JP6636945B2 - 過渡状態のシステムにおける流量制御の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、１以上のシステムパラメータの制御に関するものであり、具体的には、過渡状態のシステムにおける流量の補正に関するものである。

様々なシステムパラメータ（例えば、圧力、流量、温度など）を制御する産業システムは、様々な外乱に遭遇することが多い。設定されたパラメータ範囲内にシステムを維持するため、システムを制御する仕組みが、環境の変化や、システム内に含まれる流体や材料の多様な特性に応じて構築される。このような制御システムでは、多くの場合、システムの性能に欠かすことのできないパラメータを監視することにより、システムにおける漸次の変化を検知し、これを打ち消す。

産業システムとして、特定の圧力及び流量で、材料（例えば、塗料、接着剤、エポキシ樹脂など）の供給を行うスプレーヤを用いるものがある。一定の圧力及び流量で、継続的に、即ち比較的長期間にわたり作動するシステムの場合、圧力及び流量は、比較的安定した定常状態に達する。従って、材料及びシステム動作の少なくとも一方におけるわずかな変化を注意深く監視し、一般的な制御の仕組みによって、これを打ち消すことが可能である。

しかしながら、そういったシステムが複数の圧力や流量の組み合わせのもとで作動し、いくつかの状態が比較的短期間しか生じない場合、圧力及び流量が定常状態に達することはない。スプレーヤの出口とシステム内での計測位置とでは状態が異なるなるため、このような短い期間におけるシステム内での圧力及び流量の変化や変動は、制御システムにとって問題を生じ得るものとなる。このような過渡状態を考慮することができないと、材料の過剰供給や供給不足を招く可能性がある。

従来の制御の仕組みとして、システムの作動状態を区分し、それぞれの動作を実行する前に補正処理を実行することにより、過渡期間の制御を行うものがある。しかしながら、補正処理の間は生産が中断するので、補正処理によって製造コストが増大すると共に、製造工程の流れが混乱することになる。別の従来の制御の仕組みでは、システムが定常状態となるまで、材料を過剰供給することにより、過渡期間の制御を行うようにしている。システムが定常状態となってしまえば、従来の制御の仕組みであっても、わずかな変動に対応することが可能となる。但し、材料の過剰供給によって、材料コストが増大することになる。

従って、システムにおける圧力及び流量の制御について、複数の作動条件、環境変化、及び過渡状態に、優れた費用対効果をもって適応可能なものが求められている。

流量制御方法は、作動流量と作動圧力とにより規定される作動条件を選定する工程と、前記作動流量を流量閾値と比較する工程と、前記作動流量が前記流量閾値以上の場合に、適応補正処理を実行する工程とを備える。この適応補正処理は、前記作動圧力を計測する工程と、第１調量器を通過する第１流量を計測する工程と、前記作動圧力及び前記第１流量に基づき、圧力・流量テーブルを修正する工程とを備える。

産業用スプレーヤシステムの概要図である。 図１の産業用スプレーヤシステムの流量を制御する方法を示すフローチャートである。 図１の産業用スプレーヤシステムの流量及び圧力を制御する方法を示すフローチャートである。

図１は、混合材料１２をスプレーガン１４から供給する、受動型プロポーショナシステムのような産業システム１０の概要図である。産業システム１０は、後述する他の構成部品に加え、成分材料２０を収容している材料供給システム１６と、成分材料２２を収容している材料供給システム１８とを備える。材料供給システム１６は、供給経路２６を介して調量器２４に連通し、材料供給システム１８は、供給経路３０を介して調量器２８に連通する。材料供給システム１６は、成分材料２０に作用して、成分材料２０の圧力を初期圧力Ｐ０から供給圧力Ｐ１に上昇させる。同様に、材料供給システム１８は、成分材料２２に作用して、成分材料２２の圧力を初期圧力Ｐ０から供給圧力Ｐ２に上昇させる。材料供給システム１６は、成分材料２０を収容した加圧タンクであってもよいし、材料供給システム１８は、成分材料２２を収容した加圧タンクであってもよい。これに代えて、材料供給システム１６及び材料供給システム１８はフィードポンプを備えていてもよいし、材料供給システム１６が、成分材料２０に作用する別の形式の循環機構を備え、材料供給システム１８が、成分材料２２に作用する別の形式の循環機構を備えていてもよい。このようにして、初期圧力Ｐ０は、大気圧（ゲージ圧で０ｋＰａ）から成分材料２０及び成分材料２２の供給に適した圧力、一般的にはゲージ圧で約２０６８ｋＰａ（３００ｐｓｉ）の圧力まで変動させることができる。また、材料供給システム１６の初期圧力Ｐ０は、必ずしも材料供給システム１８の初期圧力Ｐ０と等しくなくてもよい。調量器２４は供給経路２６に介装され、調量器２８は供給経路３０に介装されている。供給経路２６と供給経路３０とが交流する合流点３８において、供給経路２６は材料供給システム１６を、また供給経路３０は材料供給システム１８を、それぞれ混合材料供給経路３２に流体的に接続する。混合材料供給経路３２は、合流点３８において、供給経路２６及び供給経路３０をスプレーガン１４と流体的に接続する。調量器２４と調量器２８とは並設されており、協働して成分材料２０及び成分材料２２を混合材料供給経路３２に供給することにより、成分材料２０及び成分材料２２が混合され、この混合材料供給経路３２において、混合圧力Ｐｍｉｘを有した混合材料１２が形成される。調量器２４及び調量器２８は、流量Ｒでスプレーガン１４に混合材料１２を供給し、この混合材料１２が選択的にスプレーガン１４から吐出される。混合材料供給経路３２には圧力レギュレータ４０が介装されており、スプレーガン１４から混合材料１２を吐出する前に、混合圧力Ｐｍｉｘをシステム圧力Ｐｓに減圧する。システム圧力Ｐｓの調整は、制御バルブ４２を用いてパイロット圧Ｐｐを変化させることにより行われる。制御バルブ４２は、制御圧力導管４４に介装されており、この制御圧力導管４４は、制御流体４６を収容し、制御流体供給源４７から圧力レギュレータ４０まで延設されている。制御流体４６は、圧力レギュレータ４０のダイヤフラム４８に作用し、産業システム１０が閉じた状態にあるときに、システム圧力Ｐｓを調整する。パイロット圧Ｐｐが上昇すると、ダイヤフラム４８によって混合材料１２に力が加わることにより、システム圧力Ｐｓが上昇する。パイロット圧Ｐｐが低下すると、ダイヤフラム４８によって混合材料１２に加わる力が減少することにより、システム圧力Ｐｓが低下する。ダイヤフラム４８が混合材料１２に加える力を減少させると、この力の減少が制御流体４６に作用する。制御流体４６の一部を制御流体供給源４７に戻すことができるようにすることにより、制御流体４６のパイロット圧Ｐｐが維持される。一実施形態において、圧力レギュレータ４０は、パイロット圧とシステム圧力との比が１：１の空気駆動式低圧レギュレータとなっている。

システム圧力Ｐｓ及び流量Ｒは、コントローラ５０によって制御される。圧力レギュレータ４０の下流側に介装された圧力トランスデューサ５２が、当該圧力トランスデューサ５２の電圧または電流による信号Ｓ１を生成する。圧力トランスデューサ５２は、信号線５４によって制御バルブ４２と電気的に接続され、制御バルブ４２は、信号線５６によってコントローラ５０と電気的に接続されており、それぞれの信号線が信号Ｓ１をコントローラ５０に伝送する。信号線５７は、流量センサ６０をコントローラ５０と電気的に接続し、信号線５８は、流量センサ６２をコントローラ５０と電気的に接続する。流量センサ６０は、調量器２４を通過する流量Ｒ１を検出し、流量センサ６２は、調量器２８を通過する流量Ｒ２を検出する。検出された流量Ｒ１は、信号Ｓ１と同じ様に、流量センサ６０の電圧または電流による信号Ｓ２によって、また検出された流量Ｒ２は、信号Ｓ１と同じ様に、流量センサ６２の電圧または電流による信号Ｓ３によって、それぞれコントローラ５０に伝送される。コントローラ５０は、信号Ｓ１、信号Ｓ２、及び信号Ｓ３の値に基づいて制御を実行し、調量器２４を通過する流量Ｒ１及び調量器２８を通過する流量Ｒ２をそれぞれ調整し、制御バルブ４２にパイロット圧Ｐｐを変更するよう指令することによって、システム圧力Ｐｓを調整する。流量Ｒ１で流動する成分材料２０と、流量Ｒ２で流動する成分材料２２とが、混合材料供給経路３２内で合流することにより、流量Ｒで流動する混合材料１２が生成される。コントローラ５０は、制御線６４を介して制御バルブ４２に制御信号Ｃ１を送信することによりパイロット圧Ｐｐを調整し、制御線６６を介して調量器２４に制御信号Ｃ２を送信することにより流量Ｒ２を調整すると共に、制御線６８を介して調量器２８に制御信号Ｃ３を送信することにより流量Ｒ３を調整する。

スプレーガン１４の操作は、空気駆動式ソレノイドバルブ（図示せず）またはスプレーガン１４の引き金（図示せず）を用いるのが一般的であるが、スプレーガン１４を操作して産業システム１０を閉状態とするとき、産業システム１０内は過渡状態となる。各流量は、スプレーガン１４ではなく、調量器２４及び調量器２８において計測されるため、システム圧力Ｐｓ及び流量Ｒは、パイロット圧Ｐｐ、並びに流量Ｒ１及び流量Ｒ２よりも遅れて変化する。産業システム１０を閉状態とするとき、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを一定に維持させるようにすると、産業システム１０内の流動に起因した圧力損失がなくなることにより、スプレーガン１４における圧力が上昇することになる。その後、産業システムが開状態とされると（即ち、ソレノイドバルブを開弁するか、スプレーガン１４の引き金を引くと）、その前に行われた圧力上昇で生じる噴き出しにより、混合材料１２の塗布が不均一となる。産業システム１０が閉状態にある間に、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを上昇させるようにすると、噴き出しによる悪影響が助長されることになる。産業システム１０が閉状態である間に、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを低下させるようにすると、ヒステリシス現象によって、目標圧力と実際のシステム圧力Ｐｓとの間の誤差が増大することになる。結果として得られるシステム圧力Ｐｓは、所望の流量Ｒでスプレーガン１４から混合材料１２を吐出させるものとはならないことになる。

更に、材料特性及び外部環境の変化の少なくとも一方は、作動中のシステム圧力Ｐｓ及び流量Ｒに影響を及ぼす。例えば、成分材料２０及び成分材料２２は、それぞれ繰り返し補充される。新たに補充される成分材料２０及び成分材料２２は、互いに温度が相違していたり、以前に補充されたものとは温度が相違していたりする可能性があるため、粘性などの特性が、スプレーガン１４に供給される際の流量Ｒに影響を及ぼすおそれがある。更に、混合材料１２は、混合材料供給経路３２内において、一部が固化する可能性があり、時間の経過と共に混合材料供給経路３２を塞ぐおそれがある。このため、混合材料供給経路３２は、定期的に溶剤で洗浄される。また、周囲温度や周囲湿度の変化といった外部環境変化も、成分材料２０及び成分材料２２の特性に影響を及ぼす。一方、産業システム１０は、ある範囲のシステム圧力Ｐｓ及びある範囲の流量Ｒにわたって作動するように設計されており、それぞれの作動条件には継続期間がある。

スプレー作業には、いくつかの別個の作動条件を伴う場合がある。例えば、次のような３つの作動条件が順番に適用されることがある。
１）１００ｃｃ／秒、６８．９ｋＰａ（約１０ｐｓｉ）で、１０秒間吐出し、
２）２００ｃｃ／秒、１３７．９ｋＰａ（約２０ｐｓｉ）で、１５秒間吐出し、
３）５０ｃｃ／秒、３４．５ｋＰａ（約５ｐｓｉ）で、２秒間吐出する。

後述する方法７０を用いない場合には、補正処理を繰り返し行うこと、及び産業システム１０内に定常状態が得られるまで、各作業の合間に混合材料１２を吐出することの少なくとも一方により、産業システム１０の過度状態の影響を防止する。このようなやり方では、製造コストの上乗せ、及び混合材料１２の浪費の少なくとも一方を招くことになる。しかしながら、後述する方法７０は、様々なシステム圧力Ｐｓにおける流量Ｒを近似演算するような単調な数学的関係によって流量Ｒを特定する。これにより、より少ない数の測定データの収集により、全体的に補正を行うことが可能となる。更に、ある流量における作動が定常状態に達した場合（即ち、閾期間よりも長く作動した場合）、補正のために別途行う処理工程を必要とすることなく、定常状態の圧力及び流量のデータを、補正処理の修正に用いることができる。図２は、過渡状態に特定した、産業システム１０や同様のシステムにおける補正の方法７０を示すフローチャートである。この方法７０は、ステップ７２、ステップ７４、ステップ７６、ステップ７８、ステップ８０、ステップ８２、ステップ８４、ステップ８６、及びステップ８８を有しており、産業システム１０が、単一の用途のために複数の条件において作動する場合に、作業中における圧力・流量テーブルの修正を可能とするものである。この圧力・流量テーブルは、混合材料１２に関し、従属変数であるシステム圧力Ｐｓを、独立変数である流量Ｒと関連付けるものである。

ステップ７２では、圧力設定値及び流量設定値を選定して、コントローラ５０に送出する。具体的な圧力設定値及び流量設定値は、例えば、上述した例のように、混合材料１２の要件に基づくものである。

流量設定値を定めた後、ステップ７４において、流量誤差を求める。産業システム１０における実際の流量Ｒは、調量器２４を通過する流量Ｒ１と、調量器２８を通過する流量Ｒ２との和に等しい。産業システム１０の別の実施形態として、混合材料１２を形成するために用いる成分材料の数に応じ、単一の調量器（例えば、調量器２４）を用いるようにしてもよいし、更なる調量器（図示せず）を用いるようにしてもよい。いずれの場合においても、スプレーガン１４から吐出する流量Ｒは、産業システム１０に設けられた１または複数の調量器のそれぞれを通過する各成分材料の流量の合計に等しくなる。流量誤差を求めるために、コントローラ５０は、流量設定値を産業システム１０の総流量である流量Ｒと比較する。流量誤差は、流量設定値と流量Ｒとの差である。流量誤差を用い、コントローラ５０は、ステップ７６において、圧力・流量テーブルを更新し、新たな流量設定値を定める。この圧力・流量テーブルは、コントローラ５０に保管されている。

ステップ７８では、更新した圧力・流量テーブルを使用可能であるか否かを判定する（即ち、前回実行したステップ８０及びステップ８６の後）。

ステップ８０では、適応補正処理を実行するか否かを、コントローラ５０が判定する。一般的には、実行しようとする作業が低流量で短期間の作動条件の場合（例えば、上述した例における作動条件３の場合）に、適応補正処理が行われることになる。具体的な流量及び期間は、システム固有のものである。一般に、低流量で短期間の作動条件は、産業システム１０またはこれに類似するシステムの過度状態によって、システムの制御に適合するデータの獲得ができないときに生じる。適応補正処理を行わない場合は、ステップ８２において、圧力設定値及び流量設定値を圧力・流量テーブルに保存する。ステップ８２の後、コントローラ５０は、ステップ７４を実行してから、後述するような各ステップの処理を行う。適応補正処理を行う場合は、ステップ８４及びステップ８６、またはステップ８４及びステップ８８を実行する。

ステップ８４では、ステップ８６で圧力・流量テーブルを修正するための規定状態であるか否かを判定する。一実施形態において、ステップ８４では、流量設定値を流量閾値と比較する。流量設定値が流量閾値以上である場合は、ステップ８６において、そのときの実際の流量Ｒ及びシステム圧力Ｐｓを圧力・流量テーブルに保存する。一方、流量設定値が流量閾値未満である場合は、ステップ８８に進み、そのときの実際の流量Ｒ及びシステム圧力Ｐｓを用いた圧力・流量テーブルの修正は行わない。この場合、以前にステップ８６で修正した圧力・流量テーブルを、圧力及び流量の演算に用いる。これは、流量閾値を上回る圧力・流量データを用いて流量閾値を下回る圧力・流量データを外挿することにより行われる。一般的に、この外挿処理では、線形の関係が適用される。但し、別の数学的関係を適用することも可能である。ステップ８６またはステップ８８の後、コントローラ５０は、ステップ７４及びその後のステップを上述のように実行する。

流量Ｒ１及び流量Ｒ２は調量器２４及び調量器２８において既に計測されているので、流量閾値の適用により、簡素化された方法７０が得られる。また、産業システム１０のようなシステムでは、システム圧力Ｐｓが流量Ｒに比例するので、通常は高いシステム圧力ほど大きな流量が得られる。システム圧力Ｐｓ及び流量Ｒが増大するに従い、定常状態での作動を得るために必要な期間が短縮していく。このことから、低圧での短期間の作動は産業システム１０内に長い過渡期間を生じるため、長期間の作動を短期間の作動と区別するべく流量閾値を選定することになる。図３は、産業システム１０のシステム圧力Ｐｓ及び流量Ｒを制御する方法９０を示すフローチャートである。方法９０には、ステップ７２を除く方法７０の各ステップが組み込まれており、このステップ７２と同様のものが方法９２のステップ９４となっている。方法９２は、産業システム１０が閉じた状態にあるときに、システム圧力Ｐｓを制御する方法である。

ステップ９４では、圧力設定値及び流量設定値を選定して、コントローラ５０に送出する。例えば、上述した例のように、混合材料１２の要件に基づいて、特定の圧力設定値及び流量設定値が定められる。

ステップ９６では、コントローラ５０が、産業システム１０の状態（例えば、閉状態及び開状態のいずれか）を判定する。コントローラ５０は、スプレーガン１４の引き金またはソレノイドバルブの位置を示す信号を受け取ることにより、このような判定を行うようにしてもよい。産業システム１０が閉状態にある場合にはステップ９８ａが実行される。ステップ９８ａでは、スプレーガン１４における目標圧力として、圧力設定値に圧力補正値を加算した圧力に等しい目標圧力を設定する。この圧力補正値は、前述したように、これまでに選定されていた圧力設定値に対する新たな目標圧力の上昇または低下の影響を打ち消すように選定される。必要に応じて、この圧力補正値により、スプレーガン１４が開状態となったときの、産業システム１０内の初期圧力損失を相殺するようにしてもよい。一方、産業システム１０が開状態にある場合には、ステップ９８ｂが実行される。産業システム１０が開状態のときには、スプレーガン１４が混合材料１２を吐出しているので、目標圧力の補正は不要である。従って、ステップ９８ｂでは、圧力設定値に等しい目標圧力が設定される。

目標圧力を設定すると、ステップ１００において、圧力信号誤差を算出する。この圧力信号誤差は、圧力トランスデューサ５２からの信号Ｓ１をコントローラ５０で受信し、この信号Ｓ１を目標圧力と比較することによって求められる。信号Ｓ１と目標圧力との差が圧力信号誤差であって、この圧力信号誤差は、時間の経過と共に次々とコントローラ５０に保管されていく。

ステップ１０２では、圧力信号誤差がＰＩＤ制御ループの更新に用いられる。比例積分微分制御ループ、即ちＰＩＤ制御ループは公知である。ＰＩＤ制御ループの更新には、それまでに収集した圧力信号誤差のデータセットへの最新圧力信号誤差の追加が含まれる。次に、コントローラ５０の初期設定の際にコントローラ５０に入力されたパラメータと共に蓄積された圧力信号誤差の値は、新たな制御信号Ｃ１の生成に用いられる。生成された制御信号Ｃ１は、ステップ１０４において、制御バルブ４２に送出される。

ステップ１０４では、制御信号Ｃ１によって制御バルブ４２がパイロット圧Ｐｐを上昇または低下させることにより、圧力レギュレータ４０を用いてシステム圧力Ｐｓが調整される。例えば、そのときの実際のシステム圧力Ｐｓより目標圧力の方が低いことを圧力信号誤差が示している場合、コントローラ５０は、制御バルブ４２に対し、パイロット圧Ｐｐを上昇させるように指令する制御信号Ｃ１を送信する。一方、そのときの実際のシステム圧力Ｐｓより目標圧力の方が高いことを圧力信号誤差が示している場合、コントローラ５０は、制御バルブ４２に対し、パイロット圧Ｐｐを低下させるように指令する制御信号Ｃ１を送信する。

ステップ１０４の後のステップ１０６では、コントローラ５０が、産業システム１０の状態について２度目の判定を行う。コントローラ５０が産業システム１０の状態を判定する方法は、ステップ９６の場合と実質的に同じである。産業システム１０が閉状態にある場合は、ステップ９８ａ、ステップ１００、ステップ１０２、及びステップ１０４が繰り返される。一方、産業システム１０が開状態にある場合、コントローラ５０は、前述した方法７０の各ステップを実行するが、ステップ１０６において産業システム１０が開状態と判定するまでは、前述した方法７０の各ステップを繰り返す代わりに、方法９２の各ステップを実行する。

好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、形態を詳細にわたって変更可能であることは、当業者が理解しうるものである。

Claims (11)

1. 作動流量と作動圧力とにより規定される作動条件を選定する工程と、
   前記作動流量を流量閾値と比較する工程と、
   前記作動流量が前記流量閾値以上の場合に、適応補正処理を実行する工程とを備え、
   前記適応補正処理は、
   前記作動圧力を計測する工程と、
   第１調量器を通過する第１流量を計測する工程と、
   前記作動圧力及び前記第１流量を保管する工程と、
   前記作動圧力及び前記第１流量に基づき、圧力・流量テーブルを修正する工程と、
   前記第１調量器を前記第１流量で作動させる工程とを備える
   ことを特徴とする流量制御方法。
2. 前記作動流量が前記流量閾値未満の場合に、外挿処理を実行する工程を更に備え、
   前記外挿処理は、
   前記作動圧力を計測する工程と、
   前記作動圧力に基づき前記圧力・流量テーブルを用いて前記第１流量を求める工程と、
   前記第１調量器を前記第１流量で作動させる工程とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
3. 前記適応補正処理は、
   第２調量器を通過する第２流量を計測する工程と、
   前記第２流量を保管する工程と、
   前記作動圧力、前記第１流量及び前記第２流量に基づき、圧力・流量テーブルを修正する工程とを更に備え、
   前記第１流量と前記第２流量との和が総流量に等しい
   ことを特徴とする請求項２に記載の流量制御方法。
4. 前記外挿処理は、
   前記作動圧力に基づき前記圧力・流量テーブルを用いて前記第２流量を求める工程と、
   前記第２調量器を前記第２流量で作動させる工程とを更に備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の流量制御方法。
5. 前記作動流量を流量閾値と比較する前記工程は、
   閾期間に対応する流量閾値を選定する工程と、
   前記作動流量を前記流量閾値と比較する工程とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
6. 前記流量閾値は、複数の作動条件における最大流量と最小流量との間にあることを特徴とする請求項５に記載の流量制御方法。
7. 前記流量閾値は、前記最大流量と前記最小流量との平均値であることを特徴とする請求項６に記載の流量制御方法。
8. 前記閾期間は、４秒間であることを特徴とする請求項５に記載の流量制御方法。
9. 前記圧力・流量テーブルを用い、線形に外挿することにより前記第１流量を求めることを特徴とする請求項２に記載の流量制御方法。
10. 前記作動圧力は、圧力レギュレータの下流で計測されることを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。
11. 前記作動圧力及び前記第１流量はコントローラに保管され、
    前記コントローラは、保管された前記作動圧力及び前記第１流量を用いて前記圧力・流量テーブルを修正する
    ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御方法。

Images