CN111034352B - 加热装置以及加热装置的异常探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的加热装置以及加热装置的异常探测方法，能够实现与被加热物的保温性相关的变化的探测。加热装置(100)包括：加热器(10)，对被加热物(1)进行加热；温度检测部(20)，对被加热物(1)的温度进行检测；以及温度调节部(30)，基于温度检测部(20)的检测值与目标温度来控制加热器(10)，以使被加热物(1)的温度成为目标温度。加热装置(100)求出系统增益从初始值计起的变动率来作为系统增益变动率，并根据所述系统增益变动率来求出被加热物(1)的保温性的变动率，所述系统增益是作为被加热物(1)的升温值相对于对加热器(10)的输入电力之比而求出。
Description
技术领域
本发明涉及一种加热装置，其包括对被加热物进行加热的加热器(heater)、对被加热物的温度进行检测的温度检测部、及控制加热器的温度调节部。而且，本发明涉及一种对加热装置的异常进行探测的方法。
背景技术
以往，作为加热装置的异常探测技术，提出有下述方法：基于温度控制环内的实际温度测量值与使用模型(model)而预测的温度预测值，来探测反馈系统的异常。例如在专利文献1中展示了下述方法：参照以阶跃响应(step response)为代表的控制的瞬变状态的行为，来进行控制对象的状态判定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利4481953号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如专利文献1所示，在基于产生瞬变状态时的反馈系统的行为来判定控制对象的状态的方法中，无法探测与被加热物的保温性相关的变化分别产生了何种程度。
因此，本发明的目的在于提供一种能够探测与被加热物的保温性相关的变化的加热装置以及加热装置的异常探测方法。
解决问题的技术手段
作为本揭示的一例的加热装置包括：加热器，对被加热物进行加热；温度检测部，对被加热物的温度进行检测；以及温度调节部，基于温度检测部的检测值与目标温度来控制加热器，以使被加热物的温度成为目标温度。并且，加热装置包括：系统增益变动率估算部，根据温度检测部的检测值来求出被加热物的升温值，求出被加热物的升温值相对于对加热器的输入电力之比即系统增益，并且求出系统增益从初始值计起的变动率来作为系统增益变动率；以及保温性变动率估算部，根据系统增益变动率来求出被加热物的保温性的变动率。
通过所述结构，能够实现与被加热物的保温性相关的变化的探测。
而且，本揭示的一例中，还包括：加热器电阻值变动率估算部，根据对加热器的施加电压及电流来求出加热器的电阻值，并且求出所述电阻值从初始值计起的变动率来作为加热器电阻值变动率，保温性变动率估算部根据系统增益变动率及加热器电阻值变动率来求出被加热物的保温性的变动率。
通过所述结构，能够实现加热装置的加热器的劣化、与被加热物的保温性相关的变化的探测。
而且，本揭示的一例中，还包括：加热器电压变动率估算部，求出对加热器的施加电压从初始值计起的变动率来作为加热器电压变动率，保温性变动率估算部根据系统增益变动率及加热器电压变动率来求出被加热物的保温性的变动率。
通过所述结构，能够实现施加至加热器的电压的变动、与被加热物的保温性相关的变化的探测。
而且，本揭示的一例中，还包括：加热器电压变动率估算部，求出对加热器的施加电压从初始值计起的变动率来作为加热器电压变动率，保温性变动率估算部根据系统增益变动率、加热器电阻值变动率及加热器电压变动率，来求出被加热物的保温性的变动率。
通过所述结构，能够实现加热装置的加热器的劣化、施加至加热器的电压的变动、与被加热物的保温性相关的变化的探测。
而且，本揭示的一例中，包括：保温性异常探测部，通过保温性变动率与针对保温性变动率的阈值的比较，来探测保温性的异常。通过所述结构，能够探测与被加热物的保温性相关的异常。
而且，本揭示的一例中，包括：加热器电阻值异常探测部，通过加热器电阻值变动率、与针对加热器电阻值变动率的阈值的比较，来探测加热器的电阻值的异常。通过所述结构，能够探测加热器的电阻值的异常。
而且，本揭示的一例中，包括：加热器电压异常探测部，通过加热器电压变动率、与针对加热器电压变动率的阈值的比较，来探测对加热器的施加电压的异常。通过所述结构，能够探测对加热器的施加电压的异常。
而且，作为本揭示的一例的加热装置的异常探测方法中，加热装置包括：加热器，对被加热物进行加热；温度检测部，对被加热物的温度进行检测；以及温度调节部，基于温度检测部的检测值与目标温度来控制加热器，以使被加热物的温度成为目标温度。并且，根据温度检测部的检测值来求出被加热物的升温值，求出被加热物的升温值相对于对加热器的输入电力之比即系统增益，并且求出所述系统增益从初始值计起的变动率来作为系统增益变动率，根据系统增益变动率来求出被加热物的保温性的变动率，并根据所述保温性的变动率是否超过阈值来探测加热装置的异常。
通过所述结构，能够实现与被加热物的保温性相关的变化、及加热装置的异常的探测。
发明的效果
根据本发明，能够实现与被加热物的保温性相关的变化的探测。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的加热装置100的结构的图。
图2的(A)是表示加热器10的内部结构的剖面图。图2的(B)、图2的(C)是表示加热器10的内部结构的放大剖面图。
图3的(A)、图3的(B)是表示对被加热物1进行加热的加热器10等的“松动”的示例的剖面图。
图4的(A)、图4的(B)是表示包覆温度检测部20的衬套(sleeve)的“松动”的示例的剖面图。
图5是表示伴随时间经过的、被加热物1的温度变化与加热器10的操作量变化的示例的图。
图6是表示作为系统增益变动率估算部的运算、作为加热器电阻值变动率估算部的运算、作为加热器电压变动率估算部的运算、及作为保温性变动率估算部的运算的内容的框图。
图7是表示加热装置100的异常状态的组合的图。
[符号的说明]
1：被加热物
10：加热器
10c：罩
10f：氧化膜
10i：绝缘体
10r：发热电阻线
20：温度检测部
20f：氧化膜
20s：衬套
30：温度调节部
31：电压-温度转换部
32：操作量-PWM转换部
33：操作量转换部
40：固态开关
50：加热器电源
60：加热器电压检测部
70：加热器电流检测部
100：加热装置
具体实施方式
以下，参照若干个图来说明用于实施本发明的方式。
·适用例
首先，一边参照图1，一边说明适用本发明的一例。图1是表示本发明的实施方式的加热装置100的结构的图。
如图1所示，本实施方式的加热装置100包括：加热器10，对被加热物1进行加热；温度检测部20，对被加热物1的温度进行检测；以及温度调节部30，基于温度检测部20的检测值与目标温度来控制加热器10，以使被加热物1的温度成为目标温度。
温度调节部30包括系统增益变动率估算部、加热器电阻值变动率估算部、加热器电压变动率估算部及保温性变动率估算部。系统增益变动率估算部根据温度检测部20的检测值来求出被加热物1的升温值，求出被加热物1的升温值相对于对加热器10的输入电力之比即系统增益，并且求出所述系统增益从初始值计起的变动率。加热器电阻值变动率估算部根据对加热器10的施加电压及电流来求出加热器10的电阻值，并且求出所述电阻值从初始值计起的变动率。加热器电压变动率估算部求出对加热器10的施加电压从初始值计起的变动率。并且，保温性变动率估算部根据系统增益变动率、加热器电阻值变动率及加热器电压变动率来求出被加热物的保温性的变动率。
·结构例
接下来，参照图来说明本发明的实施方式的加热装置的结构。如上所述，图1是表示本发明的实施方式的加热装置100的结构的图。
如图1所示，加热装置100包括：加热器10，对被加热物1进行加热；温度检测部20，对被加热物1的温度进行检测；温度调节部30，基于温度检测部20的检测值与目标温度来控制加热器10；固态开关(solid state switch)40；加热器电源50；电压检测部60，对加热器施加电压进行检测；以及电流检测部70，对流经加热器10的电流进行检测。被加热物1为金属等的成形体。图1为结构框图，因此被加热物1是概念性地绘制，但实际形状可适当决定。
被加热物1例如是对树脂进行加热以对物品进行包装的包装机的加热部。加热器10及温度检测部20被设于所述加热部。
温度调节部30包括：电压-温度转换部31，由温度检测部20的输出电压转换为温度信息信号；操作量-脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)转换部32，对固态开关40进行PWM控制；以及操作量转换部33。操作量转换部33为比例积分微分(Proportional IntegralDifferential，PID)控制器，基于由电压-温度转换部31所求出的温度信息与目标温度信息，通过PID控制而求出操作量。
而且，操作量转换部33进行作为所述系统增益变动率估算部的运算、作为所述加热器电阻值变动率估算部的运算、作为所述加热器电压变动率估算部的运算、及作为所述保温性变动率估算部的运算。关于这些运算，将在后文详述。
图2的(A)是表示加热器10的内部结构的剖面图。加热器10包含绝缘体10i、及埋设在所述绝缘体10i内的线圈状的发热电阻线10r。在初始状态下，如图2的(B)所示，发热电阻线10r被绝缘体10i覆盖，但因经年变化，如图2的(C)所示，会在发热电阻线10r的表面形成氧化膜10f，伴随于此，发热电阻线10r的通电部的直径变细。伴随如上所述的经年变化，当氧化膜10f变厚，发热电阻线10r的通电部变细时，最终有时会导致断线。
如图2的(A)、图2的(B)所示，加热器10因经年变化而加热器电阻值发生变动。即，从初始状态计起的变动率逐渐发生变化。而且，因所述加热器10的电阻值的变化，系统增益也会发生变动。
图3的(A)、图3的(B)是表示对被加热物1进行加热的加热器10等的“松动”的示例的剖面图。在正常时，如图3的(A)所示，在被加热物1的外周以密接状态卷绕有加热器(带状加热器)10。而且，在加热器10的外周，覆盖有包覆加热器10的罩10c。图3的(B)是在被加热物1的外周与加热器10之间产生了间隙，在加热器10与罩10c之间也产生了间隙的异常的示例。
如上所述，因加热器10的安装状态或罩的安装状态的变化“松动”，后文所示的系统增益发生变动。即，伴随加热装置的使用，系统增益有时会从初始状态发生变动。
图4的(A)、图4的(B)是表示包覆温度检测部20的衬套的“松动”的示例的剖面图。温度检测部20例如为热电偶。在正常时，如图4的(A)所示，温度检测部20的前端密接于衬套20s。图4的(B)是在温度检测部20的前端与衬套20s之间产生了间隙的异常的示例。
如上所述，因温度检测部20的安装部的状态变化“松动”，后文所示的系统增益发生变动。即，伴随加热装置的使用，系统增益有时会从初始状态发生变动。
图5是表示伴随时间经过的、被加热物1的温度变化与加热器10的操作量变化的示例的图。被加热物1伴随时间经过，从常温(初始温度)升温至目标温度(稳定温度)为止。另一方面，加热器10的操作量从100％开始，伴随时间经过而下降，并稳定为稳定操作量。
此处，若以ΔPV来表示(目标温度-常温)、以MV来表示稳定操作量，则系统增益为被加热物1的升温值相对于对加热器10的输入电力之比，因此系统增益K以下式表示。
K＝ΔPV/MV
图6是表示作为所述系统增益变动率估算部的运算、作为所述加热器电阻值变动率估算部的运算、作为所述加热器电压变动率估算部的运算、及作为所述保温性变动率估算部的运算的内容的框图。
此处，若以B来表示跟被加热物1与温度检测部20之间的热的传递系数相关的增益、以V来表示对加热器10的施加电压、以R来表示加热器10的电阻值，则系统增益K也以下式来表示。
K＝B×V2/R
若以V来表示加热器电压、以i来表示加热器电流，则加热器10的电阻值R以
R＝V/i
来求出。
若以K'来表示求出系统增益变动率的时间点的系统增益、以a来表示跟被加热物1与温度检测部20之间的热的传递系数相关的增益的变动率、以b来表示加热器电压的变动率、以c来表示加热器电阻值的变动率，则变动后的系统增益K'以下式来表示。
K'＝aB×(bV)2/cR
并且，若以K来表示初始的系统增益、以K'来表示求出系统增益变动率的时间点的系统增益，则系统增益变动率d以下式来表示。
d＝K'/K
＝ab2/c
并且，跟所述被加热物1与温度检测部20之间的热的传递系数相关的增益的变动率a可以说是被加热物1的保温性的变动率。因此，保温性的变动率a能够以下式来求出。
a＝cd/b2
图1所示的操作量转换部33的、作为加热器电阻值变动率估算部的运算如下。
若以R来表示加热器10的初始电阻值、以R'来表示求出加热器电阻值变动率的时间点的电阻值，则所述加热器电阻值变动率估算部根据
c＝R'/R
来求出加热器电阻值变动率c。
而且，作为所述加热器电压变动率估算部的运算如下。
若以V来表示对加热器10的初始施加电压、以V'来表示求出加热器电压变动率的时间点的电压，则所述加热器电压变动率估算部根据
b＝V'/V
来求出加热器电压变动率b。
并且，根据系统增益变动率d、加热器电阻值变动率c及加热器电压变动率b，来求出保温性的变动率a。
如图6所示，例如可知的是，若d＝0.5、c＝1.2、b＝0.9，则保温性的变动率a为0.74，即保温性下降了26％的状态。
图7是表示加热装置100的异常状态的组合的图。加热装置100有加热器10的电阻值异常、加热器电压异常、被加热物的保温性异常这三种异常，因此以它们的组合计有七种异常状态。
加热器10的电阻值在所述加热器电阻值变动率c为超过规定阈值的状态时，视为“异常”。例如，在c＞1.2时，视为加热器电阻值异常。
而且，加热器电压在所述加热器电压变动率b为超过规定阈值的状态时，视为“异常”。例如，在b＜0.9或b＞1.1时，视为加热器电压异常。
而且，保温性在所述保温性的变动率a为超过规定阈值的状态时，视为“异常”。例如，在a＜0.74时，视为保温性异常。
如上所述，无论哪种异常状态，均能个别地进行探测。
另外，在加热装置的特性(系统增益)变动，即，加热器电压、加热器电阻值、保温性等发生了变动的情况下，有可能因所述变动导致温度控制的性能发生劣化。但是，在所获得的加热器电压变动率、加热器电阻值变动率、保温性的变动率小的状态下，只要根据新的加热器电压、加热器电阻值及保温性来重新计算比例带(PID控制的P)，便能够维持温度控制性能。
最后，无须赘言，用于实施所述发明的方式的说明在所有方面仅为例示而非限制者。对于本领域技术人员而言可适当变形及变更。例如，本例中，对于用于异常探测的各参数，求出从初始值计起的变动量，但不需要固定将哪个时间点的值作为初始值。例如，也可将重新设定目标温度的时间点的系统增益定为系统增益的初始值，将此时间点的加热器的电阻值定为加热器电阻值的初始值，将此时间点的加热器电压定为加热器电压的初始值。
Claims (5)
1.一种加热装置，其包括：加热器，对被加热物进行加热；温度检测部，对所述被加热物的温度进行检测；以及温度调节部，基于所述温度检测部的检测值与目标温度来控制所述加热器，以使所述被加热物的温度成为所述目标温度，所述加热装置包括：
系统增益变动率估算部，根据所述温度检测部的检测值来求出所述被加热物的升温值，求出所述被加热物的升温值相对于所述加热器的输入电力之比即系统增益，并且求出所述系统增益从初始值计起的变动率来作为系统增益变动率；
加热器电阻值变动率估算部，根据对所述加热器的施加电压及电流来求出所述加热器的电阻值，并且求出所述电阻值从初始值计起的变动率来作为加热器电阻值变动率；
加热器电压变动率估算部，求出对所述加热器的施加电压从初始值计起的变动率来作为加热器电压变动率；以及
保温性变动率估算部，根据所述系统增益变动率、所述加热器电阻值变动率及所述加热器电压变动率来求出所述被加热物的保温性的变动率。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其包括：
保温性异常探测部，通过所述保温性变动率与针对所述保温性变动率的阈值的比较，来探测所述保温性的异常。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其包括：
加热器电阻值异常探测部，通过所述加热器电阻值变动率、与针对所述加热器电阻值变动率的阈值的比较，来探测所述加热器的电阻值的异常。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其包括：
加热器电压异常探测部，通过所述加热器电压变动率、与针对所述加热器电压变动率的阈值的比较，来探测对所述加热器的施加电压的异常。
5.一种加热装置的异常探测方法，所述加热装置包括：加热器，对被加热物进行加热；温度检测部，对所述被加热物的温度进行检测；以及温度调节部，基于所述温度检测部的检测值与目标温度来控制所述加热器，以使所述被加热物的温度成为所述目标温度，其中，
根据所述温度检测部的检测值来求出所述被加热物的升温值，求出所述被加热物的升温值相对于所述加热器的输入电力之比即系统增益，并且求出所述系统增益从初始值计起的变动率来作为系统增益变动率，
根据对所述加热器的施加电压及电流来求出所述加热器的电阻值，并且求出所述电阻值从初始值计起的变动率来作为加热器电阻值变动率，
求出对所述加热器的施加电压从初始值计起的变动率来作为加热器电压变动率，
根据所述系统增益变动率、所述加热器电阻值变动率及所述加热器电压变动率来求出所述被加热物的保温性的变动率，并根据所述保温性的变动率是否超过阈值来探测所述加热装置的异常。
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