JP2644398B2 - 制御系の故障診断方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は制御系とくに経年変化
の可能性のある制御系における故障を発見する診断方法
に関し、炉の制御システムや電気炊飯器に適用すること
が可能である。

【０００２】

【従来の技術】従来制御系とくに経年変化の可能性を有
する制御系たとえば炉の制御システムにおいては、使用
の経過につれて、熱電対の特性が悪化したり、ヒーター
が劣化することがある。また電気炊飯器においては発熱
体の断線や保温性が低下したりすることがある。このよ
うな支障を回避するために従来は経験的に、対象となる
装置の使用時間によって、必要な部品を交換している。
しかしそれらの部品にはもともとばらつきがあり、一概
にそれらの寿命を決定することができない。それにもか
かわらず、まだ使用できる部品を廃棄したり、すでに寿
命に達している部品を使い続けるということがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は部品の寿命を経験から一律に決定するとそ
れ自体ばらつきがあるので、実際にはまだかなりの時間
にわたって使用できるのに捨てなければならないばあい
があり、また逆にすでに寿命が来ているのに所定の時間
に達していないために交換しないで、そのまま使用する
ことにより、制御系全体の故障に至るという問題が生じ
ることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明における制御系
の故障診断方法はまず、基準となるプロセス制御の制御
開始時点から制御終了までの所要時間およびそのプロセ
スの応答傾向を記憶しておき、次に制御系の以後のプロ
セス制御における所要時間とプロセス応答傾向を、先に
記憶しておいたデータと比較し、その値が所定の許容範
囲を越えているばあいに、制御系のある部分に異常が生
じているものと判断するものである。ここで、プロセス
の応答傾向とはプロセスの応答を計数化したパラメータ
で示される制御対象の応答特性である。具体的には特性
測定モードなどで得られる各種データ例えば設定値ＰＶ
の傾き、目標値ＳＰに到達するまでの所要時間等であ
る。

【０００５】

【作用】制御が通常と異なるばあいには制御の開始時点
から制御終了までの所要時間とプロセスの応答傾向が、
すでに記憶されているデータと比較され、その値が所定
の許容範囲を越えていることがわかる。これによって制
御系に何らかの異常があることが判断される。

【０００６】

【実施例】以下この発明の制御系における故障診断方法
について、図１〜図４を参照して説明する。最初に図１
に示す特性記憶モードにおいて制御系の応答特性を記憶
することにより基準となる制御対象の応答傾向モデルを
作成する。 ステップ１ まず、制御系の特性測定の指示により、この特性測定の
モードに入る。このモードにおいては異常診断の基準と
なる系の特性を測定する。

【０００７】ステップ２ 測定開始時のプロセス値ＰＶ、プロセス値ＰＶの傾き、
時刻、設定値（ＳＰ値）を記憶する。これらの値は異常
診断モードで系の測定を行なうとき、同じ条件で測定し
ているかを診断するための測定条件データ、すなわち応
答傾向モデルとなる。

【０００８】ここで測定条件の整合性すなわち測定条件
が同一であるかどうかの必要性はつぎのとおりである。
すなわちプロセス値ＰＶたとえば温度に関しては、同じ
系であっても、違う温度領域では特性が全く違うばあい
があるからである。

【０００９】またプロセス値ＰＶの傾きに関しては、図
２において、仮に、同図（ロ）に示すように、異常診断
モードで、プロセス値ＰＶ２と目標値ＳＰ２が同図
（イ）に示す特性記憶モードのプロセス値ＰＶ１と目標
値ＳＰ１と一致したとする。ただしＳＰ＞ＰＶとする。
このとき、系の傾きが、記憶時は上昇方向であったと
し、診断時は、下降方向であったとする。このばあいに
は記憶モード時の測定時間Ｔ１と故障診断時の測定時間
Ｔ２との間に大きな違い（Ｔ１＜Ｔ２）が測定され、系
は安定していたにもかかわらず、異常と診断してしま
う。そこでその系が異常であると診断されるのを防ぐ必
要がある。

【００１０】さらに目標値ＳＰが違うと当然、その目標
値に到達する時間に差が出てくるので、これを防ぐ必要
がある。たとえば図３において、同図（イ）に示すよう
に記憶時の目標値ＳＰ１と同図（ロ）に示す故障診断時
の目標値ＳＰ２が異なるときには記憶時の目標値ＳＰ１
に到達する時間Ｔ１と故障診断時の目標値ＳＰ２に到達
する時間Ｔ２との間に差が出てくる（Ｔ１＜Ｔ２）から
である。このようにプロセス制御における異常診断をす
るに先立って、まずプロセス制御においてこのプロセス
制御の応答傾向を基準となる応答傾向モデルと比較し、
プロセス制御の応答傾向と基準となる応答傾向モデルと
の整合性を判断し、それらの応答傾間に整合性がない場
合にはその時点でプロセス制御の異常診断モードに入る
ことを中断し、一方それらの応答傾向間に整合性がある
場合には後述するステップに示すようにあらためてプロ
セス制御における異常診断モードに入る。

【００１１】ステップ３まず、プロセス制御を開始し、 プロセス値ＰＶと目標値
ＳＰとがＰＶ≧ＳＰとなった時点で計測を終了する。

【００１２】ステップ４ 現在時刻ＴＭＥと開始時刻ＴＭＳより、所要時間ＴＴＳ
を算出し、これを記憶する。つぎに図４を参照して制御
系の異常診断モードのアルゴリズムにについて説明す
る。まず現在の各値（プロセス値、ＰＶの傾き、ＳＰ
値）で記憶した値に近いかどうかを判断する。各値の許
容誤差範囲は系の特性に合わせて、設定される。

【００１３】ステップ５ 異常診断モードに移行する。

【００１４】ステップ６ 現在のプロセス値例えば現在の温度ＴＴＳは記憶モード
つまり特性測定モードで記憶した値に近いかどうかを判
断する。すなわち許容しうるプロセス誤差の範囲ＴＥＲ
にあるかどうかを判断する。ここで現在のプロセス値例
えば現在の温度ＴＴＳが記憶モードで記憶した値に近い
かどうかを判断することは、図４のフローチャートで示
すように、異常診断行う際に重要な比較演算である。す
でに「特性測定モード」で測定した時の制御対象の状態
と、今回の制御中に異常が無いかを検査する「異常診断
モード」における制御対象の状態とが極端に異なると、
制御対象の応答は問題ないのに異常と判断される。この
理由は、すでに述べたように、たとえ同じ制御対象であ
っても温度領域が異なると、全く応答特性の異なる制御
対象が存在するためである。たとえば、一般的な制御対
象は、温度の低い領域では温度は上昇し易いが冷めにく
い。逆に温度の高い領域では、いくら熱してもなかなか
温度が上がらないが、熱することをやめると急激に温度
が下がる。 したがって、「異常診断モード」で診断しよ
うとしている制御対象の条件が、「特性測定モード」で
測定したときの条件に比較的近いことを確認しないと、
誤診断となる。 すなわち図６は、操作量＝１００％を与
えたときの、ある制御対象の応答である。温度の低い領
域では、ＰＶ＝１０％上昇するのにＴ１時間で済んでい
るが、同じ条件でも温度の高い領域ではＴ２時間を要し
ている。よって、「特性測定モード」時の条件と、「異
常診断モード」時における測定条件の比較は重要であ
り、条件が大きく異なる場合は誤判定になるので、判定
を行わないような安全な機能を付加しておく必要があ
る。ここで許容しうるプロセス誤差の範囲にないばあい
には異常診断モードを終了する。現在のプロセス値ＴＴ
Ｓが許容しうるプロセス誤差の範囲にあるばあい、すな
わち「異常診断開始」時のＰＶ値が「特性測定」時のＰ
Ｖ値（ＴＴＳ）±許容誤差範囲（ＴＥＲ）にあれば、異
常診断可能な温度範囲にあるので、異常診断を開始する
ためつぎのステップに進む。

【００１５】ステップ７ステップ６と同様に、 現在のプロセス値ＰＶの傾きが記
憶モードで記憶した値に近いかどうかを判断する。すな
わち現在のプロセス値ＰＶの傾きＰＶＶＳは許容しうる
誤差ＰＶＶＥＲの範囲にあるかどうかを判断する。ここ
で現在のプロセス値ＰＶの傾きＰＶＶＳは許容しうる誤
差ＰＶＶＥＲの範囲にないばあいには異常診断モードを
終了する。現在のプロセス値ＰＶの傾きＰＶＶＳが許容
しうる誤差ＰＶＶＥＲの範囲にあるばあい、すなわち
「異常診断開始」時のＰＶの傾きが特性測定時のＰＶの
傾き（ＰＶＶＳ）±許容誤差範囲（ＰＶＶＥＲ）にあれ
ば、異常診断可能な温度範囲にあるので、異常診断を開
始するためつぎのステップに進む。

【００１６】ステップ８ステップ６と同様に、 現在のプロセス値ＰＶの値が記憶
モードで記憶した値に近いかどうかを判断する。すなわ
ち現在のプロセス値ＰＶの値ＰＶＳは許容しうる誤差Ｐ
ＶＥＲの範囲にあるかどうかを判断する。ここで現在の
プロセス値ＰＶの値ＰＶＳは許容しうる誤差ＰＶＥＲの
範囲にないばあいには異常診断モードを終了する。現在
のプロセス値ＰＶの傾きＰＶＳが許容しうる誤差ＰＶＥ
Ｒの範囲にあるばあいにはつぎのステップに進む。この
ステップはすでにステップ６において実施しているので
省略することは可能であるが、必要に応じて実施するも
のである。

【００１７】ステップ９ステップ６と同様に、 現在の設定値ＳＰＳが記憶モード
で記憶した値に近いかどうかを判断する。すなわち現在
の設定値ＳＰＳが許容しうる誤差ＳＰＥＲの範囲にある
かどうかを判断する。ここで現在の設定値ＳＰＳは許容
しうる誤差ＳＰＥＲの範囲にないばあいには異常診断モ
ードを終了する。現在の設定値ＳＰＳが許容しうる誤差
ＳＰＥＲの範囲にあるばあいにはつぎのステップに進
む。ここで目標となるＳＰを変化させた場合、現在のＰ
Ｖ値から目標値までＰＶ値が追従するわけだが、このと
き「特性測定時」と「異常診断時」で、現在のＰＶ値か
ら目標値ＳＰまでの幅が異なる場合、当然のことなが
ら、この差に応じてＰ Ｖ値が元の値から目標値のＰＶに
到達するまでの到達時間（ＴＴＮ）が変化する。したが
って、同じ条件で測定するためには目標値ＳＰも、「特
性測定」時とほぼ同じ条件でなければならないことがわ
かる。 以上のように、ステップ６〜９における比較は、
「特性測定時」と「異常診断時」の条件・状態の違いを
見極め、「異常診断」が可能な状態かどうかを判断する
重要な判定条件となる。 ただし、わずかに異なる条件に
対して全て条件が異なるとして排除していては、故障診
断が機能しなくなるおそれがあるので、それぞれ誤差範
囲を設定して、その範囲であれば診断を続けるようにな
っている。 これらのことは、図２、図３から容易に理解
することができる。たとえば、図２（イ）は記憶モード
時の制御対象の状態である。「特性測定」開始時にＰＶ
が上昇傾向（傾きが正）にあり、ＳＰ１に到達するまで
に時間Ｔ１かかっている。 一方、図２（ロ）は診断時の
制御対象の状態である。診断開始時のＰＶが下降傾向
（傾きが負）にあるため、ＳＰ１＝ＳＰ２、ＰＶ１＝Ｐ
Ｖ２であるにもかかわらず、ＳＰ１＝ＳＰ２への到達時
間がＴ１＜Ｔ２となってしまっている。このような状態
は、一般的なプロセスでは制御対象の操作上よく生じる
ことであり、特別なことではない。このあと単純にＴ１
とＴ２を比較すると、Ｔ１とＴ２が大きく異なるため
に、制御対象の応答が異常であると、誤診断されてしま
う。しかし、あらかじめステップ６〜９の処理で判定可
能かどうかを判断し、可能なときだけ処理を開始するの
でこのような誤診断は起こらない。 図３においても同様
に、開始時のＰＶ１＝ＰＶ２であるにもかかわらず、Ｓ
Ｐ１＜ＳＰ２であるためにＴ１＜Ｔ２となってしまって
いる例を示している。こちらも同様に、あらかじめＳＰ
１とＳＰ２が大きく異なることを判断しておけば、診断
できない状態であることを容易に判断して診断を行わな
い。

【００１８】ステップ１０ ステップ６〜９の初期診断開始条件が整ったら、つぎの
主たる異常診断ステップに進む。まず異常診断開始時刻
を記憶する。

【００１９】ステップ１１ プロセス値ＰＶが、今回設定した設定値ＳＰＳを越える
か越えないかを判断する。ここで越えてないばあいには
その判断を繰り返すが、越えているばあいにはつぎのス
テップに進む。

【００２０】ステップ１２ 現在時刻と、異常診断開始時刻ＴＴＳから、所要時間Ｔ
ＴＮを算出する。

【００２１】ステップ１３ 異常診断開始時刻ＴＴＳと、所要時間ＴＴＮから変動誤
差ＲＥを式ＲＥ＝（ＴＴＳーＴＴＮ）／ＴＴＳにしたが
って算出する。

【００２２】ステップ１４ 変動誤差ＲＥがあらかじめ設定してある所要時間の許容
誤差範囲±ＲＥＧ以内であるかどうかを判断する。ここ
でその範囲にあるばあいには制御系に異常がないものと
して異常診断モードを終了する。もしその範囲内にない
ばあいにはつぎのステップに進む。

【００２３】ステップ１５ 変動誤差ＲＥがあらかじめ設定してある許容誤差範囲±
ＲＥＧ以内でないので制御系に異常があるものとして警
告を出力する。

【００２４】つぎにこの発明の故障診断方法をプラント
の加熱炉に適用したばあいについて説明する。すなわち
図５において、制御対象１すなわち炉内には温度センサ
ー２が設けられる。この温度センサーはたとえば熱電対
により構成され、その出力端は増幅器３に接続される。
そしてこの増幅器の出力端は温度制御部４および異常診
断部５に接続される。さらに異常診断部５には異常時出
力端６が設けられ、この出力端を介して警告表示器７が
接続される。また温度制御部４と異常診断部５とは機能
的に接続される。一方温度制御部４の出力端には増幅器
９が接続され、さらにこの増幅器の出力端にはヒーター
１０が接続される。なおこのヒーターは言うまでもな
く、制御対象１すなわち炉内に配設される。

【００２５】そしてこの図における制御系はプラント１
の温度を任意の設定温度ＳＰに保つのがその制御の目的
である。 ステップ１ まず、プラント１の温度を温度センサ２で測定する。 ステップ２ 増幅器３を通して温度センサ２の出力を所望の値に増幅
する。 ステップ３ 温度制御部４に目標値ＳＰを入力する。

【００２６】ステップ４ 設定された目標値ＳＰと比較して、偏差があれば制御出
力１１を出す。 ステップ５ 制御出力１１は増幅器９で増幅されてヒーター１０に供
給される。 ステップ６ ヒーター１０は制御出力１１により制御され、プラント
１すなわち炉内の温度は設定値ＳＰに保たれる。

【００２７】ステップ７ このとき異常診断部５にもプロセス値ＰＶが入力され、
特性記憶がなされる。 ステップ８ つぎにプラント１が再起動されると、温度センサ２によ
ってプラント１の現在の温度が測定されるとともに、そ
の温度の誤差が許容範囲にあるかどうかチェックされ
る。 ステップ９ つぎにプロセス値の傾きが取り込まれ、この値はすでに
記憶されているプロセス値の値と比較され、その傾きの
誤差が許容範囲にあるかどうか判断される。

【００２８】ステップ１０ つづいてプロセス値の誤差が許容範囲にあるか否か判断
される。 ステップ１１ つぎに設定値がすでに記憶されている設定値と比較さ
れ、その値の誤差が許容範囲にあるか否か判断される。 ステップ１２ ステップ８〜１１の条件がすべて満たされると、故障の
診断が開始される。すなわち異常診断モードを開始した
時刻が取り込まれる。

【００２９】ステップ１３ そしてプロセス値が、設定された設定値を越えているか
どうか判断される。 ステップ１４ 現在時刻と、異常診断開始時刻から、所要時間を算出す
る。 ステップ１５ 異常診断開始時刻と、所要時間から変動誤差を所定の式
にしたがって算出する。

【００３０】ステップ１６ 変動誤差があらかじめ設定してある所要時間の許容誤差
範囲内であるかどうかを判断する。 ステップ１７ 変動誤差があらかじめ設定してある許容誤差範囲を越え
ているばあいには制御系に異常があるものとして警告が
出力される。

【００３１】

【発明の効果】上述のようにこの発明における制御系に
おける故障診断方法はプロセス制御に おける異常診断を
するに先立って、まずプロセス制御においてこのプロセ
ス制御の応答傾向を基準となる応答傾向モデルと比較
し、プロセス制御の応答傾向と基準となる応答傾向モデ
ルとの整合性を判断し、それらの応答傾間に整合性がな
い場合にはその時点でプロセス制御の異常診断モードに
入ることを中断し、一方それらの応答傾向間に整合性が
ある場合にはあらためてプロセス制御における異常診断
モードに入り、この異常診断モードにおいてプロセス制
御における制御値を基準となる応答傾向モデルと比較
し、その値が所定の許容範囲を越えているばあいに、制
御系に異常があるものと判断するようにしているので、
制御の過程において制御系の故障をつねに自動で診断す
ることができ、したがって制御系の構成部品を一定の使
用時間経過後に一律に交換する必要はなく、その構成部
品の寿命のばらつきに追随することができるので、資源
を有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の制御系における故障診断方法の特性
記憶モードの流れ図である。

【図２】この発明の制御系における故障診断方法の特性
図で、（イ）は特性記憶モードにおける特性図、（ロ）
は異常診断モードにおける特性図である。

【図３】この発明の制御系における故障診断方法の設定
値にいたる時間の特性図で、（イ）は特性記憶モードに
おける時間の特性図、（ロ）は異常診断モードにおける
時間の特性図である。

【図４】この発明の制御系における故障診断方法の異常
診断モードの流れ図である。

【図５】この発明の制御系における故障診断方法をプラ
ントの温度制御装置に適用した状態の構成図である。

【図６】操作量＝１００％を与えたときの、ある制御対
象の応答特性である。

【符号の説明】

１ 制御対象 ２ 温度センサー ３ 増幅器 ４ 温度制御部 ５ 異常診断部 ６ 異常時出力端 ７ 警告表示器 ９ 増幅器 １０ ヒーター

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御系において基準となるプロセス制御
   の制御開始時点から制御終了までのプロセスの応答を計
   数化したパラメータで示される制御対象の応答特性を記
   憶することにより基準となる制御対象の応答傾向モデル
   を作成し、上記プロセス制御における異常診断をするに
   先立って、まず上記プロセス制御においてこのプロセス
   制御の応答傾向を上記基準となる応答傾向モデルと比較
   し、上記プロセス制御の応答傾向と上記基準となる応答
   傾向モデルとの整合性を判断し、それらの応答傾間に整
   合性がない場合にはその時点で上記プロセス制御の異常
   診断モードに入ることを中断し、一方それらの応答傾向
   間に整合性がある場合にはあらためて上記プロセス制御
   における異常診断モードに入るとともに、この状態にお
   いて上記プロセス制御における制御値を上記基準となる
   応答傾向モデルと比較し、その値が所定の許容範囲を越
   えているばあいに、上記制御系に異常があるものと判断
   することを特徴とする制御系の故障診断方法。