TWI544296B

TWI544296B - PID controller and data collection method

Info

Publication number: TWI544296B
Application number: TW104118281A
Authority: TW
Inventors: Masato Tanaka; Eisuke Toyoda; Fumihiro Sugawara
Original assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-08-01
Also published as: JP2016014945A; JP6320200B2; US20160004226A1; US9897982B2; TW201602743A; CN105302193B; CN105302193A

Description

PID控制器及資料收集方法

本發明係關於一種溫度控制器等PID控制器，尤其係具備資料收集功能的PID控制器。

為了控制加熱處理爐等的溫度，利用了安裝有PID控制功能的溫度調節器。在溫度調節器中，需要設定PID參數等大量的參數。溫度調節器使用PID參數來進行PID運算，輸出操作量MV以使溫度計測值PV與被設定為目標溫度的設定值SP一致。由此，能夠使溫度計測值PV(控制量PV)接近於目標溫度(設定值SP)。因此，需要設定PID參數等，並且很重要。

但是，控制結果資訊(設定值達到時間、過衝量等控制回應中的特徵量的資料)在把握控制的不佳狀態、調整PID參數等的時候，作為針對實際的控制物件的控制結果，是有效的資訊。因此，一邊實施升溫、降溫等一系列控制動作一邊在溫度調節器內部計算控制回應的特徵量並保存到溫度調節器內部的功能被實施(參照專利文獻1)。另一方面，像資料記錄器那樣的收集並記錄全部測定資料的設備也被實用化(參照專利文獻2)。通過在這些專利文獻1、專利文獻2中公開了的資料收集功能，能夠收集PID控制的控制回應的特徵量或者全部的時序資料，並作為監視物件、分析物件來進行處理。

專利文獻1：日本特開2009-217439號公報

專利文獻2：日本特開2008-286603號公報

在溫度控制中，僅通過升溫、降溫等一系列控制動作，對於有效的資訊收集來說是不充分。即，在專利文獻1公開了的特徵量計算功能中，保存的資訊受限，所以是不充分的。另一方面，在專利文獻2公開了的資料記錄器中，還包括作為控制動作的資訊不需要的資訊，資料收集量過多，所以處理變得煩瑣且不便。因此，作為在控制動作中特殊化了的有效的資訊收集功能，要求為了避免過於煩瑣、且避免過度資訊不足而被改善了的功能。特別是，在升溫、降溫的回應之外，還要求擴大在特殊狀況下的有效利用的改進。

在作為簡易型的PID控制器的代表例子的溫度調節器中，安裝有在探測到感測器斷路的情況下的警報功能等。警報發生前後的時間段為分析警報的原因的物件時間段，所以特別需要詳細的時序資料。但是，在以往的PID控制器中，存在如下問題點：未能實現收集警報發生前後的時間段的詳細的時序資料這樣的功能。

本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於，提供一種以安裝到像溫度調節器等簡易型的PID控制器那樣的低價產品為前提，能夠收集警報發生前後的詳細的時序資料的PID控制器以及資料收集方法。

本發明的PID控制器的特徵在於，具備：操作量計算手段，通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV；操作量輸出手段，將通過該操作量計算手段計算出的操作量MV輸出到控制物件；資料記錄手段，臨時記錄所述控制量PV的時序資料；警報通知手段，在檢測到異常時產生警報；以及資料保存手段，僅在發生了所述警報的情況下，從所述資料記錄手段讀出在該警報發生前後所述資料記錄手段所記錄的資料並進行保存。

另外，在本發明的PID控制器的一個構成例中，其特徵在於，所述資料保存手段保存從所述警報的發生時間點的第1時間T1前的時間點開始到所述警報的發生時間點的第2時間T2後的時間點為止的範圍的資料，所述第1時間T1以及第2時間T2被預先設定為PID參數的積分時間TI的α倍的值。

另外，在本發明的PID控制器的一個構成例中，其特徵在於，所述控制物件是利用了加熱器的加熱控制系統，所述資料保存手段保存從所述警報的發生時間點的第1時間T1前的時間點開始到所述警報的發生時間點的第2時間T2後的時間點為止的範圍的資料，所述第1時間T1以及第2時間T2根據警報的種類被設定為不同的時間。

另外，在本發明的PID控制器的一個構成例中其特徵在於，所述資料保存手段在發生加熱器斷路警報時，將PID參數的積分時間TI的α倍的值用作所述第1時間T1以及第2時間T2，在發生感測器斷路警報時，將與PID參數無關的固定值用作所述第1時間T1以及第2時間T2。

另外，在本發明的PID控制器的一個構成例中，其特徵在於，所述警報通知手段在所述控制量PV超過了規定的控制量範圍時，或者在所述控制量PV的每一定時間的變化率超過了規定的控制量變化率範圍時，產生警報。

另外，在本發明的PID控制器的1構成例中，其特徵在於，還具備：讀入指示手段，在所述資料保存手段所保存的資料達到規定時間以上的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入所述資料保存手段所保存的資料。

另外，在本發明的PID控制器的一個構成例中，其特徵在於，所述資料記錄手段進一步地臨時記錄所述操作量MV的時序資料與所述設定值SP的時序資料，所述資料保存手段除了從所述資料記錄手段讀出所述控制量PV的時序資料並進行保存之外，還從所述資料記錄手段讀出在所述警報發生前後所述資料記錄手段所記錄的操作量MV的時序資料以及設定值SP的時序資料並進行保存。

另外，本發明的資料收集方法的特徵在於，包括：操作量計算步驟，通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV；操作量輸出步驟，將在該操作量計算步驟中計算出的操作量MV輸出到控制物件；資料記錄步驟，臨時記錄所述控制量PV的時序資料；警報通知步驟，在檢測到異常時產生警報；以及資料保存步驟，僅在發生了所述警報的情況下，讀出在該警報發生前後在所述資料記錄步驟中記錄的資料並進行保存。

根據本發明，僅在發生了警報的情況下，從資料記錄手段讀出在警報發生前後資料記錄手段所臨時記錄的資料並進行保存，所以能夠以不變得過於煩瑣且不變得過度資訊不足的方式收集用於分析警報的原因的資料。在本發明中，能夠將表示感測器斷路警報發生前的計測雜訊的增大的資料、表示加熱器斷路警報發生前的平衡點異常的資料等作為預兆解析的記錄進行收集。另外，在本發明中，在PID控制器的內部收集資料，所以與經由通信網路等而通過PID控制器外部的資料收集設備來收集資料的情況相比，能夠更加可靠地排除由通信雜訊等導致的模糊不清的現象。

另外，在本發明中，通過將確定警報發生前後的時間段的第1時間T1以及第2時間T2預先設定為PID參數的積分時間TI的α倍的值，能夠減輕進行PID控制器的設定作業的操作者的負擔。

另外，在本發明中，通過根據警報的種類將確定警報發生前後的時間段的第1時間T1以及第2時間T2設定為不同的時間，能夠設定為與警報的種類相應的適當的值。

另外，在本發明中，在資料保存手段所保存的資料達到規定時間以上的量的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入資料保存手段所保存的資料，從而能夠向操作者傳達資料保存手段的資料保存的餘量變少的情況。

1‧‧‧控制功能部

2‧‧‧資料收集功能部

10‧‧‧設定值輸入部

11‧‧‧控制量輸入部

12‧‧‧操作量計算部

13‧‧‧操作量輸出部

14‧‧‧警報通知部

15‧‧‧資料記錄部

16‧‧‧時鐘

17‧‧‧資料保存部

18‧‧‧讀入指示部

圖1是示出本發明的實施形態的PID控制器的構成的框圖。

圖2是示出本發明的實施形態的加熱控制裝置的構成的框圖。

圖3是示出本發明的實施形態的PID控制器的動作的流程圖。

圖4是說明本發明的實施形態的PID控制器的資料收集的動作的圖。

[發明的原理]

在溫度控制器等PID控制器中，在警報發生前後的時間段中，為了分析警報的原因，需要詳細的時序資料。另一方面，在PID運算的情況下，未發生警報的正常時間內的控制動作的性質一般來說容易通過模擬等來再現。即，在警報發生前後的時間段之外，即使得不到詳細的時序資料，也不會對事後的分析產生大的障礙。

發明者在發現上述的問題的基礎上，還著眼於警報發生的期間一般在時間上較短這一點，想到了將警報發生前後設為用於擴大特殊狀況下的利用的利用物件。警報發生前後的時間段的範圍能夠根據PID參數來確定。

具體來說，始終執行資料的收集、臨時性的記錄，僅在發生了警報的情況下，以不可蓋寫的狀態保存在該警報發生前後收集、記錄了的資料。通過這樣，能夠以不變得過於煩瑣且不變得過度資訊不足的方式收集用於分析警報的原因的資料。

此外，通過利用溫度調節器等簡易型的PID控制器內的資料收集功能，能夠可靠地獲得對警報的原因分析有效的“控制系統的原始資料”，但另一方面，PID控制器的存儲容量受到限制。因此，優選為並用以下兩功能，即通知操作者利用能夠充分地確保存儲容量的上位裝置(例如PC(Personal Computer，個人電腦))來讀入資料的功能、將資料自動轉送到上位裝置並使其返回到允許PID控制器的資料區域的蓋寫的狀態的功能。

[實施形態]

下面，參照附圖，說明本發明的實施形態。圖1是示出本發明的實施形態的PID控制器的構成的框圖。PID控制器具備作為以往以來在PID控制器中設置的一般結構的控制功能部1、以及作為本實施形態的特徵結構的資料收集功能部2。

控制功能部1具備從控制器外部輸入設定值SP的設定值輸入部10；從計測器輸入控制量PV的控制量輸入部11；通過PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV的操作量計算部12；將操作量MV輸出到控制器外部的操作量輸出部13；以及在檢測到異常時產生警報的警報通知部14。

資料收集功能部2具備臨時記錄控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料與設定值SP的時序資料的資料記錄部15；對當前的日期時間進行計時的時鐘16；僅在發生了警報的情況下，讀出在該警報發生前後資料記錄部15所記錄的資料的資料保存部17並進行保存；以及在資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時，通知操作者利用上位裝置來讀入資料保存部17所保存的資料的讀入指示部18。

圖2是示出成為本實施形態的應用物件的加熱控制裝置的構成的框圖。加熱控制裝置由對作為處理物件的被加熱物進行加熱的加熱處理爐100、電加熱器101、計測加熱處理爐100內的溫度的溫度感測器102、控制加熱處理爐100內的溫度的PID控制器103、電力調整器104、以及電力供給電路105構成。

PID控制器103計算操作量MV以使溫度感測器102所計測到的控制量PV(溫度)與設定值SP一致。設定值SP例如通過操作者來設定。電力調整器104決定與操作量MV相應的電力，通過電力供給電路105向電加熱器101供給該決定了的電力。這樣，PID控制器103控制加熱處理爐100內的被加熱物的溫度。圖1的控制功能部1與資料收集功能部2安裝在PID控制器103中。

接著，參照圖3，說明本實施形態的動作。設定值SP通過操作者等來設定，並經由設定值輸入部10而被輸入到操作量計算部12與資料記錄部15(圖3步驟S1)。

控制量PV通過計測器(在圖2的例子中是溫度感測器102)來計測，並經由控制量輸入部11而被輸入到操作量計算部12、警報通知部14與資料記錄部15(圖3步驟S2)。

操作量計算部12通過如以下的傳遞函數式那樣的PID控制運算，根據設定值SP與控制量PV來計算操作量MV(圖3步驟S3)。

MV=(100/PB){1+(1/TIs)+TDs}(SP-PV)‧‧‧(1)

在式(1)中，PB是比例帶，TI是積分時間，TD是微分時間，s是拉普拉斯運算元。

操作量輸出部13將通過操作量計算部12計算出的操作量MV輸出到控制物件(圖3步驟S4)。在圖2的例子中，電力調整器104成為操作量MV的實際的輸出目的地。

資料記錄部15將從控制量輸入部11輸入了的控制量PV、通過操作量計算部12計算出的操作量MV以及從設定值輸入部10輸入了的設定值SP作為應該收集的資料進行臨時記錄(圖3步驟S5)。此時，資料記錄部15在由控制量PV、操作量MV與設定值SP構成的資料集中，附加地記錄從時鐘16得到的當前時刻的資訊。

如果控制動作持續進行，在每個控制週期中反復執行步驟S1~S5的處理，則控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料與設定值SP的時序資料被存儲到資料記錄部15。

接著，警報通知部14在檢測到異常時(在圖3步驟S6中為“是”)，產生警報(圖3步驟S7)。作為異常的種類，例如存在有控制量PV超過規定的控制量範圍、或者控制量PV的每一定時間的變化率超過規定的控制量變化率範圍等的控制動作的異常、PID控制器自身的故障、或者在PID控制器設定的參數(PID參數等)的異常設定等。作為警報的產生/通知方法，例如存在有將警報信號輸出到上位裝置(例如PC(Personal Computer，個人電腦))、或者使在PID控制器中設置的警報通知用的LED閃爍或者亮燈等方法。

資料保存部17在發生了警報的情況下，從資料記錄部15讀出在該警報發生前後資料記錄部15所記錄的資料(控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料與設定值SP的時序資料)並進行保存(圖3步驟S8)。警報發生前後是指：從警報的發生時間點的規定的第1時間T1前的時間點開始到警報的發生時間點的規定的第2時間T2後的時間點的範圍。因此，在該範圍內還包括警報的發生時間點。

資料保存部17基於附加到資料記錄部15所記錄的資料的時刻資訊，從資料記錄部15讀出從警報的發生時間點的規定的第1時間T1前的時間點開始到警報的發生時間點的資料，並且將該讀出的資料按被記錄到資料記錄部15的順序(時刻資訊所表示的時刻的順序)來保存，進一步地，從資料記錄部15依次讀出在警報發生時間點以後資料記錄部15所記錄的資料中的、至警報的發生時間點的規定的第2時間T2後的時間點為止的資料，並且按被記錄到資料記錄部15的順序來保存即可。第1時間T1與第2時間T2既可以相同，也可以不同。

此外，在此處的資料保存方法中，從警報的發生時間點起直到經過第2時間T2，資料的保存持續地進行，但不限於此，也可以一次完成資料的保存。具體來說，資料保存部17也可以在發生警報時不立即實施步驟S8的處理，而在從警報的發生時間點起經過了第2時間T2之後，從資料記錄部15讀出從警報的發生時間點的第1時間T1前的時間點開始到警報的發生時間點的第2時間T2後的時間點為止的範圍的資料並進行保存。

根據上述的說明可知，由資料記錄部15實施的資料的臨時記錄、與由資料保存部17實施的資料的保存的差異在於以下兩點：在資料記錄部15中，不區分是否是警報發生時，對全部的資料進行記錄，與此相對地，在資料保存部17中，僅保存警報發生前後的資料這一點；以及在資料記錄部15中允許資料的蓋寫，如果達到資料記錄部15的存儲容量的上限，則從較舊的資料起依次蓋寫為新的資料，與此相對地，在資料保存部17中禁止資料的蓋寫，只要不刪除所保存了的資料，就無法保存新的資料這一點。資料記錄部15與資料保存部17的存儲容量只要是至少比警報發生前後的範圍的資料的容量大的容量即可。

讀入指示部18在資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時(圖3步驟S9)，通知操作者利用上位裝置(例如PC)來讀入資料保存部17所保存的資料(圖3步驟S10)。作為通知方法，存在有例如使LED閃爍或者亮燈以使得操作者能夠識別催促等方法。

在每個控制週期中反復執行以上那樣的步驟S1~S10的處理，直到例如根據來自操作者的指令而控制結束為止(在圖3步驟S11中為“是”)。

此外，在發生了警報的情況下，有時持續發生警報直到警報的原因消除為止，但關於同一種類的警報，無需反復進行圖3的步驟S8的處理，資料保存部17在最初發生警報的時間點保存該警報的發生前後的資料即可。

警報的種類(控制量PV的異常、控制量PV的變化率的異常、PID控制器的故障、參數的異常設定等)能夠通過被附加到從警報通知部14輸出的警報信號的警報代碼來區分。資料保存部17在保存警報發生前後的資料時，將從警報通知部14取得的警報代碼附加到資料中並保存。由此，資料保存部17能夠識別正在對於什麼種類的警報保存警報發生前後的資料。資料保存部17對於一種警報，將保存警報發生前後的資料的次數設為僅1次，在對於同一種類的警報已經保存了警報發生前後的資料的情況下，不會再次實施相同處理或者重複地實施相同處理。

圖4的(A)、圖4的(B)是說明本實施形態的PID控制器的資料收集的動作的圖，圖4的(A)示出了控制量PV的變化的一個例子，圖4的(B)示出了操作量MV的變化的一個例子。圖4的(A)的縱軸是控制量PV，橫軸是時間，圖4的(B)的縱軸是操作量MV，橫軸是時間。在這裡，將設定值SP設為溫度設定值，將控制量PV設為溫度計測值，說明例如在圖2所示的加熱控制裝置中收集資料的情況。另外，將(SP-5℃)到(SP+5℃)設為正常的控制量範圍。因此，如果控制量PV低於(SP-5℃)或者超過(SP+5℃)，則發生警報。

在圖4的(A)、圖4的(B)的例子中，在設定值SP=200 ℃的溫度控制中，操作量MV產生通常不出現的上下波動，在控制量PV降低而最終在時刻t2低於控制量範圍的下限值(SP-5℃)時，發生警報。資料保存部17從資料記錄部15讀出從警報的發生時間點t2的第1時間T1前的時間點t1開始到警報的發生時間點t2的第2時間T2後的時間點t3為止的範圍的資料並進行保存。

在溫度調節器等PID控制器中，例如在由於感測器斷路而溫度計測值(控制量PV)突變了的情況下(控制量PV的變化率超過了規定的控制量變化率範圍的情況下)，或者在由於伴隨著設定值SP變更時的操作量MV的突變等的加熱器斷路而溫度計測值(控制量PV)異常降低了的等情況下(控制量PV超過了規定的控制量範圍的情況下)，需要進行上述那樣的資料的保存。

在本實施形態中，能夠收集表示感測器斷路警報發生前的計測雜訊的增大的資料、表示加熱器斷路警報發生前的平衡點異常的資料等作為預兆解析的記錄。另外，在本實施形態中，在PID控制器的內部收集資料，所以與經由通信網路等通過PID控制器外部的資料收集設備來收集資料的情況相比，能夠更加可靠地排除由通信雜訊等導致的模糊不清的現象。

在施加了與控制動作的頻率特性(PID運算的性質方面能夠計算)相比頻率更高的干擾等的等情況下，容易引起發生警報的異常的控制動作。因此，如果將PID參數的積分時間TI的α倍(例如α=2.0)設為第1時間T1以及第2時間T2(T1=T2=α TI)，則操作者在進行適當的設定時能夠果斷地完成。

在這裡，例如如果是由於感測器斷路而在控制量PV中出現異常值的警報，則僅是計測系統的問題，控制物件的時間常數、空耗時間在原則上不相關。另一方面，如果是由於加熱器斷路而在控制量PV中出現異常值的警報，則是控制動作系統的問題，控制物件的時間常數、空耗時間越長，則從緊接著加熱器斷路之後到警報發生為止的時間越長。一般來說，在控制物件的時間常數、空耗時間長的情況下，將PID參數的積分時間TI設定為大的值。

因此，關於資料保存部17，優選的是，對於加熱器斷路警報(在控制量PV超過了規定的控制量範圍的情況下)，如上所述地將積分時間TI的α倍的值用作第1時間T1以及第2時間T2(T1=T2=α TI)，對於感測器斷路警報(在控制量PV的變化率超過了規定的控制量變化率範圍的情況下)，將與PID參數無關的固定值β用作第1時間T1以及第2時間T2(T1=T2=β)。如上所述，警報的種類能夠通過附加到從警報通知部14輸出的警報信號的警報代碼來區分。資料記錄部15與資料保存部17的存儲容量只要是比根據警報的種類而不同的第1時間T1與第2時間T2的合計時間(T1+T2)中的最大值的時間的資料的容量大的容量即可。

根據以上的實施形態，能夠以不變得過於煩瑣且不變得過度資訊不足的方式收集用於分析警報的原因的資料。

此外，在本實施形態中，以在PID控制器中具有時鐘功能(對資料附加時刻資訊的功能)為前提，但不限於此。資料記錄部15在每個控制週期中記錄資料，所以各個資料的間隔與控制週期相等。因此，能夠容易地計算在所期望的長度的時間範圍中包含的資料的個數。即，在PID控制器中沒有時鐘功能的情況下，資料保存部17在發生了警報時，從資料記錄部15讀出在警報發生時間點以前資料記錄部15所記錄的資料中的、從較新的資料起按順序追溯了第1時間T1的個數的過去的資料，並且將該讀出了的資料按被記錄到資料記錄部15的順序來保存，進一步地，從資料記錄部15讀出在警報發生時間點以後資料記錄部15所記錄的資料中的、與第2時間T2相當的個數的資料並進行保存即可。

另外，在本實施形態中，在資料收集功能部2中設置了讀入指示部18，但也可以設置自動轉送手段。該自動轉送手段在資料保存部17所保存的資料達到規定時間以上的資料時，將資料保存部17所保存了資料經由通信網路自動地轉送到上位裝置，刪除資料保存部17所保存的資料。由此，能夠使資料保存部17返回到能夠進行資料的蓋寫的狀態。

另外，在本實施形態中，資料記錄部15記錄控制量PV的時序資料、操作量MV的時序資料與設定值SP的時序資料，資料保存部17保存有在警報發生前後資料記錄部15所記錄的資料，但記錄/保存操作量MV的時序資料與設定值SP的時序資料並非本發明的必要要件。也可以是資料記錄部15僅記錄控制量PV的時序資料，資料保存部17僅保存在警報發生前後資料記錄部15所記錄的控制量PV的時序資料。

在本實施形態中說明了的PID控制器能夠通過具備CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、存儲裝置和介面的電腦、以及控制這些硬體資源的程式來實現。CPU依照在存儲裝置中所儲存的程式，執行本實施形態中所說明的處理。

本發明能夠應用於具備資料收集功能的PID控制器。