プログラム制御とは？温度と時間の設定例・使う理由と注意点

プログラム制御とは、あらかじめ決めた時間の進み方に合わせて、温度などの目標値を変える制御です。何℃にするかだけでなく、何分かけて上げ、何分保つかまで決められます。

温度を段階的に上げてから冷やす工程では、途中の温度経過も製品の処理条件になります。プログラム制御は、この経過を一つの運転パターンとして記憶し、繰り返し実行する仕組みです。

20℃の物質を90℃まで加熱し、最後に30℃まで冷やす例で設定方法を整理します。目標と実温度の違いを押さえると、思うように昇温しない原因や、保持時間の決め方も読み取れます。

プログラム制御とは？

温度制御の目標値は、SPまたはSVと表します。プログラム制御では、この目標値を時間の関数として用意し、運転中に自動で更新します。測定した温度を表すPVと区別することが出発点です。

温度を一定に保つ定値制御でも、運転員が目標値を変更すれば別の温度へ移れます。プログラム制御では、変更する時刻と途中の勾配まで登録するため、毎回同じ手動操作を繰り返す手間を減らせます。

昇温・保持・冷却を7区間で設定する

一つの運転パターンは、セグメントと呼ぶ区間をつないで作ります。各区間の終点温度と所要時間を指定すると、目標値が上がる部分、一定の部分、下がる部分を表現できます。

図1：30分の温度パターンを7区間に分ける

折れ線は実測温度ではなく目標値です。水平部分が保持区間になります。

待機や一時停止を入れない説明用パターンです。実際の処理条件を推奨する数値ではありません。

1. 20℃から50℃まで、5分かけて昇温する。
2. 50℃を5分間保持する。
3. 50℃から90℃まで、2分かけて昇温する。
4. 90℃を8分間保持する。
5. 90℃から60℃まで、2分かけて冷却する。
6. 60℃を5分間保持する。
7. 60℃から30℃まで、3分かけて冷却する。

設定値を連続的に上げ下げする区間をランプ、一定値で保つ区間をソークと呼びます。この例の所要時間は合計30分で、昇降温が12分、温度保持が18分という内訳です。

最初の50℃保持は、運転開始5分後から10分後までに相当します。次の90℃保持は12分後から20分後なので、終点の時刻と区間の長さを取り違えずに入力することが大切です。

昇温速度と途中の目標温度を計算する

直線のランプ区間では、終点と始点の温度差を区間時間で割ると目標の変化速度になります。温度と時間を入れる方式のほか、温度と勾配を指定する機種もあるため、入力欄の単位をそろえます。

第3区間では40℃上げる時間が2分なので、勾配は20℃/minです。第1区間より急な加熱を要求しています。装置がこの速度に追従できるかは、プログラムを登録する前の検討事項です。

第5区間の勾配は−15℃/min、第7区間は−10℃/minになります。負号は温度を下げる向きを表し、冷却能力が負という意味ではありません。温度差の1℃と1Kは同じ大きさとして計算できます。

設定値の線と実際の温度の線は違う

プログラムを設定しても、PVが折れ線と完全に重なるわけではありません。加熱された容器や材料に熱が伝わる時間がかかるため、実温度には遅れや、目標値を越えるオーバーシュートが生じます。

冷却中に目標温度より低くなる現象は、アンダーシュートと呼びます。こうした行き過ぎの大きさは負荷や制御調整で変わり、プログラム制御なら必ず波打つという性質ではありません。

図2：同じ最終温度でも、途中の経過は異なる

青は目標、赤は実温度の模式例です。右は90℃設定後、20分で30℃へ切り替える例です。

応答の形は模式図で、追従時間や行き過ぎ量の性能値を示していません。左の目標線の区間配分は図1に対応します。

比較として、最初から90℃を設定し、20分後に目標を30℃へ手動変更する場合を考えます。最高温度と最後の目標は同じでも、50℃や60℃に意図した保持区間がなく、途中の温度経過が変わります。

加熱出力を手動で一定にする操作と、定値制御の目標を手動変更する操作は異なります。後者では温度を保つ働きは自動のままで、運転員が変更するのは温度の目標です。

PID制御やシーケンス制御との関係

プログラム制御が決めるのは、主として「今の目標値」です。その目標に実温度を近づける部分では、PID制御などのフィードバック制御を組み合わせます。両者は置き換え合う方式ではありません。

図3：温度パターンの下で動く加熱・冷却ループ

プログラムがSPを送り、調節部はPVとのずれから加熱側・冷却側の操作量MVを決めます。

加熱・冷却出力を持つ構成の概念図です。電力調整器や弁の駆動部、電源配線、保護回路、冷却水の戻り配管は省略しています。

調節部は、測定値との差を見てヒーターの出力や制御弁の開度を変えます。温度計入力や出力形式は調節計の仕組みと設定に、信号の種類はDI/DO・AI/AOの違いにまとめています。

シーケンス制御は、工程の順番や条件に従って機器を動かす考え方です。例えば攪拌を始めてから昇温し、温度と時間の条件を満たしたら排出するなど、温度パターンと工程動作を組み合わせます。

実装には、専用のプログラム調節計やシーケンサを使えます。複数の工程やループを扱う設備では、DCSの分散制御も含め、操作画面や記録方法と一緒に構成を決めます。

プログラム制御を使う理由

プログラム制御を使う理由は、到達温度だけでなく、そこへ至る温度経過もそろえたいからです。昇温と保持を手順として記憶させることで、工程条件を共有し、設定の再現性を高められます。

材料の熱処理や化学工程では、急な加熱で表面と内部に温度差が生まれたり、反応の進み方が変わったりします。必要な昇温速度や保持時間は、材料と工程の試験結果に基づいて決める条件です。

製品の中心温度と槽内温度を分けて考える

槽内の空気が目標に達しても、その中の製品中心が同じ温度とは限りません。表面から内部へ熱が移るため、厚みや材質、投入量が変わると製品の温まり方にも違いが出ます。

図4：センサーが見る槽内と、製品中心を区別する

槽内の制御温度だけで、製品全体の温度履歴を代表させないことが要点です。

引出線は位置の説明で、製品中心からの制御信号ではありません。色・寸法比・温度分布・到達時間は模式表現です。

評価では、制御用センサーがどこを測り、品質上どの場所の温度を管理するかを整理します。必要に応じて製品側にも評価用センサーを設け、代表負荷で槽内と製品の温度履歴を同時に記録します。

測定誤差や応答の遅れも温度経過の読み方に影響します。温度計の種類と原理や保護管と温度応答を押さえると、パターン変更で直す問題と、測定側の問題を分けやすくなります。

環境試験でも、低温と高温を繰り返すパターン運転が使われます。公的試験機関の装置には、無試料での温度変化速度を示す例があり、仕様の速度を製品の中心温度の速度と読み替えないことが肝心です。

図1の数値も、一連の設定を理解するための例です。実際の材料では、許容温度や熱応力、反応条件に沿ってレシピを定め、設定の便利さと品質条件の妥当性を分けて評価します。

追従できないときはウェイトと能力を点検する

実温度が遅れたまま次の区間へ進むと、温度に達する前に保持時間の一部を消費します。この対策の一つがウェイトで、PVが設定範囲に入るまでプログラムの進行を待たせる機能です。

図5：保持の開始を遅らせるセグメント切替時ウェイト

切替点で到達を待つ方式の例です。PVが許容帯へ初めて入った位置で待機を解除し、次の保持区間を始めます。

ウェイトの判定位置・対象PV・許容帯・解除条件は機種で異なります。図は保持時間を短縮しない例で、製品中心温度での保持にはその温度を測る構成が必要です。

セグメント切替時に待機する機種と、区間内でも追従を監視する機種では動きが異なります。図5は前者の例で、プログラムの保持区間と、進行を止めるHOLD操作も使い分けます。

ウェイトを入れても、ヒーターや冷却装置の能力は増えません。待機が繰り返されるなら、出力が上限に張り付いているか、負荷が想定より大きいかを、SP・PV・MVの記録から切り分けます。

例えば、対象全体の熱容量を10kJ/Kと仮定すると、6K/minの昇温に必要な正味入熱は1kWです。20K/minなら約3.33kWとなり、速いランプほど大きな入熱を要求することが分かります。

装置の選定では、これに容器や治具を温める熱、外部へ逃げる熱などを含めます。ヒーターの定格と対象への正味入熱の違いは、正味電力と必要加熱能力の計算例でも扱っています。

冷却側は冷媒温度や流量、周囲温度にも左右され、加熱を止めただけでは指定した速度で下がらない場合があります。加熱・冷却弁を分担させる構成は、スプリット制御の考え方とつながります。

導入時は価格より必要な動作を整理する

プログラム調節計には、パターン数やイベント出力の異なる機種があります。購入費だけでなく、レシピ作成、試運転、変更管理にも作業が生じるため、必要な機能を先に一覧にします。

採用の判断軸は製品の価格ではなく、工程が温度履歴をどれだけ要求するかです。一定温度を保つだけなら定値制御で足りる一方、複数の保持点や繰返し条件がある工程ではプログラム化の利点が大きくなります。

仕様書には、パターンの保存数だけでなく、開始条件と終了後の状態も含めます。最後の温度を保つのか、出力を停止するのかで設備の振る舞いが変わり、終了信号と停止操作も別の項目です。

確認する場面	仕様に残す内容	試運転で見る記録
開始	開始温度、PVスタートの有無、許可信号	開始直後のSPとPV
区間切替	時間単位、勾配、ウェイト条件	切替時刻、待機の発生
保持	管理温度の測定位置と保持の起点	PVと製品評価温度
終了	出力・最終SP・終了接点の状態	終了後のMVと機器動作
異常・停電	安全状態と復旧後の再開手順	停止原因と復帰動作

停電復帰時の動作には、継続・手動・リセットなどを選べる機種もあります。機器の復帰設定と設備の再開手順をそろえ、安全条件を満たした状態から再始動する設計にします。

温度パターンの正常な終了と、安全に機器を止める保護機能は分けて設計します。過昇温などで危険が生じる設備では、通常の調節機能に依存しない保護回路や温度制限器を設備の要求に合わせて設けます。

試運転では、同じパターンでも空の状態と代表負荷で応答が変わる点を見ます。負荷量や初期温度を記録と結び付けると、温度経過の差が設定ミスによるものか、負荷条件によるものかを追いやすくなります。

複数のレシピを保存する設備では、名称だけでなく改訂番号もそろえます。設定を変更した理由と承認した条件を残し、運転記録に使用パターンを対応させると、再現試験や不良調査の手掛かりになります。

プログラム制御のよくある質問

プログラム制御とフィードバック制御は何が違う？

プログラム制御は、時間に沿って目標を変える運転の仕方です。フィードバック制御は、測定値を戻して目標との差を小さくする仕組みなので、一つの温度制御装置の中で両方を組み合わせられます。

プログラム制御はオンオフ制御でも使える？

目標値を変える機能と、出力をオンオフする方法は別に考えられます。ただし追従の細かさは装置と制御方法に左右されるので、二位置制御の動きを踏まえて必要な温度精度を検討します。

ソークとHOLDは同じ意味？

ソークはパターンに組み込んだ一定温度の保持区間で、設定時間が進みます。HOLDはプログラムの進行を一時停止する操作を指し、その間も温度調節を続けるなどの具体動作は機種の仕様で決まります。

ウェイトを入れれば製品の保持時間を保証できる？

ウェイトが監視する温度と、品質で管理したい温度が一致するかが要点です。槽内PVだけで判定する構成では、製品中心の到達時刻まで把握できないため、製品の温度履歴を別途評価します。

温度以外の制御にも使える？

入力と出力を対応させれば、圧力や流量の目標を時間で変える構成にも使えます。流量制御の流量目標を変える方法と、二つの流量の関係を決める比率制御は、管理する条件が異なります。

まとめ

プログラム制御を使うと、到達温度だけでなく、途中の温度経過まで工程条件として扱えます。追従性を改善する方法は、目標パターンの見直しと、カスケード制御による外乱対策のように制御構成を変える方法に分けて考えられます。

出典

出典・参考資料（9件）を開く出典・参考資料を閉じる

• ランプ・ソークの定義：理化工業「プログラム調節計」
• プログラム設定・運転状態・安全回路：横河電機「UP55A 単ループ制御オペレーションガイド」
• PVスタート・切替時ウェイト：横河電機「UP150 ユーザーズマニュアル」
• 停電復帰・加熱冷却出力・温度以外の調節：横河電機「UP55A ユーザーズマニュアル」
• 繰返し・勾配運転の使用例：千葉県「主要設備（プログラム低温恒温器）」
• 試験装置の無試料性能と用途：山梨県「超低温恒温恒湿槽」
• 空気温度と試料温度の制御：エスペック「急速温度変化チャンバー」
• 目標追従と工程順序の区分：三菱電機「計装システムの制御」
• 昇温に必要な電力の計算：助川電気工業「シースヒーター」参考資料