JP4292970B2 - 巻取装置のライン速度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機，同期電動機を可変速制御する制御装置をスリッタやコータなどの巻取装置に適用した巻取装置のライン速度制御装置に係り、特に、この巻取装置の性能、信頼性、メンテナンス性の向上を図った巻取装置のライン速度制御装置に関する。

従来、この種の技術として、特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、鋼板、製紙ライン等で用いられる巻取機のライン速度制御に関する技術が開示されている。しかしながら、この開示された技術では、最も効率的且つ短時間に鋼板、製紙ライン等を巻き取ることができないという問題が有った。
このような従来のライン速度制御技術の欠点として、大きく２つあり、以下、それらについて簡単に説明を行う。
１）電動機パルスジェネレータフィードバック制御
図４は、電動機パルスジェネレータフィードバック制御（電動機速度一定制御）を行った場合における巻取装置の巻取り状態を表した図である。

この制御方法、即ち、電動機パルスジェネレータでフィードバックをとる制御方法（電動機速度一定制御ともいう）は、図４に示す如くに、全工程を電動機速度で一定運転を行い、ライン速度が許容できる最高速度に達すると、電動機速度への速度指令を減速させるという制御方法である。当初は電動機の最高速度で運転できるので巻取工程の効率は最大となるが、ライン速度が許容最大速度に達したときには、何らかの方法で電動機速度を減速させなければならない。この場合、手動、もしくは、巻径計算により最適な減速時間を計算して、速度指令を徐々に低下させるなどのシーケンス制御が必要となる。しかしながら、計算で求める減速時間ではライン速度が一定となるとは限らず、そのために調整が必要となるという問題点がある。
２）ラインタコジェネレータ＋電動機パルスジェネレータ制御
図５は、ラインタコジェネレータ＋電動機パルスジェネレータ制御装置の一例を示したブロック図である。

図５に示すラインタコジェネレータ＋電動機パルスジェネレータ制御装置（ライン速度制御＋電動機速度制限装置ともいう）は、上記１）の問題を解決するための１つの手段となる。
この装置は、電動機が最高速度に達したときに、ライン速度指令を制限するというものである。ここではライン速度は許容できる最大のライン速度指令としているが、電動機の最高速度でライン速度が自動的に制限される。制限は電動機の最高速度を現在の速度が越えたとき、その差分をＰＩ調節器を介して、ライン速度制限値に加算するものである。しかしＰＩ調節器の定数を調整しても、電動機速度の最高速度付近における速度変動が問題となる。この変動は、電動機速度が最高速度に達したときに速度制限動作が働き、電動機速度が最高速度以下の場合は働かないような、本質的にはON/OFF制御に由来している。速度制限が働くときには減速し、次に増速し、また減速するような、いわゆる、ハンチング現象となって現れる。

また、安価なタコジェネレータを、速度フィードバックに使用した場合には、ライン速度制御の性能、信頼性自体が低くなり、特に低速度では、運転がアナログ信号へのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に起因する誘導、伝導ノイズによる性能劣化が発生するという問題もある。
一方、上述のライン速度制御とは逆の電動機速度制御を主体とした場合の、電動機速度制御＋ライン速度制限装置の場合も、同様に、ライン速度が最高速度に達したときに、電動機速度指令を減速させる制御システムであり、ライン速度最高速度付近における速度変動という問題が発生する。ただし、速度フィードバックにパルスジェネレータを利用しているので、制御性能は、上記ライン速度制御（タコジェネレータを使用）よりは良い。

以上の如くに、これら問題点である速度変動は、調節器のＰゲインや積分時間、フィルタなどの調整要素を操作したとしても、ゼロにすることはできず、本質的なON/OFF制御を根本的に改めない限り、この誤差は、高性能な速度制御を必要とする巻取装置では無視することはできない。
特開平４−２８９７９４号公報

以上説明したように、従来の技術においては、以下のような欠点（問題）が有った。
先ず、電動機パルスジェネレータフィードバック制御（電動機速度一定制御）では、全工程を電動機速度で一定運転を行い、ライン速度が許容できる最高速度に達すると電動機速度への速度指令を減速させなければならない。この場合、手動もしくは、巻径計算により最適な減速時間を計算して、速度指令を徐々に低下させるなどのシーケンス制御が必要となるが、計算で求める減速時間ではライン速度が一定となるとは限らず、そのための調整が必要となる。特に電動機速度制御からライン速度制御への切り替えポイントでは少なからぬショックが発生し、巻取りロールの品質を劣化させるという問題点があった。

また、ラインタコジェネレータ＋電動機パルスジェネレータ制御（ライン速度制御＋電動機速度制限装置）では、電動機速度の最高速度付近における速度変動が問題となる。これは、ON/OFF制御に由来しており、速度制限が働くときには減速し、働かないときには増速し、また働いて減速するような、いわゆるハンチング現象となって現れる。また、安価なタコジェネレータをライン速度フィードバックに使用した場合には、ライン速度制御の性能、信頼性自体が低く、特に低速度での運転が、アナログ信号へのＰＷＭ制御に起因する誘導、伝導ノイズにより性能が出ないという問題点があった。
そこで、本発明の課題は、巻取装置の性能、信頼性、メンテナンス性の向上が、より図られた高性能な巻取装置のライン速度制御装置を提供することにある。

以上の課題を解決するために、本発明の巻取装置のライン速度制御装置は、減速機を介して接続された媒体を巻取る巻取りロールと、該巻取りロールを駆動する電動機と、前記巻取ロールが巻き取る媒体のライン速度を検出するライン速度検出手段と、前記電動機の速度を検出する電動機速度検出手段を備えた巻取装置のライン速度制御装置において、前記ライン速度検出手段で検出したライン速度と、前記電動機速度検出手段から求めた電動機速度との比率を所定の間隔にて演算する比率演算手段と、ライン速度指令を設定する外部速度設定手段と、前記外部速度設定手段により設定された前記ライン速度指令に、前記比率演算手段により出力された比率を乗じて、速度指令値を演算する乗算手段と、前記乗算手段により演算された速度指令値と、前記電動機速度検出手段で検出した電動機速度との差を演算する減算手段と、前記減算手段の出力に基づいて、前記電動機の速度を制御する信号を出力する速度調節手段とを備え、前記ライン速度が前記電動機速度より低いときに電動機速度を一定とし、前記ライン速度が前記電動機速度より高いときにライン速度を一定とする制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の巻取装置のライン速度制御装置は、前記ライン速度検出手段が、タコジェネレータであることを特徴とする。
また、本発明の巻取装置のライン速度制御装置は、前記比率演算手段からの出力値を監視し、当該出力値が所定のレベル以上となる状態が所定時間継続した場合に、前記ライン速度検出手段の断線を検出する断線検出手段をさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明の巻取装置のライン速度制御装置は、前記比率演算手段からの出力信号の低域成分を濾波するＬＰＦと、前記ＬＰＦからの出力を微分する微分手段と、前記微分手段の出力値がプラスとなった場合に、媒体切れの発生を検出する媒体切れ検出手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明では，紙などの媒体を巻き取るシステムにおいて、巻取ロール径が小さいときには電動機の最大速度で一定運転を行い、ロールが巻き太りしてくると巻き取る機械のラインの最大速度でリミットをかけながら、自動的に電動機速度を低減（自動変速）させる運転制御が可能となる。これにより、電動機や巻取装置の性能を最大限に活かすことができ稼働率が飛躍的に向上する。
また、電動機速度フィードバック用の速度検出器とライン速度フィードバック用の速度検出器を要するシステムにおいて、電動機制御からライン速度制御への切り替えが極めてスムーズに移行でき、そのための特別な調整が不要となる。また従来技術のように最高速度付近において速度ハンチングの発生がないことから、巻き取るロールの品質の向上が可能となる。

また、ライン速度用に一般的に使用される安価なタコジェネレータを使用するシステムにおいても、電動機速度フィードバック用に使用しているパルスジェネレータと同等なライン速度制御精度、範囲、応答とすることができるので、極めて低速での巻取工程でも、パルスジェネレータの分解能に依存した性能を得ることが可能となる。一般的な1024p/rの分解能であれば、1：1000の速度制御範囲まで運転が可能となる。

さらに、電動機速度検出値とライン速度検出値の比率の微分量から、極めて短時間に媒体切れを検出することができることから、外部に媒体切れ用のセンサやコントローラなどを複数設置する必要がなく、かつ高速検出により、巻物の復旧作業を極めてすばやく実施することが可能となる。これにより設置コスト、メンテナンスコストを廉価に抑えることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る巻取装置のライン速度制御装置の実施の形態を説明する。
（発明の実施の形態）
図１は、本発明を適用した巻取装置のライン速度制御装置の構成を示したブロック図である。また、図２は、本発明の巻取装置のライン速度制御装置における巻取装置の巻取り状態を表した図である。
まず、構成を説明する。
図１における巻取装置のライン速度制御装置は、大きく、巻取り装置１００、指令部１０１、比率演算部１０２、ＰＧ（パルスジェネレータ）フィードバック部１０３、断線・紙切れ検出部１０４にて構成される。

巻取り装置１００は、媒体を巻戻す巻戻しロール２８と、その回転速度を制御し、巻き取られる媒体に所定のテンションを与えるパウダーブレーキ等のブレーキ２９と、媒体を巻取る巻取りロール１１と、ギア等の減速機３０を介して、巻取りロール１１を回転させる誘動電動機（ＩＭ）１２と、誘動電動機１２の回転速度を検出するパルスジェネレータ（ＰＧ）１３と、前記巻き取られる媒体のライン速度ＶＬを検出するタコジェネレータ（ＴＧ）９及びライン速度検出器１０とにより構成される。

指令部１０１は、所定のライン指令速度ＶＳを設定する外部速度設定器１と、ＬＰＦ（低域通過フィルタ）２と、後述の比較演算部１０２にて求められた比率（rate）とライン指令速度ＶＳとの積から、電動機速度指令ＶＣを求める乗算器３と、電動機速度指令ＶＣの変動範囲を所定の範囲に制限する制限部４と、加減速演算器（アンプ）５と、速度制限部６と、電動機速度指令ＶＣを平滑化するＬＰＦ７とにより構成される。

比率演算部１０２は、ＴＧ（タコジェネレータ）からのライン速度ＶＬを平滑化するＬＰＦ１５と、ライン速度ＶＬの変動範囲を所定の範囲に制限する制限部１６と、後述のＰＧフィードバック部１０３から得たモータ速度ＶＭからノイズをカットするフィルタ２１と、モータ速度ＶＭとライン速度ＶＬとの比率を演算する演算器１７と、入力端ａ，ｂと出力端ｃを備えた切換スイッチ１８と、モータ速度ＶＭが所定の値より小さい場合には出力端ｃと入力端ａとを接続し、大きい場合には出力端ｃと入力端ｂとを接続するように、切換スイッチ１８を制御する切換制御器２２と、切換スイッチ１８の出力（rate）を所定の範囲に制限する比率制限部１９と、比率制限部１９の出力（比率：rate）を平滑化するＬＰＦ２０とにより構成される。

ＰＧフィードバック部１０３は、パルスジェネレータ１３らのパルス信号を、モータ速度ＶＭに変換するモータ速度演算器１４と、モータ速度ＶＭのノイズカットを行うフィルタ２３と、指令部１０１から出力される電動機速度指令ＶＣからモータ速度ＶＭを減算して偏差ΔＶを出力する減算器３１と、偏差ΔＶを、電動機１２の制御用トルク信号に変換する速度調節器８とにより構成される。

断線・紙切れ検出部１０４は、切換スイッチ１８の出力信号である比率（rate）のノイズをカットして、平滑化するフィルタ２４と、比率（rate）を微分する微分回路２５と、比率（rate）の微分値が所定値以上となった時に、紙切れであることを知らせる信号を出力する検出器２６と、切換スイッチ１８の出力信号である比率（rate）が所定値以上を所定時間継続した時に、タコジェネレータ（ＴＧ）断線検出信号を出力する検出器２７とにより構成される。

次に動作について説明する。
タコジェネレータ（ＴＧ）から求められたライン速度ＶＬは、ＬＰＦ１５、制限部１６とを介して、演算器１７に供給される。一方、モータ速度演算器１４により求められた電動機速度ＶＭは、フィルタ２１、切換制御器２２、フィルタ２３にそれぞれ供給される。フィルタ２１を介して演算器１７に供給されたモータ速度ＶＭは、演算器１７にて比率（rate）演算がなされ、切換スイッチ１８の入力端ｂに供給される。
切換制御器２２は、切換スイッチ１８を制御し、モータ速度ＶＭの絶対値が、所定の値より小さい場合には出力端ｃと入力端ａとを接続（rateを１に固定）し、大きい場合には出力端ｃと入力端ｂとを接続するよう制御する。

外部速度設定器１より供給されたライン指令速度ＶＳは、ＬＰＦ２を介して乗算器３に供給されて、切換スイッチ１８より、比率制限部１９、ＬＰＦ２０を介して供給された比率（rate）と乗算され、電動機速度指令ＶＣとして出力され、制限部４、加減速演算器５、速度制限部６を介して、ＬＰＦ７に供給される。ＬＰＦ７から出力される電動機速度指令ＶＣは、減算器３１に供給され、この減算器３１で、前記フィルタ２３を介して供給されたモータ速度ＶＭが減算され、この減算器３１から出力される偏差ΔＶが、速度調節器８で、トルク指令に変換されて誘導電動機（ＩＭ）１２に供給されることにより、誘導電動機１２がフィードバック制御される。

また、切換スイッチ１８より出力された比率（rate）信号は、フィルタ２４、微分器２５を介し、検出器２６にて、微分値が所定のレベル以上になった場合に、紙切れ検出信号として出力されると共に、検出器２７に供給され、比率（rate）が所定のレベル以上になった場合に、ＴＧ断線検出信号として出力される。
さて、図１に示す如くに、本発明の巻取装置のライン速度制御装置（巻取機の自動変速システム）は、常時パルスジェネレータフィードバックを用いた電動機速度制御を行うために、外部（外部速度設定器１）からのライン指令速度ＶＳを、電動機速度設定（トルク指令）に変換して運転を行うものである。ここで、制御ブロックの主な項目について、さらに説明する。

１）比率計算
タコジェネレータから、低域通過フィルタ（ＬＰＦ１５）と制限（制限部１６）を経由して求めたライン速度ＶＬと、パルスジェネレータフィードバックから求めた電動機速度ＶＭとから、その比率（rate＝ＶＭ/ＶＬ）を、演算器１７にて逐一演算する。ＬＰＦ１５は、タコジェネレータのノイズカットのために挿入され、制限部１６は、演算器１７における比率（rate）計算で、除数が0や小さい値にならないための補償のために挿入されるものであり、制限部１６は、機械システムのありえる比率範囲が設定される。下式は工業値での比率（rate）を示し、実用上では最大ライン速度、電動機最大速度のときにrate＝1.0となるように設定される。

ライン速度ＶＬは、低速時にアナログデータ特有の不安定な値となるので、このとき比率（rate）は、前回値（ある速度を下回るときのデータをラッチ）に固定する。また、電源起動時の初期値は比率計算ができていないので、1.0などの固定値を与える（切換スイッチ１８）。
モータ速度（ＶＭ）が、ある設定レベル以下では、切換制御器２２が切換スイッチ１８の可動接点を一方の入力側ａに切り換えることにより、固定比率（rate）＝1.0が乗算器３に供給され、これを、ライン指令速度ＶＳを掛けた値を速度指令として制御する。モータ速度ＶＭがある設定レベルを超えたら、外部（外部速度設定器１）からのライン速度設定（ライン指令速度ＶＳ）に上記で計算した比率（rate）を掛け、制限通過（制限部４、加減速演算器５、速度制限部６、ＬＰＦ７通過）後、電動機速度設定値として速度調節器８の入力に供給する。

以上により、図２に示す如くに、最初は電動機速度一定の状態から、ライン速度一定の状態となるよう、誘動電動機１２が制御される。
この制御システムにより以下のことが実現できる
a）工程の全域が、電動機パルスジェネレータフィードバックシステムによる速度制御となり、制御精度、応答などの性能がタコジェネレータフィードバックの場合と比べて格段に優れる。
b）速度制限において、誘動電動機１２の最高速度で速度指令が制限されるので、最初から許容できる最大のライン速度指令を与えることができる。
c）巻取りロール１１が巻き太っていくに従い、ライン指令速度ＶＳとライン速度ＶＬとが合致するときが来て、そのあとは図２に示す如くに、自動的に電動機速度が低下するような制御となる。このときは、ライン速度一定となるように、比率（rate）の変化から自動的に電動機への速度指令が減速するような仕組みとなっており、従来の速度ハンチングなどの問題は発生しない。

２）タコジェネレータ断線検出
このシステムでは、タコジェネレータが断線しているとＶＬ＝0となり、検出器２７には装置上取り得る最大値が供給されることになる。したがって、比率（rate）が最大値である時間が、ある期間連続した場合にタコジェネレータ断線と判断することができる。
３）紙切れ検出
比率（rate）は、巻き太りとなる工程においては必ず、比率の微分量（変化量）はマイナスの値となる。紙切れが発生すると、通常、ライン速度ＶＬは減少に向かい、モータ速度ＶＭは増速方向となるので、この微分器２５の結果であるところの微分量はプラスに転じる。このプラスに転じるところを捉えて、紙切れと判断する。

具体的には、タコジェネレータライン速度ＶＬとパルスエンコーダ速度（モータ速度ＶＭ）の比rate（ＶＭ／ＶＬ）を計算して、ＬＰＦ（フィルタ２４）を通し、その値を微分器２５にて微分（d/dt）すると、図３のように加速、減速、一定の何れの状態でも比率（rate）の傾きは、マイナスの値（右肩下がり）となる。紙切れが発生すると、比率（rate）の微分量（d（rate）/dt）はプラス値に変化し、この値がある正の固定値を超えたときに、紙切れと判断（検出）することができる。なお、図３は、本発明である巻取装置のライン速度制御装置の常時パルスジェネレータフィードバックを用いた電動機速度制御を行った場合における巻取装置の紙切れ状態を表した図である。

紙切れの検出速度は、ライン速度，電動機速度のサンプリング時間に依存するが、通常の制御システムでは、1ms程度のサンプリングとなるので、誤検出を抑制するための10ms程度のカットオフをもつ低域通過フィルタを介すれば、およそ10〜20ms程度で紙切れ検出が可能となる。ライン速度が比較的速い場合、500m/min等においても、紙切れ発生からおよそ8〜16cmの移動で検知することができる。

本発明を適用した巻取装置のライン速度制御装置の構成を示したブロック図である。 本発明の巻取装置のライン速度制御装置における巻取装置の巻取り状態を表した図である。 本発明である巻取装置のライン速度制御装置の常時パルスジェネレータフィードバックを用いた電動機速度制御を行った場合における巻取装置の紙切れ状態を表した図である。 電動機パルスジェネレータフィードバック制御（電動機速度一定制御）を行った場合における巻取装置の巻取り状態を表した図である。 ラインタコジェネレータ＋電動機パルスジェネレータ制御装置の一例を示したブロック図である。

符号の説明

１ 外部速度設定器
２ ＬＰＦ（低域通過フィルタ）
３ 乗算器
４ 制限部
５ 加減速演算器
６ 速度制限部
７ ＬＰＦ
８ 速度調節器
９ タコジェネレータ（ＴＧ）
１０ ライン速度検出器
１１ 巻取りロール
１２ 誘導電動機（ＩＭ）
１３ パルスジェネレータ（ＰＧ）
１４ モータ速度演算器
１５ ＬＰＦ
１６ 制限部
１７ 演算器
１８ 切り替えスイッチ
１９ 制限部
２０ ＬＰＦ
２１ フィルタ
２２ 切換制御器
２３ フィルタ
２４ フィルタ
２５ 微分器
２６ 検出器
２７ 検出器
２８ 巻戻しロール
２９ ブレーキ
３０ 減速機
３１ 減算器
１００ 巻取り装置
１０１ 指令部
１０２ 比率演算部
１０３ ＰＧフィードバック部
１０４ 断線・紙切れ検出部

Claims (4)

1. 減速機を介して接続された媒体を巻取る巻取りロールと、該巻取りロールを駆動する電動機と、前記巻取ロールが巻き取る媒体のライン速度を検出するライン速度検出手段と、前記電動機の速度を検出する電動機速度検出手段を備えた巻取装置のライン速度制御装置において、
   前記ライン速度検出手段で検出したライン速度と、前記電動機速度検出手段から求めた電動機速度との比率を所定の間隔にて演算する比率演算手段と、
   ライン速度指令を設定する外部速度設定手段と、
   前記外部速度設定手段により設定された前記ライン速度指令に、前記比率演算手段により出力された比率を乗じて、速度指令値を演算する乗算手段と、
   前記乗算手段により演算された速度指令値と、前記電動機速度検出手段で検出した電動機速度との差を演算する減算手段と、
   前記減算手段の出力に基づいて、前記電動機の速度を制御する信号を出力する速度調節手段とを備え、
   前記ライン速度が前記電動機速度より低いときに電動機速度を一定とし、前記ライン速度が前記電動機速度より高いときにライン速度を一定とする制御を行う
   ことを特徴とする巻取装置のライン速度制御装置。
2. 前記ライン速度検出手段は、タコジェネレータであることを特徴とする請求項１に記載の巻取装置のライン速度制御装置。
3. 前記比率演算手段からの出力値を監視し、当該出力値が所定のレベル以上となる状態が所定時間継続した場合に、前記ライン速度検出手段の断線を検出する断線検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の巻取装置のライン速度制御装置。
4. 前記比率演算手段からの出力信号の低域成分を濾波するＬＰＦと、
   前記ＬＰＦからの出力を微分する微分手段と、
   前記微分手段の出力値がプラスとなった場合に、媒体切れの発生を検出する媒体切れ検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の巻取装置のライン速度制御装置。

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