9.1. TF4110 Temperature Controller

必要ライセンス

開発環境側

• TC1200 (TwinCAT3 PLC)

• TF4110 (TwinCAT3 Temperature Controller)

ランタイム環境

• TC1200 (TwinCAT3 PLC)

• TF4110 (TwinCAT3 Temperature Controller)

参考Infosys

ブロック図

参考Infosys

TF4110の温度コントロールFunctionBlock (FB_CTRL_TempController / FB_CTRL_TempController_DistComp)は、下図のようないくつかのFunctionBlockで構成されています。

FB_Selftuner	PIDパラメータを自動調整する。
FB_ControlAlgorithm	PID制御による温度調整を行う。
FB_SetpointConditioner	設定温度を制御。設定温度の急激な変化を防ぐためのランプ機能及び、低い温度で一定時間維持してから目標温度へ上げるヒーターベーキング機能を有する。
FB_ControlValueConditioner	制御出力（PWM・アナログ信号）を適切な範囲内に調整する。
FB_Alarming	異常検知とエラー通知を行う。

温度コントローラであるTF4110の温度コントローラFB_CTRL_TempControllerを用いた設備の立ち上げ手順、及びプログラムの実装について記述します。

コントローラの立ち上げ手順

TF4110のFB_CTRL_TempControllerを用いた、設備の段階的な立ち上げについて記述します。

参考Infosys

1. TwinCATの開発環境（XAE）のPLCプロジェクトに、以下のライブラリを追加します。

   • Tc2_TempController

   • Tc2_ControllerToolbox
     このライブラリのデータ型をFunctionBlockFB_CTRL_TempControllerで定義する為に必要

2. FB_CTRL_TempController（以下、「コントローラ」と呼ぶ）をプログラムに実装

   制御対象のモデルや制御方法に合わせて、付録に示したST_CTRL_TempCtrlParameterのパラメータを適切に設定した構造体変数を用意します。これをロードしたFB_CTRL_TempControllerインスタンスを実装します。この実装では、次ステップの 試運転 に示すチューニングステップを含めたマシンのふるまいを定義する必要があります。

3. 試運転

   試運転では制御するヒーター機器の他に、熱電対からの計測温度をコントローラに入力します。

4. チューニング

   コントローラの制御モード(eCtrlMode)をチューニングモード(eCTRL_MODE_TUNE)に設定してから実行することで、目標設定温度の80%までの温調制御をおこない、最適なPIDパラメータを算出します（セルフチューニング）。

5. 試運転

   チューニングしたパラメータを基に試運転を行います。

試運転に必要なチューニング方法と、サンプルコードを以下のページで紹介します。

• オートチューニング（Self tuning）機能
  • チューニングの流れ
    • チューニング開始
    • チューニング中の動作
    • チューニング完了後
  • サンプルプログラムでの動作確認

付録

FB_CTRL_TempControllerのパラメータ

参考Infosys

VAR_INPUT

パラメータ	型	説明
eCtrlMode	E_CTRL_MODE	Tc2_ControllerToolboxライブラリの E_CTRL_MODE から 次のいずれかを選択。 eCTRL_MODE_PASSIVE eCTRL_MODE_ACTIVE eCTRL_MODE_TUNE
SelSetpoint	BOOL	=FALSE：通常温度(fW1)を設定 =TRUE：待機温度(fW2)を設定
fW1	LREAL	通常温度[\(^\circ\text{C}\)]
fW2	LREAL	待機温度 [\(^\circ\text{C}\)] fW2\(\lt\)fW1
fX	LREAL	実際の温度[\(^\circ\text{C}\)]（熱電対などから測定した温度値）
fYManual	LREAL	手動操作時の制御値\([-100\%, +100\%]\)
bOpenThermocouple	BOOL	=TRUE：熱電対を使用しない 通常はFALSEにし、EL3xxx, KL3xxxなどを通じて温度を計測する
bReverseThermocouple	BOOL	熱電対の接続極性が逆の場合はTRUEにする
bBackVoltage	BOOL	熱電対の入力電圧が高すぎる際にTRUEにする
bLeakage	BOOL	熱電対の漏れ電流が発生したときにTRUEにする
bShortCircuit	BOOL	ヒーターエレメントで短絡が検出されたときにTRUEにする
bOpenCircuit	BOOL	ヒーターエレメントで断線を検出したときにTRUEにする
sParaControllerExternal	ST_CTRL_ParaController	（HMIやPLCプログラムなど）外部からパラメータを設定する場合に使用する

VAR_OUTPUT

パラメータ	型	説明
fYAnalog	LREAL	温度制御のアナログ出力値 $[-100%	+100%]$
bPWMPPos	BOOL	加熱用のPWM信号
bPWMPNeg	BOOL	冷却用のPWM信号
bDigPos	BOOL	3ステップ制御出力のON/OFF信号 加熱用
bDigNeg	BOOL	3ステップ制御出力のON/OFF信号 冷却用
dwAlarm	DWORD	エラーや異常状態をビット単位で格納する
fMaxOverShoot	LREAL	PID制御の最大オーバーシュートが格納される[\(^\circ\text{C}\)]
tStartUpTime	TIME	ヒーターが初めて設定温度に達するまでの時間
eCtrlState	E_CTRL_STATE	現在のコントローラの状態
sParaControllerInternal	ST_CTRL_ParaController	（チューニングによって決定された）内部コントローラのパラメータを取得することが可能
bError	BOOL	エラー発生時TRUEになる
iErrorId	INT	bErroがTRUEの場合、エラーコードが格納 （ENUM …を参照）

VAR_IN_OUT

パラメータ	型	説明
sControllerParameter	ST_CTRL_TempCtrlParameter	サンプリング時間などの一般的なパラメータをこの構造体で設定する

ST_CTRL_TempCtrlParameterのパラメータ

FB_CTRL_TempControllerファンクションブロックのVER_IN_OUTにロードするsControllerParameter変数の構造体について説明します。

参考Infosys

General Parameters

パラメータ	型	説明
iMode	E_CTRL_ControlMode	加熱、冷却、加冷却の制御方法を選択
iReactionOnFailure	E_CTRL_ReactionOnFailure	センサ断線やオーバーレンジなど、異常が発生したときのコントローラの動作。ヒーターの場合は停止させる設定(eCTRL_ReactionOnFailure_StopController)を推奨
bSelCtrlParameterSet	BOOL	オートチューニングで調整したPIDパラメータをsParaControllerExternalにセットして用いるときにTRUEにする
dwAlarmSup	DWORD	アラームの抑制を行う場合、該当アラームビットをマスクする
tCtrlCycleTime	TIME	コントローラ演算が行われるサンプリング周期。一般的に、制御対象の時定数の1/10以下に設定することが推奨される。ヒーターの場合、数十ms～数百ms程度が一般的
tTaskCycleTime	TIME	FBが呼ばれるタスク自体の周期。このFBが実装されているPLCのタスク周期を設定すること

Tuning Parameters

パラメータ	型	説明
iTuningMode	E_CTRL_TuneMode	制御対象に合わせ、チューニング方法を指定する
tTuneStabilisation	TIME	チューニング開始前、制御対象が安定するまでの待機時間 Tip 熱慣性の大きい制御機器では、長めに設定しないと正しいゲインが得られない
fEndTunePercentHeating	LREAL	チューニング時の目標到達率[\(%\)] Tip チューニング時に過度な温度上昇を防ぐ目的や、十分なレスポンスを確認する為に調整する
fYTuneHeating	LREAL	チューニング段階でヒーターをどの出力レベルで駆動するかを指定\([0\%, 100\%]\)
fYStableHeating	LREAL	チューニング時の温度が安定段階になったとき、過剰なオーバーシュートを防止する
fScalingFactor	LREAL	オートチューニングで得たパラメータに乗算するゲイン設定

Setpoint parameters

パラメータ	型	説明
fWMin	LREAL	温度設定の下限値 [\(^\circ\text{C}\)]
fWMax	LREAL	温度設定の上限値 [\(^\circ\text{C}\)]

Start up

パラメータ	型	説明
bEnableSoftstart	BOOL	加熱開始時に急激な加熱を避ける
bEnableRamping	BOOL	ランプ機能 Tip bEnableSoftstartとの違いは、こちらは「出力」ではなく「セットポイントそのもの」を段階的に変化させる
fStartUp	LREAL	ソフトスタートやランピング開始時の初期セットポイント[\(^\circ\text{C}\)]
bStartUpRamping	BOOL	指導段階でランプ機能をON
fStartUpVelPos fStartUpVelNeg	LREAL	スタートアップ時の加熱/冷却の温度変化速度[\(^\circ\text{C}\)/s]
fValuePos fValueNeg	LREAL	加熱/冷却の温度変化速度[\(^\circ\text{C}/s\)]

Actual value parameters

パラメータ	型	説明
bFilter	BOOL	実測値に対し一次遅れのフィルタをON Tip 温度センサがノイズ等で安定しない場合はTRUE
tFilter	TIME	一次フィルタの時定数

Deadband parameters

パラメータ	型	説明
bDeadband	BOOL	デッドバンドのON/OFF
fDeadband	LREAL	デッドバンドの範囲[\(^\circ\text{C}\)]

Control value parameters

パラメータ	型	説明
fYMin fYMax	LREAL	PID演算結果の出力をこの範囲にクリップする[\(\%\)] \([-100\%, +100\%]\)
fYManual	LREAL	マニュアルモード時の出力値[\(\%\)]
fYOnFailure	LREAL	異常時の出力値[\(\%\)] Tip ヒーターの場合、安全性を重視するのであれば\(0\%\)（ヒーターOFF）に設定
tPWMCycleTime	TIME	PWM信号の1サイクルの時間 Tip 制御出力の分解能と応答性に影響する
tPWMMinOffTime tPWMMinOnTime	TIME	PWM信号の最小OFF/ON時間
fYThresholdOff fYThresholdOn	LREAL	3点制御（加熱/オフ/冷却）でOFF/ONに切り替える出力閾値[\(\%\)]
nCyclesForSwitchOver	INT	モード切り替え時、何サイクル掛けて移行を行うか

Controller settings

パラメータ	型	説明
bEnablePreController	BOOL	プリコントローラを有効にする
bEnableZones	BOOL	設定値に近づくまで開ループ特性をオンにする
bEnableCVFilter	BOOL	出力に対しフィルタを適用する
iFilterType	E_CTRL_FilterType	一次遅れフィルタ、移動平均フィルタを指定
iControllerType	E_CTRL_ControllerType	メインコントローラのアルゴリズムを指定 (PID, PI, PD, On/Off)

Min/Max temperatures

パラメータ	型	説明
TempLow TempLowLow	LREAL	目標温度に対する、第1段階と第2段階の警報ゾーンの設定[\(^\circ\text{C}\)]　マイナス側
TempHigh TempHighHigh	LREAL	目標温度に対する、第1段階と第2段階の警報ゾーンの設定[\(^\circ\text{C}\)]　プラス側
TempAbsoluteHigh TempAbsoluteLow	LREAL	測定値の絶対温度の上下限[\(^\circ\text{C}\)] 注釈 最終防御ライン

Internal tuning parameters (Expert parameters)

パラメータ	型	説明
fTuneKp	LREAL	比例ゲイン
fTuneTn	LREAL	積分時間
fTuneTv fTuneTd	LREAL	微分フィルタに関する調整