KR100490199B1 - 핫 프레스의 온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

종래의 제어방법에서는, 열판온도는 온도설정패턴과의 사이에 큰 편차를 일으키고, 또 오버슈트나 언더슈트가 발생하므로, 피가공물의 성형이 불안정하게 되어, 불량율이 증가함과 동시에 생산성이 저하한다.

열매체를 각 열판(4)에 분배·공급하는 입구 매니폴드(5) 내의 열매체와, 열판(4)으로부터 배출된 열매체를 수집하는 출구 매니폴드(8) 내의 열매체와, 열판(4)중의 임의의 2개의 온도를 검출하고, 상기 2개의 온도를 온도설정패턴(16)에 따라서 전환 선택한 온도값이든지 혹은, 상기 3개의 온도중의 적어도 2개의 온도를 검출하고, 그들을 미리 설정된 중요도에 의거하여 가중평균하여 구해진 온도값이 열판(4)의 온도설정패턴(16)에 일치하도록 피드백 제어한다.

Description

핫 프레스의 온도 제어방법{TEMPERATURE CONTROL METHOD OF HOT PRESS}

본 발명은, 증기, 열유(熱油) 또는 물 등의 열매체(熱媒體)에 의해 열판의 온도제어를 행하는 핫 프레스의 온도 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 온도 제어방법을 실시하는 핫 프레스장치는 도 1의 1에 개요를 도시하는데, 종래의 온도제어를 실시하는 핫 프레스장치도 동일한 구성을 가진다. 핫 프레스장치(1)는, 복수의 열판(4)을 가동반(3)이 고정반(2)으로부터 가장 이격되었을 때 가동반(3)과 고정반(2) 사이에 등간격으로 배열설치하도록 되어있고, 열판(4) 위에 피가공물을 얹어 놓고 도시하지 않는 눌러 죄이기장치에 의해 가동반(3)을 고정반(2)에 근접하게 하여 더 눌러 죄이게 함으로써 피가공물을 성형하는 것이다. 이 때, 열매체원(熱媒體源)(24)으로부터 제어밸브(23)를 통하여 압력 또는 유량제어된 열매체가 입구 매니폴드(5)를 경유하여 각 열판(4)을 가열 또는 냉각한 후 출구 매니폴드(8)에 수집(收集)되어 열매체원(24)에 복귀한다. 종래의 핫 프레스장치의 열판온도제어에 있어서는, 온도 또는 압력의 센서는 입구 매니폴드(5), 출구 매니폴드(8) 또는 열판(4)에 설치되고, 센서(6), 센서(9) 또는 센서(11∼14)중 어느 하나의 검출치만에 의거하여 제어밸브(23)가 피드백 제어되어 있었다.

이와 같은 종래의 제어방법에 있어서는, 시간경과에 대하여 일정한 온도인 온도설정패턴의 공정(유지공정(18))에서는 설정치와 실측치의 편차는 없고, 안정된 제어가 행해진다. 그러나, 승온공정(17)이나 냉각공정(19)과 같이 시간경과에 대하여 온도가 변화하는 온도설정패턴에 있어서는, 설정치와 실측치 사이에 편차가 나타난다. 특히 온도설정패턴의 온도변화 즉 온도구배가 클 때에는, 설정치에 대하여 실측치가 지연되어 변화하거나, 승온공정(17)이나 냉각공정(19)과 유지공정(18)의 전환시점에서 실측치의 오버슈트나 언더슈트가 발생하였다.

이와 같은 현상이 일어나는 이유로서 다음의 것을 들 수 있다. 즉, 열매체가 열유나 물인 경우, 열매체의 유속은 빠를수록 열교환이 양호하게 되어 온도정밀도는 향상하는데, 열매체의 유속을 높게 하는데에는 고가인 대형펌프가 필요하게 되므로, 무턱대고 유속을 높게 하는 것은 비용대 효과의 점에서 무리가 있다. 또, 제어밸브(23)로부터 열판(4)에 이르는 열매체 통로에는 굵은 배관이나 입구 매니폴드(5) 등이 있고, 그들의 내부에 잔류된 열매체가 열판(4)을 통과하여 끝나기까지의 시간과 제어는 지연되는 것이다.

상기 문제는, 센서의 위치가 출구 매니폴드(8)에 있을 때 현저하기 때문에, 센서의 위치를 입구 매니폴드(5)로 변경하여 제어를 행할 수도 있는데, 이 때에는 별도의 문제가 발생한다. 즉, 열판(4)에 유입되기 이전의 열매체의 온도가 설정치에 일치하도록 제어되므로, 피가공물의 크기나 재질의 상이함에 따른 열용량의 변화에 의해 열판의 온도가 변동된다. 더욱이, 피가공물의 크기나 재질이 동일하더라도, 모든 열판 사이에 피가공물을 얹어 놓지 않을 때에는, 피가공물의 감소량에 따라서 열용량이 감소하여 열판의 온도가 상승경향으로 되는 것이다.

또, 작금의 가공물의 성형에는 종래 요구되지 않았던 급속한 냉각속도가 필요하게 되어 있다. 그와 같은 제어를 열매체의 온도에 의한 피드백으로 제어한 것으로는 간접적인 제어로 되어 제어지연을 피할 수 없는 것이다. 그와 같은 때에는 열판의 온도에 의한 피드백에 의해 직접적으로 제어하는 것도 행해지는데, 이와 같은 열매체의 제어계에 있어서 모든 행정을 안정적으로 제어하는 것은 극히 곤란하다.

그래서 본 발명은, 열매체를 각 열판에 분배·공급하는 입구 매니폴드 내의 열매체와, 열판으로부터 배출된 열매체를 수집하는 출구 매니폴드 내의 열매체와, 열판중 임의의 2개의 온도를 검출하고, 상기 2개의 온도를 온도설정패턴에 따라서 전환하여 선택된 온도값이든지 혹은, 상기 3개의 온도중 적어도 2개의 온도를 검출하고, 그들을 미리 설정된 중요도에 의거하여 가중평균하여 구해진 온도값이 열판의 온도설정패턴에 일치하도록 피드백 제어하도록 하였다. 이와 같이 함으로써, 제어공정에 따른 최적의 온도 검출부를 가지는 제어루프를 구성할 수 있고, 어느 공정에서도 정밀도가 좋은 온도제어가 실현될 수 있다.

(발명의 실시형태)

도면에 의거하여 본발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 도 1은 핫 프레스장치의 개요와 그 열판의 온도를 제어하기 위한 제어방법을 도시하는 블록도이다. 도 2는 열판을 온도제어하는 열매체의 온도제어루프에 있어서의 각 센서의 중요도와 PID 정수를 설정하는 제어장치의 설정화면이다.

본 발명의 핫 프레스는, 종래의 기술의 항에 기재된 핫 프레스장치(1)에 있어서의, 입구 매니폴드(5), 출구 매니폴드(8) 및 열판(4)에 각각 센서(6, 9, 및 11∼14)를 설치한 구성이다. 입구 매니폴드(5) 및 출구 매지폴드(8)는 원주형상의 용기이고, 각각 복수의 열판(4)의 양 끝면과 내열·가요성 호스로 연통 접속되어 있다. 입구 매니폴드(5)에는 제어밸브(23)로부터의 배관이 접속되는 입구가 1개소 있고, 이 입구로부터 유입된 온도조절된 열매체는 상기 복수의 호스로부터 각 열판(4)에 뚫어 설치된 열매체 통로에 균등하게 분배·공급된다. 출구 매니폴드(8)에는 열매체원(24)으로의 배관이 접속되는 출구가 1개소 있고, 각 열판(4)으로부터 유출된 열매체는 출구 매니폴드(8)내에서 수집되어, 상기 출구로부터 배출된다.

센서(6, 9)는, 온도 또는 압력의 검출기이고, 입구 매니폴드(5) 및 출구 매니폴드(8)의 비교적 높은 위치에 벽면을 관통하여 배열설치되고, 각 열판(4)에 공급되는 열매체의 평균적인 온도나 압력이 검출될 수 있도록 되어 있다. 열매체가 열유나 물의 경우에는, 센서(6, 9)는 서모커플이나 측정온도 저항체로 이루어지는 온도검출기를 사용한다. 열매체가 증기인 경우에는, 센서(6, 9)는 증기압력 검출기를 사용하고, 그 신호는 제어장치(22)에 입력되어 증기압력에 대응한 온도의 신호로 변환되어 열판의 온도제어의 피드백 신호로 된다.

센서(11, 12, 13 및 14)는 서모커플 등으로 이루어지고, 각 열판(4)의 측면에 매설되고, 열판(4)의 온도를 직접 검출한다. 센서(11, 12, 13 및 14)의 열판온도신호(15)는 제어장치(22)에 입력되고, 평균되어서 하나의 온도값으로 되고 열판의 온도제어의 피드백신호로 된다. 센서(11, 12, 13 또는 14)는 각 열판(4) 모두에 배열설치되지 않는 것도 있고, 하나 또는 복수의 센서로 전체의 열판의 평균적인 온도가 검출될 수 있는 상태이면 일부를 생략할 수도 있다.

제어장치(22)는 핫 프레스장치(1)의 작동, 눌러 죄임력의 제어 및 열판의 온도제어를 실행하기 위해, 설정치를 설정하고 액추에이터에 연산·증폭된 신호를 출력하는 것으로, 공지의 마이크로프로세서 등에 의해 구성되어 있다. 16은 피가공물을 성형하는 일련의 공정에 있어서의 열판의 온도를 설정하기 위한 온도설정패턴이고, 제어장치(22)의 맨머신 인터페이스인 CRT나 액정표시패널 등의 표시부에 표시된다. 온도설정패턴(16)은 주로 승온공정(17), 유지공정(18) 및 냉각공정(19)으로 이루어지고, 시간경과와 함께 변화시키는 열매체(열판(4))의 온도를 임의의 절선그래프상태로 설정할 수 있다. 센서(6, 9)로부터 발신되는 온도 또는 압력신호(7, 10) 및 열판온도신호(15)는, 제어장치(22)에 입력되어 연산부(20)에서 온도의 신호로 변환후, 다시 도 2에 도시하는 공정 및 온도설정범위에 맞는 온도의 중요도에 의거하여 가중평균되어 온도값으로 된다. 온도설정패턴(16)으로부터 시간경과에 따라서 출력되는 온도설정신호는 이 온도값과 대조되고, 도 2에서 설정된 PID 정수에 의거하여 피드백 연산되고, 증폭기(21)로 전류증폭되어 제어밸브(23)를 구동한다.

제어밸브(23)는, 다이어프램밸브나 3방밸브 등과 같이 개도나 유로를 조정하는 것으로, 열판(4)에 공급되는 열매체의 압력이나 유량을 조절하여 열판(4)의 온도를 제어한다. 열매체원(24)은, 보일러 혹은, 히터, 냉각기 및 펌프를 구비한 온도조절기이고, 제어밸브(23)와 협동해서 열판(4)을 온도제어하는 열매체를 압송한다.

도 2는 제어장치(22)의 표시부에 표시된 화면의 일예이고, 열판을 온도제어하는 열매체의 온도제어루프에 있어서의 각 센서의 온도의 중요도와 PID정수를 설정한다. 온도설정패턴은 주로 승온공정, 유지공정 및 냉각공정으로 구분되고, 각 공정은 각각의 온도설정범위를 임의로 설정할 수 있는 값으로 3분할된다. 결국 9분할된 온도설정패턴의 분절(分節) 각각에 대하여 온도의 중요도와 제어정수가 설정될 수 있는 것이다.

온도의 중요도는, 입구 매니폴드(5)의 온도, 열판(4)의 온도 및 출구 매니폴드(8)의 온도의 각각이 피드백 제어에 기여하는 비율을, 3개 온도의 합계가 100으로 되도록 %로 설정하는 것이다. 기본적인 사고 방식으로서는, 입구 매니폴드(5)의 온도의 중요도는 작게 억제하고, 냉각공정의 저온시를 제외하고 10% 정도로 한다. 열판(4)의 온도의 중요도는, 승온공정으로부터 유지공정에 이르기에 따라, 또 온도설정치가 높을수록 크게 한다. 특히 냉각공정의 저온시에는 100%로 하는 일도 있다. 출구 매니폴드(8)의 온도의 중요도는, 열판의 온도의 중요도와는 역의 경향이고, 승온공정으로부터 유지공정에 이르기에 따라, 또 온도설정이 높을수록 작게 한다. 또한 상기와 같이 입구 매니폴드(5)의 온도의 중요도는 일반적으로 작으므로, 입구 매니폴드(5)의 온도를 제외한 다른 2개의 온도에서의 가중평균에 의해 온도값을 얻는 경우도 있다. 이와 같이 중요도가 설정된 입구 매니폴드(5)의 온도, 열판(4)의 온도 및 출구 매니폴드(8)의 온도중 적어도 2개의 온도는, 연산부(20)에서 가중평균되어 온도값으로 된다.

제어정수는 P(비례정수), I(적분정수) 및 D(미분정수)로 이루어진다. P는 피드백제어의 게인(gain:이득)이라고도 하며, 비례대(比例帶)의 폭을 제어영역의 %로 설정한다. 따라서 P의 수치가 작을수록 게인이 높은 것으로 된다. I는 적분시간을 초수로 설정하고, 설정치와 실측치의 편차를 이 시간중 적분하여 수정치로 한다. D는 미분시간을 초수로 설정하고, 설정치와 실측치의 편차의 변화분을 이 시간중 미분하여 수정치로 한다. 일반적인 설정으로서, P는 승온공정과 유지공정에서는 온도설정치가 높을수록 작게 하고, 냉각공정에서는 역으로 온도설정치가 낮을수록 작게 한다. I와 D는, 온도설정패턴의 분절에 관계없이 대략 일정치로서 좋다.

그런데, 열매체가 증기인 경우, 증기압센서는 입구 매니폴드(5)에 설치된다. 이것은 센서를 출구 매니폴드(8)에 배열설치하면, 출구 매니폴드(8)에서는 일부의 증기가 응축되어 물로 되거나 센서가 제어밸브(23)로부터 이탈되기 때문에 제어가 곤란하게 되기 때문이고, 센서는 6과 11∼14가 채용된다. 따라서, 이 경우의 온도의 중요도는, 입구 매니폴드(5)의 증기압력(온도)과 열판(4)의 온도의 2개의 합계가 100%가 되도록 설정되고, 2개의 가중평균에 의해 온도값이 구해진다.

또 다른 실시예로서, 도 2의 온도의 중요도에 의거한 가중평균과 같은 고도의 연산을 실행하는 일 없이, 간이한 방법으로 본 발명의 효과가 얻어지는 경우도 있다. 즉, 열매체를 각 열판에 분배·공급하는 입구 매니폴드(5)내의 열매체와, 열판(4)으로부터 배출된 열매체를 수집하는 출구 매니폴드(8) 내의 열매체와, 열판(4)중의 임의의 2개의 온도를 검출하고, 연산부(20)에 있어서 상기 2개의 온도중 온도설정패턴의 각 공정마다 미리 설정해 놓은 어느 한 온도를 전환 선택하고, 선택된 온도값이 온도설정패턴에 일치하도록 열매체를 피드백 제어한다. 이 제어에 있어서의 온도의 전환·선택은, 예를 들면 도 2와 같은 온도설정패턴에 있어서, 입구 매니폴드(5)내의 열매체와, 출구 매니폴드(8)내의 열매체와, 열판(4)중의 임의의 2개의 온도에 대하여, 온도설정패턴의 분절마다 0%와 100%중 어느 하나의 쌍을 설정한 것에 의해 행해지는 것이 된다.

요컨대, 고도의 소프트웨어를 필요로 하는 특수한 제어장치를 사용하지 않고, 범용의 온도조절기이더라도, 열매체를 열유 또는 물로서 사용할 경우, 예를 들면, 승온·유지공정은 출구 매니폴드(8)의 온도만으로 피드백 제어하고, 냉각공정은 열판(4)의 온도만으로 피드백 제어하도록 센서를 전환 선택하여 제어함으로써, 종래와 같이 출구 매니폴드(8)의 온도만으로 전행정을 피드백 제어했을 때와 비교하여, 온도설정패턴에 의해 거의 우수한 냉각특성을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 실시하므로, 온도설정패턴의 분절에 따라서 최적의 센서가 중요도를 고려하여 선택되고, 그 선택 또는 가중평균된 온도값에 의거하여 피드백 제어된다. 그 결과, 열판온도는 온도설정패턴과 큰 편차없이 제어되고, 또 오버슈트나 언더슈트도 발생하지 않으므로, 피가공물은 안정되게 성형되어, 불량율의 저하와 생산성 향상에 크게 기여한다.

도 1은 핫 프레스장치의 개요와 그 열판의 온도를 제어하기 위한 제어방법을 도시하는 블록도, 그리고

도 2는 열판을 온도제어하는 열매체의 온도제어루프에 있어서의 각 센서의 중요도와 PID 정수를 설정하는 제어장치의 설정화면이다.

(부호의 설명)

1 : 핫 프레스장치 2 : 고정반

3 : 가동반 4 : 열판

5 : 입구 매니폴드 6, 9, 11, 12, 13, 14 : 센서

7, 10 : 온도 또는 압력신호 8 : 출구 매니폴드

15 : 열판온도신호 16 : 온도설정패턴

17 : 승온공정 18 : 유지공정

19 : 냉각공정 20 : 연산부

21 : 증폭기 22 : 제어장치

23 : 제어밸브 24 : 열매체원

Claims (5)

1. 열매체에 의해 온도제어되는 열판과, 열판위에 얹어 놓인 피가공물을 눌러 죄이는 눌러 죄이기장치를 구비한 핫 프레스의 온도 제어방법으로서,

   열매체를 각 열판에 분배·공급하는 입구 매니폴드내의 열매체와, 열판으로부터 배출된 열매체를 수집하는 출구 매니폴드 내의 열매체와, 열판중의 임의의 2개의 온도를 검출하고, 상기 2개의 온도를 온도설정패턴에 따라서 전환 선택하고, 선택된 온도값이 온도설정패턴에 일치하도록 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 핫 프레스의 온도 제어방법.
2. 열매체에 의해 온도제어되는 열판과, 열판 위에 얹어 놓인 피가공물을 눌러 죄이는 눌러죄이기장치를 구비한 핫 프레스의 온도 제어방법으로서,

   열매체를 각 열판에 분배·공급하는 입구 매니폴드 내의 열매체와, 열판으로부터 배출된 열매체를 수집하는 출구 매니폴드 내의 열매체와, 열판중의 적어도 2개의 온도를 검출하고, 그들을 미리 설정된 중요도에 의거하여 가중평균하여 구해진 온도값이 열판의 온도설정패턴에 일치하도록 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 핫 프레스의 온도 제어방법.
3. 제 2 항에 있어서, 입구 매니폴드 내의 열매체온도와 출구 매니폴드 내의 열매체온도와 열판온도에 있어서의 상기 중요도는, 열판의 온도설정패턴의 공정마다 상이한 값으로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 핫 프레스의 온도 제어방법.
4. 제 3 항에 있어서, 입구 매니폴드 내의 열매체온도와 출구 매니폴드 내의 열매체온도와 열판온도에 있어서의 상기 중요도는, 열판의 온도설정패턴의 공정마다 설정한 온도설정범위에 따라서 상이한 값으로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 핫 프레스의 온도 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 피드백 제어의 PID 정수는, 열판의 온도설정패턴의 공정마다 설정한 온도설정범위에 따라서 상이한 값으로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 핫 프레스의 온도 제어방법.