JP4788450B2 - 温度制御方法、温度制御装置およびループコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、温度制御方法、温度制御装置およびプログラマブルコントローラに実装されるループコントローラに関する。

従来、例えば、被加熱物を、熱板上に載置して均一に加熱処理するような温度制御においては、温度制御装置は、熱板に配設された温度センサからの検出温度に基づいて、熱板の温度が設定温度になるように操作量を出力し、ＳＳＲ等を介して熱板に配設されたヒータの通電を制御することにより行なわれる。

前記熱板に、複数のヒータおよび複数の温度センサを配設して複数の制御点、すなわち、複数チャンネルの温度制御を行なう場合に、各チャンネル毎に個別に温度制御を行なうと、熱板の各制御点が熱的に連続しているために、各チャンネル間の熱的な干渉が生じ、高い精度で均一な温度に制御するのが困難であり、特に、過渡時や外乱時には、一層困難となる。

そこで、本件出願人は、各チャンネル毎に個別に温度制御するのではなく、複数の制御点に対応する複数の検出温度を、例えば、複数の検出温度の平均温度と、各検出温度間の温度差（傾斜温度）とに変換し、平均温度と傾斜温度とを制御量として温度制御する手法（以下「傾斜温度制御」ともいう）を提案した（例えば、特許文献１参照）。

図７は、この傾斜温度制御の基本的な構成の一例を示す図であり、２チャンネルの例を示している。

熱板等の制御対象３０の２つの制御点の検出温度を、モード変換器３１によって、両検出温度の平均値である平均温度および両検出温度の温度差である傾斜温度に変換し、平均温度と目標平均温度との偏差または傾斜温度と目標傾斜温度との偏差を各ＰＩＤ制御部３２，３２にそれぞれ入力し、各ＰＩＤ制御部３２，３２は、平均温度の偏差または傾斜温度の偏差をなくすように操作量を演算出力し、前置補償器３３では、傾斜温度の操作量の変化に対して傾斜温度だけが反応し、平均温度への反応は小さくなるように、また逆に、平均温度の操作量の変化に対して傾斜温度への反応が小さくなるように操作量を配分して制御出力とし、この制御出力によって熱板等の制御対象３０を加熱するヒータの通電を制御する。

従来では、制御対象の２点の各点を個別に制御するために、一方の点の制御が他方の点の制御に影響を与えて高精度の制御が困難であったのに対して、この傾斜温度制御では、２点の平均温度と２点の温度差である傾斜温度とを制御量として制御することにより、高精度な制御を可能とするものである。

ところで、プログラマブルコントローラは、産業用システムの制御などに広く使用されており、このプログラマブルコントローラは、制御プログラムに基づいて演算実行するＣＰＵユニット、センサやスイッチなどの入力機器を接続してそれらのオンオフ信号を入力信号として取り込む入力ユニット、アクチュエータやリレーなどの出力機器を接続してそれらに対して出力信号を送り出す出力ユニット、上位端末装置などと接続してそれと情報をやりとりする通信ユニット、各ユニットに電源を供給する電源ユニット、など複数のユニットを組み合わせることにより構成されている。

このＣＰＵユニット内に、インテリジェントな高機能ボードである特殊機能モジュールを着脱可能に実装したタイプのもの、あるいは、このような高機能ボードと同様の機能をＰＬＣを構成する別途のユニットとして実現した高機能ユニットもあり（例えば、特許文献２参照）、本明細書では、それらを総称してループコントローラと称する。
特許第３２７８８０７号公報 特開２００６−４８１８４号公報

かかるループコントローラによる温度制御では、プログラマブルコントローラにおいて実行されるプログラムのプログラミングに用いることができるファンクションブロックによって、温度制御機能を実現している。

かかるファンクションブロックでは、１つのファンクションブロックで温度制御できるチャンネル数、すなわち、制御対象の制御点数は制限があり、その制御点数を越える多点の温度制御の場合には、複数のファンクションブロックを用いて対応することになる。

傾斜温度制御でない従来の温度制御では、上述のように、各チャンネル毎、すなわち、各制御点毎に、個別に制御するので、高精度な制御は実現できないものの、ファンクションブロックを追加して多点の温度制御に容易に対応することができる。

しかしながら、傾斜温度制御は、上述のように、各制御点毎に個別に制御するのではなく、複数の制御点について、例えば、その平均温度と傾斜温度とを制御量として制御するものであるから、従来の温度制御と同様に、傾斜温度機能を有するファンクションブロックを追加して多点の温度制御に対応しようとすると次のような課題がある。

例えば、１つのファンクションブロックによって、図８（ａ）に示すように、制御対象としての熱板７ａの４点７ａ−１〜７ａ−４の傾斜温度制御が可能である場合を考える。

熱板７ａで加熱処理される被加熱物、例えば、半導体ウェハの大きなサイズに対応するために、熱板７ａのサイズを大きくしたときに、図８（ｂ）に示すように、熱板７の制御点数が４点７−１〜７−４のままでは、温度制御の精度が悪くなる。

そこで、図８（ｃ）に示すように、熱板７を、例えば、４つのゾーン７_１〜７_４に分けて、制御点数を１６点として傾斜温度制御することが考えられる。この場合には、制御点数が４点のファンクションブロックを４つに増やして１６点の傾斜温度制御に対応することになるが、各ゾーン７_１〜７_４毎に傾斜温度制御したのでは、各ゾーン７_１〜７_４間の熱的な干渉によって、熱板７の全体を高精度に温度制御するのが困難であるという課題がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、制御点数が増えた場合にも、高精度な傾斜温度制御が可能な温度制御方法、温度制御装置およびループコントローラを提供することを目的とする。

（１）本発明の温度制御方法は、複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換し、変換した傾斜温度と代表温度とを制御量として制御出力をそれぞれ与える複数の温度制御手段を階層化して制御対象の温度を制御する方法であって、前記各温度制御手段は、複数の入力温度を、前記傾斜温度および前記代表温度に変換し、設定される目標温度または上層の温度制御手段からの前記制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換し、前記それぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記それぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力し、前記操作信号を前記制御出力として配分し、前記階層化した複数の温度制御手段の下層の温度制御手段の前記代表温度を、上層の温度制御手段の前記入力温度とする一方、上層の温度制御手段からの制御出力を、下層の温度制御手段の目標温度とし、前記制御対象からの検出温度を、最下層の温度制御手段の前記入力温度とするとともに、該最下層の温度制御手段からの制御出力によって前記制御対象の温度を制御するものである。

傾斜温度とは、温度勾配、すなわち、温度差をいい、例えば、二つの入力温度の温度差などをいう。

代表温度とは、温度状態を代表的に示す温度をいい、例えば、平均温度あるいは制御対象の或る位置（例えば、中央位置）における温度などをいう。

各温度制御手段は、傾斜温度と代表温度とを制御量として制御出力をそれぞれ与えるものであり、傾斜温度制御をそれぞれ行なうものである。

傾斜温度制御を行なう各温度制御手段の制御点数は、少なくとも２点以上、すなわち、制御チャンネル数は、２チャンネル以上であればよい。

各温度制御手段を、階層化せずに、傾斜温度制御してもよい。

階層化とは、複数の温度制御手段を用いた構成において、或る温度制御手段Ａの目標温度が、他の温度制御手段Ｂによって規定され、前記他の温度制御手段Ｂの目標温度が、更に他の温度制御手段Ｃによって規定されるといったように、制御の目標である目標温度が、上位、すなわち、上層の温度制御手段によって順次規定される構成をいう。

また、この階層化では、前記更に他の温度制御手段Ｃは、その下層である前記他の温度制御手段Ｂからの代表温度に基づいて、該他の温度制御手段Ｂに対する目標温度を規定し、他の温度制御手段Ｂは、その下層である或る温度制御手段Ａからの代表温度に基づいて、該或る温度制御手段Ａに対する目標温度を規定するといったように、上層の温度制御手段は、その下層の温度制御手段からの代表温度に基づいて、該下層の温度制御手段に対する目標温度を規定するものである。

上層、下層とは、相対的表現であって、例えば、前記他の温度制御手段Ｂは、前記或る温度制御手段Ａに対しては上層であるが、前記更に他の温度制御手段Ｃに対しては下層となる。

本発明の温度制御方法によると、制御点数を増やして、単一の温度制御手段では制御できない多点の制御を行なう場合には、傾斜温度制御を行なう温度制御手段を単に増設して各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御を行なうのではなく、下層の温度制御手段の目標温度を、該下層の温度制御手段からの代表温度に基づいて、上層の温度制御手段によって制御するという階層構造とするので、制御対象を直接的に制御する最下層の複数の温度制御手段の全体として傾斜温度制御することができ、複数の各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御する構成に比べて、高精度の傾斜温度制御が可能となる。

（２）本発明の温度制御方法の一つの実施形態では、前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である。

この実施形態によると、上層の温度制御手段は、下層の複数の温度制御手段からの平均温度を入力温度として傾斜温度制御を行なって前記下層の複数の温度制御手段の目標温度を制御するので、例えば、制御対象の温度を均一に制御する場合には、最下層の複数の各温度制御手段が、前記制御対象の対応する各ゾーンを均一な温度にそれぞれ傾斜温度制御しながら、その上層の温度制御手段によって、各ゾーンの平均温度が均一になるように最下層の各温度制御手段を制御できることになり、これによって、ゾーン間の熱的な干渉による影響を低減して高精度に温度を均一化することができる。

（３）本発明の温度制御装置は、複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換し、変換した傾斜温度と代表温度とを制御量として制御出力をそれぞれ与える複数の温度制御手段を階層化して制御対象の温度を制御する装置であって、前記各温度制御手段は、複数の入力温度を、前記傾斜温度および前記代表温度に変換する入力温度変換部と、設定される目標温度または上層の温度制御手段からの前記制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換する目標温度変換部と、前記両変換部でそれぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記両変換部でそれぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力する制御部と、前記制御部からの操作信号を前記制御出力として配分する配分部とを含み、前記階層化した複数の温度制御手段の下層の温度制御手段の前記入力温度変換部からの前記代表温度を、上層の温度制御手段の前記入力温度変換部の前記入力温度とする一方、上層の温度制御手段の前記配分部からの制御出力を、下層の温度制御手段の前記目標温度変換部の入力とし、前記制御対象からの検出温度を、最下層の温度制御手段の前記入力温度変換部の前記入力温度とするとともに、該最下層の温度制御手段の前記配分部からの制御出力によって前記制御対象の温度を制御するものである。

温度制御手段を、温度調節器で構成し、複数の温度調節器を階層的に接続して本発明の温度制御装置としてもよい。

本発明の温度制御装置によると、制御点数を増やして、単一の温度制御手段では制御できない多点の制御を行なう場合には、傾斜温度制御を行なう温度制御手段を単に増設して各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御を行なうのではなく、下層の温度制御手段の目標温度を、該下層の温度制御手段からの代表温度に基づいて、上層の温度制御手段によって制御するという階層構造とするので、制御対象を直接的に制御する最下層の複数の温度制御手段の全体として傾斜温度制御することができ、複数の各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御する構成に比べて、高精度の傾斜温度制御が可能となる。

また、各温度制御手段は、複数の入力温度を、傾斜温度および代表温度に変換し、傾斜温度と目標傾斜温度との偏差または代表温度と目標代表温度との偏差に基づく操作信号を制御出力として配分するという傾斜温度制御を行ない、これら複数の温度制御手段を階層化して傾斜温度制御を行なうので、制御点数が増えても高精度の傾斜温度制御が可能となる。

（５）本発明の温度制御装置の他の実施形態では、前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である。

この実施形態によると、上層の温度制御手段は、下層の複数の温度制御手段からの平均温度を入力温度として傾斜温度制御を行なって前記下層の複数の温度制御手段の目標温度を制御するので、例えば、制御対象の温度を均一に制御する場合には、最下層の複数の各温度制御手段が、前記制御対象の対応する各ゾーンを均一な温度にそれぞれ傾斜温度制御しながら、その上層の温度制御手段によって、各ゾーンの平均温度が均一になるように最下層の各温度制御手段を制御できることになり、これによって、ゾーン間の熱的な干渉による影響を低減して高精度に温度を均一化することができる。

（７）本発明のループコントローラは、プログラマブルコントローラにおいて実行されるプログラムのプログラミングに用いることができるファンクションブロックを備えるループコントローラであって、複数の温度制御ブロックを、前記ファンクションブロックによってそれぞれ構成して階層化できるものであり、前記温度制御ブロックを構成する前記ファンクションブロックは、複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換する入力温度変換ブロックと、設定される目標温度または前記階層化された上層の温度制御ブロックからの制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換する目標温度変換ブロックと、前記両変換ブロックでそれぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記両変換ブロックでそれぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力する制御ブロックと、前記制御ブロックからの操作信号を制御出力として配分する配分ブロックとを含み、前記階層化した複数の温度制御ブロックの上層の温度制御ブロックの前記入力温度変換ブロックには、複数の下層の温度制御ブロックの各入力温度変換ブロックでそれぞれ変換された複数の前記代表温度を、前記複数の入力温度として入力する一方、該上層の温度制御ブロックの前記配分ブロックで配分した複数の制御出力を、前記下層の複数の温度制御ブロックの前記目標温度変換ブロックに入力し、最下層の温度制御ブロックの前記入力温度変換ブロックには、制御対象からの検出温度を前記入力温度として入力する一方、該最下層の温度制御ブロックの前記配分ブロックで配分した制御出力によって前記制御対象の温度を制御するものである。

本発明のループコントローラによると、制御点数を増やして多点の制御に対応する場合には、ファンクションブロックを用いたプログラミングによって、傾斜温度制御を行なう複数の温度制御ブロックを階層化することにより、高精度の傾斜温度制御が可能となる。また、温度制御ブロックを、複数種類のファンクションブロックに分けて構成しているので、内部メモリを有効に活用することができる。

（８）本発明のループコントローラの一つの実施形態では、前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である。

この実施形態によると、例えば、制御対象の温度を均一に制御する場合には、最下層の複数の各温度制御手段が、前記制御対象の対応する各ゾーンを均一な温度にそれぞれ傾斜温度制御しながら、その上層の温度制御手段によって、各ゾーンの平均温度が均一になるように最下層の各温度制御手段を制御できることになり、これによって、ゾーン間の熱的な干渉による影響を低減して高精度に温度を均一化することができる。

本発明によると、制御点数を増やして、単一の温度制御手段では制御できない多点の制御を行なう場合には、傾斜温度制御を行なう温度制御手段を単に増設して各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御を行なうのではなく、下層の温度制御手段の目標温度を、該下層の温度制御手段からの代表温度に基づいて、上層の温度制御手段によって制御するという階層構造とするので、制御対象を直接的に制御する最下層の複数の温度制御手段の全体として傾斜温度制御することができ、複数の各温度制御手段毎に個別に傾斜温度制御する構成に比べて、高精度の傾斜温度制御が可能となる。

以下、図面によって、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明に係るループコントローラが実装されるプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）による温度制御の概略構成を示す図である。
プログラマブルコントローラ１は、複数のユニットを連結して構成されている。すなわち、電源ユニット２と、ＣＰＵユニット３と、ループコントローラ４と、アナログ入力ユニット５と、アナログ出力ユニット６とを備えている。もちろん、プログラマブルコントローラの構成は、図示するものに限ることなく、必要に応じて所望のユニットを追加接続可能である。

ＣＰＵユニット３は、ＲＳ２３２Ｃなどのシリアルインタフェースを備え、そのシリアルインタフェースにツール（図示せず）を接続すると、そのツールを介してＣＰＵユニット３のユーザメモリ，Ｉ／Ｏメモリ等のデータメモリにユーザプログラムや各種のパラメータを書き換えすることができる。本発明との関係でいうと、ループコントローラ４で使用する後述のファンクションブロックの指定や、そのファンクションブロック（プログラム）を実行するのに必要なパラメータ等をＣＰＵユニット３のデータモリに格納し、インナーバスを介してループコントローラ４がデータメモリに格納されたデータを取得し、所定の機能（プログラム）を実行する。

この図１において、プログラマブルコントローラ１は、制御対象としての熱板７の温度を、傾斜温度制御するものであり、熱板７の複数、この例では、８つの制御点７−１〜７−８に対応する複数の温度センサ（図示せず）からの検出温度が、アナログ入力ユニット５およびＣＰＵユニット３を介してループコントローラ４に取り込まれる。ループコントローラ４は、後述の傾斜温度制御のためのファンクションブロックによって、熱板７の温度を目標温度にするための制御出力を演算し、ＣＰＵユニット３およびアナログ出力ユニット６を介して図示しないＳＳＲ等を制御して熱板７を加熱する図示しない複数のヒータの通電を制御するものである。

図２は、ループコントローラ４の内部構成を示している。このループコントローラ４は、外部インタフェースとしては、ＲＳ２３２Ｃポート８を有している。このＲＳ２３２Ｃポート８は、温度調節器などと直接シリアル通信するためのポートであり、入出力可能となっている。また、外部に対する報知機能として、ＬＥＤ９も備えている。このＬＥＤ９は、ＣＰＵユニット３とのバスが確立していることや、ファンクションブロックやシミュレーション機能が動作中であることや、ＲＳ２３２Ｃポート経由で、データ通信していることなどを示すものである。また、ＣＰＵユニット３との間でデータの送受をするためのインナーバスインタフェース１０も備えている。このインナーバスインタフェース１０を介してＣＰＵユニット３のデータメモリとの間でデータ更新を行う。

具体的なデータ交換は、ＣＰＵユニットメモリアクセス機能１１や外部メッセージ通信処理部１２が実行し、上記のバスインタフェース１０を介して所定のデータを送受する。すなわち、外部メッセージ通信処理部１２は、専用ツールからのパラメータ設定や、パラメータ読出を行うための、メッセージコマンドをＣＰＵユニット経由で受信し、それに対するレスポンスデータを送信する機能を有する。つまり、パラメータ設定のメッセージコマンドは、受信機能で受信し、受信したパラメータをパラメータ設定処理部１３に渡す。すると、パラメータ設定処理部１３は、外部メッセージ通信処理部（受信機能）１２から取得したパラメータを記憶素子（ＳＲＡＭ）１４に格納する。また、外部メッセージ通信処理部１２が受信したメッセージがパラメータ読出の場合、受信機能からパラメータ設定処理部１３を介して記憶素子１４に格納された指定されたパラメータを読み出し、外部メッセージ通信処理部１２の返信機能がレスポンスとしてその読み出したパラメータを返信する。また、記憶素子１４はＳＲＡＭで揮発性メモリであるため、そこに記憶されたパラメータは、ＦＲＯＭバックアップ機能１５により読み出し、不揮発性記録素子（ＦＲＯＭ）１６に記憶する。

ＣＰＵユニットメモリアクセス機能１１は、ＣＰＵユニット間バス経由で、１ワード単位で、データ送受信できる手段である。これによりＣＰＵユニット上のデータメモリ（Ｉ／Ｏメモリ）とのデータ交換を行う。すなわち、たとえばアナログ入力ユニット５を介して取得した入力データがＣＰＵユニット３のデータメモリ（Ｉ／Ｏメモリ）に格納されるため、それをＣＰＵユニットメモリアクセス機能１１の入力インタフェースを介して取得し、ファンクションブロック１７に与える。また、ファンクションブロック１７により実行して得られた演算結果を指定値（指令値・設定値）は、ＣＰＵユニットメモリアクセス機能１１の出力インタフェースからバスインタフェース１０を介してＣＰＵユニット３のデータメモリに書き込まれる。

ファンクションブロック実行管理部１８は、実装された所定のファンクションブロック１７を実行するものである。ファンクションブロック１７としては、傾斜温度制御のための後述の各種ブロック、オンオフ制御ブロック，警報ブロック，四則演算ブロックなどがある。専用ツールにより自由にプログラミングできる。さらに、ファンクションブロック実行管理部１８にて実際に各ファンクションブロックを実行する際には、記憶素子（ＳＲＡＭ）１４上にあるパラメータを用いて、各種処理を行う。

なお、ファンクションブロック実行管理部１８に管理された各ファンクションブロック（プログラム部品）１７は、ファンクションブロックプログラム管理部からのコール命令を受けて実行される。このコール命令は、内部クロックにより予め設定されたスキャン周期に来たならば、そのファンクションブロック管理部が発行する。

この実施形態のループコントローラ４は、傾斜温度制御機能を有しており、この傾斜温度制御機能を実現するために、複数種類のファンクションブロックを備えている。

図３は、傾斜温度を行なうための温度制御ブロックを、４種類のファンクションブロックで構成した例を示すものであり、この実施形態では、温度制御ブロックの制御点数は、最大８点となっており、この図３では、上述の図７と同様の２チャンネル、すなわち、制御点数が２点の傾斜温度制御の場合の接続例を示している。

温度制御手段としての温度制御ブロックは、８つの入力温度ＰＶ１〜ＰＶ８を、代表温度としての１つの平均温度ＧＰＶ１および７つの傾斜温度ＧＰＶ２〜ＧＰＶ８に変換する入力温度変換部としての入力温度モード変換ブロック２０と、設定あるいは入力される各制御点の目標温度ＳＰ１〜ＳＰ８を、１つの目標平均温度ＧＳＰ１および７つの目標傾斜温度ＧＳＰ１〜ＧＳＰ８に変換する目標温度変換部としての目標温度モード変換ブロック２１と、入力温度ＰＶと目標温度ＲＳＰとの偏差に基づいて、操作信号ＭＶを演算するＰＩＤ制御ブロック２２と、複数のＰＩＤ制御ブロック２２からの操作信号ＧＭＶ１〜ＧＭＶ８を、各ＰＩＤ制御ブロックによる制御が、他のＰＩＤ制御ブロックによる制御に与える影響をなくす又は小さくするように配分して制御出力ＭＶ１〜ＭＶ８を与える配分部としての前置補償ブロック２３とを備えている。

入力温度モード変換ブロック２０は、８つの入力温度を、その平均値である平均温度と、例えば、隣の入力温度との温度差（ＰＶ１−ＰＶ２，ＰＶ２−ＰＶ３，ＰＶ３−ＰＶ４，…ＰＶ７−ＰＶ８）である７つの傾斜温度に変換する。この図３では、制御点数が２点であるので、２つの入力温度ＰＶ１，ＰＶ２を、その平均温度ＧＰＶ１に変換するとともに、その温度差ＰＶ１−ＰＶ２である傾斜温度ＧＰＶ２に変換する。

目標温度モード変換ブロック２１は、入力温度モード変換ブロック２０と同様の機能を有しており、８つの制御点の設定温度（目標温度）ＳＰ１〜ＳＰ８を、その平均値である平均目標温度ＧＳＰ１と、例えば、隣の設定温度との温度差（ＳＰ１−ＳＰ２，ＳＰ２−ＳＰ３，ＳＰ３−ＳＰ４，…ＳＰ７−ＳＰ８）である７つの目標傾斜温度ＧＳＰ２〜ＧＳＰ８に変換する。この図３では、制御点数が２点であるので、２つの設定温度ＳＰ１，ＳＰ２を、その平均温度である平均目標温度ＧＳＰ１に変換するとともに、その温度差ＳＰ１−ＳＰ２である目標傾斜温度ＧＳＰ２に変換する。

ＰＩＤ制御ブロック２２は、入力温度ＰＶと目標温度ＲＳＰとの偏差をなくすようにＰＩＤ演算を行なって操作信号（操作量）ＭＶを出力するものである。図３では、２つのＰＩＤ制御ブロック２２，２２の一方のＰＩＤ制御ブロック２２は、平均温度ＧＰＶ１が入力されて平均温度の偏差をなくすように操作信号を出力し、他方のＰＩＤ制御ブロック２２は、傾斜温度ＧＰＶ２が入力されて傾斜温度の偏差をなくすように操作信号を出力する。

前置補償ブロック２３は、ＰＩＤ制御ブロック２２からの操作量を分解するものであり、傾斜温度制御の公知文献(特許第３２７８８０７号、特開２００２−１５７００１)等と同様の構成であり、前置補償ブロック２３の配分比の行列である前置補償行列をＧｃ、上述の目標温度モード変換ブロック２０による入力温度を傾斜温度および平均温度に変換する行列をモード変換行列Ｇｍ、制御対象の伝達関数行列をＧｐとすると、前置補償行列Ｇｃは、以下のように逆行列として求めることもできる。

Ｇｃ＝（Ｇｍ・Ｇｐ）^-1
この図３では、制御点数が２点であるので、前置補償ブロック２３は、傾斜温度の操作量の変化に対して傾斜温度だけが反応し、平均温度への反応は小さくなるように、また逆に、平均温度の操作量の変化に対しては傾斜温度への反応が小さくなるように操作量を配分する。

このように複数種類のファンクションブロック２０〜２３を組み合わせて傾斜温度制御することが可能となる。

この実施形態では、各ファンクションブロックの制御点数は、上述のように最大８点となっており、したがって、制御点数が８点を越える場合には、プログラミングによって、各ファンクションブロック２０〜２３による温度制御ブロックを増やすことになる。

しかしながら、単に温度制御ブロックを増やして傾斜温度制御を行なったのでは、上述の図８に基づいて説明したように、各ファンクションブロックに対応するゾーン間の熱的な干渉によって高精度な温度制御が困難である。

そこで、この実施形態では、制御点数が増えた場合にも高精度に均一な温度制御が行なえるように次のようにしている。

すなわち、図４は、この実施形態の傾斜温制御の考え方を説明するための図であり、同図において、７は制御対象としての熱板、２４−１〜２４−３は傾斜温度制御を行なう温度制御ブロックであり、この図４では、簡略化のために、制御点数が最大４点の温度制御ブロック２４−１〜２４−３の例を示しており、熱板７の８つの制御点７−１〜７−８を同一の温度に均一に制御する場合を示している。

同図（ａ）に示すように、熱板の８点の制御点を、２つの温度制御ブロック２４−１，２４−２によって左右の各ゾーン７Ａ，７Ｂの４点７−１〜７−４，７−５〜７−８ずつ傾斜温度制御する場合を考える。各温度制御ブロック２４−１，２４−２は、それぞれ４点７−１〜７−４，７−５〜７−８の温度が均一な温度となるように傾斜温度制御する。この状態では、上述のように、各温度制御ブロック２４−１，２４−２でそれぞれ温度制御する左右のゾーン７Ａ，７Ｂ間の熱的な干渉によって高精度に均一化するのが困難である。

そこで、この実施形態では、更に、同図（ｂ）に示すように、各温度制御ブロック２４−１，２４−２によってそれぞれ傾斜温度制御されている各ゾーン７Ａ，７Ｂの平均温度が、均一になるように、温度制御ブロック２４−３を追加し、この温度制御ブロック２４−３によって、各ゾーン７Ａ，７Ｂの平均温度を、傾斜温度制御するものである。

つまり、２つの温度制御ブロック２４−１，２４−２によって、各ゾーン７Ａ，７Ｂの４つ制御点７−１〜７−４，７−５〜７−８の温度が均一になるようにそれぞれ傾斜温度制御する一方、各ゾーン７Ａ，７Ｂの平均温度を、新たな２つの制御点の温度とみなして追加した温度制御ブロック２４−３で傾斜温度制御するものであり、温度制御ブロック２４−３の制御出力（操作量）を、各温度制御ブロック２４−１，２４−２の目標温度とするものであり、２つの温度制御ブロック２４−１，２４−２の上層に、それらの平均温度に基づいて、目標温度を与える温度制御ブロック２４−３を設けて階層化した構成となっている。

図５は、この階層化した構成例を示すブロック図であり、入力温度モード変換ブロック、目標温度モード変換ブロック、ＰＩＤ制御ブロックおよび前置補償ブロックの４種類のファンクションブロックを組み合わせて構成されている。上述の図３に対応するファンクションブロックには、対応する参照符号を付す。なお、この図５では、簡略化のために各ファンクションブロックの最大の制御点数を４点としている。また、上の層のブロックの参照符号には、添え字Ｈを、下の層のブロックの参照符号には、添え字Ｌを付している。

この図５において、上層の温度制御ブロック２４Ｈが、上述の図４の温度制御ブロック２４−３に対応し、下層の温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２が、図４の温度制御ブロック２４−１，２４−２にそれぞれ対応する。

制御点数が４点の下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２は、入力温度モード変換ブロック２０Ｌ−１，２０Ｌ−２、目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２および前置補償ブロック２３Ｌ−１，２３Ｌ−２をそれぞれ１つずつ備えるとともに、ＰＩＤ制御ブロック２２Ｌ−１−１〜２２Ｌ−１−４，２２Ｌ−２−１〜２２Ｌ−２−４をそれぞれ４つずつ備えている。

下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各入力温度モード変換ブロック２０Ｌ−１，２０Ｌ−２の４つの入力ＰＶ１〜ＰＶ４には、例えば、図４に示す熱板７の各制御点７−１〜７−４，７−５〜７−８の温度を検出する温度センサからの検出温度が入力され、それぞれ平均温度および３つの傾斜温度に変換されて４つの出力ＧＰＶ１〜ＧＰＶ４からそれぞれ出力され、各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｌ−１−１〜２２Ｌ−１−４，２２Ｌ−２−１〜２２Ｌ−２−４にそれぞれ与えられる。

下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２の４つの入力ＳＰ１〜ＳＰ４には、上層の温度制御ブロック２４Ｈの前置補償ブロック２３Ｈからの制御出力ＭＶ１，ＭＶ２がそれぞれ目標温度として入力され、目標平均温度ＧＳＰ１および３つの目標傾斜温度ＧＳＰ２〜ＧＳＰ４に変換され、各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｌ−１−１〜２２Ｌ−１−４，２２Ｌ−２−１〜２２Ｌ−２−４にそれぞれ与えられる。

下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｌ−１−１，２２Ｌ−２−１は、平均温度の偏差がなくなるように操作量ＭＶを演算して前置補償ブロック２３Ｌ−１，２３Ｌ−２にそれぞれ出力し、各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｌ−１−２〜２２Ｌ−１−４，２２Ｌ−２−２〜２２Ｌ−２−４は、傾斜温度の偏差がなくなるように操作量ＭＶを演算して前置補償ブロック２３Ｌ−１，２３Ｌ−２にそれぞれ出力する。

下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各前置補償ブロック２３Ｌ−１，２３Ｌ−２は、操作量を配分してヒータの通電を制御するＳＳＲ等に制御出力として与える。

一方、上層の温度制御ブロック２４Ｈは、入力温度モード変換ブロック２０Ｈ、目標温度変換ブロック２１Ｈおよび前置補償ブロック２３Ｈを１つずつ備えるとともに、ＰＩＤ制御ブロック２２Ｈ−１，２２Ｈ−２を２つ備えている。

この温度制御ブロック２４Ｈの入力温度モード変換ブロック２０Ｈの２つの入力ＰＶ１，ＰＶ２には、下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各入力温度モード変換ブロックの出力ＧＰＶ１である平均温度がそれぞれ入力され、入力温度モード変換ブロック２０Ｈで、平均温度と傾斜温度とに変換されて各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｈ−１，２２Ｈ−２にそれぞれ与えられる。

上層の温度制御ブロック２４Ｈの目標温度モード変換ブロック２１Ｈの２つの入力ＳＰ１，ＳＰ２には、ユーザによる設定温度が与えられ、目標平均温度ＧＳＰ１および目標傾斜温度ＧＳＰ２に変換され、各ＰＩＤ制御ブロック２２Ｈ−１，２２Ｈ−２にそれぞれ与えられる。

温度制御ブロック２４Ｈの一方のＰＩＤ制御ブロック２２Ｈ−１は、平均温度の偏差がなくなるように操作量ＭＶを演算して前置補償ブロック２３Ｈに出力し、他方のＰＩＤ制御ブロック２２Ｈ−２は、傾斜温度の偏差がなくなるように操作量ＭＶを演算して前置補償ブロック２３Ｈにそれぞれ出力する。

温度制御ブロック２４Ｈの前置補償ブロック２３Ｈは、操作量を配分して目標温度として下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２の各目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２にそれぞれ与える。

目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２は、設定温度が、０％〜１００％の値で入力されるものであるので、前置補償ブロック２３Ｈから出力される０％〜１００％の操作量を、そのまま目標温度として入力することができる。

かかる構成においては、下層の各温度制御ブロック２４Ｌ−１，２４Ｌ−２によって、対応する４点の制御点７−１〜７−４，７−５〜７−８の温度が目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２の目標温度になるように傾斜温度制御されるとともに、上層の温度制御ブロック２４Ｈによって、４点７−１〜７−４，７−５〜７−８についての平均温度が、目標温度モード変換ブロック２１Ｈの目標温度になるように傾斜温度制御されることになる。

したがって、例えば、上述の図４（ａ）に示すように、階層化することなく、各温度制御ブロック２４−１，２４−２毎に、ゾーン単位で傾斜温度制御する場合に比べて、ゾーン７Ａ，７Ｂ間の熱的な干渉を低減することができ、熱板全体を均一な温度に制御することが可能となる。

なお、各温度制御ブロック２４−１，２４−２が制御する制御点は、図４のように、左右に配置する必要はなく、任意に配置してもよい。

この実施の形態では、上下２階層の階層構造としたけれども、同様にして３階層以上の階層構造としてもよい。

図６は、３階層の階層構造の例を示したものであり、この図６では、第１階層のブロックの参照符号には、添え字Ｌを、第２階層のブロックの参照符号には、添え字Ｍを、第３階層のブロックの参照符号には、添え字Ｈをそれぞれ付している。

第３階層（最上層）の温度制御ブロック２４Ｈの入力温度モード変換ブロック２０Ｈには、その下層である第２階層の２つの温度制御ブロック２４Ｍ−１，２４Ｍ−２の入力温度モード変換ブロック２０Ｍ−１，２０Ｍ−２からの平均温度ＧＰＶ１−Ｍ，ＧＰＶ１−Ｍが入力され、温度制御ブロック２４Ｈの前置補償ブロック２３Ｈの制御出力が、温度制御ブロック２４Ｍ−１，２４Ｍ−２の目標温度モード変換ブロック２１Ｍ−１，２１Ｍ−２に目標温度として与えられる。

第２階層の２つの温度制御ブロック２４Ｍ−１，２４Ｍ−２の入力温度モード変換ブロック２０Ｍ−１，２０Ｍ−２には、その下層である第３階層（最下層）のそれぞれ４つの温度制御ブロック２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４，２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４の各入力温度モード変換ブロック２０Ｌ−１，２０Ｌ−２からの平均温度ＧＰＶ１−Ｌが入力され、各温度制御ブロック２４Ｍ−１，２４Ｍ−２の前置補償ブロック２３Ｍ−１，２３Ｍ−２の制御出力が、それぞれ４つの温度制御ブロック２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４，２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４の各目標温度モード変換ブロック２１Ｌ−１，２１Ｌ−２に目標温度として与えられる。

第３階層の８つの温度制御ブロック２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４，２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４の各入力温度モード変換ブロック２０Ｌ−１，２０Ｌ−２には、制御対象の温度を検出する温度センサからの検出温度が入力され、各温度制御ブロック２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４，２４Ｌ−１〜２４Ｌ−４の各前置補償ブロック２３Ｌ−１，２３Ｌ−２は、操作量を配分してヒータの通電を制御するＳＳＲ等に制御出力として与える。

以上のようにして、ファンクションブロックを用いたプログラミングによって、３階層以上の階層構造とすることができ、容易に多チャンネル化に対応できるとともに、高精度の傾斜温度が可能となる。

上述の実施形態では、ループコントローラに適用して説明したけれども、本発明は、ループコントローラに限らず、例えば、傾斜温度制御を行なう温度調節器の複数を階層化して温度制御装置を構成してもよい。

本発明は、温度制御に有用である。

図１は、本発明に係るループコントローラを備えるプログラマブルコントローラによる温度制御の概略構成を示す図である。 図２は、図１のループコントローラの内部構成を示す図である。 図３は、傾斜温度を行なう温度制御ブロックの構成例を示す図である。 図４は、傾斜温制御の階層化を説明するための図である。 図５は、２層に階層化した構成例を示すブロック図である。 図６は、３層に階層化した構成例を示す図である。 図７は、傾斜温度制御の構成例を示す図である。 図８は、従来の課題を説明するための図である。

符号の説明

４ ループコントローラ
７ 熱板
２０ 入力温度モード変換ブロック
２１ 目標温度モード変換ブロック
２２ ＰＩＤ制御ブロック
２３ 前置補償ブロック
２４ 温度制御ブロック

Claims (6)

1. 複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換し、変換した傾斜温度と代表温度とを制御量として制御出力をそれぞれ与える複数の温度制御手段を階層化して制御対象の温度を制御する方法であって、
   前記各温度制御手段は、複数の入力温度を、前記傾斜温度および前記代表温度に変換し、設定される目標温度または上層の温度制御手段からの前記制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換し、前記それぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記それぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力し、前記操作信号を前記制御出力として配分し、
   前記階層化した複数の温度制御手段の下層の温度制御手段の前記代表温度を、上層の温度制御手段の前記入力温度とする一方、上層の温度制御手段からの制御出力を、下層の温度制御手段の目標温度とし、前記制御対象からの検出温度を、最下層の温度制御手段の前記入力温度とするとともに、該最下層の温度制御手段からの制御出力によって前記制御対象の温度を制御することを特徴とする温度制御方法。
2. 前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である請求項１に記載の温度制御方法。
3. 複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換し、変換した傾斜温度と代表温度とを制御量として制御出力をそれぞれ与える複数の温度制御手段を階層化して制御対象の温度を制御する装置であって、
   前記各温度制御手段は、複数の入力温度を、前記傾斜温度および前記代表温度に変換する入力温度変換部と、設定される目標温度または上層の温度制御手段からの前記制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換する目標温度変換部と、前記両変換部でそれぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記両変換部でそれぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力する制御部と、前記制御部からの操作信号を前記制御出力として配分する配分部とを含み、
   前記階層化した複数の温度制御手段の下層の温度制御手段の前記入力温度変換部からの前記代表温度を、上層の温度制御手段の前記入力温度変換部の前記入力温度とする一方、上層の温度制御手段の前記配分部からの制御出力を、下層の温度制御手段の前記目標温度変換部の入力とし、前記制御対象からの検出温度を、最下層の温度制御手段の前記入力温度変換部の前記入力温度とするとともに、該最下層の温度制御手段の前記配分部からの制御出力によって前記制御対象の温度を制御することを特徴とする温度制御装置。
4. 前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である請求項３に記載の温度制御装置。
5. プログラマブルコントローラにおいて実行されるプログラムのプログラミングに用いることができるファンクションブロックを備えるループコントローラであって、
   複数の温度制御ブロックを、前記ファンクションブロックによってそれぞれ構成して階層化できるものであり、
   前記温度制御ブロックを構成する前記ファンクションブロックは、複数の入力温度を、複数の入力温度に基づく傾斜温度および代表的な代表温度に変換する入力温度変換ブロックと、設定される目標温度または前記階層化された上層の温度制御ブロックからの制御出力を、目標傾斜温度および目標代表温度に変換する目標温度変換ブロックと、前記両変換ブロックでそれぞれ変換された前記傾斜温度と前記目標傾斜温度との偏差または前記両変換ブロックでそれぞれ変換された前記代表温度と前記目標代表温度との偏差に基づいて操作信号を出力する制御ブロックと、前記制御ブロックからの操作信号を制御出力として配分する配分ブロックとを含み、
   前記階層化した複数の温度制御ブロックの上層の温度制御ブロックの前記入力温度変換ブロックには、複数の下層の温度制御ブロックの各入力温度変換ブロックでそれぞれ変換された複数の前記代表温度を、前記複数の入力温度として入力する一方、該上層の温度制御ブロックの前記配分ブロックで配分した複数の制御出力を、前記下層の複数の温度制御ブロックの前記目標温度変換ブロックに入力し、最下層の温度制御ブロックの前記入力温度変換ブロックには、制御対象からの検出温度を前記入力温度として入力する一方、該最下層の温度制御ブロックの前記配分ブロックで配分した制御出力によって前記制御対象の温度を制御することを特徴とするループコントローラ。
6. 前記傾斜温度が、前記複数の入力温度の温度差であり、前記代表温度が、前記複数の入力温度の平均温度である請求項５に記載のループコントローラ。

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