JPH0224705A - 制御ループ系の異常検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ンク制御
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Ｓ■
と測定値ｐｖとの偏差に基づいて演算回路５でＰＩＤ　
（比例＋積分上微分）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２種々の動作異常要素
を内包している。

そして２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。

端子数が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３１固、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Ｍ■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・ノブし
たときにその制御対象１０１からの測定値ＰＶが所定の
基準値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が上記基準値を越えるときに上記
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
が所定の時間をカウントしてカウントアツプし、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ｐ
ｖが所定の基準値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ＣＰ　Ｕ　１５を中心にＲ
ＡＭＩ　７．ＲＯＭＩ　９およびＩ１０ボート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２
７．ＰＩＤ定数記憶回路２９゜外部入力装置３１１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、
ＣＰＵ１５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ＰＩＤ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％以上であるか否か判定する機能を
有している。

ＰＩＤ演算は比例＋積分十微分演算と言われ。

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（１）と設定値Ｓ■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：ｉ　＝Ｋｐ　　（Ｚ　（ｔ）　＋ｔ／ＴｔＪ
ｚ　（ｔ）　ｄ　ｔ＋Ｔｄ　（ｄＺ　（ｔ）／ｄｔ）） ・　・　・　（１） なお、符号Ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄは各々比例感度、積分時間
　１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２式（１）の右辺の第３項を除いた式Ｙ（ｔ）＝Ｋｐ
　（Ｚ（ｔ）＋ｌ／ＴｉｆＺ（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９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）＋Ｔａ　（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９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ツ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、ＣＰＵ１
５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”ｃ（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２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３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はブラウン管デイスプレィやプリンタであ
り、出力回路３５はＣＰＵＩ　５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０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ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ＯＦＦ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、逆に太き（なれば異常として異常検知ＯＮ信号をＣ
Ｐ　Ｕ　１５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かう異常指示回路３９へ出力
される。

異常指示回路３９はＣＰＵ１５からの異常検知ＯＮ１０
　Ｆ　Ｆ信号に基づき動作するもので２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の前側定値記憶回
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、Ｉ１０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Ｐ■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１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ＣＰＵＩ　５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Ｍ■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ンプ１１１に移り、ＹＥ
Ｓの場合にはステップ１０３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ツプと判定
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が現測定値が前側定値＋
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（なってステップ１
０５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１
０７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にて現測定値が前側定値一般定温
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ｐ
ｖ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％く操作量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・ノブ１１２がＹＥＳの場合にはタイムアツプと判
定し、ステ７ブ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となつてステップ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１０６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ＣＰＵ　１５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２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ｔＱ時で１００％になって測定値Ｐ■
がＴｏ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、ｔｉ時の測定温度Ｔｌではｔｏ時の測定
温度’ｒｏ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　’Ｃ以上上昇しているから
、警報信号が出力されない。

しかし２時間が経過してｔ３時においては測定温度Ｔ４
が１．時の測定温度Ｔ３よりもＸ　’Ｃ以上上昇し７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、Ｐ
ＩＤ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２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、　＋ｌｉｌ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１本発明では個々の異常箇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
を嵩し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図に示す本発明の詳細な説明するフローチ
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 Ｉ　７　・　・ １９　・　・ ２３　・　・ ２５　・　・ ２７　・　・ ２９　・　・ ３　ｌ　・　・ ３３　・　・ ３５　・　・ ３７　・　・ ３９　・　・ ４１　・　・ ４３　・　・ ４５　・　・ ４７−　・ ４９　・　・ ５１−　・ ５５　・　・ ５９　・　・ １００　・ ＡＭ ＯＭ 動作条件記憶回路 タイマ記憶回路 測定値記憶回路 ＰＩＤ定数記憶回路 外部入力装置 表示装置 出力回路 正・逆動作記憶回路 異常指示回路 温度測定装置 タイマ設定値記憶回路 タイマ現在値記憶回路 前測定値記憶回路 現測定値記憶回路 設定温度記憶回路 異常検知回路 ＰＩＤ演算回路 カウンタ手段 １０１　・ １０２　・ １０３　・ １０４　・ １０５　・ ・制御対象 ・演算手段 ・第１の判定手段 ・第２の判定手段 ・異常指示手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の異常検知測定時間を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
   定値が所定の基準値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基準値を
   越える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。