JPS6042961B2

JPS6042961B2 - プロセス制御方式自動切換装置

Info

Publication number: JPS6042961B2
Application number: JP5417778A
Authority: JP
Inventors: 一茲小林; 幸巳小林
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1978-05-06
Filing date: 1978-05-06
Publication date: 1985-09-26
Also published as: JPS54145878A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はプロセス工業などのプラントの計装制御
システムにおけるカスケード系と単一ループ系の制御方
式自動切換装置に関するものである。

一般に工業プロセスを制御する調節計の制御目標値が
他の調節計によつて支配され変位するカスケード制御系
は、上記目標値が操作者の設定によつて定まる単一ルー
プ制御系（以下シングル系と記す）に比しこれを用いる
プロセスの特性や外乱の入る位置によつてその制御性が
著しく向上し、制御するプロセス変量たとえば温度など
を常に目”標値に近く保持しうるものであり、特にプロ
セス制御においてその大部分を占める流量制御を２次ル
ープにもつカスケード制御装置（第１図にその基本的構
成を示す）は高度の制御性を有するため計装システムに
おいて広く用いられる。第１図において２は１次制御量
（流量以外のプロセス制御量、たとえは温度、圧力など
）検出器、３は２次制御量（流量）検出器としての差圧
変換器、４はしぼり機構でオリフィス、ノズルまたはベ
ンチユリ管、５は開平演算器、６は流量制御弁、（ＸＣ
）は１次調節計、（ＦＣ）は２次（流量）調節計であり
点線で囲んだ範囲７が２次ループである。このカスケー
ド制御装置はプロセス１の温度または圧力などの制御目
標値（Ｓｏ）を（ＸＣ）に設定し、この（Ｓｏ）と２が
検出する上記プロセス変量の検出信号値５、との偏差信
号ｓ。によつて（ＦＣ）の目標値を変更するとともに、
４のしぼり機構にて流体管路８内の流量Ｆの２乗に比例
した差圧信号Ｓ３を５の開平演算器で線形化しそのリニ
ア信号Ｓ４をＦＣに送り上記Ｓ２にて設定され上記目標
値との偏差信号亀によつて６の制御弁を操作することに
よつてプロセス１へのたとえば加熱流体の流量Ｆを制御
し、結果的にプロセス１の上記１次制御量Ｓ１を目標値
Ｓ。に制御するものであり、この２次ループ７の応答時
間が早いことで制御性が向上するものである。しかしな
がらこの２次ループ７の流量検出に上記４で示したしぼ
り機構の前後の圧力差（差圧）を利用する方法はプロセ
ス工業上もつとも普遍的で多く用いられるものであるが
、上記差圧は小流量時きわめて微小となり、定格流量の
１０％以下では差圧変化は１％以下で、かつ計測精度が
著しく低下し、実用上測定できない基本的な欠点のため
上記小流量時の流量制御は第２図で示すように手動切換
器９を設けシングル系用接点Ｓの回路に今１台の１次調
節計（ＸＣ２）を直結し、前記した偏差信号Ｓ″２によ
つて６の制御弁を直接制御する方法が一般に採用されて
いる。しかしながらこの方法は高価でかつ制御特性の全
く同一の１次調節計が１台余分に要るだけでなく、切換
時（ＦＣ）の信号Ｓ５とＸＣ２の信号Ｓ″２とをモニタ
（図示せす）にてその同期点を見出して切換えるむつか
しい手動操作を必要とする欠点があり、またこの回路構
成において９の切換を自動化するためにはＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅの５個所の出力信号電圧を検出する手段とそれら
の電圧を順次比較するたとえばＡ点とＣ点の電圧平衡時
に９をＳ側に切換えるアンプとリレーとからなる自動切
換回路が同様にＡ，ＤおよびＥ，Ｄ点と３段必要としそ
のシーケンス的自動切換は回路、機構ともに複雑となる
欠点があり余り用いられない。この発明は以上の現況に
鑑み、制御弁の流量特性を関数変換器によつて上記小流
量域をリニア化し、たとえば流量の定格に対し１５％ま
ではこの変換出力を流量検出値として流量制御を行ない
、上記１５％以上の流量ては差圧変換器の出力信号を信
号選択器によつて自動的に切換える回路構成とし、１次
調節計１台にて円滑にカスケード系とシングル系の制御
方式をバンプレス（無衝撃）に自動切換する装置を提供
しようとするものである。

すなわち流体管路に設けたしぼり機構の前後の差圧から
流体流量を検出し、この検出値と流量調節計の目標値と
の偏差信号によつて上記流体管路の制御弁開度を操作し
流量を制御しようとする流量制御系を２次ループにもち
、上記流量以外のプロセス変量を１次調節計にて制御す
るようにしたカスケード制御装置において、上記しぼり
機構の前後の差圧信号を小流量域の一定値以上では流量
に正比例し、この一定値以下では流量比例より低い信号
とするよう差圧信号の特性を修正する差圧信号修正手段
と、上記一定値の小流量における差圧信号値と等価の制
御弁の弁開度信号を発生させ、かつ上記一定値以下の流
量に正比例し、この一定値以上では流量比例より低い信
号とするよう弁開度信号の特性を修正する弁開度信号修
正手段と、上記２つの修正された信号の何れか高い方の
信号を選択し流量検出値として出力する高信号選択手段
とを設けてなり、上記一定値の小流量以下の流量を上記
１次調節計で制御する単一のループ制御装置に自動切換
えすることを特徴とするプロセス制御方式自動切換装置
にかかるものである。以下図面によつてこの発明の実施
例を詳説する。第３図は一実施例のカスケード系／シン
グル系制御方式自動切換装置の構成ブロック図で、第１
図と同記号のものは説明を省き、この発明の要件を示す
各機器を説明する。まづ１０は制御弁開度変換器で制御
弁６の弁開度Ｌに比例した電圧信号ＳＬを１１の弁度開
度関数変換器に伝送するものである。この弁度開度信号
Ｓしは第４−Ａ−Ｂ図に一例を示す制御弁の流量特性（
横軸Ｆは流量、タテ軸Ｌは弁開度）に関するもので、第
４−”Ａ図はもつとも多く使用されるリニア弁の配管管
抵抗によつて変化した固有流量特性で、各特性の１〜０
．２の値はΔＰｖ／ΔＰｔ＝弁の圧力差？を示し、第４−Ｂ図はリニ配管を含めた全圧力差ヤ弁と同等代表的な等比率（イコールパーセント）弁の
同じく固有流量特性である。

このように弁の種類および配管抵抗などで流量Ｆと弁開
度Ｌの関係は決定されるものであり、第４−Ａ−Ｂ図の
いずれかの特性（上方または下方に彎曲した特゛性）の
Ｆに対するＬの電圧信号が上記のＳＬであり、このＳＬ
信号を１１の弁開度関数変換器が第５図に示すように流
量Ｆ（７）Ｏ〜１５％まではリニアに比例し、１５％以
上１００％の範囲はＣを折点とし、若干低い比率で比例
する電圧信号Ｓｖ（たとえばＦｌＯＯ％でＤＣ５Ｖ）に
変換する。弁開度関数変換器１１は次にのべる１３の差
圧関数変換器とともに異なる演算関係をもつ複数の演算
増幅器を主体とするもので、上記のように上方または下
方に凸単調増加の特性の変換機能をもつている。１１の
出力信号Ｓ■は１２の高信号選択器に入力する。

一方４のしぼり機構で流量Ｆの２乗に比例した差圧を３
の差圧変換器にて電圧信号Ｓ３に変換し、５の開平演算
器に入力し、開平演算器５は前述の通り流量Ｆに比例し
たりリニアの信号Ｓ４を出力しうるものてあるがＦ（７
）１０％以下はその精度がきわめて低いため第６図のよ
うにＦの１０％以下は通常カットしその出力信号Ｓ４は
点ａ−ｂ−さ−ｄの特性として１３の差圧関数変換器に
入力する。１３の変換器はこのＳ４信号を第６図の実線
ａ−ｅ−ｃｍｄのＳＭ信号に変換し、１２の高信号選択
器に入力する。

１２は２組の増幅器とダイオードとを内蔵し２つの入力
信号ＳＶ（５ＳＭのいずれか高い方の電圧信号を選択し
て出力する機能を有するものでこれによつて１２の選択
器の出力信号ＳＨは第５図と第６図の両特性を点Ｃで重
畳させた形の第７図の流量Ｆと比例するリニア特性、す
なわち点０−Ｃを結ぶ直線上に常に存在するものとなる
。

いいかえると流量計測精度の悪い小流量領域（定格流量
の１５％以下）では（Ｓｖ）〉（ＳＭ）となり（Ｓｖ）
＝（ＳＨ）で流量Ｆの検出は弁６の弁開度Ｌによつて行
ないこのＳＨ信号と流量調節計ＦＣの目標値信号Ｓ２と
の偏差信号Ｓ″５が弁６の開度を制御することとなり、
これは１次調節計ＸＣによる制御弁開度制御であり、前
述のシングル系制御装置に切換えられたのである。流量
Ｆが１５％以上の大流量領域においては第７図で示すよ
うにＳＭ＞Ｓｖで（ＳＨ＝ＳＭ）となり第１図と同条件
のカスケード系制御装置となる。これら制御方式の切換
が第７図のＣ点すなわち流量Ｆの任意の値（この例ては
１５％）を境にして全く連続的に自動切換しうるもので
ある。以上がこの発明の一実施例の制御方式自動切換装
置の構成と作動の説明であるが、第６図で示した開平演
算器５の出力信号Ｓ，は必ずしも１０％以下カットしな
くてもよく、要は１３の関数変換器出カジが小流量域に
おいてＳｖ以下であればよいものである。

また切換点１５％とかＳＶ，ＳＭ信号のＤＣ５Ｖなどは
いずれも限定したものでないことはいうまでもない。こ
の発明は以上のように構成されているので流量制御を２
次ループにもつカスケード制御装置において小流量域ま
で制御を要するプロセスにおいて従来行なわれていたカ
スケード系／シングル系制御方式の手動切換装置を電子
式の関数変換器と信号選択器をたくみに利用することで
流量の任意の一点で自動的に切換えることができ、切換
え時信号量的に、時間的に全く連続的で制御系にいささ
かのショックも与えないし、カスケード系／シングル系
いずれの制御装置においての自動・手動切換などの運転
操作は叩一であるなど、計装システムにおける有効な装
置を提供しえたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、流量制御を２次ループにもつカスケード制御
装置の従来の基本構成ブロック図、第２図は従来のカス
ケード系／シングル系制御方式手動切換装置の構成ブロ
ック図、第３図はこの発明のカスケード系／シングル系
制御式自動切換装置の構成ブロック図、第４−Ａ−Ｂ図
は制御弁の代表品種２種の配管抵抗を含んだ固有流量特
性、第５図は第３図の弁開度関数変換器の出力信号特性
、第６図は同じく第３図の差圧関数変換器の出力信号特
性、第７図は同じく第３図の高信号選択器の出力信号特
性である。２・・・１次制御量検出器（温度、圧力などの検出器）
、３・・・２次制御量（流量）検出器、４・・化ぼり機
構（オリフィス、ベンチユリなど）、５・・・開平演算
器、６・・・制御弁、７・・・２次ループ、８・・・流
体管路、ＳＯ・・・設定目標値信号、ＸＣ・・・１次調
節計、ＦＣ・・・２次調節計（流量調節計）、Ｓ２・・
・２次調節計の目標値変位信号、Ｓ３・・・差圧信号、
Ｓ４・・・流量比例リニア信号、Ｓ５・・・制御弁操作
信号、９・・・手動切換器、Ｃ・・・同上のカスケード
系側接点、Ｓ・・・同上のシングル系側接点、Ｓ″２・
・・シングル系の操作信号、１０・・・制御弁開度変換
器、Ｓし・・・同上の弁開度信号、Ｓｖ・・・弁開度変
換信号、ＳＭ・・・差圧変換・信号、ＳＨ・・・高信号
選択器出力信号、Ｓ″５・・・弁操作信号、Ｆ％・・・
流量の定格に対する％、Ｌ％・・・弁開度の％、Ｃ・・
・制御方式自動切換点。

Claims

【特許請求の範囲】

１流体管路に設けたしぼり機構の前後の差圧から流体
流量を検出し、この検出値と流量調節計の目標値との偏
差信号によつて上記流体管路の制御弁開度を操作し流量
を制御しようとする流量制御系を２次ループにもち、上
記流量以外のプロセス変量を１次調節計にて制御するよ
うにしたカスケード制御装置において、上記しぼり機構
の前後の差圧信号を小流量域の一定値以上では流量に正
比例し、この定値以下では流量比例より低い信号とする
よう差圧信号の特性を修正する差圧信号修正手段と、上
記一定値の小流量における差圧信号値と等価の制御弁の
弁開度信号を発生させ、かつ上記一定値以下の流量に正
比例し、この一定値以上では流量比例より低い信号とす
るよう弁開度信号の特性を修正する弁開度信号修正手段
と、上記２つの修正された信号の何れか高い方の信号を
選択し流量検出値として出力する高信号選択手段と、を
設けてなり、上記一定値の小流量以下の流量を上記１次
調節計で制御する単一ループ制御装置に自動切換えする
ことを特徴とするプロセス制御方式自動切換装置。