JP2013210024A - 送液装置、送液装置の出力量予測方法、および送液装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液状体の状態が変化しても正確に出力口から出力される出力量を予測する。
【解決手段】
貯蔵部に貯蔵された液状物をモータ駆動により送液配管に送液する送液ステップと、送液配管から供給された液状物を、出力配管を通して出力部から出力する出力ステップと、送液配管から供給された液状物を、循環配管を通して貯蔵部へ回収する循環ステップと、送液配管から出力配管または循環配管に、液状物の流路を切り替える切替ステップと、送液配管における液状物の送液量を計測する計測ステップと、送液部における流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出するトルク変化量算出ステップと、流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量と、計測ステップにおける送液配管の液状物の送液量の平均値と、とを利用して出力部からの液状物の出力量を予測する予測ステップとを有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、食品工業、医薬、化学工業、電子機器製造等における、液状物の送液装置の制御方法に関するものである。

食品工業などの製造分野で様々な液状物が使用されている。これら液状物を用いた製品の品質を安定させるためには、液状物の高精度な送液量制御が求められている。そのため、液状物の送液量の高精度な測定や予測が重要になっている。

しかし、液状物の特性が変動してしまう場合や、送液装置の各部において液状物の詰まりが発生してしまう場合には、液状物の出力量の測定精度を得ることは難しい。特に、配管内での液状物の詰まりは発生頻度が非常に高い。

このような問題を解消する方法として、実際の出力量に対して、出力口の圧力および配管内の送液量との相関関係より液状物の出力量を予測する方法が知られている。

例えば特許文献１では、図６に示すように、出力口６の管内圧力を計測し、管内圧力が事前に設定した圧力値となるように液状物の送液量を制御することで出力量を一定に保つ方法が提案されている。

特許文献２では、図７に示すように、切替部５と出力口６の間の出力配管７に、出力配管７内の送液量を計測する計測部４を設け、計測部４より得られる送液量の積算値により出力量を測定する方法が提案されている。

特開２００５−２８８３８７号公報 特開２０１１−２４０２８１号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、出力する液状物の粘性が変化した場合、正確に出力量を予測する事ができない。なぜなら、液状物の粘性が変化してしまうと液状物の流れ方が変化してしまい、同じ圧力であっても出力量は変化してしまうためである。

特許文献２記載の方法では、切替部５による
配管の切り替え時において、出力配管７での送液量の変動が大きすぎるため、送液量を正確に計測する事ができない。(図８参照)しかも、出力と循環の周期が高速で切り替わる場合においては、計測誤差が累積してしまうために、送液量の計測は、一定時間内の平均値を算出するなどして、誤差を軽減させる処理が必要になる。

ところが、出力配管７や循環配管８が何らかの理由により流れ方が変化してしまった場合、一定時間の平均値ではその変化を捉えることができない。

図３、４は、液状物の循環状態と出力状態とを切り替える選択出力パターンに伴う、出力配管における管内圧力（出力圧力）と循環配管における管内圧力（循環圧力）の推移と、計測部４を通過する実流量の推移、および計測部４で計測される流量値の平均値の推移を示す。

図３は詰まりのない正常時の状態を示す。図３では切替部５の開閉に従い出力圧力と循環圧力が交互に上昇下降を繰り返す。切替部５の切り替え動作に従って、計測部４の実流量も循環配管８と出力配管７の圧力損失の違いにより若干の変化を見せる。

ここで、循環配管８に詰まりが発生した場合、図４のように循環圧力が大きく上昇する。その後、切替部５により循環から出力に切り替えられた時、圧力が上昇した状態で液状物が出力配管７側へ流れ込むため、出力圧力も上昇する。それに伴い計測部４を流れる実流量は切替部５により出力配管７側から循環配管８側に切替えられた直後は大幅に下降し、切替部５により循環配管８側から出力配管７側に切替えられた直後は大幅に上昇する。ところが計測部４の流量は一定時間の平均値で測定しているため、この変化を測定することができない。

上記課題を解決するために、本発明の送液装置は、液状物を貯蔵する貯蔵部と、液状物をモータ駆動により貯蔵部外に送液する送液部と、貯蔵部から送液された液状物の流路となる送液配管と、送液配管における液状物の送液量を計測する計測部と送液配管から供給された液状物を出力する出力部と送液配管から出力部に供給される液状物の流路となる出力配管と送液配管から貯蔵部へ回収される液状物の流路となる循環配管と、送液配管が、出力配管、循環配管に分岐する分岐点にあり、送液配管から出力配管または循環配管に流路が連通するよう、液状物の流路を切り替える切替部と、送液部および切替部を制御する制御部を有し、制御部は、切替部による切替動作における送液部のモータのトルク変化量と、計測部により計測された送液量の平均値とを利用して出力部からの液状物の出力量を予測することを特徴とする。

さらに、本発明の出力量予測方法は、貯蔵部に貯蔵された液状物をモータ駆動により送液配管に送液する送液ステップと、送液配管から供給された液状物を、出力配管を通して出力部から出力する出力ステップと、送液配管から供給された液状物を、循環配管を通して貯蔵部へ回収する循環ステップと、送液配管から出力配管または循環配管に、液状物の流路を切り替える切替ステップと、送液配管における液状物の送液量を計測する計測ステップと、送液部における流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出するトルク変化量算出ステップと、流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量と、計測ステップにおける送液配管の液状物の送液量の平均値と、とを利用して出力部からの液状物の出力量を予測する予測ステップとを有する。

さらに、本発明の送液装置の制御方法は、貯蔵部に貯蔵された液状物をモータ駆動により送液配管に送液する送液ステップと、送液配管から供給された液状物を、出力配管を通して出力部から出力する出力ステップと、送液配管から供給された液状物を、循環配管を通して貯蔵部へ回収する循環ステップと、送液配管から出力配管または循環配管に、液状物の流路を切り替える切替ステップと、送液配管における液状物の送液量を計測する計測ステップと、送液部における流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出するトルク変化量算出ステップと、流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量と、計測ステップにおける送液配管の液状物の送液量の平均値と、とを利用して出力部からの液状物の出力量を予測する予測ステップと、予測した出力部からの出力量の変動量を算出し、出力量の変動量を打ち消すよう送液部を制御する制御ステップを有する。

本発明では液状体の状態が変化しても正確に出力口から出力される出力量を予測することが可能になる。

本発明の実施の形態における送液装置の構成図である。 本発明の実施の形態における制御部の構成図である。 切替部の切替タイミング時での管内圧力と送液配管の流量の関係を表した図である。 管内の流れが変化した場合の、切替部の切替タイミング時での管内圧力および送液配管の流量、送液トルクの関係を表した図である。 本発明の実施の形態における送液量制御方法のフローチャートを示す。 従来の送液装置の構成図である。 従来の送液装置の構成図である。 図７の出力配管の送液量変動を表した図である。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施の形態に係る送液装置の構成を示す概略図である。

送液装置１は、液状物を貯蔵する貯蔵部２と、貯蔵部２から液状物を送液する送液部３と、送液量を計測する計測部４と、供給された液状物が通る管状部材(送液配管１０、出力配管７、循環配管８)と、液状物を出力する出力口６と、送液経路を切り替える切替部５と、送液部３および切替部５を制御する制御部９を備えている。

貯蔵部２は、一方端が貯蔵部２から供給された液状物を送液配管１０に送液する送液部３に、他方端が送液配管１０からの液状物を貯蔵部２に回収する循環配管８に接続している。

送液部３はモータ駆動により貯蔵部２から吸引した液状物を送液配管１０に連続的に送出する。送液部３では、モータの回転数が設定された値と常に同じになるようにフィードバック制御を行なっている。そのため、液状物の粘性や圧力が変化した場合、モータの回転負荷が変化するので送液部３のモータの回転トルク（送液トルク）は変化する。送液部３は、送液トルク値を計測し制御部９に入力する。

計測部４は送液配管１０に設置された、例えば流量計等であり、送液配管１０での送液量を計測し、その測定結果を制御部９に入力する。制御部９は計測部４から得られる送液量と、送液部３から得られる送液トルクの変化量から、出力口６から出力される液状物の出力量を予測し、出力量が一定となるように送液部３を制御する。

送液配管１０は、送液配管１０から出力口６に供給される液状物の流路となる出力配管７および、送液配管１０から貯蔵部２に液状物を回収する液状物の流路となる循環配管８と切替部５を介して連通している。切替部５は、出力配管７と循環配管８とのどちらか一方が送液配管１０に連通するように流路を切り替える。

液状物を出力口６から出力するとき、切替部５は送液配管１０から出力配管７に流路をつなげ出力経路を形成し、貯蔵部２の液状物を送液配管１０から出力配管７を経由して出力口６に出力する。液状物を出力しないとき、切替部５は送液配管１０から循環配管８に流路をつなげ循環経路を形成し、貯蔵部２の液状物を送液配管１０から循環配管８を経由して貯蔵部２に戻し液状物を循環させ続ける。

切替部５は、例えば、出力配管７及び循環配管８のそれぞれに設置された流路を開閉するバルブからなり、これらのバルブを開閉することによって、流路を循環状態か、出力状態かに切り替える。切替部５の切替動作は、運転中は制御部９のタイマー等により所望のタイミングで行う。なお、循環配管８の一部または全部の径は、出力配管７より小さい。

制御部９は送液部３と電気的に接続し、送液部３の動作を制御する。制御部９が設定した値（回転数など）は送液部３に送信され、送液部３の出力回転数に設定される。その入力値が送液部３の出力回転数となり、回転数に応じた量の液状物が送液部３によって汲み上げられることとなる。

また、制御部９は、切替部５と電気的に接続され、切替部５を制御する。制御部９は、切替部５による出力経路と循環経路との切り替えのタイミングを設定し、タイマー等により設定したタイミングに応じて切替部５を制御する。

また、制御部９は、計測部４と電気的に接続され、計測部４が算出した液状物の流量を取得して記憶する。

次に制御部９の構成を図２に基づいて詳細に説明する。制御部９は、送液量の現在値、送液トルク現在値、切替タイミング前後の送液トルクの変化量等を、送液部３の制御パラメータとして使用する。これらを検出するために、制御部９は、流量取得部９１と、送液トルク検出部９２と、切替動作検出部９３と、比較部９４と、監視部９５と、送液制御部９７とを備えている。また、作業者により所望の出力量を予め設定入力するための入力部９８を備えている。

流量取得部９１は、計測部４で計測した送液量の現在値を取得する。送液トルク検出部９２は、送液部３の送液トルク現在値を検出する。切替動作検出部９３は、切替部５の切替タイミングを取得する。比較部９４は、切替動作検出部９３で検出した切替タイミング前後の送液トルク検出部９２データの変化量を算出する。監視部９５は、比較部９４のデータとメモリ９９に保存されている過去のデータまたは予め与えた設定値との変化量を比較する。

これらのセンサからの計測値は出力量算出部９６に入力される。出力量算出部９６は、送液量現在値と比較部９４の変化量から出力部６から出力される液状物の出力量の予測値を算出する。送液制御部９７は、出力量の予測値が目標出力量となるように送液部３を制御する。

次に、送液装置１の送液動作について説明する。

まず、作業者が制御部９に送液部３の所望の値(モータ回転数、周波数等)を制御部のキーボード等の入力部により入力する。制御部９は、プログラム等で定義している出力パターンになるよう、切替部の切替タイミングを設定する。制御部９は、モータに駆動電圧を印加して送液部３のモータを回転駆動させる。これにより、モータは回転を開始し、貯蔵部２から供給された液状物を送液配管１０に送液する。

起動開始直後は、切替部５は送液配管１０を循環配管８側に連通するように設定しているので、液状物は貯蔵部２への循環を開始する。所定時間が経過するまで、制御部９は、循環状態で一定流量の送液を維持する送液部３のフィードバック制御を実行する。

始めに設定した切替タイミングに基づき、制御部９は、切替部５に切替動作を実行させる。この結果、最初に設定したタイミングで出力口６への液状物の出力と貯蔵部２への循環が交互に行われる。

終わりに、送液を続行するか否かを判定し、送液終了と判断した場合は、切替部５を循環配管８へと切り替えて、送液部３の駆動を停止する。送液を続行すると判定した場合は、送液終了と判断されるまで上記工程を繰り返す。

次に切替部５の動作制御に関して、図３を用いて、さらに詳しく説明する。

図３は、切替部５の切替動作における出力配管７における管内圧力（出力圧力）と、循環配管８における管内圧力（循環圧力）と、送液配管１０の液状物の送液量の変化を示す。

図３に示す様に、切替部５が循環経路を形成する時の循環配管８における管内圧力は、切替部５が出力経路を形成する時の出力配管７における管内圧力に比べ若干高くなるよう設定している。よって、切替部５が循環状態から出力状態に切り替わった瞬間に、出力配管７の圧力が瞬時に上がる。このため出力直後から所定量以上の液状物を出力できる。
このような圧力調整の動作は、送出する液体の粘度等の運転条件で異なるため、切替部５の切替タイミングを調整したり、送液トルクを利用する。また、循環配管８の内径の一部または全部を出力配管７の内径よりも小さく設定している。

循環と出力の繰り返し動作においては、切替部５により出力状態から循環状態に切り替わった時は、出力圧力に比べ循環圧力が高いため、送液配管１０の流量は一時的に減少する。また、切替部５により循環状態から出力状態に切り替わった時は、循環圧力に比べ出力圧力は低いため、送液配管１０の流量は一時的に増加する。

ただし、これらの流量変化は、応答性の問題から計測部４では精度良く計測する事が難しい。このため、流量は平均値を用いる。平均値は、切替部５が出力配管７側に切替わる出力中の時間での送液量現在値の平均もしくは、切替部５の切り替わり周期の１回分の送液量現在値の平均もしくは、切替部５の切り替わり周期の数周期分の送液量現在値の平均を用いる。

循環配管８の状態が正常な場合と流れが滞った場合との状況における、計測部４の実流量と、計測される流量平均値と、送液部３の送液トルクの関係を図４に示す。

前述のとおり、循環と出力の繰り返し切替動作において、計測部４で流れる実流量は変動する。これは循環圧力と出力圧力が異なるためであるが、この時、送液部３の送液トルクは変動した流量を元に戻すために変動する。

循環配管８での流れが滞った時の送液部３の送液トルクの変化について、図４により説明する。

循環配管８の流れが滞る場合には、循環圧力が初期設定値より更に高くなる。送液部３は一定量を送液し続けるようフィードバック制御されているので、循環圧力が高くなると送液部３での圧力も増加し、モータに負荷がかかり送液トルクは急激に上昇する。

その後、切替部５が循環配管８側から出力配管７側へ切り替わると、上昇した循環圧力の影響により出力圧力も上昇し、その結果、所定量以上の出力量が出力口６から出力されてしまう。

ところが、この時の計測部４で計測される流量平均値は、大きく変動はせずに正常時と変わらない。従って、計測部４の流量平均値だけでは循環配管８の流れが滞ったことが分からない。

また同様に、循環配管８内の流れが流れ易くなる場合には、循環圧力の上昇が小さくなる。循環圧力に変化がなくなると送液部にもあまり影響が出ないので、送液部３の送液トルクの変化量も小さくなる。

その後、切替部５が出力配管７側へ切り替わっても、循環圧力の上昇が小さいため、出力配管７の圧力が上昇せず、所定量の出力量が出力口６から出力されなくなる。

この場合においても計測部４で計測される流量平均値は、大きく変動はせずに正常時と変わらない。従って、計測部４の流量平均値だけでは循環配管８の流れが滞ったことが分からない。

そこで、送液部３の送液トルクの変動に注目すると、図４の様に送液部３は流量の変動を元に戻す動きをするため流量の変動に比例して大きくなる。したがって、計測部４の流量平均値に加え送液部３の送液トルクの変動を考慮することにより正確に出力口６から出力される液状物の総液量の予測値を算出することが可能となる。

送液トルクの変化量は、例えば、送液トルクの最大値と最小値の差分で求められる。出力口６より出力される液状物の量である出力量と、前記送液平均値および送液トルク変化量の関係式から前記出力量の予測値を算出する。

関係式は、MFOutを出力量の予測値、MFAveを送液量平均値、Tp-pを送液トルク変化量、α1、α2を係数、βをオフセットとすると、例えば式１などで表す事ができ、多変量解析などを用いて求められる。
MFOut = α1・MFAve + α2・Tp-p + β（式１）
次に、前述の動作により配管の状態の監視および出力口６からの出力量を制御する制御部９の動作について図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップ１では、目標とする出力量を設定する。作業者が制御部９に所望の値を入力する。

ステップ２では、制御部９は、計測部４で測定された送液量現在値を流量取得部９１により取得する。また送液部３の送液トルク値の変化量を送液トルク検出部９２により取得する。また、切替部５の切替動作タイミングを切替部動作検出部９３により取得する。

ステップ３では、ステップ２で取得したデータを用いて比較部９４により切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出する。算出結果を監視部９５により前回の切替時またはそれ以前のデータまたはデータ平均値または予め設定した値と比べ、配管の異常有無を判別する。

ステップ４では、式１で示した出力口６から出力される液状物の出力量の予測値を算出する。

ステップ５では、ステップ４で算出した出力量の予測値と目標出力量の差を打ち消すような送液部３の指示値（モータの回転数など）を算出する。指示値は例えばPID演算などの制御演算により求める。ステップ５では、ステップ４で求めた送液部指示値を送液部３の設定値として再設定する。

ステップ６では、送液を続行するか否かを判断する。送液終了と判断された場合は、ステップ７へ移行する。このステップ６で送液を続行すると判定された場合は、ステップ２へ移行する。送液終了と判断されるまで、上記工程を繰り返す。

ステップ７では、制御部９は送液部３の駆動を停止し、送液装置１の送液動作を終了する。

以上、本発明の送液装置の制御方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、実施例に記載した構成を適宜組み合わせるなど、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。

本発明の本発明の送液装置の制御方法は、送液トルクによる監視を行うことにより、フィードバックにおいて簡単な制御で送液量の制御を実施するという特性を有していることから、例えば、食品工業、医薬、化学工業、電子機器製造等の液体定量送り装置の用途に好適に用いることができる。

1 送液装置
2 貯蔵部
3 送液部
4 計測部
5 切替部
51 切替器
52 切替器
6 出力口
7 出力配管
8 循環配管
9 制御部
91 流量取得部
92 送液トルク検出部
93 切替動作検出部
94 比較部
95 監視部
96 出力量算出部
97 送液制御部
10 送液配管

Claims (8)

1. 液状物を貯蔵する貯蔵部と、
   前記液状物をモータ駆動により前記貯蔵部外に送液する送液部と、
   前記貯蔵部から送液された前記液状物の流路となる送液配管と、
   前記送液配管における前記液状物の送液量を計測する計測部と
   前記送液配管から供給された前記液状物を出力する出力部と
   前記送液配管から前記出力部に供給される前記液状物の流路となる出力配管と
   前記送液配管から前記貯蔵部へ回収される前記液状物の流路となる循環配管と、
   前記送液配管が、前記出力配管、前記循環配管に分岐する分岐点にあり、
   前記送液配管から前記出力配管または前記循環配管に流路が連通するよう、前記液状物の流路を切り替える切替部と、
   前記送液部および前記切替部を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記切替部による切替動作における前記送液部のモータのトルク変化量と、前記計測部により計測された送液量の平均値とを利用して前記出力部からの前記液状物の出力量を予測することを特徴とする送液装置。
2. 請求項１記載の送液装置であって、
   前記制御部は、さらに切替動作における前記送液トルクの変化量の増減により、前記循環配管の配管抵抗の状態を検出する送液装置。
3. 請求項１または2記載の送液装置であって、
   前記制御部は、さらに切替動作における前記送液トルクの変化量が設定値以上の場合に前記循環配管の詰まりを検出する送液装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の送液装置であって、
   前記制御部は、さらに予測した前記出力部からの出力量の変動量を算出し、前記出力量の変動量を打ち消すよう送液部を制御する送液装置。
5. 貯蔵部に貯蔵された液状物をモータ駆動により送液配管に送液する送液ステップと、
   前記送液配管から供給された前記液状物を、出力配管を通して出力部から出力する出力ステップと、
   前記送液配管から供給された前記液状物を、循環配管を通して前記貯蔵部へ回収する循環ステップと、
   前記送液配管から前記出力配管または前記循環配管に、前記液状物の流路を切り替える切替ステップと、
   前記送液配管における前記液状物の送液量を計測する計測ステップと、
   前記送液部における流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出するトルク変化量算出ステップと、
   流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量と、計測ステップにおける送液配管の前記液状物の送液量の平均値と、とを利用して前記出力部からの前記液状物の出力量を予測する予測ステップとを有することを特徴とする送液装置の出力量予測方法。
6. 請求項５記載の送液装置の出力量予測方法であって、
   さらに切替動作における前記送液トルクの変化量の増減により、前記循環配管の配管抵抗の状態を検出する判別ステップを有することを特徴とする送液装置の出力量予測方法。
7. 請求項５または6記載の送液装置の出力量予測方法であって、
   さらに切替動作における前記送液トルクの変化量が設定値以上の場合に前記循環配管の詰まりを検出する検出ステップを有することを特徴とする送液装置の出力量予測方法。
8. 貯蔵部に貯蔵された液状物をモータ駆動により送液配管に送液する送液ステップと、
   前記送液配管から供給された前記液状物を、出力配管を通して出力部から出力する出力ステップと、
   前記送液配管から供給された前記液状物を、循環配管を通して前記貯蔵部へ回収する循環ステップと、
   前記送液配管から前記出力配管または前記循環配管に、前記液状物の流路を切り替える切替ステップと、
   前記送液配管における前記液状物の送液量を計測する計測ステップと、
   前記送液部における流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量を算出するトルク変化量算出ステップと、
   流路切替タイミング前後の送液トルク値の変化量と、計測ステップにおける送液配管の前記液状物の送液量の平均値と、とを利用して前記出力部からの前記液状物の出力量を予測する予測ステップと、
   予測した前記出力部からの出力量の変動量を算出し、前記出力量の変動量を打ち消すよう送液部を制御する制御ステップを有する送液装置の制御方法。

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