JPWO2019082295A1 - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

温度制御装置１００は周期演算部１１０を備え、周期演算部１１０は、制御対象における断線や溶着を示す警報を検出可能な制御周期の下限値を、事前に設定された目標値から算出される負荷率とオンオフ制御の制御周期との積算値に基づき算出する。

Description

この発明は、制御対象の断線等の異常を検出可能な温度制御装置に関するものである。「制御対象」とは、温度制御の対象（例えば、射出成型機における樹脂等）のことを指し、以下においては制御対象の温度を制御するためのヒータ等も含むものとする。

ＰＩＤ制御等を用いた温度制御において、事故防止等の観点からヒータ等の断線状態といった異常の検出が行われている（以下、「断線警報の検出」や「異常警報の検出」等とも称する）。以下、異常警報の例として、オンオフ制御における断線警報を例にとって説明する。ここで、断線警報とは、温度制御装置から制御オンの出力がなされているにも関わらず、ヒータ等に電流が流れていない場合は、断線と判断し、制御オフの出力がなされているにも関わらずヒータ等に電流が流れている場合は溶着などの操作器の故障であると判断する警報のことを表す。以下、断線の場合を例にとり、説明を行う。

断線警報は、一定の時間、判断対象の信号の値を取り込むことにより判断する。断線の判断は上記のように、一定の時間中（オンであるはずの）電流値がオフとなっているかどうかによって判断を行う。そのため、制御周期の切替わり等により判断対象の電流値がオンからオフに切り替わってしまった場合は、その期間の電流値は断線警報の出力に使用することはできない。

また、制御出力が切り替わった際に、操作器等により実際に判断対象の電流が切り替わるまでに一定の時間を要する（遅れ時間）が発生することが知られている。そのため、断線警報を判断するためには、上記の遅れ時間経過後に電流値を取り込む必要がある。

なお、上記の遅れ時間は制御系の装置構成等によって変動する。そのため、実際の温度制御装置の動作においては、汎化性を高めるために、上記の遅れ時間に更に一定の時間経過後に電流値の取込をおこなっている。従って、断線警報を判断するためには、上記の遅れ時間＋一定の時間＋断線警報の判断のための期間分のオン時間が必要となる（以下、「断線警報の判断に必要な時間」とも称する。）。

しかし、近年、射出成型機等のヒータ制御において、ヒータ容量が大きく設定温度が低いといった軽負荷率の温度制御が増加している。このような軽負荷率の温度制御の場合、通常の温度制御と比してオンとなる時間が短くなる。そのため、上記の断線警報の判断に必要な時間を満たすことができない（制御オンとなる期間が短すぎる）ため、断線警報を検出することが出来なくなってしまう。

このような場合、制御周期を拡張することにより対処が可能である。制御周期の拡張により、制御周期内のオン時間が、上記の断線警報の判断に必要な時間を満たすようになれば、断線警報を検出することが可能となる。しかし、不必要な制御周期の拡張は制御性の低下等を招くため、制御周期の拡張は必要最低限に抑えることが望まれる。しかし、前述のように制御系によって断線警報の判断に必要な時間は変化してしまうため、周期拡張を最低限に抑えることは難しい。

このような状況下で、実際の温度制御装置の動作においては、ＰＩＤ制御のＰＩＤパラメータのオートチューニングを実行した後に、まず、手動により断線警報が検出可能かどうかの検証を行っている。そして、断線警報が検出出来ない場合には、手動により、設定者の経験則に基づき制御周期の拡張等を行っている。
断線警報を組み込んだ制御系の構築を行う場合、このように手動により設定を行う必要があったため、作業の煩雑さ及び制御性の観点から、設定の自動化が望まれている。特に、オートチューニングの際に自動的に設定されることが望まれている。

一般的なＰＩＤオートチューニングの手法として、例えば、特許文献１が挙げられる。

特開平０４−２９１６０１号公報

しかし、特許文献１には、リミットサイクル法を用いてＰＩＤパラメータを自動設定する点が記載されているものの、上記のように断線警報の検出を可能とするための制御周期を自動的に決定するという点については開示されていない。

本発明は、上記の点に鑑み、制御性を保ちつつ、断線警報が検出可能となる制御周期を、自動で決定することができる温度制御装置を提供することを目的とする。

（構成１）
負荷率に基づき操作器をオンオフ制御し、制御対象の温度を制御する温度制御装置であって、
前記制御対象の異常を検出するために必要となる信号取込時間の下限値を、前記負荷率により除した値に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値が算出される、
周期演算部を備えることを特徴とする温度制御装置。

（構成２）
前記周期演算部が、
前記信号取込時間の下限値を前記負荷率により除した値と、前記操作器における遅れ時間と、に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値を算出する事を特徴とする構成１に記載の温度制御装置。

（構成３）
前記周期演算部が、
事前に設定された制御周期中のオン期間とオフ期間のうち短いほうを判定し、当該判定結果に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値を算出することを特徴とする構成１又は２に記載の温度制御装置。

（構成４）
前記周期演算部が、
当該温度制御装置に対して事前に設定された制御周期と、前記異常を検出可能な制御周期の下限値と、を比較し、
前記制御周期が、前記異常を検出可能な制御周期の下限値未満であった場合、
前記異常を検出するための制御周期の下限値以上の値を、新たな制御周期として設定することを特徴とする、構成１から３の何れかに記載の温度制御装置。

本発明によれば、制御性を保ちつつ、断線警報が検出可能となる制御周期を、自動で決定することができる。

本発明に係る実施形態の温度制御装置を示す概略構成図である。 出力状態とＣＴ入力値との関係を表す概念図である。 断線警報が検出出来ない場合の一例を示す、出力状態とＣＴ入力値との関係を表す概念図である。 本発明に係る実施形態の温度制御装置の動作を説明したフローチャートである。

以下、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

＜実施形態＞
図１はこの発明の実施形態による温度調節計の本発明に関する部分を示す概略構成図である。
温度制御装置１００は、制御対象１３０を測温するセンサ（不図示）からの入力値（ＰＶ）、目標値（ＳＶ）、及びＰＩＤパラメータに基づき操作器１２０のオンオフを制御することにより、制御対象１３０の温度を制御する装置である。

また、オートチューニング装置１４０は、制御の開始前（初回動作時等）に、対象制御系（制御対象１３０）及び事前に設定された目標値（ＳＶ）に基づきＰＩＤパラメータ等を自動設定（以下「ＡＴ」とも称する。）する装置である。

温度制御装置１００は、入力されたＰＶに基づき、制御対象１３０の温度制御を行い、制御対象１３０自体の温度、又は制御対象１３０が温度制御する対象の温度が設定された目標値ＳＶになるように、対象装置に直接又は他の装置を介してオンオフの制御信号を出力するよう構成される。また、温度制御装置１００は、周期演算部１１０を備える。

周期演算部１１０は、ＡＴ時に入力された負荷率の値に基づき、断線警報が取得可能となるような制御周期を算出し、算出された制御周期によって制御周期を再設定する機能を備える。なお、周期演算部１１０はマイコン等により構成されている。

操作器１２０は、周期演算部１１０からの制御出力に応じてスイッチングを行う機能を備え、ＳＳＲや機械的なリレーにより構成されている。制御対象１３０は、操作器１２０の動作に基づき温度の制御を行う対象であり、ヒータ等により構成されている。なお、断線警報等の異常警報検出のための信号取込については、制御対象１３０の配線上に配置したＣＴ（カレントトランス、不図示）等により実施される。

図２は、温度制御装置１００からの操作器１２０への出力と、ＣＴ（カレントトランス）により取り込まれた信号との関係を示した概念図である。制御周期の開始から、遅れ時間経過後にＣＴの取込を開始している例を示している。
なお、図２中の１の場合は制御出力がオンとなっているため、ＣＴからの取込値が事前に設定された閾値を下回っている場合（電流が流れていない場合）、断線であると判断される。
図２中の２の場合は、取込時間の間に制御出力の切り替わりが発生しているため、断線警報には使用できない。
図２中の３の場合には、制御出力がオフとなっているため、ＣＴからの取込値が事前に設定された閾値を上回っている場合（電流が流れている場合）、操作器等の故障であると判断される。

なお、図３については、軽負荷時の制御出力の一例を示す図である。この場合、制御周期中にオンとなる期間が短すぎるため、断線警報を検出するための最低限の取込時間を満たすことができない。そのため、取込時間中に必ずオンオフの切り替わりが発生してしまい、断線警報を検出することができない。

＜動作＞
次に、図４のフローチャートを参照しつつ、実施形態における周期演算部１１０の動作について説明する。

まず、ステップＳ１００において、オートチューニング装置１４０により、リミットサイクル法等に基づき演算されたＰＩＤパラメータが温度制御装置１００に入力される。

次に、ステップＳ１１０において、入力された負荷率に基づき、断線警報算出のための制御周期（下限値）を算出する。以下にステップＳ１１０における動作を説明する。まず、下記の式により、入力された目標値における負荷率（θ[%]）を算出する。

ここで、オン時間（オン期間）とは、制御周期のうち出力がオンとなっている時間を表す。なお、オフ時間（オフ期間）とは、制御周期のうち出力がオフとなっている時間を表す。

そして、事前に設定された、断線警報を検出するために最低限必要となる電流取込時間をｔminとする。上記のように、断線警報を検出するためには、最低限ｔminの間、対象の信号が連続してオンとなっている必要がある。
なお、オンオフ制御においては、上記の負荷率は、制御周期中にオンとなる割合、すなわちオンとなる時間を表す。そのため、断線警報を検出するためには、制御周期中に最低限ｔminの間信号が連続してオンとなっていればよいので、ｔminと、断線警報を検出するための最低限の制御周期Ｔminとの関係については、以下のよう表される。

なお、周期演算部１１０は、さらに正確な制御周期Ｔminを算出するため、遅れ時間ｔdを考慮して制御周期Ｔminを算出してもよい。なお、遅れ時間とは、制御出力が切り替わった際に、操作器等のスイッチング操作が完了し、実際に判断対象の電流が切り替わるまでに発生する一定の時間である。
このように遅れ時間ｔdを考慮してＴminが算出される場合、断線警報を検出するための最低限の制御周期Ｔminについては、以下のように算出される。

このように、断線警報が検出可能となる制御周期の下限値であるＴminは、数２又は数３のように算出することができる。なお、遅れ時間を考慮してＴminを算出するかどうかは、温度制御装置１００に事前に設定されていてもよいし、スイッチ等により動作を切換えるように構成されていてもよい。

ここまで、断線警報を検出する場合を例に説明してきたが、周期演算部１１０は、溶着判断（操作器等の故障）を検出可能となる制御周期の下限値を算出するように構成されていてもよい。溶着判断を行う場合は、オフとなっているはずの信号がオンとなっている場合に溶着等の故障が発生していると判断する。そのため、断線警報と同じく、制御周期中に一定時間連続してオフとなる時間が必要となる。
この場合、事前に設定された、溶着判断を検出するために最低限必要となる電流取り込み時間をｔoffminとして、上記の数２又は数３と同様に制御周期Ｔoffminを算出すればよい。
なお、断線判断及び溶着判断を行う際に、電流が流れている、流れていないと判断するための閾値については、事前に設定されていてもよいし、入力装置（不図示）等により入力されるように構成されていてもよい。

また、周期演算部１１０は、負荷率θの値等から、制御周期のうちオン期間とオフ期間のうち短いほうの期間を判定し、その判定結果からＴminとＴoffminのどちらを算出するかを切換えるように構成されていてもよい。オン期間の方が短い場合は、断線警報を検出するための最低限の制御周期Ｔminを算出し、オフ期間の方が短い場合は溶着判断を検出するための最低限の制御周期Ｔoffminを算出する。
なお、温度制御装置１００は、Ｔminだけを算出するように事前に設定されていてもよいし、Ｔoffminだけを算出するように事前に設定されていてもよいし、当該機能によりＴminとＴoffminを選択して算出するように設定されていてもよい。
以下、ステップＳ１１０において算出された制御周期の下限値のことを「算出された制御周期」とも称する。

このようにステップＳ１１０において断線警報を検出するための制御周期の下限値Ｔminが算出された。次に、ステップＳ１２０において、現在設定されている（入力された）制御周期とステップＳ１１０において算出された制御周期であるＴminとを比較し、現在の制御周期が、算出された制御周期未満で有った場合、ステップＳ１３０へと移行する（ステップＳ１２０：Ｙｅｓ→ステップＳ１３０）。一方、現在の制御周期が算出された制御周期以上であった場合、処理を終了する（ステップＳ１２０：Ｎｏ→エンド）。

最後に、ステップＳ１３０において、制御周期を、算出された制御周期に設定し、処理（オートチューニング）を終了する。なお、ここで新たに設定される制御周期はステップＳ１１０にて算出された制御周期以上の周期であればよい。

＜各構成による効果＞
以上のように、本実施形態１の温度制御装置１００によれば、周期演算部１１０により自動的に、断線警報を検出可能な制御周期の下限値を算出可能に構成されている。そのため、制御性を保ちつつ、断線警報が検出可能となる制御周期を、自動で決定することができる。

また、周期演算部１１０が、事前に設定された遅れ時間を考慮して、断線警報を検出可能な制御周期の下限値を算出可能に構成されている。そのため、より制御性の高い、断線警報が検出可能となる制御周期を自動で決定することができる。

また、周期演算部１１０が、負荷率に基づき得られる、オン期間とオフ期間のうち短いほうの期間に基づき、異常警報を検出可能な制御周期の下限値を算出可能に構成されている。そのため、制御系において断線警報と溶着判断のどちらも検出可能な制御周期の下限値を自動で算出することができる。

また、周期演算部１１０が、現在の制御周期と、算出された制御周期との比較を行い、現在の制御周期が算出された制御周期未満であった場合、算出された制御周期の下限値以上の値を、新たな制御周期として設定するように構成されている。そのため、断線警報が検出可能な制御周期を自動的に設定することができる。

本実施形態においては、断線警報を検出可能な制御周期の算出及び制御周期の再設定を、オートチューニング中に実施する例について説明したが、オートチューニングとは別個に実施されるように構成されていてもよい。
また、周期演算部１１０は、現在設定されている制御周期のオン期間とオフ期間とのうち短いほうにもとづき、断線警報又は溶着判断を行うように構成されていたが、事前に設定された動作を（断線警報と溶着判断のどちらか）を行うように構成されていてもよい。

なお、上記各実施形態における各構成は、それぞれ専用回路等でハード的に構成されるものであってもよいし、マイコン等の汎用的な回路上でソフトウェア的に実現されるものであってもよい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成及び動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解しうる様々な変更を行うことができる。

１００…温度制御装置
１１０…周期演算部
１２０…操作器
１３０…制御対象
１４０…オートチューニング装置

Claims (4)

1. 負荷率に基づき操作器をオンオフ制御し、制御対象の温度を制御する温度制御装置であって、
   前記制御対象の異常を検出するために必要となる信号取込時間の下限値を、前記負荷率により除した値に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値が算出される、
   周期演算部を備えることを特徴とする温度制御装置。
2. 前記周期演算部が、
   前記信号取込時間の下限値を前記負荷率により除した値と、前記操作器における遅れ時間と、に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値を算出する事を特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記周期演算部が、
   事前に設定された制御周期中のオン期間とオフ期間のうち短いほうを判定し、当該判定結果に基づき、前記異常を検出可能な制御周期の下限値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御装置。
4. 前記周期演算部が、
   当該温度制御装置に対して事前に設定された制御周期と、前記異常を検出可能な制御周期の下限値と、を比較し、
   前記制御周期が、前記異常を検出可能な制御周期の下限値未満であった場合、
   前記異常を検出するための制御周期の下限値以上の値を、新たな制御周期として設定することを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の温度制御装置。

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