JP5578990B2 - エネルギー総和抑制制御装置、電力総和抑制制御装置および方法 - Google Patents
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Description
特に複数の電気ヒータを備える加熱装置では、立ち上げ時(複数の電気ヒータが設置されている領域の一斉昇温時)に同時供給される総電力を抑制するために、以下のような手法が提案されている。
特許文献2に開示された半導体ウエハの処理装置では、装置立ち上げ時に一時に大電力が消費されないように、各ヒータに対して時間的にずらしながら電力を供給するようにしていた。
特許文献4に開示された加熱装置では、装置立ち上げ時の過度の消費電流による電力障害を防止するために、まずコンベアより下方に位置するヒータに対し必要とする電力を供給し、かつコンベアより上方に位置するヒータへ供給される電力を制限して、合計消費電力を一定値以下に制御し、炉体内の温度の上昇に伴って温度を切換パラメータとして、コンベアより下方に位置するヒータへの供給電力を減少させるように制御していた。
例として加熱装置を取り上げて説明する。例えば複数の加熱制御系に時間差を設けて順次立ち上げると、結果的に電力に余裕のある時間帯が生じることは避けられないので、その電力の余裕が装置の立ち上げ完了を遅らせる非効率分になることに、発明者は着眼した。単純に言えば、設定値SPのステップ変更が行なわれた際に、制御量PVの設定値SPへの追従制御が行なわれていない状態を多く発生させていることになる。
各制御ループの昇温完了時間が概ね等しくなり、かつ使用電力の合計が割当総電力以内で最大になる操作量出力上限の組み合わせを、前記昇温完了までの推定時間を適宜修正しながら求めれば、最も効率的な立ち上げ方に近づけることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は、代表的な昇温能力として最大出力時の昇温レートを予め記憶しておき、任意の出力上限に絞ったときの昇温レートを推定する簡易的な方法を開示するものである。図1は本発明の第1の実施の形態に係る加熱装置の構成を示すブロック図である。加熱装置は、被加熱物を加熱するための加熱処理炉1と、加熱処理炉1の内部に設置された複数の制御アクチュエータであるヒータH1〜H4と、それぞれヒータH1〜H4によって加熱される領域の温度を測定する複数の温度センサS1〜S4と、ヒータH1〜H4に出力する操作量MV1〜MV4を算出する電力総和抑制制御装置2と、電力総和抑制制御装置2から出力された操作量MV1〜MV4に応じた電力をそれぞれヒータH1〜H4に供給する電力調整器3−1〜3−4とから構成される。
探索処理部17は、昇温時間設定部18と、割当総電力判定部19とから構成される。必要出力推定部15と使用電力合計算出部16と探索処理部17とは、電力抑制手段を構成している。
割当総電力入力部10は、電力を管理する電力デマンド管理システムのコンピュータである上位PC4から、ヒータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する(図4ステップS100)。
ΔPVi=SPi−PVi ・・・(1)
THi=THoi{100.0/(100.0−MVi)} ・・・(2)
TLi=THiΔPVi ・・・(3)
TL=max(TLi) ・・・(4)
式(4)において、max( )は最大値選出演算関数である。以上のステップS102〜S105の処理により、昇温時間TLを推定することができる。
MUi={100.0THoi/(TL/ΔPVi)}+MVi ・・・(5)
式(5)は、式(2)において、分母の100.0をMUiに置換し、THiをTL/ΔPViに置換して、MUiについて解くことにより得られる数式である。
探索処理部17の割当総電力判定部19は、TW≦PW、すなわち使用電力総量TWが割当総電力PWを超えない場合は(ステップS108においてYES)、各制御ループRiの必要出力MUiをそれぞれ各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定する(ステップS109)。
制御量PViは、制御量PVi入力部22−iを介してPID制御演算部23−iに入力される(ステップS112)。
MVi=(100/PBi){1+(1/TIis)+TDis}(SPi−PVi)
・・・(7)
PBiは比例帯、TIiは積分時間、TDiは微分時間、sはラプラス演算子である。
IF MVi>OHi THEN MVi=OHi ・・・(8)
すなわち、出力上限処理部24−iは、操作量MViが操作量出力上限値OHiより大きい場合、操作量MVi=OHiとする上限処理を行う。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、制御量PViの変化レートTHiの推定算出について簡易的な方法を用いたが、本実施の形態は、昇温特性の非線形性を考慮して、制御量PViの変化レートTHiの推定算出精度をさらに上げる方法を提示するものである。
本実施の形態においても電力総和抑制制御装置2の構成および処理の流れは第1の実施の形態と同様であるので、図1〜図4の符号を用いて説明する。
次に、本実施の形態の昇温時間推定部11の制御量PVi変化レート算出部13は、予め設定された推定用多項式f()により、各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViと制御量PViの変更量ΔPViとから制御量PViの変化レートTHiを次式により制御ループRi毎に算出する(ステップS103)。
THi=f(MVi,OHi=100.0,ΔPVi) ・・・(9)
+0.98236×{(ΔPV1−21.818)×0.06279}2
×(OH1−82.727)×0.04717
−1.0102×{(ΔPV1−21.818)×0.06279}2
×(MV1−41.224)×0.09649
−2.1976×{(ΔPV1−21.818)×0.06279}2
+2.9847×(ΔPV1−21.818)×0.06279
×{(OH1−82.727)×0.04717}2
−3.5615×(ΔPV1−21.818)×0.06279×(OH1
−82.727)×0.04717×(MV1−41.224)×0.09649
−7.4233×(ΔPV1−21.818)×0.06279×(OH1
−82.727)×0.04717
+0.90789×(ΔPV1−21.818)×0.06279×(MV1
−41.224)×0.09649×(MV1−41.224)×0.09649
+3.3854×(ΔPV1−21.818)×0.06279×(MV1
−41.224)×0.09649
+8.7284×(ΔPV1−21.818)×0.06279
−9.6209×{(OH1−82.727)×0.04717}3
+15.583×{(OH1−82.727)×0.04717}2
×(MV1−41.224)×0.09649
+16.332×{(OH1−82.727)×0.04717}2
−7.6565×(OH1−82.727)×0.04717×{(MV1
−41.224)×0.09649}2
−17.689×(OH1−82.727)×0.04717×(MV1
−41.224)×0.09649
−20.277×(OH1−82.727)×0.04717
+2.3928×{(MV1−41.224)×0.09649}3
+3.1479×{(MV1−41.224)×0.09649}2
+9.8793×(MV1−41.224)×0.09649
+30.529 ・・・(10)
MUi=g(MVi,THi=TL,ΔPVi) ・・・(11)
図4のステップS107〜S116の処理は、第1の実施の形態と同じである。
なお、第1、第2の実施の形態では、加熱装置を例に挙げて説明しているが、例えば対象物の冷却温度を制御する冷却装置に本発明を適用してもよい。
第1、第2の実施の形態では、操作量出力上限値OHiを電力量に基づいて算出しているが、これに限るものではなく、燃料使用量に基づいて算出するようにしてもよい。すなわち、本発明は、第1、第2の実施の形態の電力総和抑制制御装置2で用いる「電力」という物理量を、「エネルギー」あるいは「パワー」に置き換えた形態を権利範囲に含む。
図9のエネルギー総和抑制制御装置は、割当総エネルギー入力部10aと、昇温時間推定部11と、必要出力推定部15と、使用エネルギー合計算出部16aと、探索処理部17aと、制御ループRi毎に設けられた制御部20−iとから構成される。探索処理部17aは、昇温時間設定部18と、割当総エネルギー判定部19aとから構成される。このエネルギー総和抑制制御装置の構成は、第1、第2の実施の形態において「電力」を「エネルギー」に置き換えたものに相当するので、詳細な説明は省略する。
Claims (10)
- 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータのエネルギー使用量を規定する割当総エネルギーの情報を受信する割当総エネルギー入力手段と、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の制御量変化時間TLiを推定し、前記制御量変化時間TLiのうちの最大値である制御量変化時間TLを選出する制御量変化時間推定手段と、
各制御ループRiの制御量PViを前記制御量変化時間TLの間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用エネルギーの総和である使用エネルギー総量を算出し、この使用エネルギー総量が前記割当総エネルギーを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定するエネルギー抑制手段と、
制御ループRi毎に設けられ、設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とするエネルギー総和抑制制御装置。 - 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力手段と、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の制御量変化時間TLiを推定し、前記制御量変化時間TLiのうちの最大値である制御量変化時間TLを選出する制御量変化時間推定手段と、
各制御ループRiの制御量PViを前記制御量変化時間TLの間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出し、この使用電力総量TWが前記割当総電力PWを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定する電力抑制手段と、
制御ループRi毎に設けられ、設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力手段と、
各制御ループRiの変更後の設定値SPiと設定値変更前の制御量PViとから各制御ループRiの制御量PViの変更量ΔPViを算出する制御量変更量算出手段と、
各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViから制御量PViの変化レートTHiを算出する制御量変化レート算出手段と、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の各制御ループRiの昇温時間TLiを前記変更量ΔPViと前記変化レートTHiとから推定し、前記昇温時間TLiのうちの最大値である昇温時間TLを選出する昇温時間算出手段と、
各制御ループRiの制御量PViを前記昇温時間TLの間に前記変更量ΔPVi分だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定する必要出力推定手段と、
前記必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出する使用電力合計算出手段と、
前記昇温時間TLを逐次変更しながら前記必要出力推定手段と前記使用電力合計算出手段とに処理を実行させ、前記使用電力総量TWが前記割当総電力PWを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索し、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定する探索処理手段と、
制御ループRi毎に設けられ、設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御手段とを備えることを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 請求項3記載の電力総和抑制制御装置において、
前記制御量変化レート算出手段は、代表的な操作量出力時の制御量PViの変化レートを、操作量MViの特定の出力値と現在値との差である操作量上昇幅で換算することにより、操作量MViを現在値から特定の出力値にする場合の制御量PViの変化レートTHiを算出し、
前記必要出力推定手段は、前記変化レートTHiを算出する数式を操作量出力上限について解くことにより得られる数式を用いて、前記必要出力MUiを算出することを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 請求項3記載の電力総和抑制制御装置において、
前記制御量変化レート算出手段は、各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViと制御量PViの変更量ΔPViとを入力変数として、予め設定された第1の推定用多項式により制御量PViの変化レートTHiを算出し、
前記必要出力推定手段は、各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViと制御量PViの変更量ΔPViと昇温時間TLとを入力変数として、予め設定された第2の推定用多項式により必要出力MUiを算出し、
前記第1の推定用多項式は、設定値変更前の操作量MViの実験データと操作量出力上限値OHiの実験データと制御量PViの変更量ΔPViの実験データと制御量PViの変化レートTHiの実験データとから多変量解析により予め導出され、
前記第2の推定用多項式は、設定値変更前の操作量MViの実験データと制御量PViの変化レートTHiの実験データと制御量PViの変更量ΔPViの実験データと必要出力MUiの実験データとから多変量解析により予め導出されることを特徴とする電力総和抑制制御装置。 - 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータのエネルギー使用量を規定する割当総エネルギーの情報を受信する割当総エネルギー入力ステップと、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の制御量変化時間TLiを推定し、前記制御量変化時間TLiのうちの最大値である制御量変化時間TLを選出する制御量変化時間推定ステップと、
各制御ループRiの制御量PViを前記制御量変化時間TLの間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用エネルギーの総和である使用エネルギー総量を算出し、この使用エネルギー総量が前記割当総エネルギーを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定するエネルギー抑制ステップと、
設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とするエネルギー総和抑制制御方法。 - 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力ステップと、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の制御量変化時間TLiを推定し、前記制御量変化時間TLiのうちの最大値である制御量変化時間TLを選出する制御量変化時間推定ステップと、
各制御ループRiの制御量PViを前記制御量変化時間TLの間に設定値SPiの変更に応じた量だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定し、この必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出し、この使用電力総量TWが前記割当総電力PWを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索して、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定する電力抑制ステップと、
設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とする電力総和抑制制御方法。 - 複数の制御ループRi(i=1〜n)の制御アクチュエータの電力使用量を規定する割当総電力PWの情報を受信する割当総電力入力ステップと、
各制御ループRiの変更後の設定値SPiと設定値変更前の制御量PViとから各制御ループRiの制御量PViの変更量ΔPViを算出する制御量変更量算出ステップと、
各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViから制御量PViの変化レートTHiを算出する制御量変化レート算出ステップと、
各制御ループRiの操作量MViを現在値から特定の出力値にした場合の各制御ループRiの昇温時間TLiを前記変更量ΔPViと前記変化レートTHiとから推定し、前記昇温時間TLiのうちの最大値である昇温時間TLを選出する昇温時間算出ステップと、
各制御ループRiの制御量PViを前記昇温時間TLの間に前記変更量ΔPVi分だけ変化させるのに必要な操作量である必要出力MUiを推定する必要出力推定ステップと、
前記必要出力MUiから各制御アクチュエータの使用電力の総和である使用電力総量TWを算出する使用電力合計算出ステップと、
前記昇温時間TLを逐次変更しながら前記必要出力推定ステップと前記使用電力合計算出ステップの処理を実行させ、前記使用電力総量TWが前記割当総電力PWを超えない範囲で最大になる前記必要出力MUiの組み合わせを探索し、最終的に得られた必要出力MUiを各制御ループRiの操作量出力上限値OHiとして設定する探索処理ステップと、
設定値SPiと制御量PViを入力として制御演算により操作量MViを算出し、操作量MViを前記操作量出力上限値OHi以下に制限する上限処理を実行して、上限処理後の操作量MViを対応する制御ループRiの制御アクチュエータに出力する制御ステップとを備えることを特徴とする電力総和抑制制御方法。 - 請求項8記載の電力総和抑制制御方法において、
前記制御量変化レート算出ステップは、代表的な操作量出力時の制御量PViの変化レートを、操作量MViの特定の出力値と現在値との差である操作量上昇幅で換算することにより、操作量MViを現在値から特定の出力値にする場合の制御量PViの変化レートTHiを算出し、
前記必要出力推定ステップは、前記変化レートTHiを算出する数式を操作量出力上限について解くことにより得られる数式を用いて、前記必要出力MUiを算出することを特徴とする電力総和抑制制御方法。 - 請求項8記載の電力総和抑制制御方法において、
前記制御量変化レート算出ステップは、各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViと制御量PViの変更量ΔPViとを入力変数として、予め設定された第1の推定用多項式により制御量PViの変化レートTHiを算出し、
前記必要出力推定ステップは、各制御ループRiの設定値変更前の操作量MViと制御量PViの変更量ΔPViと昇温時間TLとを入力変数として、予め設定された第2の推定用多項式により必要出力MUiを算出し、
前記第1の推定用多項式は、設定値変更前の操作量MViの実験データと操作量出力上限値OHiの実験データと制御量PViの変更量ΔPViの実験データと制御量PViの変化レートTHiの実験データとから多変量解析により予め導出され、
前記第2の推定用多項式は、設定値変更前の操作量MViの実験データと制御量PViの変化レートTHiの実験データと制御量PViの変更量ΔPViの実験データと必要出力MUiの実験データとから多変量解析により予め導出されることを特徴とする電力総和抑制制御方法。
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