JP2004005301A

JP2004005301A - ディジタル計装システム

Info

Publication number: JP2004005301A
Application number: JP2002161016A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 佐藤　隆史
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】従来のワンループコントローラでは、制御対象をパルス駆動するのに、電空ポジショナや電電ポジショナ等を必要とする。
【解決手段】ワンループコントローラ２１は、ソフトウェア構成またはハードウェア構成で、
ＳＶ値とＰＶ値が入力されることで、ＭＶ値として増または減の各１点のパルスを出力する手段と、増と減のパルス出力の切り替え時間を制御する手段と、設定された演算周期毎に演算を行い、ＭＶ値として幅制御したパルスを出力する手段とを備える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル計装システムに係り、特にワンループコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動制御系の構成を図９に示す。計装室に調節器１が設けられ、現場側には調節弁２が設けられ、調節弁２で流量制御される液体や気体の流量を検出器３で検出し、伝送器４を通して調節器１に検出流量（ＰＶ値）として伝送し、調節器１からは設定値ＳＶにＰＶ値を一致させるための操作信号（ＭＶ値）を調節弁２に伝送する。
【０００３】
この自動制御系で調節器１がワンループコントローラ（シングルループコントローラとも言う）である。ワンループコントローラは検出端から得る制御信号（ＰＶ値）として、通常、４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖのアナログ信号が伝送される。また、ワンループコントローラは、制御量を設定値（ＳＶ値）に近づけるように、一定の演算周期でＤＤＣ（ダイレクト・ディジタル・コントロール）演算を実行し、演算結果を、操作信号（ＭＶ値）として出力する。ＭＶ値は通常、４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖなどのアナログ信号で伝送される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１０にディジタル計装システムのプロセスインターフェースを示す。ディジタル化した監視操作部５と制御部６によってプロセス全体の監視制御を行うにおいて、プロセスインターフェースの入力部７では多数の検出器からの検出信号であるアナログ信号、パルス信号、ディジタル信号を監視信号として収集し、ディジタル化して監視操作部５や制御部６に入力する。
【０００５】
プロセスインターフェースの出力部８では、監視操作部５や制御部６からの設定値ＳＶが与えられることで、調節弁等を制御する多数のワンループコントローラを設け、設定値ＳＶとＰＶ値の入力により制御対象にＭＶ値を出力する。
【０００６】
ここで、プロセスインターフェースの出力部８は、その制御出力としてアナログ信号の他に、パルス信号、ディジタル信号に変換して出力する必要がある。しかし、現在、市場に出ている、ワンループコントローラの出力方式は、すべてアナログである。よって、開、閉指令で制御する調節弁を制御するには、調節弁側に電空ポジショナや電電ポジショナ等を設けている。
【０００７】
図１１は、パルス制御手段として電電ポジショナを使用した電子式コントロールバルブの例を示す。電電ポジショナ９はワンループコントローラから開度設定信号（アナログ値）が与えられ、ポテンショメータ１０から電動調節弁１１の開度検出値を取り込み、パルス出力を得て電動駆動部１２をパルス駆動する。
【０００８】
このように、ワンループコントローラがアナログ信号出力機能しかもたないため、制御対象をパルスやディジタル出力で制御するには、ワンループコントローラの出力変換手段としての電空ポジショナや電電ポジショナ等を必要とし、多くの制御対象を制御するディジタル計装システムでは、多数のポジショナを必要とし、設備のコストアップや大型化の問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題を解決したディジタル計装システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、ワンループコントローラに幅制御した制御量の増または減の各１点のパルス出力手段をもたせ、さらに増と減のパルス出力切り替え時間制御手段をもたせたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
（１）制御対象から検出されるＰＶ値を、制御対象に設定されるＳＶ値に一致させるために制御対象を操作するＭＶ値を出力するワンループコントローラを制御対象毎に備えたディジタル計装システムにおいて、
前記ワンループコントローラは、
前記ＳＶ値とＰＶ値が入力されることで、前記ＭＶ値として増または減の各１点のパルスを出力する手段と、
前記増と減のパルス出力の切り替え時間を制御する手段と、
設定された演算周期毎に、前記ＭＶ値として幅制御したパルスを出力する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）前記パルス出力の幅制御は、設定される最小パルス幅以上のパルスを出力できる構成としたことを特徴とする。
【００１３】
（３）前記パルス出力の切り替え時間制御は、前記ＭＶ値の演算結果が逆の増減方向になったときに現在出力中のパルスを即オフできる構成にしたことを特徴とする。
【００１４】
（４）前記パルス出力の切り替え時間制御は、パルス出力の最小オフ時間を設定できる構成にしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明におけるワンループコントローラの基本構成図である。
【００１６】
ワンループコントローラ２１は、ソフトウェア構成またはハードウェア構成のディジタル演算回路を内蔵し、少なくともカウンタ演算手段とその制御手段を内蔵し、ＳＶ値とＰＶ値が入力されることで、ＭＶ値として増または減の各１点のパルス出力機能、および増と減のパルス出力切り替え時間制御機能をもつ。
【００１７】
また、ワンループコントローラ２１は、設定された演算周期毎に演算を行い、出力結果（ＭＶ値）として幅制御したパルス出力機能をもつ。例えば、ワンループコントローラ２１は、設定された最小幅のパルス出力を得る。この最小パルス幅は、制御する調節弁が制御量の増／減の指令を受けて動作出来る最小の時間であり、最小パルス幅未満のパルス幅出力を出しても、機械（弁）が応答出来なくなるのを防止する。
【００１８】
この最小パルス幅の設定は、ＤＤＣモジュールの速度形ＰＩＤモジュールから設定できるようにして、最小パルス幅以上の出力を行うようにする。
【００１９】
以上の機能構成されるワンループコントローラにより、ディジタル計装システムには従来の電電ポジショナ等を不要にし、パルス制御を必要とする制御対象２２を直接に制御可能にすると共に、制御量のオーバシュート防止等を可能にする。以下にワンループコントローラのパルス出力方式の実施形態を説明する。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態では、以下の機能構成とする。
【００２１】
（１）１回の演算結果の出力が完了するまで、次の演算結果の出力を受け付けない（捨ててしまう）。例えば、１回目の演算で増方向３秒がカウンタ演算手段にセットされると、３秒の増パルスの出力がオフするまでに実行された演算結果は無視して捨ててしまう。
【００２２】
（２）現在パルスを出力していない時のみ、カウンタ演算手段に演算結果をセットする。
【００２３】
（３）この方式では、１回の演算結果が完了すると、必ず一旦パルス出力を復帰させる。
【００２４】
（４）制御量の増側出力中に減側出力結果が出ても、受け付けない。
【００２５】
本実施形態のタイムチャートを図２に示す。同図は、演算周期は５００ｍｓ、最小パルス幅出力１秒に設定された場合を示し、図示のように、１回目の演算結果が２．２ｓの増パルスの出力が終了するまで、２〜５回目の演算結果は無視する。また、９回目のスキャンで演算結果が逆方向（減方向）になっているが、同様に現在出力中の増パルスが終了するまで無視する。
【００２６】
本実施形態によれば、演算結果が増側や減側に変化するも、設定される最小パルス幅を確保したパルス出力を得ることができる。
【００２７】
（実施形態２）
本実施形態が実施形態１と異なる部分は、演算結果が増側から減側、又は減側から増側に移行したときの出力切り替え制御機能を持たせた部分である。
【００２８】
すなわち、実施形態１の方式では、増側のパルス出力中に減側の演算結果が出ても、増側のカウンタ演算手段にセットされたパルスの出力が終了するまで、減側に切り替わらない。本実施形態では、増側のパルス出力中に減側の演算結果が出たとき、即、増側のパルスの出力を停止する。
【００２９】
また、減側のパルス出力が開始されるまでの時間をローダ（パソコン）からワンループコントローラ本体に設定できる機能を持つ。これにより、応答性が良くなり、制御の行き過ぎ（オーバシュート）の防止と、増側⇔減側に切り替わる時のマグネット、機械の保護を容易に取ることが出来る。
【００３０】
本実施形態のタイムチャートを図３及び図４に示す。図３は、増側⇔減側の切り替え時間を０ｓに設定した場合であり、図４は切り替え時間を１．２ｓに設定した場合である。
【００３１】
（実施形態３）
本実施形態では、以下の機能構成とする。
【００３２】
（１）毎スキャン演算結果をパルス出力用のカウンタ演算手段にセットする。これにより、実施形態１、２よりもパルスが一旦オフする頻度を減らす。
【００３３】
（２）演算結果が０の時は、演算結果をパルス出力用のカウンタ演算手段にセットしない。
【００３４】
ＤＤＣモジュールの速度形ＰＩＤモジュールには、演算結果のＭＶ値が最小パルス幅に満たない場合は演算周期毎に積算し、最小パルス幅になったのち出力する機能がある。このため、演算結果が０の時は、パルス出力用のカウンタ演算手段に０をセットしないことにより最小パルス幅のパルス出力を保証できる。
【００３５】
（３）最小オフ時間をローダから設定可能とする。最小オフ時間とは、パルスがオフしてからオンするまでのオフ時間の最小値を保証する値である。これにより、マグネットや機械の保護を行う。設定範囲は、例えば０〜１０ｓで０．１秒単位の設定を可能とする。
【００３６】
（４）現在出力中のパルス（増側又は減側）の逆側の演算結果が出た場合、即、現在出力中のパルスをオフする。これにより、制御の行き過ぎ（オーバーシュート）を防止する。
【００３７】
逆側の演算結果は、最小オフ時間設定＝０の時は即出力され、０以外の時は最小オフ時間経過後の次スキャンの演算結果を出力する。
【００３８】
本実施形態のタイムチャートを図５〜図８に示す。図５は、最小オフ時間を０ｓに設定した場合であり、９回目のスキャンで演算結果が増側から減側に切り替わった為、出力中の増側パルスを即オフする。最小オフ時間設定が０ｓなので即、減側パルスの出力を開始する。
【００３９】
図６は、最小オフ時間を１．２ｓに設定した場合であり、４回目のスキャンで演算結果が増側から減側に切り替わった為、出力中の増側パルスを即オフする。最小オフ時間設定が１．２ｓなので１．２秒間は増／減パルスは両方ともオフとなる。１．２秒経過後、次スキャン（この例では７回目）の演算結果の出力を開始する。
【００４０】
図７は、最小オフ時間を１．０ｓに設定した場合で、演算周期よりも短い演算結果が出力された場合の例である。この場合、パルスがオフしてから最小オフ時間経過後の次の演算結果を受け付けて出力をする。
【００４１】
図８は、０ライト禁止の場合である。速度形ＰＩ調節モジュール（ＳＰＩ）には最小パルス幅の設定がある。最小パルス幅は機械の応答速度で決ってくるが通常１ｓ程度に設定することが多い。ＳＰＩはカレントＭＶが最小パルス幅に満たない場合は演算周期毎に積算し、最小パルス幅になった後、出力する機能を持つ。
【００４２】
演算結果をカウンタに上書きしてしまうと、上記の機能が正常に動作しなくなる。例えば、タイムチャートの７回目のスキャンで、１秒以下の演算結果が積算され、１秒の減側パルスが出力されると、１秒がカウンタ演算手段にセットされてパルス出力を開始するが、５００ｍｓ後の８回目スキャンの出力が０ｓとなった時、０を上書きすると、１ｓパルスは５００ｍｓ出力したところでオフになってしまう。
【００４３】
これを改善する為に、演算結果が０のときは上書きしない（０ライト禁止）で、演算結果が０以外のときは上書きする。
【００４４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、ワンループコントローラにパルス出力機能を持つことにより電電ポジショナ等が不要となる。
【００４５】
また、実施形態２，３では、演算結果（ＭＶ値）が逆方向（増側から減側、減側から増側）に切り替わった時、即、現在出力中のパルスをオフする。これにより、制御の応答性が良くなり、オーバーシュートを防止出来る。
【００４６】
また、実施形態３では、記述した方式により制御出力が頻繁にオン／オフしない。ワンループコントローラの出力は、一旦補助リレーやマグネットで受け、モータの開／閉を行うので、制御出力が頻繁にオン，オフすると、リレー、マグネットの耐久寿命の問題が出てくるが、実施形態３ではこれを改善出来る。
【００４７】
また、実施形態３では、最小オフ時間の設定が出来る。電動弁の駆動部には、多くの場合インダクションモータが使用され、起動時には定格の１．５〜２倍もの電流が流れる。モータの温度は電流の２乗に比例して上昇することから頻繁に起動停止を繰り返すと温度が上がり、許容最高温度を超える場合もあり得る。また、リレーやマグネットがオフしてすぐオンすると、アークを切る間に、オンすることが起きて、リレーやマグネットにダメージを与える。このような問題を最小オフ時間を設定出来る構成とすることによって解消する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるワンループコントローラの基本構成図。
【図２】本発明の実施形態１を示すパルス出力タイムチャート。
【図３】本発明の実施形態２を示すパルス出力タイムチャート。
【図４】本発明の実施形態２を示すパルス出力タイムチャート。
【図５】本発明の実施形態３を示すパルス出力タイムチャート。
【図６】本発明の実施形態３を示すパルス出力タイムチャート。
【図７】本発明の実施形態３を示すパルス出力タイムチャート。
【図８】本発明の実施形態３を示すパルス出力タイムチャート。
【図９】自動制御系の構成図。
【図１０】ディジタル計装システムのプロセスインターフェース。
【図１１】電電ポジショナを使用した電子式コントロールバルブの例。
【符号の説明】
１…調節器
２…調節弁
３…検出器
４…伝送器
５…監視操作部
６…制御部
７…プロセスインターフェース（入力側）
８…プロセスインターフェース（出力側）
９…電電ポジジョナ
１０…ポテンショメータ
１１…調節弁
１２…電動駆動部
２１…ワンループコントローラ
２２…調節弁

Claims

制御対象から検出されるＰＶ値を、制御対象に設定されるＳＶ値に一致させるために制御対象を操作するＭＶ値を出力するワンループコントローラを制御対象毎に備えたディジタル計装システムにおいて、
前記ワンループコントローラは、
前記ＳＶ値とＰＶ値が入力されることで、前記ＭＶ値として増または減の各１点のパルスを出力する手段と、
前記増と減のパルス出力の切り替え時間を制御する手段と、
設定された演算周期毎に、前記ＭＶ値として幅制御したパルスを出力する手段とを備えたことを特徴とするディジタル計装システム。
前記パルス出力の幅制御は、設定される最小パルス幅以上のパルスを出力できる構成としたことを特徴とする請求項１に記載のディジタル計装システム。
前記パルス出力の切り替え時間制御は、前記ＭＶ値の演算結果が逆の増減方向になったときに現在出力中のパルスを即オフできる構成にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のディジタル計装システム。
前記パルス出力の切り替え時間制御は、パルス出力の最小オフ時間を設定できる構成にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のディジタル計装システム。