JPWO2018029830A1 - インバータ装置、異常検出方法及び異常検出プログラム - Google Patents

Abstract

交流電源（２０）からの交流を直流に変換するコンバータ部（１１）と、コンバータ部（１１）からの直流を交流に変換してモータ（３０）に交流電流を出力するインバータ部（１２）と、インバータ部（１２）が備えるスイッチング素子のオンオフを制御するインバータ制御部（１３）と、ロールツーロール装置（５０）の異常を検出して異常信号を出力する異常検出部（１４）とを備え、異常検出部（１４）は、巻径（ｒ）に対するモータトルク（Ｔ）の比であるトルク巻径比を推定するトルク巻径比推定部（１４３）と、予め測定されたトルク巻径比基準値と推定したトルク巻径比とを比較する比較部（１４５）とを備える。

Description

本発明は、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸を回転させるモータを制御するインバータ装置、異常検出方法及び異常検出プログラムに関する。

製紙工場又は伸線機に適用されるロールツーロール装置は、モータによって巻取又は巻出軸が回転することでウェブを巻き取り又は巻き出している。このようなモータに接続されるインバータ装置は、電圧と周波数とを調整することで、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸のモータ回転速度を制御し、ライン速度が制御される。

ロールツーロール装置において、ウェブ破断又は機械的故障に代表される異常発生を検出するためには、従来、張力センサ又はライン速度検出装置といった検出装置が必要であった。しかしながら、このような検出装置を設置すると、装置の大型化及びコスト増を招く。

従来技術の一例である特許文献１には、正常時の巻取径相当に対する張力を記憶しておき、これと測定結果とを比較して異常判定を行う糸条巻取機の巻取制御監視装置が開示されている。

特開２００３−２８５９７２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、運転パターンにおける巻取時間と張力との関係を基準としている。そのため、運転パターンの変化に対応することができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、運転パターンによらずに異常検出可能なインバータ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源に接続され、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸に接続されたモータを制御するインバータ装置であって、交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部からの直流を交流に変換してモータに交流電流を出力するインバータ部と、ロールツーロール装置の異常を検出して異常信号を出力する異常検出部とを備える。異常検出部は、巻径に対するモータトルクの比であるトルク巻径比を推定するトルク巻径比推定部と、トルク巻径比基準値とトルク巻径比とを比較する比較部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るインバータ装置は、運転パターンによらずに異常検出可能という効果を奏する。

実施の形態１に係るインバータ装置と周辺装置の一構成例を示す図 図１に示す異常検出部の一構成例を示すブロック図 図２に示す異常検出部とは異なる形態の異常検出部の一構成例を示すブロック図 巻径ｒを横軸とし、モータトルクＴを縦軸とした、正常稼働時におけるトルク巻径比を表すトルク巻径直線を示す図 巻径ｒを横軸とし、モータトルクＴを縦軸とした、異常発生時におけるトルク巻径比を表すトルク巻径直線を示す図 実施の形態１に係る異常検出方法を示すフローチャート 実施の形態２に係るインバータ装置が備える異常検出部の一構成例を示すブロック図 図７に示す異常検出部とは異なる形態の異常検出部の一構成例を示すブロック図 時間ｔを横軸とし、ウェブ張力Ｆを縦軸とした、正常稼働時におけるウェブ張力の時間変化を表す張力線を示す図 時間ｔを横軸とし、ウェブ張力Ｆを縦軸とした、異常発生時におけるウェブ張力の時間変化を表す張力線を示す図 実施の形態２に係る異常検出方法を示すフローチャート 実施の形態１，２に係るインバータ装置が備える異常判定部を実現するハードウエアの一般的な一構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るインバータ装置、異常検出方法及び異常検出プログラムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置と周辺装置の一構成例を示す図である。図１に示すインバータ装置１０は、コンバータ部１１と、インバータ部１２と、インバータ制御部１３と、異常検出部１４とを備え、コンバータ部１１は交流電源２０に接続され、インバータ部１２はモータ３０に接続されている。

コンバータ部１１は、交流電源２０からの交流を直流に変換する。インバータ部１２は、コンバータ部１１からの直流を交流に変換してモータ３０に交流電流を出力する。インバータ制御部１３は、インバータ部１２が備える図示しないスイッチング素子のオンオフを制御する。異常検出部１４は、異常検出プログラムを記憶しており、巻径演算を行い、ロールツーロール装置５０の異常を検出する。そして、異常検出部１４は、異常信号を、上位コントローラをはじめとする外部に出力する。

モータ３０は、減速機４０に接続され、減速機４０は巻取又は巻出軸５４に接続されている。なお、減速機４０は必要に応じて設けられていればよく、必須の構成ではない。

ロールツーロール装置５０は、ダンサロール５１と、ダンサロール５１の両側に配されたガイドロール５２，５３と、巻取又は巻出軸５４と、ウェブ５５とを有する。巻取又は巻出軸５４は、減速機４０に接続され、モータ３０によって回転することでウェブ５５を巻き取り又は巻き出す。

図２は、図１に示す異常検出部１４の一構成例を示すブロック図である。図２に示す異常検出部１４は、巻径演算部１４０と、パラメータ記憶部１４１と、モータトルク演算部１４２と、トルク巻径比推定部１４３と、正常時トルク巻径比記憶部１４４と、比較部１４５とを備える。

図２に示す巻径演算部１４０は、巻取又は巻出軸５４の現在の半径である巻径ｒを演算する。ここで、巻径演算部１４０は、ライン速度に基づく実ライン速度演算方式によって巻径ｒの演算を行う。

実ライン速度演算方式では、ライン速度ｖ［ｍｍ／ｍｉｎ］及びモータ回転速度ｗｆｂ［ｒ／ｍｉｎ］を用いて、巻取又は巻出軸５４の半径である巻径ｒ［ｍｍ］を下記の式（１）により算出する。なお、下記の式（１）において、ｚはギア比である。

ライン速度ｖは、インバータ制御部１３が出力するライン速度指令又は図示しないライン速度検出器の検出速度を用いる。ライン速度指令を用いる場合には、ライン速度検出器は不要である。図示しないライン速度検出器は、インバータ装置１０に設けられる。

モータ回転速度ｗｆｂは、図示しないエンコーダで検出したモータ回転速度又はインバータ制御部１３からの速度推定値を用いる。図示しないエンコーダは、モータ３０に設けられている。

ギア比ｚは、装置構成、特に減速機４０によって決定される固定値であるため、予め設定されてパラメータ記憶部１４１に記憶されている。

図３は、図２に示す異常検出部１４とは異なる形態の異常検出部１４ａの一構成例を示すブロック図である。図３に示す異常検出部１４ａは、巻径演算部１４０に代えて巻径演算部１４０ａを備え、パラメータ記憶部１４１に代えてパラメータ記憶部１４１ａを備える点が異なる。図３に示す巻径演算部１４０ａは、材料厚みの積算に基づく厚み演算方式によって巻径ｒの演算を行う。

厚み演算方式では、巻き取り又は巻き出したウェブ５５の材料厚みｄ［ｍｍ］を用いて、巻取又は巻出軸５４の半径である巻径ｒ［ｍｍ］を下記の式（２）により算出する。なお、下記の式（２）において、ｒ１［ｍｍ］は巻取又は巻出軸５４の初期半径、すなわち巻き取り又は巻き出し前の巻取又は巻出軸５４の半径である初期巻径であり、Ｎはロール回転数であり、ｚはギア比である。

材料厚みｄは、ウェブ５５の材料によって決定される既知の固定値であり、予めパラメータ記憶部１４１ａに記憶されている。

初期巻径ｒ１は、装置構成、特に巻取又は巻出軸５４によって決定される既知の固定値であるため、予めパラメータ記憶部１４１ａに記憶されている。

ロール回転数Ｎは、巻取又は巻出軸５４に付された、図示しないエンコーダから出力される。

なお、ギア比ｚは、図２と同様に、予め設定されてパラメータ記憶部１４１ａに記憶されている。

図２，３を参照して説明したように、実ライン速度演算方式又は厚み演算方式によって算出された巻径ｒ［ｍ］、モータ３０のモータトルクＴ［Ｎ・ｍ］、ギア比ｚにより、ウェブ張力Ｆは下記の式（３）によって表される。

上記の式（３）より、ウェブ張力Ｆを一定として制御すると、ギア比ｚは固定値であるため、モータトルクＴと巻径ｒの関係は一意に決定される。

モータトルク演算部１４２は、モータ３０の出力電流と、パラメータ記憶部１４１ａに記憶されたモータ定数とを座標変換して算出された励磁電流及びトルク分電流を用いて推定したモータトルクＴを出力する。モータ３０の出力電流は、インバータ部１２の出力側に設けられた、図示しない電流検出器から出力される。

トルク巻径比推定部１４３は、モータトルクＴと、上記の式（１）又は式（２）によって推定した巻径ｒとを用いて、巻径ｒに対するモータトルクＴの比である推定トルク巻径比を推定する。

正常時トルク巻径比記憶部１４４は、リファレンスとして、予め測定した正常稼働時のモータトルクＴと巻径ｒとの関係である正常時トルク巻径比を記憶している。正常時トルク巻径比は、異常判定の基準値となるので、トルク巻径比基準値とも記載される。

比較部１４５は、推定トルク巻径比と正常時トルク巻径比とを比較する。比較部１４５は、正常時トルク巻径比と推定トルク巻径比との比較結果と異常判定設定値に基づいて異常であると判断すると異常信号を出力する。具体的には、正常時トルク巻径比と推定トルク巻径比とが、記憶している異常判定設定値以上にかい離すると、異常信号を出力する。この異常信号は外部に、代表的には上位コントローラに出力され、ユーザは異常発生を把握する。なお、異常判定設定値は、予め設定されて比較部１４５に記憶されている。

図４は、巻径ｒを横軸とし、モータトルクＴを縦軸とした、正常稼働時におけるトルク巻径比を表すトルク巻径直線を示す図である。図４において、予め記憶された正常時の計測値直線は実線で表され、現在の推定値直線は破線で表されており、両者はかい離していない。そのため、図４においては、正常稼働時であると判定され、異常信号が出力されない。

図５は、巻径ｒを横軸とし、モータトルクＴを縦軸とした、異常発生時におけるトルク巻径比を表すトルク巻径直線を示す図である。図５において、予め記憶された正常時の計測値直線は実線で表され、現在の推定値直線は破線で表されており、両者はかい離している。そのため、図５においては、異常発生時であると判定され、異常信号が出力される。

なお、本実施の形態１には上記説明した異常検出方法も含まれる。図６は、本実施の形態１に係る異常検出方法を示すフローチャートである。本実施の形態１に係る異常検出方法は、インバータ装置１０によって制御されるモータ３０又は減速機４０に接続された巻取又は巻出軸５４を備えるロールツーロール装置５０の異常検出方法であって、巻取又は巻出軸５４の巻径ｒを演算し（Ｓ１１）、モータ３０のモータトルクＴを演算し（Ｓ１２）、巻径ｒに対するモータトルクＴの比であるトルク巻径比を推定し（Ｓ１３）、予め測定された正常稼働時におけるトルク巻径比と、推定したトルク巻径比とを比較する（Ｓ１４）。そして、異常である場合、すなわち、両者のかい離が異常判定設定値以上である場合には、異常信号を出力する（Ｓ１５）。ここで、巻取又は巻出軸５４の巻径ｒの演算は、上記の実ライン速度演算方式又は厚み演算方式によって行われる。また、この異常検出方法をコンピュータに実行させる異常検出プログラムも本発明に含まれる。

以上説明したように、異常検出部を備える本実施の形態１に係るインバータ装置は、モータトルク及び巻径のみで異常検出が可能であるため、運転パターンに依存しない異常検出が可能である。そのため、運転パターンに依存する従来技術では必要であった、初期値についての調整作業が不要である。

また、本実施の形態１によれば、ロールツーロール装置が、ダンサロールの張力をインバータ装置からの指令としてエアシリンダーを制御する場合には、ウェブの材料によらない異常検出が可能である。

本実施の形態においては、巻径演算部１４０及びモータトルク演算部１４２はインバータ装置に備えられているため、インバータ装置単体で異常検出が可能であるという効果を奏する。ただし、本発明はこれに限定されず、巻径及びモータトルクは、外部の上位コントローラで演算された値が用いられてもよい。演算された値が用いられる場合であっても、運転パターンによらずに異常検出が可能となる効果は得られる。

実施の形態２．
実施の形態１ではトルク巻径比の比較を行ったが、張力指令値と張力推定値との比較によっても異常検出が可能である。本実施の形態２では、張力指令値と張力推定値との比較によって異常検出を行うインバータ装置について説明する。なお、本実施の形態２において、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態２に係るインバータ装置は、図１に示す構成において異常検出部１４を異常検出部１４ｂに置き換えたのみであるため、図示を省略する。

図７は、本実施の形態２に係るインバータ装置が備える異常検出部の一構成例を示すブロック図である。図７に示す異常検出部１４ｂは、巻径演算部１４０と、パラメータ記憶部１４１と、モータトルク演算部１４２と、張力演算部１４６と、比較部である張力比較部１４７とを備える。なお、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付している。

張力演算部１４６は、巻径ｒとモータトルクＴが入力されて上記の式（３）により演算された張力推定値を出力する。張力比較部１４７は、張力演算部１４６が出力する張力推定値と、インバータ制御部１３が出力する張力指令値とを常時比較し、張力推定値と張力指令値とが、記憶している異常判定設定値以上にかい離すると、異常信号を出力する。

図８は、図７に示す異常検出部１４ｂとは異なる形態の異常検出部１４ｃの一構成例を示すブロック図である。図８に示す異常検出部１４ｃは、巻径演算部１４０ａと、パラメータ記憶部１４１ａと、モータトルク演算部１４２と、張力演算部１４６と、張力比較部１４７とを備える。図８に示す構成についてはすべて既出であるため、上記の説明を援用する。

図９は、時間ｔを横軸とし、ウェブ張力Ｆを縦軸とした、正常稼働時におけるウェブ張力の時間変化を表す張力線を示す図である。図９において、張力指令値は実線で表され、張力推定値は破線で表されており、両者はかい離していない。そのため、図９においては、正常稼働時であると判定され、異常信号が出力されない。

図１０は、時間ｔを横軸とし、ウェブ張力Ｆを縦軸とした、異常発生時におけるウェブ張力の時間変化を表す張力線を示す図である。図１０において、張力指令値は実線で表され、張力推定値は破線で表されており、両者はかい離している。そのため、図１０においては、異常発生時であると判定され、異常信号が出力される。

なお、本実施の形態２には異常検出方法も含まれる。図１１は、本実施の形態２に係る異常検出方法を示すフローチャートである。本実施の形態２に係る異常検出方法は、インバータ装置１０によって制御されるモータ３０又は減速機４０に接続された巻取又は巻出軸５４を備えるロールツーロール装置５０の異常検出方法であって、巻取又は巻出軸５４の巻径ｒを演算し（Ｓ２１）、モータ３０のモータトルクＴを演算し（Ｓ２２）、巻径ｒ及びモータトルクＴからウェブ張力Ｆを推定し（Ｓ２３）、張力指令値と推定した張力推定値とを比較する（Ｓ２４）。そして、異常である場合、すなわち、両者のかい離が異常判定設定値以上である場合には、異常信号を出力する（Ｓ２５）。ここで、巻取又は巻出軸５４の巻径ｒの演算は、上記の実ライン速度演算方式又は厚み演算方式によって行われる。また、この異常検出方法をコンピュータに実行させる異常検出プログラムも本発明に含まれる。

本実施の形態２にて説明したように、張力指令値と張力推定値との比較によっても運転パターン及びウェブ材料に依存することなく異常検出が可能である。

なお、上記説明した本実施の形態において、異常判定部１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、少なくともプロセッサと、メモリと、受信器と、送信器とを備え、各装置の動作はソフトウエアにより実現することができる。図１２は、実施の形態１，２に係るインバータ装置が備える異常判定部を実現するハードウエアの一般的な一構成例を示す図である。図１２に示す装置は、プロセッサ２０１、記憶回路２０２、受信器２０３及び送信器２０４を備え、プロセッサ２０１は受信した信号及びパラメータを用いてソフトウエアによる演算及び制御を行い、記憶回路２０２は受信したデータ又はプロセッサ２０１が演算及び制御を行うに際して必要なデータ及びソフトウエアの記憶を行う。受信器２０３は、異常判定部に入力される信号又は情報を受信するインターフェースである。送信器２０４は、異常判定部から出力される信号又は情報を送信するインターフェースである。なお、プロセッサ２０１、記憶回路２０２、受信器２０３及び送信器２０４は、各々複数設けられていてもよい。

実施の形態１，２にて説明したインバータ装置は、単体で張力の異常検出が可能である。そのため、ロールツーロール装置の小型化が可能である。また、ロールツーロール装置の製造コストを低減することも可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ インバータ装置、１１ コンバータ部、１２ インバータ部、１３ インバータ制御部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 異常検出部、２０ 交流電源、３０ モータ、４０ 減速機、５０ ロールツーロール装置、５１ ダンサロール、５２，５３ ガイドロール、５４ 巻取又は巻出軸、５５ ウェブ、１４０，１４０ａ 巻径演算部、１４１，１４１ａ パラメータ記憶部、１４２ モータトルク演算部、１４３ トルク巻径比推定部、１４４ 正常時トルク巻径比記憶部、１４５ 比較部、１４６ 張力演算部、１４７ 張力比較部、２０１ プロセッサ、２０２ 記憶回路、２０３ 受信器、２０４ 送信器。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源に接続され、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸に接続されたモータを制御するインバータ装置であって、交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部からの直流を交流に変換してモータに交流電流を出力するインバータ部と、ロールツーロール装置の異常を検出して異常信号を出力する異常検出部とを備える。異常検出部は、巻径に対するモータトルクの比であるトルク巻径比を推定してトルク巻径比推定値を生成するトルク巻径比推定部と、予め測定した正常稼働時のモータトルクと正常稼働時の巻径との関係であるトルク巻径比基準値を記憶する正常時トルク巻径比記憶部と、トルク巻径比基準値とトルク巻径比推定値とを比較する比較部とを備えることを特徴とする。

Claims (11)

1. 交流電源に接続され、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸に接続されたモータを制御するインバータ装置であって、
   前記交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部からの直流を交流に変換して前記モータに交流電流を出力するインバータ部と、
   前記ロールツーロール装置の異常を検出して異常信号を出力する異常検出部とを備え、
   前記異常検出部は、
   巻径に対するモータトルクの比であるトルク巻径比を推定するトルク巻径比推定部と、
   トルク巻径比基準値と前記トルク巻径比とを比較する比較部とを備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 交流電源に接続され、ロールツーロール装置の巻取又は巻出軸に接続されたモータを制御するインバータ装置であって、
   前記交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部からの直流を交流に変換して前記モータに交流電流を出力するインバータ部と、
   前記ロールツーロール装置の異常を検出して異常信号を出力する異常検出部とを備え、
   前記異常検出部は、
   巻径及びモータトルクから張力推定値を推定して出力する張力演算部と、
   前記張力推定値と前記張力指令値とを比較する比較部とを備えることを特徴とするインバータ装置。
3. 前記巻径を演算して出力する巻径演算部と、
   前記モータトルクを演算して出力するモータトルク演算部とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記巻径演算部は、前記ロールツーロール装置のライン速度と、前記モータのモータ回転速度と、前記ロールツーロール装置のギア比とを用いて、実ライン速度演算方式によって前記巻径を演算することを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記巻径演算部は、前記ロールツーロール装置のウェブの材料厚みと、前記巻取又は巻出軸の初期半径と、前記巻取又は巻出軸のロール回転数と、前記ロールツーロール装置のギア比とを用いて、厚み演算方式によって前記巻径を演算することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のインバータ装置。
6. 前記比較部は、比較結果と異常判定設定値に基づいて異常であると判断すると、異常信号を出力することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. インバータ装置によって制御されるモータに接続された巻取又は巻出軸を備えるロールツーロール装置の異常検出方法であって、
   前記巻取又は巻出軸の巻径を演算するステップと、
   前記モータのモータトルクを演算するステップと、
   前記巻径に対する前記モータトルクの比であるトルク巻径比を推定するステップと、
   トルク巻径比基準値と前記トルク巻径比とを比較するステップとを含むことを特徴とする異常検出方法。
8. インバータ装置によって制御されるモータに接続された巻取又は巻出軸を備えるロールツーロール装置の異常検出方法であって、
   前記巻取又は巻出軸の巻径を演算するステップと、
   前記モータのモータトルクを演算するステップと、
   前記巻径及び前記モータトルクから前記ロールツーロール装置のウェブの張力を推定するステップと、
   張力指令値と推定した前記張力とを比較するステップとを含むことを特徴とする異常検出方法。
9. 前記巻径の演算が、前記ロールツーロール装置のライン速度と、前記モータのモータ回転速度と、前記ロールツーロール装置のギア比とを用いて、実ライン速度演算方式によって行われることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の異常検出方法。
10. 前記巻径の演算が、前記ロールツーロール装置のウェブの材料厚みと、前記巻取又は巻出軸の初期半径と、前記巻取又は巻出軸のロール回転数と、前記ロールツーロール装置のギア比とを用いて、厚み演算方式によって行われることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の異常検出方法。
11. 請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の異常検出方法をコンピュータに実行させることを特徴とする異常検出プログラム。

Images