーク方程式、有限インパルス応答（ＦＩＲ）モデル、状態空間モデルなどが挙げられる。モデルは時間変化であってもよいし時間不変であってもよい。１つの具体的な実施例では、離散型方程式用いてもよい。ここでは、時間変数ならびに他のすべての変数（入出力）が、連続する時間ステップに関連する一連の値（たとえば、ｔ_０，ｔ_１，ｔ_２，…，ｔ_ｋ，ｔ_ｋ＋１，…）として扱われる。モデル／方程式の入力が時間ｔ_ｋで与えられたら、シミュレーションは、時間ｔ_ｋ＋１に関連する出力を与える。これらの出力を次回のステップ計算等に対する入力としてもよい。ｔ_ｋ＋１とｔ_ｋとの間の差はステップサイズであり、シミュレーション中に固定することも可変にすることもできる。

一実施例では、コンポーネントから、たとえば接続部１５１ａ〜ｃを通してリアルタイムデータを受け取った後に、方法２００はブロック２０６において、コンポーネント１１１〜１１３からのリアルタイムデータを用いてモデル１２１〜１２３を更新する。一実施例では、方法２００はブロック２０６において、接続部１５０ａ〜ｃを通して各モデルにデータメッセージを送って、コンポーネントから、他のモデルから、または両方から直接受け取ったデータをやり取りすることによってモデルを更新する。モデルを各シミュレーションサイクル（たとえば、ブロック２０４→ブロック２０６→ブロック２０８→ブロック２１０→ブロック２１２→ブロック２０４などのサイクル）においてリアルタイムデータを用いて、特定の数のシミュレーションサイクルごとに１回、インターフェース１４０〜１４１からユーザがリクエストしたときに、またはシミュレーション結果とリアルタイムデータとの間の著しい不一致が検出されてリフレッシュが必要となったときに、更新することができる。

前述した材料フローの実施例について続けるが、各モデルは、他のコンポーネントが測定した圧力、温度、材料組成、及び他のパラメータを、各シミュレーションサイクルの始まりに受け取ることができる。そして、各モデルを繰り返して（たとえば方程式の再計算などを通して）、新たに更新されたパラメータを考慮することができる。

次に、方法２００はブロック２０８において、接続部１５０ａ〜ｃを通して各モデルから動作パラメータデータを受け取り、パラメータを記憶し、パラメータを他のモデルに分配することを、物理プラント１１０のトポロジ全体及び物理接続部１３０ａ〜ｃの構成を認識している内部ロジックに基づいて行う。たとえば、全体システムのトポロジカルマップ（各接続部の場所を含む）を決定してもよい。決定したトポロジカルマップから、各コンポーネント、各接続部、及び各モデル間の論理関係によって、どのコンポーネントが他のコンポーネントと同じような入力及び出力を有するかを列挙することができる。この論理マッピングに基づいて、方法２００は、対象とするパラメータ（たとえば、接続部を共有するコンポーネントからのパラメータ）を、種々のコンポーネントに関連する種々のモデルに与えてもよい。この場合もやはり、モデルを、シミュレーションソフトウェアを実行することによって繰り返して、新たに更新されたパラメータを考慮することができる。

一例として、物理プラントのトポロジ及びモデル間の接続部、ならびにモデルの更新を、予め規定されているのではなくて、応用するユーザが行ってもよい。たとえば、ユーザは、応用を構成するとき、境界条件を通してモデル間の各接続部を規定してもよい（たとえば、あるモデルのどの出力変数が別のモデルに対する入力変数であるかを規定してもよい）。

一実施形態では、方法２００のブロック２１０において、システム１０２は、コマンドを接続部１５０ａ〜ｃを介して各単一モデル１２１〜１２３に送って、シミュレーションを開始し、規定された時間を、受け取った動作パラメータを用いてシミュレートする。各ソフトウェアシミュレーションプログラムは、コンポーネント１１１〜１１３の物理的挙動を記述する方程式を積分するシステム１０２がリクエストする規定された時間のシミュレートを、シミュレートすべき時間とソフトウェアシミュレーションプログラムの時間ステップサイズとによって規定された回数だけ行う。有利なことに、物理接続部１３０ａ〜ｃの動作パラメータをモデル間で交換することによって、モデルの迅速な同期化が容易になるため、シミュレーションを、手動のオフラインプロセスを通すのではなくて、継続的に実行することができる。

次に、方法２００はブロック２１２において、ブロック２０４にサイクルを戻す前に、リクエストした時間の積分をすべてのモデルが完了するのを待つ。たとえば、オペレータトレーニングシステムでは、各オペレータが変化を始めた後に、方法２００は、ブロック２０４にサイクルを戻して、オペレータが変化を始めた影響をすべてのモデルによって処理して結果をオペレータに与え得るようにしてもよい。別の実施例では、方法２００を、物理プラントの時間発展をモデリングするためにブロック２０４に継続的にサイクルを戻すように構成してもよい。さらなる実施例では、エンジニアリング設計状況において、方法２００を、ブロック２０４にサイクルを戻して、エンジニアリング設計プロセス中に種々のパラメータに対してオペレータが行った変化をテストするように構成してもよい。

次に、本明細書で説明した技術の特定の実施例を、インフラストラクチャ１００を通して接続された物理プラント及び関連する単一モデルの具体例に対して述べる。これらの実施例の説明は単に一例としてであり、開示した技術の範囲を限定することは意図していない。開示した技術は、複数の独立したコンポーネントが配置されて管理される任意の工業プロセスに適用してもよい。

図３Ａに示すのは、例示的な２つの圧縮機の単一セクション物理プラント３００であり、普通は、２つの異なる製造業者が与えるプロセスプラントで使用できるものである。物理プラント３００には、２つの圧縮機、第１の圧縮機３０１及び第２の圧縮機３０２が含まれている。第１の圧縮機３０１及び第２の圧縮機３０２は物理接続部３３０を通して物理的に接続されている。物理接続部３３０は、プロセス接続部として、第１の圧縮機から出て第２の圧縮機に入る流体ストリームを接続する配管、バルブ、及びフランジによって表される。第１の圧縮機３０１には第１段圧縮機３２１と第１のリサイクルバルブ３１１（たとえば、アンチサージバルブ）が含まれ、第２の圧縮機３０２には第２段圧縮機３２２と第２のリサイクルバルブ３０２とが含まれている。物理プロセス接続部３３０は、特定のガス組成、温度、圧力などを有する材料ストリームによって特徴付けられる。典型的に、これは再注入プラントに適用可能な方式であり得る。再注入プラントでは、ある製造業者によってガスリフト圧縮機（低圧力）が設けられ、第２の製造業者によって再注入圧縮機（ウェル内に注入するより高い圧力）が設けられる。

前述した技術を用いて圧縮機物理プラント３００をどのようにシミュレートし得るかを例示する一実施形態では、物理プラント３００の動作をモデリングするためのシステム（たとえば、図１のシステム１０２）には、第１の圧縮機３０１をモデリングするための第１のモデルと第２の圧縮機３０２をモデリングするための第２のモデルとが含まれていてもよい。第１のモデル及び第２のモデルは、対応する圧縮機３０１、３０２と同じ場所に配置された組み込み制御装置上で動作していてもよい。このような場合、物理プラント３００を、ガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を含むパラメータに関してシステム１０２を用いてモデリングしてもよい。方法２００はブロック２０４において（図１）、圧縮機３０１、３０２のそれぞれからガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を受け取ってもよい。次に方法２００はブロック２０６において（図２）、圧縮機３０１に圧縮機３０２からのガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を与えてもよく、圧縮機３０２に圧縮機３０１からのガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を与えてもよい。加えて、方法２００はブロック２０８において（図２）、圧縮機３０１、３０２のそれぞれに関連するモデルから情報を受け取ってもよい。次に、ブロック２１０、２１２における方法２００（図２）によって、各モデル（すなわち、圧縮機３０１及び圧縮機３０２に関連するモデル）が、予め規定されたステップ時間に対する（必要に応じて、用いている特定のモデリング技術に対する（前述を参照））積分された動作データなどを通してシミュレーションを実行できるようにすることができる。このような方法では、各圧縮機３０１、３０２に関連するモデルは、他方の圧縮機からリアルタイムの圧縮機データ（たとえば、ガス組成、温度、及び圧力の読み取り値）を受け取って考慮し、物理プラント３００の全体的なシミュレーション／モデリングを実行する。

図３Ｂに示すのは、図３Ａに示した物理プラントをどのようにモデリングし、インフラストラクチャ１００を用いてモデルをどのように接続するかについての実施例である。第１のモデル３５１は第１の圧縮機３０１をカバーしてシミュレートする。第２のモデル３５２は第２の圧縮機３０２をカバーしてシミュレートする。境界条件（すなわち、２つの圧縮機間の物理接続部３３０に関連する動作パラメータ３５３）は、２つの圧縮機間の材料ストリームのガス組成、温度、圧力などである。対象とする動作パラメータ３５３は各方向で異なっていてもよく、第１の圧縮機モデル３５１は第２の圧縮機モデル３５２に、材料、温度、及び組成情報を送ってもよい。また、第２の圧縮機モデル３５２は圧力、温度、及び組成情報を第１の圧縮機モデル３５１に送ってもよい。プロセスバルブのスタートアップまたはトリップまたはアプセットのようなシミュレーションシナリオでは、２つの圧縮機間の交差部におけるパラメータ及びプロセス条件は分かっておらず、２つの圧縮機、プロセスバルブ、及びそれらの制御システム間の動的相互作用の結果である。

図４に示すのは、単純化されたメタン液化物理プラント４００（たとえば、工業用途においてＬＮＧと言われる）の実施例である。物理プラント４００には、プロパン及び混合冷媒圧縮機を伴うコンポーネント４０１内の２つの圧縮機トレイン（２つのトレインをコンポーネント４０１の左側及び右側に示す）と、液化コンポーネント４０２とが含まれる。コンポーネント４０１内の左側の圧縮機トレインには、プロパン圧縮機４１０、ガスタービンドライバ４１１、冷却器４１２が含まれ、コンポーネント４０１内の右側の圧縮機トレインには、圧縮機４１３、冷却器４１４、圧縮機４１５が含まれて、混合された冷媒圧縮機及び圧縮機ガスタービンドライバ４１６を構成している。液化コンポーネントには、プロパン予備冷却熱交換４２０及びリサイクルバルブ４２１（プロパン圧縮機４１０に接続されている）と、メイン低温熱交換器４２３（混合冷媒圧縮機４１３及び４１５に接続されている）とが、リサイクルバルブ４２２とともに含まれている。プロパン圧縮機４１０が、予備冷却コンポーネント４２０に３つの接続部４３３〜４３５を通して接続されている。接続部４３３〜４３５を通して、材料組成、温度、及び圧力によって特徴付けられる気相が流れる。接続部４３１は、混合冷媒圧縮機を、気相の材料組成、温度、及び圧力交換によって特徴付けられるメイン低温熱交換器に接続している。メインの低温熱交換器では、メタン供給ガスの液化が起こる。メタン供給ガスは最初に予備冷却セクション４２０内を通って最後に液化セクション４２３内に進む。これは、ストリームが気相から液相へと（たとえば、予備冷却コンポーネント４２０を通って熱交換器４２３内に）進んで、ＬＮＧ船を介した貯蔵及び運搬に備えることによって特徴付けられる。

前述した技術を用いて液化物理プラント４００をどのようにシミュレートし得るかを例示する一実施形態では、物理プラント４００の動作をモデリングするためのシステム（たとえば、図１のシステム１０２）には、コンポーネント４０１（プロパン圧縮機４１０を含む）を部分的にモデリングするための第１のモデルと、コンポーネント４０２（部分的に、予備冷却熱交換４２０を含む）をモデリングするための第２のモデルとが含まれていてもよい。第１のモデル及び第２のモデルは、プロパン圧縮機４１０及び予備冷却熱交換４２０と同じ場所に配置された組み込み制御装置上で動作していてもよい。このような場合、物理プラント４００を、システム１０２を用いて、流体相、温度、及び圧力の読み取り値を含むパラメータに関してモデリングしてもよい。方法２００はブロック２０４において（図１）、プロパン圧縮機４１０及び予備冷却熱交換４２０のそれぞれから流体相、温度、及び圧力の読み取り値を受け取ってもよい。次に方法２００はブロック２０６において（図２）は、プロパン圧縮機４１０に予備冷却熱交換４２０からのガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を与えてもよく、予備冷却熱交換４２０にプロパン圧縮機４１０からのガス組成、温度、及び圧力の読み取り値を与えてもよい。加えて、方法２００はブロック２０８において（図２）、プロパン圧縮機４１０及び予備冷却熱交換４２０に関連するモデルから情報を受け取ってもよい。次に、ブロック２１０、２１２における方法２００（図２）によって、各モデル（すなわち、プロパン圧縮機４１０及び予備冷却熱交換４２０に関連するモデル）が、予め規定されたステップ時間に対する（必要に応じて、用いている特定のモデリング技術に対する（前述を参照））積分された動作データなどを通してシミュレーションを実行できるようにすることができる。このような方法では、プロパン圧縮機４１０及び予備冷却熱交換４２０に関連するモデルは、他方の圧縮機からリアルタイムの圧縮機データ（たとえば、ガス組成、温度、及び圧力の読み取り値）を受け取って考慮し、物理プラント４００の全体的なシミュレーション／モデリングを実行する。

本明細書での特定のオイル及びガス産業の物理プラントの実施例の表現は、例示目的のみであることが意図されており、限定は意図されていない。実際に、物理プラントモデリングに精通する者であれば容易に理解し得るように、多くの産業で、複数の複雑で高価なコンポーネントを有する複合物理プラント、工場、制御システムなどが利用されている。このような場合には、本明細書で説明したシステム及び技術を用いて、このような物理プラントまたは工場の動作をモデリングしてもよい。

前述したことを考慮すると、物理プラントモデリングシステムの実施形態によって、マルチコンポーネントの産業物理プラントをシミュレート及び／またはモデリングすることができ得る。技術的効果は、より頻繁に同期するより正確なモデルを用いることを通して、物理プラントインフラストラクチャ（たとえば、オイル及びガスインフラストラクチャ）の設計または試験におけるサイクル時間が短くなることである。これによって、物理プラントの動作パラメータを容易に最適化することができるため、インフラストラクチャがより高い効率で動作する。相互作用モデルのセットを用いて動作パラメータの頻繁な同期化を可能にすることによって、異なるモデルを迅速に更新して、物理プラントのリアルタイム動作をより正確に表すことができる。加えて、このような物理プラントモデリングによって、エンジニアリングチームが既存のインフラストラクチャから学んだことを用いて新しいインフラストラクチャの設計及び実施の情報を得ることができる。さらに、複合物理プラントのオペレータのトレーニングをシステムを用いて行うことができるため、種々のシナリオ（たとえば、プラント起動、停止、及び危険状態に対する反応）をトレーニング目的でシミュレートすることができる。

請求項が複数の要素に関して語句「少なくとも１つの」を記載する限り、これは、列記された要素の少なくとも１つ以上を意味することが意図されており、各要素の少なくとも１つに限定されない。たとえば、「要素Ａ、要素Ｂ、及び要素Ｃのうちの少なくとも１つ」は、要素Ａ単独、または要素Ｂ単独、または要素Ｃ単独、またはそれらの任意の組み合わせを示すことが意図されている。「要素Ａ、要素Ｂ、及び要素Ｃのうちの少なくとも１つ」は、要素Ａが少なくとも１つ、要素Ｂが少なくとも１つ、及び要素Ｃが少なくとも１つに限定されることは意図されていない。

この書面の説明では実施例を用いて、本発明をベストモードも含めて開示するとともに、どんな当業者も本発明を実施できるように、たとえば、任意のデバイスまたはシステムを作り及び用いること、ならびに取り入れた任意の方法を実行できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は請求項によって規定され、当業者に想起される他の実施例を含んでいてもよい。このような他の実施例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉使いと非実質的な差異である均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内であることが意図されている。

当業者であれば分かるように、本発明の態様は、図１のシステム１０２、接続部１５０ａ〜ｃ及び１５１ａ〜ｃ、ならびにインターフェース１４０〜１４１、図２の方法２００、またはコンピュータプログラム製品として具体化してもよい。したがって、本発明の態様は、完全にハードウェア実施形態、完全にソフトウェア実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、またはソフトウェア及びハードウェア態様を組み合わせた実施形態（すべて全般的に、本明細書では「サービス」、「回路」、「回路構成」、「モジュール」、及び／または「システム」と言う場合がある）という形を取り得る。さらに、本発明の態様は、コンピュータ可読プログラムコードが具体化された１つ以上のコンピュータ可読媒体（複数可）において具体化されたコンピュータプログラム製品という形を取ってもよい。

１つ以上のコンピュータ可読媒体（複数可）の任意の組み合わせを用いてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、たとえば、限定することなく、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、もしくは半導体システム、装置、もしくはデバイス、または前述の任意の好適な組み合わせであってもよい。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な実施例（非網羅的なリスト）には以下が含まれるであろう。１本以上のワイヤを有する電気接続部、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、光ファイバ、携帯型コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光学記憶装置、磁気記憶装置、または前述したものの任意の好適な組み合わせ。この文献の文脈において、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスが用いるかまたはこれらと共に用いるプログラムを含むかまたは記憶することができる任意の有形的表現媒体であってもよい。

コンピュータ可読媒体上で具体化されるプログラムコード及び／または実行可能命令を、任意の適切な媒体（たとえば、限定することなく無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなど、または前述の任意の好適な組み合わせ）を用いて送信してもよい。

本発明の態様に対する動作を行うためのコンピュータプログラムコードを、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせに書き込んでもよい。プログラミング言語としては、たとえば、オブジェクト指向プログラミング言語（たとえば、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ（登録商標）、Ｃ＋＋など）及び従来の手続き型プログラミング言語（たとえば、「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語）が挙げられる。プログラムコードは、全体的にユーザのコンピュータ（デバイス）上で、部分的にユーザのコンピュータ上で、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして、部分的にユーザのコンピュータ上で、及び部分的に遠隔コンピュータ上、または全体的に遠隔コンピュータまたはサーバ上で、実行してもよい。後者のシナリオでは、遠隔コンピュータをユーザのコンピュータに任意のタイプのネットワーク（たとえば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ））を通して接続してもよいし、または接続を外部コンピュータに対して（たとえば、インターネットサービスプロバイダを用いてインターネットを通して）形成してもよい。

本発明の態様を、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／またはブロック図を参照して本明細書で説明している。当然のことながら、フローチャート図及び／またはブロック図の各ブロックならびにフローチャート図及び／またはブロック図におけるブロックの組み合わせを、コンピュータプログラム命令によって実施することができる。これらのコンピュータプログラム命令を、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに与えてマシンを形成して、命令が、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行されると、フローチャート及び／またはブロック図のブロックまたはブロック（複数）において特定された機能／作用を実施するための手段を形成するようにしてもよい。

またこれらのコンピュータプログラム命令を、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイスに特定の仕方で機能するように命令することができるコンピュータ可読媒体に記憶して、コンピュータ可読媒体に記憶された命令が、フローチャート及び／またはブロック図のブロックまたはブロック（複数）において特定された機能／作用を実施する命令を含む製造品を形成するようにしてもよい。

またコンピュータプログラム命令を、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイス上にロードして、一連の動作ステップを、コンピュータ、他のプログラム可能装置、または他のデバイス上で実行して、コンピュータ実装プロセスを形成して、コンピュータまたは他のプログラム可能装置上で実行した命令によって、フローチャート及び／またはブロック図のブロックまたはブロック（複数）において特定された機能／作用を実施するためのプロセスが得られるようにしてもよい。

Claims (14)

1. 物理プラントの動作をモデリングするためのシステムであって、前記物理プラントは少なくとも第１のコンポーネントと第２のコンポーネントと、前記第１及び第２のコンポーネント間で材料ストリームが流れるように前記第１及び第２のコンポーネントを接続する少なくとも１つの物理接続部を有し、前記システムは制御装置を有し、前記制御装置は、
   前記第１のコンポーネントの第１のモデルから前記少なくとも１つの物理接続部の第１のモデル動作パラメータを受け取り、前記第２のコンポーネントの第２のモデルから前記少なくとも１つの物理接続部の第２のモデル動作パラメータを受け取ることと、
   前記第２のモデル動作パラメータを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第１のモデル動作パラメータを用いて前記第２のモデルを更新することと、
   前記第１のコンポーネント及び前記第２のコンポーネントからリアルタイム動作データを受け取ることと、
   前記第２のコンポーネントから受け取った前記リアルタイム動作データを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第１のコンポーネントから受け取った前記リアルタイム動作データを用いて前記第２のモデルを更新することと、を行うように構成され、
   前記第１及び第２のモデル動作パラメータはそれぞれ、前記材料ストリームについての、質量流、材料組成、圧力、または温度のうちの１つ以上を含む、
   システム。
2. 前記第１のモデルは第１のコンピュータシステム上で実行され、前記第２のモデルは第２のコンピュータシステム上で実行される請求項１に記載のシステム。
3. 前記システムはさらに、
   トレーニングユーザインターフェースからシミュレーション入力を受け取ることであって、前記シミュレーション入力は、前記第１のコンポーネントの第１の入力パラメータと前記第２のコンポーネントの第２の入力パラメータとを含む、前記受け取ることと、
   前記第１の入力パラメータを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第２の入力パラメータを用いて前記第２のモデルを更新することであって、前記第１及び第２の入力パラメータによって前記第１及び第２のモデル動作パラメータがもたらされる、前記更新することと、
   前記第１及び第２のモデル動作パラメータを前記トレーニングユーザインターフェースに出力することと、を行うように構成されている請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記システムはさらに、
   前記更新された第１及び第２のモデルに基づいて、前記第１及び第２のコンポーネントを含む前記物理プラントの動作をシミュレートするように構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記第１のコンポーネントが少なくとも１つの第１の圧縮機を含み、前記第２のコンポーネントが少なくとも１つの熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２の圧縮機を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの物理接続部は、前記第１及び第２のコンポーネントを接続する回転シャフトを含み、前記第１及び第２のモデル動作パラメータは、シャフト速度またはシャフトトルクのうちの１つ以上を含む請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの物理接続部は、前記第１及び第２のコンポーネント間の制御信号を含み、前記第１及び第２のモデル動作パラメータは制御信号パラメータを含む請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 物理プラントの動作をモデリングする方法であって、前記物理プラントは、少なくとも第１のコンポーネントと、第２のコンポーネントと、前記第１及び第２のコンポーネント間で材料ストリームが流れるように前記第１及び第２のコンポーネントを接続する少なくとも１つの物理接続部と、を含み、前記方法は、
   前記第１のコンポーネントの第１のモデルから前記少なくとも１つの物理接続部の第１のモデル動作パラメータを受け取り、前記第２のコンポーネントの第２のモデルから前記少なくとも１つの物理接続部の第２のモデル動作パラメータを受け取ることと、
   前記第２のモデル動作パラメータを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第１のモデル動作パラメータを用いて前記第２のモデルを更新することと、
   前記第１のコンポーネント及び前記第２のコンポーネントからリアルタイム動作データを受け取ることと、
   前記第２のコンポーネントから受け取った前記リアルタイム動作データを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第１のコンポーネントから受け取った前記リアルタイム動作データを用いて前記第２のモデルを更新することと、を含み、
   前記第１及び第２のモデル動作パラメータは、前記材料ストリームについての、質量流、材料組成、圧力、または温度のうちの１つ以上を含む方法。
9. 前記第１のモデルは第１のコンピュータシステム上で実行され、前記第２のモデルは第２のコンピュータシステム上で実行される請求項８に記載の方法。
10. トレーニングユーザインターフェースからシミュレーション入力を受け取ることであって、前記シミュレーション入力は、前記第１のコンポーネントの第１の入力パラメータと前記第２のコンポーネントの第２の入力パラメータとを含む、前記受け取ることと、
    前記第１の入力パラメータを用いて前記第１のモデルを更新し、前記第２の入力パラメータを用いて前記第２のモデルを更新することであって、前記第１及び第２の入力パラメータによって前記第１及び第２のモデル動作パラメータがもたらされる、前記更新することと、
    前記第１及び第２のモデル動作パラメータを前記トレーニングユーザインターフェースに出力することと、をさらに含む請求項８または９に記載の方法。
11. 前記第１及び第２のコンポーネントを有する前記物理プラントの動作をシミュレートすることをさらに含み、前記シミュレートすることは、前記更新された第１及び第２のモデルに基づく、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１のコンポーネントが少なくとも１つの第１の圧縮機を含み、前記第２のコンポーネントが少なくとも１つの熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２の圧縮機を含む、請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの物理接続部は、前記第１及び第２のコンポーネントを接続する回転シャフトを含み、前記第１及び第２のモデル動作パラメータは、シャフト速度またはシャフトトルクのうちの１つ以上を含む請求項８から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの物理接続部は、前記第１及び第２のコンポーネント間の制御信号を含み、前記第１及び第２のモデル動作パラメータは、制御信号パラメータを含む請求項８から１３のいずれか１項に記載の方法。

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