WO2019142840A1 - 空圧システム - Google Patents

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雅萍 劉
小泉　稔
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株式会社日立産機システム
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    • F15B2211/8855—Compressible fluids, e.g. specific to pneumatics

Definitions

  • the present invention relates to a pneumatic system.
  • the pneumatic system that supplies compressed air to each location in the plant temporarily accumulates the compressed air compressed by the air compressor in the air tank, and from this air tank, the piping system and pneumatic equipment (filter, dryer, It is piping equipment that supplies compressed air to equipment (end) that consumes compressed air in the factory production process, such as air cylinders and air blows in the factory, through control valves and the like.
  • the air piping system extending from the discharge port to the end of the air compressor, the pressure loss increases as it gets closer to the end, but the pressure loss also changes due to changes in the amount of air discharged from the air compressor and the amount of air used at the end.
  • the end is not limited to one place, and the pressure loss greatly changes also by the use fluctuation of each discharge air.
  • the end pressure constant control is performed according to the change in the amount of air used at the end. That is, the discharge pressure of the air compressor is changed so that the supply pressure to the end becomes constant.
  • Estimated end pressure control is control based on estimated pressure loss. For pressure loss estimation, control is performed in anticipation of maximum pressure loss using a piping system model in steady state.
  • Measured end pressure control is control based on the measured value of pressure at the end.
  • a pressure detection device is provided in the header, a pressure signal is transmitted to the control device of the air compressor, and a new discharge pressure setting value is obtained by the deviation amount between the set pressure and the measured end pressure.
  • Patent Document 3 a pressure detection device is provided near each end, and a new set value of discharge pressure is calculated by fluctuation of pressure difference from the outlet of the air compressor to each end, and air compression is performed. A method of controlling the machine has been proposed.
  • Patent No. 4425768 JP 2009-013961 Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-024845
  • a pressure detection device is provided in the header, a pressure signal is transmitted to the control device of the air compressor, and a new discharge pressure setting value is calculated from the deviation between the set pressure and the measured end pressure to control the air compressor.
  • a method has been proposed. However, since the pressure loss increases as it gets closer to the end, generally there is a problem that the pressure of the header and the pressure supplied to the end are not equal, and if the pressure deviation amount is adopted as the correction pressure as it is, control of the pneumatic system becomes unstable.
  • a pressure detection device is provided near each end, and a new setting value of discharge pressure is calculated based on fluctuation of pressure difference from the outlet of the air compressor to each end, and a method of controlling the air compressor is proposed.
  • a pressure loss changes rapidly, there is a problem that a response delay occurs due to the volume of the piping system.
  • the case where there is no pressure sensor and the case where the pressure sensor is broken can not be dealt with.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in consideration of air tank volume and piping system volume which are factors of response delay, from the viewpoint of flow control, it is necessary depending on the amount of air used for plural ends. It is an object of the present invention to provide an apparatus for controlling an air compressor in real time so as to discharge an amount of air for a minute.
  • the present invention is an air pressure system for supplying compressed air discharged from an air compressor, for example, to a plurality of ends consuming compressed air via an air tank and a piping system
  • the compressor pressure sensor that measures the discharge pressure of the air compressor
  • the multiple end pressure sensors that measure the supply pressure to the multiple ends, the capacity of the air tank, the piping system information, and the discharge pressure and supply pressure
  • An air pressure system is provided that includes a flow rate difference calculation device that calculates deviation amount information based on the above and a control device that controls the operation of the air compressor based on the deviation amount information.
  • the air compressor in real time to the plurality of ends with a supply method that is not used wastefully according to the usage of compressed air. Furthermore, based on a prediction model that evaluates the volume response time delay, in the case of a rapid change in pressure loss, unnecessary power consumption can be prevented with stable operation without response delay.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a pneumatic system according to a first embodiment of the present invention.
  • the pneumatic system shown in FIG. 1 includes an air compressor unit 1, an air tank 7, a piping system 8, ends 9 to 11, end pressure sensors 12 to 14, and a flow rate difference calculation device 15.
  • the air compressor unit 1 compresses the air A sucked from the atmosphere and discharges the compressed air.
  • the air compressor unit 1 includes an air compressor body 2 (air compressor), an air compressor discharge unit pressure sensor 3 (compressor pressure sensor), a control device 4, a variable speed device 5, and an electric motor 6. Below, schematic structure of the air compressor unit 1 is demonstrated.
  • the air compressor body 2 sucks and compresses the air A.
  • the air compressor discharge unit pressure sensor 3 measures the pressure of the compressed air discharged from the air compressor main body 2. The measured pressure value is output to the control device 4 and the flow rate difference calculation device 15.
  • the control device 4 receives the pressure measurement value of the air compressor discharge unit pressure sensor 3 and the flow rate deviation amount of the flow rate difference calculation device 15 and controls the number of rotations of the motor 6 so that the flow rate deviation amount becomes zero. , And calculates and outputs a rotational speed command value for the motor 6.
  • Variable speed device 5 receives the rotational speed command value as an input, and outputs electric power required to rotate motor 6 at a designated rotational speed.
  • the electric motor 6 is coupled to the air compressor body 2 via a rotation shaft, rotates based on the input power, and drives the air compressor body 2.
  • the air tank 7 is a device for storing the compressed air supplied from the air compressor.
  • the size of the air tank capacity is a factor of the response delay.
  • the piping system 8 is composed of devices such as a filter, a dryer, piping, an elbow, a branch, and a valve, and the compressed air discharged from the air tank 7 is supplied to the ends 9 to 11 through the piping system 8.
  • the end pressure sensors 12-14 measure the pressure of the compressor air supplied to the ends 9-11. The measured pressure value is output to the flow rate difference calculation device 15.
  • the flow rate difference calculation unit 15 receives the pressure measurement value of the air compressor discharge unit pressure sensor 3 and the pressure measurement values of the end pressure sensors 12 to 14 as input, and the amount of air used at the ends 9 to 11 and the discharge flow rate of the air compressor The deviation amount ⁇ Q of
  • the flow rate difference calculation unit 15 includes a pressure measurement value acquisition / storage unit 100, an air tank capacity, a piping system input unit 101, a piping model storage unit 102, a prediction model construction unit 103, an end flow rate prediction unit 104, and a compressor flow rate prediction unit 105. And a flow amount deviation calculation unit 106.
  • the pressure measurement value acquisition / accumulation unit 100 acquires and stores the pressure measurement value of the air compressor discharge unit pressure sensor 3 and the pressure measurement values of the end pressure sensors 12 to 14, and outputs a sensor measurement value D1.
  • the air tank capacity, the piping system input unit 101 receives the flow of air in the air pressure system in time series response, the input of the data necessary for calculating the pressure loss, and outputs the piping model D2.
  • the above data is data defining the connection relationship between devices constituting the pneumatic system, an attribute of the device (for example, a pipe length for piping, a piping diameter, etc., for an air tank) It is data for defining the capacity of the air tank, and data for calculating the discharge air flow rate of the air compressor unit 1.
  • the piping model storage unit 102 is configured by a memory and a hard disk, and stores an air tank capacity and a piping model D2 output from the piping system input unit 101.
  • the prediction model construction unit 103 constructs a numerical model capable of evaluating the air pressure transfer delay and pressure loss from the air compressor to each end from the piping model D2, and outputs a prediction model D3.
  • the end flow rate prediction unit 104 calculates the use air amount at the ends 9 to 11 from the prediction model D3, calculates and outputs the use air amount calculation value D4 at all ends.
  • the compressor flow rate prediction unit 105 calculates the discharge flow rate of the air compressor from the prediction model D3, and outputs a calculated discharge flow rate D5 of the air compressor.
  • the flow rate deviation calculation unit 106 calculates the difference between the use air amount of all ends and the discharge flow rate of the air compressor from the use air amount calculation value D4 at all ends and the discharge flow rate calculation value D5 of the air compressor. Output the quantity ⁇ Q.
  • FIG. 3 shows a processing procedure of the flow rate difference calculation device 15 in the pneumatic system according to the first embodiment of the present invention.
  • step S1 the pressure measurement value acquisition / accumulation unit 100 stores the pressure measurement values acquired by the air compressor discharge unit pressure sensor 3 and the end pressure sensors 12 to 14 in a memory or a hard disk. Output the measured value D1.
  • FIG. 4 shows a specific example of storing measurement values obtained from each sensor at a sampling time of 2 seconds.
  • step S2 pipeline model generation process
  • the air tank capacity, the piping system input unit 101 inputs data necessary for calculating the flow of air in the pneumatic system in the time series response, and inputs the piping model D2 Output.
  • the piping model D2 is stored by the piping model storage unit 102 in a memory or a hard disk.
  • step S3 prediction model generation process
  • the prediction model construction unit 103 constructs a numerical model capable of evaluating the air pressure transfer delay and pressure loss from the air compressor to each end from the piping model D2, and predict model D3.
  • step S4 terminal flow rate, compressor flow rate calculation process
  • the terminal flow rate prediction unit 104 and the compressor flow rate prediction unit 105 use the sensor measurement value D1 and the prediction model D3 to determine the amount of air used at the terminals 9 to 11 and air compression.
  • the discharge flow rate of the machine is calculated, and the use air amount calculation value D4 at all terminals and the discharge flow rate calculation value D5 of the air compressor are output.
  • step S5 flow rate deviation calculation process
  • the flow rate deviation calculation unit 106 calculates the used air amount and the air compression of all the ends from the used air amount calculated value D4 at all ends and the calculated discharge flow rate D5 of the air compressor.
  • the difference of the discharge flow rate of the machine is calculated, and the deviation amount ⁇ Q is output to the control device 4.
  • the controller 4 controls the motor 6 to eliminate the deviation amount ⁇ Q.
  • the rotation number of the motor 6 is increased, and if the deviation amount is a negative value, the rotation amount is decreased to perform control such that the deviation amount ⁇ Q approaches zero.
  • feedback control such as PID control may be performed, or control is performed so that the rotational speed of the motor 6 is specified by calculating the rotational speed of the motor 6 where ⁇ Q becomes 0. It is also good.
  • FIG. 5 shows an example of the time-series calculation result for 60 seconds from time 00s to 60s in the use air amount at the end 9 to 11 calculated by the end flow rate prediction unit 104 and the use air amount D4 at all ends to be output. Show.
  • FIG. 6 shows an example of time-series calculation results for 60 seconds from time 00s to 60s in the discharge flow rate calculated value D5 of the air compressor calculated by the compressor flow rate prediction unit 105.
  • FIG. 7 shows time-series calculation results for 60 seconds from time 00s to 60s in the deviation amount ⁇ Q calculated by the flow rate deviation amount calculation unit 106.
  • the flow rate deviation calculation unit 106 does not take into consideration the unclear relationship between the supply pressure to the plurality of ends and the discharge pressure of the air compressor, and supplies according to the amount of air used at all ends.
  • the air compressor can be controlled in real time by a supply method which is not used wastefully to the usage conditions of the compressed air to the plurality of ends.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention is also applicable to the case where the number of ends is three or more. In that case, the pressure of the compressor air supplied to each end is measured.
  • FIG. 8 is a schematic block diagram of a pneumatic system according to a second embodiment of the present invention.
  • the same parts as those in the first embodiment are given the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • the present embodiment differs from the first embodiment in that a pressure sensor is installed at the discharge portion of the air tank 7, a current sensor is installed at the motor 6, the discharge pressure of the air tank 7, the air compressor The operation current value of the main body 2 is acquired.
  • the configuration of the pneumatic system in the present embodiment newly includes an air tank pressure sensor 31 and a current sensor 61.
  • a flow rate difference calculation device 215 is provided instead of the flow rate difference calculation device 15. The measured air tank pressure and compressor current values are input to the flow rate difference calculation device 215 together with the values input to the flow rate difference calculation device 15 in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a flow rate difference calculation device 215 according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are given the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • the difference between the schematic configuration of the flow rate difference calculation device 215 of the present embodiment and the schematic configuration of the first embodiment is that the discharge unit pressure of the air tank 7 and the operating current value of the air compressor main body 2 are corrected data
  • the configuration in the present embodiment newly includes a correction measurement value acquisition / storage unit 200 and a prediction model correction unit 203.
  • the pressure measurement value of the air tank pressure sensor 31 and the current measurement value of the current sensor 61 are acquired and stored, the discharge flow rate of the compressor is calculated from the current measurement value, and the correction sensor measurement value D21 is output.
  • the prediction model correction unit 203 constructs a correction model from the prediction model D3 and the sensor measurement value for correction D21, and outputs a correction model D23.
  • FIG. 10 is a diagram showing a processing procedure of the flow rate difference calculation device 215 according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are given the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • step S23 and step S24 are included after step S3 (prediction model generation step).
  • step S23 (correction measurement value acquisition process) the correction measurement value acquisition / storage unit 200 stores the pressure measurement value and the current measurement value acquired by the air tank pressure sensor 31 and the current sensor 61 in a memory or a hard disk, The discharge flow rate of the compressor is calculated from the current measurement value, and the correction sensor measurement value D21 is output.
  • the rotational speed of the motor 6 and the rotational speed of the air compressor body 2 linked to the rotational speed of the motor 6 are obtained from the current measurement value, and the amount of air discharged by the air compressor body 2 per one rotation It can be obtained by multiplying or the like.
  • step S24 the prediction model correction unit 203 corrects the deviation between the measurement value and the calculation value caused by an element such as air leakage or pipe deterioration from the prediction model D3 and the correction sensor measurement value D21, The prediction model is corrected, and a correction model D23 is output.
  • a specific calculation method for correcting the prediction model can be realized, for example, by a known optimization algorithm such as a genetic algorithm method, an annealing method or the like.
  • the pressure sensor is installed at the discharge portion of the air tank 7 and the current sensor is installed at the air compressor main body 2. However, only one side is installed, or the pressure sensor is installed at any place in the piping system. It may be In that case, the measurement value of the pressure sensor is input to the flow rate difference calculation device 215.
  • the discharge pressure of the air tank 7 and the discharge flow rate of the air compressor main body 2 are added to the prediction model, and elements such as air leakage and pipe deterioration
  • the terminal flow rate prediction unit 104 and the compressor flow rate prediction unit 105 use air amount calculation value D4 at all ends and the discharge flow rate calculation value of the air compressor unit 1
  • the accuracy of real-time control of the pneumatic system can be improved to improve the calculation accuracy of D5.
  • FIG. 11 is a schematic block diagram of a pneumatic system according to a third embodiment of the present invention.
  • the same parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • the difference between this embodiment and the second embodiment is that, when the end pressure sensor fails, a prediction model is constructed from the measurement values of the correction sensor. Further, instead of the flow rate difference calculation device 215, a flow rate difference calculation device 315 is provided. Measurement for correcting the discharge pressure of the air tank 7 based on the value measured by the air tank pressure sensor 31, for example, the discharge flow rate of the air compressor main body 2 based on the value measured by the current sensor 61 as the measurement value of the correction sensor Values etc are available. For explanation of the third embodiment, it is assumed that the end pressure sensor 12 indicated by a dotted line in FIG. 11 is broken.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a flow rate difference calculation device 315 according to a third embodiment of the present invention.
  • the same parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • a difference between the schematic configuration of the flow rate difference calculation device 315 of the present embodiment and the schematic configuration of the second embodiment is that it is determined whether or not the measurement value of the end pressure sensor 12 is abnormal, and a correction sensor It is a point which adds a measured value and builds a prediction model.
  • the configuration in the present embodiment newly includes an end pressure measurement value abnormality determination unit 204. Further, an abnormality of the terminal pressure measurement value is determined from the sensor measurement value D1, and the sensor measurement value D31 without abnormality is sent to the prediction model construction unit 103.
  • FIG. 13 is a diagram showing a processing procedure of the flow rate difference calculation device 315 according to the third embodiment of the present invention.
  • the same parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • the difference between the processing procedure of the flow rate difference calculation device 315 of this embodiment and the second embodiment is that the processing step of step S223 is included after step S2 (pipeline model generation step).
  • step S223 the end pressure measurement value abnormality determination unit 204 determines whether or not the measurement value of each end pressure sensor is abnormal. If the determination result is Yes, the process proceeds to step S23. If the determination result is No, the process of step S3 (prediction model generation process) is continued.
  • any end pressure sensor may be configured to fail.
  • the discharge pressure of the air tank 7, the discharge flow rate of the air compressor main body 2, etc. Use the measured values to construct a prediction model. Even if an end pressure sensor abnormality occurs, real-time control of the pneumatic system can be coped with.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a flow rate difference calculation device 415 in an air pressure system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the same parts as those in the first embodiment are given the same reference numerals in the drawings and the explanation thereof will be omitted.
  • the difference between the present embodiment and the first embodiment is that the flow rate deviation calculation unit calculates the difference between the working air amounts at all ends and the discharge flow rate of the air compressor, and It is a point to determine whether or not the supply pressure is lower than the required pressure P 0 , correct the deviation amount ⁇ Q, and output it.
  • the configuration in the present embodiment includes a flow amount deviation calculation unit 406 instead of the flow amount deviation calculation unit 106.
  • the flow rate deviation amount calculation unit 406 calculates the deviation amount ⁇ Q between the use air amount of all ends and the discharge flow rate of the air compressor from the use air amount calculation value D4 at all ends and the discharge flow rate calculation value D5 of the air compressor. ,Output.
  • the deviation amount ⁇ Q corrects the deviation amount ⁇ Q so that the end supply pressure becomes equal to or higher than the required pressure P 0 .
  • the equation 2 it is calculated by subtracting the use air amounts at all ends for each time and the discharge flow rate of the air compressor and adding the flow rate correction value ⁇ Qc.
  • K is a coefficient representing the relationship between the pressure difference and the flow amount deviation amount.
  • the method of controlling the flow rate supplied according to the amount of end use air does not lower the supply pressure to each end below the required pressure. Can guarantee that.

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Abstract

複数の末端に対して、圧縮空気の使用実態に合せて、空気圧縮機をリアルタイムで制御する空圧システムを提供する。さらに、体積応答の時間遅れを評価する予測モデルを基に、圧力損失の急変化の場合は、応答遅れのない安定した動作で不要な電力消費を防止できる。　空気圧縮機から吐出された圧縮空気を、空気槽および配管系統を介して圧縮空気を消費する複数の末端に供給する空圧システムであって、空気圧縮機の吐出圧力を計測する圧縮機圧力センサと、複数の末端への供給圧力をそれぞれ計測する複数の末端圧力センサと、空気槽の容量、配管系統の情報、および吐出圧力と供給圧力に基づき偏差量情報を演算する流量差分演算装置と、偏差量情報に基づき空気圧縮機の動作を制御する制御装置と、を備える空圧システムを提供する。

Description

空圧システム
　本発明は、空圧システムに関する。
　工場内の各箇所に圧縮空気を供給する空圧システムは、空気圧縮機により圧縮された圧縮空気を空気槽で一時的に蓄積し、この空気槽から配管系統および空圧機器（フィルタ、ドライヤー、制御弁等）を介して、工場内のエアシリンダやエアブロー等、工場の生産工程で圧縮空気を消費する機器（末端）へ供給する配管設備である。空気圧縮機の吐出口から末端に至る空気配管系統では、末端に近くなるほど圧力損失が大きくなるが、空気圧縮機の吐出空気量と末端での使用空気量の変化で圧力損失も変化する。また、末端は１箇所に限らず、この各々の吐出空気の使用変動によっても圧力損失は大きく変化する。
　そのため、末端に供給する圧縮空気の圧力を所定の圧力以上に保つため、最大圧力損失を見込んで空気圧縮機の吐出圧力の設定値を高く設定することが一般的である。しかし、製造工程により末端の使用空気量は変動する場合が多く、また、日によって使用する吐出空気量や圧力も異なることが多い。使用空気量が少ないと前記圧力損失は小さくなり、末端では無駄な高圧力で運転することになる。同時に、空気圧縮機の吐出圧力の設定値を一定とする場合は、必要以上に吐出圧力を上昇させ、余分な電力を消費している問題がある。
　省エネ効果を得つつ供給圧力の安定を図るために、従来技術では、末端での使用空気量変動に応じた末端圧力一定制御を行っている。すなわち、末端への供給圧力が一定となるように、空気圧縮機の吐出圧力を変更する方法である。末端圧力一定制御方法には、推定末端圧力制御および実測末端圧力制御の二つの手法がある。推定末端圧力制御は、推定圧力損失に基づく制御である。圧力損失の推定値に関して、定常状態における配管系統モデルを使って最大圧力損失を見込んで制御する。
　また、推定末端圧力制御では、使用空気量と配管系統の圧力損失の関係が明確でない場合、特許文献１に記載のように、任意の使用空気量に対する配管系統の圧力損失を予めに調査し、回転数一定であるスクリュー空気圧縮機の吐出圧力の上限および下限設定値を変更する運転制御方法が提案されている。
　実測末端圧力制御は、末端での圧力の実測値に基づく制御である。例えば、特許文献２に記載のように、ヘッダに圧力検出装置を設け、圧力信号を空気圧縮機の制御装置まで伝送し、設定圧力と実測末端圧力の偏差量により新たな吐出圧力の設定値を算出し、インバータにより回転数制御式空気圧縮機のモーターの回転数を変えて制御する方法が提案されている。
　一方、特許文献３に記載のように、各末端付近で圧力検出装置を設け、空気圧縮機の出口から各末端までの圧力差の変動分により新たな吐出圧力の設定値を算出し、空気圧縮機を制御する方法が提案されている。
特許第４４２５７６８号 特開２００９－０１３９６１号 特開２０１０－０２４８４５号
　一般的な空圧システムでは、流量検出装置が高価のため、使用空気量を直接に得ることが困難であり、上記の従来技術では、いずれも末端圧力を計測又は予測し、圧力監視により過剰な供給圧力を極力少なくするように、空気圧縮機の吐出圧力を変化させている。
　しかし、複数の末端毎に配管等の構成が異なるため、空気圧縮機から各末端までに圧力損失が生じる。また、各末端間では空気の圧縮、膨張により空気圧縮機の吐出圧力の変化から、末端圧力の変化までの時間遅れ（例えば数１０秒から数分）に差が生じ、各末端への供給圧力と空気圧縮機の吐出圧力の関係性が明確でないため、制御が難しい。
　任意の使用空気量に対する配管系統の圧力損失を予めに調査し、記憶する方法が提案されている。しかし、使用空気量に対する配管系統の圧力損失は非線形であり、諸条件が変化した場合、特に複雑な配管系統では計算は困難であるため、このような事前調査は大きな誤差を生じる問題がある。また、データ集積には手間がかかる。
　また、ヘッダに圧力検出装置を設け、圧力信号を空気圧縮機の制御装置まで伝送し、設定圧力と実測末端圧力の偏差量により新たな吐出圧力の設定値を算出し、空気圧縮機を制御する方法が提案されている。しかし、末端に近くなるほど圧力損失が大きくなるため、一般的に、ヘッダの圧力と末端への供給圧力は同等ではない問題があり、圧力偏差量をそのまま補正圧力として採用とすると空圧システムの制御が不安定となる。
　また、各末端付近で圧力検出装置を設け、空気圧縮機の出口から各末端までの圧力差の変動分により新たな吐出圧力の設定値を算出し、空気圧縮機を制御する方法が提案されている。しかし、圧力損失が急変化する場合は、配管系統の体積により応答遅れが発生する問題がある。また、圧力センサがない場合および圧力センサが故障した場合の対応ができない。
　本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、応答遅れの要因である空気槽容量および配管系統の体積を考慮し、流量制御の観点から、複数の末端に対して、使用空気量によって必要な分だけの空気量を吐出するように、空気圧縮機をリアルタイムで制御する装置を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明は、例えば空気圧縮機から吐出された圧縮空気を、空気槽および配管系統を介して圧縮空気を消費する複数の末端に供給する空圧システムであって、空気圧縮機の吐出圧力を計測する圧縮機圧力センサと、複数の末端への供給圧力をそれぞれ計測する複数の末端圧力センサと、空気槽の容量、配管系統の情報、および吐出圧力と供給圧力に基づき偏差量情報を演算する流量差分演算装置と、偏差量情報に基づき空気圧縮機の動作を制御する制御装置と、を備える空圧システムを提供する。
　本発明によれば、複数の末端に対して、圧縮空気の使用実態に合せて無駄に使用しない供給方法で、空気圧縮機をリアルタイムで制御することができる。さらに、体積応答の時間遅れを評価する予測モデルを基に、圧力損失の急変化の場合は、応答遅れのない安定した動作で不要な電力消費を防止できる。
本発明の第１の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の処理手順を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る各センサから取得した時系列計測値の具体例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る末端９～１１での使用空気量の時系列計算値、および全末端での使用空気量計算値である。 本発明の第１の実施の形態に係る空気圧縮機の吐出流量計算値である。 本発明の第１の実施の形態に係る全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の偏差量計算値である。 本発明の第２の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の処理手順を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の処理手順を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置の処理手順を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）に係る空圧システムについて説明する。
　図１は本発明の第１の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。
　図１に示した空圧システムは、空気圧縮機ユニット１、空気槽７、配管系統８、末端９～１１、末端圧力センサ１２～１４、流量差分演算装置１５を備えている。
　空気圧縮機ユニット１は、大気から吸込んだ空気Ａを圧縮し圧縮空気を吐出する。空気圧縮機ユニット１は、空気圧縮機本体２（空気圧縮機）、空気圧縮機吐出部圧力センサ３（圧縮機圧力センサ）、制御装置４、可変速装置５、電動機６から構成される。以下では、空気圧縮機ユニット１の概略構成について説明する。
　空気圧縮機本体２は、空気Ａを吸込んで圧縮する。
  空気圧縮機吐出部圧力センサ３は、空気圧縮機本体２から吐出する圧縮空気の圧力を計測する。計測された圧力値は、制御装置４および流量差分演算装置１５に出力される。
　制御装置４は、空気圧縮機吐出部圧力センサ３の圧力計測値、流量差分演算装置１５の流量偏差量を入力として、流量偏差量がゼロとなるように電動機６の回転数を制御しており、電動機６に対する回転数指令値を計算、出力する。電動機６の回転数を制御するための回転数指令値の具体的な演算方法については、例えば、特許文献２に記載された方法により実現可能である。
　可変速装置５は、回転数指令値を入力として電動機６を指定した回転数で回転させるために必要となる電力を出力する。
　電動機６は空気圧縮機本体２と回転軸を介して結合しており、入力された電力をもとに回転し、空気圧縮機本体２を駆動させる。
　以上が、空気圧縮機ユニット１の概略構成である。
　空気槽７は、空気圧縮機から供給される圧縮空気を溜める装置である。空気槽容量の大きさが応答遅れの要因である。
　配管系統８は、フィルタ、ドライヤー、配管、エルボ、分岐、弁等の機器から構成され、空気槽７から吐出した圧縮空気は配管系統８を介して、末端９～１１に供給される。
　末端圧力センサ１２～１４は、末端９～１１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、流量差分演算装置１５に出力される。
　流量差分演算装置１５は、空気圧縮機吐出部圧力センサ３の圧力計測値、末端圧力センサ１２～１４の圧力計測値を入力として、末端９～１１での使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の偏差量ΔＱを出力する。
　以下では、図２を用いて流量差分演算装置１５の詳細について説明する。流量差分演算装置１５は、圧力計測値取得・蓄積部１００、空気槽容量、配管系統入力部１０１、配管モデル記憶部１０２、予測モデル構築部１０３、末端流量予測部１０４、圧縮機流量予測部１０５、流量偏差量演算部１０６から構成される。
　圧力計測値取得・蓄積部１００は、空気圧縮機吐出部圧力センサ３の圧力計測値、末端圧力センサ１２～１４の圧力計測値を取得・格納し、センサ計測値Ｄ１を出力する。
　空気槽容量、配管系統入力部１０１は、時系列応答における空圧システム内の空気の流れ、圧力損失を計算するために必要となるデータの入力を受付けし、配管モデルＤ２を出力する。上記データとは具体的には、空圧システム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、空気槽に対しては空気槽の容量）を定義するデータ、および空気圧縮機ユニット１の吐出空気流量を計算するためのデータである。
　配管モデル記憶部１０２は、メモリやハードディスクで構成されており、空気槽容量、配管系統入力部１０１が出力する配管モデルＤ２を格納する。
　予測モデル構築部１０３は、配管モデルＤ２より、空気圧縮機から各末端までの空気圧力の伝達遅れおよび圧力損失を評価できる数値モデルを構築し、予測モデルＤ３を出力する。
　末端流量予測部１０４は、予測モデルＤ３より、末端９～１１での使用空気量を計算し、全末端での使用空気量計算値Ｄ４を計算し、出力する。
　圧縮機流量予測部１０５は、予測モデルＤ３より、空気圧縮機の吐出流量を計算し、空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５を出力する。
　流量偏差量演算部１０６は、全末端での使用空気量計算値Ｄ４、空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５より、全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の差分を計算し、偏差量ΔＱを出力する。
　以上が、空圧システムの構成である。次に、流量差分演算装置１５の処理の内容を詳細に説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置１５の処理手順を示す。
　ステップＳ１（計測値取得過程）として、圧力計測値取得・蓄積部１００は、空気圧縮機吐出部圧力センサ３および末端圧力センサ１２～１４で取得した圧力計測値をメモリやハードディスクに格納し、センサ計測値Ｄ１を出力する。図４は、各センサからサンプリング時間２秒で取得した計測値を格納する具体例を示している。
　ステップＳ２（配管モデル生成過程）として、空気槽容量、配管系統入力部１０１は、時系列応答における空圧システム内の空気の流れを計算するために必要となるデータを入力し、配管モデルＤ２を出力する。配管モデルＤ２は、配管モデル記憶部１０２によりメモリやハードディスクに格納される。
　ステップＳ３（予測モデル生成過程）として、予測モデル構築部１０３は、配管モデルＤ２より、空気圧縮機から各末端までの空気圧力の伝達遅れおよび圧力損失を評価できる数値モデルを構築し、予測モデルＤ３を出力する。
　ステップＳ４（末端流量、圧縮機流量計算過程）として、末端流量予測部１０４および圧縮機流量予測部１０５は、センサ計測値Ｄ１、予測モデルＤ３より、末端９～１１での使用空気量、空気圧縮機の吐出流量を計算し、全末端での使用空気量計算値Ｄ４、空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５を出力する。
　ステップＳ５（流量偏差量計算過程）として、流量偏差量演算部１０６は、全末端での使用空気量計算値Ｄ４、空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５より、全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の差分を計算し、偏差量ΔＱを制御装置４に出力する。ここで、偏差量ΔＱは、例えば式１に示すように、各時刻に対する全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量を引き算することで算出する。
  式１：ΔＱｉ＝Ｄ４ｉ－Ｄ５ｉ
　制御装置４は、偏差量ΔＱを解消するように電動機６を制御する。具体的には、偏差量ΔＱが正の値であれば電動機６の回転数を上げ、負の値であれば回転数を下げることで偏差量ΔＱが０に近づくように制御を行う。より詳細な制御方法については、例えばＰＩＤ制御のようなフィードバック制御を行っても良いし、ΔＱが０となる電動機６の回転数を演算して電動機６の回転数を指定するように制御してもよい。
　図５～図７を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の差分を計算の一例を説明する。
　図５は末端流量予測部１０４で計算する末端９～１１での使用空気量、および出力する全末端での使用空気量計算値Ｄ４において時刻００ｓ～６０ｓの６０秒間に対する時系列計算結果の例を示す。
　図６は圧縮機流量予測部１０５で計算する空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５において時刻００ｓ～６０ｓの６０秒間に対する時系列計算結果の例を示す。
　図７は流量偏差量演算部１０６で計算する偏差量ΔＱにおいて時刻００ｓ～６０ｓの６０秒間に対する時系列計算結果である。
　以上が、流量差分演算装置１５の処理の詳細に関する説明である。
　本実施形態では、流量偏差量演算部１０６において、複数の末端への供給圧力と空気圧縮機の吐出圧力の不明確な関係性について考慮不要とし、全末端での使用空気量に応じて供給される流量を制御する観点から、複数の末端に対して、圧縮空気の使用実態に合せて無駄に使用しない供給方法で、空気圧縮機をリアルタイムで制御することができる。
　また、予測モデル構築部１０３において、体積応答の時間遅れを評価する予測モデルを基に、圧力損失が急に変化する場合は、応答遅れのない安定した動作で不要な電力消費を防止できる。
　また、本実施例では、末端９～１１を設けた構成を例にとって説明したが、これに限られず、末端の数が三つ以上の場合も適用可能である。その場合、それぞれの末端に供給される圧縮機空気の圧力を計測する。
　図８は本発明の第２の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、空気槽７の吐出部に圧力センサを設置し、電動機６に電流センサを設置し、空気槽７の吐出部圧力、空気圧縮機本体２の運転電流値を取得する点である。具体的には、本実施の形態における空圧システムの構成は、空気槽圧力センサ３１、電流センサ６１を新たに備える。また、流量差分演算装置１５の代わりに流量差分演算装置２１５を備える。計測された空気槽圧力・圧縮機電流値は、第１の実施の形態において流量差分演算装置１５に入力された値とともに流量差分演算装置２１５に入力される。
　以上が、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第１の実施の形態と同様である。次に、流量差分演算装置２１５の概略を説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る流量差分演算装置２１５の概略構成図である。第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態の流量差分演算装置２１５の概略構成が第１の実施の形態の概略構成と相違する点は、空気槽７の吐出部圧力、空気圧縮機本体２の運転電流値を補正データとして入力し、予測モデル補正部２０３を新たに備え、予測モデルを補正する点である。具体的には、本実施の形態における構成は、補正用計測値取得・蓄積部２００、予測モデル補正部２０３を新たに備える。空気槽圧力センサ３１の圧力計測値、電流センサ６１の電流計測値を取得・格納し、電流計測値から圧縮機の吐出流量を算出し、補正用センサ計測値Ｄ２１を出力する。また、予測モデル補正部２０３は、予測モデルＤ３、補正用センサ計測値Ｄ２１より、補正モデルを構築し、補正モデルＤ２３を出力する。
　以上が、本実施の形態の流量差分演算装置２１５の概略構成が第１の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第１の実施の形態と同様である。次に、流量差分演算装置２１５の処理手順を説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る流量差分演算装置２１５の処理手順を示す図である。第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態の流量差分演算装置の処理手順が第１の実施の形態と相違する点は、ステップＳ３（予測モデル生成過程）の後に、ステップＳ２３、ステップＳ２４の処理過程を含む点である。
　ステップＳ２３（補正用計測値取得過程）として、補正用計測値取得・蓄積部２００は、空気槽圧力センサ３１および電流センサ６１で取得した圧力計測値、電流計測値をメモリやハードディスクに格納し、電流計測値から圧縮機の吐出流量を算出し、補正用センサ計測値Ｄ２１を出力する。圧縮機の吐出流量は、電流計測値から電動機６の回転数、電動機６の回転数に連動した空気圧縮機本体２の回転数を求め、空気圧縮機本体２が１回転当たりに吐出する空気量を乗算することなどによって求めることが可能である。
　ステップＳ２４（補正モデル生成過程）として、予測モデル補正部２０３は、予測モデルＤ３、補正用センサ計測値Ｄ２１より、空気漏れ、配管劣化等の要素から生じる計測値と計算値のずれを修正し、予測モデルを補正し、補正モデルＤ２３を出力する。予測モデルを修正する具体的な計算方法としては、例えば、公知の最適化アルゴリズムである遺伝的アルゴリズム法、焼きなまし法等の手法により実現可能である。
　以上が、本実施の形態の流量差分演算装置２１５の処理手順が第１の実施の形態の流量差分演算装置１５と相違する点であり、その他の点は第１の実施の形態と同様である。
　本実施形態では、空気槽７の吐出部に圧力センサ、空気圧縮機本体２に電流センサを設置する構成としたが、片方のみを設置、または配管系統の任意の場所では圧力センサを設置する構成としてもよい。その場合、圧力センサの計測値を流量差分演算装置２１５に入力する。
　上述の通り、本実施形態では第１実施形態で得られる各効果に加えて、空気槽７の吐出圧力、空気圧縮機本体２の吐出流量を予測モデルに加え、空気漏れ、配管劣化等の要素から生じる計測値と計算値のずれを補正できる補正モデルより、末端流量予測部１０４、圧縮機流量予測部１０５における全末端での使用空気量計算値Ｄ４、空気圧縮機ユニット１の吐出流量計算値Ｄ５の計算精度を高めるため、空圧システムのリアルタイム制御の精度を高めることができる。
　図１１は本発明の第３の実施の形態に係る空圧システムの概略構成図である。第２の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態が第２の実施の形態と相違する点は、末端圧力センサが故障した場合に、補正用センサの計測値より、予測モデルを構築する点である。また、流量差分演算装置２１５の代わりに流量差分演算装置３１５を備える点である。補正用センサの計測値として、例えば空気槽圧力センサ３１が計測した値に基づく空気槽７の吐出圧力、電流センサ６１が計測した値に基づく空気圧縮機本体２の吐出流量等の補正用の計測値などが利用可能である。第３の実施の形態の説明のため、図１１において、点線で表示している末端圧力センサ１２が故障したものとする。
　以上が、本実施の形態が第２の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第２の実施の形態と同様である。次に、流量差分演算装置３１５の概略を説明する。図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る流量差分演算装置３１５の概略構成図である。第２の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態の流量差分演算装置３１５の概略構成が第２の実施の形態の概略構成と相違する点は、末端圧力センサ１２の計測値が異常があるか否かを判定し、補正用センサ計測値を加えて予測モデルを構築する点である。具体的には、本実施の形態における構成は、末端圧力計測値異常判定部２０４を新たに備える。また、センサ計測値Ｄ１より、末端圧力計測値の異常を判定し、異常なしのセンサ計測値Ｄ３１を予測モデル構築部１０３に送る。
　以上が、本実施の形態が第２の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第２の実施の形態と同様である。次に、流量差分演算装置３１５の処理手順を説明する。図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る流量差分演算装置３１５の処理手順を示す図である。第２の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態の流量差分演算装置３１５の処理手順が第２の実施の形態と相違する点は、ステップＳ２（配管モデル生成過程）の後に、ステップＳ２２３の処理過程を含む点である。
　ステップＳ２２３（計測値異常判定過程）として、末端圧力計測値異常判定部２０４は、各末端圧力センサの計測値が異常があるか否かを判定する。判定結果がＹｅｓならば、ステップＳ２３に進み、Ｎｏならば、ステップＳ３（予測モデル生成過程）の処理を継続する。
　以上が、本実施の形態の流量差分演算装置３１５の処理手順が第２の実施の形態と相違する点であり、その他の点は第２の実施の形態と同様である。
　本実施形態では、末端圧力センサ１２が故障になる構成としたが、任意の末端圧力センサが故障になる構成としてもよい。
　上述の通り、本実施形態では第１実施形態で得られる各効果に加えて、末端圧力センサが故障した場合は、空気槽７の吐出圧力、空気圧縮機本体２の吐出流量等の補正用の計測値を利用し、予測モデルを構築する。末端圧力センサの異常が発生しても空圧システムのリアルタイム制御が対応できる。
　図１４は本発明の第４の実施の形態に係る空圧システムにおける流量差分演算装置４１５の概略構成図である。第１の実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、流量偏差量演算部で、全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の差分を計算し、偏差量ΔＱより各末端への供給圧力を要求圧力Ｐ０より下回るか否かを判定し、偏差量ΔＱを修正し、出力する点である。具体的には、本実施の形態における構成は、流量偏差量演算部１０６の代わりに流量偏差量演算部４０６を備える。流量偏差量演算部４０６は、全末端での使用空気量計算値Ｄ４、空気圧縮機の吐出流量計算値Ｄ５より、全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量の偏差量ΔＱを計算し、出力する。ここで、偏差量ΔＱは、末端供給圧力が要求圧力Ｐ０以上となるように、偏差量ΔＱを修正する。例えば式２に示すように、各時刻に対する全末端の使用空気量と空気圧縮機の吐出流量を引き算し、流量修正値ΔＱｃを足し算することで算出する。
　式２：ΔＱｉ＝Ｄ４ｉ－Ｄ５ｉ＋ΔＱｃ
　　　　ΔＱＣ＝Ｋ（Ｐｉ－Ｐ０）　（Ｐ≦Ｐｉの場合）
　　　　ΔＱＣ＝０　（Ｐ＞Ｐｉの場合）
　ここで、Ｐは、偏差量ΔＱ＝０の時の末端圧力で、Ｋは、圧力差と流量偏差量との関係を表す係数である。
　上述の通り、本実施形態では第１実施形態で得られる各効果に加えて、末端使用空気量に応じて供給される流量を制御する方法でも、各末端への供給圧力を要求圧力より下回らないことを保証できる。
１…空気圧縮機ユニット
２…空気圧縮機本体
３…空気圧縮機吐出部圧力センサ
３１…空気槽圧力センサ
４…制御装置
５…可変速装置
６…電動機
６１…電流センサ
７…空気槽
８…配管系統
９、１０、１１…末端
１２、１３、１４…末端圧力センサ
１５、２１５、３１５、４１５…流量差分演算装置
１００…圧力計測値取得・蓄積部
１０１…空気槽容量、配管系統入力部
１０２…配管モデル記憶部
１０３…予測モデル構築部
１０４…末端流量予測部
１０５…圧縮機流量予測部
１０６、４０６…流量偏差量演算部
２００…補正用計測値取得・蓄積部
２０３…予測モデル補正部
２０４…末端圧力計測値異常判定部
Ｓ１…計測値取得過程
Ｓ２…配管モデル生成過程
Ｓ３…予測モデル生成過程
Ｓ４…末端流量、圧縮機流量計算過程
Ｓ５…流量偏差量計算過程
Ｓ２３…補正用計測値取得過程
Ｓ２４…補正モデル生成過程
Ｓ２２３…計測値異常判定過程
Ａ…空気
Ｄ１…センサ計測値
Ｄ２…配管モデル
Ｄ３…予測モデル
Ｄ４…全末端での使用空気量計算値
Ｄ５…空気圧縮機の吐出流量計算値
Ｄ２１…補正用センサ計測値
Ｄ２３…補正モデル
Ｄ３１…異常なしのセンサ計測値
ｉ…時間
Ｋ…係数
Ｐ０…末端要求圧力
ΔＱ…偏差量
ΔＱｃ…流量修正値

Claims (8)

  1. 　空気圧縮機から吐出された圧縮空気を、空気槽および配管系統を介して圧縮空気を消費する複数の末端に供給する空圧システムであって、
    　前記空気圧縮機の吐出圧力を計測する圧縮機圧力センサと、
    　前記複数の末端への供給圧力をそれぞれ計測する複数の末端圧力センサと、
    　前記空気槽の容量、前記配管系統の情報、および前記吐出圧力と前記供給圧力に基づき偏差量情報を演算する流量差分演算装置と、
    　前記偏差量情報に基づき前記空気圧縮機の動作を制御する制御装置と、を備える空圧システム。
  2. 　前記流量差分演算装置は、
    　前記空気槽の容量、前記配管系統の情報、および前記吐出圧力と前記供給圧力から、前記複数の末端の使用空気量と、前記空気圧縮機の吐出流量とを演算し、
    　前記使用空気量と前記吐出流量から前記偏差量情報を演算する請求項１に記載の空圧システム。
  3. 　前記空気槽の圧力を検出する空気槽圧力センサを有し、
    　前記流量差分演算装置は、前記空気槽圧力センサの計測値を補正用センサ計測値とし、
    前記補正用センサ計測値に基づき前記使用空気量と前記吐出流量を補正する請求項２に記載の空圧システム。
  4. 　前記空気圧縮機を動作させる電動機に供給される電流を検出する電流センサを有し、
    　前記流量差分演算装置は、
    　前記電流センサの電流計測値から前記吐出流量を算出する請求項２に記載の空圧システム。
  5. 　前記流量差分演算装置は、
    　前記空気圧縮機の吐出流量を補正用センサ計測値とし、前記補正用センサ計測値に基づき前記使用空気量と前記吐出流量を補正する請求項４に記載の空圧システム。
  6. 　前記流量差分演算装置は、前記末端圧力センサに異常があると判断した場合に、異常のない前記末端圧力センサの計測値と前記補正用センサ計測値とに基づき前記使用空気量と前記吐出流量を演算する請求項３または５に記載の空圧システム。
  7. 　前記空気圧縮機が供給する圧縮空気量が前記複数の末端で使用される圧縮空気量を下回っていることを前記偏差量情報が示す場合に、
    　前記制御装置は、前記空気圧縮機が吐出する圧縮空気量を増大させる請求項１から請求項６のいずれかに記載の空圧システム。
  8. 　前記空気圧縮機が供給する圧縮空気量が前記複数の末端で使用される圧縮空気量を下回っていることを前記偏差量情報が示す場合に、
    　前記制御装置は、前記空気圧縮機が吐出する圧縮空気量を増大させる請求項１から請求項７のいずれかに記載の空圧システム。
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