JP6708555B2 - 閉じた状態のシステムにおける流体圧力を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、１以上のシステムパラメータの制御に関するものであり、具体的には、閉じた状態のシステムにおける流体圧力制御に関するものである。

様々なシステムパラメータ（例えば、圧力、流量、温度など）を制御する産業システムは、様々な外乱に遭遇することが多い。設定されたパラメータ範囲内にシステムを維持するため、システムを制御する仕組みが、環境の変化や、システム内に含まれる流体や材料の多様な特性に応じて構築される。このような制御システムでは、多くの場合、システムの性能に欠かすことのできないパラメータを監視することにより、システムにおける漸次の変化を検知し、これを打ち消す。

産業システムとして、特定の圧力及び流量で、材料（例えば、塗料、接着剤、エポキシ樹脂など）の供給を行うスプレーヤを用いるものがある。一定の圧力及び流量で、継続的に、即ち比較的長期間にわたり作動するシステムの場合、圧力及び流量は、比較的安定した定常状態に達する。従って、材料及びシステム動作の少なくとも一方におけるわずかな変化を注意深く監視し、一般的な制御の仕組みによって、これを打ち消すことが可能である。

しかしながら、そういったシステムが複数の圧力や流量の組み合わせのもとで作動し、いくつかの状態が比較的短期間しか生じない場合、圧力及び流量が定常状態に達することはない。スプレーヤの出口とシステム内での計測位置とでは状態が異なるなるため、このような短い期間におけるシステム内での圧力及び流量の変化や変動は、制御システムにとって問題を生じ得るものとなる。このような過渡状態を考慮することができないと、材料の過剰供給や供給不足を招く可能性がある。

従来の制御の仕組みとして、システムの作動状態を区分し、それぞれの動作を実行する前に較正処理を行うことによって、過渡期間の制御を行うものがある。しかしながら、較正処理の間は生産が中断するので、較正処理によって製造コストが増大すると共に、製造工程の流れが混乱することになる。別の従来の制御の仕組みでは、システムが定常状態となるまで、材料を過剰供給することにより、過渡期間の制御を行うようにしている。システムが定常状態となってしまえば、従来の制御の仕組みであっても、わずかな変動に対応することが可能となる。但し、材料の過剰供給によって、材料コストが増大することになる。

従って、システムにおける圧力及び流量の制御について、複数の作動条件、環境変化、及び過渡状態に、優れた費用対効果をもって適応可能なものが求められている。

閉じた状態のシステムにおけるシステム圧力を制御する方法は、圧力設定値に応じた信号を圧力制御バルブに送信する工程と、前記圧力制御バルブを作動させて、圧力レギュレータに連通する制御圧力導管内に収容された制御流体のパイロット圧を調整する工程とを備える。前記制御圧力導管とシステム供給経路との間に介装された前記圧力レギュレータのダイヤフラムが、前記システム供給経路内の流体に作用して前記システム圧力を調整する。

スプレーヤシステムのシステム圧力を調整する方法は、スプレーガンを操作して前記スプレーヤシステムを流動する流体の流動を停止する工程と、コントローラを用いて圧力設定値を定める工程と、前記圧力設定値に応じた信号を、前記コントローラから圧力制御バルブに送信する工程と、前記圧力制御バルブを作動させて、圧力レギュレータに連通する制御導管内の制御流体のパイロット圧を調整する工程とを備える。前記圧力レギュレータのダイヤフラムが、システム供給経路内の流体から前記制御流体を流体的に隔離し、前記システム供給経路内の流体に作用して前記システム圧力を調整する。

産業用スプレーヤシステムの概要図である。 図１の産業用スプレーヤシステムの圧力を制御する方法を示すフローチャートである。

図１は、混合材料１２をスプレーガン１４から供給する、受動型プロポーショナシステムのような産業システム１０の概要図である。産業システム１０は、後述する他の構成部品に加え、成分材料２０を収容している材料供給システム１６と、成分材料２２を収容している材料供給システム１８とを備える。材料供給システム１６は、供給経路２６を介して調量器２４に連通し、材料供給システム１８は、供給経路３０を介して調量器２８に連通する。材料供給システム１６は、成分材料２０に作用して、成分材料２０の圧力を初期圧力Ｐ０から供給圧力Ｐ１に上昇させる。同様に、材料供給システム１８は、成分材料２２に作用して、成分材料２２の圧力を初期圧力Ｐ０から供給圧力Ｐ２に上昇させる。材料供給システム１６は、成分材料２０を収容した加圧タンクであってもよいし、材料供給システム１８は、成分材料２２を収容した加圧タンクであってもよい。これに代えて、材料供給システム１６及び材料供給システム１８はフィードポンプを備えていてもよいし、材料供給システム１６が、成分材料２０に作用する別の形式の循環機構を備え、材料供給システム１８が、成分材料２２に作用する別の形式の循環機構を備えていてもよい。このようにして、初期圧力Ｐ０は、大気圧（ゲージ圧で０ｋＰａ）から成分材料２０及び成分材料２２の供給に適した圧力、一般的にはゲージ圧で２０６８ｋＰａ（３００ｐｓｉ）以下の圧力まで変動させることができる。また、材料供給システム１６の初期圧力Ｐ０は、必ずしも材料供給システム１８の初期圧力Ｐ０と等しくなくてもよい。例えば、初期圧力Ｐ０は、成分材料２０や成分材料２２の材料特性に適応した大きさとすることができる。調量器２４は供給経路２６に介装され、調量器２８は供給経路３０に介装されている。供給経路２６と供給経路３０とが交流する合流点３８において、供給経路２６は材料供給システム１６を、また供給経路３０は材料供給システム１８を、それぞれ混合材料供給経路３２に流体的に接続する。混合材料供給経路３２は、合流点３８において、供給経路２６及び供給経路３０をスプレーガン１４と流体的に接続する。調量器２４と調量器２８とは並設されており、協働して成分材料２０及び成分材料２２を混合材料供給経路３２に供給することにより、成分材料２０及び成分材料２２が混合され、この混合材料供給経路３２において、混合圧力Ｐｍｉｘを有した混合材料１２が形成される。調量器２４及び調量器２８は、流量Ｒでスプレーガン１４に混合材料１２を供給し、この混合材料１２が選択的にスプレーガン１４から吐出される。

混合材料供給経路３２には圧力レギュレータ４０が介装されており、スプレーガン１４から混合材料１２を吐出する前に、混合圧力Ｐｍｉｘをシステム圧力Ｐｓに減圧する。システム圧力Ｐｓの調整は、制御バルブ４２を用いてパイロット圧Ｐｐを変化させることにより行われる。制御バルブ４２は、制御圧力導管４４に介装されており、この制御圧力導管４４は、制御流体４６を収容して、制御流体供給源４７から圧力レギュレータ４０まで延設されている。制御流体４６は、圧力レギュレータ４０のダイヤフラム４８に作用し、産業システム１０が閉じた状態にあるときに、システム圧力Ｐｓを調整する。パイロット圧Ｐｐが上昇すると、ダイヤフラム４８によって混合材料１２に力が加わることにより、システム圧力Ｐｓが上昇する。パイロット圧Ｐｐが低下すると、ダイヤフラム４８によって混合材料１２に加わる力が減少することにより、システム圧力Ｐｓが低下する。ダイヤフラム４８が混合材料１２に加える力を減少させると、この力の減少が制御流体４６に作用する。制御流体４６の一部を制御流体供給源４７に戻すことができるようにすることにより、制御流体４６のパイロット圧Ｐｐが維持される。一実施形態において、圧力レギュレータ４０は、空気駆動式の低圧レギュレータとなっている。

システム圧力Ｐｓ及び流量Ｒは、コントローラ５０によって制御される。圧力レギュレータ４０の下流側に介装された圧力トランスデューサ５２が、当該圧力トランスデューサ５２の電圧または電流による信号Ｓ１を生成する。圧力トランスデューサ５２は、信号線５４によって制御バルブ４２と電気的に接続され、制御バルブ４２は、信号線５６によってコントローラ５０と電気的に接続されており、それぞれの信号線が信号Ｓ１をコントローラ５０に伝送する。信号線５７は、流量センサ６０をコントローラ５０と電気的に接続し、信号線５８は、流量センサ６２をコントローラ５０と電気的に接続する。流量センサ６０は、調量器２４を通過する流量Ｒ１を検出し、流量センサ６２は、調量器２８を通過する流量Ｒ２を検出する。検出された流量Ｒ１は、信号Ｓ１と同じ様に、流量センサ６０の電圧または電流による信号Ｓ２によって、また検出された流量Ｒ２は、信号Ｓ１と同じ様に、流量センサ６２の電圧または電流による信号Ｓ３によって、それぞれコントローラ５０に伝送される。コントローラ５０は、信号Ｓ１、信号Ｓ２、及び信号Ｓ３の値に基づいて制御を実行し、調量器２４を通過する流量Ｒ１及び調量器２８を通過する流量Ｒ２をそれぞれ調整し、制御バルブ４２にパイロット圧Ｐｐを変更するよう指令することによって、システム圧力Ｐｓを調整する。流量Ｒ１で流動する成分材料２０と、流量Ｒ２で流動する成分材料２２とが、混合材料供給経路３２内で合流することにより、流量Ｒで流動する混合材料１２が生成される。コントローラ５０は、制御線６４を介して制御バルブ４２に制御信号Ｃ１を送信することによりパイロット圧Ｐｐを調整し、制御線６６を介して調量器２４に制御信号Ｃ２を送信することにより流量Ｒ２を調整すると共に、制御線６８を介して調量器２８に制御信号Ｃ３を送信することにより流量Ｒ３を調整する。

スプレーガン１４の操作は、空気駆動式ソレノイドバルブ（図示せず）またはスプレーガン１４の引き金（図示せず）を用いるのが一般的であるが、スプレーガン１４を操作して産業システム１０を閉状態とするとき、産業システム１０内は過渡状態となる。各流量は、スプレーガン１４ではなく、調量器２４及び調量器２８において計測されるため、システム圧力Ｐｓ及び流量Ｒは、パイロット圧Ｐｐ、並びに流量Ｒ１及び流量Ｒ２よりも遅れて変化する。産業システム１０を閉状態とするとき、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを一定に維持させるようにすると、産業システム１０内の流動に起因した圧力損失がなくなることにより、スプレーガン１４における圧力が上昇することになる。その後、産業システムが開状態とされると（即ち、ソレノイドバルブを開弁するか、スプレーガン１４の引き金を引くと）、その前に行われた圧力上昇で生じる噴き出しにより、混合材料１２の塗布が不均一となる。産業システム１０が閉状態にある間に、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを上昇させるようにすると、噴き出しによる悪影響が助長されることになる。産業システム１０が閉状態である間に、コントローラ５０が、圧力レギュレータ４０にシステム圧力Ｐｓを低下させるようにすると、ヒステリシス現象によって、目標圧力と実際のシステム圧力Ｐｓとの間の誤差が増大することになる。結果として得られるシステム圧力Ｐｓは、所望の流量Ｒでスプレーガン１４から混合材料１２を吐出させるものとはならないことになる。

更に、材料特性及び外部環境の変化の少なくとも一方は、作動中のシステム圧力Ｐｓ及び流量Ｒに影響を及ぼす。例えば、成分材料２０及び成分材料２２は、それぞれ繰り返し補充される。新たに補充される成分材料２０及び成分材料２２は、互いに温度が相違していたり、以前に補充されたものとは温度が相違していたりする可能性があるため、粘性などの特性が、スプレーガン１４に供給される際の流量Ｒに影響を及ぼすおそれがある。更に、混合材料１２は、混合材料供給経路３２内において、一部が固化する可能性があり、時間の経過と共に混合材料供給経路３２を塞ぐおそれがある。このため、混合材料供給経路３２は、定期的に溶剤で洗浄される。また、周囲温度や周囲湿度の変化といった外部環境変化も、成分材料２０及び成分材料２２の特性に影響を及ぼす。一方、産業システム１０は、ある範囲のシステム圧力Ｐｓ及びある範囲の流量Ｒにわたって作動するように設計されており、それぞれの作動条件には継続期間がある。

スプレー作業には、いくつかの別個の作動条件を伴う場合がある。例えば、次のような３つの作動条件が順番に適用されることがある。
１）１００ｃｃ／秒、６８．９ｋＰａ（約１０ｐｓｉ）で、１０秒間吐出し、
２）２００ｃｃ／秒、１３７．９ｋＰａ（約２０ｐｓｉ）で、１５秒間吐出し、
３）５０ｃｃ／秒、３４．５ｋＰａ（約５ｐｓｉ）で、２秒間吐出する。

後述する方法７０を用いない場合には、較正処理を繰り返し行うこと、及び産業システム１０内に定常状態が得られるまで、各作業の合間に混合材料１２を吐出することの少なくとも一方により、産業システム１０の過度状態の影響を防止する。このようなやり方では、製造コストの上乗せ、及び混合材料１２の浪費の少なくとも一方を招くことになる。しかしながら、後述する方法７０は、産業システム１０が閉じた状態にある間、産業システム１０内や圧力レギュレータ４０内のヒステリシス現象を積極的に補償しつつ、システム圧力Ｐｓを目標圧力に調整する。更に、方法７０は、スプレーガン１４が開状態となるときに、産業システム１０内に生じる初期圧力損失を相殺するように補正された目標圧力に、システム圧力Ｐｓを調整することも可能である。

図２は、閉じた状態にあるシステム（即ち、２つの作動条件の合間にある産業システム１０）内のシステム圧力Ｐｓを制御するための方法７０を示すフローチャートである。方法７０は、以下に述べるように、ステップ７２をはじめとする各ステップを備えている。

ステップ７２では、圧力設定値及び流量設定値を選定して、コントローラ５０に送出する。例えば、上述した例のように、混合材料１２の要件に基づいて、特定の圧力設定値及び流量設定値が定められる。

ステップ７４では、コントローラ５０が、産業システム１０の状態（例えば、閉状態及び開状態のいずれか）を判定する。コントローラ５０は、スプレーガン１４の引き金またはソレノイドバルブの位置を示す信号を受け取ることにより、このような判定を行うようにしてもよい。産業システム１０が閉状態にある場合にはステップ７６ａが実行される。ステップ７６ａでは、スプレーガン１４における目標圧力として、圧力設定値に圧力補正値を加算した圧力に等しい目標圧力を設定する。この圧力補正値は、前述したように、これまでに選定されていた圧力設定値に対する新たな目標圧力の上昇または低下の影響を打ち消すように選定される。必要に応じて、この圧力補正値により、スプレーガン１４が開状態となったときの、産業システム１０内の初期圧力損失を相殺するようにしてもよい。一方、産業システム１０が開状態にある場合には、ステップ７６ｂが実行される。産業システム１０が開状態のときには、スプレーガン１４が混合材料１２を吐出しているので、目標圧力の補正は不要である。従って、ステップ７６ｂでは、圧力設定値に等しい目標圧力が設定される。

目標圧力を設定すると、ステップ７８において、圧力信号誤差を算出する。この圧力信号誤差は、圧力トランスデューサ５２からの信号Ｓ１をコントローラ５０で受信し、この信号Ｓ１を目標圧力と比較することによって求められる。信号Ｓ１と目標圧力との差が圧力信号誤差であって、この圧力信号誤差は、時間の経過と共に次々とコントローラ５０に保管されていく。

ステップ８０では、圧力信号誤差がＰＩＤ制御ループの更新に用いられる。比例積分微分制御ループ、即ちＰＩＤ制御ループは公知である。ＰＩＤ制御ループの更新には、それまでに収集した圧力信号誤差のデータセットへの最新圧力信号誤差の追加が含まれる。次に、コントローラ５０の初期設定の際にコントローラ５０に入力されたパラメータと共に蓄積された圧力信号誤差の値は、新たな制御信号Ｃ１の生成に用いられる。生成された制御信号Ｃ１は、ステップ８２において、制御バルブ４２に送出される。

ステップ８２では、制御信号Ｃ１によって制御バルブ４２がパイロット圧Ｐｐを上昇または低下させることにより、圧力レギュレータ４０を用いてシステム圧力Ｐｓが調整される。例えば、そのときの実際のシステム圧力Ｐｓより目標圧力の方が低いことを圧力信号誤差が示している場合、コントローラ５０は、制御バルブ４２に対し、パイロット圧Ｐｐを上昇させるように指令する制御信号Ｃ１を送信する。一方、そのときの実際のシステム圧力Ｐｓより目標圧力の方が高いことを圧力信号誤差が示している場合、コントローラ５０は、制御バルブ４２に対し、パイロット圧Ｐｐを低下させるように指令する制御信号Ｃ１を送信する。

ステップ８２の後のステップ８４では、コントローラ５０が、産業システム１０の状態について２度目の判定を行う。コントローラ５０が産業システム１０の状態を判定する方法は、ステップ７４の場合と実質的に同じである。産業システム１０が閉状態にある場合は、ステップ７６ａ、ステップ７８、ステップ８０、及びステップ８２が繰り返される。一方、産業システム１０が開状態にある場合、コントローラ５０は、ステップ８６、ステップ８８、及びステップ９０を実行する。

ステップ８６では、産業システム１０内における流量誤差を算出する。コントローラ５０は、調量器２４に設けられた流量センサ６０から信号Ｓ２を受け取ると共に、調量器２８に設けられた流量センサ６２から信号Ｓ３を受け取る。産業システム１０内における実際の流量Ｒは、調量器２４における流量Ｒ１と調量器２８における流量Ｒ２との和に等しい。産業システム１０の別の実施形態として、混合材料１２を形成するために用いる成分材料の数に応じ、単一の調量器（例えば、調量器２４）を用いるようにしてもよいし、更なる調量器（図示せず）を用いるようにしてもよい。いずれの場合においても、スプレーガン１４から吐出する流量Ｒは、産業システム１０に設けられた１または複数の調量器のそれぞれを通過する各成分材料の流量の合計に等しくなる。流量誤差を求めるために、コントローラ５０は、流量設定値を産業システム１０の合計の流量Ｒと比較する。流量誤差は、流量設定値と流量Ｒとの差である。流量誤差を用い、コントローラ５０は、ステップ８８において圧力・流量テーブルを更新し、ステップ９０において新たな流量設定値を求める。圧力・流量テーブルは、コントローラ５０に保管されており、個々の混合材料１２についての、流量Ｒに対するシステム圧力Ｐｓの関係を示している。ステップ９０の後、ステップ８４において産業システム１０が開状態にあると判定するまで、ステップ７４、ステップ７６ａまたはステップ７６ｂ、ステップ７８、ステップ８０、及びステップ８２が繰り返される。

好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、形態を詳細にわたって変更可能であることは、当業者が理解しうるものである。

Claims (12)

1. システムにおけるシステム圧力を制御する方法であって、
   前記システムの開状態または閉状態を判定する工程と、
   前記システムの目標圧力を設定し、その際に、
   前記システムが前記開状態のときには、前記目標圧力が前記流体の流量に対応している前記システムの圧力設定値に等しくなり、または前記システムが前記閉状態のときには、前記目標圧力が前記圧力設定値と圧力補正値との加算値に等しくなる、ようにする工程と、
   前記目標圧力に応じた信号を圧力制御バルブに送信する工程と、
   前記圧力制御バルブを作動させて、圧力レギュレータに連通する制御圧力導管内に収容された制御流体のパイロット圧を調整する工程とを備え、
   前記制御圧力導管とシステム供給経路との間に介装された前記圧力レギュレータのダイヤフラムが、前記システム供給経路内の流体に作用して前記目標圧力に対応している前記システム圧力を調整する
   ことを特徴とする方法。
2. コントローラを用いて圧力設定値を定める工程と、
   前記圧力レギュレータの下流にある前記システム供給経路の部分におけるシステム圧力を計測する工程と、
   計測した前記システム圧力に基づき前記コントローラにフィードバック信号を送信し、前記コントローラが前記圧力設定値を調整する工程と
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力レギュレータは空気駆動式であり、前記制御流体は空気であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 制御流体供給路を介し、前記制御流体を前記圧力制御バルブに供給する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ダイヤフラムは、前記システム供給経路内の流体に対して流体の追加または除去を行うことなく、最小システム圧力から最大システム圧力までの範囲で前記システム圧力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記パイロット圧の上昇により前記システム圧力が上昇し、前記パイロット圧の低下により前記システム圧力が低下することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. スプレーヤシステムのシステム圧力を調整する方法であって、
   スプレーガンを閉じた状態に操作し、前記閉じた状態では流体の流動および前記スプレーヤシステムからの放出を停止する工程と、
   コントローラを用いて前記スプレーガンの出口での所望の流体圧力に対応している前記流体の圧力設定値を定める工程と、
   前記スプレーガンの前記閉じた状態を判定すると共に、前記閉じた状態を判定した後に、
   前記コントローラを用いて圧力補正値を設定する工程と、
   前記圧力設定値と前記圧力補正値との加算値に等しい目標圧力を設定する工程と、
   前記目標圧力に応じた信号を、前記コントローラから圧力制御バルブに送信する工程と、
   前記圧力制御バルブを作動させて、圧力レギュレータに連通する制御導管内の制御流体のパイロット圧を調整する工程とを備え、
   前記圧力レギュレータのダイヤフラムが、システム供給経路内の流体から前記制御流体を流体的に隔離し、前記システム供給経路内の流体に作用して前記目標圧力に対応している前記システム圧力を調整する
   ことを特徴とする方法。
8. 前記圧力レギュレータの下流側となる前記システム供給経路の部分におけるシステム圧力を計測する工程と、
   計測した前記システム圧力に基づき前記コントローラにフィードバック信号を送信し、前記コントローラが前記圧力設定値を調整する工程とを更に備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 制御流体供給路を介し、前記制御流体を前記圧力制御バルブに供給する工程を更に備え
   ることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記ダイヤフラムは、前記システム供給経路内の流体に対して流体の追加または除去を行うことなく、最小システム圧力から最大システム圧力までの範囲で前記システム圧力を変化させることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記圧力レギュレータは、前記システム供給経路に介装された第１調量器及び第２調量器の下流側に設けられ、
    前記第１調量器が第１成分材料を供給し、前記第２調量器が第２成分材料を供給し、前記第１成分材料と前記第２成分材料とが前記システム供給経路内で混合されて前記流体を形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
12. 引き金を操作して前記スプレーガンにおける前記流体の流動を開始させる工程を更に備え、
    前記圧力設定値を、目標圧力より大きくすることにより、前記スプレーガンの操作によって生じると予測される圧力損失を相殺する
    ことを特徴とする請求項７に記載の方法。

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