JP5775782B2 - エネルギー総和抑制制御装置、電力総和抑制制御装置および方法 - Google Patents
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Description
特に複数の電気ヒータを備える加熱装置では、立ち上げ時(複数の電気ヒータが設置されている領域の一斉昇温時)に同時供給される総電力を抑制するために、以下のような手法が提案されている。
特許文献2に開示された半導体ウエハの処理装置では、装置立ち上げ時に一時に大電力が消費されないように、各ヒータに対して時間的にずらしながら電力を供給するようにしていた。
特許文献4に開示された加熱装置では、装置立ち上げ時の過度の消費電流による電力障害を防止するために、まずコンベアより下方に位置するヒータに対し必要とする電力を供給し、かつコンベアより上方に位置するヒータへ供給される電力を制限して、合計消費電力を一定値以下に制御し、炉体内の温度の上昇に伴って温度を切換パラメータとして、コンベアより下方に位置するヒータへの供給電力を減少させるように制御していた。
例として加熱装置を取り上げて説明する。例えば複数の加熱制御系に時間差を設けて順次立ち上げると、結果的に電力に余裕のある時間帯が生じることは避けられないので、その電力の余裕が装置の立ち上げ完了を遅らせる非効率分になることに、発明者は着眼した。単純に言えば、設定値SPのステップ変更が行なわれた際に、制御量PVの設定値SPへの追従制御が行なわれていない状態を多く発生させていることになる。
各制御ループの昇温完了時間が概ね等しくなり、かつ使用電力の合計が割当総電力以内で最大になる操作量出力上限の組み合わせを、前記昇温完了までの推定時間を適宜修正しながら求めれば、最も効率的な立ち上げ方に近づけることができる。
発明者は、このような問題点が発生することを見出し、電力デマンド管理と総エネルギー使用量管理のバランスを、例えば上位側から適宜調整可能になるバランス調整機能を備えるべきであることと、その具体的な実現方法に想到した。総エネルギー使用量管理は、昇温中の放熱累積として管理できるので、昇温時間短縮管理に置き換えられる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、電力デマンド対応の重みと昇温時間短縮の重みにより、電力デマンド管理と総エネルギー使用量管理のバランスの適正化を図る。
探索処理部19は、昇温時間設定部20と、評価関数判定部21とから構成される。必要出力推定部16と使用電力合計算出部17と探索処理部19とは、電力抑制手段を構成している。
割当総電力入力部10は、電力を管理する電力デマンド管理システムのコンピュータである上位PC4から、ヒータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する(図4ステップS100)。
探索処理部19の昇温時間設定部20は、加熱装置のオペレータ等によって各制御ループLiの設定値SPiが変更され、昇温が開始されたとき(ステップS102においてYES)、操作量MViを現在値から最大値100.0%にした場合の各制御ループLiの昇温時間TLiのうちの最大値TLを求める処理を、以下のように行なわせる。
ΔPVi=SPi−PVi ・・・(1)
THi=THoi{100.0/(100.0−MVi)} ・・・(2)
TLi=THiΔPVi ・・・(3)
TL=max(TLi) ・・・(4)
式(4)において、max( )は最大値選出演算関数である。以上のステップS103〜S106の処理により、昇温時間TLを推定することができる。この昇温時間TLは、最大出力MVi=100.0%を利用しての昇温時間なので、昇温可能な最短時間を与えることになる。昇温時間算出部15は、TLm=TL、すなわちステップS106で選出した昇温時間TLを最短時間TLmとして探索処理部19に登録する(ステップS107)。
MUi={100.0THoi/(TL/ΔPVi)}+MVi ・・・(5)
式(5)は、式(2)において、分母の100.0をMUiに置換し、THiをTL/ΔPViに置換して、MUiについて解くことにより得られる数式である。
探索処理部19の評価関数判定部21は、最大電力ΣCTmiと使用電力総量TWと割当総電力PWとから、割当総電力PWに対する使用電力総量TWの達成率であるデマンド達成率FDを次式のように算出する(ステップS110)。
FT=(TM−TL)/(TM−TLm) ・・・(8)
そして、評価関数判定部21は、デマンド達成率FDと昇温時間確保率FTとのバランスを表す重み付け評価関数の評価値Fを次式のように算出する(ステップS112)。
F=αFD+(1−α)FT ・・・(9)
次に、評価関数判定部21は、必要出力推定部16が今回算出した制御ループLi毎の必要出力MUiと自身が今回算出した重み付け評価関数の評価値Fとを記憶する(ステップS113)。
各制御ループLiの制御量PVi(温度)は、温度センサSiによって測定され、制御量PVi入力部24−iを介してPID制御演算部25−iに入力される(ステップS118)。
MVi=(100/PBi){1+(1/TIis)+TDis}(SPi−PVi)
・・・(10)
PBiは比例帯、TIiは積分時間、TDiは微分時間、sはラプラス演算子である。
IF MVi>OHi THEN MVi=OHi ・・・(11)
すなわち、出力上限処理部26−iは、操作量MViが操作量出力上限値OHiより大きい場合、操作量MVi=OHiとする上限処理を行う。
電力総和抑制制御装置2は、以上のようなステップS102〜S121の処理を例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで(ステップS122においてYES)、一定時間毎に行う。なお、ステップS103〜S116の処理は、各制御ループLiの設定値SPiのうち少なくとも1つが変更されたときに行われる。
(A)使用電力総量TW=500W、昇温時間TL=130秒。
(B)使用電力総量TW=450W、昇温時間TL=150秒。
(C)使用電力総量TW=400W、昇温時間TL=175秒。
FD=(600−500)/(600−300)=0.333 ・・・(12)
FT=(180−130)/(180−120)=0.833 ・・・(13)
F=0.7×0.333+0.3×0.833
=0.2331+0.2499=0.4830 ・・・(14)
FD=(600−450)/(600−300)=0.500 ・・・(15)
FT=(180−150)/(180−120)=0.500 ・・・(16)
F=0.7×0.500+0.3×0.500
=0.350+0.150=0.500 ・・・(17)
FD=(600−400)/(600−300)=0.667 ・・・(18)
FT=(180−175)/(180−120)=0.083 ・・・(19)
F=0.7×0.667+0.3×0.083
=0.4669+0.0249=0.4918 ・・・(20)
(D)使用電力総量TW=500W、昇温時間TL=130秒。
(E)使用電力総量TW=450W、昇温時間TL=150秒。
(F)使用電力総量TW=400W、昇温時間TL=175秒。
FD=(600−500)/(600−300)=0.333 ・・・(21)
FT=(180−130)/(180−120)=0.833 ・・・(22)
F=0.3×0.333+0.7×0.833
=0.0999+0.5831=0.6830 ・・・(23)
FD=(600−450)/(600−300)=0.500 ・・・(24)
FT=(180−150)/(180−120)=0.500 ・・・(25)
F=0.3×0.500+0.7×0.500
=0.150+0.350=0.500 ・・・(26)
FD=(600−400)/(600−300)=0.667 ・・・(27)
FT=(180−175)/(180−120)=0.083 ・・・(28)
F=0.3×0.667+0.7×0.083
=0.2001+0.0581=0.2582 ・・・(29)
図6は(A)〜(F)の例における昇温時間TLと重み付け評価関数の評価値Fとの関係を示す図であり、電力デマンド管理と総エネルギー使用量管理とのバランスを重みαによって操作できることを示す図である。図6における60は(A)〜(C)の場合の昇温時間TLと評価値Fとの関係を示し、61は(D)〜(F)の場合の昇温時間TLと評価値Fとの関係を示している。
本実施の形態においては、重み付け評価関数の評価値Fが前回の評価値Fよりも小さくなるまで、昇温時間TLを1.05倍長くしながらステップS108〜S115の処理を繰り返すようにしたので、昇温時間TL=最短時間TLm=120秒から始まり、120×1.05=126秒,120×1.052=132.3秒,120×1.053=138.9秒,120×1.054=145.9秒,・・・のような順序で昇温時間TLが確定し、この昇温時間TLに対応する使用電力総量TWが算出され、重み付け評価関数の評価値Fが算出されることになる。重み付け評価関数を、最大値が最適値になる上に凸の関数式で与えているので、算出した評価値Fが前回の評価値Fを下回った場合は、それ以上の最適値探索を実行する必要はない。
本実施の形態では、デマンド達成率FD、昇温時間確保率FTおよび重み付け評価関数の評価値Fを式(7)〜式(9)のように算出したが、これに限らず、例えば下記のようにデマンド達成率FDおよび昇温時間確保率FTの次数を変更して重み付け評価関数の評価値Fを算出しても理論上は問題ない。
F=αFD2+(1−α)FT2 ・・・(30)
FT=(TM−TL)/TM ・・・(31)
第1の実施の形態では、電力量に基づいて操作量出力上限値OHiの設定などの処理を行っているが、これに限るものではなく、例えば燃料使用量などのエネルギー量に基づいて処理を行うようにしてもよい。すなわち、本発明は、第1の実施の形態の電力総和抑制制御装置2で用いる「電力」という物理量を、「エネルギー」あるいは「パワー」に置き換えた形態を権利範囲に含む。
図7のエネルギー総和抑制制御装置は、最大限度時間入力部11と、昇温時間推定部12と、必要出力推定部16と、評価関数記憶部18と、制御部22−iと、割当総エネルギー入力部110と、使用エネルギー合計算出部117と、探索処理部119とから構成される。探索処理部119は、昇温時間設定部20と、評価関数判定部121とから構成される。必要出力推定部16と使用エネルギー合計算出部117と探索処理部119とは、エネルギー抑制手段を構成している。図7に示したエネルギー総和抑制制御装置の構成は、第1の実施の形態において「電力」を「エネルギー」に置き換えたものに相当するので、詳細な説明は省略する。
Claims (8)
- 複数の制御ループLi(i=1〜n)の制御アクチュエータのエネルギー使用量を規定する割当総エネルギーの情報を受信する割当総エネルギー入力手段と、
制御量変化時間の最大限度時間の情報を受信する最大限度時間入力手段と、
各制御ループLiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の前記制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定手段と、
各制御ループLiの制御量PViを前記制御量変化時間の間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用エネルギーの総和である使用エネルギー総量を算出し、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率と前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率とのバランスを表す重み付け評価関数の評価値を最適にする前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループLiの操作量出力上限値OHiとして設定するエネルギー抑制手段と、
制御ループLi毎に設けられ、設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループLiの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とするエネルギー総和抑制制御装置。 - 複数の制御ループLi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力手段と、
昇温時間TLの最大限度時間TMの情報を受信する最大限度時間入力手段と、
各制御ループLiの変更後の設定値SPiと設定値変更前の制御量PViとから各制御ループLiの制御量PViの変更量ΔPViを算出する制御量変更量算出手段と、
各制御ループLiの設定値変更前の操作量MViから制御量PViの変化レートTHiを算出する制御量変化レート算出手段と、
各制御ループLiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の各制御ループLiの昇温時間TLiを前記変更量ΔPViと前記変化レートTHiとから推定し、前記昇温時間TLiのうちの最大値である前記昇温時間TLを選出する昇温時間算出手段と、
各制御ループLiの制御量PViを前記昇温時間TLの間に前記変更量ΔPVi分だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定する必要出力推定手段と、
前記必要出力MUiと各制御ループLiの既知の最大出力時電力値CTmiとから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出する使用電力合計算出手段と、
前記昇温時間TLを逐次変更しながら前記必要出力推定手段と前記使用電力合計算出手段とに処理を実行させ、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率と前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率とのバランスを表す重み付け評価関数の評価値Fを最適にする前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループLiの操作量出力上限値OHiとして設定する探索処理手段と、
制御ループLi毎に設けられ、設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループLiの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 請求項1記載のエネルギー総和抑制制御装置において、
前記制御量変化時間推定手段は、推定した前記制御量変化時間を最短時間として前記エネルギー抑制手段に登録し、
前記エネルギー抑制手段は、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率を、各制御ループLiの既知の最大出力時エネルギー値の総和である最大エネルギーと前記割当総エネルギーと前記使用エネルギー総量とから算出し、前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率を、前記最短時間と前記最大限度時間と前記制御量変化時間とから算出し、前記重み付け評価関数の評価値を、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率と前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率との加重和として算出することを特徴とするエネルギー総和抑制制御装置。 - 請求項2記載の電力総和抑制制御装置において、
前記昇温時間算出手段は、選出した前記昇温時間TLを最短時間TLmとして前記探索処理手段に登録し、
前記探索処理手段は、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率を、前記最大出力時電力値CTmiの総和である最大電力と前記割当総電力PWと前記使用電力総量TWとから算出し、前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率を、前記最短時間TLmと前記最大限度時間TMと前記昇温時間TLとから算出し、前記重み付け評価関数の評価値Fを、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率と前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率との加重和として算出することを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 複数の制御ループLi(i=1〜n)の制御アクチュエータのエネルギー使用量を規定する割当総エネルギーの情報を受信する割当総エネルギー入力ステップと、
制御量変化時間の最大限度時間の情報を受信する最大限度時間入力ステップと、
各制御ループLiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の前記制御量変化時間を推定する制御量変化時間推定ステップと、
各制御ループLiの制御量PViを前記制御量変化時間の間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用エネルギーの総和である使用エネルギー総量を算出し、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率と前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率とのバランスを表す重み付け評価関数の評価値を最適にする前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループLiの操作量出力上限値OHiとして設定するエネルギー抑制ステップと、
設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループLiの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とするエネルギー総和抑制制御方法。 - 複数の制御ループLi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力ステップと、
昇温時間TLの最大限度時間TMの情報を受信する最大限度時間入力ステップと、
各制御ループLiの変更後の設定値SPiと設定値変更前の制御量PViとから各制御ループLiの制御量PViの変更量ΔPViを算出する制御量変更量算出ステップと、
各制御ループLiの設定値変更前の操作量MViから制御量PViの変化レートTHiを算出する制御量変化レート算出ステップと、
各制御ループLiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の各制御ループLiの昇温時間TLiを前記変更量ΔPViと前記変化レートTHiとから推定し、前記昇温時間TLiのうちの最大値である前記昇温時間TLを選出する昇温時間算出ステップと、
各制御ループLiの制御量PViを前記昇温時間TLの間に前記変更量ΔPVi分だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定する必要出力推定ステップと、
前記必要出力MUiと各制御ループLiの既知の最大出力時電力値CTmiとから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出する使用電力合計算出ステップと、
前記昇温時間TLを逐次変更しながら前記必要出力推定ステップと前記使用電力合計算出ステップとに処理を実行させ、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率と前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率とのバランスを表す重み付け評価関数の評価値Fを最適にする前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループLiの操作量出力上限値OHiとして設定する探索処理ステップと、
設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループLiの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とする電力総和抑制制御方法。 - 請求項5記載のエネルギー総和抑制制御方法において、
前記制御量変化時間推定ステップは、推定した前記制御量変化時間を最短時間として設定し、
前記エネルギー抑制ステップは、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率を、各制御ループLiの既知の最大出力時エネルギー値の総和である最大エネルギーと前記割当総エネルギーと前記使用エネルギー総量とから算出し、前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率を、前記最短時間と前記最大限度時間と前記制御量変化時間とから算出し、前記重み付け評価関数の評価値を、前記割当総エネルギーに対する前記使用エネルギー総量の達成率と前記最大限度時間に対する前記制御量変化時間の確保率との加重和として算出することを特徴とするエネルギー総和抑制制御方法。 - 請求項6記載の電力総和抑制制御方法において、
前記昇温時間算出ステップは、選出した前記昇温時間TLを最短時間TLmとして設定し、
前記探索処理ステップは、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率を、前記最大出力時電力値CTmiの総和である最大電力と前記割当総電力PWと前記使用電力総量TWとから算出し、前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率を、前記最短時間TLmと前記最大限度時間TMと前記昇温時間TLとから算出し、前記重み付け評価関数の評価値Fを、前記割当総電力PWに対する前記使用電力総量TWの達成率と前記最大限度時間TMに対する前記昇温時間TLの確保率との加重和として算出することを特徴とする電力総和抑制制御方法。
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