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2 種類のシミュレーションモデルを用いた熱源システムのセンサ・機器不具合検知手法
田井 佑典 1. はじめに 空調設備の運用段階の省エネを図る上で、不具合の早期検 知は欠かすことができないものである。しかし、人材やコス トの面から、運用段階の性能管理を行うことは難しいことが 多い。そこで本研究は建物を効率よく監視し、異常が発生し た際に早急にその不具合を検知し、原因を追及することがで きる技術の開発を目的としている。具体的には、入出力値の 異なる 2 種類のモデルの特色を生かし、汎用性のある不具合 検知手法を提案する。また、その手法を適用した不具合検知 ツールの開発を行い、その効果についても検討する。 2. 対象システム概要 本研究の対象システムは宮城県多賀城市にある記録メデ ィアの製造を目的とした産業用施設ビル、ソニー仙台テクノ ロジーセンターである。システムの概要と各機器の仕様を図 1、表1に示す。対象システムは年間365日24時間稼動してお り、BEMSを利用して実運転データを収集している。その収 集時間間隔は1分である。2012年12月～2013年11月の1年間の 実測データを用いて検討を行う。対象システムは熱量と流量 を基に運転台数の制御が行われているほか、1次ポンプ冷水 変流量制御、冷却水変流量制御、冷却水バイパス弁制御、冷 却塔変風量制御などの制御ロジックが組み込まれている。 対象システムの実測値分析から分かった特徴的な点を以下 に示す。 a)冷却水流量 図 2 に TR-1 の冷却水流量の実測値と制御設定値の推移を 示す。7 月以降設定値と実測値の乖離が大きい。原因として 実機の冷却水汚染や現地で冷却水ポンプ周波数下限値を手 動で変更したことなどが挙げられ、実測値が実態を捉えてい ないと考えられる。そこで、本研究では冷凍機内のヒートバ ランスを崩さないような流量値を算出し、代用する。 b)性能曲線 図 3 に TR-1 の実測値と性能曲線の比較結果を示す。冷却 水温度が高い時の精度は良く、温度が低い時の精度が低いた め、モデル化を行った際に冬期の精度が低くなる可能性が高 い。しかし、本研究では、パラメータなどによる修正は特に 行っていない。 3. シミュレーションモデルの構築と精度検証 対象システムの機器単体モデル（インバータターボ冷凍機、 冷却塔）と制御ロジックモデル（冷凍機台数制御など）のモ 図 1 対象システムのシステム図 表 1 対象システムの機器仕様 図 2 TR-1 冷却水流量の実測値と制御設定値の比較 図 3 TR-1 実測値と性能曲線の比較 記号 名称 台数 仕様 出力[kW] CP1-1 流量:188㎥/h CP1-2 INV制御 CP2-1 CP2-2 CP2-3 冷水２次ポンプ 3 流量:188㎥hINV制御 37 CDP-1 流量:355㎥/h CDP-2 INV制御 CT-1 冷却能力:2066kW 流量:355㎥/h CT-2 冷却塔 2 INV制御 7.5×2ファン インバータ ターボ冷凍機 2 冷水1次ポンプ 2 18.5 TR-1 TR-2 冷房能力:1758kW(500USRt) 冷水温度 (入口/出口):15℃/7℃ 流量:188㎥/h 冷却水温度(入口/出口):32℃/37℃ 流量:355㎥/h INV制御 定格COP: 5.90 (INV出力) 298 冷却水ポンプ 2 45 [月] 0 100 200 300 400 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 流量 [㎥ /h ] 冷却水流量 制御設定値 冷却水流量 実測値 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 120 CO P[ -] 部分負荷率[%] 13℃±1℃ 16℃±1℃ 20℃±1℃ 25℃±1℃ 30℃±1℃ 37℃±1℃49-2 デル化を行った。全体モデルのフロー図を図4に、それぞれ のモデルの入力値と出力値を表2に示す。 3.1 単体シミュレーションモデルの構築と精度検証 インバータターボ冷凍機単体モデルは冷凍機の性能曲線 を基にCOPを算出し冷水と冷却水のヒートバランスから冷 却水出口温度を算出している。なお、冷却水出口温度の計算 結果と実測値の相対誤差は約12％である。 冷却塔単体モデルは開放式冷却塔をモデル化し、冷却塔処 理熱量、冷却塔冷却水出口温度を算出している。なお、冷却 塔出口温度の計算結果と実測値の相対誤差は約2％である。 3.2 全体シミュレーションモデルの構築と精度検証 システム全体のモデルは外気条件と負荷熱量、負荷流量、 冷凍機稼働台数を入力値としている。各機器の単体モデルと 各制御ロジックを組み合わせて作成し、システム内の各点の 温度や流量などを出力できる。全体モデルの計算結果と実測 値の年間平均値の比較結果を表 3 に示す。冷水流量や処理熱 量に関しては実測値をよく捉えており、精度が良い。また、 冷却水流量が実測値と違った値を示しているが、これは上述 したように、実測値が異常値を示していることが原因である。 冷却水温度は冷却水流量の乖離に伴ってやや出入口温度が 乖離している。消費電力の乖離は上述した性能曲線のずれが 原因であると考えられる。補器の消費電力は、冷水ポンプは 精度が高いが、冷却水ポンプ、冷却塔の精度はやや低い。 4.シミュレーションを用いた不具合検知手法の検討 前章で作成した2種類のシミュレーションモデルを用いて、 具体的に温度センサや流量センサ等に不具合が生じたケー スの検討を行う。計算モデルはすべての機器が正常に運転し ている時のデータをもとに作成しているため、計算結果と実 測値が大きくずれる場合は、何らかの不具合があると考えら れる。本研究では、センサ誤差や機器の不具合が発生したケ ースを想定した検討を行う。ここで、対象システムに組み込 まれているセンサを表 4 に示す。対象システム内のセンサは このように、2 つのモデルの入出力値の違いから 4 種類に分 けることができる。種類ごとにセンサ誤差が与える影響が異 なるため、それぞれケース検討を行い、その影響を考察する。 なお、本章では2013 年 10 月のデータを検討に用いる。ま た、ここでは代表して単体モデルの入力値で全体モデル出力 値のケースの結果のみ示す。 4.1 単体モデル入力値で全体モデル出力値 冷凍機冷却水入口温度センサに測定誤差が生じたケースを 想定して検討を行う。実測値の冷却水入口温度を常に+1℃し たデータを作成し、それを用いて全体モデルと単体モデルの シミュレーションを行った。冷却水入口温度は冷凍機単体モ デルの入力値であるが、全体モデルの入力値ではないため、 単体モデルの結果のみに影響が出るものと考えられる。ここ で、冷却水出口温度の実測値と 2 種類のシミュレーション結 果の比較を図 5 に示す。単体モデルの冷却水出口温度の計算 結果のみ値が上昇している。 このケースでは、入力値は全体モデルのみが違う値を示し、 出力値は単体モデルのみが違う値を示した。 センサ誤差に関する検討結果のまとめを図 6 に示す。この 様に、実測値とシミュレーション結果がずれている箇所を確 図 4 全体モデルのフロー図 表 2 各モデルの入力値・出力値 表 3 全体モデルの計算結果と実測値の年間平均値の比較 表 4 対象システム内の温度・流量・電力センサ START 初期条件入力 入力データ 読み込み 入力値チェ ッ ク 冷凍機台数制御 冷水ポン プ 変流量制御 冷水の流量計算 冷却水の流量計算 冷却塔変風量制御 集計・ 出力 END 冷却水ポン プ 変流量制御 冷水の温度計算 冷却水バイ パス 弁開度決定 冷凍機 COP 計算 冷却水の温度計算 時刻ループ TR-1 入口温度冷水 出口温度冷水 入口温度冷却水 出口温度冷却水 冷水流量 冷却水流量 処理熱量 消費電力 [-] [℃] [℃] [℃] [℃] [㎥/h] [㎥/h] [kW] [kW] 実測値 14.2 7.2 19.3 23.1 102.7 256.2 863 87.5 sim結果 14.3 7.2 18.8 22.5 102.4 217.5 868 82.4 TR-2 冷水 入口温度 冷水 出口温度 冷却水 入口温度 冷却水 出口温度 冷水 流量 冷却水 流量 処理 熱量 消費 電力 [-] [℃] [℃] [℃] [℃] [㎥/h] [㎥/h] [kW] [kW] 実測値 13.6 7.6 16.8 20.1 100.0 232.6 696 62.0 sim結果 14.3 7.2 16.0 19.4 94.2 185.5 688 55.0 補機 消費電力冷水P 消費電力冷却水P 消費電力冷却塔 [-] [kW] [kW] [kW] 実測値 4.2 19.5 17.9 sim結果 3.9 18.0 14.8 単体モデル の入力値 単体モデル の出力値 単体モデル に関係しない 全体モデル 入力値 - - 負荷流量 全体モデル 出力値 冷凍機冷水入口温度 冷凍機冷却水入口温度 冷凍機冷水流量 冷凍機冷却水流量 冷却塔入口温度 冷凍機冷水出口温度 冷凍機冷却水出口温度 冷凍機消費電力 冷却塔出口温度 還ヘッダ温度 往ヘッダ温度
49-3 認することで、センサ誤差の発生している場所を特定できる。 5. 不具合検知ツールの開発 5.1 ツールの概要 本報では、対象システムの冷凍機を対象に不具合検知ツー ルの開発を行う。開発したツールは冷凍機に関係する 7 つの 項目（冷水入口温度・冷水出口温度・冷水流量・冷却水入口 温度・冷却水出口温度・冷却水流量・消費電力）に対して実 測値・全体モデル結果・単体モデル結果の 3 つを入力するこ とで、センサ誤差や機器の不具合を検知するものである。ツ ールの入出力値を表 5 に、フロー図を図 7 に示す。 本ツールはまず、入力された値を項目ごとに比較し、どの 結果が最も乖離しているかとその乖離量が設定した閾値を 超えているかを調べ、超えていた場合フラグを立てる。最後 にフラグの場所とどの結果が最も乖離しているかによって、 発生している不具合を検知するというものである。この際、 タイマを設定し、一定時間不具合が継続した際にのみ検知す るものとしている。 なお、本研究ではセンサ誤差と機器の不具合を切り分ける 際にセンサ誤差の場合は以下の冷凍機の冷水側と冷却水側 のヒートバランスが崩れることに着目し分別の条件とする。 (冷水入口温度[℃]−冷水出口温度[℃])×(冷水流量[㎥/h] ×水の 比重[kg/㎥]×水の比熱[Wh/kg・K]) +(冷凍機消費電力[W])=(冷 却水出口温度[℃]−冷却水入口温度[℃])×(冷却水流量[㎥/h] × 水の比重[kg/㎥] ×水の比熱[Wh/kg・K]) 5.2 各不具合の検知条件 開発したツールはセンサ誤差7 種類と機器の不具合4 種類 を検知できる。ツールに組み込んだ各不具合項目と検知条件 を表 6 に示す。センサ誤差系の不具合では主に対象システム 内のセンサが測定誤差を含んでいる状態を想定した。機器系 の不具合では主に冷凍機や冷凍機にかかわる機器が劣化・故 障し、所定の性能を発揮できなくなる状態を想定した。 図 5 冷却水入口温度センサ誤差を想定した検討結果 （冷却水出口温度） 5.3 最適なパラメータ設定のためのケース検討 ここでは徐々に不具合が進行するようなケースを想定し た検討を行う。検討期間は 2013 年 10 月（のべ 44640 分）で ある。また、与えた不具合量はセンサ誤差の場合は 1 分ごと に 0.0001℃、流量（電力）の場合は 0.001 ㎥/h（kW）であり、 機器の不具合は 1 分ごとに 0.001％進行するように設定した モデルを作成し、一度シミュレーションを行ったうえで、そ 図 6 センサ誤差に関するケース検討結果のまとめ 表 5 ツールの入出力値 図 7 ツールのフロー図 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 温度 [℃ ] 単体sim 全体sim 実測値 [日] 単体sim 23.2 全体sim 22.1 実測値 22.1 平均値 実測値を入力 全体モデルの計算 単体モデルの計算 実測値・単体モデル結果・ 全体モデル結果を読み込み 各地点において 設定した閾値を 乖離量が上回ったらフラグを立てる フラグの場所から 不具合の種類を特定 集計・出力 各地点において 3つの結果を瞬時値 による比較 各地点において 3つの結果を相対値 による比較 時間ループ END START 不具合の継続時間が タイマの設定時間を 上回るか確認する 上回る場合のみ 不具合として検知 入力値 冷水入口温度 冷水出口温度 冷却水入口温度 ※いずれも実測値・全体モデル結果・ 冷却水入口温度 単体モデル結果の3つを入力 冷水流量 冷却水流量 消費電力 出力値 各不具合の検知回数 各フラグの検知回数 各タイマの検知回数 各項目の誤差量 など
49-4 の計算値を実測値の代わりに用いてツールでの検知を試み る。各ケースにおいて各不具合項目を本ツールがどれだけ検 知できるかを確認した。閾値を温度±1℃、流量・電力±（定 格値×5％）㎥/h（kW）、ヒートバランス±（定格値×15％） kW に設定し、タイマを 10 分に設定した。各ケースにおける 検知対象の検知回数と誤検知回数を表 7 に示す。冷却水流量 のみが検知対象の不具合を検知できていないが、他の項目は 検知対象の不具合の検知ができている。冷却水流量のセンサ 誤差が検知できていないのはモデルの計算精度が良くない ことが主な原因である。また、消費電力のセンサ誤差のケー スで誤検知が多いのはセンサ誤差による消費電力の誤差量 がヒートバランスの欠如に繋がらず、条件が似ている冷凍機 の劣化の誤検知につながっていることが原因である。これは ヒートバランスの閾値を変えることで改善につながると考 える。また、センサの誤差系では他のセンサの不具合として 誤検知される回数が多い。機器の不具合系は誤検知回数がど の項目も 0 である。よって、消費電力計の不具合のケース以 外は、センサ誤差と機器の不具合の分別がほぼできており、 ヒートバランスによる 2 つの分別は効果的である。 次に最適なパラメータ設定のためのケース検討を行った。 代表して冷却水入口温度の検討結果を示す。センサ誤差系で は結果に影響を及ぼすパラメータのうち各閾値とタイマの 設定値を検討する。ここでは、閾値を±1、±2、±3、±4℃の 4 パターン、タイマを 1、5、10、30、60、180、360 分の 7 パ ターンの組み合わせによる計 28 パターンのケース検討を行 った。なお、他の閾値は温度±1℃、流量・電力±（定格値×5％） ㎥/h（kW）、ヒートバランス±（定格値×15％）kW に設定 して検討を行っている。図 8 に検知対象の検知回数を、図 9 に誤検知回数を示す。冷却水入口温度のセンサ誤差について は閾値やタイマの設定値を変えても検知対象の検知回数は 大きく変化しない。しかし、誤検知の回数についてはタイマ の値を大きくすることで、減らすことができる。以上より、 今回のケースでは閾値をあまり大きくせずに、タイマの値を 大きくしていくことで、検知対象の検知回数を落とさずに誤 検知回数を減らす効果があることが分かった。 6. おわりに 本研究では、熱源システムの効率的な不具合検知手法の提 案を目的として、2 種類のシミュレーションモデルを構築し、 モデルの特色を生かした不具合検知手法の提案を行った。そ の結果、2 つのモデル結果と実測値の比較から熱源システム の不具合検知は可能であることや冷凍機のヒートバランス を確認することでセンサ誤差と機器の不具合の分別が可能 であることを示した。その後、冷凍機を対象に提案した手法 を適用した不具合検知ツールの開発を行い、その有用性を検 討した。本ツールは、冷凍機に関するセンサ誤差 7 種類と機 器の不具合 4 種類を検知することが可能である。また、実用 化に伴い、誤検知を減らし検知対象のみを検知できるような パラメータの設定値についても検討を行った。検討の結果、 各閾値はあまり大きな値とせず、タイマの値を適度に増加さ せることが望ましいと考えられる。 表 6 ツールに組み込まれている各不具合項目と検知条件 表 7 検知対象の検知回数及び誤検知回数 図 8 冷却水入口温度センサ誤差のケース検討結果 （検知対象の検知回数） 図 9 冷却水入口温度センサ誤差のケース検討結果 （誤検知回数） 不具合項目 状態 検知条件 冷水入口温度センサ誤差 冷水入口温度センサが測定誤差を含んでいる状態 冷水入口温度の全体モデル結果の乖離 冷却水出口温度の単体モデル結果の乖離 ヒートバランスの欠如 冷水出口温度センサ誤差 冷水出口温度センサが測定誤差を含んでいる状態 冷水出口温度の実測値の乖離 ヒートバランスの欠如 冷却水入口温度センサ誤差 冷却水入口温度センサが測定誤差を含んでいる状態 冷却水入口温度の全体モデル結果の乖離 冷却水出口温度の単体モデル結果の乖離 ヒートバランスの欠如 冷却水出口温度センサ誤差 冷却水出口温度センサが測定誤差を含んでいる状態 冷却水出口温度の実測値の乖離 ヒートバランスの欠如 冷水流量センサ誤差 冷水流量センサが測定誤差を含んでいる状態 冷水流量の全体モデル結果の乖離 冷却水出口温度の単体モデル結果の乖離 ヒートバランスの欠如 冷却水流量センサ誤差 冷却水流量センサが測定誤差を含んでいる状態 冷却水流量の全体モデル結果の乖離 冷却水出口温度の単体モデル結果の乖離 ヒートバランスの欠如 消費電力センサ誤差 消費電力センサが測定誤差を含んでいる状態 消費電力の実測値の乖離ヒートバランスの欠如 冷凍機劣化 冷凍機が劣化し処理熱量はそのままに 消費電力が増加している状態 消費電力の実測値の乖離 ヒートバランスが満たされていること 冷水ポンプの劣化 所定の流量を発揮できない状態冷水ポンプが劣化し 冷水流量の全体モデル結果の乖離 冷水入口温度の全体モデル結果の乖離 ヒートバランスが満たされていること 冷却水ポンプの劣化 冷却水ポンプが劣化し 所定の流量を発揮できない状態 冷却水流量の全体モデル結果の乖離 冷却水出口温度の全体モデルの乖離 ヒートバランスが満たされていること 送水温度の異常 冷凍機が劣化して冷水出口温度が 所定の温度まで冷えなくなる状態 冷水出口温度の実測値の乖離 冷水入口温度の全体モデル結果の乖離 ヒートバランスが満たされていること センサ誤差系の不具合 機器系の不具合 検知対象 の 検知回数 センサ誤差系 の 誤検知回数 機器の不具合系 の 誤検知回数 冷水入口温度 19940 2305 0 冷水出口温度 33356 0 0 冷水流量 14082 791 0 冷却水入口温度 32227 7897 0 冷却水出口温度 34013 0 0 冷却水流量 351 147 0 消費電力 17181 0 13030 冷凍機劣化 17174 0 0 冷水ポンプ劣化 17931 0 0 冷却水ポンプ劣化 20003 0 0 送水温度異常 23254 0 0 センサ 誤差 機器の 不具合 0 10000 20000 30000 40000 0 1 2 3 4 検知回数 [回 ] 温度の閾値[±℃] タイマーの設定時間(分) 1 タイマーの設定時間(分) 5 タイマーの設定時間(分) 10 タイマーの設定時間(分) 30 タイマーの設定時間(分) 60 タイマーの設定時間(分) 180 タイマーの設定時間(分) 360 0 10000 20000 30000 40000 0 1 2 3 4 誤 検知回数 [回 ] 温度の閾値[±℃] タイマーの設定時間(分) 1 タイマーの設定時間(分) 5 タイマーの設定時間(分) 10 タイマーの設定時間(分) 30 タイマーの設定時間(分) 60 タイマーの設定時間(分) 180 タイマーの設定時間(分) 360
