JP5229535B2

JP5229535B2 - 張力制御装置およびその制御方法、ならびに張力制御装置を備えた搬送装置

Info

Publication number: JP5229535B2
Application number: JP2008056725A
Authority: JP
Inventors: 寛之小出
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: JP2009208957A

Description

本発明は、紙、フィルム、金属など帯状の材料を張力制御装置およびその制御方法、ならびに張力制御装置を備えた搬送装置に関する。

従来の張力制御装置は、材料の張力偏差（張力設定値と張力検出値との偏差）をＰＩ（比例積分）制御器により制御して張力一定制御を行うと共に、材料と速度検出用ロールとの間のスリップにより誤差が生じると、張力偏差信号を用いて巻径を補正している（例えば、特許文献１参照）。

図３において、１０１は材料、１０２は巻出ロールであり、材料１０１にはライン速度検出用ロール１０３及び張力検出用ロール１０４が接触している。速度検出用ロール１０３には速度発電機１０５が、張力検出用ロール１０４には張力検出器１０６がそれぞれ接続されている。また、１０７は巻出ロール１０２を駆動する巻出モータであり、このモータ１０７には回転数検出用の速度発電機１０８が取付けられている。速度発電機１０８の出力であるモータ１０７の回転数Ｎは除算器１０９に入力されており、前記速度発電機１０５から入力されるライン速度Ｖを除算することにより、巻出ロール１０２の巻径Ｄが検出される。この巻径Ｄは、加算器１１０の一方の入力端子に入力される。

一方、１１１は張力設定器であり、この設定器１１１による張力設定値Ｔ*は加算器１１２、１１３の各一方の入力端子に加えられている。なお、加算器１１２の他方の入力端子には、張力検出器１０６により検出された材料１０１の張力Ｔが入力されている。そして、加算器１１２から出力される張力偏差ΔＴ（＝Ｔ*−Ｔ）はＰＩ制御器１１４に加えられており、このＰＩ制御器１１４の出力が加算器１１３の他方の入力端子に加えられ、加算器１１３の出力が張力Ｔとして後述する乗算器１１８の一方の入力端子に加えられている。

張力偏差ΔＴは比較器１１５にも入力され、この比較器１１５において張力偏差ΔＴが設定値Ｋ以上になった場合、後続する比較リレー１１６に比較検出信号が送られるようになっている。１１７は比較リレー１１６の接点であり、比較リレー１１６の不動作時には加算器１１０の他方の入力端子への入力量がなく（入力「零」）、比較リレー１１６の動作時には巻径補正量ΔＤが加算器１１０に入力されるように切り換え制御される。

上記構成により、張力偏差ΔＴが設定値Ｋ以上になると、加算器１１０の出力は巻径Ｄの検出値に巻径補正量ΔＤを加えた（Ｄ＋ΔＤ）に瞬時に切り換えられ、この出力が乗算器１１８で張力Ｔと乗算されて張力分トルクτTとして出力される。
このように、張力偏差信号を用いた巻径補正は行われるのである。
特開平６−１５３３号公報（第２、３頁、図１）

従来の張力制御装置では、張力偏差を入力としたＰＩ制御器の出力を用いた巻径の補正を切り換え動作により瞬時に入り切りするので、ラインの急加減速時に誤動作したり、近年の高速化、高精度化への要求（材料表面の傷など）に対応できなかったりという問題があった。また、ＰＩ制御での調節器で制御する場合は、ロールの磨耗による経年変化のような緩やかな巻径の変化分は、すべてＰＩ調節器の積分で補正されてしまってＰＩ調節器の張力偏差はほとんど０となるので、緩やかに生じるロール巻径の経年変化については巻径補正処理は全く動作しないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、材料と速度検出用ロールとの間のスリップにより発生する張力誤差と、緩やかな変化するロール巻径による張力誤差を区別し、かつ確実に補正を行うことができる最適な張力制御装置およびその制御方法、ならびに張力制御装置を備えた搬送装置を提供することを目的とする。

材料と速度検出用ロールとの間のスリップの補正は、瞬時制御が必要であるので主に張力制御部の比例制御器で行い、ロール巻径の実際の変化は定常的に徐々に変化しているので張力制御部の積分制御器の出力で緩やかに補正することで行うことで、スリップによる張力誤差と、緩やかな変化するロール巻径による張力誤差を区別できるとの知見による。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する前記制御ロールを駆動する制御ロール電動機を制御する制御ロール駆動装置と、前記材料の張力を設定値どおりに張力制御するために、前記制御ロール駆動装置へのライン速度指令に加算する速度補正量を演算する比例制御器と積分制御器からなる張力制御部を備えた張力制御装置において、検出した前記材料の張力と前記設定値との偏差を入力した前記積分制御器の出力の加算により制御ロール径を補正する巻径補正処理部を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項２から５に記載の発明は、請求項１に記載の張力制御装置において、前記巻径補正処理部は、前記積分制御器の出力が所定値以上となる時間が所定時間継続したときに、前記制御ロール径への補正を行うようになっているものであり、前記積分制御器の出力を用いて前記制御ロール径を補正し、該補正処理は前記積分制御器の積分時間以上の時間をかけて補正処理を行うものであり、前記制御ロール径への補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移しない場合は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限するものであり、前記制御ロール径への補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移する場合は、設定されている制御ロール径の値を前記積分制御器の出力分を加算して設定変更するものが適宜適用される。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５の構成をすべて有するように構成したものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４または６に記載の張力制御装置において、前記材料特性から要求される補正制限値は、前記材料のヤング率で決定され、請求項８に記載の発明は、請求項４または６に記載の張力制御装置において、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限して運転している間は、異常あるいは警報信号を出力することを特徴とするものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項９に記載の発明は、基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する前記制御ロールを駆動する制御ロール電動機を制御する制御ロール駆動装置と、前記材料の張力を設定値どおりに張力制御するために、前記制御ロール駆動装置へのライン速度指令に加算する速度補正量を演算する比例制御器と積分制御器からなる張力制御部を備えた張力制御装置の制御方法において、検出した前記材料の張力と前記設定値との偏差を入力した前記積分制御器の出力が所定値以上となる時間が所定時間継続したときに、前記積分制御器の出力の加算を用いて前記制御ロール径を補正し、該補正処理は前記積分制御器の積分時間以上の時間をかけて実施し、該補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移しない場合は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限し、前記積分制御器の出力が減少方向に推移する場合は、設定されている制御ロール径の値を前記積分制御器の出力分を加算して設定変更するという手順で処理するものである。

さらに、請求項１０に記載の発明は、基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する搬送装置において、請求項１から６のいずれかに記載の張力制御装置を備えたことを特徴とし、請求項１１に記載の発明は、基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する搬送装置において、請求項９に記載の張力制御装置の制御方法を実施するものである。

請求項に記載の発明によると、制御ロール径を張力制御器の積分項で補正することにより、ショックレス（緩やか）にかつ確実に補正できる。
特に、請求項７の発明によると、前記積分項の大きさにより異常と判断されると、速度補正出力を制限するので、材料の破損には至らない運転にでき、請求項８の発明によると、前記積分項の大きさにより異常と判断されると、異常あるいは警報信号を出力することが可能となるので、操業者がラインを安全停止することができ、不良製品の発生を少なくすることができる。
また、請求項１０及び１１に記載の発明によると、材料を安定して搬送が実現できるのでロールの異常速度が抑制され、材料表面の傷、破断を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の張力制御装置を備えた搬送装置の構成図である。図１において、１は材料、２は基準ロール電動機４で駆動される基準ロールで、速度検出器５は基準ロール電動機４に結合されている。基準ロールへの速度指令は、基準ロール径設定器８の設定値（基準ロール径）とライン速度設定器９による設定値（ライン速度指令）により変換して求める。この変換は、ライン速度指令を円周率と基準ロール径で除算する処理からなる。７は基準ロール速度制御器で、基準ロールへの速度指令と速度検出器５が一致するように制御し、その出力により基準ロール駆動装置６を駆動し、基準ロール電動機４を速度制御する。

３は制御ロール電動機１０で駆動される制御ロールで、速度検出器１１は制御ロール電動機１０に結合されている。制御ロールへの速度指令は、制御ロール径設定器１４の設定値（制御ロール径）、ライン速度設定器９による設定値（ライン速度指令）、後述する第２補正制限器２３の速度補正出力により変換して求める。この変換は、ライン速度指令と速度補正出力の和を円周率と基準ロール径で除算する処理からなる。１３は制御ロール速度制御器で、制御ロールへの速度指令と速度検出器１１が一致するように制御し、その出力により制御ロール駆動装置１２を駆動し、制御ロール電動機１０を速度制御する。

材料１の張力制御は、比例制御器１７ならびに積分制御器１８で行われ、張力設定器１５による張力指令Ｔ*と張力検出器１６で検出した張力Ｔが一致するように制御される。なお、積分制御器１８の出力は、積分制限器１９により積分制限値２０で制限され、比例制御器１７と積分制限器１９の出力の加算値は、第１補正制限器２１により第１補正制限値２２で制限される。制限処理された張力制御の出力は、後述の第２補正制限器２３へ入力される。

巻径補正処理部４０は、積分制御器１８の積分量を監視する積分監視器２６、出力リレーＡ２７（励磁部及び接点部）、ロール径の補正処理が効果的であるか否かを判断する補正状態監視器２８、出力リレーＢ２９（励磁部及び第１の接点部）、出力リレーＣ３０（励磁部及び接点部）、積分制御器１８の出力を緩やかにロール径補正に使用するようにするロール径補正切換器３１からなる。
速度補正出力の制限値の切換処理部５０は、第１補正制限値２２と第２補正制限値２４を切り換える出力リレーＢ２９（第２の接点部）と、前記切り換えた補正制限値を緩やかに切り換える補正制限値切換器２５と最終的に速度補正量を出力する第２補正制限器２３からなり、制限処理された張力制御の出力は、前述のように制御ロール３への速度指令に補正される。
なお、巻径補正処理部４０と速度補正出力の制限値の切換処理部５０の動作の詳細説明は後述する。
このような構成により、材料１は図内矢印方向のように基準ロール２から制御ロール３へ搬送される。
本発明が従来技術と異なる部分は、巻径補正処理部４０と速度補正出力の制限値の切換処理部５０とを備えた部分である。

次に本発明の動作について説明する。
まず、巻径補正処理部４０の巻径補正処理について、図２の処理フローチャートを用いて説明する。
はじめにステップ１で、積分監視器２６は積分制御器１８の値が積分制限値２０以下であるかをチェックし、ＹＥＳであれば、この処理から抜け、ＮＯであれば、ステップ２に進む。
次にステップ２で、積分監視器２６は積分制御器１８の値が積分制限値２０以上となった状態が所定時間継続しているかをチェックし、ＹＥＳであれば、出力リレーＡを励起して、ロール径を自動変更する処理を動作させ、ステップ３に進み、ＮＯであれば、時間をカウントアップし、この巻径補正処理のはじめに戻る。
なお、ロール径の自動変更は、積分制御器１８の出力を、ロール径補正切換器３１により緩やかにロール径設定値に補正を行う処理である。

次にステップ３で、ステップ２実施したロール径の自動変更処理が効果ありかどうかをチェックする。このチェックは積分制御器１８の出力が減少しているか否かで判断する。積分制御器１８の出力が減少していればステップ４に進み、減少していなければステップ５へ進む。
次にステップ４で、出力リレーＣを励起して、ロール径設定値に現在補正しているロール径補正量を加算したロール径を新たなロール径設定値として更新し、同時に出力リレーＡをＯＦＦし、この処理から抜ける。

次にステップ５で、出力リレーＢを励起して、ロール径設定値に現在補正しているロール径補正量を加算したロール径を新たなロール径として更新し、速度補正出力に対する制限値を第１補正制限値２２から第２補正制限値２４を切り換え、同時に出力リレーＡをＯＦＦし、必要によりロール径異常もしくは警報信号を出力し、この処理から抜ける。なお、速度補正出力に対する制限値のスムーズな切り換え処理は後述する。
このように、積分制御器１８の出力の大きさにより、ロール径設定値の自動変更処理を行うことができ、さらに実施したロール径の自動変更処理に効果がないか判断でき、効果がなければ、異常もしくは警報信号を出力させることが可能である。

次に、速度補正出力の制限値の切換処理部５０の動作について説明する。
第２補正制限器２３は、第１補正制限器２１の出力にさらに第２補正制限値２４による制限をかけるようにして速度補正出力の制限値を切り換える動作で実現する構成としている。この制限処理は第１補正制限器２１と第２補正制限値２４で制限値を切り換えるように構成してもよい。
補正制御値切換器２５は、第１補正制限値２２から第２補正制限値２４に滑らかに切り換えるためのものでラインに発生するショックを防止する。ここで第２補正制限値２４は、材料特性で決定される値であり、（１）式に示すΔＶで表される。
ΔＶ＝Ｔ／（Ｅ＊Ａ）・・・・（１）
なお、Ｔは張力（Ｎ）、Ｅは材料のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２）、Ａは材料の断面積（ｍｍ^２）である。

ここで、第１補正制限値２２と第２補正制限値２４の差について、材料１が紙の場合を例にして簡単に説明する。
通常、紙におけるΔＶは０．０５〜０．１％程度であるが、積分制限値２０や第１補正制限値２２には１０〜１５％に設定されている。それは、理想状態であれば、積分制限値２０や第１補正制限値２２についても、（１）式で得られるΔＶは０．０５〜０．１％とすれば十分であるところ、材料１のパス長や張力時定数の大きさを考慮し、張力制御の応答を確保するためにオーバシュートを許容するため、（１）式で求まるΔＶよりも大きな値を設定しているのである。
したがって、第２補正制限値２４を（１）式で示されるΔＶで制限するということは、スリップのない理想状態に近い運転であれば何ら問題なく運転継続でき、かつ材料の破損等には至らない値に速度補正出力を制限することを意味する。

このように、巻径補正処理が異常と判断される場合には、制御ロール３への速度補正出力を緩やかに切り換え、しかも材料特性で決定される値以上にならないようにしているので、ロール径が正常に更新されたり、スリップが解消されたりして、巻径補正処理が正常に復帰して積分制御器１８の出力が減少に転じても、ラインに急激な変化を与えないようにできるので、安定した張力制御が実現される。

張力設定値１５をダンサロール位置設定器に、張力検出器１６をダンサロール位置検出器に置き換えることによって、全く同様に実施することができるので、ダンサロールを備えた張力制御を行う装置にも適用できる。

本発明の張力制御装置を備えた搬送装置の構成図本発明のロール径補正処理のフローチャート従来の巻取・巻出機の張力制御装置の構成図

符号の説明

１材料
２基準ロール
３制御ロール
４基準ロール電動機
５速度検出器
６基準ロール駆動装置
７基準ロール速度制御器
８基準ロール径設定器
９ライン速度設定器
１０制御ロール電動機
１１速度検出器
１２制御ロール駆動装置
１３制御ロール速度制御器
１４制御ロール径設定器
１５張力設定器
１６張力検出器
１７比例制御器
１８積分制御器
１９積分制限器
２０積分制限値
２１第１補正制限器
２２第１補正制限値
２３第２補正制限器
２４第２補正制限値
２５補正制限値切換器
２６積分監視器
２７出力リレーＡ
２８補正状態監視器
２９出力リレーＢ
３０出力リレーＣ
３１ロール径補正切換器
４０巻径補正処理部
５０速度補正出力の制限値の切換処理部
１０１材料
１０２巻出ロール
１０３ライン速度検出用ロール
１０４張力検出用ロール
１０５速度発電機
１０６張力検出器
１０７巻出モータ
１０８速度発電機
１０９除算器
１１０加算器
１１１張力設定器
１１２、１１３加算器
１１４ＰＩ制御器
１１５比較器
１１６比較リレー
１１７比較リレー１１６の接点
１１８乗算器

Claims

基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する前記制御ロールを駆動する制御ロール電動機を制御する制御ロール駆動装置と、前記材料の張力を設定値どおりに張力制御するために、前記制御ロール駆動装置へのライン速度指令に加算する速度補正量を演算する比例制御器と積分制御器からなる張力制御部を備えた張力制御装置において、
検出した前記材料の張力と前記設定値との偏差を入力した前記積分制御器の出力の加算により制御ロール径を補正する巻径補正処理部を備えたことを特徴とする張力制御装置。
前記巻径補正処理部は、前記積分制御器の出力が所定値以上となる時間が所定時間継続したときに、前記制御ロール径への補正を行うようになっていることを特徴とする請求項１に記載の張力制御装置。
前記巻径補正処理部は、前記積分制御器の出力を用いて前記制御ロール径を補正し、該補正処理は前記積分制御器の積分時間以上の時間をかけて補正処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の張力制御装置。
前記制御ロール径への補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移しない場合は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の張力制御装置。
前記制御ロール径への補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移する場合は、設定されている制御ロール径の値を前記積分制御器の出力分を加算して設定変更することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力制御装置。
基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する前記制御ロールを駆動する制御ロール電動機を制御する制御ロール駆動装置と、前記材料の張力を設定値どおりに張力制御するために、前記制御ロール駆動装置へのライン速度指令に加算する速度補正量を演算する比例制御器と積分制御器からなる張力制御部を備えた張力制御装置において、
検出した前記材料の張力と前記設定値との偏差を入力した前記積分制御器の出力の加算により制御ロール径を補正する巻径補正処理部を備え、
前記巻径補正処理部は、前記積分制御器の出力が所定値以上となる時間が所定時間継続したときに、前記制御ロール径への補正し、
前記積分制御器の出力を用いて前記制御ロール径を補正し、
該補正処理は前記積分制御器の積分時間以上の時間をかけて実施し、
該補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移しない場合は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限し、前記積分制御器の出力が減少方向に推移する場合は、設定されている制御ロール径の値を前記積分制御器の出力分を加算して設定変更することを特徴とする張力制御装置。
前記材料特性から要求される補正制限値は、前記材料のヤング率で決定されることを特徴とする請求項４または６に記載の張力制御装置。
前記巻径補正処理部は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限して運転している間は、異常あるいは警報信号を出力することを特徴とする請求項４または６に記載の張力制御装置。
基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する前記制御ロールを駆動する制御ロール電動機を制御する制御ロール駆動装置と、前記材料の張力を設定値どおりに張力制御するために、前記制御ロール駆動装置へのライン速度指令に加算する速度補正量を演算する比例制御器と積分制御器からなる張力制御部を備えた張力制御装置の制御方法において、
検出した前記材料の張力と前記設定値との偏差を入力した前記積分制御器の出力が所定値以上となる時間が所定時間継続したときに、前記積分制御器の出力の加算を用いて前記制御ロール径を補正し、
該補正処理は前記積分制御器の積分時間以上の時間をかけて実施し、
該補正処理実施後、前記積分制御器の出力が減少方向に推移しない場合は、前記速度補正量を材料特性から要求される補正制限値で制限し、前記積分制御器の出力が減少方向に推移する場合は、設定されている制御ロール径の値を前記積分制御器の出力分を加算して設定変更することを特徴とする張力制御装置の制御方法。
基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する搬送装置において、
請求項１から６のいずれかに記載の張力制御装置を備えたことを特徴とする搬送装置。
基準ロール・制御ロールによって材料を搬送する搬送装置において、
請求項９に記載の張力制御装置の制御方法を実施する搬送装置。