JPS61145606A - 干渉対応形パタ−ン切換式温度制御装置 - 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】 −の譬 本発明は、相互に熱的干渉がある複数のゾーンを有する
熱処理炉に対する干渉対応形のパターン切換式温度制御
装置に関する。更に詳しくは、本発明は、長手方向熱分
布を一定パターンに維持した熱処理炉の一端から他端へ
処理品をコンベア等により移、動させなから熱処理を行
ない、炉の他端より被地理品を取出すいわゆるトンネル
炉の制御に用いる干渉対応形のパターン切換式温度制御
装置に関する。

良末立韮遣 コンベア炉、ブツシャ炉等のトンネル形加熱炉において
は、炉内の温度分布パターンを加熱される処理品に適合
した適正な温度分布とした上で処理品を適正な搬送速度
で送り、所要の熱処理を行なう。

第２図は、これらの炉において所望の温度分布を得るた
めの従来技術による手法を示す、同図において、炉１は
、複数のゾーンＺｌ−Ｚｎに分割され各ゾーンに設けら
れた加熱素子２又は加熱部の温度が、熱電対などの温度
検出素子４によって各調節計２８Ａ−２８Ｎに入力され
る。調節計２８Ａ　−２８Ｎは、内蔵された設定素子２
７によって設定された温度と入力値が一致するように演
算器２７Ａで演算された操作信号５を発生する。この操
作信号５は、例えばサイリスタ或いは電磁開閉器などで
構成される操作部３へ印加され、各ゾーン２ｌ−Ｚｎの
温度制御に用いられる。炉全体として、Ｐａ又はｐｂな
どに示される温度分布パターンが生成される。処理品６
を炉１の一端から搬入し他端から搬出することにより、
所要の熱処理が行なわれる。

この場合、加熱素子２により炉内に所望の温度分布パタ
ーンが得られたか否かを確認するため、即ち炉内温度及
び温度分布を確認するため、図示例では可動式の炉内温
度検出器３１が用いられる。

この炉内温度検出器３１は、炉ｌの中を移動し炉内温度
゛を連続的に記録器３２へ入力し、記録器３２が炉内温
度分布を記録・表示する。

従来方式では、記録器３２に記録された温度及び温度分
布が所望のものでないときは、所望ゾーンの調節計２−
８Ａ−２８Ｎにおける設定素子２７の設定値を手動によ
り変更し、炉１内の温度が安定するのを待って後温度分
布を再度測定しなければならない、しかし、炉１は、ゾ
ーン分割とはいえ隣接ゾーンが完全に分離独立している
のではなく、しかも炉内に処理品６を通過させることが
不可欠であるから、制御する部分即ち加熱部と炉内部即
ち処理品６の通過部では温度が相違す−る。このため、
特定ゾーンに対する温度設定値を単独に所望値に変更し
ても、当該ゾーンの両側隣接ゾーンからの影響を受け、
所望の温度分布は必ずしも得られない。

現実に、各加熱素子２に対する上記の温度設定　、値変
更の際には、最初の設定値変更の後炉１の内部が熱的に
バランスするのを待って炉内温度検出器３１を移動して
炉内温度及び温度分布パターンを確認し、所望値との差
に応じた設定値の再調整をした上で炉内温度分布パター
ン確認をする操作を数回以上行なうことにより所望の温
度分布パターンを得ていたのが実状である。

従って、炉内に所望の温度分布パターンを得るまでに相
当の時間と労力を要する欠点があった。

とくに、最近の様に多品種少量生産の時代においては、
温度分布パターンも多様化しており、上記の調整手続き
を頻繁に行なわざるを得ない。

さらに、ある処理品６に対する所望温度分布パターンが
得られる様な設定値を求めこれらを調節計２８Ａ−２８
Ｎに設定した後、処理品６の品種が変る度に多数の設定
値を上記の反復調整により求めることは非常に煩雑であ
るだけでなく、可成りの経験と熟練を要する。

、が　　　−− 従って１本発明が解決しようとする問題点は、トンネル
形炉における隣接ゾーンの干渉を考慮した炉内温度分布
パターン設定と変更の自動化及びの迅速化にある。

ロ　占、　　　た 上記問題点の解決手段を、その原理と構成とに分けて説
明する。

［原理］ 第１図は、本発明の一実施例の概略構成のブロック図及
びトンネル形炉内の温度分布パターンを示す、同図にお
いて、トネル形炉ｌは複数のゾーンＺｌ−Ｚｎを有し、
各ゾーンの加熱素子２は操作部３Ｂ−３ｎを介してディ
ジタル形の温度制御装置１５により制御される。炉内温
度分布パターン測定のため、可動形の炉内温度検出器３
１が炉内を移動する。炉内温度検出器３１は、可動形で
なく各ゾーンに取付けられたものでもよい、同図はまた
、異なる種類の処理品６に対する温度分布パターンの例
として３種類のパターンＰｉ、　Ｐ２、ｐ３を示す。

本発明装置においては、各ゾーンＺｌ−Ｚｎに対する温
度制御装置１５内の温度設定素子４０（第５図）の設定
値を、゛所要温度分布パターンの炉内部温度（以下、「
内部温度」という、）を与えそうな値に設定して制御動
作を開始する。各ゾーンＺｌ−Ｚｎの内部温度が安定し
た後、炉内温度検出器３１を炉１の一端のゾーンＺ１か
ら他端のゾーン２ｎへ移動させて各ゾーンの内部温度を
順次測定し記憶装置２０に記憶してゆく。

通常、炉内部を処理品６が通過するのであるから、炉ｌ
の外部から制御される加熱素子２近傍の加熱部の温度と
処理品６が通過する炉内部の温度とは相違する。これら
の温度を区別するため、以下の説明において、炉１の外
部から制御される加熱素子２近傍の加熱部の温度を「外
部温度」Ｘ、処理品６が通過する炉内部の温度を上記の
様に「内部温度」ｙと呼ぶ、簡単のため、制御が良好に
行なわれ安定に達した後、外部温度Ｘは、温度制御装置
！５の温度設定素子４０に設定された設定値と一致する
ものとする。

各ゾーン相互間における外部温度！、から内部温度ｙ、
への伝達ゲインを８０．とじ、ゾーンＺｊの外部源度！
、からゾーンＺｉの内部温度Ｙｉへの伝達ゲインを」 ｇｌ、とすれば、外部温度Ｘと内部温度ｙとの関係Ｊ は次式で与えられる。

これを行列式で表わせば、次式の様になる。

ここで、内部温度ｙ　、ｙ　　・・・・ｙは、炉内温度
２９ｎ 検出器３１で測定される温度であり、外部温度ｘ１゜ｘ
２．・・・Ｘは、温度設定素子４０における設定値とし
て既知であるか又は温度検出素子４により測定される温
度である。

伝達ゲインｇはｎ２個あるから、ｇをすべて求めるには
測定をｎ回行なう必要がある。外部温度Ｘを一定にした
まま測定しても同じ等式が得られるだけで意味がなく、
異なる任意の値の外部温度Ｘに設定しなおした上で測定
する必要がある。こうしてｎ回の測定により求めた測定
値は次式を満足する。ただし、ｙｌ、はｊ回目に測定し
たｉ番目のＪ ゾーンＺｉの内部温度の測定値、ト、はｊ回目に設置Ｊ 定又は測定したｉ番目のゾーンＺｉの外部温度である。

（３）式をｇについて解けば、全ゾーンの内部舎外部間
及びゾーン相互間の伝達ゲインｇが得られる。伝達ゲイ
ンｇのマトリクスが求まれば、任意の内部温度分布Ｉｙ
’ｙ’　・・・ｙ′　１′を生じさせる外部温度分布ｌ
、／　、／　・・・！３′　　ドが（３）式から計算に
より定められる。

本発明は、所要の炉内温度分布パターンを、上記の測定
と計算とにより決定した外部温度の分布ｌｘ　’　ｘ　
’　　・・・ｘ３’ｌ’を用いて達成する。ゾ一ン数が
少ない場合には、　（３）式をそのまま使えるが、現実
にはｌＯゾーンを越える炉も稀ではないので、（３）を
直接使ったのでは測定回数が多く５演算が非常に複雑に
なる。

実用的には、次に説明する簡略法を使うことができる。

ｉ番目のゾーンＺｉとその隣接ゾーンＺｉｊ及びＺｉ＋
１とを拡大して示す第３図並びに自己伝達ゲインｇ・、
及び相互伝達ゲインｇ−１の説明図であ■宜Ｊ る第４図において、直接に隣接するゾーン間の伝達ゲイ
ンＺｉ、ｉ＋１等は堝意であるが、直接には隣接しない
他のゾーンとの間の伝達ゲインＺ１１等寛−１，＋＋１ は無視できる程小さいと仮定する。さらに、第３図に示
される以上に離れたゾーン相互間の伝達ゲインｇは全て
無視できるものと仮定する。

この仮定の下では、上記（１）式及び（２）式は次の様
に書直せる。

従って、 （５）式において求めるべき伝達ゲインの数は。

両端のゾーンの外側隣接分に対するものがないので合計
（３ｎ−２）（［となる、従って、上記仮定の下で必要
な伝達ゲインのみを求めるには、炉内温度検出器３１を
炉ｌ内で３回移動させて測定すれば足りるので、測定及
び計算が簡略化される。３回の測定により求められる内
部温度の分布ｙは次式により表わされる。

（６）式より第１番目のゾーンＺｉの内部温度ｙ、の３
回の測定値に関する部分を抜出せば、次の様に書ける。

（７）式の外部温度マトリクスをＡとおけば、このゾー
ンＺｉに関する伝達ゲインは次式で与えられる。

（８）、　（８）、（１０）式の計算を炉１の全ゾーン
２ｌ−Ｚｎについて行なうことにより、所要の伝達ゲイ
ンｇが全て求まる。（６）式ないしく１ｏ）式の方法に
よれば、たとえゾーン数が多くなっても、異なる外部温
度を３回設定しその設定値ごとに１回づつ合計３回の炉
内温度検出器３１の移動による内部温度測定で（６）式
の伝達ゲインｇを全て求めることができる。

こうして求めた伝達ゲインｇを温度制御装置１５の記憶
装置２０に記憶しておく、所要の内部温度マトリクスｌ
ｙ’ｙ’　拳・・ｙ３’ｌ’を与えるに必要な外部温度
分布ｌ、／　ｘ／　拳・・Ｘ３’　　ドは、伝達ゲイン
ｇに関する次式を満足しなければならない。

（１１）式は階段状方程式であるから、所要の温度分布
パターンを与える、即ち上記の内部温度マトリクスｌｙ
’ｉ’　・・・１３’　　ドを与えるに必要な外部温度
分布１！′ｘ′・・−！３′１′は、消方法により容易
に順次束めることができる。

従って、ゾーン間の干渉を考慮した炉内温度のパターン
切換式制御を（６）式又は（８）−（１１）式を用いた
加熱部温度、即ち外部温度の制御により達成することが
できる。

【構成ｌ 第５図を参照するに、本発明による干渉対応形パターン
切換式温度制御装置１５は、加熱部温度検出素子４が設
けられた複数のゾーンＺｌ　−Ｚｎ及び各ゾーンの内部
温度検出用の炉内温度検出器３１を有する炉１に対する
ものであり、ゾーン別温度設定値列（！、）が設定され
る温度設定素子４０を有する。

制御対象となる複数の温度分布パターン（Ｐ、）、１ｇ 異なる値の前記設定値の列の組（！、　’）　、及び前
記Ｆ 炉内温度検出器３１により検出された各ゾーン内部温度
の組（ｙＨρを記憶するための記憶装置２０を設ける。

前記具なる値の設定値列組（！ｉρと当該組の設定値列
に対する各ゾーン内部温度組（ｙｉｒ）かｒ ら上記（３）式又は（８）式により熱伝達ゲインマトリ
クス（ｇ、）を求める為の演算手段８０を設ける。

Ｊ 前記演算手段８０は、こうして求められた伝達ゲインの
マトリクスを用い、前記温度分布パターン（Ｐ、ｓ）を
与えるべき前記設定値列（！、）を当該温度分布パター
ンと前記熱伝達マトリクスとから算出し前記記憶装置２
０に記憶する機能をも有する。

記憶装置２０内にこうして記憶された前記設定値列を炉
ｌの動作に応じ選択的に前記温度設定素子４０に設定す
る設定手段６０を設けることにより、ゾーン間の干渉を
考慮した温度分布パターン切換式温度制御を行うことが
できる。

血」 第５図及び第６図を参照して作用を説明する。

動作が開始すると、まずステップ３０１でカウント値ｒ
を１とし、ステップ３０２で適当な温度設定値の列！１
１を温度設定素子４０に設定すると共に記憶装置２０に
記憶し、ステップ３０３で炉１の加熱制御及び内部温度
の測定を開始する。ステップ３０４で内部温度が安定し
たか否かを検出し、安定であれば、ステップ３０５で内
部温度ｆｆｉ□を記憶装置２ｏに記憶する。論理ステッ
プ３０１１ｔによる上記カウント値ｒの監視の下に、ス
テップ３０７でカウント値ｒを変更しＥ記温度設定素子
４０の設定値をステップ３０８で変更し上記制御、測定
及び記憶を反覆するループ動作を行い、異なる外部温度
に対する３回の内部温度の測定と記憶を実行する。

次に、ステップ３０θでカウント値ｒをリセットし、（
８）式ないしく１０）式による伝達ゲインｇの算出及び
記憶ステップ３１０へ進む、ステップ３１１で所要の温
度分布パターンＰｉｓに対する内部温度マトリクスを（
ｉｔ）式のｙ１マトリクスとして演算手段８０へ入力す
る。ステー、プ３１２で（１１）式による外部温度！−
に相当する設定温度ト　の算出が行われ、ＩＩＩ！ ステップ３１３でそれらの設定温度が記憶装置２０に記
憶されると共に温度設定素子４０に設定される。

ステップ３１４では、調節手段５０による制御、即ち温
度検出素子４の出力と温度設定素子４ｏにおける設定値
との差を無くす様な操作信号５の発生とその操作信号５
による制御が行なわれる。同時に、炉内温度検出器３１
による内部温度の測定が行なわれる。

炉内温度の安定がステップ３１５で確認されると、ステ
ップ３１Ｂで炉内温度！、を測定して記憶！ し、所要温度分布パターンと測定された炉内温度との差
Δｆｆｉがステップ３１？で温度比較手段４Ｂにより算
出される。この温度差Δｙ、が一定の値によりも大きい
ことがステップ３１８で検出されると、外部温度の補正
量ΔＸ、が（１１）式によりステップ３１９で算出され
、ステップ３２０においてその補正量が温度設定素子４
０の設定値にたいして代数的に加算される。こうして補
正された設定値によるステップ３１４の制御操作が、上
記温度差Δ！、が一定値に！ 以下になるまで繰返される０本発明においては、上記補
正量ΔＸ、が伝達ゲインを利用して算出され！ るので炉内温度を迅速に収束させることができる。

第６図の例では、特定の温度分布パターンに対する外部
温度の設定値が求まると、ステップ３２１でその設定値
を記憶した後、他の温度分布パターンに対する外部温度
設定値の算出を行なう、ステップ３２２が外部温度設定
値算出の完了を検出すると、処理品６に適する温度分布
パターンがステップ３２３で選択されると共にその温度
分布パターンに対し先に算出された外部温度設定値がス
テップ３２４で記憶装置２０から読出され温度設定素子
４ｏに設定される。上記ステップ３１４と同様な制御及
び測定がステップ３２５で行なわれ、炉内温度の安定が
ステップ３２Ｂで検出されると、制御はステップ３２７
へ進み、処理品ライン１１上の処理品６を駆動手段７０
の制御下においてブツシャ１３により炉１内へ送込み所
要の熱処理を加える。

各処理品６の熱処理が終ると、ステップ３２８で後続処
理品の有無が調べられ、後続処理品がある場合には、制
御は前記ステップ３２３に還り新しく読出された温度分
布パターンによる上記熱処理が反覆され、後続処理品が
無い場合には動作を終了する。

宜」１例 第７図は、第１図に示した本発明の一実施例の要部を詳
細に示すプロ゛ツク図であり、第１ＵｇＪ及び第２図と
同一部品は同一記号、同一番号で示す。

マルチプレクサ１Ｂは、炉内温度検出器３１及びゾーン
Ｚ１ないしＺｎの温度検出素子４からの温度信号をアナ
ログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１７を介してバ
ス２５へ順次加える。各ゾーンに対応するディジタル／
アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１８．ないし１８ｎは、
バス２５上の操作信号５１ないし５ｎをディジタル信号
に変換して操作部３１ないし３ｎへ加える。

バス２５には、温度制御装置１５の動作を司るマイクロ
プロセッサ（ｃｐｕ）ｔｓ及び記憶装置２０が接続され
ると共に表示器２１の表示インタフェース２１ａが接続
される。また、記憶装置２０への入力などに使われるキ
ーボード２２がキーボード・インタフェース２２ａを介
してバス２５へ接続される。処理品６を計数する処理品
検出器７からの処理品信号８及び温度分布パターンの切
換スイッチ３４からの信号線３３上の信号が入出力イン
タフェース２３を介してバス２５に゛加えられる。切換
スイッチ３４においては、例えば、その−の切換位置が
−の温度分布パターンに対応する。

第７図の実施例の動作を説明する。炉ｌの各ゾーンＺｌ
ないしＺｎの温度検出素子４からの外部温度信号が一定
時間毎にマルチプレクサ１６で切換えられ、Ａ／Ｄコン
バータ１７で変換後、外部温度Ｘの入力値としてバス２
５に加えられ記憶装置２０に記憶される。炉内温度検出
器３１からの内部温度測定値信号は、マルチプレクサ１
Ｂにより同様にディジタル化された後、内部温度ｙとし
て記憶装置２０に記憶される。温度分布パターン信号Ｐ
、は、切換スイ暑Ｓ ッチ３４から信号線３３及び入出力インタフェース２３
を介してバス２５に加えられるか、又はキーボード２２
からキーボード・インタフェース２２ａを介してバス２
５に加えられ、記憶装置２０に記憶される。

ＣＰＵ１９は、キーボード２２から設定された又は切換
スイッチ３４により指定された温度分布パターンＰ・　
に対応する伝達ゲイン算出用の外部温度設定値ト（第６
図ステップ３０２）を、この場合記憶装置ｒ ２０の一部である温度設定素子４０に設定する。

ＣＰＵ１１３は、次いで上記入力値と上記設定値とを比
較し、演算を加え、入力値が設定値と一致する様に操作
信号５１ないし５ｎを発生する。操作信号５Ｉないし５
ｎは、Ω／Ａコンバータ１８．ないしＩＥｌｎを経由し
て操作部３Ｈないし３ｎへ加えられ、制御素子２を制御
する。

その後、ＣＰＵ１１３は、第６ｒ！４を参照して既に説
明した伝達ゲインの算出、所要温度分布パターンにたい
する外部温度設定値の設定、処理品６に対する熱処理を
行なう。

第７図の実施例において、キーボード２２又は切換スイ
ッチ３４が第５図の設定手段６０の一部の作用をし、Ｃ
ＰＵ１９が温度比較手段４８、調節手段５０、設定手段
８０の他の一部の作用、及び演算手段８０の作用をして
いる。

表示器２１は、キーボード２２から温度分布パターンを
入力する際等に信号をモニターするために使われる。

及ＪΔＬ肱！ 以上説明した如く、本発明による干渉対応形のパターン
切換式温度制御装置は、所要温度分布パターンに対する
炉の制御部温度、即ち外部温度の設定値を、ゾーン間干
渉を考慮の土足めるので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）炉内の所要温度分布パターンが迅速に達成され、
切換えられる。

（ロ）炉内の所要温度分布パターンが正確に達成され、
＃１持される。

（ハ）温度設定パターンの切換えを自動的に行なうので
、煩雑な手動操作を省略し、労力、時間のみならず電力
の節約を図ることができる。

（ニ）手動切換えに付随する設定値変更のタイミングの
ずれを除き、高精度の温度制御システムを構成すること
ができる。

（ホ）コンピュータ併用システムとして温度分布パター
ン等を大量に記憶し、温度調整点が多い大規模システム
に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトンネル炉に適用した本発明による温度制御装
置の説明図、第２図は従来技術による温度調節計の説明
図、第３図は隣接ブロックの説明図、第４図は伝達ゲイ
ンの説明図、第５図は本発明装置の構成の説明図、第６
図は本発明装置の動作を示す流れ図、第７図は本発明の
一実施例の要部詳細ブロック図である。 １・・・炉、２・・・制御素子、３・・・操作部、４・
・・温度検出素子、５・・・操作信号、°６・・・処理
品、７・・・処理品検出器、８・・・処理品信号、　１
１・・・処理品ライン、１５・・・温度制御装置、１８
・・・マルチプレクサ、１７・・・＾／Ｄ　：Ｉ　７ｔ
＜−ｐ　、　１Ｂ・・・Ｄ／Ａコンバータ、１８・・・
ＣＰＵ　、２０・・・記憶装置、２１・・・表示器、２
２・・・キーホード、２３・・・入出力インタフェース
、２５・・・バス、２７・・・設定素子、　２８Ａ−２
８Ｎ・・・調節計、３１・・・炉内温度検出器、３２・
・・記録器、３３・・・信号線、３４・・・切換スイッ
チ、４０・・・温度設定素子、４Ｂ・・・温度比較手段
、５０・・・調荀手段、　８０・・・設定手段、７ｏ・
・・駆動手段、８０・・・演算手段。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱部温度検出素子が設けられた複数のゾーン（
   Ｚ＿ｉ）及び各ゾーンの内部温度検出用の炉内温度検出
   器を有する炉に対する温度制御装置において、ゾーン別
   の加熱部温度の設定値列（ｘ＿ｉ）が設定れる温度設定
   素子；複数の炉内温度分布パターン（Ｐ＿ｉ＿ｓ）、前
   記温度設定素子に設定されるべき異なる値の設定値列の
   組（ｘ＿ｉ＿ｒ）、及び前記組の設定値列の下で前記炉
   内温度検出器により検出される内部温度の組（ｙ＿ｉ＿
   ｒ）を記憶する記憶装置；前記異なる値の設定値列の組
   （ｘ＿ｉ＿ｒ）と前記内部温度の組（ｙ＿ｉ＿ｒ）とに
   より熱伝達マトリクス（ｇ＿ｉ＿ｊ）を算出し、前記熱
   伝達マトリクス（ｇ＿ｉ＿ｊ）により前記温度分布パタ
   ーン（Ｐ＿ｉ＿ｓ）に対応する前記設定値列の組（ｘ＿
   ｉ＿ｓ）を算出する演算手段；並びに前記記憶装置内の
   前記設定値列を炉の動作に応じ選択的に前記温度設定素
   子に設定する設定手段を備えてなる干渉対応形パターン
   切換式温度制御装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の温度制御装置におい
   て、前記異なる値の設定値列の組（ｘ＿ｉ＿ｒ）の加熱
   部温度設定値列の下で前記加熱部温度検出素子により測
   定される加熱部温度測定値の組と、前記加熱部温度設定
   値列の下で前記炉内温度検出器により検出される各ゾー
   ンの内部温度の組（ｙ＿ｉ＿ｒ）とから、前記演算手段
   が前記熱伝達マトリクス（ｇ＿ｉ＿ｊ）を算出してなる
   干渉対応形パターン切換式温度制御装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の温度制御装置におい
   て、前記記憶装置の温度分布パターンを選択する切換ス
   イッチを備えてなる干渉対応形パターン切換式温度制御
   装置。