JP6874719B2 - 加熱装置及び加熱装置の異常検知方法 - Google Patents

加熱装置及び加熱装置の異常検知方法 Download PDF

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Description

本発明は、被加熱物を加熱するヒータと、被加熱物の温度を検出する温度検出部と、ヒータを制御する温度調節部とを備える加熱装置に関する。また、本発明は、加熱装置の異常を検知する方法に関する。
従来、加熱装置の異常検知技術として、温度制御ループ内の実際の温度計測値とモデルを用いて予測した温度予測値とに基づいて、フィードバック系の異常を検知する方法が提案されている。例えば特許文献１には、ステップ応答に代表されるような制御の過渡状態の挙動を参照して、制御対象の状態判定を行なう方法が示されている。
特許４４８１９５３号公報
特許文献１に示されるように、過渡状態を発生させたときのフィードバック系の挙動を基にして制御対象の状態を判定する方法では、ヒータの劣化、ヒータに印加される電圧の変動、被加熱物の保温性に関する変化がそれぞれどの程度生じているかの検知はできない。
そこで、本発明の目的は、加熱装置のヒータの劣化、ヒータに印加される電圧の変動、被加熱物の保温性に関する変化を検知可能とした加熱装置及び加熱装置の異常検知方法を提供することにある。
本開示の一例としての加熱装置は、被加熱物を加熱するヒータと、被加熱物の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出値と目標温度とに基づいて被加熱物の温度が目標温度になるようにヒータを制御する温度調節部と、を含む。そして、被加熱物の昇温値を温度検出部の検出値から求め、ヒータへの入力電力に対する被加熱物の昇温値の比であるシステムゲインを求めると共に、システムゲインの初期値からの変動率を求めるシステムゲイン変動率算定部と、システムゲイン変動率から被加熱物の保温性の変動率を求める保温性変動率算定部と、を備える。
この構成により、被加熱物の保温性に関する変化の検知が可能となる。
また、本開示の一例では、ヒータへの印加電圧及び電流からヒータの抵抗値を求めると共に、この抵抗値の初期値からの変動率を求めるヒータ抵抗値変動率算定部を更に備え、保温性変動率算定部はシステムゲイン変動率及びヒータ抵抗値変動率から被加熱物の保温性の変動率を求める。
この構成により、加熱装置のヒータの劣化、被加熱物の保温性に関する変化の検知が可能となる。
また、本開示の一例では、ヒータへの印加電圧の初期値からの変動率を求めるヒータ電圧変動率算定部を更に備え、保温性変動率算定部はシステムゲイン変動率及びヒータ電圧変動率から被加熱物の保温性の変動率を求める。
この構成により、ヒータに印加される電圧の変動、被加熱物の保温性に関する変化の検知が可能となる。
また、本開示の一例では、ヒータへの印加電圧の初期値からの変動率を求めるヒータ電圧変動率算定部を更に備え、保温性変動率算定部はシステムゲイン変動率、ヒータ抵抗値変動率、及びヒータ電圧変動率から、被加熱物の保温性の変動率を求める。
この構成により、加熱装置のヒータの劣化、ヒータに印加される電圧の変動、被加熱物の保温性に関する変化の検知が可能となる。
また、本開示の一例では、保温性の変動率と、保温性の変動率に対する閾値との比較によって保温性の異常を検知する保温性異常検知部を備える。この構成により、被加熱物の保温性に関する異常を検知できるようになる。
また、本開示の一例では、ヒータの抵抗値の変動率と、ヒータの抵抗値の変動率に対する閾値との比較によってヒータの抵抗値の異常を検知するヒータ抵抗値異常検知部を備える。この構成により、ヒータの抵抗値の異常を検知できるようになる。
また、本開示の一例では、ヒータへの印加電圧の変動率と、ヒータへの印加電圧の変動率に対する閾値との比較によってヒータへの印加電圧の異常を検知するヒータ電圧異常検知部を備える。この成により、ヒータへの印加電圧の異常を検知できるようになる。
また、本開示の一例としての加熱装置の異常検知方法は、被加熱物を加熱するヒータと、被加熱物の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出値と目標温度とに基づいて被加熱物の温度が目標温度になるようにヒータを制御する温度調節部と、を含む。そして、被加熱物の昇温値を温度検出部の検出値から求め、ヒータへの入力電力に対する被加熱物の昇温値の比であるシステムゲインを求めると共に、このシステムゲインの初期値からの変動率を求め、システムゲイン変動率から被加熱物の保温性の変動率を求め、この保温性の変動率が閾値を超えるか否かによって前記加熱装置の異常を検知する。
この構成により、被加熱物の保温性に関する変化の検知が可能となる。
本発明によれば、被加熱物の保温性に関する変化に関する異常を個別に検知可能となる。
図１は本発明の実施形態に係る加熱装置１００の構成を示す図である。 図２（Ａ）は、ヒータ１０の内部の構成を示す断面図である。図２（Ｂ）、図２（Ｃ）はヒータ１０の内部の構成を示す拡大断面図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、被加熱物１を加熱するヒータ１０等の「緩み」の例を示す断面図である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、温度検出部２０を被覆するスリーブの「緩み」の例を示す断面図である。 図５は、時間経過に伴う、被加熱物１の温度変化と、ヒータ１０の操作量の変化の例を示す図である。 図６は、システムゲイン変動率算定部としての演算、ヒータ抵抗値変動率算定部としての演算、ヒータ電圧変動率算定部としての演算、及び保温性変動率算定部としての演算の内容を示すブロック図である。 図７は加熱装置１００の異常状態の組み合わせを示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、幾つかの図を参照して説明する。
・適用例
先ず、図１を参照しながら、本発明が適用される一例について説明する。図１は本発明の実施形態に係る加熱装置１００の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る加熱装置１００は、被加熱物１を加熱するヒータ１０と、被加熱物１の温度を検出する温度検出部２０と、温度検出部２０の検出値と目標温度とに基づいて被加熱物１の温度が目標温度となるようにヒータ１０を制御する温度調節部３０とを含む。
温度調節部３０は、システムゲイン変動率算定部と、ヒータ抵抗値変動率算定部と、ヒータ電圧変動率算定部と、保温性変動率算定部とを備える。システムゲイン変動率算定部は被加熱物１の昇温値を温度検出部２０の検出値から求め、ヒータ１０への入力電力に対する被加熱物１の昇温値の比であるシステムゲインを求めると共に、このシステムゲインの初期値からの変動率を求める。ヒータ抵抗値変動率算定部は、ヒータ１０への印加電圧及び電流からヒータ１０の抵抗値を求めると共に、この抵抗値の初期値からの変動率を求める。ヒータ電圧変動率算定部は、ヒータ１０への初期値からの印加電圧の変動率を求める。そして、保温性変動率算定部は、システムゲイン変動率、ヒータ抵抗値変動率、及びヒータ電圧変動率から、被加熱物の保温性の変動率を求める。
・構成例
次に、本発明の実施形態に係る加熱装置の構成について、図を参照して説明する。上述のように、図１は本発明の実施形態に係る加熱装置１００の構成を示す図である。
図１に表れているように、加熱装置１００は、被加熱物１を加熱するヒータ１０と、被加熱物１の温度を検出する温度検出部２０と、温度検出部２０の検出値と目標温度とに基づいてヒータ１０を制御する温度調節部３０と、ソリッドステートスイッチ４０と、ヒータ電源５０と、ヒータ印加電圧を検出する電圧検出部６０と、ヒータに流れる電流を検出する電流検出部７０とを備える。被加熱物１は金属等の成形体である。図１はブロック構成図であるので、被加熱物１は概念的に描いているが、実際の形状は適宜定められる。
被加熱物１は、例えば、樹脂を加熱して物品を包装する包装機の加熱部である。ヒータ１０及び温度検出部２０はその加熱部に設けられる。
温度調節部３０は、温度検出部２０の出力電圧から温度情報信号に変換する、電圧−温度変換部３１と、ソリッドステートスイッチ４０をＰＷＭ制御する操作量−ＰＷＭ変換部３２と、操作量変換部３３とを備える。操作量変換部３３はＰＩＤコントローラであり、電圧−温度変換部３１によって求められる温度情報と目標温度情報とに基づいて、操作量をＰＩＤ制御により求める。
また、操作量変換部３３は、上記システムゲイン変動率算定部としての演算、上記ヒータ抵抗値変動率算定部としての演算、上記ヒータ電圧変動率算定部としての演算、及び上記保温性変動率算定部としての演算を行う。これらの演算については後に詳述する。
図２（Ａ）は、ヒータ１０の内部の構成を示す断面図である。ヒータ１０は、絶縁体１０ｉと、この絶縁体１０ｉ内に埋設されたコイル状の発熱抵抗線１０ｒとで構成されている。初期状態では、図２（Ｂ）に示すように、発熱抵抗線１０ｒは絶縁体１０ｉで覆われているが、経年変化によって、図２（Ｃ）に示すように、発熱抵抗線１０ｒの表面に酸化膜１０ｆが形成され、それに伴って発熱抵抗線１０ｒの通電部の径が細くなる。このような経年変化に伴って酸化膜１０ｆは厚くなり、発熱抵抗線１０ｒの通電部は細くなると、最終的には断線に至ることがある。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したように、ヒータ１０は経年変化によって、ヒータ抵抗値が変動する。つまり、初期状態からの変動率が次第に変化する。また、このヒータ１０の抵抗値の変化によってシステムゲインも変動する。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、被加熱物１を加熱するヒータ１０等の「緩み」の例を示す断面図である。正常時には、図３（Ａ）に示すように、被加熱物１の外周にヒータ（バンドヒータ）１０が密着状態で巻かれている。また、ヒータ１０の外周にはヒータ１０を被覆するカバー１０ｃが覆われている。図３（Ｂ）は、被加熱物１の外周とヒータ１０との間に間隙が生じていて、ヒータ１０とカバー１０ｃとの間にも間隙が生じている異常の例である。
このように、ヒータ１０の取り付け状態やカバーの取り付け状態の変化「緩み」によって、後に示すシステムゲインが変動する。つまり、加熱装置の使用に伴って、システムゲインが初期状態から変動することがある。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、温度検出部２０を被覆するスリーブの「緩み」の例を示す断面図である。温度検出部２０は例えば熱電対である。正常時には、図４（Ａ）に示すように、温度検出部２０の先端がスリーブ２０ｓに密着している。図４（Ｂ）は、温度検出部２０の先端とスリーブ２０ｓとの間に間隙が生じている異常の例である。
このように、温度検出部２０の取り付け部の状態の変化「緩み」によって、後に示すシステムゲインが変動する。つまり、加熱装置の使用に伴って、システムゲインが初期状態から変動することがある。
図５は、時間経過に伴う、被加熱物１の温度変化と、ヒータ１０の操作量の変化の例を示す図である。被加熱物１は時間経過に伴って、常温（初期温度）から目標温度（安定温度）まで昇温する。一方、ヒータ１０の操作量は１００％から開始し、時間経過に伴って低下し、安定操作量で安定する。
ここで、（目標温度−常温）をΔPV、安定操作量をMV、でそれぞれ表すと、システムゲインは、ヒータ１０への入力電力に対する被加熱物１の昇温値の比であるので、システムゲインKは次式で表される。
K＝ΔPV／MV
図６は、上記システムゲイン変動率算定部としての演算、上記ヒータ抵抗値変動率算定部としての演算、上記ヒータ電圧変動率算定部としての演算、及び上記保温性変動率算定部としての演算の内容を示すブロック図である。
ここで、被加熱物１と温度検出部２０との間の熱の伝達係数に関するゲインをＢ、ヒータ１０への印加電圧をV、ヒータ１０の抵抗値をR でそれぞれ表すと、システムゲインK は次式でも表される。
K＝B×V2／R
ヒータ１０の抵抗値R は、ヒータ電圧をV 、ヒータ電流をi で表すと、
R＝V／i
で求める。
システムゲイン変動率を求める時点でのシステムゲインをK’、被加熱物１と温度検出部２０との間の熱の伝達係数に関するゲインの変動率をａ、ヒータ電圧の変動率をｂ、ヒータ抵抗値の変動率cでそれぞれ表すと、変動後のシステムゲインK’は次式で表される。
K’＝aB×(bV)2／cR
そして、初期のシステムゲインをK、システムゲイン変動率を求める時点でのシステムゲインをK’、でそれぞれ表すと、システムゲイン変動率d は次式で表される。
d＝K’／K
＝ab2／c
そして、上記被加熱物１と温度検出部２０との間の熱の伝達係数に関するゲインの変動率aは被加熱物１の保温性の変動率と言うことができる。したがって、保温性の変動率aは次式で求めることができる。
a＝cd／b2
図１に示した操作量変換部３３の、ヒータ抵抗値変動率算定部としての演算は、次のとおりである。
ヒータ１０の初期の抵抗値をR、ヒータ抵抗変動率を求める時点での抵抗値をR’、でそれぞれ表すと、上記ヒータ抵抗値変動率算定部は、ヒータ抵抗値変動率c を、
c＝R’／R
から求める。
また、上記ヒータ電圧変動率算定部としての演算は、次のとおりである。
ヒータ１０への初期の印加電圧をV、ヒータ電圧変動率を求める時点での電圧をV’、でそれぞれ表すと、上記ヒータ電圧変動率算定部は、ヒータ電圧変動率b を、
b＝V’／V
から求める。
そして、システムゲイン変動率d 、ヒータ抵抗値変動率c 、及びヒータ電圧変動率b から、保温性の変動率aを求める。
図６に示すように、例えば、d＝0.5、c＝1.2、b＝0.9であれば、保温性の変動率aは0.74、つまり保温性が26%低下している状態であることが分かる。
図７は加熱装置１００の異常状態の組み合わせを示す図である。加熱装置１００は、ヒータ１０の抵抗値の異常、ヒータ電圧の異常、被加熱物の保温性の異常、の三つの異常があるので、それらの組み合わせで七通りの異常状態がある。
ヒータ１０の抵抗値は、上記ヒータ抵抗値変動率c が所定の閾値を超える状態であるとき、「異常」と見なす。例えば、c＞1.2のとき、ヒータ抵抗値の異常と見なす。
また、ヒータ電圧は、上記ヒータ電圧変動率b が所定の閾値を超える状態であるとき、「異常」と見なす。例えば、b＜0.9又はb＞1.1のときヒータ電圧の異常と見なす。
また、保温性は、上記保温性の変動率a が所定の閾値を超える状態であるとき、「異常」と見なす。例えば、a＜0.74のとき保温性の異常と見なす。
このようにして、いずれの異常状態をも個別に検知できる。
なお、加熱装置の特性（システムゲイン）の変動、つまり、ヒータ電圧、ヒータ抵抗値、保温性等が変動した場合、その変動により温度制御の性能が劣化する懸念がある。しかし、得られた、ヒータ電圧変動率、ヒータ抵抗値変動率、保温性の変動率が小さい状態では、新たなヒータ電圧、ヒータ抵抗値、及び保温性から比例帯（ＰＩＤ制御のＰ）を計算し直せば、温度制御性能を維持できる。
最後に、上述の発明を実施するための形態の説明は、改めて述べるまでもなく、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。例えば、上述の例では、異常検知のための各パラメータについて、初期値からの変動量を求めたが、どの時点での値を初期値とするかを固定する必要はない。例えば、目標温度を再設定した時点でのシステムゲインをシステムゲインの初期値とし、その時点でのヒータの抵抗値をヒータ抵抗値の初期値とし、その時点でのヒータ電圧をヒータ電圧の初期値として定めてもよい。
１…被加熱物
１０…ヒータ
１０ｃ…カバー
１０ｆ…酸化膜
１０ｉ…絶縁体
１０ｒ…発熱抵抗線
２０…温度検出部
２０ｆ…酸化膜
２０ｓ…スリーブ
３０…温度調節部
３１…温度変換部
３２…操作量−ＰＷＭ変換部
３３…操作量変換部
４０…ソリッドステートスイッチ
５０…ヒータ電源
６０…ヒータ電圧検出部
７０…ヒータ電流検出部
１００…加熱装置

Claims (8)

  1. 被加熱物を加熱するヒータと、前記被加熱物の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出値と目標温度とに基づいて前記被加熱物の温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御する温度調節部と、を含む加熱装置であって、
    前記被加熱物の昇温値を前記温度検出部の検出値から求め、前記ヒータへの入力電力に対する前記被加熱物の昇温値の比であるシステムゲインを求めると共に、当該システムゲインの初期値からの変動率を求めるシステムゲイン変動率算定部と、
    前記システムゲイン変動率から前記被加熱物の保温性の変動率を求める保温性変動率算定部と、
    を備える加熱装置。
  2. 前記ヒータへの印加電圧及び電流から前記ヒータの抵抗値を求めると共に、当該抵抗値の初期値からの変動率を求めるヒータ抵抗値変動率算定部を更に備え、
    前記保温性変動率算定部は前記システムゲイン変動率及び前記ヒータ抵抗値変動率から前記被加熱物の保温性の変動率を求める、請求項１に記載の加熱装置。
  3. 前記ヒータへの印加電圧の初期値からの変動率を求めるヒータ電圧変動率算定部を更に備え、
    前記保温性変動率算定部は前記システムゲイン変動率及び前記ヒータ電圧変動率から前記被加熱物の保温性の変動率を求める、請求項１に記載の加熱装置。
  4. 前記ヒータへの印加電圧の初期値からの変動率を求めるヒータ電圧変動率算定部を更に備え、
    前記保温性変動率算定部は、前記システムゲイン変動率、前記ヒータ抵抗値変動率、及び前記ヒータ電圧変動率から、前記被加熱物の保温性の変動率を求める、請求項２に記載の加熱装置。
  5. 前記保温性の変動率と、当該保温性の変動率に対する閾値との比較によって前記保温性の異常を検知する保温性異常検知部を備えた、
    請求項１から４のいずれかに記載の加熱装置。
  6. 前記ヒータの抵抗値の変動率と、当該ヒータの抵抗値の変動率に対する閾値との比較によって前記ヒータの抵抗値の異常を検知するヒータ抵抗値異常検知部を備えた、
    請求項５に記載の加熱装置。
  7. 前記ヒータへの印加電圧の変動率と、当該ヒータへの印加電圧の変動率に対する閾値との比較によって前記ヒータへの印加電圧の異常を検知するヒータ電圧異常検知部を備えた、
    請求項５又は６に記載の加熱装置。
  8. 被加熱物を加熱するヒータと、前記被加熱物の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出値と目標温度とに基づいて前記被加熱物の温度が前記目標温度となるように前記ヒータを制御する温度調節部と、を含む加熱装置の異常検知方法であって、
    前記被加熱物の昇温値を前記温度検出部の検出値から求め、前記ヒータへの入力電力に対する前記被加熱物の昇温値の比であるシステムゲインを求めると共に、当該システムゲインの初期値からの変動率を求め、
    前記システムゲイン変動率から前記被加熱物の保温性の変動率を求め、当該保温性の変動率が閾値を超えるか否かによって前記加熱装置の異常を検知する、
    加熱装置の異常検知方法。
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