PID控制器以及数据收集方法技术领域
本发明涉及温度控制器等PID控制器，特别是涉及具备数据收集功能的PID控制
器。
背景技术
为了控制加热处理炉等的温度，利用了安装有PID控制功能的温度调节器。在温度
调节器中，需要设定PID参数等大量的参数。温度调节器使用PID参数来进行PID运
算，输出操作量MV以使温度计测值PV与被设定为目标温度的设定值SP一致。由此，
能够使温度计测值PV(控制量PV)接近于目标温度(设定值SP)。因此，需要设定
PID参数等，并且很重要。
但是，控制结果信息(设定值达到时间、过冲量等控制响应中的特征量的数据)在
把握控制的不佳状态、调整PID参数等的时候，作为针对实际的控制对象的控制结果，
是有效的信息。因此，一边实施升温、降温等一系列控制动作一边在温度调节器内部计
算控制响应的特征量并保存到温度调节器内部的功能被实施(参照专利文献1)。另一方
面，像数据记录器那样的收集并记录全部测定数据的设备也被实用化(参照专利文献
2)。通过在这些专利文献1、专利文献2中公开了的数据收集功能，能够收集PID控制
的控制响应的特征量或者全部的时序数据，并作为监视对象、分析对象来进行处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-217439号公报
专利文献2：日本特开2008-286603号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在温度控制中，仅通过升温、降温等一系列控制动作，对于有效的信息收集来说是
不充分。即，在专利文献1公开了的特征量计算功能中，保存的信息受限，所以是不充
分的。另一方面，在专利文献2公开了的数据记录器中，还包括作为控制动作的信息不
需要的信息，数据收集量过多，所以处理变得烦琐且不便。因此，作为在控制动作中特
殊化了的有效的信息收集功能，要求为了避免过于烦琐、且避免过度信息不足而被改善
了的功能。特别是，在升温、降温的响应之外，还要求扩大在特殊状况下的有效利用的
改进。
在作为简易型的PID控制器的代表例子的温度调节器中，安装有在探测到传感器断
路的情况下的报警功能等。报警发生前后的时间段为分析报警的原因的对象时间段，所
以特别需要详细的时序数据。但是，在以往的PID控制器中，存在如下问题点：未能实
现收集报警发生前后的时间段的详细的时序数据这样的功能。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种以安装到像温度调节
器等简易型的PID控制器那样的低价产品为前提，能够收集报警发生前后的详细的时序
数据的PID控制器以及数据收集方法。
解决技术问题的技术手段
本发明的PID控制器的特征在于，具备：操作量计算单元，通过PID控制运算，根
据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；操作量输出单元，将通过该操作量计算单
元计算出的操作量MV输出到控制对象；数据记录单元，临时记录所述控制量PV的时序
数据；报警通知单元，在检测到异常时产生报警；以及数据保存单元，仅在发生了所述
报警的情况下，从所述数据记录单元读出在该报警发生前后所述数据记录单元所记录的
数据并进行保存。
另外，在本发明的PID控制器的一个构成例中，其特征在于，所述数据保存单元保
存从所述报警的发生时间点的第1时间T1前的时间点开始到所述报警的发生时间点的第
2时间T2后的时间点为止的范围的数据，所述第1时间T1以及第2时间T2被预先设定
为PID参数的积分时间TI的α倍的值。
另外，在本发明的PID控制器的一个构成例中，其特征在于，所述控制对象是利用
了加热器的加热控制系统，所述数据保存单元保存从所述报警的发生时间点的第1时间
T1前的时间点开始到所述报警的发生时间点的第2时间T2后的时间点为止的范围的数
据，所述第1时间T1以及第2时间T2根据报警的种类被设定为不同的时间。
另外，在本发明的PID控制器的一个构成例中其特征在于，所述数据保存单元在发
生加热器断路报警时，将PID参数的积分时间TI的α倍的值用作所述第1时间T1以及
第2时间T2，在发生传感器断路报警时，将与PID参数无关的固定值用作所述第1时间
T1以及第2时间T2。
另外，在本发明的PID控制器的一个构成例中，其特征在于，所述报警通知单元在
所述控制量PV超过了规定的控制量范围时，或者在所述控制量PV的每一定时间的变化
率超过了规定的控制量变化率范围时，产生报警。
另外，在本发明的PID控制器的1构成例中，其特征在于，还具备：读入指示单
元，在所述数据保存单元所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作者利用上
位装置来读入所述数据保存单元所保存的数据。
另外，在本发明的PID控制器的一个构成例中，其特征在于，所述数据记录单元进
一步地临时记录所述操作量MV的时序数据与所述设定值SP的时序数据，所述数据保存
单元除了从所述数据记录单元读出所述控制量PV的时序数据并进行保存之外，还从所述
数据记录单元读出在所述报警发生前后所述数据记录单元所记录的操作量MV的时序数
据以及设定值SP的时序数据并进行保存。
另外，本发明的数据收集方法的特征在于，包括：操作量计算步骤，通过PID控制
运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操作量MV；操作量输出步骤，将在该操作量
计算步骤中计算出的操作量MV输出到控制对象；数据记录步骤，临时记录所述控制量
PV的时序数据；报警通知步骤，在检测到异常时产生报警；以及数据保存步骤，仅在发
生了所述报警的情况下，读出在该报警发生前后在所述数据记录步骤中记录的数据并进
行保存。
发明效果
根据本发明，仅在发生了报警的情况下，从数据记录单元读出在报警发生前后数据
记录单元所临时记录的数据并进行保存，所以能够以不变得过于烦琐且不变得过度信息
不足的方式收集用于分析报警的原因的数据。在本发明中，能够将表示传感器断路报警
发生前的计测噪声的增大的数据、表示加热器断路报警发生前的平衡点异常的数据等作
为预兆解析的记录进行收集。另外，在本发明中，在PID控制器的内部收集数据，所以
与经由通信网络等而通过PID控制器外部的数据收集设备来收集数据的情况相比，能够
更加可靠地排除由通信噪声等导致的模糊不清的现象。
另外，在本发明中，通过将确定报警发生前后的时间段的第1时间T1以及第2时间
T2预先设定为PID参数的积分时间TI的α倍的值，能够减轻进行PID控制器的设定作
业的操作者的负担。
另外，在本发明中，通过根据报警的种类将确定报警发生前后的时间段的第1时间
T1以及第2时间T2设定为不同的时间，能够设定为与报警的种类相应的适当的值。
另外，在本发明中，在数据保存单元所保存的数据达到规定时间以上的量的数据
时，通知操作者利用上位装置来读入数据保存单元所保存的数据，从而能够向操作者传
达数据保存单元的数据保存的余量变少的情况。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的PID控制器的构成的框图。
图2是示出本发明的实施方式的加热控制装置的构成的框图。
图3是示出本发明的实施方式的PID控制器的动作的流程图。
图4是说明本发明的实施方式的PID控制器的数据收集的动作的图。
符号说明
1…控制功能部，2…数据收集功能部，10…设定值输入部，11…控制量输入部，
12…操作量计算部，13…操作量输出部，14…报警通知部，15…数据记录部，16…时
钟，17…数据保存部，18…读入指示部
具体实施方式
[发明的原理]
在温度控制器等PID控制器中，在报警发生前后的时间段中，为了分析报警的原
因，需要详细的时序数据。另一方面，在PID运算的情况下，未发生报警的正常时间内
的控制动作的性质一般来说容易通过仿真等来再现。即，在报警发生前后的时间段之
外，即使得不到详细的时序数据，也不会对事后的分析产生大的障碍。
发明者在发现上述的问题的基础上，还着眼于报警发生的期间一般在时间上较短这
一点，想到了将报警发生前后设为用于扩大特殊状况下的利用的利用对象。报警发生前
后的时间段的范围能够根据PID参数来确定。
具体来说，始终执行数据的收集、临时性的记录，仅在发生了报警的情况下，以不
可盖写的状态保存在该报警发生前后收集、记录了的数据。通过这样，能够以不变得过
于烦琐且不变得过度信息不足的方式收集用于分析报警的原因的数据。
此外，通过利用温度调节器等简易型的PID控制器内的数据收集功能，能够可靠地
获得对报警的原因分析有效的“控制系统的原始数据”，但另一方面，PID控制器的存储
容量受到限制。因此，优选为并用以下两功能，即通知操作者利用能够充分地确保存储
容量的上位装置(例如PC(PersonalComputer，个人计算机))来读入数据的功能、将
数据自动转送到上位装置并使其返回到允许PID控制器的数据区域的盖写的状态的功
能。
[实施方式]
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的实施方式的PID控
制器的构成的框图。PID控制器具备作为以往以来在PID控制器中设置的一般结构的控制
功能部1、以及作为本实施方式的特征结构的数据收集功能部2。
控制功能部1具备从控制器外部输入设定值SP的设定值输入部10；从计测器输入控
制量PV的控制量输入部11；通过PID控制运算，根据设定值SP与控制量PV来计算操
作量MV的操作量计算部12；将操作量MV输出到控制器外部的操作量输出部13；以及
在检测到异常时产生报警的报警通知部14。
数据收集功能部2具备临时记录控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据与设
定值SP的时序数据的数据记录部15；对当前的日期时间进行计时的时钟16；仅在发生
了报警的情况下，读出在该报警发生前后数据记录部15所记录的数据的数据保存部17
并进行保存；以及在数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数据时，通知操作
者利用上位装置来读入数据保存部17所保存的数据的读入指示部18。
图2是示出成为本实施方式的应用对象的加热控制装置的构成的框图。加热控制装
置由对作为处理对象的被加热物进行加热的加热处理炉100、电加热器101、计测加热处
理炉100内的温度的温度传感器102、控制加热处理炉100内的温度的PID控制器103、
电力调整器104、以及电力供给电路105构成。
PID控制器103计算操作量MV以使温度传感器102所计测到的控制量PV(温度)
与设定值SP一致。设定值SP例如通过操作者来设定。电力调整器104决定与操作量
MV相应的电力，通过电力供给电路105向电加热器101供给该决定了的电力。这样，
PID控制器103控制加热处理炉100内的被加热物的温度。图1的控制功能部1与数据收
集功能部2安装在PID控制器103中。
接着，参照图3，说明本实施方式的动作。设定值SP通过操作者等来设定，并经由
设定值输入部10而被输入到操作量计算部12与数据记录部15(图3步骤S1)。
控制量PV通过计测器(在图2的例子中是温度传感器102)来计测，并经由控制量
输入部11而被输入到操作量计算部12、报警通知部14与数据记录部15(图3步骤
S2)。
操作量计算部12通过如以下的传递函数式那样的PID控制运算，根据设定值SP与
控制量PV来计算操作量MV(图3步骤S3)。
MV＝(100/PB){1+(1/TIs)+TDs}(SP-PV)···(1)
在式(1)中，PB是比例带，TI是积分时间，TD是微分时间，s是拉普拉斯算子。
操作量输出部13将通过操作量计算部12计算出的操作量MV输出到控制对象(图3
步骤S4)。在图2的例子中，电力调整器104成为操作量MV的实际的输出目的地。
数据记录部15将从控制量输入部11输入了的控制量PV、通过操作量计算部12计
算出的操作量MV以及从设定值输入部10输入了的设定值SP作为应该收集的数据进行
临时记录(图3步骤S5)。此时，数据记录部15在由控制量PV、操作量MV与设定值
SP构成的数据集中，附加地记录从时钟16得到的当前时刻的信息。
如果控制动作持续进行，在每个控制周期中反复执行步骤S1～S5的处理，则控制量
PV的时序数据、操作量MV的时序数据与设定值SP的时序数据被存储到数据记录部
15。
接着，报警通知部14在检测到异常时(在图3步骤S6中为“是”)，产生报警
(图3步骤S7)。作为异常的种类，例如存在有控制量PV超过规定的控制量范围、或
者控制量PV的每一定时间的变化率超过规定的控制量变化率范围等的控制动作的异常、
PID控制器自身的故障、或者在PID控制器设定的参数(PID参数等)的异常设定等。作
为报警的产生/通知方法，例如存在有将报警信号输出到上位装置(例如PC(Personal
Computer，个人计算机))、或者使在PID控制器中设置的报警通知用的LED闪烁或者
亮灯等方法。
数据保存部17在发生了报警的情况下，从数据记录部15读出在该报警发生前后数
据记录部15所记录的数据(控制量PV的时序数据、操作量MV的时序数据与设定值SP
的时序数据)并进行保存(图3步骤S8)。报警发生前后是指：从报警的发生时间点的
规定的第1时间T1前的时间点开始到报警的发生时间点的规定的第2时间T2后的时间
点的范围。因此，在该范围内还包括报警的发生时间点。
数据保存部17基于附加到数据记录部15所记录的数据的时刻信息，从数据记录部
15读出从报警的发生时间点的规定的第1时间T1前的时间点开始到报警的发生时间点的
数据，并且将该读出的数据按被记录到数据记录部15的顺序(时刻信息所表示的时刻的
顺序)来保存，进一步地，从数据记录部15依次读出在报警发生时间点以后数据记录部
15所记录的数据中的、至报警的发生时间点的规定的第2时间T2后的时间点为止的数
据，并且按被记录到数据记录部15的顺序来保存即可。第1时间T1与第2时间T2既可
以相同，也可以不同。
此外，在此处的数据保存方法中，从报警的发生时间点起直到经过第2时间T2，数
据的保存持续地进行，但不限于此，也可以一次完成数据的保存。具体来说，数据保存
部17也可以在发生报警时不立即实施步骤S8的处理，而在从报警的发生时间点起经过
了第2时间T2之后，从数据记录部15读出从报警的发生时间点的第1时间T1前的时间
点开始到报警的发生时间点的第2时间T2后的时间点为止的范围的数据并进行保存。
根据上述的说明可知，由数据记录部15实施的数据的临时记录、与由数据保存部17
实施的数据的保存的差异在于以下两点：在数据记录部15中，不区分是否是报警发生
时，对全部的数据进行记录，与此相对地，在数据保存部17中，仅保存报警发生前后的
数据这一点；以及在数据记录部15中允许数据的盖写，如果达到数据记录部15的存储
容量的上限，则从较旧的数据起依次盖写为新的数据，与此相对地，在数据保存部17中
禁止数据的盖写，只要不删除所保存了的数据，就无法保存新的数据这一点。数据记录
部15与数据保存部17的存储容量只要是至少比报警发生前后的范围的数据的容量大的
容量即可。
读入指示部18在数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数据时(图3步
骤S9)，通知操作者利用上位装置(例如PC)来读入数据保存部17所保存的数据(图
3步骤S10)。作为通知方法，存在有例如使LED闪烁或者亮灯以使得操作者能够识别
催促等方法。
在每个控制周期中反复执行以上那样的步骤S1～S10的处理，直到例如根据来自操作
者的指令而控制结束为止(在图3步骤S11中为“是”)。
此外，在发生了报警的情况下，有时持续发生报警直到报警的原因消除为止，但关
于同一种类的报警，无需反复进行图3的步骤S8的处理，数据保存部17在最初发生报
警的时间点保存该报警的发生前后的数据即可。
报警的种类(控制量PV的异常、控制量PV的变化率的异常、PID控制器的故障、
参数的异常设定等)能够通过被附加到从报警通知部14输出的报警信号的报警代码来区
分。数据保存部17在保存报警发生前后的数据时，将从报警通知部14取得的报警代码
附加到数据中并保存。由此，数据保存部17能够识别正在对于什么种类的报警保存报警
发生前后的数据。数据保存部17对于一种报警，将保存报警发生前后的数据的次数设为
仅1次，在对于同一种类的报警已经保存了报警发生前后的数据的情况下，不会再次实
施相同处理或者重复地实施相同处理。
图4的(A)、图4的(B)是说明本实施方式的PID控制器的数据收集的动作的
图，图4的(A)示出了控制量PV的变化的一个例子，图4的(B)示出了操作量MV
的变化的一个例子。图4的(A)的纵轴是控制量PV，横轴是时间，图4的(B)的纵轴
是操作量MV，横轴是时间。在这里，将设定值SP设为温度设定值，将控制量PV设为
温度计测值，说明例如在图2所示的加热控制装置中收集数据的情况。另外，将(SP-
5℃)到(SP+5℃)设为正常的控制量范围。因此，如果控制量PV低于(SP-5℃)或者
超过(SP+5℃)，则发生报警。
在图4的(A)、图4的(B)的例子中，在设定值SP＝200℃的温度控制中，操作量
MV产生通常不出现的上下波动，在控制量PV降低而最终在时刻t2低于控制量范围的下
限值(SP-5℃)时，发生报警。数据保存部17从数据记录部15读出从报警的发生时间点
t2的第1时间T1前的时间点t1开始到报警的发生时间点t2的第2时间T2后的时间点t3
为止的范围的数据并进行保存。
在温度调节器等PID控制器中，例如在由于传感器断路而温度计测值(控制量PV)
突变了的情况下(控制量PV的变化率超过了规定的控制量变化率范围的情况下)，或者
在由于伴随着设定值SP变更时的操作量MV的突变等的加热器断路而温度计测值(控制
量PV)异常降低了的等情况下(控制量PV超过了规定的控制量范围的情况下)，需要
进行上述那样的数据的保存。
在本实施方式中，能够收集表示传感器断路报警发生前的计测噪声的增大的数据、
表示加热器断路报警发生前的平衡点异常的数据等作为预兆解析的记录。另外，在本实
施方式中，在PID控制器的内部收集数据，所以与经由通信网络等通过PID控制器外部
的数据收集设备来收集数据的情况相比，能够更加可靠地排除由通信噪声等导致的模糊
不清的现象。
在施加了与控制动作的频率特性(PID运算的性质方面能够计算)相比频率更高的干
扰等的等情况下，容易引起发生报警的异常的控制动作。因此，如果将PID参数的积分
时间TI的α倍(例如α＝2.0)设为第1时间T1以及第2时间T2(T1＝T2＝αTI)，则操作
者在进行适当的设定时能够果断地完成。
在这里，例如如果是由于传感器断路而在控制量PV中出现异常值的报警，则仅是计
测系统的问题，控制对象的时间常数、空耗时间在原则上不相关。另一方面，如果是由
于加热器断路而在控制量PV中出现异常值的报警，则是控制动作系统的问题，控制对象
的时间常数、空耗时间越长，则从紧接着加热器断路之后到报警发生为止的时间越长。
一般来说，在控制对象的时间常数、空耗时间长的情况下，将PID参数的积分时间TI设
定为大的值。
因此，关于数据保存部17，优选的是，对于加热器断路报警(在控制量PV超过了
规定的控制量范围的情况下)，如上所述地将积分时间TI的α倍的值用作第1时间T1
以及第2时间T2(T1＝T2＝αTI)，对于传感器断路报警(在控制量PV的变化率超过了规
定的控制量变化率范围的情况下)，将与PID参数无关的固定值β用作第1时间T1以及
第2时间T2(T1＝T2＝β)。如上所述，报警的种类能够通过附加到从报警通知部14输出
的报警信号的报警代码来区分。数据记录部15与数据保存部17的存储容量只要是比根
据报警的种类而不同的第1时间T1与第2时间T2的合计时间(T1+T2)中的最大值的
时间的数据的容量大的容量即可。
根据以上的实施方式，能够以不变得过于烦琐且不变得过度信息不足的方式收集用
于分析报警的原因的数据。
此外，在本实施方式中，以在PID控制器中具有时钟功能(对数据附加时刻信息的
功能)为前提，但不限于此。数据记录部15在每个控制周期中记录数据，所以各个数据
的间隔与控制周期相等。因此，能够容易地计算在所期望的长度的时间范围中包含的数
据的个数。即，在PID控制器中没有时钟功能的情况下，数据保存部17在发生了报警
时，从数据记录部15读出在报警发生时间点以前数据记录部15所记录的数据中的、从
较新的数据起按顺序追溯了第1时间T1的个数的过去的数据，并且将该读出了的数据按
被记录到数据记录部15的顺序来保存，进一步地，从数据记录部15读出在报警发生时
间点以后数据记录部15所记录的数据中的、与第2时间T2相当的个数的数据并进行保
存即可。
另外，在本实施方式中，在数据收集功能部2中设置了读入指示部18，但也可以设
置自动转送单元。该自动转送单元在数据保存部17所保存的数据达到规定时间以上的数
据时，将数据保存部17所保存了数据经由通信网络自动地转送到上位装置，删除数据保
存部17所保存的数据。由此，能够使数据保存部17返回到能够进行数据的盖写的状
态。
另外，在本实施方式中，数据记录部15记录控制量PV的时序数据、操作量MV的
时序数据与设定值SP的时序数据，数据保存部17保存有在报警发生前后数据记录部15
所记录的数据，但记录/保存操作量MV的时序数据与设定值SP的时序数据并非本发明
的必要要件。也可以是数据记录部15仅记录控制量PV的时序数据，数据保存部17仅保
存在报警发生前后数据记录部15所记录的控制量PV的时序数据。
在本实施方式中说明了的PID控制器能够通过具备CPU(CentralProcessingUnit，中
央处理单元)、存储装置和接口的计算机、以及控制这些硬件资源的程序来实现。CPU
依照在存储装置中所储存的程序，执行本实施方式中所说明的处理。
产业上的可利用性
本发明能够应用于具备数据收集功能的PID控制器。