JP2008196740A - 制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】専用のデータ収集装置や高度な専門知識を有したオペレータを必要とせず、簡単な処理で、制御を中断することなく、即座にシステム内の異常を判定する。
【解決手段】例えば、空調制御システムにおける流量制御用のバルブを操作手段とし、このバルブが発揮する調節能力（開度）を、そのバルブが有する最大能力（１００％）未満の所定の能力範囲（例えば、０〜９０％）を通常の制御範囲として、空調制御エリアの空調負荷状態に応じて制御する。通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として判断能力ＰＸ（例えば、９５％）を定め、バルブが発揮する調節能力（開度）が判断能力ＰＸ以上となった時間（継続時間、積算時間、積算時間の稼働時間に対する割合など）に基づいて空調制御システム内の異常を判定する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、通過する流体の流量を操作量として調節するバルブやダンパなどの操作手段を備えた制御システムに関するものである。

従来より、セントラル空調方式における空調設備運用改善の手法として、室内温湿度、外気温湿度、消費エネルギーといった計測値や設定値を専用のデータ収集用装置に収集しておき、後日問題のあった系統に関してオペレータが対象期間の全データを理想状態と比較して問題点を発見する、という方法が一般的に採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８４８２１号公報 特開２００５−１３３９８０号公報

しかしながら、上述した方法では、専用のデータ収集用装置を必要とし、高度な専門知識を有したオペレータによる解析作業が必要となる。このため、上述した方法が採用されるのは一部の物件に留まり、空調制御システムでの運用問題は設定ミスや機器の劣化といった対策が明解な原因に起因することが多いにも拘わらず、原因が発見されずに運用に問題がある状況で放置され、快適性や省エネルギーを犠牲にしている場合が多かった。

なお、特許文献２では、空気調和運転を実施するために必要な制御を行う制御手段と、制御に必要な各部の温度・圧力を検出するセンサ手段とを備えた空調制御システムにおいて、所定の運転パターンを実施する試運転手段を設け、試運転中にセンサ手段の検出値およびこのセンサ手段の検出値を元に制御演算された内部パラメータと予め記憶された設定値との比較により、システム内の異常（例えば、冷媒漏れ、冷媒系閉塞、冷媒過充満など）をマイクロコンピュータによって判定するようにしている。この空調制御システムでは、専用のデータ収集装置を必要とせず、高度な専門知識を有したオペレータも必要としない。

しかしながら、この特許文献２に示された空調制御システムでは、システム内の異常を判定するために、実際の空調制御（本運転）を中止して、試運転を行わなければならない。すなわち、この空調制御システムでは、本運転中（空調制御中）にシステム内の異常を判定することができず、システム内の異常発生に対して即座に対応することができない。また、センサ手段の検出値や制御演算された内部パラメータと設定値とを比較しなければならず、処理が複雑となり、マイクロコンピュータにかかる負荷が大きい。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、専用のデータ収集装置や高度な専門知識を有したオペレータを必要とせず、簡単な処理で、制御を中断することなく、即座にシステム内の異常を判定することができる制御システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、通過する流体の流量を操作量として調節する操作手段を備えた制御システムにおいて、操作手段が発揮する操作量に対する調節能力を、操作手段が有する最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として、制御対象の状態に応じて制御する制御手段と、通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として定められる所定の能力を判断能力とし、操作手段が発揮した調節能力が判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定する異常判定手段とを設けたものである。

この発明において、例えば、操作手段を流量制御用のバルブとした場合、このバルブの開度θが操作量に対する調節能力として制御される。ここで、操作手段が有する最大能力を１００％開度、通常の制御範囲を０〜９０％開度とすると、正常時には制御対象の状態に応じて０≦θ≦９０％の範囲内でバルブの開度θが制御される。この場合、９０％＜θ≦１００％の範囲内にバルブの開度θが位置すれば、システム内に何らかの異常が発生していることが分かる。

本発明は、この点に着目し、通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として定められる所定の能力を判断能力とし、操作手段が発揮した調節能力が判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定する。例えば、９０％＜θ≦１００％の範囲内の所定の能力として９５％を判断能力とすると、バルブの開度θが９５％以上となった時間に基づいてシステム内の異常が判定される。

この場合の異常判定方法として、バルブの開度θが９５％以上となってからの継続時間を測定し、この継続時間が所定値を超えた場合に異常と判定したり、バルブの開度θが９５％以上となった時間を積算し、この積算した時間が所定値を超えた場合に異常と判定したりすることが考えられる。また、バルブの開度θが９５％以上となった時間を積算し、この積算した時間をバルブの稼働時間で除した値が所定値を超えた場合に異常と判定したりしてもよく、バルブの開度θが９５％以上となった時点で直ちに異常と判定するようにしてもよい。なお、１００％を判断能力とすると、バルブの開度θが１００％以上となった時間、すなわちバルブが全開状態となった時間に基づいて、システム内の異常が判定される。

本発明は、空調制御システムへの適用を想定しているが、空調制御システム以外への適用も可能である。空調制御システムへ適用する場合、空調設備（空調機や熱源機等）への熱媒体の流量を操作量として調節する操作手段を用い、空調設備が発揮する空調能力を、操作手段が有する最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として、空調制御エリアの状態に応じて制御する。また、通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として定められる所定の能力を判断能力とし、操作手段が発揮した調節能力が判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定する。空調制御システムでは、例えば、温度・湿度などの設定ミスにより負荷が設計能力以上となったり、機器劣化により能力が設計能力以下となっていることがある。本発明を空調制御システムへ適用することにより、このような状態をシステム内の異常として、空調制御を中断することなく、間接的に知ることができる。

本発明によれば、操作手段が発揮する調節能力を最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として制御対象の状態に応じて制御する一方、通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として判断能力を定め、操作手段が発揮した調節能力が判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定するようにしたので、専用のデータ収集装置や高度な専門知識を有したオペレータを必要とせず、簡単な処理で、制御を中断することなく、即座にシステム内の異常を判定することができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る制御システムの一実施の形態の要部を示す図である。

同図において、１は空調機、２は空調機１に付設された制御装置、３は空調機１からの調和空気が供給される空調制御エリア、４は空調制御エリア３内の空調制御に貢献した調和空気を排出する排風機である。

空調機１には、送風機１−１、温水コイル１−２、冷水コイル１−３、加湿器１−４が設けられている。また、温水コイル１−２への温水ＨＷの供給通路には温水バルブ５−１が、冷水コイル１−３への冷水ＣＷの供給通路には冷水バルブ５−２が、加湿器１−４へのスチームＳＴの供給通路にはスチームバルブ５−３が設けられている。

空調制御エリア３には温度センサ６や湿度センサ７が設けられており、空調機１への外気ＯＡの供給通路には外気ダンパ８が設けられ、空調制御エリア３からの外気への排気ＥＸの排出通路には排気ダンパ９が設けられている。また、排気ＥＸの一部が還気ＲＡとして空調機１へ戻されるようになっており、空調機１への還気ＲＡの還流通路には還気ダンパ１０が設けられている。なお、１１は空調機１からの空調制御エリア３への給気ＳＡの温度を検出する給気温度センサ、１２は空調機１への還気ＲＡの温度を検出する還気温度センサである。

制御装置２は、温度センサ６および湿度センサ７からの空調制御エリア３における検出温度ｔｐｖおよび検出湿度ＲＨｐｖを入力とし、検出温度ｔｐｖおよび検出湿度ＲＨｐｖが設定温度ｔｓｐおよび設定湿度ＲＨｓｐに合致するように、温水バルブ５−１，冷水バルブ５−２およびスチームバルブ５−３への制御信号を生成する。

図２にバルブ５（５−１，５−２，５−３）のハードウェア構成の概略を示す。同図において、５ＡはＣＰＵ、５ＢはＲＡＭ、５ＣはＲＯＭ、５Ｄは表示部、５Ｅ〜５Ｇはインタフェース、５Ｈは不揮発性のメモリである。ＣＰＵ５Ａは、ＲＡＭ５Ｂや不揮発性のメモリ５Ｈにアクセスしながら、ＲＯＭ５Ｃに格納されたプログラムに従って動作し、制御装置２からの制御信号に応じて自己のバルブ５の開度θを制御する。ＲＯＭ５Ｃには、本実施の形態特有のプログラムとして、バルブ５の開度θからこのバルブ５が設けられたシステム（空調制御システム）内の異常を診断する異常診断プログラムが格納されている。

なお、この実施の形態において、制御装置２における温度制御や湿度制御は、温度偏差や湿度偏差のＰＩＤ演算によりバルブ５の開度θを調節するフィードバック制御を採用しており、制御に用いるバルブ５のサイズは空調機１の設計設備最大能力時に１００％未満の開度となるように選定されている。これにより、本実施の形態において、制御装置２は、バルブ５が発揮する操作量（通過する流体の流量）に対する調節能力を、バルブ５が有する最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として、空調制御エリア３の温湿度の状態に応じて制御する。この例では、図３に示すように、最大能力を１００％開度（全開）、通常の制御範囲を０〜９０％開度とし、通常の制御範囲０〜９０％内でバルブ５の開度θが制御されるものとする。

〔最大能力未満の能力範囲を通常の制御範囲とする理由〕
例えば、空調機１に想定した圧力がかかり過ぎている状態で（特にポンプに近い空調機）、居住者が目いっぱい設定温度ｔｓｐを下げて、ＰＩＤの偏差通り、冷水バルブ５−２が１００％開度となったとする。この場合、当然、冷水コイル１−３の設計交換熱量以上の熱量を要求しているわけだが、例えば７℃→１２℃の温度差、１０ＣＭＨ（流量／ｈ）の設計で、瞬時熱量は５℃×１０ＣＭＨ×ｋ（熱量換算係数）→５０ｋＷ／ｈとすると、冷水バルブ５−２が冷水を流し過ぎて２０ＣＭＨとなっても冷水コイル１−３は５０ｋＷ／ｈしか熱量を出せないから、還りの温度は９．５℃となる。この結果、２０ＣＭＨ流し過ぎているポンプの電力は上がり、還り温度が９．５℃となっているチラーの効率は下がり、消費エネルギーが増大する。このような問題を最大能力未満の能力範囲を通常の制御範囲とすることにより解決することが可能となる。

〔実施の形態１〕
以下、バルブ５における異常診断プログラムに従う異常診断処理動作の第１例について、図４に示したフローチャートを参照して説明する。なお、この異常診断プログラムでは、通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値として、すなわち９０％を超え１００％以下の値として、例えば９５％が判断能力ＰＸとして定められているものとする。この判断能力ＰＸは、不揮発性のメモリ５Ｈに格納し、必要に応じて変更できるようにしてもよい。

ＣＰＵ５Ａは、バルブ５の開度θを定期的にチェックし（ステップ１０１）、判断能力ＰＸと比較する（ステップ１０２）。開度θが判断能力ＰＸ以上となれば（ステップ１０２のＹＥＳ）、タイマ時間ＴＣの計時を開始する（ステップ１０３）。

このタイマ時間ＴＣの計時中、予め定められている時間ＴＳに達する前に開度θが判断能力ＰＸを下回れば（ステップ１０４のＹＥＳ）、タイマ時間ＴＣをリセットして０とし（ステップ１０５）、ステップ１０１に戻り、同様動作を繰り返す。

これに対し、タイマ時間ＴＣが予め定められている時間ＴＳを超えれば（ステップ１０６のＹＥＳ）、すなわち開度θが判断能力ＰＸ以上となってからの継続時間を測定し、この継続時間が所定値（ＴＳ）を超えれば、ＣＰＵ５Ａはシステム内に何らかの異常が発生したものと判断し、表示部５Ｄにおいてランプを点滅させるなどして異常を知らせたり、制御装置２へ異常が生じた旨の知らせを送ったりする（ステップ１０７）。

〔実施の形態２〕
実施の形態１では、開度θが判断能力ＰＸ以上となってからの継続時間を測定し、この継続時間が所定値を超えた場合に異常と判定するようにした。これに対し、実施の形態２では、開度θが判断能力ＰＸ以上となった時間を積算し、この積載した時間が所定値を超えた場合に異常と判定する。図５にこの場合のフローチャートを示す。

ＣＰＵ５Ａは、バルブ５の開度θを定期的にチェックし（ステップ２０１）、判断能力ＰＸと比較する（ステップ２０２）。開度θが判断能力ＰＸ以上となれば（ステップ２０２のＹＥＳ）、不揮発性のメモリ５Ｈに格納されている前回までの開度θが判断能力ＰＸ以上となった積算時間ＴＡＤold を読み込むと同時に（ステップ２０３）、タイマ時間ＴＣの計時を開始し（ステップ２０４）、前回までの積算時間ＴＡＤold とタイマ時間ＴＣとを加算して現在の積算時間ＴＡＤnew とする（ステップ２０５）。なお、初期状態において、不揮発性のメモリ５Ｈ内の積算時間ＴＡＤold は０とされている。

このタイマ時間ＴＣの計時中、予め定められている時間ＴＳに達する前に開度θが判断能力ＰＸを下回れば（ステップ２０６のＹＥＳ）、タイマ時間ＴＣをリセットして０とし（ステップ２０７）、また現在の積算時間ＴＡＤnew を前回までの積算時間ＴＡＤold として不揮発性のメモリ５Ｈに上書きし（ステップ２０８）、ステップ２０１に戻り、同様動作を繰り返す。

これに対し、現在の積算時間ＴＡＤnew が予め定められている時間ＴＳを超えれば（ステップ２０９のＹＥＳ）、すなわち開度θが判断能力ＰＸ以上となった時間を積算し、この積算した時間が所定値（ＴＳ）を超えれば、ＣＰＵ５Ａはシステム内に何らかの異常が発生したものと判断し、表示部５Ｄにおいてランプを点滅させるなどして異常を知らせたり、制御装置２へ異常が生じた旨の知らせを送ったりする（ステップ２１０）。

〔実施の形態３〕
実施の形態２では、開度θが判断能力ＰＸ以上となった時間を積算し、この積載した時間が所定値を超えた場合に異常と判定するようにした。これに対し、実施の形態３では、開度θが判断能力ＰＸ以上となった時間を積算し、この積算した時間をバルブ５の稼働時間で除した値が所定値を超えた場合に異常と判定する。図６にこの場合のフローチャートを示す。

なお、この実施の形態３において、ＣＰＵ５Ａは、図６に示したフローチャートとは別に、バルブ５の稼働時間ＴＭを計測し、不揮発性のメモリ５Ｈに逐次書き込む処理を行うものとする。

ＣＰＵ５Ａは、バルブ５の開度θを定期的にチェックし（ステップ３０１）、判断能力ＰＸと比較する（ステップ３０２）。開度θが判断能力ＰＸ以上となれば（ステップ３０２のＹＥＳ）、不揮発性のメモリ５Ｈに格納されている前回までの開度θが判断能力ＰＸ以上となった積算時間ＴＡＤold を読み込むと共に（ステップ３０３）、タイマ時間ＴＣの計時を開始し（ステップ３０４）、前回までの積算時間ＴＡＤold とタイマ時間ＴＣとを加算して現在の積算時間ＴＡＤnew とする（ステップ３０５）。

このタイマ時間ＴＣの計時中、ＣＰＵ５Ａは、積算時間ＴＡＤnew が得られる毎に、その積算時間ＴＡＤnew を不揮発性のメモリ５Ｈに格納されているバルブ５の稼働時間ＴＭで除して、稼働時間ＴＭに占める現在の異常運転状態の割合α（α＝ＴＡＤnew ／ＴＭ）を求める（ステップ３０９）。

ＣＰＵ５Ａは、現在の異常運転状態の割合αが予め定められている閾値αｔｈに達する前に開度θが判断能力ＰＸを下回れば（ステップ３０６のＹＥＳ）、タイマ時間ＴＣをリセットして０とし（ステップ３０７）、また現在の積算時間ＴＡＤnew を前回までの積算時間ＴＡＤold として不揮発性のメモリ５Ｈに上書きし（ステップ３０８）、ステップ３０１に戻り、同様動作を繰り返す。

これに対し、現在の異常運転状態の割合αが予め定められている閾値αｔｈを超えれば（ステップ３１０のＹＥＳ）、すなわち開度θが判断能力ＰＸ以上となった時間を積算し、この積算した時間をバルブ５の稼働時間で除した値が所定値（αｔｈ）を超えれば、ＣＰＵ５Ａはシステム内に何らかの異常が発生したものと判断し、表示部５Ｄにおいてランプを点滅させるなどして異常を知らせたり、制御装置２へ異常が生じた旨の知らせを送ったりする（ステップ３１１）。

空調制御システムでは、例えば、設定温度・湿度などの設定ミスにより負荷が設計能力以上となったり、機器劣化により能力が設計能力以下となっていることがある。上述した実施の形態１〜３では、このような状態を空調制御システム内の異常として、空調制御を中断することなく、間接的に知ることができる。

なお、上述した実施の形態１では、開度θが判断能力ＰＸ以上となった継続時間を測定し、この継続時間が所定値を超えた時に異常と判定するようにしたが、開度θが判断能力ＰＸ以上となった時点で直ちに異常と判定するようにしてもよい。この場合、開度θが判断能力ＰＸ以上となると瞬時に異常と判定されるが、これは継続時間がほゞ０である場合に相当する。

また、上述した実施の形態１〜３では、開度θと比較する判断能力ＰＸを９５％としたが、判断能力ＰＸは通常の制御範囲の上限を超え最大能力までの間の所定値であればよく、最大能力である１００％を判断能力ＰＸとしてもよい。実際には、最大能力である１００％を判断能力ＰＸとすることが多い。１００％を判断能力ＰＸとすると、バルブ５の開度θが１００％以上となった時間、すなわちバルブ５が全開状態となった時間に基づいて、システム内の異常が判定される。

また、上述した実施の形態１〜３では、バルブ５内でシステム内の異常を判定するようにしたが、バルブ５における開度情報を制御装置２へ送り、制御装置２内で同様にしてシステム内の異常を判定するようにしてもよい。また、バルブ５における開度情報を制御装置２から上位の診断装置へネットワークを介して送り、上位の診断装置において同様にしてシステム内の異常を判定するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１〜３では、流量制御用のバルブを操作手段とした例について説明したが、風量制御用のダンパなどを操作手段としてもよい。

また、例えば、図７に示すように、１台ではなく、２台のバルブ５を操作手段とするようにしてもよい。この場合、バルブ５，５が発揮し得る調節能力の合計値２００％が最大能力となり、この最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲（例えば、０〜１９０％）として、異常を判定するための判断能力ＰＸを定めるようにする。

また、上述した実施の形態１〜３では、空調制御システムを例にとって説明したが、空調制御システムに限られるものではない。例えば、工業システムにおいて、プロセスの量を制御するバルブを操作手段として、本発明を適用することも可能である。

本発明に係る制御システムの一実施の形態の要部を示す図である。 この制御システム（空調制御システム）において操作手段として用いるバルブのハードウェア構成の概略を示す図である。 このバルブが発揮する操作量に対する最大能力、通常の制御範囲および判断能力の関係を示す図である。 このバルブにおける異常診断プログラムに従う異常診断処理動作の第１例（実施の形態１）を示すフローチャートである。 このバルブにおける異常診断プログラムに従う異常診断処理動作の第２例（実施の形態２）を示すフローチャートである。 このバルブにおける異常診断プログラムに従う異常診断処理動作の第３例（実施の形態３）を示すフローチャートである。 ２台のバルブを操作手段とする例を説明する図である。

符号の説明

１…空調機、１−１…送風機、１−２…温水コイル、１−３…冷水コイル、１−４…加湿器、２…制御装置、３…空調制御エリア、４…排風機、５−１…冷水バルブ、５−２…温水バルブ、５−３…スチームバルブ、５…バルブ、５Ａ…ＣＰＵ、５Ｂ…ＲＡＭ、５Ｃ…ＲＯＭ、５Ｄ…表示部、５Ｅ〜５Ｇ…インタフェース、５Ｈ…不揮発性のメモリ、６…温度センサ、７…湿度センサ、８…外気ダンパ、９…排気ダンパ、１０…還気ダンパ、１１…給気温度センサ、１２…還気温度センサ。

Claims (5)

1. 通過する流体の流量を操作量として調節する操作手段を備えた制御システムにおいて、
   前記操作手段が発揮する操作量に対する調節能力を、前記操作手段が有する最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として、制御対象の状態に応じて制御する制御手段と、
   前記通常の制御範囲の上限を超え前記最大能力までの間の所定値として定められる所定の能力を判断能力とし、前記操作手段が発揮した調節能力が前記判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定する異常判定手段と
   を備えることを特徴とする制御システム。
2. 請求項１に記載された制御システムにおいて、
   前記異常判定手段は、
   前記操作手段が発揮した調節能力が前記判断能力以上となってからの継続時間を計測し、この継続時間に基づいてシステム内の異常を判定する
   ことを特徴とする制御システム。
3. 請求項１に記載された制御システムにおいて、
   前記異常判定手段は、
   前記操作手段が発揮した調節能力が前記判断能力以上となった時間を積算し、この積算した時間に基づいてシステム内の異常を判定する
   ことを特徴とする制御システム。
4. 請求項１に記載された制御システムにおいて、
   前記異常判定手段は、
   前記操作手段が発揮した調節能力が前記判断能力以上となった時間を積算し、この積算した時間を前記操作手段の稼働時間で除した値に基づいてシステム内の異常を判定する
   ことを特徴とする制御システム。
5. 空調設備への熱媒体の流量を操作量として調節する操作手段を備えた制御システムにおいて、
   前記空調設備が発揮する空調能力を、前記操作手段が有する最大能力未満の所定の能力範囲を通常の制御範囲として、空調制御エリアの空調負荷状態に応じて制御する制御手段と、
   前記通常の制御範囲の上限を超え前記最大能力までの間の所定値として定められる所定の能力を判断能力とし、前記操作手段が発揮した調節能力が前記判断能力以上となった時間に基づいてシステム内の異常を判定する異常判定手段と
   を備えることを特徴とする制御システム。

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