JPH0149961B2

JPH0149961B2 -

Info

Publication number: JPH0149961B2
Application number: JP59266411A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Motomya
Original assignee: Ohkura Electric Co Ltd
Current assignee: Ohkura Electric Co Ltd
Priority date: 1984-12-19
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1989-10-26
Also published as: US4688180A; JPS61145606A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、相互に熱的干渉がある複数のゾーン
を有する熱処理炉に対する干渉対応形のパターン
切換式温度制御装置に関する。更に詳しくは、本
発明は、長手方向熱分布を一定パターンに維持し
た熱処理炉の一端から他端へ処理品をコンベア等
により移動させながら熱処理を行ない、炉の他端
より被処理品を取出すいわゆるトンネル炉の制御
に用いる干渉対応形のパターン切換式温度制御装
置に関する。

従来の技術コンベア炉、プツシヤ炉等のトンネル形加熱炉
においては、炉内の温度分布パターンを加熱され
る処理品に適合した適正な温度分布とした上で処
理品を適正な搬送速度で送り、所要の熱処理を行
なう。

第２図は、これらの炉において所望の温度分布
を得るための従来技術による手法を示す。同図に
おいて、炉１は、複数のゾーンZ1−Znに分割さ
れ各ゾーンに設けられた加熱素子２又は加熱部の
温度が、熱電対などの温度検出素子４によつて各
調節計２８Ａ−２８Ｎに入力される。調節計２８
Ａ−２８Ｎは、内蔵された設定素子２７によつて
設定された温度と入力値が一致するように演算器
２７Ａで演算された操作信号５を発生する。この
操作信号５は、例えばサイリスタ或いは電磁開閉
器などで構成される操作部３へ印加され、各ゾー
ンZ1−Znの温度制御に用いられる。炉全体とし
て、Pa又はPbなどに示される温度分布パターン
が生成される。処理品６を炉１の一端から搬入し
他端から搬出することにより、所要の熱処理が行
なわれる。

この場合、加熱素子２により炉内に所望の温度
分布パターンが得られたか否かを確認するため、
即ち炉内温度及び温度分布を確認するため、図示
例では可動式の炉内温度検出器３１が用いられ
る。この炉内温度検出器３１は、炉１の中を移動
し炉内温度を連続的に記録器３２へ入力し、記録
器３２が炉内温度分布を記録・表示する。

従来方式では、記録器３２に記録された温度及
び温度分布が所望のものでないときは、所望ゾー
ンの調節計２８Ａ−２８Ｎにおける設定素子２７
の設定値を手動により変更し、炉１内の温度が安
定するのを待つて後温度分布を再度測定しなけれ
ばならない。しかし、炉１は、ゾーン分割とはい
え隣接ゾーンが完全に分離独立しているのではな
く、しかも炉内に処理品６を通過させることが不
可欠であるから、制御する部分即ち加熱部と炉内
部即ち処理品６の通過部では温度が相違する。こ
のため、特定ゾーンに対する温度設定値を単独に
所望値に変更しても、当該ゾーンの両側隣接ゾー
ンからの影響を受け、所望の温度分布は必ずしも
得られない。

現実に、各加熱素子２に対する上記の温度設定
値変更の際には、最初の設定値変更の後炉１の内
部が熱的にバランスするのを待つて炉内温度検出
器３１を移動して炉内温度及び温度分布パターン
を確認し、所望値との差に応じた設定値の再調整
をした上で炉内温度分布パターン確認をする操作
を数回以上行なうことにより所望の温度分布パタ
ーンを得ていたのが実状である。

従つて、炉内に所望の温度分布パターンを得る
までに相当の時間と労力を要する欠点があつた。
ときに、最近の様に多品種少量生産の時代におい
ては、温度分布パターンも多様化しており、上記
の調整手続きを頻繁に行なわざるを得ない。

さらに、ある処理品６に対する所望温度分布パ
ターンが得られる様な設定値を求めこれらを調節
計２８Ａ−２８Ｎに設定した後、処理品６の品種
が変る度に多数の設定値を上記の反復調整により
求めることは非常に煩雑であるだけでなく、可成
りの経験と熟練を要する。

発明が解決しようとする問題点従つて、本発明が解決しようとする問題点は、
トンネル形炉における隣接ゾーンの干渉を考慮し
た炉内温度分布パターン設定と変更の自動化及び
の迅速化にある。

問題点を解決するための手段上記問題点の解決手段を、その原理と構成とに
分けて説明する。

［原理］第１図は、本発明の一実施例の概略構成のブロ
ツク図及びトンネル形炉内の温度分布パターンを
示す。同図において、トネル形炉１は複数のゾー
ンZ1−Znを有し、各ゾーンの加熱素子２は操作
部３₁−３ｎを介してデイジタル形の温度制御装
置１５により制御される。炉内温度分布パターン
測定のため、可動形の炉内温度検出器３１が炉内
を移動する。炉内温度検出器３１は、可動形でな
く各ゾーンに取付けられたものでもよい。同図は
また、異なる種類の処理品６に対する温度分布パ
ターンの例として３種類のパターンＰ１，Ｐ２，
Ｐ３を示す。

本発明装置においては、各ゾーンZ1−Znに対
する温度制御装置１５内の温度設定素子４０（第
５図）の設定値を、所要温度分布パターンの炉内
部温度（以下、「内部温度」という。）を与えそう
な値に設定して制御動作を開始する。各ゾーン
Z1−Znの内部温度が安定した後、炉内温度検出
器３１を炉１の一端のゾーンZ1から他端のゾー
ンZnへ移動させて各ゾーンの内部温度を順次測
定し記憶装置２０に記憶してゆく。

通常、炉内部を処理品６が通過するのであるか
ら、炉１の外部から制御される加熱素子２近傍の
加熱部の温度と処理品６が通過する炉内部の温度
とは相違する。これらの温度を区別するため、以
下の説明において、炉１の外部から制御される加
熱素子２近傍の加熱部の温度を「外部温度」ｘ、
処理品６が通過する炉内部の温度を上記の様に
「内部温度」ｙと呼ぶ。簡単のため、制御が良好
に行なわれ安定に達した後、外部温度ｘは、温度
制御装置１５の温度設定素子４０に設定された設
定値と一致するものとする。

各ゾーンZi内における外部温度x_iからから内部
温度y_iへの伝達ゲインをg_iiとし、ゾーンZjの外部
温度x_jからゾーンZiの内部温度y_iへの伝達ゲイン
をg_ijとすれば、外部温度ｘと内部温度ｙとの関係
は次式で与えられる。

y₁＝g₁₁x₁＋g₁₂x₂＋g₁₃x₃＋…＋g_1ox_o y₂＝g₂₁x₁＋g₂₂x₂＋g₂₃x₃＋…＋g_2ox_o 〓 y_o＝g_o1x₁＋g_o2x₂＋g_o3x₃＋…＋g_oox_o (1) これを行列式で表わせば、次式の様になる。

ここで、内部温度y₁，y₂，……y_oは、炉内温度
検出器３１で測定される温度であり、外部温度
x₁，x₂，……x_oは、温度設定素子４０における設
定値として既知であるか又は温度検出素子４によ
り測定される温度である。

伝達ゲインｇはn²個であるから、ｇをすべて求
めるには測定をｎ回行なう必要がある。外部温度
ｘを一定にしたまま測定しても同じ等式が得られ
るだけで意味がなく、異なる任意の値の外部温度
ｘに設定しなおした上で測定する必要がある。こ
うしてｎ回の測定により求めた測定値は次式を満
足する。ただし、y_ijはｊ回目に測定したｉ番目の
ゾーンZiの内部温度の測定値、x_ijはｊ回目に設定
又は測定したｉ番目のゾーンZiの外部温度であ
る。

(3)式をｇについて解けば、全ゾーンの内部・外
部間及びゾーン相互間の伝達ゲインｇが得られ
る。伝達ゲインｇのマトリクスが求まれば、任意
の内部温度分布｜y₁′y₂′……y₃′｜′を生じさせる
外部温度分布｜x₁′x₂′……x₃′｜′が(3)式から計算
により定められる。

本発明は、所要の炉内温度分布パターンを、上
記の測定と計算とにより決定した外部温度の分布
｜x₁′x₂′……x₃′｜′を用いて達成する。ゾーン数
が少ない場合には、(3)式をそのまま使えるが、現
実には10ゾーンを越える炉も稀ではないので、(3)
を直接使つたのでは測定回数が多く、演算が非常
に複雑になる。

実用的には、次に説明する簡略法を使うことが
できる。ｉ番目のゾーンZiとその隣接ゾーンZi−
１及びZi＋１とを拡大して示す第３図並びに自己
伝達ゲインg_ii及び相互伝達ゲインg_ijの説明図であ
る第４図において、直接に隣接するゾーン間の伝
達ゲインZ_i,i+1等は有意であるが、直接には隣接
しない他のゾーンとの間の伝達ゲインZ_i-1,i+1等は
無視できる程小さいと仮定する。さらに、第３図
に示される以上に離れたゾーン相互間の伝達ゲイ
ンｇは全て無視できるものと仮定する。

この仮定の下では、上記(1)式及び(2)式は次の様
に書直せる。

y₁＝g₁₁x₁＋g₁₂x₂ y₂＝g₂₁x₁＋g₂₂x₂＋g₂₃x₃ y₃＝ g₃₂x₂＋g₃₃x₃＋g₃₄x₄ 〓ｙ＝g_o,o-1x_o-1＋g_oox_o (4) 従つて (5)式において求めるべき伝達ゲインの数は、両
端のゾーンの外側隣接分に対するものがないので
合計（3n−２）個となる。従つて、上記仮定の
下で必要な伝達ゲインのみを求めるには、炉内温
度検出器３１を炉１内で３回移動させて測定すれ
ば足りるので、測定及び計算が簡略化される。３
回の測定により求められる内部温度の分布ｙは次
式により表わされる。

(6)式より第ｉ番目のゾーンZiの内部温度y_iの３
回の測定値に関する部分を抜出せば、次の様に書
ける。

(7)式の外部温度マトリクスをＡとおけば、このゾーンZiに関する伝達ゲインは次式で与え
られる。

(8)、(9)、(10)式の計算を炉１の全ゾーンZ1−Zn
について行なうことにより、所要の伝達ゲインｇ
が全て求まる。(6)式ないし(10)式の方法によれば、
たとえゾーン数が多くなつても、異なる外部温度
を３回設定しその設定値ごとに１回づつ合計３回
の炉内温度検出器３１の移動による内部温度測定
で(6)式の伝達ゲインｇを全て求めることができ
る。

こうして求めた伝達ゲインｇを温度制御装置１
５の記憶装置２０に記憶しておく。所要の内部温
度マトリクス｜y₁′y₂′……y₃′｜′を与えるに必要
な外部温度分布｜x₁′x₂′……x₃′｜′は、伝達ゲイ
ンｇに関する次式を満足しなければならない。

(11)式は階段状方程式であるから、所要の温度分
布パターンを与える、即ち上記の内部温度マトリ
クス｜y₁′y₂′……y₃′｜′を与えるに必要な外部温
度分布｜x₁′x₂′……x₃′｜′は、消去法により容易
に順次求めることができる。

従つて、ゾーン間の干渉を考慮した炉内温度の
パターン切換式制御を(6)式又は(8)−(11)式を用いた
加熱部温度、即ち外部温度の制御により達成する
ことができる。

［構成］第５図を参照するに、本発明による干渉対応形
パターン切換式温度制御装置１５は、加熱部温度
検出素子４が設けられた複数のゾーンZ1−Zn及
び各ゾーンの内部温度検出用の炉内温度検出器３
１を有する炉１に対するものであり、ゾーン別温
度設定値列x_iが設定される温度設定素子４０を有
する。制御対象となる複数の温度分布パターン
P_is、異なる値の前記設定値の列の組x_ir、及び前
記炉内温度検出器３１により検出された各ゾーン
内部温度の組y_irを記憶するための記憶装置２０
を設ける。前記異なる値の設定値列組x_irと当該
組の設定値列に対する各ゾーン内部温度組y_irか
ら上記(3)式又は(6)式により熱伝達ゲインマトリク
スg_ijを求める為の演算手段８０を設ける。

前記演算手段８０は、こうして求められた伝達
ゲインのマトリクスを用い、前記温度分布パター
ンP_isを与えるべき前記設定値列x_isを当該温度分
布パターンと前記熱伝達マトリクスとから算出し
前記記憶装置２０に記憶する機能をも有する。記
憶装置２０内にこうして記憶された前記設定値列
を炉１の動作に応じ選択的に前記温度設定素子４
０に設定する設定手段６０を設けることにより、
ゾーン間の干渉を考慮した温度分布パターン切換
式温度制御を行うことができる。

作用第５図及び第６図を参照して作用を説明する。
動作が開始すると、まずステツプ301でカウント
値ｒを１とし、ステツプ302で適当な温度設定値
の列x_i1を温度設定素子４０に設定すると共に記
憶装置２０に記憶し、ステツプ303で炉１の加熱
制御及び内部温度の測定を開始する。ステツプ
304で内部温度が安定したか否かを検出し、安定
であれば、ステツプ305で内部温度y_i1を記憶装置
２０に記憶する。論理ステツプ306による上記カ
ウント値ｒの監視の下に、ステツプ307でカウン
ト値ｒを変更し上記温度設定素子４０の設定値を
ステツプ308で変更し上記制御、測定及び記憶を
反覆するループ動作を行い、異なる外部温度に対
する３回の内部温度の測定と記憶を実行する。

次に、ステツプ309でカウント値ｒをリセツト
し、(8)式ないし(10)式による伝達ゲインｇの算出及
び記憶ステツプ310へ進む。ステツプ311で所要の
温度分布パターンPisに対する内部温度マトリク
スを(11)式のy′_iマトリクスとして演算手段８０へ
入力する。ステツプ312で(11)式による外部温度x′_i
に相当する設定温度x_isの算出が行われ、ステツ
プ313でそれらの設定温度が記憶装置２０に記憶
されると共に温度設定素子４０に設定される。

ステツプ314では、調節手段５０による制御、
即ち温度検出素子４の出力と温度設定素子４０に
おける設定値との差を無くす様な操作信号５の発
生とその操作信号５による制御が行なわれる。同
時に、炉内温度検出器３１による内部温度の測定
が行なわれる。

炉内温度の安定がステツプ315で確認されると、
ステツプ316で炉内温度y_iを測定して記憶し、所
要温度分布パターンと測定された炉内温度との差
Δy_iがステツプ317で温度比較手段４６により算出
される。この温度差Δy_iが一定の値Ｋよりも大き
いことがステツプ318で検出されると、外部温度
の補正量Δx_iが(11)式によりステツプ319で算出さ
れ、ステツプ320においてその補正量が温度設定
素子４０の設定値にたいして代数的に加算され
る。こうして補正された設定値によるステツプ
314の制御操作が、上記温度差Δy_iが一定値Ｋ以下
になるまで繰返される。本発明においては、上記
補正量Δx_iが伝達ゲインを利用して算出されるの
で炉内温度を迅速に収束させることができる。

第６図の例では、特定の温度分布パターンに対
する外部温度の設定値が求まると、ステツプ321
でその設定値を記憶した後、他の温度分布パター
ンに対する外部温度設定値の算出を行なう。ステ
ツプ322が外部温度設定値算出の完了を検出する
と、処理品６に適する温度分布パターンがステツ
プ323で選択されると共にその温度分布パターン
に対し先に算出された外部温度設定値がステツプ
324で記憶装置２０から読出され温度設定素子４
０に設定される。上記ステツプ314と同様な制御
及び測定がステツプ325で行なわれ、炉内温度の
安定がステツプ326で検出されると、制御はステ
ツプ327へ進み、処理品ライン11上の処理品６を
駆動手段７０の制御下においてプツシヤ１３によ
り炉１内へ送込み所要の熱処理を加える。

各処理品６の熱処理が終ると、ステツプ328で
後続処理品の有無が調べられ、後続処理品がある
場合には、制御は前記ステツプ323に還り新しく
読出された温度分布パターンによる上記熱処理が
反覆され、後続処理品が無い場合には動作を終了
する。

実施例第７図は、第１図に示した本発明の一実施例の
要部を詳細に示すブロツク図であり、第１図及び
第２図と同一部品は同一記号、同一番号で示す。
マルチプレクサ１６は、炉内温度検出器３１及び
ゾーンZ1ないしZnの温度検出素子４からの温度
信号をアナログ／デイジタル（Ａ／Ｄ）コンバー
タ１７を介してバス２５へ順次加える。各ゾーン
に対応するデイジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コン
バータ１８₁ないし１８ｎは、バス２５上の操作
信号５₁ないし５ｎをデイジタル信号に変換して
操作部３₁ないし３ｎへ加える。

バス２５には、温度制御装置１５の動作を司る
マイクロプロセツサ（CPU）１９及び記憶装置
２０が接続されると共に表示器２１の表示インタ
フエース２１ａが接続される。また、記憶装置２
０への入力などに使われるキーボード２２がキー
ボード・インタフエース２２ａを介してバス２５
へ接続される。処理品６を計数する処理品検出器
７からの処理品信号８及び温度分布パターンの切
換スイツチ３４からの信号線３３上の信号が入出
力インタフエース２３を介してバス２５に加えら
れる。切換スイツチ３４においては、例えば、そ
の一の切換位置が一の温度分布パターンに対応す
る。

第７図の実施例の動作を説明する。炉１の各ゾ
ーンZ1ないしZnの温度検出素子４からの外部温
度信号が一定時間毎にマルチプレクサ１６で切換
えられ、Ａ／Ｄコンバータ１７で変換後、外部温
度ｘの入力値としてバス２５に加えられ記憶装置
２０に記憶される。炉内温度検出器３１からの内
部温度測定値信号は、マルチプレクサ１６により
同様にデイジタル化された後、内部温度ｙとして
記憶装置２０に記憶される。温度分布パターン信
号P_isは、切換スイツチ３４から信号線３３及び
入出力インタフエース２３を介してバス２５に加
えられるか、又はキーボード２２からキーボー
ド・インタフエース２２ａを介してバス２５に加
えられ、記憶装置２０に記憶される。

CPU１９は、キーボード２２から設定された
又は切換スイツチ３４により指定された温度分布
パターンP_isに対応する伝達ゲイン算出用の外部
温度設定値x_ir（第６図ステツプ302）を、この場
合記憶装置２０の一部である温度設定素子４０に
設定する。CPU１９は、次いで上記入力値と上
記設定値とを比較し、演算を加え、入力値が設定
値と一致する様に操作信号５₁ないし５ｎを発生
する。操作信号５₁ないし５ｎは、Ｄ／Ａコンバ
ータ１８₁ないし１８ｎを経由して操作部３₁ない
し３ｎへ加えられ、制御素子２を制御する。

その後、CPU１９は、第６図を参照して既に
説明した伝達ゲインの算出、所要温度分布パター
ンにたいする外部温度設定値の設定、処理品６に
対する熱処理を行なう。

第７図の実施例において、キーボード２２又は
切換スイツチ３４が第５図の設定手段６０の一部
の作用をし、CPU１９が温度比較手段４６、調
節手段５０、設定手段６０の他の一部の作用、及
び演算手段８０の作用をしている。

表示器２１は、キーボード２２から温度分布パ
ターンを入力する際等に信号をモニターするため
に使われる。

発明の効果以上説明した如く、本発明による干渉対応形の
パターン切換式温度制御装置は、所要温度分布パ
ターンに対する炉の制御部温度、即ち外部温度の
設定値を、ゾーン間干渉を考慮の上定めるので、
次の顕著な効果を奏する。

(イ) 炉内の所要温度分布パターンが迅速に達成さ
れ、切換えられる。

(ロ) 炉内の所要温度分布パターンが正確に達成さ
れ、維持される。

(ハ) 温度設定パターンの切換えを自動的に行なう
ので、煩雑な手動操作を省略し、労力、時間の
みならず電力の節約を図ることができる。

(ニ) 手動切換えに付随する設定値変更のタイミン
グのずれを除き、高精度の温度制御システムを
構成することができる。

(ホ) コンピユータ併用システムとして温度分布パ
ターン等を大量に記憶し、温度調整点が多い大
規模システムに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトンネル炉に適用した本発明による温
度制御装置の説明図、第２図は従来技術による温
度調節計の説明図、第３図は隣接ブロツクの説明
図、第４図は伝達ゲインの説明図、第５図は本発
明装置の構成の説明図、第６図は本発明装置の動
作を示す流れ図、第７図は本発明の一実施例の要
部詳細ブロツク図である。１…炉、２…制御素子、３…操作部、４…温度
検出素子、５…操作信号、６…処理品、７…処理
品検出器、８…処理品信号、１１…処理品ライ
ン、１５…温度制御装置、１６…マルチプレク
サ、１７…Ａ／Ｄコンバータ、１８…Ｄ／Ａコン
バータ、１９…CPU、２０…記憶装置、２１…
表示器、２２…キーボード、２３…入出力インタ
フエース、２５…バス、２７…設定素子、２８Ａ
−２８Ｎ…調節計、３１…炉内温度検出器、３２
…記録器、３３…信号線、３４…切換スイツチ、
４０…温度設定素子、４６…温度比較手段、５０
…調節手段、６０…設定手段、７０…駆動手段、
８０…演算手段。

Claims

【特許請求の範囲】１加熱部温度検出素子が設けられた複数のゾー
ンZ_i及び各ゾーンの内部温度検出用の炉内温度検
出器を有する炉に対する温度制御装置において、
ゾーン別の加熱部温度の設定値列x_iが設定れる温
度設定素子；複数の炉内温度分布パターンP_is、
前記温度設定素子に設定されるべき異なる値の設
定値列の組x_ir、及び前記組の設定値列の下で前
記炉内温度検出器により検出される内部温度の組
y_irを記憶する記憶装置；前記異なる値の設定値
列の組x_irと前記内部温度の組y_irとにより熱伝達
マトリクスg_ijを算出し、前記熱伝達マトリクスg_ij
により前記温度分布パターンP_isに対応する前記
設定値列の組x_isを算出する演算手段；並びに前
記記憶装置内の前記設定値列を炉の動作に応じ選
択的に前記温度設定素子に設定する設定手段を備
えてなる干渉対応形パターン切換式温度制御装
置。２特許請求の範囲第１項記載の温度制御装置に
おいて、前記異なる値の設定値列の組x_irの加熱
部温度設定値列の下で前記加熱部温度検出素子に
より測定される加熱部温度測定値の組と、前記加
熱部温度設定値列の下で前記炉内温度検出器によ
り検出される各ゾーンの内部温度の組y_irとから、
前記演算手段が前記熱伝達マトリクスg_ijを算出し
てなる干渉対応形パターン切換式温度制御装置。３特許請求の範囲第１項記載の温度制御装置に
おいて、前記記憶装置の温度分布パターンを選択
する切換スイツチを備えてなる干渉対応形パター
ン切換式温度制御装置。