JP4906386B2 - プロファイル制御方法及びその装置 - Google Patents

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Description

本発明は、紙やフィルム等(以下これらを総称してシートという)のシート製造工程におけるプロファイル制御方法及びその装置に関する。
紙やフィルム等のシート製造工程において、シートの幅方向に対する品質を均一化することが、製品品質を決定づける最も重要な要素である。例えば、下記非特許文献1及び特許文献1には、抄紙機による紙の抄造において、紙の幅方向に対して走査しながら坪量(1平方メートル当たりの紙の重さ:g/m)を測定し、当該坪量の平均値に対する偏差のバラツキ(2σ)を最適化することで、紙の幅方向における坪量を均一化する技術が開示されている。以下、この技術について具体的に説明する。
ここで、紙の幅方向の片道走査間における複数個(t個)の坪量データをRV(i);(i=1,2,…,t)とし、当該坪量データRV(i)の平均値RVAVと各坪量データRV(i)との偏差をとったデータの集まりを坪量生プロファイルと呼ぶ。坪量生プロファイルをR(i)とすると、R(i)=RV(i)−RVAV;(i=1,2,…,t)と表される。また、複数(N個)設けられている操作端の内、k番目の操作端を操作した場合、上記坪量生プロファイルは変化するが、その場合のプロファイル変化の中心に対応する坪量データRV(i)の番号を、k番操作端位置対応と呼び、SPT(k)とする。つまりSPT(k)は、1〜tまでの整数値となる。
さらに、隣合う操作端の中間位置に仮想的な操作端(総数N−1個)を定義し、この仮想的な操作端の操作によるプロファイル変化の中心に対応する坪量データRV(i)の番号を、仮想操作端位置対応と呼び、SP(i);(i=1,2,…,2N−1)とする。ここで、実際に存在する操作端の位置と、仮想的に定義した操作端の位置に対して坪量生プロファイルを平均化し、下記(1)式で示される仮想操作端対応プロファイルP(i)を定義する。
Figure 0004906386
上記(1)式において、仮想操作端位置対応SP(i)は下記(2)式及び(3)式のように表される。つまり、奇数番目の仮想操作端位置対応は、k番操作端位置対応と等しく、一方、偶数番目の仮想操作端位置対応は、隣合う操作端のk番操作端位置対応の平均値を四捨五入して整数化したものである。
Figure 0004906386
上記(1)式に示すように、仮想操作端対応プロファイルP(i)とは、実際に存在する操作端の位置と、仮想的に定義した操作端の位置とに対して坪量生プロファイルを平均化して得られる、操作端の総数Nの2倍−1個の点からなるプロファイルである。このような仮想操作端対応プロファイルP(i)の山谷部分、つまり平均値に対する偏差のバラツキ(2σ)を最適化することを制御目標として、各操作端を制御することにより、紙の幅方向における坪量を均一化することが可能である。
ここで、各操作端の操作量をX(j);(j=1,2,…,N)とする。一般的に、幅方向に配置される各操作端を操作した場合、操作した操作端に対応する位置だけでなく、その周辺のプロファイルも変化する。このような現象を幅方向プロセス干渉という。上記操作量X(j)に対するi番目の仮想操作端対応プロファイルP(i)の変化量をW(i,j)とし、幅方向プロセス干渉を表す行列(プロセス干渉行列)をW={W(i,j)}と定義すると、仮想操作端対応プロファイルの行列Pは下記(4)式で表される。
Figure 0004906386
また、仮想操作端対応プロファイルP(i)は常に平均値に対する偏差を表す。そこで、仮想操作端対応プロファイルP(i)の平均値を零と仮定すると、上記平均値に対する偏差のバラツキを表す評価関数E(X)は下記(5)式で表される。また、評価関数E(X)のグラディエント∇E(X)は、下記(6)式で表される。
Figure 0004906386
ここで、評価関数E(X)を最も急激に小さくする(つまり仮想操作端対応プロファイルにおける偏差のバラツキを最小化する)操作変更量ΔXは、最急降下法に基づき、十分小さい整数εを用いて下記(7)式で表され、当該(7)式をスカラー形式で示すと下記(8)式で表される。
Figure 0004906386
すなわち、片道走査間における複数個の坪量データに基づいて、上記(1)式から仮想操作端対応プロファイルP(i)を算出し、さらに、上記(8)式から各操作端の操作変更量ΔXを算出して、当該操作変更量ΔXに基づいて各操作端を制御する。これにより、紙の幅方向における坪量を均一化することが可能である。なお、このような非特許文献1及び特許文献1に開示されている技術は、紙だけでなくフィルム等、その他のシートの製造工程におけるプロファイル制御として適用可能である。
また、下記特許文献2には、フィルムの製造工程において、フィルムの幅方向における厚みプロファイルに生じる局所的な凸部を均一化することで、良好な巻き姿を得るフィルム厚制御方法が開示されている。このフィルム厚制御方法では、まず、Tダイに設けられたスリット状のフィルム吐出口から押し出されたフィルムの幅方向に対して走査しながら厚みを測定し、当該厚みの平均値に対する偏差のバラツキを示す厚みプロファイルを求める。そして、この厚みプロファイルのバラツキが使用上の許容範囲内となるような第1補正制御値を求めると共に、厚みプロファイルの凸部が使用上の許容範囲内となるような第2補正制御値を求め、これら第1補正制御値及び第2補正制御値に基づいて、上記Tダイのフィルム吐出口の間隙を制御する。具体的には、上述した抄紙機における操作端と同様な機能を有する調整ボルトが、フィルム吐出口のリップ部に沿って複数配置されており、各調整ボルトの上下動を第1補正制御値及び第2補正制御値に基づいて制御することにより、リップ部に加わる荷重を調整してフィルム吐出口の間隙を制御し、フィルムの厚みを均一化する。
佐々木、松田、山本、橋本;仮想スライスボルト対応最適化制御による抄紙機の坪量プロファイル制御;化学工学論文集 第25巻 第6号;1999;p947〜954 特開平2−139488号公報 特開2005−186377号公報
ところで、上記非特許文献1及び特許文献1の技術によれば、仮想操作端対応プロファイルP(i)を定義し、当該プロファイルの平均値を中心としたバラツキ(2σ)を最適化することを制御目標として、各操作端を制御することにより、シートの幅方向に対するプロファイルを均一化することができるが、最終的に巻き取られたロール全体の品質に関しては以下のような問題があった。
特にプラスチックフィルム製造工程においては、フィルムの幅方向における厚みプロファイルのバラツキよりも、ロールに巻き取った後の巻き姿が良好になることが重要視される。例えば、厚みプロファイル上の常に同じ場所に周囲より大きな凸部が存在する場合、ロールに巻き取られる際にその凸部がコブとなって現れ、ロールの巻き姿の品質が悪化してしまう。上記非特許文献1及び特許文献1の技術では、場合によって上記のような周囲より大きな凸部が残る可能性があった。
一方、上記特許文献2の技術では、第1補正制御値を求めた後、モデルから厚みプロファイル変化量を予測し、さらに凸部を揃えるために第2補正制御値を求めている。このような方法では計算量が多くなるため、演算装置の処理負荷が増大するという問題がある。また、モデルから計算される厚みプロファイル変化量と実際の厚みプロファイル変化量との差が外乱により大きくなった場合に、十分な制御性能を維持できないという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、シートの幅方向に対するプロファイル制御に関する処理負荷を抑え、また外乱に影響されずに良好なシートの巻き姿を得ることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、プロファイル制御方法に係る第1の解決手段として、複数の操作端によってシートの幅方向におけるプロファイルを制御する方法であって、前記プロファイルの局所的なピークを結んだ包絡線プロファイルを算出し、前記プロファイル及び包絡線プロファイルの2σを最適化することを制御目標として、各操作端の操作量を算出することを特徴とする。
また、本発明では、プロファイル制御方法に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記プロファイル及び包絡線プロファイルの2σを最適化するための評価関数に関する最急降下法を適用することを特徴とする。
また、本発明では、プロファイル制御方法に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、 前記評価関数は、前記プロファイルの評価関数に、所定の重み係数を含ませた包絡線プロファイルの評価関数を加算したものであり、前記重み係数を調整することで、前記プロファイルと包絡線プロファイルとの最適化の比率を調整することを特徴とする。
一方、本発明では、プロファイル制御装置に係る第1の解決手段として、複数の操作端によってシートの幅方向におけるプロファイルを制御する装置であって、前記シートの幅方向に対して走査しながら測定されたプロファイルを用いて、前記プロファイルの局所的なピークを結んだ包絡線プロファイルを算出し、前記プロファイル及び包絡線プロファイルの2σを最適化することを制御目標として、各操作端の操作量を算出する操作端制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、シートの幅方向に対するプロファイル制御に関する処理負荷を抑えつつ、また外乱に影響されずに良好なシートの巻き姿を得ることが可能である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図1は本実施形態におけるプロファイル制御装置を備えたフィルム成形装置の構成概略図である。なお、以下では、シートとしてプラスチックフィルム等のフィルムの製造工程に用いられるフィルム成形装置を例示して説明する。
図1に示すように本実施形態におけるフィルム成形装置は、押出機1、Tダイ2、ガイドロール3、加工ロール4、巻取ロール5、厚み測定器6及び調整ボルト制御部(操作端制御手段)7から構成されている。押出機1は、フィルムFの溶融樹脂を収容すると共に、当該溶融樹脂を加圧してTダイ2に供給する(押し出す)。Tダイ2には、図2に示すように、リップ2a及び2bによって挟まれたスリット状のフィルム吐出口2cが設けられており、上記押出機1から押し出された溶融樹脂は、フィルム吐出口2cを介してシート状に成形され、フィルムFとしてガイドロール3、加工ロール4を経て巻取ロール5に連続的に巻き取られる。
また、図2に示すように、Tダイ2のリップ2aには、フィルムFの幅方向に対して、上下動可能な調整ボルト2d(操作端)が所定間隔で複数(N個)設けられている。これら調整ボルト2dは、調整ボルト制御部7から入力される操作信号に基づいて上下動し、また、このような上下動によってリップ2aに加わる荷重が変化し、フィルム吐出口2cの間隙が変化する。つまり、各調整ボルト2dの上下動を制御することにより、フィルムFの幅方向における厚みが制御される。調整ボルト2dは、例えばヒートボルト等、熱変位を利用したものが用いられる。
厚み測定器6は、フィルムFの幅方向を走査方向として往復可能に設けられており、フィルムFに対して照射した放射線の減衰率に基づいて厚みを測定し、当該厚みを示す厚み測定信号を調整ボルト制御部7に出力する。調整ボルト制御部7は、厚み測定器6から入力される厚み測定信号に基づいて所定の演算処理を行うことにより、各調整ボルト2dの操作量を算出し、当該操作量を示す操作信号を各調整ボルト2dに出力して各調整ボルト2dの上下動を制御する。なお、上記のような構成要素の内、厚み測定器6、調整ボルト制御部7は、本発明に係るプロファイル制御装置を構成するものである。
次に、このように構成されたフィルム成形装置によるフィルムFの幅方向に対する厚みプロファイルの制御動作について説明する。
プラスチックフィルムの製造工程において、厚みプロファイルの谷部分(凹部)に関しては、巻取ロール5に巻き取る際に空気層をフィルム間に含ませることによって、ロールの巻き姿の品質にはほとんど影響を及ぼさない。従って、コブの少ない良好な巻き姿を得るには、厚みプロファイルに凹凸部が存在する場合であっても、凸部の高さが均一になるように(周辺より際立って高い凸部が無いように)厚み制御を行なえば良い。このように、厚みプロファイルの凸部を均一化するという考え方は、上記特許文献2と同様であるが、その実現方法については以下に述べるように全く異なるものである。本実施形態では、厚みプロファイル(仮想操作端対応プロファイル)の局所的なピークを結んだ包絡線プロファイルを求め、当該包絡線プロファイルのバラツキ(2σ)を最適化することを制御目標として、各調整ボルト2dの操作量を算出する。以下、図3に示す動作フローチャートを用いて詳細に説明する。
厚み測定器6は、最終的に巻取ロール5に巻き取られるフィルムFの幅方向に対して走査しながら往復し、当該フィルムFの幅方向における厚みを連続的に測定して厚み測定信号を調整ボルト制御部7に出力する。調整ボルト制御部7は、片道走査毎に連続的に得られる厚み測定信号(つまり厚み測定値)を等間隔、例えば1mm間隔で部分的に平均化することで、片道走査間における複数個(t個)の厚みデータを生成する。ここで、厚みデータを、RV(i);(i=1,2,…,t)とすると、従来技術と同様に、上記(1)式に基づいて仮想操作端対応プロファイルP(i)を算出することができる。つまり、調整ボルト制御部7は、これらの厚みデータRV(i)を用い、上記(1)式に基づいて仮想操作端対応プロファイルP(i)を算出する(ステップS1)。このような仮想操作端対応プロファイルP(i)の算出方法については、従来技術と同様なので説明を省略する。
次に、調整ボルト制御部7は、上記のように算出した仮想操作端対応プロファイルP(i)の局所ピーク位置EL(i);(i=1,2,…2N−1)を算出する(ステップS2)。ここで、局所ピーク位置EL(i)とは、仮想操作端対応プロファイルP(i)において局所的なピーク(凸部)を与える仮想操作端番号である。すなわち、P{EL(i)−1}<P{EL(i)}、且つP{EL(i)}>P{EL(i)+1}を満たす仮想操作端番号を、番号の若い方から順に並べたものが局所ピーク位置EL(i)となる。ただし、上記の条件を満たす最大のiをi=NAとおいた場合、NA<i≦2N−1となるiについてはEL(i)=0と定義する。従って、1≦EL(1)<EL(2)<…<EL(NA)となり、EL(NA+1)=EL(NA+2)=…=EL(2N−1)=0となる。
次に、調整ボルト制御部7は、上記局所ピーク位置EL(i)における仮想操作端対応プロファイルP{EL(i)};(i=1,2,…NA)について、それらの包絡線ELV(j); (j=1,2,…2N−1)を算出する(ステップS3)。ここで、ELV(j)は、jの値に応じて、下記(9)〜(11)式で表される。
Figure 0004906386
続いて、調整ボルト制御部7は、上記のように算出した包絡線ELV(j)を用い、下記(12)式に基づいて包絡線プロファイルEP(i);(i=1,2,…2N−1)を算出する(ステップS4)。つまり、包絡線ELV(j)の平均値と各ELV(j)との偏差をとったデータの集まりが包絡線プロファイルEP(i)である。
Figure 0004906386
図4は、操作端(調整ボルト2d)の総数N=20の場合における、ある仮想操作端対応プロファイルP(i)に対する包絡線プロファイルEP(i)を示したものである。従来技術(非特許文献1及び特許文献1)では、仮想操作端対応プロファイルP(i)を可能な限り均一化するように、つまりP(i)=0となるように制御を行なうが、本実施形態では、仮想操作端対応プロファイルP(i)と、包絡線プロファイルEP(i)との両方を均一化するように、すなわちP(i)=0、且つEP(i)=0となるように各調整ボルト2dを制御する。このように包絡線プロファイルEP(i)を均一化するということは、局所的なピークの高さを揃えるということなので、凹部があっても凸部の高さが均一であり、周囲より際立って高い凸部がないという、良好なロールの巻き姿の条件を満たすことになる。
ここで、各調整ボルト2dの操作量をX(j);(j=1,2,…,N)とし、当該操作量X(j)に対するi番目の仮想操作端対応プロファイルP(i)の変化量をW(i,j)とし、幅方向プロセス干渉を表す行列(プロセス干渉行列)をW={W(i,j)}と定義すると、仮想操作端対応プロファイルの行列Pは上記(4)式で表される。一方、包絡線プロファイルEP(i)について、同様に幅方向プロセス干渉を考慮した場合、包絡線プロファイルの行列EPは下記(13)式で表される。
Figure 0004906386
また、仮想操作端対応プロファイルP(i)及び包絡線プロファイルEP(i)は、常に平均値に対する偏差を表す。そこで、仮想操作端対応プロファイルP(i) 及び包絡線プロファイルEP(i)の平均値を零と仮定すると、これら平均値に対する偏差のバラツキを表す評価関数E(X)は下記(14)式で表される。この(14)式において、定数α(α≧0)は、評価関数E(X)における包絡線プロファイルEP(i)の重みを決定する重み係数である。また、評価関数E(X)のグラディエント∇E(X)は、下記(15)式で表される。
Figure 0004906386
ここで、評価関数E(X)を最も急激に小さくする操作変更量ΔXは、最急降下法に基づき、十分小さい整数εを用いて下記(16)式で表され、当該(16)式をスカラー形式で示すと下記(17)式で表される。(17)式からわかるように、従来技術における操作変更量ΔXの算出式(8)と比較すると、本実施形態における操作変更量ΔXの算出式は、仮想操作端対応プロファイルP(i)に、重み係数αが乗算された包絡線プロファイルEP(i)を加えたものとなっている。つまり、重み係数αを調整することにより、仮想操作端対応プロファイルP(i)の最適化と、包絡線プロファイルEP(i)の最適化との比率を調整することができる。
Figure 0004906386
調整ボルト制御部7は、上記(17)式に基づいて、各調整ボルト2dの操作変更量ΔXを算出して、当該操作変更量ΔXを示す操作信号を各調整ボルト2dに出力することで、各調整ボルト2dの上下動を制御する(ステップS5)。なお、上記ステップS1〜S5の動作は、フィルムFの幅方向に対して片道走査毎の厚みデータに基づいて繰り返し行なわれる。
ここで、図5は、本実施形態によるプロファイル制御を行なわなかった場合のシミュレーション結果であり、一方、図6は本実施形態によるプロファイル制御を行った場合のシミュレーション結果である。なお、図6は重み係数α=2と設定した場合のシミュレーション結果である。図5に示すように、本実施形態によるプロファイル制御を行なわなかった場合、仮想操作端対応プロファイルP(i)のバラツキ(2σ)は、2σ=0.244であり、包絡線プロファイルEP(i)のバラツキは、2σ=0.131である。一方、図6に示すように、本実施形態によるプロファイル制御を行った場合、仮想操作端対応プロファイルP(i)のバラツキは、2σ=0.256と若干悪化するが、包絡線プロファイルEP(i)のバラツキは、2σ=0.080となり図5と比較すると大幅に改善されていることがわかる。そして、図5では、3番の操作端に該当する位置に最大値の顕著なピークが見られるが、図6では、局所的なピークの高さがほぼ揃った(均一な)状態となっており、良好なロールの巻き姿が得られることがわかる。
以上のように本実施形態によれば、従来のように仮想操作端対応プロファイルP(i)だけでなく、仮想操作端対応プロファイルP(i) 及び包絡線プロファイルEP(i)の両方が均一化されるように、つまりフィルムFの幅方向における厚みプロファイルの局所的なピークの高さを揃え、凸部の高さを均一化することにより、周囲より際立って高い凸部の発生を抑制することができ、その結果、良好なロールの巻き姿を得ることが可能である。また、従来と比べて包絡線プロファイルEP(i)を新たに算出するのみであるので、プロファイル制御における処理負荷を軽減できる。さらに、実際の測定データに基づいて仮想操作端対応プロファイルP(i)及び包絡線プロファイルEP(i)を算出するため(従来のようにモデルを使用しない)、外乱の影響を受けることなく良好なシートの巻き姿を得ることが可能である。
なお、上記実施形態では、シートとしてフィルムを例示して説明したが、これに限定されず、他のシート状の製品、例えば紙などを製造する場合においても本発明は適用可能である。また、上記実施形態では、厚みプロファイルを制御したが、これに限定されず、坪量や水分量等のプロファイル制御にも適用することができる。また、上記実施形態では、重み係数α=2としたが、これに限定されず、シートの種類や製造条件に応じて適宜変更可能である。さらに、上記実施形態では、仮想操作端対応プロファイルP(i) に、重み係数αを含む包絡線プロファイルEP(i)を加算したが、これに限定されず、包絡線プロファイルEP(i)のみを最適化するようにプロファイル制御を行なっても良い。つまり(17)式において、仮想操作端対応プロファイルP(i)の項を削除した式に基づいて、各調整ボルト2dの操作変更量ΔXを算出しても良い。
本発明の一実施形態におけるプロファイル制御装置を備えたフィルム成形装置の構成概略図である。 本発明の一実施形態におけるフィルム成形装置のTダイ2の詳細説明図である。 本発明の一実施形態におけるプロファイル制御装置を備えたフィルム成形装置の動作フローチャートである。 本発明の一実施形態における仮想操作端対応プロファイルP(i) 及び包絡線プロファイルEP(i)の一例である。 本発明の一実施形態におけるプロファイル制御を行なわなかった場合のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態におけるプロファイル制御を行った場合のシミュレーション結果である。
符号の説明
1…押出機、2…Tダイ、2a、2b…リップ、2c…フィルム吐出口、2d…調整ボルト(操作端)、3…ガイドロール、4…加工ロール、5…巻取ロール、6…厚み測定器、7…調整ボルト制御部(操作端制御手段)

Claims (4)

  1. 複数の操作端によってシートの幅方向におけるプロファイルを制御する方法であって、
    前記シートの幅方向について得られる複数の厚みデータとその平均値との偏差を示すデータの集合を生プロファイルとして算出し、
    実際に存在する前記操作端の位置と、隣り合う前記操作端の中間位置に仮想的に定義した操作端の位置とに対して前記生プロファイルを平均化することで、前記操作端の総数の2倍−1個のデータからなる仮想操作端対応プロファイルを算出し、
    前記仮想操作端対応プロファイルの局所的なピークを結ぶ前記操作端の総数の2倍−1個のデータからなる包絡線を算出し、
    前記包絡線を構成する各データとその平均値との偏差を示すデータの集合を包絡線プロファイルとして算出し、
    前記仮想操作端対応プロファイル及び前記包絡線プロファイルの2σを最小化することを制御目標として、各操作端の操作量を算出することを特徴とするプロファイル制御方法。
  2. 前記仮想操作端対応プロファイル及び包絡線プロファイルの2σを最小化するための評価関数に関する最急降下法を適用することを特徴とする請求項1記載のプロファイル制御方法。
  3. 前記評価関数は、前記仮想操作端対応プロファイルの評価関数に、所定の重み係数を含ませた包絡線プロファイルの評価関数を加算したものであり、前記重み係数を調整することで、前記仮想操作端対応プロファイルと包絡線プロファイルとの2σの最小化の比率を調整することを特徴とする請求項2記載のプロファイル制御方法。
  4. 複数の操作端によってシートの幅方向におけるプロファイルを制御する装置であって、
    前記シートの幅方向について測定された複数の厚みデータとその平均値との偏差を示すデータの集合を生プロファイルとして算出し、
    実際に存在する前記操作端の位置と、隣り合う前記操作端の中間位置に仮想的に定義した操作端の位置とに対して前記生プロファイルを平均化することで、前記操作端の総数の2倍−1個のデータからなる仮想操作端対応プロファイルを算出し、
    前記仮想操作端対応プロファイルの局所的なピークを結ぶ前記操作端の総数の2倍−1個のデータからなる包絡線を算出し、
    前記包絡線を構成する各データとその平均値との偏差を示すデータの集合を包絡線プロファイルとして算出し、
    前記仮想操作端対応プロファイル及び前記包絡線プロファイルの2σを最小化することを制御目標として、各操作端の操作量を算出する操作端制御手段を備えることを特徴とするプロファイル制御装置。
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