JP5159288B2 - 状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば温度調節計を用いて制御される環境の温度を監視するに好適な状態監視装置に関する。

各種温度環境等の温度を調節する温度調節計（いわゆる温調計）は、熱電対や測温抵抗体等の温度センサを用いて検出された監視対象の温度を数値表示しながら、検出した温度（ＰＶ値）と目標温度（ＳＰ値）とに従って加熱・冷却装置に対する操作量（ＭＶ値）を求め、前記監視対象の温度を制御する機能を担う（例えば特許文献１を参照）。またこの種の温度調節計には一般的に異常検出機能が組み込まれており、監視対象の異常温度や前記温度センサの異常が検出されたとき、その異常事象をイベント情報として外部出力すると共に、警報（アラーム）表示するように構成されている。

ちなみに温度センサの異常として、例えばシース熱電対（温度センサ）の断線を検出したい場合には、専ら、シース熱電対の断線時には前記シース熱電対から得られる計測値が異常値としてレンジオーバーとなるように回路設計されている。
特開２００４−１２６７３２号公報

しかしながら上述した構成にあっては、例えば過剰な温度上昇（過昇温）に起因してレンジオーバーが発生したのか、或いはシース熱電対の断線に起因してレンジオーバーが発生したのかが区別できないという不具合がある。しかもシース熱電対においては、その充填材の熱応力に起因して高温時にのみ断線状態となり、温度が下がると断線状態から通電可能状態に復帰することがある。このような現象についても前述したレンジオーバーから把握することができないという問題がある。更には一般市販されている温度制御機器の状態を、通信機能を介して別の監視用機器にて監視・管理するような場合、前述したレンジオーバーだけでは前記温度制御機器の内部状態を把握することが非常に困難であるという問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、例えば加熱制御における過昇温という通常のレンジオーバーと、シース熱電対の断線（センサ断線）とを区別することのできる状態監視装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明は、例えば制御対象を温度制御している場合、加熱・冷却アクチュエータを含む制御対象のエネルギ蓄積要素により温度変化等の状態変化の速度に自ずと限界があるが、センサ断線の発生時には瞬間的な状態変化が生じること、また異常が発生する前の定常状態時（正常な制御状態時）には、想定すべき最大の温度変化率が観測されている可能性が高いことに着目している。

そこで本発明に係る状態監視装置は、
<ａ> 温度センサを用いて検出される監視対象の状態を示す状態値ＰＶの変化率ΔＰＶを求める変化率算出手段と、
<ｂ> 前記変化率ΔＰＶの最大値に基づいてその変化率ΔＰＶに対する変化率閾値Ｔｈを設定する閾値設定手段と、
<ｃ> 前記状態値ＰＶが所定の上限値Ｒｈを超えたか否かを判定する状態値判定手段と、
<ｄ> この状態値判定手段が前記上限値Ｒｈを超えるレンジオーバーの状態値ＰＶを検出したとき、その直前における前記変化率ΔＰＶが前記変化率閾値Ｔｈを超えているか否かを判定する変化率判定手段と、
<ｅ> この変化率判定手段にて前記変化率閾値Ｔｈを超える変化率ΔＰＶが検出されたときには前記温度センサの断線を示す断線信号を出力し、前記変化率ΔＰＶが変化率閾値Ｔｈを超えていないときには前記状態値ＰＶが前記上限値を超えたことを示す過昇温信号を出力する出力回路と
を具備したことを特徴としている。

ちなみに前記温度センサはシース熱電対からなる。尚、前記出力回路については、前記断線信号をラッチして出力するラッチ回路を備えることが好ましい。また前記変化率閾値Ｔｈについては、例えば所定の係数α（但し、α＞１）を、前記状態値ＰＶのレンジオーバーが発生しない状況において観測される前記変化率ΔＰＶの最大値に乗じて設定するようにしておけば良い。更には前記変化率閾値Ｔｈを、予め設定した温度帯別に設定しておくことも好ましい。

前記構成の状態監視装置によれば、状態値ＰＶがその上限値Ｒｈを超える直前における前記状態値ＰＶの変化率ΔＰＶが、それまでの状態値ＰＶのレンジオーバーが発生しない状況において観測される前記変化率ΔＰＶの最大値に応じて設定された変化率閾値Ｔｈを超えたか否かを判定するので、例えば加熱制御における過昇温という通常のレンジオーバーとシース熱電対の断線（センサ断線）とを明確に区別することができる。

また温度センサ（シース熱電対）の断線検出時に求められる断線信号をラッチするようにしておけば、一時的な異常の発生であっても、これを確実に検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る状態監視装置について説明する。
この状態監視装置は、例えば図１に示すような加熱処理炉の温度を制御する温度調節装置（温調計）に組み込むに好適なものである。ちなみに加熱処理炉１の温度制御は、炉内を加熱するヒータ２と、炉内の温度を検出する温度センサ３とを用い、温度調節装置（温調計）４の制御の下で前記温度センサ３により検出される炉内温度に応じて電力調整器５の作動を制御し、これによって前記ヒータ２の通電量（発熱量）を制御することによって行われる。換言すれば前記温度調節装置（温調計）４は、炉内温度（状態値；ＰＶ）とその目標温度（目標値；ＳＰ）との温度差（誤差）を求め、その温度差を零とするための制御信号（操作量；ＭＶ）を求めて電力調整器５を制御することでヒータ２の通電量（発熱量）を調整し、これによって前記炉内温度（状態値；ＰＶ）が目標温度（目標値；ＳＰ）となるように制御する。

このような温度調節装置（温調計）４に組み込まれて、或いは温度調節装置４の補助機器として用いられる状態監視装置は、概略的には図２に示すように前記温度センサ３により検出される炉内温度（状態値；ＰＶ）をその上限値（温度上限値；Ｒｈ）と比較して過昇温によるレンジオーバー、若しくはセンサ断線が発生していることを検出する第１の異常判定手段（比較器）１０を備えると共に、前記炉内温度（状態値；ＰＶ）の変化の仕方に着目し、その変化率を所定の上限値（変化率閾値；Ｔｈ）と比較することで、急激な温度変化であればセンサ断線の可能性があると判定する第２の異常判定手段（比較器）２０と、これらの第１および第２の異常判定手段（比較器）１０,２０による各判定結果に基づいて前記過昇温によるレンジオーバーであるか、或いはセンサ断線であるかを判定し、その判定結果を出力する出力回路（論理回路）４０を備えることを特徴としている。

尚、前記温度上限値Ｒｈは、制御対象の管理仕様（加熱処理炉１の炉内管理温度）に応じて設定される。また前記変化率閾値Ｔｈは、前記制御対象の状態が正しく検出されて、その制御対象が正常に制御されている期間、つまり炉内温度を検出する温度センサ３が正常に機能しているときに観測される温度変化率の最大値をベースとして設定される。
即ち、本発明においては、温度センサ３に断線が発生する前の定常状態時（正常な制御状態時）には、制御対象の状態変化は想定すべき最大の温度変化率の範囲内においてのみ生じること、そして前記温度センサ３に断線が発生した場合、見掛け上、そのセンサ出力が急激に変化（上昇）し、前記制御対象の状態変化の速度が想定した最大の温度変化率を上回ることに着目して前記変化率閾値Ｔｈを設定している。そして変化率閾値Ｔｈを上回る温度変化が検出されたとき、これを過昇温ではなくセンサの断線であるとして警報を発することを特徴としている。

具体的には本発明に係る状態監視装置は、図３に示すように温度センサ３により求められた温度情報（状態値ＰＶ）を入力し、この温度値ＰＶを予め設定された温度上限値Ｒｈと比較し、状態値（温度）ＰＶが前記温度上限値Ｒｈを上回るとき、それを示す信号（判定結果）を出力する比較器１０を備える。一方、前記温度情報（状態値ＰＶ）は１サンプル遅延回路３１に入力されており、変化率算出手段３２は前記１サンプル遅延回路３１を介して求められる１サンプル前（１監視周期前）の温度情報（状態値）ＰＶn-1と現サンプリング時点での温度情報（状態値）ＰＶnとの差ΔＰＶ（＝ＰＶn−ＰＶn-1）を温度変化率として求めている。

変化率閾値設定手段３３は、上述した如く求められた温度変化率ΔＰＶに所定の係数α（但し、α＞１）を乗じることによって変化率閾値Ｔｈ（＝ΔＰＶ・α）を設定するものである。尚、前記係数αは経験的には［５.０］程度、或いはそれ以上の値として与えられる。また比較器３４は、前述した如く求められる現在の温度変化率ΔＰＶと、係数器３５を介して前記変化率閾値Ｔｈを前記係数αにて除した値［Ｔｈ／α（＝ΔＰＶ）］とを比較することで、現時点での前記温度変化率ΔＰＶがそれまでに前記変化率閾値Ｔｈの算出の基準となった温度変化率ΔＰＶを上回るか否かを判定している。そして今までの温度変化率ΔＰＶを上回る温度変化率ΔＰＶが検出されたとき、前記変化率閾値設定手段３３に指令を与えて前記変化率閾値Ｔｈの算出を実行させるものとなっている。

即ち、前記比較器３４は温度変化率ΔＰＶの最大値を検出しており、最大となる温度変化率ΔＰＶが検出されたときにだけ前記変化率閾値設定手段３３を起動することにより、この温度変化率ΔＰＶの最大値に基づいて変化率閾値Ｔｈを更新している。従って温度情報（状態値）ＰＶを入力している期間において、その温度変化率ΔＰＶが大きくなる都度、その温度変化率ΔＰＶに基づいて変化率閾値Ｔｈが更新されることになる。尚、この変化率閾値Ｔｈについては、初期値として十分に小さい値、具体的には［０.０］等として設定しておけば問題はない。

ちなみに上述した処理を論理的に表現すると、
入力変数 ；現サンプリング時点の状態値 ＰＶn
１サンプル前の状態値 ＰＶn-1
係数 α
変化率算出；ΔＰＶ ＝ ＰＶn−ＰＶn-1
上限値算出；if ΔＰＶ ＞ Ｔｈ／α then Ｔｈ ＝ ΔＰＶn・α
となる。

さて上述した如くして変化率閾値Ｔｈが設定された状態において、前述した如く監視周期に同期して求められる温度変化率ΔＰＶは前述した比較器２０に与えられ、前記変化率閾値Ｔｈと比較される。そして比較器２０は、前記温度変化率ΔＰＶが変化率閾値Ｔｈを超えたとき、その状態を示す信号を出力している。この比較器２０から出力される信号（判定結果）は、前述した比較器１０から出力される信号（判定結果）と共に論理回路（出力回路）４０に与えられる。

そして論理回路４０においては、前記比較器１０から信号が出力され（ＰＶn＞Ｒｈ）、且つ比較器２０からも信号が出力される（ΔＰＶn＞Ｔｈ）ことを条件として前記温度センサ３に断線が生じたとして判定し、また単に比較器１０から信号が出力されているだけの状態（ＰＶn＞Ｒｈ）、つまり（ΔＰＶn≦Ｔｈ）であって比較器２０から信号が出力されていない状態においては、これを前記炉内温度の過昇温であると判定している。そしてこの論理回路４０からの出力信号はアラーム（警報）として外部出力されるようになっている。特に前記温度センサ３の断線を示す信号はラッチ回路４１にてラッチして出力され、仮に前記論理回路４０からの信号出力が途絶えたとしても、そのラッチ状態が維持され、これによってアラーム（警報）が継続的に行われるものとなっている。

かくして上述した如く構成された状態監視装置によれば、状態値ＰＶを監視するだけで温度センサ３の断線を検出することができる。即ち、炉内温度の過昇温と区別して前記センサの断線を的確に検出することができる。また前記構成によれば、炉内温度の変化に追従してその温度変化率ΔＰＶを求め、温度変化率ΔＰＶが最大となったときに、その温度変化率ΔＰＶに基づいて変化率閾値Ｔｈを自動設定し、センサ出力（炉内温度を示す状態値ＰＶ）がその上限値Ｒｈを超えたとき、その直前、具体的には１監視周期前の状態値ＰＶn-1と、状態値ＰＶが上限値Ｒｈを超えた時点での状態値ＰＶnと温度変化率ΔＰＶを調べる。

この処理を論理的に表現すると、
入力変数 ；現サンプリング時点の状態値 ＰＶn
１サンプル前の状態値 ＰＶn-1
上限値 Ｒｈ
変化率閾値 Ｔｈ
変化率算出；ΔＰＶ ＝ ＰＶn−ＰＶn-1
上限値判定；if ΔＰＶ ＞ Ｔｈ and ＰＶn ＞ Ｒｈ
then センサ断線
if ΔＰＶ ≦ Ｔｈ and ＰＶn ＞ Ｒｈ
then 過昇温
となる。

ところで上述した加熱処理炉の温度を制御するような場合であって、炉内温度である状態値ＰＶがその上限値Ｒｈの近傍まで昇温している状況においては僅かな温度上昇だけでレンジオーバーが生じ、そのときの温度変化率ΔＰＶは小さい値として検出されることがある。例えば温度上限値が８００℃であって、炉内温度ＰＶが７９５℃であるような場合には、５℃の温度上昇だけでレンジオーバーが発生し、温度センサ３の断線に起因する温度上昇（センサ出力の増大）か、炉内温度の上昇によるものかの判定が困難となることが予想される。

しかしヒータ２の特性に着目すれば、状態値（温度）ＰＶの上昇に伴ってヒータ能力がその飽和状態に近付き、これに伴って温度変化率ΔＰＶも小さくなる。従って炉内温度ＰＶの予想される温度変化範囲（温度幅）を複数の温度帯に区分し、これらの温度帯毎に前述した変化率閾値Ｔｈを設定すれば上述した不具合を解消することができる。
具体的には、例えば０〜８００℃の計測レンジを１００℃毎の温度帯として区分し、これらの温度帯毎に変化率閾値Ｔｈi（ｉ＝１〜ｍ，この例ではｍ＝８）を設定するようにする。そして区分した温度帯毎の変化率閾値Ｔｈi（ｉ＝１〜ｍ）を予め求め、図３に示すように予めテーブル５１に登録しておく。その上で温度帯判定器５２にて前記状態値（温度）ＰＶを判定して求められる温度帯に応じて前記テーブル５１を参照して、その温度帯に固有な変化率閾値Ｔｈi（ｉ＝１〜ｍ）を求め、これを用いてセンサの断線判定を行うようにすれば良い。具体的には、例えば次表に示すように温度帯を設定して、各温度帯毎に変化率閾値Ｔｈiを定めれば良い。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば状態監視装置を温度調節装置（温調計）の外部機器として用いる場合には、前記温度調節装置（温調計）の内部状態が把握できず、即ち、レンジオーバーが発生した状態での状態値ＰＶnは把握できないので、単にレンジオーバーであるという警報のみが伝送される。従ってこのように外部機器として用いる場合には、前述したように温度変化率ΔＰＶ（＝ＰＶn−ＰＶn-1）の算出できなくなるので、状態値ＰＶnの代わりに上限値Ｒｈを用いれば、実用上はほぼ問題なく本発明を実施可能である。

具体的には
入力変数：１サンプル前の状態値 ＰＶn-1
上限値 Ｒｈ
変化率閾値 Ｔｈ
変化率算出： ΔＰＶ ＝ Ｒｈ−ＰＶn-1
上限値判定： if ΔＰＶ ＞ Ｔｈ and レンジオーバー発生
then センサ断線
if ΔＰＶ ≦ Ｔｈ and レンジオーバー発生
then 過昇温
なる論理処理を実施するようにすれば良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明が適用される加熱処理炉の温度調節システムの概略構成図。 本発明に係る状態監視装置の基本構成を概略的に示す図。 本発明の一実施形態に係る状態監視装置の構成を示す図。

符号の説明

２ ヒータ
３ 温度センサ
４ 温度調節装置（温調計）
１０ 比較器（温度）
２０ 比較器（温度変化率）
３１ １サンプル遅延回路
３２ 変化率算出手段
３３ 変化率閾値設定手段
３４ 比較器
４０ 論理回路（出力回路）
４１ ラッチ回路

Claims (5)

1. 温度センサを用いて検出される監視対象の状態を示す状態値ＰＶの変化率ΔＰＶを求める変化率算出手段と、
   前記変化率ΔＰＶの最大値に基づいてその変化率ΔＰＶに対する変化率閾値Ｔｈを設定する閾値設定手段と、
   前記状態値ＰＶが所定の上限値Ｒｈを超えたか否かを判定する状態値判定手段と、
   この状態値判定手段が前記上限値Ｒｈを超えるレンジオーバーの状態値ＰＶを検出したとき、その直前における前記変化率ΔＰＶが前記変化率閾値Ｔｈを超えているか否かを判定する変化率判定手段と、
   この変化率判定手段にて前記変化率閾値Ｔｈを超える変化率ΔＰＶが検出されたときには前記センサの断線を示す断線信号を出力し、前記変化率ΔＰＶが前記変化率閾値Ｔｈを超えていないときには前記状態値ＰＶが前記上限値Ｒｈを超えたことを示す過昇温信号を出力する出力回路と
   を具備したことを特徴とする状態監視装置。
2. 前記温度センサはシース熱電対である請求項１に記載の状態監視装置。
3. 前記出力回路は、前記断線信号をラッチして出力するラッチ回路を備えたものである請求項１に記載の状態監視装置。
4. 前記変化率閾値Ｔｈは、前記状態値ＰＶのレンジオーバーが発生しない状況において観測される前記変化率ΔＰＶの最大値に所定の係数α（但し、α＞１）を乗じて設定されるものである請求項１に記載の状態監視装置。
5. 前記変化率閾値Ｔｈは、予め設定した温度帯別のそれぞれについて、前記変化率ΔＰＶの最大値に基づいて設定されるものである請求項１に記載の状態監視装置。

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