JP2010007937A

JP2010007937A - 加熱炉制御装置

Info

Publication number: JP2010007937A
Application number: JP2008167089A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Fujii; 憲三藤井; Haruna Tanaka; 春奈田中; Kenji Takeuchi; 健史竹内
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP5314946B2

Abstract

【課題】加熱炉の安全を確保しつつ、応答性を向上させることで、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制することができる。
【解決手段】加熱炉１０内の酸素濃度とドラフト圧に基づき、ダンパー１１を操作することで加熱炉への空気量を調節し、加熱炉１０をフィードバック制御する加熱炉制御装置１であって、目標値となる酸素濃度と計測された酸素濃度との偏差に基づき、ダンパー１１に入力される操作量を演算する第一のＰＩＤ演算部２０と、目標値となるドラフト圧と計測されたドラフト圧との偏差に基づき、ダンパー１１に入力される操作量を演算する第二のＰＩＤ演算部３０と、所定の条件に基づき、各演算部２０，３０で演算されたいずれかの操作量を、ダンパー１１に入力される操作量として選択する選択部４０と、を備える構成としてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉を制御する加熱炉制御装置に関し、炉内の酸素濃度と炉圧に基づき、ダンパー等の操作端を操作することで加熱炉への空気量を調節する加熱炉制御装置に関する。

ボイラー等の加熱炉においては、爆裂などの異常状態を防止するために排ガス圧（ドラフト圧）などの炉圧を計測し、大気圧より負圧に制御しつつ、被加熱体を加熱するようになっている。
また、加熱炉では、炉内の酸素濃度（Ｏ_２）を計測し、燃料量や流入する空気量を制御することで、空燃比を適正な状態に保ち、不完全燃焼や、酸素過剰によるＮＯｘなどの窒素酸化物の発生を抑制するとともに、燃料費を節減するようになっている。
このような加熱炉を制御する方法として、例えば、排ガス中の酸素濃度と一酸化炭素濃度を計測して、空燃比制御と炉圧制御を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開昭５５−１５５１８４号公報

近年における加熱炉の制御は、炉圧（ドラフト圧）に基づく制御を二次ループとし、酸素濃度（Ｏ_２）に基づく制御を一次ループとしたカスケード制御が一般的である。
通常、実施されている加熱炉の制御構成を図４に示す。
図４に示すように、加熱炉１０には、加熱炉への空気量を制御するダンパー１１と、加熱炉１０に燃焼ガスを供給する燃焼ガスライン１２と、燃焼ガスの流量を計測する流量計１２ａと、被加熱体である所定の流体等を炉内に送入する供給ライン１３と、その流体等の流量を計測する流量計１３ａと、加熱された被加熱体を送出する排出ライン１４と、加熱された被加熱体の温度を測定する温度計１４ａと、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計１５ａと、排ガス圧（ドラフト圧）を計測するドラフト圧力計１６ａなどが設置されている。
そして、設定された目標値である酸素濃度ＳＶと酸素濃度計１５ａによって計測された酸素濃度との偏差に基づき、ドラフト圧力計１６ａによって計測されるドラフト圧に対し目標値を演算するＰＩ（比例積分）演算部１５と、ＰＩ演算部１５からの目標値とドラフト圧力計１６ａによって計測されたドラフト圧との偏差に基づき、ダンパー１１を操作する操作量を演算するＰＩ演算部１６など、加熱炉１０を制御する加熱炉制御装置１が設けられている。

このように通常の加熱炉制御装置１では、ドラフト圧に基づく制御を二次ループとし、酸素濃度に基づく制御を一次ループとしたカスケード制御となっている。これにより、加熱炉内を負圧に保ち、安全確保を最優先とすることができるため、広く普及している。
そして、このような加熱炉制御装置１では、目標値と計測されたドラフト圧と酸素濃度との偏差に基づき、ダンパー１１を制御することで、変化する被加熱体の負荷や燃焼ガス量、外気からの空気の侵入等の外乱に対して、炉内の燃焼状態を適正に保持するようになっている。

ところが、実際の酸素濃度計１５ａとドラフト圧力計１６ａの計測データの時間的な推移を調べてみると、このようなカスケード制御が有効に機能していないことがわかる。
酸素濃度計１５ａとドラフト圧力計１６ａで計測された計測データの時間的な変動の推移を図５に示す。同図において、実線は、ドラフト圧を示し、一点鎖線は、酸素濃度を示している。
同図から明らかなように、外乱等により加熱炉への空気量が変動した場合、この変動がドラフト圧の変化として検出されるよりも、酸素濃度の変化として検出されるほうが速いことがわかる。
例えば、同図において、ａ−ｂ及びｃ−ｄ間は、約３分の間隔があり、空気量の変動が、酸素濃度の変化として現れるほうが速いことがわかる。
本来カスケード制御においては、応答が速い制御を二次ループとすることで、時定数やむだ時間などの時間遅れを小さくすることを目的としているが、実際には、応答の遅いドラフト圧に基づく制御を二次ループとしている。
その結果、カスケード制御による効果を享受することがなく、かえって制御効率を悪化させていた。
また、同図におけるドラフト圧の変動と酸素濃度の変動は、強い相関性を有していることがわかる。
すなわち、ドラフト圧の変動と酸素濃度の変動は、位相と振幅が異なるだけで、変動の推移はほぼ同じである。
以上のことから、応答の速い酸素濃度の変化に基づいてダンパー制御をすべきであることがわかる。

また、図６に、通常の運転状態におけるダンパー１１の開度に対し計測された酸素濃度とドラフト圧の変化を示す。
同図に示す○印は、ドラフト圧の計測データを示し、△印は、酸素濃度の計測データを示す。
同図から明らかなように、酸素濃度は、ダンパー１１の開度に対して、相関関係（ダンパー１１を開くと、酸素濃度が増加する傾向）を有しているが、ドラフト圧は、本来ダンパー１１を開くと、圧力が低下する傾向を示すはずであるが、ダンパー１１の開度に対して、明確な相関関係が見当たらない。
この結果を考察すると、ドラフト圧は、炉外からの空気の侵入などの外乱の影響を受け、これによるノイズを拾っていると考えられる。

このように、通常の加熱炉制御装置では、外乱の影響を受け易いドラフト圧力による制御を重視した結果、二次ループ側のゲインを低めに設定せざるを得ず、これに伴い酸素濃度に基づく制御における一次ループ側のゲインも低下し、制御効率を悪化させていた。
さらに、このような影響から炉内の酸素濃度の制御精度が悪化し、計測される酸素濃度も高い状態で制御されていた。これにより、過剰酸素による窒素酸化物の発生も懸念されるとともに、空燃比を適正な状態に保つための燃料ガスの供給も増え、燃料コストを増大させる要因にもなっていた。
しかしながら、加熱炉の保圧は、安全面上必要不可欠であるため、炉圧の監視によるドラフト圧制御は、軽視できるものではない。

本発明は、上述したような、加熱炉において計測される酸素濃度と炉圧の応答特性の違いに着目して提案されたものであり、通常時には、酸素濃度に基づく制御となることで、応答性を向上させ、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制するとともに、炉圧異常時には、ドラフト圧力に基づく制御となることで、加熱炉の安全を確保する加熱炉制御装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の加熱炉制御装置は、制御対象である加熱炉内の酸素濃度と炉圧に基づき、所定の操作端を操作することで前記加熱炉への空気量を調節し、前記加熱炉をフィードバック制御する加熱炉制御装置であって、目標値となる酸素濃度と計測された酸素濃度との偏差に基づき、前記操作端に入力される操作量を演算する第一の演算部と、目標値となる炉圧と計測された炉圧との偏差に基づき、前記操作端に入力される操作量を演算する第二の演算部と、所定の条件に基づき、前記各演算部で演算されたいずれかの操作量を、前記操作端に入力される操作量として選択する選択部と、を備える構成としてある。

本発明の加熱炉制御装置によれば、加熱炉の安全を確保しつつ、応答性を向上させることで、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制することができる。

以下、本発明に係る加熱炉制御装置の好ましい実施形態について、図を参照して説明する。
[第一実施形態]
図１は、本実施形態に係る加熱炉制御装置のブロック線図であり、図２は、本実施形態に係る操作端であるダンパーに入力される操作量と計測される制御量との入出力特性を示す図である。

本実施形態に係る加熱炉制御装置１は、図４に示した加熱炉１０と同様な加熱炉を制御する加熱炉制御装置１である。
従って、加熱炉１０に設置された流量計１２ａ，１３ａ、温度計１４ａ、炉内の酸素濃度を計測する酸素濃度計１５ａ、炉圧を計測するドラフト圧力計１６ａ、各種ライン１２，１３，１４は、前述した加熱炉１０に設置されたものと同一となっている。
なお、本実施形態で使用する酸素濃度計１５ａは、特に、応答特性の速いジルコニア式の酸素濃度計としてある。
そして、本実施形態の加熱炉制御装置１は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどの記憶手段、Ｉ／Ｏ等を有するコンピュータで構成され、図１に示すように、前述した炉圧であるドラフト圧に基づく制御と酸素濃度に基づく制御をカスケード接続とせず、各々独立した二つのフィードバック制御によって、一つの操作端であるダンパー１１を制御する、所謂オーバーライド制御を行うようになっている。

具体的には、同図に示すように、下段側のフィードバック制御は、酸素濃度計１５ａによって計測された酸素濃度の制御量ＰＶ１と、あらかじめ設定された酸素濃度の目標値ＳＶ１との偏差Ｅ１に基づいて、ダンパー１１を制御する制御ループで構成され、上段側のフィードバック制御は、炉圧であるドラフト圧を計測するドラフト圧力計１６ａによって計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２と、あらかじめ設定されたドラフト圧の目標値ＳＶ２との偏差Ｅ２に基づいて、ダンパー１１を制御する制御ループで構成されている。
各フィードバック制御には、目標値から計測された制御量を減算し、偏差を算出する減算部１８，１９と、算出された偏差に基づき、ダンパー１１に入力する操作量を演算するＰＩＤ演算部２０，３０と、所定の条件に基づき、ＰＩＤ演算部２０，３０で算出された操作量のうちいずれかの操作量を選択する選択部４０と、選択された操作量に、ダンパー１１が有する入出力特性から特定される操作量を加算してダンパー１１に入力する加算出力部５０が設けられている。

詳細には、減算部１８，１９は、各目標値ＳＶ１，ＳＶ２から計測された制御量ＰＶ１，ＰＶ２を減算し、各フィードバック制御における偏差Ｅ１，Ｅ２を算出する。
そして、算出された偏差Ｅ１，Ｅ２に基づき、各フィードバック制御に対応して設けられた比例積分微分演算処理を行う第一の演算部であるＰＩＤ演算部２０及び第二の演算部であるＰＩＤ演算部３０が、ダンパー１１に入力する操作量を算出するようになっている。

ここで、目標値ＳＶ２は、炉圧が大気圧に対して高圧異常とならないように監視する圧力管理値として、通常の運転状態におけるドラフト圧（例えば、−０．０１ｋＰａ〜０．０ｋＰａ）より高い値（例えば、０．０１ｋＰａ）に設定されている。そのため、加熱炉１０の運転開始時（加熱炉制御装置１の電源投入時）では、計測される制御量ＰＶ２が、目標値ＳＶ２より低いことから、ＰＩＤ演算部３０は、ダンパー１１を閉じる方向の操作量（操作量が小さくなる）を出力する（本来ドラフト圧とダンパー開度との関係は、図６の酸素濃度とダンパー開度との関係と、交差し、傾きが逆となるため）。
一方、目標値ＳＶ１は、最適な酸素濃度となる値（例えば、１．０％）に設定されている。この目標値ＳＶ１は、加熱炉１０の運転開始時（加熱炉制御装置１の電源投入時）で計測される制御量ＰＶ１とほぼ一致している。ＰＩＤ演算部２０は、制御量ＰＶ１を目標値ＳＶ１に追従させるため、ダンパー１１を一定に開いて制御する操作量（例えば、ダンパー開度４６〜４８％程度）を出力する（図６参照）。

次に、各ＰＩＤ演算部２０，３０からの出力は、選択部４０に入力される。
選択部４０では、各ＰＩＤ演算部２０，３０からの操作量を比較し、大きい操作量をダンパー１１に入力される操作量として選択するようになっている。すなわち、選択部４０はハイセレクタ（ＨＳＳ）として機能する。
上述したように、加熱炉１０の運転開始時では、ＰＩＤ演算部３０は、ダンパー１１を閉じる方向の操作量（操作量が小さくなる）を出力し、一方のＰＩＤ演算部２０はダンパー１１に一定の操作量を出力し、このときの各操作量は、ＰＩＤ演算部２０からの操作量のほうが、ＰＩＤ演算部３０からの操作量より大きい値となるように設定されている。
その結果、選択部４０は、加熱炉１０の運転開始後、ＰＩＤ演算部２０からの操作量を選択する。そうすると、ＰＩＤ演算部３０からの出力は選択されないことから、ＰＩＤ演算部３０の積分動作が作用し、ＰＩＤ演算部３０からの出力はゼロとなる。これにより、通常の運転状態では、常にＰＩＤ演算部２０からの操作量のほうが、ＰＩＤ演算部３０からの操作量より大きいことになる。このため、選択部４０は、通常の運転状態で、ＰＩＤ演算部２０で演算された操作量、すなわち、酸素濃度の制御ループに基づく操作量を選択するようになっている。

一方、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２がこの圧力管理値と比較して高くなると、選択部４０は、ＰＩＤ演算部３０で演算された操作量、すなわち、ドラフト圧の制御ループに基づく操作量を選択する。
具体的には、例えば、酸素濃度計１５ａが目標値ＳＶ１より高い値を示した状態で故障した場合は、ＰＩＤ演算部２０が、ダンパー１１を閉じる方向の操作量（ダンパー１１の開度をゼロに近づける）を出力するため、炉圧が上昇する。その結果、炉圧がさらに上昇し、圧力管理値として設定された目標値ＳＶ２を超えると、制御量ＰＶ２を目標値ＳＶ２に追従させるため、ＰＩＤ演算部３０は、ダンパー１１を開く方向の操作量を出力することから、操作量が逆転する状態が発生する。
選択部４０は、このような状態になると、ＰＩＤ演算部３０で演算された操作量、すなわち、ドラフト圧の制御ループに基づく操作量を選択する。

このように、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２がこの圧力管理値（目標値ＳＶ２）に満たない通常の運転状態のときには、ＰＩＤ演算部３０からの操作量はゼロとなり、ドラフト圧の制御量ＰＶ２が圧力管理値（目標値ＳＶ２）を超えたときには、偏差Ｅ２に応じた操作量が演算されるようになっている。
これにより、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２が圧力管理値を超えない限り、ＰＩＤ演算部３０からの操作量は選択されることはなく、炉圧の異常状態でない通常状態では、自ずと酸素濃度の制御ループにおけるＰＩＤ演算部２０からの操作量が選択され、酸素濃度に基づく制御となる。

そして、このＰＩＤ演算部２０からの出力に基づき、後述の加算出力部５０を介して、ダンパー１１に操作量ＭＶが入力され、外乱等で発生した偏差ＳＶ１が抑えられる。
また、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２がこの圧力管理値に満たないような加熱炉１０が通常の運転状態では、ドラフト圧の制御ループは、実質ほとんど動作しないようになっている。言い換えると、通常の運転状態で想定できる範囲の外乱に対しては、応答が速く、かつ、ダンパー１１の開度との相関性を有する酸素濃度に基づく制御を行うことができるため（図５及び図６参照）、精度のよい安定した運転状態を維持することができる。
これにより、酸素濃度を低く抑えることができ、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制することができる。

一方、ドラフト圧が大きく変動し、ドラフト圧が大気圧に対して異常に高圧となる異常状態となった場合、すなわち、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２が、圧力管理値に対して、高くなった場合には、入力された偏差Ｅ２に応じた操作量が、ＰＩＤ演算部３０において算出される。
そして、選択部４０において、操作量の大きいＰＩＤ演算部３０からの操作量が選択され、この操作量に基づき、加算出力部５０を介して、ダンパー１１に操作量が入力され、異常状態で発生した偏差Ｅ２が抑えられ、加熱炉１０内圧が保全される。

また、選択部４０をハイセレクタ（ＨＳＳ）とするとともに、ＰＩＤ演算部２０からの操作量のほうが、ＰＩＤ演算部３０からの操作量より大きい値となるように目標値ＳＶ２を、通常の運転状態におけるドラフト圧より高い値に設定するだけで、通常の運転状態では、優先的に酸素濃度に基づく制御となり、炉圧異常状態では、ドラフト圧に基づく制御に切り替えることができる。
これにより、複雑な制御を必要とすることなく、簡易な構成で、効率的な制御を行うことができる。
なお、酸素濃度計１５ａが目標値ＳＶ１より低い値を示した状態で故障した場合は、ＰＩＤ演算部２０が、ダンパー１１を開く方向の操作量を出力し、炉圧が低下するため、問題が生じることはない。

また、選択部４０は、各ＰＩＤ演算部２０，３０からの操作量の大小に拘わらず、計測されたドラフト圧の制御量ＰＶ２が、圧力管理値に対して高くなり、入力された偏差Ｅ２に基づき、ＰＩＤ演算部３０においてゼロとならない操作量が算出された場合には、ＰＩＤ演算部３０からの操作量を選択するようにしてもよい。これにより、大気圧に対して炉圧が高圧異常となるような異常状態のときには、ドラフト圧に基づく制御となるため、加熱炉１０内圧が保全される。
上記のような条件に基づき、各ＰＩＤ演算部２０，３０で演算されたいずれかの操作量を、ダンパー１１に入力される操作量として選択する選択部４０を設けることで、応答が速く、かつ、ダンパー１１の開度との相関性を有する酸素濃度と、応答が遅いドラフト圧との応答特性の差異に応じて、通常状態では、酸素濃度に基づく、細やかで応答性の良い効率的な制御を行うことができ、異常状態においては、加熱炉１０の安全を確保した制御を行うことができる。

そして、このように選択部４０で選択された操作量が、加算出力部５０に入力される。
加算出力部５０では、各ＰＩＤ演算部２０，３０で演算された操作量に、ダンパー１１が有する、ダンパー１１に入力される操作量と出力として計測される制御量との入出力特性に基づいて特定される差分の操作量を、加算してダンパー１１に出力する。

具体的には、図２に示すように、例えば、ＰＩＤ演算部２０で演算する場合、ダンパー１１に入力される操作量（ダンパー開度）に対して、出力される制御量ＰＶ（酸素濃度）は、一点鎖線に表すように、線形性を有している。
しかしながら、実際には、実線に示すように、ダンパー１１に入力される操作量に対する、出力として酸素濃度計１５ａにおいて計測される制御量ＰＶは、非線形の関係となっている。
そのため、計測された制御量ＰＶ１（ｎー１）のときのダンパー１１の操作量をＶｐ（ｎ−１）とし、目標値をＰＶ１（ｎ）とした場合、この操作量Ｖｐ（ｎ−１）と、ＰＩＤ演算部２０で演算される、目標値ＰＶ１（ｎ）に対するダンパー１１の操作量Ｖｐ（ｎ）との差分（Ｖｐ（ｎ）−Ｖｐ（ｎ−１））を操作量としてダンパー１１に入力しても、目標値ＰＶ１（ｎ）には、達し得ないことになる。

そこで、加算出力部５０は、ＰＩＤ演算部２０で演算され、操作量としてダンパー１１に入力される操作量（Ｖｐ（ｎ）−Ｖｐ（ｎ−１））に、さらに、入出力特性に基づいて特定される差分（ΔＶ＝Ｖｄ（ｎ）−Ｖｐ（ｎ））を加算して、出力するようになっている。
すなわち、加算出力部５０では、ダンパー１１が有する、ダンパー１１に入力される操作量と、実際に出力として酸素濃度計１５ａにおいて計測された制御量との入出力特性をあらかじめ記憶し、この入出力特性に基づき、目標値ＰＶ１（ｎ）に対応したダンパー１１の操作量Ｖｄ（ｎ）（ダンパー開度）を特定して、ＰＩＤ演算部２０で演算された操作量（Ｖｐ（ｎ）−Ｖｐ（ｎ−１））に、差分ΔＶを加算し補正する。
これにより、ダンパー１１が有する非線形特性が補正された正確な操作量をダンパー１１に入力することができ、応答性をさらに向上することができる。

なお、入出力特性は、ダンパー１１に入力される操作量と、実際に出力として酸素濃度計１５ａにおいて計測された制御量を、実測データとして計測し、この実測データから、目標値を代入することで、ダンパー１１に入力される操作量が算出可能な図２に示す実線の近似式を、求めることができる。
そして、この近似式を入出力特性とし、近似式に目標値を代入することで、ダンパー１１の非線形特性を加味された操作量を求めることができる。
また、本実施形態の加算出力部５０では、ダンパー１１に入力される操作量（ダンパー開度）に対し、出力される制御量として酸素濃度について説明したが、出力される制御量としてドラフト圧に関しても同様な構成となる。すなわち、ダンパー開度に対するドラフト圧の入出力特性を求め、この入出力特性に基づき、目標値となるドラフト圧に対応したダンパー１１の操作量（ダンパー開度）を特定して、ＰＩＤ演算部３０で演算された操作量に、差分を加算し、正確な操作量に補正することできる。

以上のように本実施形態に係る加熱炉制御装置１によれば、酸素濃度とドラフト圧が有する特徴的な応答特性の違いに基づき、各々独立した二つのフィードバック制御によって、一つの操作端であるダンパー１１を制御する、所謂オーバーライド制御により、加熱炉を、最適な状態に制御することができる。
すなわち、通常の運転状態では、応答が速く、かつ、ダンパー１１の開度との相関性を有する酸素濃度に基づく制御となり、酸素濃度を低く抑えることができ、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制することができる。
一方、ドラフト圧が大きく変動し、大気圧に対して高圧になるような異常状態においては、加熱炉１０内圧の保全を担保した制御を行うことができる。
また、加算出力部５０により、各ＰＩＤ演算部２０，３０で演算された操作量に、ダンパー１１が有する非線形特性が補正された正確な操作量をダンパー１１に入力することができ、応答性をさらに向上することができる。

[第二実施形態]
次に、本発明に係る加熱炉制御装置の異なる実施形態について、図を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係る加熱炉制御装置のブロック線図である。
同図に示すように、本実施形態の加熱炉制御装置は、図１に示した酸素濃度計１５ａによって計測された酸素濃度の制御量ＰＶ１と、あらかじめ設定された酸素濃度の目標値ＳＶ１との偏差に基づいてダンパー１１を制御する下段側のフィードバック制御の変形実施形態である。
従って、上段側のドラフト圧に基づくフィードバック制御は、何ら変更はなく、同一の構成となっている。
図３に示すフィードバック制御は、スミス予測器を拡張したＩＭＣ（内部モデル制御）型として構成されている。

ＩＭＣ（内部モデル制御）型は、プロセスに一次遅れやむだ時間などの時間遅れや、計測器の応答の遅れ、外乱ノイズが多い場合に適していることが一般的に知られている。
特に、酸素濃度計１５ａは、その特徴からノイズの影響を受けやすく、また、第一実施形態で使用したジルコニア式と異なる磁気式の酸素濃度計を使用した場合には、プロセスの遅れに、計測時間の遅れが加算され制御上重大な問題が発生する。
そこで、本実施形態では、応答の遅い磁気式の酸素濃度計１５ａを採用した場合を想定するとともに、プロセスの一次遅れやむだ時間などの時間遅れ、外乱ノイズを考慮して、ＩＭＣ（内部モデル制御）型としている。

具体的には、本実施形態の酸素濃度を制御するフィードバック制御は、ＰＩＤ演算部２０の後段に一次遅れ系のフィルタからなる遅延部２１と、加算出力部５０からダンパー１１に入力される操作量と同値の操作量が入力され、ダンパー１１と加熱炉１０からの制御量と等価の出力を予測する内部モデル演算部２２と、内部モデル演算部２２からの出力を遅らせる一次遅れ系のフィルタからなる遅延部２３と、遅延部２３からの制御量ＰＶｍａを、ダンパー１１を介して加熱炉１０から出力されるプロセスの応答特性に対応したタイミングで、制御量ＰＶｍｂとして出力する位相補正部２４と、同じく遅延部２３からの制御量ＰＶｍａが入力される加算部２６と、位相補正部２４からの制御量ＰＶｍｂと酸素濃度計１５ａで計測された制御量ＰＶ１が比較、減算される減算部２５と、減算部２５からの出力に基づき、内部モデル演算部２２において、プロセスと等価として予測した内部モデルのパラメータを修正・調整するパラメータ調整部２７などから構成されている。

各部について、以下に説明する。
まず、遅延部２１は、ＰＩＤ演算部２０からの出力を一次遅れ特性で出力する。これは、予測した内部モデルにモデル誤差（モデルとプロセスとのずれ）があったとき、ＰＩＤ演算部２０におけるＰＩパラメータが高く設定されることから、安定限界を高めるためである。
内部モデル演算部２２は、ＰＩＤ演算部２０からの出力に基づく加算出力部５０からの操作量によって、ダンパー１１が操作されることで、プロセスである加熱炉１０から出力される制御量（酸素濃度）と等価の出力を予測する。
具体的には、内部モデル演算部２２には、ダンパー１１に入力される操作量を代入すると、加熱炉１０から出力される酸素濃度の制御量を結果として算出する、所定の演算式が設けられている。
そして、予測された制御量は、安定性を向上させるため、例えば、プロセスの１／２〜１／３程度の一次遅れ系のフィルタ（＝１／（１＋Ｔ１・ｓ）、Ｔ１：時定数、ｓ：ラプラス演算子）からなる遅延部２３を介して、制御量ＰＶｍａとして出力される。
この制御量ＰＶｍａは、本発明の予測ループである、加算部２６を介するループＡによって、プロセスである加熱炉１０の応答より速く、減算部１８に高速応答されるようになっている。

位相補正部２４は、入力された制御量ＰＶｍａを、プロセスの一次遅れとむだ時間を考慮したタイミングの位相（＝ｅ^−Ｌ・ｓ／（１＋Ｔ２・ｓ）、Ｔ２：時定数、ｓ：ラプラス演算子、Ｌ：むだ時間）で出力し、位相補正部２４からの制御量ＰＶｍｂと酸素濃度計１５ａで計測された制御量ＰＶ１が一致した位相となるように設定されている。

パラメータ調整部２７は、内部モデル演算部２２に設定された内部モデルの演算式を、プロセスと等価となるように調整する。
具体的には、内部モデルのモデル誤差（モデルとプロセスとのずれ）を調整可能なように、内部モデルの演算式にあらかじめモデルパラメータを設定するとともに、酸素濃度計１５ａで計測された制御量ＰＶ１に基づいてモデルパラメータを修正・調整する。
前述したように、プロセスと内部モデル演算部２２には、同値の操作量が入力されるため、出力される制御量ＰＶｍａと制御量ＰＶ１も同値となるように、モデルパラメータを修正する。
例えば、モデルパラメータを含む内部モデルの演算式に、入力された操作量と酸素濃度計１５ａによって計測された制御量ＰＶ１を代入して、モデルパラメータを逆算して求めることができる。
そして、内部モデルの演算式のモデルパラメータを、逆算して求められたモデルパラメータに更新することで、内部モデルの演算式も更新され、内部モデルをプロセスと等価にすることができる。なお、パラメータ調整部２７で調整するモデルパラメータは、主にプロセスゲイン（傾き）となっている。

なお、酸素濃度計１５ａで計測された制御量ＰＶ１に基づいて更新されるモデルパラメータには、酸素濃度計１５ａのノイズも含まれるため、変動することが予想される。そこで、求められたモデルパラメータを、キャリブレーションフィルタ（例えば、一次遅れ特性を有するフィルタ）を用いて校正することで、ノイズを除去し、安定化させることができる。
そして、減算部２５では、プロセスと等価となるように更新された内部モデルの演算式に基づいて出力され、プロセスの一次遅れとむだ時間を考慮したタイミングで出力される制御量ＰＶｍｂと、プロセスからの制御量ＰＶ１とが、比較、減算される。
本発明の差分ループであるループＢは、この減算部２５からの出力を減算部１８にフィードバックする。これにより、プロセスに加わる外乱が、ＰＩＤ演算部２０において、外乱を抑制する操作量として出力されるようになっている。

このように本実施形態では、酸素濃度に基づく制御をスミス予測器を拡張したＩＭＣ型とすることで、まず、予測ループであるループＡによって、プロセスの応答より速く、プロセスと等価の予測制御量ＰＶｍａが減算部１８にフィードバックされるため、ループＡがプロセスの遅れのない予測フィルタとして機能し、プロセスの応答をあらかじめ予測することができ、制御量がオーバーシュートしたり、振動的になることなく、安定した制御が可能となる。
また、酸素濃度計１５ａは複雑な機構からなるため、ループＡの予測制御量ＰＶｍａと酸素濃度計１５ａで計測された制御量ＰＶ１とを比較することで、計器異常も検出でき、安全上の配慮も可能となる。
さらに、差分ループであるループＢにより、プロセスに加わる外乱も抑制することができる。
これにより、本実施形態に係る加熱炉制御装置１は、応答の遅い磁気式の酸素濃度計１５ａを採用した場合を想定するとともに、プロセスの一次遅れやむだ時間などの時間遅れ、外乱ノイズが生じる場合でも、酸素濃度を低く抑え、燃料コストの低減や窒素酸化物の発生を抑制した安定した制御を行うことができる。

以上、本発明の加熱炉制御装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る加熱炉制御装置は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることはいうまでもない。
例えば、本実施形態の加熱炉制御装置に設けられた、遅延部や位相補正部は、プロセスの応答特性に応じて、削除したり、また、設定される時定数Ｔや、むだ時間Ｌを適宜変更できることはいうまでもない。
また、ＰＩＤ演算部におけるＰＩＤパラメータも、プロセスの応答特性に応じてスケジューリングできる。
さらに、ＰＩＤ演算部は、位置型や速度型のいずれも選択可能である。ＰＩＤ演算部を位置型で構成した場合、酸素濃度に基づく制御とドラフト圧に基づく制御との切替え時は、リセットワインドアップが発生することもあるため、リセットワインドアップ防止機構を併用することで、切替え時の安定性を確保できる。また、ＰＩＤ演算部を速度型で構成した場合、切替え時にチャタリングが発生することもあるが、制御量は大きく変動しないため、円滑な切替えを確保できる。

本発明は、酸素濃度とドラフト圧によってダンパー等の操作端を制御する加熱炉の制御装置として広く利用することができる。

本発明の第一実施形態に係る加熱炉制御装置のブロック線図である。本発明の第一実施形態に係る加熱炉制御装置の操作端に入力される操作量と計測される制御量との入出力特性を示す図である。本発明の第二実施形態に係る加熱炉制御装置のブロック線図である。従来から実施されている加熱炉制御装置のブロック線図である。従来から実施されている加熱炉制御装置において、計測された酸素濃度とドラフト圧の計測データの時間的な変動の推移を示した図である。従来から実施されている加熱炉制御装置において、ダンパーの開度に対し計測された酸素濃度とドラフト圧の変化を示す図である。

符号の説明

１加熱炉制御装置
１０加熱炉
１１ダンパー
１５ａ酸素濃度計
１６ａドラフト圧力計

Claims

制御対象である加熱炉内の酸素濃度と炉圧に基づき、所定の操作端を操作することで前記加熱炉への空気量を調節し、前記加熱炉をフィードバック制御する加熱炉制御装置であって、
目標値となる酸素濃度と計測された酸素濃度との偏差に基づき、前記操作端に入力される操作量を演算する第一の演算部と、
目標値となる炉圧と計測された炉圧との偏差に基づき、前記操作端に入力される操作量を演算する第二の演算部と、
所定の条件に基づき、前記各演算部で演算されたいずれかの操作量を、前記操作端に入力される操作量として選択する選択部と、を備えることを特徴とする加熱炉制御装置。
第一の演算部で演算される操作量が、第二の演算部で演算される操作量よりも大きくなるように、前記目標値となる炉圧を設定するとともに、
前記選択部が、前記操作量の大きさを前記所定の条件として、操作量の大きいほうを選択する請求項１記載の加熱炉制御装置。
前記選択部において選択された操作量に、前記操作端に入力される操作量と計測される制御量との入出力特性に基づいて特定される差分の操作量を、加算して前記操作端に入力する加算出力部を備える請求項１又は２記載の加熱炉制御装置。
前記第一の演算部で算出された操作量に基づいて計測される酸素濃度を予測する内部モデル演算部と、この内部モデル演算部からの予測酸素濃度をフィードバックする予測ループ手段と、前記予測酸素濃度を制御対象の応答特性に対応したタイミングで出力する位相補正部と、この位相補正部から出力された予測酸素濃度と計測された酸素濃度との差をフィードバックする差分ループ手段と、を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱炉制御装置。