JP2552177B2

JP2552177B2 - 制御ループ系の異常検知装置

Info

Publication number: JP2552177B2
Application number: JP63173821A
Authority: JP
Inventors: 実濱野; 茂松沢; 幸雄川田
Original assignee: Rika Kogyo Inc
Current assignee: RKC Instrument Inc
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPH0224705A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は制御ループ系の異常検知装置に係り、特に、
制御対象を温度制御するフィードバック系温度制御装置
内に構成可能な異常検知装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、温度制御対象例えば高温炉をフィードバック制
御するフィードバック系PID制御装置としては、第６図
に示すように、制御対象１からの測定値PVを設定値（目
標値）SVとともに入力回路３に入力し、設定値SVと設定
値PVとの偏差に基づいて演算回路５でPID（比較＋積分
＋微分）演算して操作量MVを出力回路７からヒータ等の
操作器９に出力し、この操作器９にて制御対象１を加熱
操作する構成を有し、制御対象１が所定の温度に早く正
確に落ち着くように制御している。

なお、これら入力回路３、演算回路５および出力回路
７が主に温度制御装置を構成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、フィードバック系温度制御装置におい
ては、操作器９のヒータ断線やリレーの接点溶着、制御
対象１の温度測定センサーの接続不良、入出力回路３、
７のリレーの接点溶着や動作不良等、種々の動作異常要
素を内包している。

そして、例えば操作器９のヒータ断線を例にとれば、
ヒータに流れる電流の有無を検知して断線の有無を検知
する電流検知器CTを用いて正確かつ瞬時に断線検知が可
能であるし、他の異常検知も各々検知回路や検知器を備
えれば、同様に検知可能である。

ところが、近年、上述した温度制御装置においても小
型化および薄型化の傾向にあり、接続端子数が９個と言
った少数に制約されるようになってきた。

端子数９個の場合、電源端子として２個、温度測定セ
ンサーの接続端子として３個、操作器９を操作する出力
端子とし２個は必要であり、異常検知回路や検知器から
の出力端子としては２個しか残らない。

そのため、温度制御装置内おいて、異常が発生し易い
個所毎に異常検知回路や検知器を備えて警報を出力させ
難い状況にあり、端子数を増加させずに装置内の異常検
知が可能な構成が要請されていた。

本発明はこのような状況の下になされたもので、装置
の端子数を増加させずに装置内の異常検知が可能な制御
ループ系の異常検知装置の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、第１図に
示すように、カウンタ手段100、演算手段102、第１およ
び第２の判定手段103、104と、異常指示手段105を具備
して構成されている。

すなわち、カウンタ手段100は所定の異常検知測定時
間を一定のサンプリング周期でカウントするものであ
り、演算手段102は制御対象101からの測定値PVと所定の
設定値SVに基づきその制御対象101に対する操作量MVを
演算して制御対象101へ出力するものであり、第１の判
定手段103はその制御対象101に対する操作量MVが０％以
下もしくは100％以上であるか否か判定するものであ
る。

第２の判定手段104は、その第１の判定手段103におい
てその操作量MVが０％以下もしくは100％以上であり、
かつカウント手段100がカウントアップしたときにその
制御対象101からの測定値PVがカウント開始前の測定値
に対して所定の基準値の範囲を越えるか否かによって異
常を判定するものであり、異常指示手段105はその第２
の判定手段104において上記測定値PVがカウント開始前
の測定値に対して所定の上記基準値を越えないときに上
記制御対象101の制御ループ系の異常を指示する指示信
号を出力するものである。

〔作用〕

このような手段を備えた本発明は、カウンタ手段100
が所定の時間を一定の周期で繰返しカウントしてカウン
トアップし、第１の判定手段103が制御対象101に対する
操作量MVが０％以下もしくは100％以上であると判定し
たとき、第２の判定手段104が制御対象101からの測定値
PVがカウント開始前の測定値に対して所定の基準値の範
囲を外れるか否か判定する。

もし、外れていれば第２の判定手段104が異常指示手
段105を制御して制御ループ系の異常を指示する指示信
号を出力させる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図は本発明に係る制御ループ系の異常検知装置の
一実施例を示すブロック構成図である。

図において、制御回路13はCPU15を中心にRAM17、ROM1
9およびI/Oポート21等を有して構成されている。この制
御回路13には動作条件記憶回路23、タイマ記憶回路25、
測定値記憶回路27、PID定数記憶回路29、外部入力装置3
1、表示装置33、出力回路35、正・逆動作記憶回路37、
異常指示回路39および温度測定装置41等が接続され、CP
U15の管理下において所定の動作をするようになってい
る。

PID定数記憶回路29は後述するPID定数を記憶するもの
であり、CPU15は温度測定装置41からの測定値PVおよびP
ID定数記憶回路29からのPID定数に基づきPID演算して操
作量MVを出力回路35を介して制御対象（第２図では図示
せず）に加える機能を有している。

さらに、CPU15は操作量MVがPID演算値の０％以下もし
くは100％以上であるか否かを判定する機能を有してい
る。

PID演算は比例＋積分＋微分演算と言われ、一般に制
御対象からの測定値PVを制御量θ（ｔ）としてその制御
量θ（ｔ）と設定値SVとの偏差Ｚ（ｔ）から操作量MV
（Ｙ（ｔ））を次式（１）によって求めるものである。

Ｙ（ｔ）＝Kp｛Ｚ（ｔ）＋1/TiZ（ｔ）dt ＋Td（dZ（ｔ）/dt）｝・・・（１）なお、符号Kp、Ti、Tdは各々比例感度、積分時間、微
分時間であってPID定数と言われる。

さらに、PID演算に限らず制御目的や制御対象に応じ
て、式（１）の右辺の第３項を除いた式（２）Ｙ（ｔ）＝Kp｛Ｚ（ｔ）＋1/TiZ（ｔ）dt｝・・・
（２）によって操作量（Ｙ）を出力するように構成することも
あり、PI（比例＋積分）動作制御と言われる。

また、式（１）の右辺の第２項や、第２項および第３
項を除いた式（３）および式（４）Ｙ（ｔ）＝Kp｛Ｚ（ｔ）＋Td（dZ（ｔ）/dt）｝・・・
（３）Ｙ（ｔ）＝Kp・Ｚ（ｔ）・・・（４）によって操作量（Ｙ）を出力するように構成されること
もあり、（３）式はPD（比例＋微分）動作制御、式
（４）はＰ（比例）動作制御である。

動作条件記憶回路23は、装置が異常検知動作条件を満
たしているか否かのチエック項目等を記憶するものであ
り、CPU15は例えば0.5秒毎に動作条件記憶回路23の記憶
内容に基づいて異常検知動作条件が満たされたか否か判
定して条件が満たされれば、検知動作を開始する機能を
有する。

タイマ記憶回路25は、所定のタイマ設定値、例えば通
常の積分時間の２倍（むだ時間の４倍）程度の時間を記
憶するタイマ設定値記憶回路43と、CPU15にて形成され
るタイマー（図示せず）にてカウントしたタイマ現在値
を記憶するタイマ現在値記憶回路45から構成されてい
る。

CPU15はタイマ現在値記憶回路45内をクリアーし、所
定の時間毎にタイマ現在値を取り込んでカウントして再
びタイマ現在値記憶回路45に記憶するとともに、操作量
MVが０％以下もしくは100％以上のときにタイマ現在値
がタイマ設定値になったか否かを判定する機能を有して
いる。従って、上記タイマーは例えば0.5秒毎にカウン
ト開始することになる。

測定値記憶回路27は温度測定装置41からの前測定値お
よび現測定値を記憶する前測定値記憶回路47および現測
定値記憶回路49と、目的とする設定温度であって制御対
象に応じた温度Ｘ℃（０℃〜数十℃）を記憶する設定温
度記憶回路51を有して構成されている。

CPU15は、現測定値が前測定値に設定温度を加えた温
度（第１の基準温度）より大きいか、また現測定値が前
測定値から設定温度を引いた温度（第２の基準温度）よ
り小さいか否か判定して、異常指示回路39に指示信号を
出力する機能を有している。なお、判定結果は後述する
ように制御対象が正動作するか逆動作するかによって異
なるし、第１および第２の基準温度は外部から変化可能
である。

外部入力装置31は例えばキーボードであって上述した
タイマ設定値や設定温度等を任意に入力する他、PID定
数、設定値SV、PID制御、PI制御およびＰ制御の切り換
え等、種々の操作指示信号を外部から入力するものであ
る。

表示装置33はブラウン管ディスプレイやプリンタであ
り、出力回路35はCPU15からの操作量MVを操作器（図示
せず）を介して制御対象に出力するものである。

正・逆動作記憶回路37は、制御対象が例えば冷凍機の
ように温度が上昇したとき冷凍能力を高めるように動作
する所謂正動作の場合の動作条件を記憶する一方、動作
対象が例えばヒータのように温度が上昇したときヒータ
能力を低下させる所謂逆動作の場合の動作条件を記憶す
るものである。

CPU15は、制御対象の種別に応じて正・逆動作記憶回
路33から動作条件を取り込み、制御対象が正動作もしく
は逆動作のであるか否かを判定し、それに対応する指示
信号例えば異常検知ON/OFF信号を異常指示回路39へ出力
するものである。

すなわち、制御対象が逆動作の場合には、操作量MVが
100％以上になると温度が上昇するから、現測定値が前
測定値に設定温度を加えた温度（第１の基準温度）より
大きくなれば、正常として異常指示回路39に異常検知OF
F信号を出力する。

その反対に現測定値が第１の基準温度以下のときに
は、異常検知ON信号が異常指示回路39へ出力される。

制御対象が正動作の場合には、現測定値が前測定値か
ら設定温度を引いた温度（第２の基準温度）より小さく
なれば正常としてCPU15が異常検知OFF信号を出力し、逆
に大きくなれば異常として異常検知ON信号をCPU15が出
力する。

また、操作量MVが０％以下になる場合には、その逆の
信号がCPU15から異常指示回路39へ出力される。

異常指示回路39はCPU15からの異常検知ON/OFF信号に
基づき動作するもので、例えば警報信号を外部へ出力す
る。

さらに、温度測定装置41は制御対象例えば高温炉のヒ
ータの近傍に配置された温度測定センサー、この温度測
定センサーからの信号を増幅する増幅回路、この増幅回
路からの信号をA/D変換するA/D変換回路等を有し、適宜
測定値PVをCPU15に出力するものである。

なお、制御回路13を形成するRAM17はCPU15における演
算処理中の値を一時的に記憶する他、タイマ記憶回路25
のタイマ設定値記憶回路43やタイマ現在値記憶回路45、
測定値記憶回路27の前測定値記憶回路47、現測定値記憶
回路49および設定温度記憶回路51の記憶エリアや識別符
号等を記憶するものであり、ROM19はCPU15を動作させる
プログラム等を記憶するもので、I/Oポート21は入出力
インターフェースである。

このような本発明の異常検知装置は、電源部（図示せ
ず）を具備したマイクロコンピュータによって構成され
る。

そして、温度異常検知ループ系としては、第３図に示
すように、制御対象53からの測定値PVを異常検知回路55
と偏差回路57に入力するとともに、偏差回路57では設定
値SVと測定値PVとの偏差をPID演算回路59に出力し、PID
演算回路59から操作量MVを制御対象53および異常検知回
路55に出力し、異常検知回路55では入力された操作量MV
および測定値PVによって上述した構成によって異常指示
信号を出力することとなる。

そして、CPU15を中心としたマイクロコンピュータの
動作は、次の第４図のフローチャートによって明らかに
なるであろう。

まず、プログラムがスタートすると、ステップ100に
てCPU15が動作条件記憶回路23からの記憶内容に基づい
て異常検知動作可能か否か判定し、NOの場合には後述す
るステップ106に移り、後述するように警報信号が出力
されない。

異常検知条件が整うと、ステップ100がYESとなってス
テップ101に移り、CPU15がタイマ現在値記憶回路45内の
タイマ現在値を取り込んで「１」を加え、これをタイマ
現在値記憶回路45に記憶させてステップ102に移る。

ステップ102ではCPU15にて操作量MVが100％以上か否
か判定され、NOの場合すなわち操作量MVが100％以下の
場合にはステップ111に移り、YESの場合にはステップ10
3に移る。

ステップ103ではCPU15にてタイマ現在値記憶回路45の
内容がタイマ設定値記憶回路43内の設定値より大きいか
否か判定され、NOの場合には動作が終了する。

ステップ103がYESの場合にはタイムアップと判定して
ステップ104に移り、CPU15が正・逆動作記憶回路33の記
憶内容に基づいて制御対象が逆動作のものか否か判定す
る。

制御対象が正動作であってステップ104がNOであれば
ステップ110に移る。制御対象が逆動作であってステッ
プ104がYESの場合には、ステップ105にてCPU15が現測定
値が前測定値＋設定温度（Ｘ）すなわち第１の基準温度
以上であるか否か判定する。

制御対象が正常ならば操作量MVが100％以上であると
温度が上昇するから、現測定値PVが第１の基準温度より
大きくなってステップ105がYESとなり、ステップ106に
てCPU15が異常検知OFF信号を異常指示回路39へ出力す
る。そのため、警報信号は異常指示回路39から出力され
ない。

制御対象に異常が生じると温度が上昇しないから、現
測定値PVが第１の基準温度より小さくなってステップ10
5がNOとなり、ステップ109にて異常検知ON信号がCPU15
から異常指示回路39へ出力され、異常指示回路39から警
報信号が出力される。

ステップ106およびステップ109に続くステップ107で
はCPU15が現測定値を前測定値記憶回路47内へ記憶処理
し、続くステップ108にてCPU15がタイマ現在値記憶回路
45内の値をクリアーして終了する。

制御対象が正動作であってステップ104がNOの場合に
は、ステップ110にて現測定値が前測定値−設定温度
（Ｘ）すなわち第２の基準温度より小さいか否か判定さ
れる。

制御対象が正動作の場合には操作量MVが100％以上で
あると温度が降下するから、正常であれば現測定値PVが
第２の基準温度より小さくなってステップ110がYESとな
ってステップ106に移り、異常検知OFF信号が異常指示回
路39に出力される。

反対に制御対象に異常があると現測定値PVが降下しな
いから、ステップ110がNOとなってステップ109に移り、
異常検知ON信号が出力される。

次に、操作量MVが100％以下の場合であるが、ステッ
プ111にて操作量MVが０％以下か否か判定され、NOの場
合には０％＜操作量MV＜100％であってステップ106に移
って異常検知OFF信号がCPU15から異常指示回路39へ出力
される。

ステップ111がYESの場合にはステップ112にてタイマ
現在値がタイマ設定値より大きいか否か判定され、NOの
場合には終了する。

ステップ112がYESの場合にはタイムアップと判定し、
ステップ113にてCPU15が正・逆動作記憶回路37の内容に
基づいて正動作か否か判定し、逆動作の場合にはNOとな
ってステップ110に移り、正動作の場合にはYESとなって
ステップ105に移る。

制御対象が逆動作ならば操作量MVが０％以下のとき温
度が降下するので、正常であれば現測定値PVが第２の基
準温度より小さくなり、ステップ110がYESとなってステ
ップ106へ移り、異常検知信号が出力されない。

反対に、異常があると現在測定値PVが第２の基準温度
より大きくなるから、ステップ110がNOとなってステッ
プ109へ移り、異常検知ON信号がCPU15から異常指示回路
39へ出力される。

一方、正動作ならば操作量MVが０％以下のとき正常な
らば温度が上昇するので、現測定値PVが第１の基準温度
より大きくなってステップ105がYESとなり、ステップ10
6にて異常検知OFF信号が出力される。

異常が生じて現在測定値PVが第１の基準温度より小さ
ければ、ステップ105がNOとなってステップ109にて異常
検知ON信号がCPU15から異常指示回路39へ出力される。

これらの異常検知動作は一定の周期、例えば0.5秒の
サンプリング周期で行われる。

なお、操作量MVが０％もしくは100％しか採らない場
合、すなわち比例（Ｐ）制御動作の場合には、第４図に
おけるフローチートではタイマ現在値記憶回路45の内容
がクリアーされないので、０％から100％へ移る際もし
くは100％から０％へ移る際にクリアーされるように構
成するとよい。

第５図は上述した本発明の動作を高温炉におけるヒー
タ断線を例にして説明するものである。

出力操作量MVがt0時で100％になって測定値PVがT0の
時点からサンプリング時間tsのカウントが開始された場
合、t1時の測定温度T1ではt0時の測定温度T0よりもＸ℃
以上上昇しているから、警報信号が出力されない。

さらに、サンプリング時間tsの途中のt2時にてヒータ
断線が生じた後、t3時の測定温度T3でもまだt1時の測定
温度T1よりもＸ℃以上上昇しているから、警報信号が出
力されない。

しかし、時間が経過してt4時においては測定温度T4が
t3時の測定温度T3よりもＸ℃以上上昇していないから、
警報信号が出力される。

このように本発明の制御ループ系の異常検知装置は、
PID演算値等の制御演算値が０％以下もしくは100％以上
になった時点から所定時間をカウントし、その所定時間
毎に測定値PVの変化量を検知してその変化量が所定の基
準温度を越えるか否かを判定して装置の異常を検知する
構成となっており、制御対象を温度制御する温度制御装
置におけるCPU、記憶回路その他の構成要素によって構
成されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の制御ループ系の異常検知
装置は、本来の制御装置における構成要素の動作機能を
変更もしくは付加して制御ループ系の異常検知を可能に
構成したから、個々の異常検知回路や検知器を用いるこ
となく制御ループ系の異常検知が可能となり、装置の端
子数を増加させない。

なお、本発明では個々の異常個所を特定することは困
難であるが、制御装置にあっては従来から異常が発生し
た場合には、とにかく速やかに制御装置を停止させて対
策を嵩じることが行われており、このような状況の下で
本発明は極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は本発明に係
る異常検知装置の一実施例を示すブロック構成図、第３
図は本発明に係る制御ループ系を説明するブロック図、
第４図は第２図に示す本発明の動作を説明するフローチ
ャート、第５図は本発明の動作タイミングを説明する
図、第６図は従来の制御ループ系を示すブロック図であ
る。１、53……制御対象９……操作器 13……制御回路 15……CPU 17……RAM 19……ROM 23……動作条件記憶回路 25……タイマ記憶回路 27……測定値記憶回路 29……PID定数記憶回路 31……外部入力装置 33……表示装置 35……出力回路 37……正・逆動作記憶回路 39……異常指示回路 41……温度測定装置 43……タイマ設定値記憶回路 45……タイマ現在値記憶回路 47……前測定値記憶回路 49……現測定値記憶回路 51……設定温度記憶回路 55……異常検知回路 59……PID演算回路 100……カウンタ手段 101……制御対象 102……演算手段 103……第１の判定手段 104……第２の判定手段 105……異常指示手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭50−132386（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−140080（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−142473（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−19206（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の異常検知測定時間を一定周期でカウ
ントするカウンタ手段と、制御対象からの測定値と所定の設定値に基づき前記制御
対象に対する操作量を演算して前記制御対象へ出力する
演算手段と、この演算手段からの操作量が０％以下もしくは100％以
上であるか否か判定する第１の判定手段と、この第１の判定手段における判定結果が前記操作量が０
％以下もしくは100％以上であり、かつ前記カウント手
段がカウントアップしたときに前記制御対象からの測定
値が前記カウント開始前の測定値に対して所定の基準値
の範囲を越えるか否かによって異常を判定する第２の判
定手段と、この第２の判定手段において前記測定値が前記カウント
開始前の測定値に対して所定の基準値の範囲を越えない
ときに前記制御対象の制御ループ系の異常を指示する指
示信号を出力する異常指示手段と、を具備することを特徴とする制御ループ系の異常検知装
置。