JPH07280631A - 流体投入制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 投入精度を向上させる。 【構成】 計量器４の測定値をプログラマブルコントロ
ーラ１０２にオンライン入力する。プログラマブルコン
トローラ１０２は測定値が設定値に達するまでは大（口
径）弁２Ａにより投入を実行し、設定値に達した時点以
後は小（口径）弁２Ｂにより投入を実行する。またこの
時点で小弁２Ｂを閉止するための実目標設定値をプログ
ラマブルコントローラ１０２が算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、槽等の容器に所定量だ
け流体を正確に投入するための流体投入制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】流体を原料とする製造工程、例えば、医
薬，食品，塗料，インクなどの製造工程においては、流
体状の複数種の原料，副原料あるいは添加剤を設定値だ
け槽に投入する。次に、混合，調色，反応，攪拌などの
作業を行って製品を生産する。

【０００３】このような生産に使用される生産設備を図
１に示す。

【０００４】図１において、供給タンク１に供給された
原料は投入弁２の開により受入れタンク３に投入され
る。計量器４で、受入れタンク３の重量を測定すること
により投入された原料の容量（投入量）を検出する。

【０００５】流体（原料）を設定値Ａだけ投入して計量
する場合に、もしも計量器４の測定値が設定値Ａと同一
となった時点で不図示の制御回路により投入弁２の閉止
を指示すると、投入弁２が完全に閉となるまでにはタイ
ムラグ△ｔだけ時間を要する。

【０００６】このタイムラグ△ｔの間に余分に投入され
る流体の容量は図１の投入弁２から液面までの高さｈに
存在する流体容量（液柱量）と、タイムラグ△ｔの間、
投入された容量との合計となる。

【０００７】したがって、従来では、この余分に投入さ
れる容量を補正値Ｂとして予め測定しておき、実際の投
入時は、

【０００８】

【数１】設定値Ａ−補正値Ｂ＝実目標設定値Ａ１ から定まる実目標設定値Ａ１を計量器４が測定した時点
で投入弁２の閉の指示を与える流体投入制御方法を採用
している。

【０００９】他には、供給タンク１に大口径の投入弁と
小口径の投入弁の２つの弁を設け、上記設定値Ａになる
直前までは大口径の投入弁による投入を行い、次に小口
径の投入弁を用いて投入量を微調整する流体投入制御方
法も知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の補正値を用いる
流体投入制御方法は、補正値を把握するために、第１回
目の投入時に、補正を行なわない投入を行って、タイム
ラグにより生じた誤差（投入後の測定値−設定値）を求
める必要がある。この誤差を確認しておかないと、図１
に投入された流体容量は大きな誤差が生じてしまう。

【００１１】２つの投入弁を用いるデュアル式投入方法
を用いる流体投入制御方法を用いても小口径の投入弁の
閉についての制御応答遅れにより生じる投入誤差を阻止
することはできない。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上述の点に鑑み
て、補正値を用いる流体制御方法において第１回目の投
入から、制御応答遅れにより生じる誤差を補正して、正
確な投入を行なうことができる流体投入制御方法を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明は、容器に投入された流体の
容量を計量器により測定し、該計量器の測定値が設定値
から補正された実目標設定値に到達したことを制御シス
テムが検知しときに前記容器に対する前記液体の投入を
停止する流体投入制御方法において、前記容器に前記流
体を投入するための生産設備の仕様を示すパラメータ値
および前記測定値から前記補正値を取得するための相関
関係を予め定めておき、前記制御システムに、前記パラ
メータ値および前記実目標設定値の演算タイミングを示
す前記流体の特定容量値を予め与え、該制御システムに
対して前記計量器の測定値をオンライン入力し、当該制
御システムは前記特定容量値に前記計量器の測定値が到
達したことを検知したときに、オンライン入力される測
定値および前記パラメータならびに前記相関関係を用い
て前記実目標設定値を演算することを特徴とする流体投
入制御方法。

【００１４】請求項２の発明は、前記生産設備は、開に
より前記流体を投入し、閉により前記流体の投入を停止
するための口径の大きい第１投入弁と口径の小さい第２
投入弁とを有し、前記制御システムは前記実目標値の演
算タイミングまでは前記第１投入弁を用いて前記流体の
投入を実行し、当該演算タイミング以後は第２投入弁を
用いて前記流体の投入を実行することを特徴とする請求
項１に記載の流体投入制御方法。

【００１５】

【作用】請求項１の発明は、たとえば、制御系の遅れに
より生じる補正分考慮した実目標値を投入途中でパラメ
ータ値および測定値から演算により取得する。

【００１６】請求項２の発明は、第１および第２の投入
弁の切替えを演算タイミングに同期させることで制御内
容を簡素化し、投入制御の自動化を図る。

【００１７】

【実施例】以下の図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１８】本実施例では補正値をパラメータから算出
し、算出された補正値を用いて投入制御を行うことに特
徴がある。

【００１９】まず図１に基づいて、流体を供給タンク１
から投入弁２を開閉して受入れタンク３に投入し、投入
した流体の重量を計量器４で計量したら設定値どおりに
なるような補正値の算出方法について説明する。

【００２０】まず、計量器４が設定値を指示してから投
入弁２が閉止するまでの投入量△Ｗ１は次の式で求めら
れる。

【００２１】

【数２】△Ｗ₁ ＝ｗ×ｔ ｗ：流体の流速（ｇ／ｓ） ｔ：対応遅れ （ｓ） ここで流体の流速ｗは供給タンク１の液面から投入弁ま
での高さ、すなわち流体圧力によって変化する。しか
し、供給タンク１の液面は常に変動し把握が難しいので
以下の簡便方法で平均的な流速を求める。

【００２２】すなわち、投入弁２には大小の弁を内蔵し
た既に公知のデュアル式投入装置が付設しているので、
まず投入弁２の大弁を開にして流体を投入し、投入量が
設定値到達直前の定量前設定値に達したら直ちに投入弁
２の大弁を閉止する。例えば設定値を５０００ｇとして
投入を開始し、投入量があらかじめ決めておいた定量前
設定値である５００ｇとの差である４５００ｇに達した
ら大弁を閉止する。ここで投入量が定量前設定値である
５００ｇとの差である４５００ｇに達するまでの時間を
定時という。

【００２３】定時になったら直ちに大弁を閉止し、小弁
を開にして再度流体を投入していく。

【００２４】そして定時３秒後の投入量と定時６秒後の
投入量とをプログラマブルコントローラ（以下ＰＬＣと
略称することもある）演算し、二つの投入量より流体の
平均流速Ｗを求める。

【００２５】

【数３】

【００２６】一方、計量器が設定値を指示した時点に対
する投入弁が閉止する時刻点の対応遅れｔについて説明
すると、デュアル式投入装置の大小の弁は空気圧で開閉
する構造になっているので、どうしても若干のタイムラ
グが生ずる。本実施例では数回の試験結果からしてその
ラグは平均的に０．５秒かかっているので、対応遅れｔ
＝０．５秒とした。

【００２７】以上よりして、計量器４が設定値を検知し
てから投入弁２が閉止するまでの投入量△Ｗ１は次の算
式で求められ、これらは上記したＰＬＣで瞬時に演算さ
れる。

【００２８】

【数４】

【００２９】次に液柱量△Ｗ₂ を求める。ここで液柱量
とは、投入弁を閉止した時点における投入弁から受入れ
タンク液面までの高さｈに存在する流量をいう。

【００３０】△Ｗ₂ ：液柱量 Ｗ ：受入れタンク内の流体の投入量 Ｄ ：受入れタンクの直径 γ₁ ：投入する流体の比重 γ₂ ：受入れタンク内の流体比重 Ｈ ：投入弁から受入れタンク底面までの高さ ｈ₁ ：受入れタンク内の流体の液面高さ ｈ ：液柱量の高さ ｄ ：小弁の投入管の直径

【００３１】

【数５】

【００３２】また、

【００３３】

【数６】

【００３４】因って

【００３５】

【数７】

【００３６】液柱量△Ｗ₂ は上記の式よりプログラマブ
ルコントローラ（ＰＬＣ）で瞬時に演算される。

【００３７】以上をまとめると、例えば目標設定値Ａ１
を５０００ｇ、定量前設定値を５００ｇとした場合、計
量器が目標設定値Ａ１である５０００ｇと定量前設定値
である５００ｇとの差である４５００ｇを指示するまで
は投入装置の大弁を開にして投入し、残余５００ｇにつ
いては大弁を閉止した後小弁を開にして投入していく。

【００３８】全投入量が目標設定値Ａ１である５０００
ｇに等しくなればよいが上記したような変動要因があっ
て全投入量が５０００ｇに等しくなるのは非常にむつか
しい。

【００３９】上記の例で目標設定値Ａ１を５０００ｇ、
定量前設定値を５００ｇとした場合、実目標設定値Ａ２
は次の算式で求められる。

【００４０】

【数８】目標設定値Ａ１（５０００）＝実目標設定値Ａ
２＋（△Ｗ₁ ＋△Ｗ₂ ）

【００４１】

【数９】 実目標設定値Ａ２＝５０００−（△Ｗ₁ ＋△Ｗ₂ ） すなわち補正値（△Ｗ₁ ＋△Ｗ₂ ）をＰＬＣで高速に演
算し、目標設定値Ａ１・５０００と補正値（△Ｗ₁ ＋△
Ｗ₂ ）との差を実目標設定値Ａ２とし、計量器が実目標
設定値Ａ２に達したら弁を直ちに閉止し、流体を目標設
定値Ａ１である５０００ｇを投入するものである。

【００４２】このような演算を実行して投入制御を行う
投入制御システムを図２に示す。

【００４３】図２において、大（口径）弁２Ａおよび小
（口径）弁２Ｂを開／閉するための制御線が入出力ユニ
ット１０１に接続される。また計量器４の測定値を示す
測定信号線が入出力ユニット１０１に接続される。入出
力ユニット１０１は上記信号線から入出力される信号の
レベル変換を行なう。

【００４４】ＰＬＣ１０２はプログラミング装置１０３
から入力された図３のシーケンスプログラムを実行し
て、流体投入制御を実行する。プログラミング装置１０
３は上記シーケンスプログラムを作成する他、本実施例
で用いる設定値の入力をも行なう。ＰＬＣ１０２は周知
のものを使用でき、本実施例では入出力ユニットに入力
される計量器４の測定値は一定周期でＰＬＣ１０２内の
メモリに取り込まれるものとする。

【００４５】次に本発明になる投入制御方法で５０００
ｇの流体を投入するフローを図３を用いて説明する。

【００４６】投入に先立って目標設定値Ａ１＝５０００
ｇ、定量前設定値＝５００ｇ、流体の比重γ₁ をプログ
ラミング装置１０３によりＰＬＣ１０２にインプットす
る。システムを起動し、投入装置の大弁を開にして流体
を投入する（Ｓ１０）。投入量が目標設定値Ａ１と定量
前設定値との差である４５００ｇに達した時刻点（定
時）で大弁を閉・小弁を開にして残量である５００ｇの
流体を投入していく（Ｓ２０〜Ｓ４０）。

【００４７】定時３秒後、定時６秒後の流量を検知して
平均的な流量をＰＬＣ１０２で即座に計算する。本実施
例では試験結果でタイムラグを０．５秒としているの
で、△Ｗ₁ は下記式で即座に計算され、実設定値Ａ２は
次のように補正される（Ｓ５０〜Ｓ９０）。

【００４８】

【数１０】

【００４９】

【数１１】

【００５０】続いて液柱量△Ｗ₂ は数７式で即座に計算
され、上記実設定値Ａ２は実設定値Ａ３に補正される
（Ｓ１００）。

【００５１】

【数１２】

【００５２】以上の計算がＰＬＣ１０２で瞬時に計算さ
れるので、計量器４が上記の実設定値Ａ３を指針した時
点で投入装置の小弁は閉止される（Ｓ１２０〜Ｓ１３
０）。その結果流体は目標設定値Ａ１である５０００ｇ
がタンクに投入される。

【００５３】以上の投入過程を図４で説明する。

【００５４】図において縦軸は流量を、横軸は時間を示
す。最初は投入装置の大弁を開にして流量Ｗ₁ で流体を
投入する。計量器が４５００を指針した時刻Ｔ₁ （定
時）で大弁を閉、小弁を開にして流量Ｗ₂ で流体の投入
を続けていく。

【００５５】しかし、計量器が目標設定値５０００を指
針した時刻Ｔ₂ で小弁を閉にすると、タイムラグ・投入
圧分 △Ｗ₁ （Ａ）と 液柱量分 △Ｗ₂ （Ｂ）が時刻
Ｔ₂後も投入されて、その分だけ目標設定値をオーバー
することになる。

【００５６】本投入制御方法は上記（△Ｗ₁ ＋△Ｗ₂ ）
の値をオンラインで瞬時に計算し、実設定値を（△Ｗ₁
＋△Ｗ₂ ）分だけ控除した新しい実設定値に補正するこ
とにより目標設定値どおり投入するものである。

【００５７】図においてＡ・Ａ′はタイムラグ・投入圧
分△Ｗ₁ 、Ｂ・Ｂ′は液柱量分△Ｗ₂ を示し、計量器が
全投入量５０００を指針した時刻Ｔ₂ で小弁を閉止する
と、（Ａ＋Ｂ）分だけ余分に投入されてしまうが、時刻
Ｔ₃ で小弁を閉止すると、閉止後にＡ′とＢ′が投入さ
れて全投入量は目標設定値どおり５０００になるもので
ある。

【００５８】下記の表は本投入制御方法で投入試験をし
た結果である。

【００５９】

【表１】 回数 目標設定値 定量前設定値 タイムラグ 液柱量 実計測値 偏差値 １ １０００ｇ ５００ｇ １４ｇ ４ｇ １０００ｇ ０ ２ ３０００ ５００ １４ ４ ３０００ ０ ３ ４０００ ５００ １４ ４ ４０００ ０ ４ ４０００ ５００ １４ ４ ４０００ ０ ５ ５０００ ５００ １６ ４ ５０００ ０ ６ ６０００ ５００ １３ ４ ６０００ ０ ７ ８０００ ５００ １３ ４ ８００１ １ ８ １００００ ５００ １３ ４ １００００ ０ ９ １００００ ５００ １３ ４ １０００１ １ 10 １５０００ ５００ １３ ４ １５００１ １ 以上の試験結果より、従来の投入方法では絶対値として
±２０〜３０ｇ程度の誤差が生じていたが、本投入制御
方法では±１〜２ｇ程度まで高精度に投入制御できるも
のである。

【００６０】図５は本投入制御方法を導入した多品種少
量生産プロセスの一実施例であって、１０は天井部に架
設した多数のヘッドタンクであり、該ヘッドタンクは各
原料・副原料毎に集約されている。１１はヘッドタンク
の底部から垂下する投入管、１２は投入管先端に付設す
る投入弁で、該投入弁は所定の位置で位置決めされた後
記するコマダル１５の真上に集中して垂下している。

【００６１】投入弁は既に公知のデュアル式投入装置が
付設したもので、該弁と計量器１３はＰＬＣ（図示せ
ず）とそれぞれ接続し、本発明になる投入制御方法で流
体を投入制御するものである。

【００６２】１４は自動搬送車で、その上部にコマダル
１５を積載した台車１６が載置している。１７は自動搬
送車の上部に敷設されたコンベア、１８は上記コマダル
１５の車輪である。したがって、台車１６を自動搬送車
１４に固定したうえコマダル１５は自動搬送車１４に運
ばれて所定の場所へ移動し位置決めされた後所定の原料
・副原料を逐次投入管から受入れ、所定の作業が終了す
ると台車１６は自動搬送車１４でリフター２３近傍まで
運ばれ、台車１６はコンベア１７を介してリフター２３
に移載される。

【００６３】そして、リフター２３が降下して台車１６
は地上に降ろされ、以降台車１６は手動で所定の目的地
へ移動して別の作業が行われるものである。

【００６４】１３は自動搬送車１４に内蔵している既に
公知の計量器で、２０は計量器１３上で垂直状に立設す
る複数のシリンダーで、２１はシリンダー杆である。

【００６５】通常は該シリンダー杆２１は後退している
が、コマダルに投入された流体を計量する時はシリンダ
ー２０を作動してシリンダー杆を延伸せしめ、該シリン
ダー杆で台車１６を持上げることにより台車１６全体の
負荷が計量器１３にかかり計量されるものであり、その
総重量からコマダル・台車などの重量を差し引くことに
よって流体の投入量を精確に計量することができるもの
である。

【００６６】この実施例では計量器１３上にシリンダー
２０は４基立設しているが、その基数は別に限定するも
のではない。１９は自動搬送車１４の車輪、２２は自動
搬送車１４が所定の位置に停止せしめるためのエンコー
ダである。

【００６７】本投入制御方法を導入した多品種少量生産
の生産プロセスは以上の構成になっているのでその動作
について説明すると、空のコマダル１５を積載した台車
１６は手動でリフター２３近傍に運ばれ、リフター２３
を降下せしめて台車１６をリフター２３上に積載し、リ
フター２３は上昇する。既に自動搬送車１４はリフター
２３近傍に移動してきて待機しているので、コンベア１
７を介して台車１６はリフター２３上から自動搬送車１
４上へ移載される。

【００６８】台車１６は固定具（図示せず）で自動搬送
車１４に固定された後所定の原料・副原料投入場所へ移
動するが、自動搬送車１４にはエンコーダ２２が付設し
ているので自動搬送車１４は所定の場所へ正確に移動し
て位置決めされる。コマダル１５Ｂには蓋が無く、多数
の投入弁１２がコマダル１５の真上に臨んでいるので、
所定の原料・副原料が順次投入弁１２からコマダル１５
に投入されるが、計量器１３と各投入弁とはＰＬＣにそ
れぞれ接続しているので、予め決められている各原料・
副原料毎の投入すべき目標設定値に対してＰＬＣが高速
で補正値を演算して実設定値を設定するので、計量器１
３が実設定値を指針した時に投入弁は閉止され、目標設
定値どおりの原料・副原料が投入されるものである。以
下同様にして各原料・副原料毎にＰＬＣ１０２が作動し
て目標設定値どおりに投入されていくものである。

【００６９】所定の原料・副原料が目標設定値どおりに
投入されると、自動搬送車１４はコマダル１５をリフタ
ー２３近傍まで運び、該コマダル１５をリフター２３に
移載し、該リフター２３を降下せしめてコマダル１５を
地上に降ろし、該コマダル１５は手動で別の作業場所へ
運ばれていく。

【００７０】上記したように自動搬送車１４には計量器
１３が積載され、原料・副原料投入場所で投入弁１２と
ＰＬＣを接続することによって各原料・副原料を高精度
に投入することができるものであり、また計量器１３は
自動搬送車１４に積載されているので、すべての投入弁
に対応できるので投資コストは著しく削減されるもので
ある。

【００７１】以上、述べた実施例の他に次の例を実施で
きる。

【００７２】１）本実施例では重量を計測し、その計測
値を容量に換算する計測器を用いたが、その他、液面レ
ベルを計測し、その計測値を容量に換算する計測器を用
いることができる。

【００７３】２）本実施例では、実目標設定値を演算す
る制御システムとしてＰＬＣを用いているが、演算機能
を有する演算プロセッサ，パーソナルコンピュータをも
制御システムとして用いることができる。

【００７４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、計量器と投入
弁の開閉とのタイムラグおよび投入圧・液柱量による投
入誤差をオンラインで演算することができ、演算結果で
実設定値を補正することにより目標設定値どおり流体を
投入する。これにより、多数の流体を扱う多品種少量生
産設備において、多数の流体をそれぞれ計量してタンク
に投入するに際し、それぞれの流体の比重をあらかじめ
制御システムにインプットしておくことにより目標値ど
おりに精確に投入制御することができる。もって完全に
投入作業の自動化が可能となり、操作も簡単でまた計量
時間は短縮されて投入制御の精度は従来技術に比し格段
に高まるので、とりわけ多品種の流体を扱う工程に本投
入制御方法を採用すると著しい効果が期待されるもので
あり産業界に及ぼす効果は大なるものがある。

【００７５】請求項２の発明によれば、デュアル投入方
法を用いることにより投入時間の短縮および投入精度の
向上をさらに図ると共に、制御システムの応答遅れに対
応した好適な投入弁の切替えタイミングを設定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流体の投入を行う生産設備の構造を模式的に示
す側面図である。

【図２】本発明実施例の制御システムの構成を示すブロ
ック図である。

【図３】図２のプログラマブルコントローラが実行する
処理手順を示すフローチャートである。

【図４】本発明実施例の投入過程を示す説明図である。

【図５】本発明他の生産設備を模式的に示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１ 供給タンク ２ 投入弁 ３ 受入れタンク ４，１３ 計量器 １０ ヘッドタンク １１ 投入管 １２ 投入弁 １４ 自動搬送車 １５ コマダル １６ 台車 １７ コンベア １８，１９ 車輪 ２０ シリンダー ２１ シリンダー杆 ２２ エンコーダ ２３ リフター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器に投入された流体の容量を計量器に
   より測定し、該計量器の測定値が設定値から補正された
   実目標設定値に到達したことを制御システムが検知しと
   きに前記容器に対する前記流体の投入を停止する流体投
   入制御方法において、 前記容器に前記流体を投入するための生産設備の仕様を
   示すパラメータ値および前記測定値から前記補正値を演
   算するための相関関係を予め定めておき、 前記制御システムに、前記パラメータ値および前記実目
   標設定値の演算タイミングを示す前記流体の特定容量値
   を予め与え、 該制御システムに対して前記計量器の測定値をオンライ
   ン入力し、 当該制御システムは前記特定容量値に前記計量器の測定
   値が到達したことを検知したときに、オンライン入力さ
   れる測定値および前記パラメータならびに前記相関関係
   を用いて前記実目標設定値を演算することを特徴とする
   流体投入制御方法。
2. 【請求項２】 前記生産設備は、開により前記流体を投
   入し、閉により前記流体の投入を停止するための口径の
   大きい第１投入弁と口径の小さい第２投入弁とを有し、
   前記制御システムは前記実目標設定値の演算タイミング
   までは前記第１投入弁を用いて前記流体の投入を実行
   し、当該演算タイミング以後は第２投入弁を用いて前記
   流体の投入を実行することを特徴とする請求項１に記載
   の流体投入制御方法。