CN106406077B - 致动器不良情况检测装置、控制装置及方法 - Google Patents

致动器不良情况检测装置、控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的致动器不良情况检测装置、控制装置及方法提高针对致动器的不良情况检测/不良情况预知功能。本发明的致动器不良情况检测装置包括：位置获取部(5)，其从检测与操作量MV相应的马达(10)的位置的编码器获取马达位置MP的值；跟随差算出部(6)，其算出操作量MV与马达位置MP的跟随差DM＝MV‑MP；以及容许范围判定部(7)，其根据操作量MV的变化率ΔMV、马达位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定马达(10)的高速动作或低速动作是否脱离了容许范围。

Description

致动器不良情况检测装置、控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可检测或预知马达或阀等致动器的不良情况的致动器不良情况检测装置、以及配备有致动器不良情况检测装置的控制装置。
背景技术
为了尽可能应对节能控制和高精度控制两方面的要求，开发有煤气燃烧炉与电炉的混合型热处理炉。该混合型热处理炉的动作如下。
(I)在从低温升温至高温时，作为能量方面较为有利的煤气燃烧炉进行动作。
(II)在升温后以高精度维持于一定温度时，作为响应性方面较为有利的电炉进行动作。
图5为表示混合型热处理炉中的温度控制系统的1例的图。在图5的例子中，在加热处理炉100的内部设置有电加热器101、煤气加热器102及温度传感器103。温度传感器103对由电加热器101或煤气加热器102加热的空气的温度PV进行测定。温度控制器104算出操作量MV以使得温度PV与设定值SP一致。电力调节器105将与操作量MV相应的电力供给至电加热器101。气体流量调节器106将与操作量MV相应的流量的煤气供给至煤气加热器102。如此，温度控制器104对加热处理炉100内的温度进行控制。
如上所述，在使加热处理炉100从低温升温至高温时，通过使用煤气流量调节器106和煤气加热器102，而作为能量方面较为有利的煤气燃烧炉进行动作。另一方面，在升温后将加热处理炉100的温度高精度地维持于一定值时，通过使用电力调节器105和电加热器101，而作为虽然能量效率比煤气燃烧炉差、但控制的响应性方面较为有利的电炉进行动作。
在专利文献1中，提出有一种将以上那样的混合型热处理炉从煤气模式迅速可靠地切换至电气模式的控制装置。
不仅仅是混合型热处理炉，利用燃烧的热处理炉或者利用燃烧的温度控制系统都进行了大量的改进尝试。在利用燃烧的温度控制系统中，为了控制煤气等燃料的流量，可调节流量的控制阀被用作煤气流量调节器。并且，用以使阀动作的马达位置变为作为PID运算的输出的操作量MV。
但是，由于马达为其动作速度受到限制的可动体，因此马达位置不一定会跟随实际由PID运算算出的操作量MV。在电加热器中，电流值基本无延迟地跟随操作量MV，这可以说是对比鲜明的部分。因而，为了确认马达位置跟随了操作量MV，马达反馈MFB被导入了调节器。操作量MV与马达反馈MFB在理论上为相同物理量，但现实中并不一致，在这个前提下，即便在监控中，两者也是被区别对待的。
此外，不仅仅是温度控制系统，在石油化工厂等中用于流量控制系统的控制阀(参考专利文献2)中，同样存在为了确认阀杆位置跟随了操作量MV而将位置反馈导入控制器侧的情况。即，同样的仪器配置构想得到广泛运用。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利特开2010-146331号公报
【专利文献2】日本专利特开平7-269505号公报
发明内容
【发明要解决的问题】
如上所述，由于马达或阀等是机械性可动体，因此也是有可能发生故障的控制系统构成零件。至少与普通电炉中的电加热器相比，应当视为容易发生包括突发性故障在内的不良情况的构成要素。此外，还有像煤气燃烧炉这样尤其处理较高温度的温度控制系统。进而，还有像石油化工厂这样尤其处理有可燃性/毒性的流体的流量控制系统。因而，在安全方面一直在寻求不良情况检测的提高和改善。
本发明是为了解决上述问题而成，其目的在于提供一种致动器不良情况检测装置、控制装置及方法，其可提高针对利用燃烧的温度控制系统中所利用的马达或者流量控制系统中所利用的阀等机械性可动体致动器的不良情况检测及不良情况预知功能。
【解决问题的技术手段】
本发明为一种致动器不良情况检测装置，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测装置的特征在于，包括：位置获取单元，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；跟随差算出单元，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及容许范围判定单元，其根据致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的高速动作是否脱离了容许范围。。
此外，本发明的致动器不良情况检测装置的1构成例的特征在于，所述容许范围判定单元在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM的绝对值|DM|大于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在所述上限DPH到DPH-α的范围内(α为规定值)。
此外，本发明的致动器不良情况检测装置的特征在于，包括：位置获取单元，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；跟随差算出单元，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及容许范围判定单元，其根据操作量MV的变化率ΔMV、致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的低速动作是否脱离了容许范围。
此外，本发明的致动器不良情况检测装置的1构成例的特征在于，所述容许范围判定单元在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM大致为0、下一操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|小于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|到|ΔMV|-β的范围内(β为规定值)。
此外，在本发明的致动器不良情况检测装置的1构成例中，所述致动器为马达。
此外，本发明的控制装置的特征在于，包括：操作量算出单元，其根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV并输出至致动器的操作部；以及致动器不良情况检测装置。
此外，本发明为一种致动器不良情况检测方法，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测方法的特征在于，包括：位置获取步骤，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；跟随差算出步骤，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及容许范围判定步骤，其根据致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的高速动作是否脱离了容许范围。
此外，本发明的致动器不良情况检测方法的特征在于，包括：位置获取步骤，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；跟随差算出步骤，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及容许范围判定步骤，其根据操作量MV的变化率ΔMV、致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的低速动作是否脱离了容许范围。
此外，本发明的控制方法的特征在于，包括：操作量算出步骤，其根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV并输出至致动器的操作部；以及位置获取步骤、跟随差算出步骤、容许范围判定步骤。
【发明的效果】
根据本发明，通过从位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值，算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM，并根据致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的高速动作是否脱离了容许范围，能以比以往高的准确度检测或预知致动器的不良情况。
此外，在本发明中，通过从位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值，算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM，并根据操作量MV的变化率ΔMV、致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的低速动作是否脱离了容许范围，能以比以往高的准确度检测或预知致动器的不良情况。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式的控制装置的构成的框图。
图2为表示本发明的实施方式的控制装置的动作的流程图。
图3为说明本发明的实施方式的容许范围判定部的动作的图。
图4为说明本发明的实施方式的容许范围判定部的其他动作的图。
图5为表示混合型热处理炉中的温度控制系统的1例的图。
具体实施方式
[发明的原理]
在利用PID运算的温度控制系统或流量控制系统等中，PID运算特有的性质被反映到操作量MV中。因而，发明者例如着眼于如下内容：若为正常跟随操作量MV的马达，则加入PID运算的性质来监视马达反馈MFB(马达位置MP)，由此能以更高准确度检测异常(故障)。
具体而言为与过渡状态下的马达跟随差DM＝MV-MP相对应的操作量变化率ΔMV或马达位置变化率ΔMP脱离容许范围这样的事例。即，在马达反馈MFB中观测到比操作量MV的高速动作(或高频率动作)高速(或高频率)的动作的事例、或者在马达反馈MFB中观测到比操作量MV的低速动作(或低频率动作)更极端低速(或低频率)的动作的事例等可用作马达的异常动作指标(故障动作指标)。此外，同样的原理也可运用于阀等其他致动器。
[实施方式]
图1为表示本发明的实施方式的控制装置的构成的框图。本实施方式是以马达作为不良情况检测的对象的例子，所述马达用以在利用燃烧的温度控制系统中使控制燃料的流量用的煤气流量调节器的控制阀动作。
控制装置包括：设定值获取部1，其获取设定值SP；控制量输入部2，其从测量仪器输入控制量PV；操作量算出部3，其通过PID控制运算，根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV；操作量输出部4，其将操作量MV输出至马达驱动器9；位置获取部5，其从检测与操作量MV相应的马达10的位置的编码器获取马达位置MP的值；跟随差算出部6，其算出操作量MV与马达位置MP的跟随差DM；容许范围判定部7，其根据操作量MV的变化率ΔMV、马达位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定马达10的高速动作或低速动作是否脱离了容许范围；以及判定结果输出部8，其输出容许范围判定部7的判定结果。
下面，对本实施方式的控制装置的动作进行说明。图2为表示控制装置的动作的流程图。
设定值SP(温度控制系统的情况下为温度设定值)由控制装置的操作人员等加以设定，并经由设定值获取部1而被输入至操作量算出部3(图2中的步骤S1)。
控制量PV(温度控制系统的情况下为温度测量值)由未图示的测量仪器(例如测量被加热物的温度的温度传感器)加以测量，并经由控制量输入部2而被输入至操作量算出部3(图2中的步骤S2)。
操作量算出部3通过公知的PID控制运算，根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV(图2中的步骤S3)。
操作量输出部4将操作量算出部3所算出的操作量MV输出至控制对象(图2中的步骤S4)。此处的操作量MV的实际的输出目标为马达驱动器9(操作部)。马达驱动器9以马达位置跟随所输入的操作量MV的方式控制马达10。
位置获取部5通过普通的马达反馈MFB的功能，从作为设置在马达10中的位置检测及反馈机构的编码器(未图示)获取表示马达10的转动角度位置的马达位置MP的值(图2中的步骤S5)。再者，在本实施方式中，马达位置MP如下：马达10在不到转动1圈的角度范围内转动至与操作量MV相应的转动角度位置，编码器检测马达10的转动角度位置，并使用0～100％的值来表现检测到的转动角度位置。因而，若马达10正确地跟随了操作量MV，则操作量MV与从该操作量MV的输出起经过延迟时间(由马达和马达的控制系统决定的延迟时间，比后文叙述的控制周期dT短)后的马达位置MP的值一致。
接着，跟随差算出部6像下式那样算出操作量MV与马达位置MP的跟随差DM(图2中的步骤S6)。
DM＝MV-MP···(1)
容许范围判定部7根据操作量变化率ΔMV、马达位置变化率ΔMP及跟随差DM来判定马达10的高速(高频率)动作是否脱离了容许范围、以及马达10的低速(低频率)动作是否脱离了容许范围(图2中的步骤S7)。
下面说明典型的例子。图3为说明容许范围判定部7的动作的图，是表示马达10发生了异常时的操作量MV和马达位置MP的变化的1例的图。马达位置MP的变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|存在根据马达10的性能而预先规定的上限DPH，具有如下性质：在跟随差DM的绝对值|DM|大于上限DPH的情况(作为操作量MV的变化率ΔMV发生了高速(高频率)的变化的结果而发生的状况)下，接着观测的马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|与上限DPH大致一致。
因而，若跟随差DM的绝对值|DM|大于上限DPH的状况下所观测的马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在上限DPH到DPH-α的范围内，则容许范围判定部7判定马达10发生了某些异常(步骤S7)。
IF|DM(t-1)|＞DPH AND|ΔMP(t)|＜DPH-α
THEN发生异常···(2)
IF|DM(t-1)|＞DPH AND|ΔMP(t)|＞DPH
THEN发生异常···(3)
α为预先规定的微小值(α＜DPH)。由于马达位置变化率ΔMP是针对机械性机构的动作的实测值，因此优选事先考虑马达内的转子等的转动不足误差这样的不同于异常的微小误差，从而对应于该微小误差的估计而规定α。由于控制装置是以控制周期dT进行动作，因此在观测到时刻(t-1)的跟随差DM(t-1)的绝对值|DM(t-1)|大于上限DPH的状况的情况下，马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的判定是在从时刻(t-1)起控制周期dT后的时刻t的时机、针对时刻t的马达位置变化率ΔMP(t)的绝对值|ΔMP(t)|而进行。
接着，展示典型的其他例子。图4为说明容许范围判定部7的其他动作的图，是表示马达10发生了异常时的操作量MV和马达位置MP的变化的1例的图。具有如下性质：在跟随差DM大致为0、且接着观测的操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|小于上限DPH的情况(操作量变化率ΔMV发生了低速(低频率)的变化的状况)下，进一步接着观测的马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|与操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|大致一致。
因而，若在跟随差DM大致为0且操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|小于上限DPH的状况下所观测的马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|到|ΔMV|-β的范围内，则容许范围判定部7判定马达10发生了某些异常(步骤S7)。
IF DM(t-2)≒0.0AND|ΔMV(t-1)|＜DPH AND|ΔMP(t)|＜|ΔMV(t-1)|-β
THEN发生异常···(4)
IF DM(t-2)≒0.0AND|ΔMV(t-1)|＜DPH AND|ΔMP(t)|＞|ΔMV(t-1)|
THEN发生异常···(5)
β为预先规定的微小值(β＜|ΔMV|)。由于马达位置变化率ΔMP(t)是针对机械性机构的动作的实测值，因此优选事先考虑马达内的转子等的转动不足误差这样的不同于异常的微小误差，从而对应于该微小误差的估计而规定β。所谓跟随差DM大致为0，是指跟随差DM处于以0为中心的规定范围0±γ(γ为预先规定的微小值)内。关于γ，也以与α或β相同的方式规定即可。如上所述，由于控制装置是以控制周期dT进行动作，因此在观测到时刻(t-2)的跟随差DM(t-2)的绝对值|DM(t-2)|大致为0的状况的情况下，操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|的判定是在从时刻(t-2)起控制周期dT后的时刻(t-1)的时机、针对时刻(t-1)的操作量变化率ΔMV(t-1)的绝对值|ΔMV(t-1)|而进行，进而，马达位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的判定是在从时刻(t-1)起控制周期dT后的时刻t的时机、针对时刻t的马达位置变化率ΔMP(t)的绝对值|ΔMP(t)|而进行。
判定结果输出部8输出容许范围判定部7的判定结果(图2中的步骤S8)。作为此时的输出方法，例如有显示判定结果等，此外，也可将判定结果的数据输出至外部。此外，也可为在式(2)～式(5)不成立而判定马达10无异常的情况下不输出判定结果，仅在判定马达10发生了异常的情况下输出警报。作为警报的输出方法，例如有显示告知马达10的异常的消息、或者使警报通知用LED闪烁或点亮等方法。以上那样的判定结果的输出功能可作为用以检测或预知马达10的不良情况的警报功能而有效利用。
控制装置按每一控制周期dT执行图2中的步骤S1～S8的处理直至例如按照操作人员的指示结束控制为止(图2中的步骤S9中的“是”)。
再者，在本实施方式中，对成为不良情况检测的对象的致动器为马达的情况进行了说明，但并不限于此，对其他致动器例如流量控制系统的阀也可运用本发明。在使用空气作动式的阀作为致动器的情况下，作为操作量MV的输出目标的操作部为将操作量MV转换为气压信号的电空转换器。在使用电气作动式的阀作为致动器的情况下，作为操作量MV的输出目标的操作部为驱动阀的马达的马达驱动器。
只要将图1、图2的说明中的“马达”替换为“致动器”或“阀”，就可将本实施方式的控制装置的构成和动作直接运用于阀。也就是说，阀(或定位器)配备有检测并反馈阀开度位置的位置检测及反馈机构。阀以达到与操作量MV相应的开度位置的方式加以驱动，位置检测及反馈机构检测阀的开度位置，并使用0～100％的值来表现检测到的开度位置的参数就是致动器位置MP。若阀正确地跟随了操作量MV，则操作量MV与致动器位置MP的值一致。若阀正确地跟随了操作量MV，则操作量MV与从该操作量MV的输出起经过延迟时间(由阀和阀的控制系统决定的延迟时间，比控制周期dT短)后的致动器位置MP的值一致。通过以上内容明确到，可将本发明运用于阀。
本实施方式中说明过的控制装置可通过配备有CPU(Central Processing Unit(中央处理单元))、存储装置及接口的计算机以及控制这些硬件资源的程序来实现。CPU按照存储装置中所存储的程序来执行本实施方式中说明过的处理。
此外，在本实施方式中，是在控制装置的内部设置由位置获取部5、跟随差算出部6、容许范围判定部7及判定结果输出部8构成的致动器不良情况检测装置，但也可将致动器不良情况检测装置设置在控制装置的外部。在该情况下，构成致动器不良情况检测装置的计算的CPU按照该电脑的存储装置中所存储的程序来执行本实施方式中说明过的处理。
【工业上的可利用性】
本发明可运用于检测或预知致动器的不良情况的技术。
符号说明
1 设定值获取部
2 控制量输入部
3 操作量算出部
4 操作量输出部
5 位置获取部
6 跟随差算出部
7 容许范围判定部
8 判定结果输出部
9 马达驱动器
10 马达。

Claims (10)

1.一种致动器不良情况检测装置，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测装置的特征在于，包括：
位置获取单元，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；
跟随差算出单元，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及
容许范围判定单元，其根据致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的高速动作是否脱离了容许范围，
所述容许范围判定单元在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM的绝对值|DM|大于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在所述上限DPH-α到所述上限DPH的范围内，其中，α为规定值。
2.根据权利要求1所述的致动器不良情况检测装置，其特征在于，
所述致动器为马达。
3.一种致动器不良情况检测装置，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测装置的特征在于，包括：
位置获取单元，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；
跟随差算出单元，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及
容许范围判定单元，其根据操作量MV的变化率ΔMV、致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的低速动作是否脱离了容许范围，
所述容许范围判定单元在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM大致为0、下一操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|小于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|-β到绝对值|ΔMV|的范围内，其中，β为规定值。
4.根据权利要求3所述的致动器不良情况检测装置，其特征在于，
所述致动器为马达。
5.一种控制装置，其特征在于，包括：
操作量算出单元，其根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV并输出至致动器的操作部；以及
根据权利要求1至4中任一项所述的致动器不良情况检测装置。
6.一种致动器不良情况检测方法，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测方法的特征在于，包括：
位置获取步骤，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；
跟随差算出步骤，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及
容许范围判定步骤，其根据致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的高速动作是否脱离了容许范围，
所述容许范围判定步骤在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM的绝对值|DM|大于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在所述上限DPH-α到所述上限DPH的范围内，其中，α为规定值。
7.根据权利要求6所述的致动器不良情况检测方法，其特征在于，
所述致动器为马达。
8.一种致动器不良情况检测方法，其检测根据输出自控制装置的操作量MV而被驱动的致动器的不良情况，该致动器不良情况检测方法的特征在于，包括：
位置获取步骤，其从检测与操作量MV相应的致动器的位置的位置检测及反馈机构获取致动器位置MP的值；
跟随差算出步骤，其算出操作量MV与致动器位置MP的跟随差DM＝MV-MP；以及
容许范围判定步骤，其根据操作量MV的变化率ΔMV、致动器位置MP的变化率ΔMP以及跟随差DM来判定致动器的低速动作是否脱离了容许范围，
所述容许范围判定步骤在如下情况下判定致动器发生了异常：在所述跟随差DM大致为0、下一操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|小于所述致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|的上限DPH的状况下，所观测的致动器位置变化率ΔMP的绝对值|ΔMP|不在操作量变化率ΔMV的绝对值|ΔMV|-β到绝对值|ΔMV|的范围内，其中，β为规定值。
9.根据权利要求8所述的致动器不良情况检测方法，其特征在于，
所述致动器为马达。
10.一种控制方法，其特征在于，包括：
操作量算出步骤，其根据设定值SP和控制量PV来算出操作量MV并输出至致动器的操作部；以及
根据权利要求6至9中任一项所述的位置获取步骤、跟随差算出步骤、容许范围判定步骤。
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