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使用了捕捉装置状态变化的特有指标的调节器

多功能显示调节器 型号C7

开发出了嵌入半导体生产装置及食品加工装置等中,将回路内的温度控制在一定范围的新型“调节器”——型号C7(以下称为C7)。最多可将4个系统的控制功能内置于小型外壳内。安装了带有触摸板的彩色液晶,采用将提高操作性及可视性的显示元件与主体元件相分离的结构,追求使用的方便性。同时,新开发出了能够定量掌握从传感器数据和操作量(控制信号)到控制回路动作变化的健康指数[*1]这一指标。因为具备故障先兆检测功能,所以可以用于定期检修。

[*1] 用于预知、检测生产设备/制造设备故障的诊断参数(以下称为健康指数)

背景/需求

内置有4环路控制功能的多功能显示调节器C7

保存、加工、处理等过程中的适当的温度管理是能够生产出稳定且均质产品的重要因素之一,在使用化工产品及有机溶剂的制造工厂等中,还能够确保安全性。

进行温度控制的装置称为“调节器”或者“温度调节器”。主要作用是调节温度范围,使其达到根据从温度传感器、压力传感器、流量传感器等读取的信息重新设定的范围,被嵌入半导体生产、食品加工、注射成型、石油加工、药品生产等各种领域的生产装置及控制系统中。

追求“计量和控制”技术的阿自倍尔以生产设备制造商为中心,立足于长年提供调节器的技术和实绩,最多将4个系统(4个反馈回路)的温度控制功能汇集在小型外壳中,并于2016年3月发布了安装有测量控制健全性的特有健康指数功能的新一代多功能显示调节器C7(图1)。

由于采用了带有触摸板功能的彩色液晶显示元件,提高了可视性和使用方便性。进而通过与主体元件分离的结构,提高了安装的自由度。主体元件的接线采用了可以切实简单连接线缆的非螺纹弹簧式端子。具备10㎳的高速可控性(以往型号最高为25㎳)、提高了维护性和功能性的模块结构、以太网(Modbus/TCP)连接性、过程数据及控制输出的日志功能等与新一代相符的各种特点。


图1. 多功能显示调节器C7

图1. 多功能显示调节器C7

开发的要点

通过定量的指标使控制回路的异常可视化

C7所具有的新功能之一是健康指数。 近年,通过安装在装置及设备各个位置的传感器来检测状态,并解析收集到的传感器数据,来优化操作条件及早期发现异常的技术开发盛行。可以说是以工业4.0、智能工厂、工业IoT(Internet of Things)等新工厂及装置为目标的举措之一。

阿自倍尔开发的健康指数是实现在早期阶段检测出异常及故障先兆的指标,具有如下特点。

  1. IoT通常用来检测加热器及阀门等的周边设备及周边装置的各种异常,而健康指数的特点是将与温度控制相关的整个控制回路的动作作为定量的指标进行计算。因为是随着时间的变化来看指标的变化,所以能够掌握整个控制回路的健全性及异常。
  2. 仅使用输入到C7中的传感器数据和C7输出的操作量来计算指标。无需在加热器及阀门等周边设备及周边装置上安装传感器,也不用增加配线等。
  3. 与通过网络将检测数据集中到上层系统的以往的IoT不同,因为是在C7内部进行演算处理,所以无需重新铺设网络或者在上层服务器或云端构建解析应用程序(当然可以根据需要,将C7计算出的指标通过网络向上层发送)。

健康指数的计算式见图2。健康指数中包含着很多内容,此次阿自倍尔开发并领先于业界在C7中安装的健康指数,是用过程增益Kp除以时间常数Tp的“归一化响应能力”这一指标。将“归一化响应能力”用简单易懂的方式来比喻的话,就是将过程值状态的变化量进行指标化后得出的。

仅通过观察图表难以判断的当前温度及操作量关系的细微差别,如图3那样使用归一化响应能力时,可以作为0.050、0.048、0.046、0.044等数值的变化求出。也就是说,能够迅速掌握以加热器及阀门等为对象的控制回路中相关设备或装置所发生的异常。

图2. 健康指数的算法

图2. 健康指数的算法

图3. 用健康指数掌握控制回路的变化

图3. 用健康指数掌握控制回路的变化

通过带有触摸板的彩色液晶提高操作性

阿自倍尔将“以人为中心的自动化”的探索作为企业理念,作为其工作的一环,以提供使用方便的机器及装置为目标。

调节器C7的显示元件采用了带有触摸板的彩色液晶。可以一边看着画面的显示,一边通过触摸操作进行设定,使用方便性受到了顾客的好评。

触摸板中采用了电阻膜方式,而且具备IP67保护等级的防水防尘性能,所以除了能够带着手套进行触摸操作外,湿手也可以进行操作。

此外,将画面纵横分割后,最多可以同时显示4个回路的状态,出现异常的回路以红色突出显示,从远处察看也可以一目了然,提高了可视性。

采用显示元件与主体元件分离的结构,最远可在距离30m(另外提供电源时最长100m)的地方安装。嵌入控制系统或生产装置的自由度高,例如还可以将主体安装在装置的背面,将显示元件安装在前面。

此外,将调节器安装在前面的开门式面板上时,以往必须把传感器信号及操作信号等大量的电缆挂在合叶部分,而C7仅使用1根电缆就完成了主体与显示元件之间的连接,可以省去合叶部分的配线工作。

图4. 安装带有触摸板的彩色液晶

图4. 安装带有触摸板的彩色液晶

图5. 通过采用主体元件与显示元件相分离的结构,提高了嵌入的自由度

图5. 通过采用主体元件与显示元件相分离的结构,提高了嵌入的自由度

成果和今后的展望

建议使用在装置端处理的本地计算

如前所述,虽然检测工厂内的机器及设备并将数据集中到云端,以实现各种可视化的IoT正在蓬勃发展,但是也存在一些课题,如发送到云端的大量传感器数据会占用网络的通信容量,增大云端的处理负荷等。

因此,为了抑制通信量,人们提倡采用通过IoT网关等进行中间处理的边缘计算和雾计算等架构。

阿自倍尔建议使用的是进一步减少层次,由装置自行处理传感数据的“本地计算”。

安装在C7中的健康指数等指标能够将传感数据原封不动地发送到云端,并在云端进行计算,不过若要抑制网络流量而延长数据发送间隔的话,像生产装置这种动作变化快的设备就变得无法正确掌握动作的变化。

关于这一点,如果是本地计算的话,无需考虑网络流量,可以通过从检测对象及分析手法导出的最佳条件及时间进行计算。

阿自倍尔今后会根据需要来组合应用像本地计算这样的框架,同时向顾客提案进行工厂及装置智能化的推进。


图6. 在装置端处理的本地计算

图6. 在装置端处理的本地计算




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