JP7031512B2 - 鉄鋼プラント用監視作業支援システム - Google Patents

Description

この発明は、鉄鋼プラント用監視作業支援システムに関する。

これまでの科学技術の進歩により、鉄鋼プラントの多くの工程では、制御技術やシステム技術を駆使することにより設備の自動化が進んだ。しかしながら、工場全体の完全な自動化にまでは至っておらず、今日では、機械にとっては難しい臨機応変な判断が必要な作業を人が担い、それらにより工場全体の操業が滞りなく行われている。

作業者は、設備を外観できる位置に配置された操作室（パルピットと呼ばれる）から、自動化された設備を監視する。操作室には、設備の操業状態を把握するために、複数のカメラで撮影された設備や被圧延材を映したモニター、設備の稼働状況やアラームを出力するモニター、センサーにより計測された被圧延材やアクチュエータ等の物理量をグラフ出力したモニターなどが設置される。作業者はそれらを確認することにより修正操作の判断をする。また、作業者が対面する操作盤には、設備の動作に修正を加えるためのボタン、レバーや入力端末が設置される。作業者は、必要に応じて設備の動作に対し修正を加えたり、工場全体の鉄鋼生産が効率良く行われる様に、生産の順番やタイミングを調整したり、設備の稼働状況により製品の指示値を可能な範囲で変更するなど、数多くの操作を行っている。

特に、センサーにより計測された被圧延材やアクチュエータ等の物理量をグラフ出力したモニターを作業者が監視する場合は、波形を目視で確認して異常の発生を判断しなければならない。また、注意が必要な条件の鋼材（たとえば、特定の鋼種など）が圧延される場合は、まず、モニターの情報から対象の条件であることを把握し、必要に応じて、被圧延材を目視で確認し、操業データを画面で確認し、確認した内容の条件の組み合わせを考慮して、操作方法を判断しなければならない。これらは人による判断であるので、見逃してしまい、操作を誤ってしまうことがあった。

操作室でのこれら一連の監視作業を支援することにより、作業の効率化を図り、監視作業を容易にして異常の見逃しを少なくすることで、製品の品質を向上させると共に、作業者の負担を軽減することができる支援システムが望まれている。

例えば特許文献１には、作業者の負担を軽減するため、正常事例からなる学習データを類似度と異常有無に基づき学習し、この学習データを用いて観測データの異常を検知するシステムが開示されている。

尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開２０１０－１９１５５６号公報 国際公開第２０１５／１７７８７０号 特開平６－３１３７２１号公報

特許文献１では、確かに十分な学習データを用意すれば異常検知の精度は高まる。しかしながら、種々の製品仕様毎に十分な学習データを用意することは困難であり、必ずしも実用的とは言えない。実用的には、準備可能なサンプルデータを最大限活用して、製品仕様が必ずしも一致しない場合であっても、被圧延材やアクチュエータ等の物理量のグラフ波形を目視で確認して異常の発生を判断する作業者の監視作業を支援できることが望まれる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、被圧延材の全長に亘るデータ波形を目視で確認して異常の発生を判断する作業員の監視作業を支援できる鉄鋼プラント用監視作業支援システム提供することを目的とする。

本発明に係る鉄鋼プラント用監視作業支援システムは、鉄鋼プラントの操作室での監視作業において、被圧延材が圧延される様子や情報モニターの表示を目視することで得られた情報とその他のデータによる条件の組み合わせにより必要操作を判断する監視作業、もしくは、設備の異常発生を即座に把握し操作を実行することにより異常を取り除く一連の作業を支援する。

上記目的の達成のため、本発明に係る鉄鋼プラント用監視作業支援システムは、データ保存部と、異常チャートパターン登録部と、類似判定部と、メッセージ出力部とを備える。

データ保存部は、被圧延材の長手方向各点における所定のデータ項目の計測値からなる全長データについての実績データを保存する。全長データのデータ項目とは、例えば、仕上圧延機出側の板厚、仕上圧延機出側の板幅、粗圧延機出側の板厚、粗圧延機出側の板幅、仕上圧延機出側の温度、加熱炉出側の温度などである。全長データとは、各データ項目により決められた設備近辺の位置を１つの被圧延材の最先端が通過開始してから、被圧延材の最尾端が通過完了するまでをひとまとまりとして一定時間ピッチで収集されたデータを意味する。

異常チャートパターン登録部は、データ項目について異常な全長データを少なくとも１つ登録する。異常な全長データとして、過去に設備に異常が発生した際の実績データや、典型的な異常パターンを示す作成データが登録される。

類似判定部は、D1_dev[i]とD2_dev[i]との偏差の二乗の平均値の平方根が、閾値よりも小さい場合に波形が類似していると判断する。ここで、D1_dev[i]は、実績データの各点[i]（i=1,…,N）における値D1[i]と前記実績データの平均値ave1との偏差である。D2_dev[i]は、異常な全長データの各点[i]における値D2[i]と異常な全長データの平均値ave2との偏差である。

このように、D1_dev[i]とD2_dev[i]との偏差の二乗の平均値の平方根により類似を判断することで、各点[i]のD1[i]とD2[i]の値に大きな差が有るか否かに関わらず、これらの全長データの「波形」が類似しているか否かを判定することができる。例えば、ある製品仕様（例えば目標板厚1mm）について用意された異常な全長データの波形が、これと異なる製品仕様（例えば目標板厚3mm）の実績データの波形と類似するか否かを判定することができる。すなわち、データ項目（例えば仕上圧延機出側の板厚）が共通すれば、その目標板厚が異なっていても波形の類似性を判定できる。そのため、製品仕様毎に予め用意できる異常な全長データが少なくても、様々な実績データの波形について異常であるか否かを判定できる。

メッセージ出力部は、類似判定部により波形が類似していると判定された場合に、予め登録された警告メッセージを出力する。好ましくは、メッセージ出力部は、類似判定部によりデータ保存部に保存された実績データの波形が、指定の異常な全長データの波形に類似していると判定され、かつ、被圧延材の製品仕様に関する１点データが指定条件を満たすと判定された場合に、予め登録された警告メッセージを出力する。

本発明に係る鉄鋼プラント用監視作業支援システムによれば、被圧延材の全長に亘るデータ波形を目視で確認して異常の発生を判断する作業員の監視作業を支援できる。また、作業員の監視作業を支援することにより、プラント設備の異常発生を早期に発見し、異常を取り除く一連の作業を十分に支援することができる。その結果、作業の効率化が図られ、作業が容易になることで、異常の見逃しも少なくなり、製品の品質を向上させると共に、作業者の負担を軽減することができる。

本発明の実施の形態１に係る監視作業支援システムが適用される鉄鋼プラント、ならびにシステムで使われるデータの流れを示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る監視作業支援システムの計算部で行われる全長データのパターン判定の概要を表す模式図である。 監視作業支援システムの計算部における全長データの類似判定について説明するためのグラフである。 監視作業支援システムの計算部におけるメッセージ出力のための条件判定について説明するための図である。 監視作業支援システムが有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
（システム構成）
図１は、監視作業支援システムが適用される鉄鋼プラント、ならびにシステムで使われるデータの流れを示す模式図である。

圧延ライン２では、加熱炉２ａで加熱された高温のスラブ（被圧延材１）が、搬送ロールにより搬送されて、粗圧延機２ｂと仕上圧延機２ｃで目標板厚まで薄く延ばされると同時に目標板幅に加工され、冷却され、最後にコイラー２ｄで巻き取られ、製品（コイル）が製造される。

制御システム３は、圧延ライン２の各設備へ動作のための指令データｄ１を送信する。また、圧延ライン２の各設備にはセンサーが取り付けられており、制御システム３は、それらにより計測された実績データを収集する。実績データは、制御システム３で使われる実績データｄ２と、制御システム３で使われずに分析や評価に使われる実績データｄ４の２つに大別される。

監視作業支援システム４は、データ保存部５と計算部６と情報表示部７とを備える。

データ保存部５は、制御システム３で使われる実績データｄ２と制御システム内の途中計算データと計算結果データとを合わせたデータｄ３、また上述の実績データｄ４を収集し保存する。収集されるデータには、データ項目毎の全長データや１点データが含まれる。データ項目には、全長データ項目と１点データ項目がある。全長データ項目の種類には、仕上圧延機出側の板厚、仕上圧延機出側の板幅、粗圧延機出側の板厚、粗圧延機出側の板幅、仕上圧延機出側の温度、加熱炉出側の温度などがある。全長データは、被圧延材の長手方向各点における所定のデータ項目の計測値からなる。より具体的には、全長データとは、各データ項目により決められた設備近辺の位置を１つの被圧延材の最先端が通過開始してから、被圧延材の最尾端が通過完了するまでをひとまとまりとして一定時間ピッチで収集されたデータを意味する。１点データとは、被圧延材の製品仕様に関し、１点データ項目の種類には、例えば鋼種、目標板厚、目標板幅などがある。

計算部６は、データ保存部５に保存されたデータｄ５の異常を検出して、作業員の監視作業を支援するための警告メッセージを出力する。計算部６の詳細については後述する。情報表示部７は、計算部６が出力した警告メッセージを表示するモニターを備える。

作業者１００は、複数のカメラで撮影された設備や被圧延材を映したモニター８と、設備の稼働状況やアラーム、センサーにより計測された被圧延材やアクチュエータの物理量を出力したグラフを表示したモニター９と、被圧延材が設備で圧延される様子が見えるガラス窓１０とからの情報を目視する。これと共に、情報表示部７に表示される警告メッセージによる支援を受けて、作業者１００は、監視作業および異常を取り除く一連の作業を行うことができる。

（監視作業支援システムの計算部）
図２～図４を参照して、監視作業支援システム４の計算部６における具体的な処理について説明する。計算部６は、異常チャートパターン登録部６１と、類似判定部６２と、メッセージ条件登録部６３と、メッセージ出力部６４とを備える。

図２は、監視作業支援システム４の計算部６で行われる全長データのパターン判定の概要を表す模式図である。

異常チャートパターン登録部６１には、異常な全長データを示す異常チャートパターンが予め全長データ項目毎にグループ化されて登録されている。異常チャートパターンは、これと類似する波形が、データ保存部５に保存された実績データに発見されたなら、作業者にチェックを促すべき基準で定められている。なお、製品（コイル）は仕様によって長さが異なるため、種々の実績データと比較できるように異常チャートパターンは正規化されている。

類似判定部６２は、データ保存部５に保存された全長データに関する実績データの波形が、異常チャートパターン登録部６１に登録された異常チャートパターンの波形と類似しているか否かを判定する。

図３は、全長データの実績データと異常チャートパターンとの類似判定について説明するための図である。ここでは一例として、データ項目は仕上圧延機出側の板厚とする。

図３の（Ａ）は、データ保存部５に保存されている実績データの１つであり、仕上圧延機出側の板厚に関する全長データに関する。なお、実績データは異常チャートパターンと比較できるように正規化される。D1[i]（i=1,…,N）は、被圧延材の先端から尾端までの各点[i]における仕上圧延機出側の板厚を意味する。ave1は、D1[i]の平均値である。類似判定部６２は、各点[i]におけるD1[i]とave1との偏差D1_dev[i]を算出する。
D1_dev[i] = D1[i] - ave1 …（１）

図３の（Ｂ）は、異常チャートパターン登録部６１に登録されている仕上圧延機出側の板厚に関する異常チャートパターンである。D2[i]（i=1,…,N）は、被圧延材の先端から尾端までの各点[i]における仕上圧延機出側の板厚を意味する。ave2は、D2[i]の平均値である。類似判定部６２は、各点[i]におけるD2[i]とave2との偏差D2_dev[i]を算出する。
D2_dev[i] = D2[i] - ave2 …（２）

そして、類似判定部６２は、各点[i]についてD1_dev[i]とD2_dev[i]との距離を算出する。具体的には、D1_dev[i]とD2_dev[i]との偏差の二乗の平均値の平方根（平均二乗誤差平方根）を算出する。この値が閾値よりも小さい場合に、実績データと異常チャートパターンの波形が類似していると判断する。

このように、D1_dev[i]とD2_dev[i]との偏差の二乗の平均値の平方根により類似を判断することで、各点[i]のD1[i]とD2[i]の値に大きな差が有るか否かに関わらず、これらの全長データの「波形」が類似しているか否かを判定することができる。例えば、ある製品仕様（例えば目標板厚1mm）について用意された異常な全長データの波形が、これと異なる製品仕様（例えば目標板厚3mm）の実績データの波形と類似するか否かを判定することができる。すなわち、データ項目（例えば仕上圧延機出側の板厚）が共通すれば、その目標板厚が異なっていても波形の類似性を判定できる。そのため、製品仕様毎に予め用意できる異常な全長データが少なくても、様々な実績データの波形について異常であるか否かを判定できる。

メッセージ条件登録部６３には、それぞれの警告メッセージが出力されるときの判定条件とメッセージの内容が文字列で登録される。判定条件は、全長データのみであってもよいし、全長データと１点データの組み合わせであってもよい。

全長データのみの場合、メッセージ条件登録部６３には、所定のデータ項目について異常チャートパターンと作業者に通知すべき警告メッセージとが関連付けて登録される。メッセージ出力部６４は、メッセージ条件登録部６３に登録された異常チャートパターンに類似する実績データが発見された場合に、関連付いた警告メッセージを情報表示部７へ出力する。作業者１００は、情報表示部７に表示された警告メッセージによる支援を受けることができる。

全長データと１点データの組み合わせの場合、メッセージ条件登録部６３には、図４のように、全長データと１点データとの組み合わせた監視作業の判断に有効な判定条件と作業者に通知すべき警告メッセージとが関連付けて登録される。なお、１点データの判定条件に使うことができるデータ項目は、データ保存部５に保存された項目であり、不等号や簡単な文字列判定により判定できる。

メッセージ出力部６４は、類似判定部６２によりデータ保存部５に保存された実績データの波形が、指定の異常チャートパターンの波形に類似していると判定され、かつ、所定の１点データが指定条件を満たすと判定された場合に、その判定条件に関連付けられた警告メッセージを情報表示部７へ出力する。図４の例では、データ保存部５に登録されたデータ項目１についての全長データが異常パターンＡと類似すること、データ項目２についてパターンＢと類似すること、１点データａが条件Ｘと一致すること、のすべてが成立する場合に、この判定条件に関連付けられた警告メッセージを出力する。作業者１００は、情報表示部７に表示された警告メッセージによる支援を受けることができる。

メッセージ出力のための条件判定のタイミングは複数回あり、各工程に実績データが保存されたタイミングで条件判定を実行し、警告メッセージを出力できる。例えば、被圧延材１が上流の粗圧延機２ｂで圧延されているタイミングで実行し、下流の仕上圧延機２ｃの圧延の改善につながる警告メッセージを出力することで作業者の監視作業を支援することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る監視作業支援システムによれば、被圧延材の全長に亘るデータ波形を目視で確認して異常の発生を判断する作業員の監視作業を支援できる。また、作業員の監視作業を支援することにより、プラント設備の異常発生を早期に発見し、異常を取り除く一連の作業を十分に支援することができる。その結果、作業の効率化が図られ、作業が容易になることで、異常の見逃しも少なくなり、製品の品質を向上させると共に、作業者の負担を軽減することができる。

また、全長データ項目としては、モニター９に表示されるチャートに対応するものや表示されないもの（例えば加熱炉出側の温度）でもデータ保存部５に保存された項目であれば、異常チャートパターンを登録し、判断の支援に使うことができる。そのため、通常はモニターに表示されず、作業者の目が届かないデータについても異常を検知できる。

（ハードウェア構成例）
図５は、上述した監視作業支援システムが有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。上述した各機能は処理回路により実現される。一態様として、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９１と少なくとも１つのメモリ９２とを備える。他の態様として、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９３を備える。

処理回路がプロセッサ９１とメモリ９２とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

処理回路が専用のハードウェア９３を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、又はこれらを組み合わせたものである。各機能は処理回路で実現される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 被圧延材
２ 圧延ライン
２ａ 加熱炉
２ｂ 粗圧延機
２ｃ 仕上圧延機
２ｄ コイラー
３ 制御システム
４ 監視作業支援システム
５ データ保存部
６ 計算部
７ 情報表示部
８、９ モニター
１０ ガラス窓
６１ 異常チャートパターン登録部
６２ 類似判定部
６３ メッセージ条件登録部
６４ メッセージ出力部
９１ プロセッサ
９２ メモリ
９３ ハードウェア
１００ 作業者

Claims (1)

1. 被圧延材の長手方向各点における所定のデータ項目の計測値からなる全長データについての実績データを保存するデータ保存部と、
   前記データ項目について異常な全長データを少なくとも１つ登録する異常チャートパターン登録部と、
   前記実績データの各点[i]（i=1,…,N）における値D1[i]と、前記実績データの平均値ave1との偏差をD1_dev[i]とし、
   前記異常な全長データの各点[i]における値D2[i]と、前記異常な全長データの平均値ave2との偏差をD2_dev[i]としたときに、
   D1_dev[i]とD2_dev[i]との偏差の二乗の平均値の平方根が、閾値よりも小さい場合に、波形が類似していると判断する類似判定部と、
   前記類似判定部により波形が類似している判定された場合に、予め登録された警告メッセージを出力するメッセージ出力部と、を備え、
   前記メッセージ出力部は、前記類似判定部により前記データ保存部に保存された実績データの波形が、指定の前記異常な全長データの波形に類似していると判定され、かつ、前記被圧延材の製品仕様に関する１点データが指定条件を満たすと判定された場合に、予め登録された警告メッセージを出力すること、
   を特徴とする鉄鋼プラント用監視作業支援システム。

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