JP6511185B1 - 医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム - Google Patents

医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム Download PDF

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【課題】PID調節計を用いずにPLCでラダープログラムを実行するだけでPID制御と同等の圧力、流量、温度、重量又はpHの制御が可能な医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムを提供する。【解決手段】製品が流通する配管2と、配管2に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブ3と、コントロールバルブ3を通過した製品の流量についての現在値を取得する流量センサー4と、流量センサー4から現在値を読み取り可能であり、コントロールバルブ3の開度を設定するための制御値に基づいて開度を調節するプログラマブルロジックコントローラ(PLC)5と、を備え、PLC5は、製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、現在値が設定値となるように制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行する。【選択図】 図1

Description

本発明は、医薬品又は飲料食品を所望の圧力、流量、又は温度に設定することができる製造プラントの制御システムに関する。
医薬品又は飲料食品(原料や中間生成物含む。以下、まとめて製品と称する。)の製造プラントは、原料タンク、調合タンク、フィルター、熱交換器、充填機など各種装置や、これらを接続する配管、バルブなどから構成されている。これらの各種装置は、プログラマブルロジックコントローラ(以下、PLC)により適宜制御され、原料から製品が製造される。
例えば、PLCは、原料タンクから調合タンクに所定の流量で原料が供給されるようにそれらを接続する配管に設けられたバルブの開閉制御を行うものがある(特許文献1参照)。流量を制御するためにバルブの開閉制御を実現する具体的な手段としてPID制御が用いられる。一般に、PID制御はPLC単独では困難であるので、PID調節計をPLCに搭載し、PLCとPID調節計とでPID制御を行っている。
具体的には、PLCにPID調節計を搭載し、PID調節計にパラメータを与えるラダープログラムを構築する。パラメータとしては、流量の現在値や設定値などである。このようなラダープログラムを実行することで、PID調節計により流量の現在値が設定値となるようにバルブの開閉がPID制御される。
しかしなから、PID調節計は、メーカーや機種ごとにパラメータ、使い方、特性などが異なる。このため、ラダープログラムは、PID調節計のメーカーや機種が変れば、その都度、ラダープログラムの構築や修正が必要になるという問題がある。また、PLCの他にPID調節計が必要となることから、コストが増大するという問題がある。なお、このような問題は、製品の流量を制御する場合に限らず、温度、圧力、重量、pHを調整する場合についても同様に存在する。
特許第3449609号公報
本発明は、このような事情に鑑み、PID調節計を用いずにPLCでラダープログラムを実行するだけでPID制御と同等の圧力、流量、温度、重量又はpHの制御が可能な医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための第1の態様は、医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、前記製品が流通する配管と、前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、さらに、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントの終了時に、前記制御値を前回終了時制御値として記憶し、前記製造プラントを始動してから所定時間までの間に、前記前回終了時制御値になるまで所定量ずつ前記制御値を増加させるラダープログラムを実行し、前記所定量は、前記前回終了時制御値を所定数で分割した量であることを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにある。
本発明の第の態様は、医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、前記製品が流通する配管と、前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、さらに、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が前記設定値よりも大きい場合は、前記制御値から第1の所定量を減少させ、前記現在値が前記設定値よりも小さい場合は、前記制御値から第1の所定量を増加させるラダープログラムを実行することを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにある。
本発明の第の態様は、第の態様に記載する医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにおいて、前記設定値に対して所定の増加幅又は減少幅が設定されており、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が前記設定値に前記増加幅を加算した値よりも大きい場合は、前記制御値から前記第1の所定量よりも大きい第2の所定量を減少させ、前記現在値が前記設定値から前記減少幅を減算した値よりも小さい場合は、前記制御値から前記第1の所定量よりも大きい第2の所定量を増加させるラダープログラムを実行することを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにある。
本発明の第の態様は、医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、前記製品が流通する配管と、前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の上限値よりも大きい場合は、前記製品の供給を遮断せずに前記制御値を減少させることを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにある。
本発明によれば、PID調節計を用いずにPLCでラダープログラムを実行するだけでPID制御と同等の圧力、流量、温度、重量又はpHの制御が可能な医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムが提供される。
製造プラントの制御システムの概略構成図である。 現在値と設定値を示すグラフ及び制御値を示すグラフである。 制御システムの動作を示すフローチャートである。 制御システムの動作を示すフローチャートである。 制御システムの動作を示すフローチャートである。
図1は本実施形態に係る製造プラントの制御システムの概略構成図である。製造プラントは、特に図示しないが、医薬品又は飲料食品(原料や中間生成物含む。以下、まとめて製品と称する。)を製造するための原料タンク、調合タンク、フィルター、熱交換器、充填機など各種装置や、これらを接続する配管、バルブ、さらにこれらを制御するプログラマブルロジックコントローラ(以下、PLC)から構成されている。
同図には、製造プラントの一部である配管2、コントロールバルブ3、流量センサー4、PLC5が示されている。本実施形態では、製造プラントにおいて配管2を流通する製品をコントロールバルブ3により所定の流量にするための制御システム1について説明する。
配管2は、例えば、調合タンクと熱交換器(殺菌機)とを接続しており、調合タンクで各種原料が調合されて得られた製品を熱交換器に送液するためのものである。コントロールバルブ3は、配管2の開度を調節可能な流量制御弁であり、PLC5の制御により開度が調節される。流量センサー4は、配管2を流通する製品の流量を検出する装置である。流量センサー4は、配管2のコントロールバルブ3よりも下流側に設けられ、コントロールバルブ3を通過した製品の流量を検出する。
PLC5は、プログラマブルコントローラ又はシーケンサとも称される装置である。PLC5は、CPU及びメモリを備え、メモリに記憶されたラダープログラムを読み取り実行する。PLC5により実行されるラダープログラムは、製造プラントにおいて製品を製造するために必要な各種装置に対する制御を記述したものである。
このような製品を製造するラダープログラムの一部として、配管2を流通する製品の現在値が設定値となるようにコントロールバルブ3に対する制御値を調整するラダープログラムが実装されている。
現在値とは、流量センサー4により計測された配管2を流通する製品の流量である。設定値とは、配管2を流通する製品に対して設定された流量である。設定値は、PLC5に記憶されており、設計時又は運用時に適宜設定される。制御値とは、コントロールバルブ3の開度を制御するための値である。制御値が0%であればコントロールバルブ3は全閉、制御値が100%であればコントロールバルブ3は全開である。
図2〜図5を用いて、PLC5により実行される製品の流量の制御について説明する。図2(a)は現在値と設定値を示すグラフであり、図2(b)は制御値を示すグラフである。図3〜図5は、制御システム1の動作を示すフローチャートである。図2(a)及び図2(b)の横軸は時間を表している。図2(a)の縦軸は現在値(流量)を表し、図2(b)の縦軸は制御値を表している。
製品の現在値を設定値にするための制御は、初期立上、緊急時、安定時、不安定時の4つに分類される。まず、初期立上げについて説明する。
初期立上は、製造プラントを始動させてから所定時間(本実施形態では15秒とする)までの間の時間(T0〜T1)をいう。具体的には、図2(a)に示すように、現在値が設定値よりも大きく乖離しているときに行われる。また、ここでいう始動とは、製品を製造するために製造プラントを始動させることのみならず、CIP/SIPの始動も含む。
まず、PLC5は、製造プラントにおける製品の製造プロセスの終了時に、そのときの制御値を前回終了時制御値としてメモリに記憶しておく。このとき、後述する安定時における制御値を前回終了時制御値として記憶する。なお、初めて製造プラントを始動させるときは、まだ一度も製造プロセスを実行し終えていないことから、予め適当な値を前回終了時制御値として設定しておく。
次回に製造プロセスを始動する際には(T0)、PLC5は、前回終了時制御値を呼出し(図3ステップS1)、前回終了時制御値を所定数(本実施形態では5)で分割した量(以下、増加量)を計算する(図3ステップS2)。次に、PLC5は、製造プラントを始動してから所定時間(T1)までの間に、前記前回終了時制御値になるまで増加量ずつ制御値を増加させる(図3ステップS3)。
図2(b)に示すように、初期立上では、15秒の間に段階的に制御値が増加している。この増加量は、前回終了時制御値を5で分割した値となっており、初期立上の終了時では、制御値は前回終了時制御値となっている。
図2(a)に示すように、初期立上では、制御値を段階的に増加させていくため、すなわち、コントロールバルブ3の開度が段階的に開いているため、現在値(流量)が設定値付近まで早く立ち上げることができる。また、初期立上では、開度を段階的に増加させていくが、その到達点は前回終了時制御値である。前回終了時制御値は、前回の製造プロセスにおいて、現在値が設定値にほぼ等しい時におけるものである。したがって、初期立上が完了したときには、若干のオーバーシュートはあるが、すぐに現在値を設定値に安定させることができる。
また、ある特定の設定値を実現するために必要な制御値は一定とは限らず、例えば、製造プラントの周囲の環境の変化(季節変動など)によって変動する。本発明では、前回終了時制御値は、製造プロセスのたびに更新されるものであり、初期立上ではその前回終了時制御値となるように段階的に制御値を増加させていく。これにより、初期立上の完了時には、製造プラントの周囲の環境の変化に適応して最適な制御値とすることができる。
次に、緊急時について説明する。緊急時は、現在値が上限値(設定値±Δより大きい値)を超えたときのことをいう(T6〜T7)。PLC5は、製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に(T1以後に)、現在値が所定の上限値よりも大きい場合は(図2のT6のとき、図3ステップS4;Yes)、緊急時と判定し、制御値を減少させる(図3ステップS5)。
現在値が上限値を超えたとき(図2(b)T6)の制御値を90%(図2(a))にする。これにより、コントロールバルブ3の開度が小さくなるので、図2(a)に示すように、現在値は減少し、所定時間経過後(T7)、上限値を下回るようになる。このように、何らかの原因で上限値を超えるような緊急事態が生じても、それを検知して流量を減少させ、緊急事態を解消することができる。
なお、T6からT7の間、コントロールバルブ3の制御値を減少させる方法としては、一度、制御値を減少させるだけでもよいし、一定間隔を空けて複数回に亘って制御値を減少させてもよい。また、現在値が上限値を超えたとき、直ちに、コントロールバルブ3の制御値を減少させてもよいし、一定時間経過後に減少させるようにしてもよい。
次に、安定時について説明する。安定時は、現在値が設定値±Δ(+Δを増加幅、−Δを減少幅と称する)以内であるときをいう(T3〜T4、T5〜T6)。PLC5は、製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、現在値が設定値よりも大きい又は小さい場合は、制御値に第1の所定量を減少又は増加させるラダープログラムを実行する。詳細には次のように処理が行われる。
まず、PLC5は、緊急時でないとき(図3ステップS4;No)、現在値が設定値より大きいかを判定する(図3ステップS6)。現在値が設定値より大きい場合(図3ステップS6;Yes)、制御値を第1の所定量だけ減少させる(図4ステップS7)。
図2(a)に示すように、安定時において、現在値が設定値を超えたとき(T10)、図2(b)に示すように、制御値から第1の所定量(例えば、そのときの制御値の0.3%)を減じる。これにより、コントロールバルブ3の開度が若干小さくなるので、図2(a)に示すように、制御値を減じてから一定時間経過後(T11)に、現在値は減少し、設定値と等しいまたは近くなっている。
また、PLC5は、現在値が設定値以下の場合(図3ステップS6;No)、制御値を第1の所定量だけ増加させる(図5ステップS8)。なお、加算時(図4ステップS7)の第1の所定量と減算時(図5ステップS8)の第1の所定量は異なっていてもよい。
図2(a)に示すように、安定時において、現在値が設定値以下であるとき(例えばT12)、図2(b)に示すように、制御値から第1の所定量(例えば、そのときの制御値の0.2%)を増加する。これにより、コントロールバルブ3の開度が若干大きくなるので、図2(a)に示すように、制御値を増加してから一定時間経過後(例えばT13)に、現在値は増大し、設定値と等しいまたは近くなっている。
このように、コントロールバルブ3を開閉することで、現在値が設定値とほぼ等しい安定な状態を維持することができる。
なお、安定時において、コントロールバルブ3の制御値を増加又は減少させる方法としては、一度、制御値を増加又は減少させるだけでもよいし、一定間隔を空けて複数回に亘って制御値を増加又は減少させてもよい。また、現在値が設定値を超えたとき、直ちに、コントロールバルブ3の制御値を増加又は減少させてもよいし、一定時間経過後に増加又は減少させるようにしてもよい。
次に、不安定時について説明する。不安定時は、現在値が設定値±Δより大きい又は小さいときをいう(T2〜T3、T4〜T5)。PLC5は、製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、現在値が設定値±Δよりも大きい又は小さい場合は、制御値に第2の所定量を減少又は増加させるラダープログラムを実行する。詳細には次のように処理が行われる。なお、第2の所定量は第1の所定量よりも大きい。
まず、PLC5は、現在値が設定値+Δより大きいかを判定する(図4ステップS9)。現在値が設定値+Δ以下の場合(図4ステップS9;No)、図3ステップS4に処理が戻る。一方、現在値が設定値+Δより大きい場合(図4ステップS9;Yes)、制御値を第2の所定量だけ減少させる(図4ステップS10)。。そして、PLC5は、現在値が設定値+Δ以上であるならば(図4ステップS11;No)、まだ不安定であるので、一定時間待機した後、ステップS10の処理を実行する。また、PLC5は、現在値が設定値+Δより小さいならば(図4ステップS11;Yes)、安定状態になったので、ステップS4からの処理に戻る。
図2(a)に示すように、不安定時において、現在値が設定値+Δを超えたとき(T4)、図2(b)に示すように、制御値から第2の所定量(例えば、そのときの制御値の3.0%)を減じる。これにより、コントロールバルブ3の開度が小さくなるので、図2(a)に示すように、制御値を減じてから一定時間経過後(T5)に、現在値は大きく減少し、安定状態に向かう。
また、PLC5は、現在値が設定値−Δより小さいかを判定する(図5ステップS12)。現在値が設定値−Δ以上の場合(図5ステップS12;No)、図3ステップS4に処理が戻る。一方、現在値が設定値−Δより小さい場合(図5ステップS12;Yes)、制御値を第2の所定量だけ増加させる(図5ステップS13)。そして、PLC5は、現在値が設定値−Δ以下であるならば(図5ステップS14;No)、まだ不安定であるので、一定時間待機した後、ステップS13の処理を実行する。また、PLC5は、現在値が設定値−Δより大きいならば(図5ステップS14;Yes)、安定状態になったので、ステップS4からの処理に戻る。なお、加算時(図5ステップS13)の第2の所定量と減算時(図4ステップS10)の第2の所定量は異なっていてもよい。
図2(a)に示すように、不安定時において、現在値が設定値−Δより小さいとき(T2)、図2(b)に示すように、制御値から第2の所定量(例えば、そのときの制御値の2.0%)を増加する。これにより、コントロールバルブ3の開度が大きくなるので、図2(a)に示すように、制御値を増加してから一定時間経過後(T3)に、現在値は大きく増大し、安定状態に向かう。
このように、コントロールバルブ3を開閉することで、現在値が不安定な状態となっても、安定状態にすることができる。
なお、不安定時において、コントロールバルブ3の制御値を増加又は減少させる方法としては、一度、制御値を増加又は減少させるだけでもよいし、一定間隔を空けて複数回に亘って制御値を増加又は減少させてもよい。また、現在値が設定値±Δを超えたとき、直ちに、コントロールバルブ3の制御値を増加又は減少させてもよいし、一定時間経過後に増加又は減少させるようにしてもよい。
本実施形態に係る制御システム1では、安定時、不安定時、緊急時に示したように、製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、現在値が設定値となるように制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行する。これにより、ラダープログラムのみで、PID制御と同等の制御を実現して、設定値となるように現在値を制御することができる。
したがって、PID調節計が不要となるのでコストを節減することができる。また、PID調節計のメーカーや機種が変わるたびに、ラダープログラムの構築や修正が必要になる、といった問題が解消される。
なお、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、製品の流量をコントロールバルブ3の開度調整で設定値にするようにしたが、これに限定されない。例えば、製品の温度、圧力、重量、pH等についてもコントロールバルブ3の開度調整で設定値にすることができる。
1…制御システム、2…配管、3…コントロールバルブ、4…流量センサー、5…プログラマブルロジックコントローラ(PLC)

Claims (4)

  1. 医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、
    前記製品が流通する配管と、
    前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、
    前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、
    前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、
    さらに、前記プログラマブルロジックコントローラは、
    前記製造プラントの終了時に、前記制御値を前回終了時制御値として記憶し、
    前記製造プラントを始動してから所定時間までの間に、前記前回終了時制御値になるまで所定量ずつ前記制御値を増加させるラダープログラムを実行し、
    前記所定量は、前記前回終了時制御値を所定数で分割した量である
    ことを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム。
  2. 医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、
    前記製品が流通する配管と、
    前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、
    前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、
    前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、
    さらに、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、
    前記現在値が前記設定値よりも大きい場合は、前記制御値から第1の所定量を減少させ、
    前記現在値が前記設定値よりも小さい場合は、前記制御値から第1の所定量を増加させるラダープログラムを実行する
    ことを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム。
  3. 請求項に記載の医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システムにおいて、
    前記設定値に対して所定の増加幅又は減少幅が設定されており、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、
    前記現在値が前記設定値に前記増加幅を加算した値よりも大きい場合は、前記制御値から前記第1の所定量よりも大きい第2の所定量を減少させ、
    前記現在値が前記設定値から前記減少幅を減算した値よりも小さい場合は、前記制御値から前記第1の所定量よりも大きい第2の所定量を増加させるラダープログラムを実行する
    ことを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム。
  4. 医薬品又は飲料食品を含む製品の製造プラントの制御システムであって、
    前記製品が流通する配管と、
    前記配管に設けられて開度が調節可能なコントロールバルブと、
    前記コントロールバルブを通過した前記製品の温度、圧力、流量、重量又はpHの少なくとも一つについての現在値を検出するセンサーと、
    前記センサーから前記現在値を読み取り可能であり、前記コントロールバルブの開度を設定するための制御値により前記開度を調節するプログラマブルロジックコントローラと、を備え、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、前記現在値が所定の設定値となるように前記制御値を所定量増減させるラダープログラムを実行し、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記製造プラントを始動させてから所定時間を経過した後に、
    前記現在値が所定の上限値よりも大きい場合は、前記製品の供給を遮断せずに前記制御値を減少させる
    ことを特徴とする医薬品又は飲料食品の製造プラントの制御システム。
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