JP6773530B2 - 末端圧力制御装置および末端圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気や液体、窒素ガス等の流体を圧縮する圧縮機を備えた圧縮システムの末端圧力制御装置および末端圧力制御方法に関する。

近年、世界的に製造業でのエネルギー消費量削減の取り組みが加速している。工場における圧縮機を備えた圧縮システムとして、例えば、大気中の空気を圧縮した圧縮空気は、身近に利用出来るため、空気工具、空気プレス、空気ブレーキ、スプレーガン等を駆動するための動力源として幅広く用いられている。圧縮空気は空気圧縮機によって圧縮され、工場内に設けられた配管ネットワークを経由して、圧縮空気にて駆動する機器である末端機器に供給される。空気圧縮機の消費電力は、一般的に工場全体の電力消費量の２０〜３０％を占めるといわれており、工場の省エネルギー化のために空気圧縮機の省エネ化は大きな課題である。

空気圧縮機は吐出圧力を下げることで消費電力の低減が可能なため、吐出圧力を必要最小限とする末端圧力モニタによる出力制御が有効な手段であると考えられている。

本技術分野における背景技術として、特開２０１０−２４８４５号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、末端機器への供給圧力と空気圧縮機の吐出圧力を計測し、末端機器での消費空気流量に応じて、末端機器への供給圧力が所望の圧力となるように、空気圧縮機を駆動する電動機の回転数を可変制御することで、空気圧縮機の消費電力を削減しつつ、所望の圧力以上の圧縮空気を末端機器に供給するための空気圧縮機運転制御装置が開示されている。そして、供給圧力の変動を抑えるように、空気圧縮機を駆動する電動機の回転数をＰＩＤ制御により制御している。ＰＩＤ制御では、制御対象に固有の最適なＰＩＤパラメータを推定する。しかしながら、配管の体積は空気圧縮機を設置する配管レイアウトの条件によって異なり、設置後も末端機器の追設等により配管レイアウトは変化する。すなわち、特許文献１で開示されている空気圧縮機運転制御装置では、配管レイアウトの設置状況に応じて、制御設定値を調整することは困難であり、供給圧力が変動する可能性があった。

そこで、例えば、「Tatsuro Yashiki，Development of a Steam Distribution Network Simulator for Enhanced Oil Recovery Systems，APCOM & ISCM 11−14th December，2013，Singapore」（非特許文献１）に開示されているように、配管レイアウトの設置状況に応じて、ＰＩＤパラメータの最適値を計算機内で推定する方法として、配管シミュレータを利用する方法がある。

特開２０１０−２４８４５号公報

Tatsuro Yashiki，Development of a Steam Distribution Network Simulator for Enhanced Oil Recovery Systems，APCOM & ISCM 11−14th December，2013，Singapore

非特許文献１で開示されているような配管シミュレータにより、配管レイアウトの設置状況、変更状況に応じて負荷機器への供給圧力の変動を制御可能である。しかし、非特許文献１は、配管レイアウト内のフィルタ目詰まりによる圧力変動など、配管ネットワークの条件変動が進むにつれて推定精度が劣化するという課題に対して考慮されていなかった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、配管ネットワークの経時変化に追従して、末端機器への供給圧力の変動を抑えながら、圧縮機の消費電力を削減しつつ、所望の圧力を末端機器に供給でき、省エネルギー化を図った末端圧力制御装置および末端圧力制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、その一例を挙げるならば、空気圧縮機からの圧縮空気を配管レイアウトを介して末端機器に供給する空気圧システムの末端圧力制御装置であって、末端圧力制御装置には配管レイアウトと、末端機器の末端圧力の計測値と、空気圧システム内の少なくとも一つの圧損要素の差圧の計測値とが入力され、末端圧力制御装置は配管レイアウト、末端圧力の計測値、差圧の計測値に基づいて、末端圧力制御の制御パラメータを計算し、該制御パラメータで空気圧縮機の圧力指令値を出力するように構成する。

本発明によれば、配管ネットワークの経時変化に追従して、末端機器への供給圧力の変動を抑えながら、省エネルギー化を図った末端圧力制御装置および末端圧力制御方法を提供することが出来る。

実施例における空気圧システムの模式図である。 実施例における空気圧システムのフィードバック制御ブロックの模式図である。 実施例における末端圧力制御方式の処理フローである。 実施例における配管シミュレータ画面表示例である。 実施例における配管シミュレータの入出力パラメータの一覧表である。 従来の空気圧システムの模式図である。 従来の空気圧システムのフィードバック制御ブロックの模式図である。 従来の配管シミュレータの配管レイアウトモデルのネットワーク表現と接続行列を説明するための図である。 従来の配管シミュレータの物理モデルにおける計算フローである。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図６は本実施例の前提となる、空気圧システムの模式図である。図６において、空気圧システムは、空気圧縮機１、制御器２、配管レイアウト３を備えている。なお、空気圧縮機１と制御器２は同一筐体に納められていても良い。

空気圧縮機１は、大気から吸込んだ空気を圧縮し圧縮空気を吐出する。また、図示しない、吐出する圧縮機空気の吐出圧力を計測する圧縮機吐出圧力センサを有しており、圧縮機吐出圧力を制御装置２に出力する。

制御装置２は、圧縮機吐出圧力センサの圧縮機吐出圧力値、および、負荷設備である末端機器８の末端機器圧力センサ４からの末端機器圧力計測値を入力として、末端機器への圧縮機空気の供給圧力が要求圧力Ｐ０以上となるように、空気圧縮機１を駆動する図示しない電動機を制御し、電動機に対する回転数指令値を計算、出力する。電動機の回転数を制御する具体的な演算方法については、例えば、特許文献１に記載された方法により実現可能である。また、制御装置２は、配管シミュレータ５を有しており、電動機の回転数を制御するための制御設定値Ｄ１の現在値を配管シミュレータに出力するとともに、配管シミュレータ５が出力する制御設定値更新指令値Ｄ２に基づき、制御設定値の現在値Ｄ１を更新する。

配管レイアウト３は、空気層６、フィルタ７、末端機器圧力センサ４等の受動機器や、図示しない、ドライヤ、クーラ等の能動機器、及び、配管、エルボ、分岐、弁等の機器から構成され、空気圧縮機１から吐出した圧縮空気は配管レイアウト３を介して、末端機器８に供給される。

末端機器８は、空気工具、空気プレス、空気ブレーキ、スプレーガン等、工場の製造工程で使用される機器であり、配管レイアウト３を介して供給される圧縮空気を動力源として駆動する。

末端機器８の末端機器圧力センサ４は、末端機器８に供給される圧縮機空気の圧力を計測する。計測された圧力値は、制御器２及び配管シミュレータ５に出力される。

配管シミュレータ５は、圧縮機吐出圧力センサの圧縮機吐出圧力計測値、末端機器８の末端機器圧力センサ４からの末端機器圧力計測値を入力として、制御設定値更新指令値Ｄ２を出力する。制御装置２は、制御設定値更新指令値Ｄ２を入力として、制御設定値を更新する。

次に、図７を用いて配管シミュレータ５の詳細について説明する。図７は、空気圧システムのフィードバック制御ブロックの模式図である。図７において、９は制御装置２内のＰＩＤ制御部の模式図であり、ＰＩＤ制御の制御パラメータである比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄを推定して、電動機の回転数を制御するための制御設定値Ｄ１を出力する。

配管シミュレータ５は、ＰＩＤ制御の制御パラメータを推定するために、配管レイアウト内の圧縮空気の流れを計算するために必要となる配管レイアウトのデータを入力し、配管レイアウトモデルを構築する。配管レイアウトのデータとしては、配管種類、および継ぎ手（エルボ、ブランチ、等）、機器（圧縮機、弁、圧力センサ、フィルタ、空気槽、ドライヤ）の型式の指定、配管レイアウトを構成する機器間の接続関係を定義するデータ、機器の属性（例えば、配管に対しては配管長さ、配管口径等）を定義するデータ、および空気圧縮機１の吐出空気圧力を計算するためのデータである。そして、圧縮機吐出圧力計測値、末端機器圧力計測値、配管レイアウトモデルより、配管レイアウト内の空気の流れを計算し、末端機器に供給される圧縮空気流量である末端機器流量を出力する。そして、制御設定値Ｄ１、配管レイアウトモデル、末端機器流量より、末端機器への供給圧力の変動を抑制するように、制御設定値を計算し、制御設定値更新値を出力する。そして、制御設定値更新値を入力として、制御器２の制御設定値Ｄ１を更新するための制御設定値更新指令値Ｄ２を出力する。

図８は、配管シミュレータの配管レイアウトモデルのネットワーク表現と接続行列を説明するための図である。図８（Ａ）は、空気圧縮機１と末端機器８との間の、配管１０、エルボ１１、Ｔブランチ１２からなる配管レイアウトの例であり、図８（Ｂ）は、ライン要素とノード要素からなるネットワーク表現へ変換しモデル化した例である。また、図８（Ｃ）は、Ｍ個のライン要素とＮ個のノード要素から構成される配管レイアウトの接続関係をＭ×Ｎの行列である接続行列Ｂを用いて表現した例である。各行列要素は、
＋１： ライン要素ｊの上方側にノード要素ｋ（左端ノード）が接続されている場合
−１： ライン要素ｊの下方側にノード要素ｋ（右端ノード）が接続されている場合
０： ライン要素ｊがノード要素ｋと接続されていない場合
として表現している。

図９は、配管シミュレータの物理モデルにおける計算フローの例である。未知変数は流量、圧力、エンタルピーであり、ライン要素とノード要素の計算は独立ではなく、相互に依存するため、ニュートン・ラプソン法等の反復アルゴリズムで計算される。また、運動量保存式、エネルギー保存式の離散化は有限体積法等の数値演算で一般的な手法を適用する。（非特許文献１参照）
このように、配管シミュレータにより、配管レイアウトの設置状況に応じて、末端機器への供給圧力の変動を抑えながら、空気圧縮機の消費電力を削減しつつ、所望の圧力以上の圧縮空気を末端機器に供給できる。

しかし、従来の配管シミュレータでは、配管レイアウト内のフィルタ目詰まりによる圧力変動などの経時変化に対応して配管ネットワークの条件変動が進み推定精度が劣化するという点について考慮されていなかった。

そこで、本実施例は、経時変化に追従して最適なＰＩＤパラメータを求めることができ、ＰＩＤ制御による末端圧力変動を最小に抑えることができ、消費電力を最小化できる末端圧力制御装置および末端圧力制御方法を提供する。

本実施例は、最適なＰＩＤパラメータを推定したい配管ネットワーク内の圧損要素に差圧を計測する圧力センサを設け、差圧の計測値を用いて配管シミュレータのキャリブレーションを行いながら、現状の配管ネットワークの状態を反映したシミュレーションを行う。以下、本実施例の詳細について説明する。

図１は、本実施例における空気圧システムの模式図である。図１において、図６と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図６と異なる点は、フィルタ７に差圧センサ２０を設けており、その差圧センサ２０で計測した差圧計測値を配管シミュレータ５に入力している点である。また、図２は、本実施例における空気圧システムのフィードバック制御ブロックの模式図である。図２において、図７と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図７と異なる点は、同様に、差圧計測値を配管シミュレータ５に入力している点である。

本実施例は、図１、図２に示すように、差圧センサ２０でフィルタ７の差圧をモニタし、配管シミュレータ５にフィードバックすることで、配管シミュレータのパラメータを常に最新の状態に保つことが出来る。また、差圧センサ２０で得たフィルタ７の差圧データと、配管シミュレータで求めた各フィルタの累積流量に基づき、他のフィルタの差圧を推定し、シミュレーションに反映することが出来る。

図３は、本実施例における末端圧力制御方式の処理フローである。図３において、まず、ステップＳ１０、Ｓ１１で、前処理として、配管シミュレータで入出力特性を計算し、最適なＰＩＤパラメータを求める。そして、ステップＳ１２で、配管レイアウト内の圧損要素の差圧の測定値を配管シミュレータに取り込む。ここで、圧損要素とは、空気層、フィルタ、圧力センサ等の受動機器や、ドライヤ、クーラ等の能動機器であって、例えばフィルタの目詰まりによる圧力変動など、経時変化に伴って入出力の圧力差が生じる可能性のあるものをいう。

次に、ステップＳ１３で、配管シミュレータにて、圧損要素の差圧の現在の設定値と最新の測定値との偏差dpを計算する。そして、ステップＳ１４で、偏差dpは許容範囲内かを判断し、許容範囲内でない場合はステップＳ１５へ、許容範囲内の場合はステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１５では、圧損要素の差圧の設定値を最新の測定値に更新して、以下ステップＳ１６、Ｓ１７で、配管シミュレータ動作として、入出力特性を計算し、最適なＰＩＤパラメータを求める。

ステップＳ１８、Ｓ１９は、従来のＰＩＤ制御であり、ステップＳ１８で、配管レイアウトの末端圧力が目標値に対して許容範囲内かを判断し、許容範囲内でない場合はステップＳ１９へ、許容範囲内の場合はステップＳ２０へ進む。ステップＳ１９では、ＰＩＤ制御にて、配管レイアウトの入力端子圧力を最適値に調整する。ステップＳ２０では、フィードバック制御を継続するかの判断をして、ステップＳ１２に戻るか、終了とする。

図４は、本実施例における配管シミュレータのユーザインターフェースである配管シミュレータ画面の表示例である。図４において、配管シミュレータ画面は、主に、配管レイアウト入力・表示ウインドウ５０と入出力パラメータ入力・表示ウインドウ６０で構成されている。

配管レイアウト入力・表示ウインドウ５０は、配管レイアウト３の構成要素が模式的に表示されている。例えば、図４においては、制御器２と、圧縮機吐出圧力センサ４０と、空気圧縮機１と、バルブ３０と、フィルタ７と、空気層６と、圧損要素であるフィルタ７に差圧センサ２０が配置され、末端機器８に末端機器圧力センサ４が配置され、それらをつなぐ配管１０が表示される。

また、入出力パラメータ入力・表示ウインドウ６０は、配管シミュレータに入力するパラメータの入力表示と出力するパラメータの表示を行う画面である。図５に、本実施例における配管シミュレータの入出力パラメータの一覧表を示す。図５において、入力パラメータとしては、配管レイアウトモデルを構築するための配管レイアウトの入力データがあり、また、従来ユーザが入力していた差圧データが、本実施例では、差圧センサを設けることで自動的に入力される。

なお、圧損要素としてのフィルタが並列に接続している場合は、１つのフィルタのみに差圧センサを設け、他のフィルタの差圧をその１つで代用しても良い。

以上のように、本実施例は、最適なＰＩＤパラメータを推定したい配管ネットワーク内に少なくとも一つの差圧センサを持ち、差圧センサの出力値を用いて配管シミュレータのキャリブレーションを行いながら、現状の配管ネットワークの状態を反映したシミュレーションを行う。これにより、配管ネットワークの経時変化に追従して、末端機器への供給圧力の変動を抑えながら、空気圧縮機の消費電力を削減しつつ、所望の圧力を末端機器に供給でき、省エネルギー化を図った末端圧力制御装置および末端圧力制御方法を提供することが出来る。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例では、空気圧縮機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、液体や窒素ガス等の流体を圧縮する圧縮機でも適用可能である。

１：空気圧縮機、２：制御器、３：配管レイアウト、４：末端機器圧力センサ、５：配管シミュレータ、６：空気層、７：フィルタ、８：末端機器、９：ＰＩＤ制御部、１０：配管、１１：エルボ、１２：Ｔブランチ、２０：差圧センサ、３０：バルブ、４０：圧縮機吐出圧力センサ、５０：配管レイアウト入力・表示ウインドウ、６０：入出力パラメータ入力・表示ウインドウ

Claims (8)

1. 空気圧縮機からの圧縮空気を配管レイアウトを介して末端機器に供給する空気圧システムの末端圧力制御装置であって、
   前記末端圧力制御装置には前記配管レイアウトと、前記末端機器の末端圧力の計測値と、前記配管レイアウトを構成する少なくとも一つの圧損要素の差圧の計測値とが入力され、
   前記末端圧力制御装置は、前記圧損要素の差圧の現在の設定値と前記差圧の計測値との偏差が許容範囲内でない場合に前記差圧の設定値を前記差圧の計測値に更新し、前記配管レイアウト、前記末端圧力の計測値、前記差圧の設定値に基づいて、末端圧力制御の制御パラメータを計算し、該制御パラメータで前記空気圧縮機の圧力指令値を出力することを特徴とする末端圧力制御装置。
2. 請求項１に記載の末端圧力制御装置であって、
   前記末端圧力制御装置には、さらに前記空気圧縮機から吐出圧力の計測値が入力され、該吐出圧力の計測値、前記配管レイアウト、前記末端圧力の計測値、前記差圧の設定値に基づいて、末端圧力制御の制御パラメータを計算することを特徴とする末端圧力制御装置。
3. 請求項１または２に記載の末端圧力制御装置であって、
   前記圧損要素はフィルタであることを特徴とする末端圧力制御装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の末端圧力制御装置であって、
   前記末端圧力制御の制御パラメータはＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄであることを特徴とする末端圧力制御装置。
5. 空気圧縮機からの圧縮空気を配管レイアウトを介して末端機器に供給する空気圧システムの末端圧力制御方法であって、
   前記空気圧システムの配管ネットワークを入力する第一のステップと、
   前記末端機器の末端圧力の適正値を入力する第二のステップと、
   前記末端機器の末端圧力の計測値を入力する第三のステップと、
   前記配管レイアウトを構成する圧損要素の差圧の計測値を入力する第四のステップと、
   前記圧損要素の差圧の現在の設定値と前記差圧の計測値との偏差が許容範囲内でない場合に前記差圧の設定値を前記差圧の計測値に更新する第五のステップと、
   前記圧損要素の設定値と前記末端圧力の計測値から前記配管ネットワークのシミュレーションモデルを導出する第六のステップと、
   前記シミュレーションモデルを用いて、前記末端圧力が前記末端圧力の適正値に近づくように前記空気圧縮機の制御パラメータを導出する第七のステップと、
   前記制御パラメータで前記空気圧縮機の圧力指令値を出力する第八のステップとからなることを特徴とする末端圧力制御方法。
6. 請求項５に記載の末端圧力制御方法であって、
   前記空気圧縮機から吐出圧力の計測値を入力する第九のステップを有し、
   前記第六のステップは、前記吐出圧力の計測値と前記圧損要素の設定値と前記末端圧力の計測値から前記配管ネットワークのシミュレーションモデルを導出することを特徴とする末端圧力制御方法。
7. 請求項５または６に記載の末端圧力制御方法であって、
   前記圧損要素はフィルタであることを特徴とする末端圧力制御方法。
8. 請求項５から７の何れか１項に記載の末端圧力制御方法であって、
   前記制御パラメータはＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄであることを特徴とする末端圧力制御方法。

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