JP5900122B2 - ドライブ装置の制御システム - Google Patents

Description

この発明は、ドライブ装置の制御システムに関するものである。

従来、圧延プラント等において複数の交流可変速電動機の動作を同期協調させて制御しなければならない場合、まず、複数の交流可変速電動機のそれぞれに対して交流可変速電動機駆動装置（以下、「ドライブ装置」という）を１対１に対応させて設け、１台のドライブ装置により１台の交流可変速電動機を駆動制御するようにする。その上で、各ドライブ装置における駆動制御を協調させるために、各ドライブ装置の上位装置としてＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：プログラマブル・ロジック・コントローラ）を設けることが一般的である。

そして、ＰＬＣと各ドライブ装置とを伝送装置を介して通信ネットワークにより通信可能に接続して、この通信ネットワークを通じてＰＬＣから各ドライブ装置へと運転指令を送信し、各ドライブ装置はこのＰＬＣからの運転指令に従ってそれぞれの電動機を駆動制御する。また、この通信ネットワークは各ドライブ装置からＰＬＣへのフィードバック信号の送信にも用いられる。

このように、ＰＬＣから各ドライブ装置への運転指令や、各ドライブ装置からＰＬＣへのフィードバック信号等の送受信は、ＰＬＣと各ドライブ装置とを接続する通信ネットワークを通じて行われる。しかし、多数の電動機を用いる大規模な圧延プロセスライン等においては、個々の電動機を駆動制御するためのドライブ装置の数も非常に多くなる。

ＰＬＣとデータをやり取りするドライブ装置の数が多くなると、通信ネットワークで伝送されるデータ容量もそれに比例して大きくなるため、伝送装置や通信ネットワークには、高い伝送処理能力や伝送速度が求められることになる。そして、これらの能力が不足している場合には伝送速度が低下してしまい、各電動機間での同期がとれなくなる等の制御精度の悪化を招く。

そこで、従来においては、ＰＬＣがドライブ装置から受信するデータの種類を決定して、ＰＬＣからドライブ装置へと運転指令とともに受信データコードを送信し、ドライブ装置はＰＬＣから指定された受信データコードのデータのみをＰＬＣへと送信するようにすることで、ドライブ装置からＰＬＣへと送信されるフィードバック信号のデータ容量を削減しようとするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−１６５５０５号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来におけるドライブ装置の制御システムにおいては、各ドライブ装置からＰＬＣへと送信されるフィードバック信号のデータ容量を削減することを目的としており、ＰＬＣから各ドライブ装置へと送信される運転指令信号のデータ容量については何ら考慮されていない。

ここで、従来のドライブ装置の制御システムにおいては、個々の電動機についての動作速度の演算（個別速度演算）の全てをＰＬＣにおいて実施している。そして、個別速度演算の結果に基づいて、それぞれのドライブ装置に与えるべき運転指令信号をＰＬＣにて生成し、ＰＬＣからそれぞれのドライブ装置へと１対１の関係で個別逐次的に運転指令信号を送信している。

このため、特許文献１に示されたものを含む従来のドライブ装置の制御システムにおいては、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数に比例して、通信ネットワークで伝送される運転指令信号のデータ容量が大きくなり伝送装置や通信ネットワークへの負荷が増大してしまうという課題がある。
また、前述したように全ての電動機についての個別速度演算をＰＬＣにおいて実施しているため、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数に比例して、ＰＬＣでの演算処理負荷が増大してしまうという課題もある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数が増加しても、ＰＬＣにおける演算処理負荷の増大を抑制することができるドライブ装置の制御システムを得るものである。
また、第２の目的は、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数が増加しても、ＰＬＣとドライブ装置との間でのデータ伝送容量の増大を抑制することができ、伝送装置や通信ネットワークにかかる負荷を軽減することが可能であるドライブ装置の制御システムを得るものである。

この発明に係るドライブ装置の制御システムにおいては、複数設けられた電動機のそれぞれと対応して設けられ、前記電動機を駆動制御する複数のドライブ装置と、複数の前記ドライブ装置のそれぞれと通信可能に接続され、各前記ドライブ装置における電動機の駆動制御を統一的に制御する上位装置と、を備え、複数の前記ドライブ装置は、１以上のセクションに区分され、前記上位装置は、前記セクション毎のセクション基準速度を演算するセクション基準速度演算手段と、前記演算された前記セクション基準速度に基づいて前記セクション毎の運転指令を生成する運転指令生成手段と、を有するとともに、前記生成された前記セクション毎の運転指令を複数の前記ドライブ装置へと送信し、同一の前記セクションに属する前記ドライブ装置は、マスタードライブ装置とスレーブドライブ装置とからなり、前記セクション基準速度は、前記マスタードライブ装置が制御する前記電動機の個別速度に等しく、前記マスタードライブ装置は、前記セクション毎の運転指令により前記電動機を駆動制御し、前記スレーブドライブ装置は、前記セクション毎の運転指令に従って、当該スレーブドライブ装置が駆動制御する前記電動機の個別速度を演算する個別速度演算手段と、前記個別速度演算手段が演算した個別速度で前記電動機を動作させるよう速度指令を出力する速度制御部と、を有し、前記速度制御部が出力した速度指令により前記電動機を駆動制御する構成とする。

この発明に係るドライブ装置の制御システムにおいては、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数が増加しても、ＰＬＣにおける演算処理負荷の増大を抑制することができるという効果を奏する。
また、ＰＬＣ配下のドライブ装置の数が増加しても、ＰＬＣとドライブ装置との間でのデータ伝送容量の増大を抑制することができ、伝送装置や通信ネットワークにかかる負荷を軽減することが可能であるという効果も併せ奏する。

この発明の実施の形態１に係るドライブ装置の制御システムの物理的なハードウェア構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るドライブ装置の制御システムの機能的な構成を示すブロック図である。

この発明を添付の図面に従い説明する。各図を通じて同符号は同一部分又は相当部分を示しており、その重複説明は適宜に簡略化又は省略する。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の形態１に係るもので、図１はドライブ装置の制御システムの物理的なハードウェア構成を示すブロック図、図２はドライブ装置の制御システムの機能的な構成を示すブロック図である。

図１において、１は、プロセスライン等に設置された複数の交流可変速式の電動機である。これらの電動機１のそれぞれに対して、電動機１を駆動制御するためのドライブ装置２が設置されている。ドライブ装置２は電動機１と同数設けられている。そして、ドライブ装置２と電動機１とは１対１に対応しており、１台のドライブ装置２により１台の電動機１が駆動制御される。

ドライブ装置２には、入力された直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換して電動機１へと供給するインバータ２ａが備えられている。このインバータ２ａは、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）素子を用いて構成されている。

ドライブ装置２は、インバータ２ａから電動機１へと供給する交流電力の周波数及び電圧を変化させることにより電動機１の動作（回転数やトルク等）を制御する。そして、このインバータ２ａにおける電力変換動作等の駆動制御機能を実現するため、ドライブ装置２には、第１のＣＰＵ２ｂ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、第１のＲＯＭ２ｃ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及び第１のＲＡＭ２ｄ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が備えられている。

第１のＣＰＵ２ｂは、ドライブ装置２における電動機１の駆動制御機能を実現するために必要な演算処理を行う中央演算処理装置である。第１のＲＯＭ２ｃは、書き換え不能な読み出し専用の記憶装置であり、電動機１の駆動制御機能を提供するためのプログラム等が予め格納されている。第１のＲＡＭ２ｄは、第１のＣＰＵ２ｂが直接にアクセス可能な主記憶装置であり、第１のＲＯＭ２ｃから読み出したプログラムや、第１のＣＰＵ２ｂが演算に用いるデータ等が必要に応じて格納される。

各ドライブ装置２における電動機１の駆動制御を統一的に制御するため、各ドライブ装置２の上位装置としてＰＬＣ３（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が設けられている。各ドライブ装置２の動作を制御するため、このＰＬＣ３には、第２のＣＰＵ３ａ、第２のＲＯＭ３ｂ及び第２のＲＡＭ３ｃが備えられている。

第２のＣＰＵ３ａは、ＰＬＣ３が各ドライブ装置２を制御する機能を実現するために必要な演算処理を行う中央演算処理装置である。第２のＲＯＭ３ｂは、書き換え不能な読み出し専用の記憶装置であり、ＰＬＣ３が各ドライブ装置２を制御する機能を提供するためのプログラム等が予め格納されている。第２のＲＡＭ３ｃは、第２のＣＰＵ３ａが直接にアクセス可能な主記憶装置であり、第２のＲＯＭ３ｂから読み出したプログラムや、第２のＣＰＵ３ａが演算に用いるデータ等が必要に応じて格納される。

各ドライブ装置２とＰＬＣ３とは、通信ネットワーク４により通信可能に接続されている。各ドライブ装置２は、各ドライブ装置２がそれぞれ備える第１の通信Ｉ／Ｆ２ｅを介して通信ネットワーク４と接続され、ＰＬＣ３はＰＬＣ３が備える第２の通信Ｉ／Ｆ３ｄを介して通信ネットワーク４と接続されている。

各ドライブ装置２とＰＬＣ３とは、この通信ネットワーク４を介して各種の信号の送受信を行う。各ドライブ装置２とＰＬＣ３との間で通信ネットワーク４を介して送受信される信号には、例えば、ＰＬＣ３から各ドライブ装置２への運転指令信号や、各ドライブ装置２からＰＬＣ３へのフィードバック信号等がある。

以上のような物理的な構成を有するドライブ装置の制御システムを、機能的な側面から捉え直したものが図２である。
ＰＬＣ３においては、例えば、第２のＲＯＭ３ｂに格納されたプログラムを第２のＲＡＭ３ｃにロードし、第２のＣＰＵ３ａでこのプログラムの内容に従った演算処理を実行すること等により、全体基準速度演算部３０、補正速度演算部３１、セクション基準速度演算部３２及び運転指令生成部３３の各機能が実現されている。

全体基準速度演算部３０は、ＭＲＨ（Ｍａｓｔｅｒ Ｒｈｅｏｓｔａｔ）、すなわち、プロセスライン全体の基準速度を演算するものである。補正速度演算部３１は、各電動機１間にかかる張力等を補正するための補正速度を演算するものである。セクション基準速度演算部３２は、全体基準速度演算部３０により演算された全体の基準速度や補正速度演算部３１により演算された補正速度に基づいて、セクション毎の基準速度を演算するものである。

ＰＬＣ３の制御対象である複数のドライブ装置２はセクションに区分されている。１つのセクションには複数のドライブ装置２が属している。１つのドライブ装置２は基本的に１つのセクションのみに属し、１つのドライブ装置２が複数のセクションにまたがって属することはない。換言すれば、各ドライブ装置２はセクション毎にグループ化されており、セクション同士が重なり合う部分はない。ＰＬＣ３が備えるセクション基準速度演算部３２は、このセクション毎に、同一セクションに属する複数のドライブ装置２が従うべきセクション基準速度を演算するものである。

運転指令生成部３３は、セクション基準速度演算部３２により演算された、セクション毎のセクション基準速度に基づいて、ＰＬＣ３の制御対象である各セクションに対する運転指令信号を生成する。こうして生成された運転指令信号は、通信ネットワーク４を介してドライブ装置２へと送信される。したがって、ＰＬＣ３における運転指令信号の生成及び送信は、セクションを単位として行われる。

各ドライブ装置２においては、例えば、第１のＲＯＭ２ｃに格納されたプログラムを第１のＲＡＭ２ｄにロードし、第１のＣＰＵ２ｂでこのプログラムの内容に従った演算処理を実行すること等により、個別速度演算部２０、パラメータ記憶部２１、速度制御部２２及び電力変換部２３の各機能が実現されている。

個別速度演算部２０は、ＰＬＣ３から送信されたセクション毎の運転指令信号に基づいて、それぞれのドライブ装置２が制御する電動機１の個別の運転速度を演算するものである。パラメータ記憶部２１には、個別速度演算部２０における個別速度の演算に必要なパラメータが記憶されている。

この個別速度の演算に必要なパラメータは、例えば、ドライブ装置２の制御対象である電動機１が駆動する圧延ロールのロール径や、電動機１から圧延ロールへと伝達される回転比等の物理的な定数である。

速度制御部２２は、個別速度演算部２０により演算された個別速度で電動機１を動作させるよう速度指令を出力するものである。具体的には、一定周期で個別速度演算部２０による個別速度の演算結果に変更がないかを監視し、個別速度の演算結果に変更があった場合には、変更後の個別速度の速度指令を出力する速度制御ループである。

電力変換部２３は、主にインバータ２ａが備える機能により実現され、速度制御部２２からの速度指令に従って、指令された速度で電動機１を駆動させるように電力を変換して電動機１へと供給するものである。

まず、プロセスラインの運転に先立って、例えば、プロセスラインの運転開始時やプロセスラインの運転停止時等に、個別速度演算部２０での個別速度演算に用いるパラメータの値を、ＰＬＣ３から各ドライブ装置２へと一括して送信する。各ドライブ装置２は、受信したパラメータの値をパラメータ記憶部２１に記憶する。

プロセスラインの運転が開始されると、ＰＬＣ３は、全体基準速度演算部３０、補正速度演算部３１及びセクション基準速度演算部３２において、それぞれ、全体基準速度、補正速度及びセクション基準速度を演算する。そして、ＰＬＣ３は、演算されたこれらの速度に基づき、運転指令生成部３３において、各セクション毎に運転指令信号を生成し、生成したセクション毎の運転指令信号を通信ネットワーク４を介して各ドライブ装置２へと送信する。

ここで、各セクションには、一意に識別可能なようにセクション番号が振られている。そして、ＰＬＣ３から送信されるセクション毎の運転指令信号には、対象とするセクションのセクション番号が含まれている。各ドライブ装置２は、ＰＬＣ３からの運転指令信号を受信すると、その信号に含まれている対象セクション番号を確認する。そして、対象セクション番号が、自身が属するセクションのものであるか否かを確認することで、受信した運転指令信号が自身が従うべきものであるか否かを判別する。

こうして受信したＰＬＣ３からの運転指令信号には、ドライブ装置２が属するセクションが従うべき基準速度（セクション基準速度）に関する情報が含まれている。個別速度演算部２０は、このセクション基準速度を基準とし、パラメータ記憶部２１に記憶された物理的なパラメータを用いて、当該個別速度演算部２０を有するドライブ装置２が制御する電動機１の個別速度を演算する。換言すれば、個別速度演算部２０は、パラメータ記憶部２１に記憶された物理的なパラメータを用いて、セクション基準速度に対する個別速度の差分を演算する。

そして、速度制御部２２は、個別速度演算部２０が演算した個別速度に従って速度指令を電力変換部２３へと出力する。電力変換部２３は、この速度指令に従って変換した電力を電動機１へと供給する。このようにして、ＰＬＣ３からのセクション毎の運転指令信号に基づく各ドライブ装置２での個別速度の演算を経て、各電動機１の動作が制御される。

以上のように構成されたドライブ装置の制御システムにおいては、ＰＬＣ３は、セクションを単位とした基準速度の演算及び運転指令の生成並びに送信を行う。そして、各ドライブ装置２においては、セクション基準速度を基準として、同一のセクションに属するドライブ装置２間における相対的な速度関係を個別に演算して、電動機１の制御を行う。

このように、従前はＰＬＣ３で行っていた個別速度の演算を、各ドライブ装置２に分散させて行うようにしたことで、ＰＬＣ３配下のドライブ装置２の数が増加しても、ＰＬＣはセクションを単位とした演算を行えばよいため、ＰＬＣ３における演算処理負荷の増大を抑制することができる。

また、ＰＬＣ３からドライブ装置２へと送信される運転指令信号もセクション単位のものとなるため、ＰＬＣ３とドライブ装置２との間でのデータ伝送容量の増大を抑制することができ、伝送装置や通信ネットワーク４にかかる負荷を軽減することも併せて可能となる。そして、以上のことから、高精度かつ高速な制御を実現することができる。

なお、ドライブ装置２による電動機１の運転には通常運転の他にも、例えば通板作業等の際に行われる寸動運転がある。この寸動運転は所定の一定速度で比較的に短い距離を移動させるものである。この寸動運転は予め決められた一定速度で行われるため、ドライブ装置に対しては寸動運転を行わせる運転指令としては、セクション番号と寸動運転の方向（正寸／逆寸）の情報が少なくとも含まれていればよいことになる。したがって、さらなる信号伝送量の削減を図ることが可能となる。

また、ＰＬＣ３の異常や、ＰＬＣ３とドライブ装置２との間の通信ネットワーク４の異常等によりドライブ装置２にＰＬＣ３からの運転指令が伝送されなくなった場合には、プロセスラインの運転を緊急停止させる必要が生じる。この緊急停止において急激に各電動機１が停止すると、圧延中の圧延材について不良が発生してしまうため、各電動機１が連係を保ちながら、徐々に減速して停止させることが望ましい。

この発明に係るドライブ装置の制御システムにおいては、各電動機１の個別の速度は各ドライブ装置２で行うことができるため、ＰＬＣ３からの運転指令がない状況でも、各セクションにおいて、セクション内の各ドライブ装置２の協調的な速度制御を、自律的に行うことができる。したがって、前述したようなＰＬＣ３からの運転指令が断たれて緊急停止を行う場合において、同一セクション内の各電動機１が連係を保ちながら徐々に減速して停止することができる。

なお、同一のセクションに属するドライブ装置２同士の関係については、大きく分けて次の２通りが考えられる。まず、１つは、同一のセクションに属するドライブ装置２同士の立場について全く区別をつけずに、同一のセクションに属する全てのドライブ装置２を対等に取り扱うというものである。

そして、２つめは、同一のセクションに属するドライブ装置２のうちの１台をマスターとし、当該セクションに属する他のドライブ装置２をスレーブとして取り扱うというものである。この場合には、セクション基準速度は、マスターのドライブ装置２が駆動する電動機１の個別速度そのものとなり、マスターのドライブ装置２においては、実質的に個別速度演算を行わない。そして、スレーブのドライブ装置２においては、セクション基準速度すなわちマスターの個別速度からの差分を演算する。この、ドライブ装置２にマスター−スレーブ関係を設定する場合においては、セクション運転指令がマスターのドライブ装置２への運転指令そのものとなっている。

１ 電動機
２ ドライブ装置
２ａ インバータ
２ｂ 第１のＣＰＵ
２ｃ 第１のＲＯＭ
２ｄ 第１のＲＡＭ
２ｅ 第１の通信Ｉ／Ｆ
３ ＰＬＣ
３ａ 第２のＣＰＵ
３ｂ 第２のＲＯＭ
３ｃ 第２のＲＡＭ
３ｄ 第２の通信Ｉ／Ｆ
４ 通信ネットワーク
２０ 個別速度演算部
２１ パラメータ記憶部
２２ 速度制御部
２３ 電力変換部
３０ 全体基準速度演算部
３１ 補正速度演算部
３２ セクション基準速度演算部
３３ 運転指令生成部

Claims (2)

1. 複数設けられた電動機のそれぞれと対応して設けられ、前記電動機を駆動制御する複数のドライブ装置と、
   複数の前記ドライブ装置のそれぞれと通信可能に接続され、各前記ドライブ装置における電動機の駆動制御を統一的に制御する上位装置と、を備え、
   複数の前記ドライブ装置は、１以上のセクションに区分され、
   前記上位装置は、
   前記セクション毎のセクション基準速度を演算するセクション基準速度演算手段と、
   前記演算された前記セクション基準速度に基づいて前記セクション毎の運転指令を生成する運転指令生成手段と、を有するとともに、前記生成された前記セクション毎の運転指令を複数の前記ドライブ装置へと送信し、
   同一の前記セクションに属する前記ドライブ装置は、マスタードライブ装置とスレーブドライブ装置とからなり、
   前記セクション基準速度は、前記マスタードライブ装置が制御する前記電動機の個別速度に等しく、
   前記マスタードライブ装置は、前記セクション毎の運転指令により前記電動機を駆動制御し、
   前記スレーブドライブ装置は、
   前記セクション毎の運転指令に従って、当該スレーブドライブ装置が駆動制御する前記電動機の個別速度を演算する個別速度演算手段と、
   前記個別速度演算手段が演算した個別速度で前記電動機を動作させるよう速度指令を出力する速度制御部と、を有し、
   前記速度制御部が出力した速度指令により前記電動機を駆動制御することを特徴とするドライブ装置の制御システム。
2. 前記スレーブドライブ装置は、前記個別速度演算手段での前記個別速度の演算に用いるパラメータを記憶するパラメータ記憶手段を備え、
   前記パラメータ記憶手段は、前記個別速度演算手段での前記個別速度の演算に先立って前記上位装置から送信されたものを前記パラメータとして記憶することを特徴とする請求項１に記載のドライブ装置の制御システム。

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