JP3794574B2 - 調節計 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は調節計に係り、特に、押出成形機や射出成形機に配置された複数のヒータを交流電源によって時分割制御方式で多チャネル制御する構成に使用して好適する調節計の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、プラスチックパイプ等の長尺物やプラスチックシート等の積層物を押出成形する押出成形機1は、図5に示すように、図示しない成形機台に乗せられたシリンダー3と、この内部に配置したスクリュー5と、シリンダー3に配置されプラスチック原料を供給するホッパ7と、シリンダー3の外周に配置された複数のヒータH1、H2、H3や温度測定センサS1、S2、S3と、そのスクリュー5を回転駆動する押出用モータ9とを有する構成が一般的である。
【0003】
このような押出成形機1では、スクリュー5の軸方向を例えば3個のゾーンZ1、Z2、Z3に分割し、それら複数のヒータH1〜H3が各ゾーンZ1〜Z3に対応させてシリンダー3に配置されているとき、センサS1〜S3からの測定値PVと予め設定された設定値SVに基づき調節計AでPID演算された操作量MV(負荷率)に応じたPWM信号PWM1、PWM2、PWM3を操作器CL1、CL2、CL3へ出力し、ヒータH1〜H3に加えた交流電源をその操作器CL1〜CL3で時分割制御し、ヒータH1〜H3が加熱制御される。
【0004】
図5中の符号11は商用交流電源から交流電力を供給するトランスであり、符号13はトランス11からヒータH1〜H3や押出用モータ9へ交流電力を供給するとともに供給電流が許容電流を越えたとき、交流電力の供給を遮断するブレーカである。
【0005】
このような押出成形機1では、起動時、図6に示すように、調節計Aからの負荷率100%の操作量MVで全てのヒータH1〜H3を加熱するとともに、ホッパ7からプラスチック原料をシリンダー3内に供給して溶融させ、シリンダー3が昇温完了してから押出用モータ9でスクリュー5を回転駆動させ、溶融プラスチックをシリンダー3の先端ダイス(図示せず)から成形品として押出し、やはり図示を省略した引取りローラなどによって引き取らせて製品化する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の調節計Aでは、図6のようにシリンダー3の昇温が完了した後、例えば負荷率が20%程度に低下した場合、それに応じたPWM信号PWM1〜3で各ヒータH1〜H3が加熱制御されるものの、各PWM信号PWM1〜3が互いに関連なく出力されていたから、図7に示すように、全てのPWM信号PWM1〜3のオン期間が重なる期間tが発生し易い。
【0007】
そのため、昇温完了後に、大きな電力を必要とする押出用モータ9のインターロックが解除されてそれが回転駆動している状況下で、一時的に全てのヒータH1〜H3にヒータ電流が流れると、ブレーカ13を流れるピーク電流が許容値を越え、ブレーカ13が落ちてヒータH1〜H3への交流電力の供給が遮断される事態が発生し、成形中の製品全体が不良品化するおそれがある。
【0008】
また、ピーク電流が大きくなることを予想して電源系統の配線を太くする必要があり、製造コストのアップを招き易い。
【0009】
さらに、商用交流電力は、その消費量の増大に従い、基本料金が段階的に高額となる体系となっているから、ランニングコストを抑える観点から、ヒータH1〜H3に流れるヒータ電流の合計がブレーカ13の許容範囲内にあったとしても、消費電力を低く抑えることが好ましい。
【0010】
ところで、押出成形機1に配置した複数のヒータH1〜H3を加熱制御する手法として、一般的に、図8に示すように、交流電源を任意の位相角で切換え通電することによって交流電力制御を行なう位相制御方式、図9に示すように、一定周期中(図9では2秒間)のオン時間とオフ時間の割合を変化させて交流電力制御を行なう時間比例オンオフ制御方式、上述した図5の構成および図10に示すように、制御周期がなく交流電源電圧の零電位付近でオン時間とオフ時間を交互に頻繁に繰返す時分割制御方式がある。
【0011】
そして、位相制御方式では交流電源電圧の位相を変化させるものであるし、時間比例オンオフ制御方式では制御周期が決まっているから、複数のヒータH1〜H3が一度にすべて加熱制御されないように位相やオンオフ時間を簡単に変化させることが可能である反面、時分割制御方式では制御周期が一定ではないのでオンオフ時間をずらせることが困難で、改善が望まれていた。
【0012】
そこで、本発明者は、例えば押出成形機1のゾーンZ1〜Z3に対応させて配置されたヒータH1〜H3の加熱制御について鋭意観察及び検討を重ねた結果、各ゾーンZ1〜Z3が複数のヒータから形成される点に着目して本発明を完成させた。
【0013】
本発明はそのような状況の下になされたもので、時分割制御方式において、制御対象に設けた複数の制御部への駆動電流の合計値を低く抑えることが可能で、製造コストや電力料金を低く抑えることが可能な調節計の提供を目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、制御対象に配置された複数の制御部からの測定値と設定値との偏差が小さくなるような操作量を演算する演算部と、複数のそれら制御部を複数のゾーンに分割するとともに個々のそれらゾーン内の複数の制御部に対し、その操作量の負荷率に基づき時分割制御方式の操作信号を出力し、各ゾーンの制御部へ供給される駆動電流を操作する操作信号出力部とを具備しており、この操作信号出力部には、各ゾーンから選択された異なる制御部をn個にグループ化してn個のチャネルとしたとき、所定の単位期間内において一部のチャネルへのその操作信号の出力を禁止する機能を有する。
【0015】
そして、本発明は、上記操作信号出力部について、その単位期間内において同時に操作信号の出力されるチャネル数をm個とするとき、(m/n)×100%の値が上記負荷率に最も近くなるようその個数mを設定することが可能である。
【0016】
また、本発明は、上記操作信号出力部について、その負荷率が所定値以下に低下したとき、一部のチャネルへのその操作信号の出力を禁止するよう切り換え機能を設けることが可能である。
【0017】
さらに、本発明は、上記操作信号出力部について、その測定値が所定値に達したとき、一部のチャネルへのその操作信号の出力を禁止するよう切り換え機能を設けることも可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の調節計Aに係る実施の形態を示すブロック図である。
【0019】
図1において、演算部15は、例えば上述した図5に示すように、制御対象としての押出成形機1のシリンダー3の外周に配置されたヒータH1〜H3付近のシリンダー温度を測定する温度測定センサS1〜S3からの測定値PVと、予め設定された設定値SVとの偏差が小さくなるような操作量MVをPID、PI又はPD演算し、その操作量MVを負荷率にして出力するものであり、制御信号出力部17に接続されている。
【0020】
押出成形機1では、上述した図5に示すように、制御部としての複数のヒータH1〜H3が各ゾーンZ1〜Z3毎に対応させてシリンダー3に配置され、それらセンサS1〜S3が各ゾーンZ1〜Z3の温度測定値PVを出力するが、便宜上、図では1本の実線で示されている。
【0021】
また、本発明において、図5の押出成形機1における各ゾーンZ1〜Z3は、図1に示すように、第1のゾーンZ1としてヒータH11、H12、H13が、第2のゾーンZ2としてヒータH21、H22、H23が、第3のゾーンZ3としてヒータH31、H32、H33が対応する。
【0022】
操作信号出力部17は、操作量MVに基づきPWM信号(時間比例信号)を操作信号として出力する機能を有し、操作器CL11、CL12、CL13、CL21、CL22、CL23、CL31、CL32、CL33に接続され、本発明の調節計Aが構成されている。
【0023】
なお、操作信号出力部17は、操作信号として上述した図10のような時分割制御用の操作信号を出力するが、詳細な機能は後述する。
【0024】
操作器CL11〜CL33は、上述した第1〜第3のゾーンZ1〜Z3のヒータH11〜H33に対応して配置され、図5のブレーカ13を介して供給された商用交流電源ACを個々のヒータH11〜H33に供給するとともに、操作信号出力部17からの操作信号によってヒータH11〜H33への交流電源ACの供給を時分割オンオフ制御するものである。
【0025】
操作信号出力部17は、例えば、第1〜第3のゾーンZ1〜Z3のヒータH11、H21、H31をチャネルCH1とし、第1〜第3のゾーンZ1〜Z3のヒータH12、H22、H32をチャネルCH2とし、第1〜第3のゾーンZ1〜Z3のヒータH13、H23、H33をチャネルCH3とし、図2のように交流電源ACの半周期を単位期間sとしたとき、全てのチャネルCH1〜CH3のヒータH11〜H33に対して負荷率に応じて交流電源ACを供給する一方、負荷率に最も近似する値となるよう、操作器CL11〜CL33を制御し、何れかのチャネルCH1〜CH3のヒータH11、H21、H31か、H12、H22、H32か、H13、H23、H33への交流電源ACの供給を禁止する機能を有している。
【0026】
すなわち、演算部15から出力される負荷率が66.6%の場合、図2に示すように、第1のチャネルCH1から第2、第3のチャネルCH2、CH3の順で単位期間s毎に操作信号の出力を禁止し、負荷率が33.3%の場合、図3に示すように、第2、第3のチャネルCH2、CH3から第1、第3のチャネルCH1、CH3、第1、第2のチャネルCH1、CH2の順で出力を禁止する機能を有する。
【0027】
負荷率66.60%や33.3%以外の負荷率に対しては、最も近くなるようにチャネルCH1〜CH3のいずれかのヒータH11〜H33への交流電源ACの供給を禁止するようになっている。
【0028】
操作信号出力部17は、図1に示すように、操作器CL11〜CL33へ供給される交流電源ACが入力されており、その交流電源ACのゼロクロス(位相の変更点)付近を検出する機能を有し、ゼロクロス点の間、すなわち上述した交流電源ACの半周期を単位期間sとして操作量の出力を禁止するようになっている。
【0029】
なお、操作信号出力部17において禁止するチャネルCH1〜CH3の組合せや順序は、外部から設定可能にしても良いし、負荷率に基づき予め設けられた順序で自動演算設定するよう構成可能である。
【0030】
次に、本発明に係る調節計Aの動作を簡単に説明する。
図1において、演算部15は、測定値PVと設定値SVとの偏差が小さくなるような操作量MVを負荷率として演算し、操作出力部17へ出力する。
【0031】
操作信号出力部17は、例えば負荷率が66.6%の場合、操作器CL11〜CL33に対して、図2に示すように、ある単位期間s(図2中左端)では、第2、第3のチャネルCH2、CH3のヒータH12、H22、H32、H13、H23、H33への交流電源ACの出力を許可するとともに第1のチャネルCH1のヒータH11、H21、H31への出力を禁止する。
【0032】
次の単位期間sでは、第1、第3のチャネルCH1、CH3のヒータH11、H21、H31、H13、H23、H33への出力を許可するとともに第2のチャネルCH2のヒータH12、H22、H32への出力を禁止される。
【0033】
さらに、次の単位期間sでは、第1、第2のチャネルCH1、CH2のヒータH11、H21、H31、H12、H22、H32への出力を許可するとともに第3のチャネルCH3のヒータH13、H23、H33への出力を禁止し、その後これを繰り返される。
【0034】
その結果、操作器CL11〜CL33により、第1〜第3のチャネルCH1〜CH3毎に対応するヒータH11〜H33への交流電源ACの供給が切り換えられ、ヒータH11〜H33が負荷率に応じて時分割制御方式で加熱される。
【0035】
図1の構成では、各ゾーンZ1〜Z3において複数のヒータH11〜H33を3チャネルCH1〜CH3に分けたが、2チャネル以上のnチャネルに分ける場合、同時に操作信号の出力されるチャネル数をm個とするとき、(m/n)×100%の値が負荷率に最も近くなるよう、その個数mを設定すれば良い。
【0036】
例えば、図4に示すように、第1〜第3のゾーンZ1〜Z3のヒータH11〜H33を選択して2個のグループ(第1、第2のチャネル)を形成し、2チャネルについて交互に操作量の出力を禁止する構成も可能である。この場合、50%前後の負荷率で制御することになる。
【0037】
このように本発明の調節計は、押出成形機1のシリンダー3に配置された複数のヒータH11〜H33からの測定値PVと設定値SVとの偏差に基づき操作量を演算する演算部15と、それらヒータH11〜H33を複数のゾーンZ1〜Z3に分けそれら個々のゾーンZ1〜Z3内の複数のヒータH11〜H33に対し、操作量MVの負荷率に基づき時分割制御方式の操作信号を出力してそれら各ゾーンZ1〜Z3のヒータH11〜H33へ供給される交流電源ACを操作する操作信号出力部17とを設けて構成され、この操作信号出力部17について、各ゾーンZ1〜Z3から選択された異なるヒータH11〜H33を3個にグループ化して3チャネルCH1〜CH3としたとき、単位期間内において同時に操作信号の出力されるチャネル数をm個とするとき、(m/n)×100%の値がその負荷率に最も近くなるよう個数mを設定し、所定の出力期間内において一部のチャネルへの操作信号の出力を禁止するよう設定した。
【0038】
そのため、操作量に対応して制御周期が一定とならずに変化する制御方式において、負荷率に対応させて各ゾーンZ1〜Z3のヒータH11〜H33にヒータ電流を流しても、ヒータ電流の合計値が図5中のブレーカ13の許容電流値を越えることがなくなり、ブレーカ13が落ちて成形中の製品全体を不良品化させ難い。
【0039】
特に、負荷率が50%を越えて大きい状態下でも、ヒータH11〜H33へ流れる合計ヒータ電流のピーク電流を上昇させ難い。
【0040】
さらに、電源関係の配線コストがアップしないし、基本料金の比較的安い体系で商用交流電力を消費できるから、製造コストやランニングコストを低く抑えることが可能となる。
【0041】
ところで、上述した実施の形態では、所定の単位期間s内において一部のチャネルへの操作信号の出力を、負荷率に対応させて禁止するよう設定する構成としたが、本発明では次のような組合せ構成も可能である。
【0042】
すなわち、演算部15からの負荷率が所定値以下となった場合、上述したように1チャネル以上の操作信号の出力を禁止するよう操作信号出力部17に切り換え機能を具備する構成である。
【0043】
さらに、演算部15へ入力される測定値PVが所定の設定温度に達したとき、上述したように1チャネル以上の操作信号の出力を禁止するよう操作信号出力部17に切り換え機能を具備する構成である。
【0044】
このように、負荷率が所定値以下になったとき、又は測定値PVが所定値に達したとき、一部のチャネルへの操作信号の出力を禁止するよう操作信号出力部17に切り換え機能を具備する構成では、例えば、図5の押出成形機1において、シリンダー3を100%の負荷率で起動させて昇温が完了した後、押出用モータ9のインターロックを解除してそれを回転駆動させる場合に好適する。
【0045】
この組合せ構成では、昇温開始から昇温完了時点までは100%の負荷率でヒータH11〜H33へヒータ電流を流して速く昇温させ、その後、ヒータH11〜H33へ流すヒータ電流を負荷率や測定値PVに応じて負荷率を分散させ、その合計ピーク電流を低く抑えることが可能となり、昇温スピードと省電力化の双方が可能となる。
【0046】
そして、本発明では、負荷率と無関係に一部のチャネルCH1〜CH3への操作信号の出力を禁止する構成も可能であるし、ヒータの加熱制御に限らず、駆動電流で複数の制御部を制御する構成に応用可能である。
【0047】
もっとも、上述したように本発明は、制御周期を一定にすることが困難で、例えば複数のヒータH1〜H3を一度にすべて加熱制御させないように位相やオンオフ時間をずらせることが困難な時分割制御方式において、特に有用である。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、制御対象に配置された複数の制御部からの測定値と設定値との偏差から操作量を演算部で演算し、複数の制御部からなる個々のゾーン内の複数の制御部に対し、その操作量の負荷率に基づき時分割制御方式の操作信号を操作信号出力部から出力し、各ゾーンの制御部へ駆動電流を供給させる構成であって、その操作信号出力部について、各ゾーンから選択された異なる制御部をn個にグループ化してn個のチャネルとしたとき、所定の単位期間内においてその一部のチャネルへの操作信号の出力を禁止する機能を具備させたから、操作量に対応して制御周期が一定とならずに変化する制御方式において、制御対象に設けた複数の制御部への駆動電流の合計値を低く抑えることが可能で、製造コストや電力料金を低く抑えることが可能となる。
そして、その単位期間内において同時に操作信号の出力されるチャネル数をm個とするとき、(m/n)×100%の値が負荷率に最も近くなるようその個数mを設定する構成とすれば、上述した効果に加えて、負荷率に対応した制御が可能となる。
また、その負荷率が所定値以下に低下したとき、又はその測定値が所定値に達したとき、一部のチャネルへの操作信号の出力を禁止するよう上記操作信号出力部に切り換え機能を設ける構成では、上述した効果に加えて、通常の100%の負荷率に基づく制御と、その後の省電力化の双方が可能となり、制御スピードも速まる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る調節計の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】図1の調節計の動作を説明する波形図である。
【図3】図1の調節計の動作を説明する波形図である。
【図4】図1の調節計の動作を説明する波形図である。
【図5】押出成形機の一般的な概略構成を示す図である。
【図6】押出成形機における操作量の変化を示す特性図である。
【図7】押出成形機における従来の動作を説明する波形図である。
【図8】位相制御方式を説明する交流電源波形図である。
【図9】時間比例オンオフ制御方式を説明する交流電源波形図である。
【図10】時分割制御方式を説明する交流電源波形図である。
【符号の説明】
1 押出成形機
3 シリンダー
5 スクリュー
7 ホッパ
9 押出用モータ
11 トランス
13 ブレーカ
15 演算部
17 操作信号出力部
A 調節計
CL1、CL2、CL3、CL11、CL12、CL13、CL21、CL22、CL23、CL31、CL32、CL33 操作器
H1、H2、H3、H11、H12、H13、H21、H22、H23、H31、H32、H33 ヒータ
S1、S2、S3 センサ
Z1、Z2、Z3 ゾーン(第1〜第3のゾーン)

Claims (4)

  1. 制御対象に配置された複数の制御部からの測定値と設定値との偏差が小さくなるような操作量を演算する演算部と、
    複数の前記制御部を複数のゾーンに分割するとともに個々の前記ゾーン内の複数の前記制御部に対し、前記操作量の負荷率に基づき時分割制御方式の操作信号を出力し、前記各ゾーンの制御部へ供給される駆動電流を操作する操作信号出力部と、
    を具備し、
    前記操作信号出力部は、前記各ゾーンから選択された異なる前記制御部をn個にグループ化してn個のチャネルとしたとき、所定の単位期間毎に一部の前記チャネルへの前記操作信号の出力を禁止する機能を有することを特徴とする調節計。
  2. 前記操作信号出力部は、前記単位期間内において同時に操作信号の出力されるチャネル数をm個とするとき、(m/n)×100%の値が前記負荷率に最も近くなるよう前記個数mが設定されてなる請求項1記載の調節計。
  3. 前記操作信号出力部は、前記負荷率が所定値以下に低下したとき、一部の前記チャネルへの前記操作信号の出力を禁止するよう切り換え機能を有する請求項1記載の調節計。
  4. 前記操作信号出力部は、前記測定値が所定値に達したとき、一部の前記チャネルへの前記操作信号の出力を禁止するよう切り換え機能を有する請求項1記載の調節計。
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