JP7077455B1 - 自動制御システム、押出機制御装置、押出機制御方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】押出機の制御性を向上させることが可能な自動制御システムを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る自動制御システムは、一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御し、設定装置および押出機制御装置を備える。設定装置は、芯線を被覆する被覆材の肉厚標準値および押出機の初期回転数を設定する。押出機制御装置は、肉厚標準値と被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、初期回転数、肉厚標準値、芯線の設定速度、および芯線の実測速度に基づく影響係数を算出し、偏差と影響係数との乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を初期回転数にフィードバックする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動制御システム、押出機制御装置、押出機制御方法、およびプログラムに関する。

電線の製造工程には、押出機から押し出した被覆材で芯線を被覆する工程がある。この工程では、電線における被覆材の肉厚、換言すると電線の外径が、目標値に対して変動する場合がある。

そこで、電線の外径（被覆材の肉厚）を測定した結果に応じて、押出機の回転速度等を変化させるフィードバック制御を行う技術が、幾つか提案されている。

特開２００１－１７０９９３号公報 特許第４８５１１９５号公報 特許第３７１７５５６号公報

電線の製造に用いられる従来のフィードバック制御では、押出機の回転速度が、電線の外径（被覆材の肉厚）の測定値に応じて一律に加速または減速されるため、例えばリニアリティに関する制御性が不十分である。

本発明は、押出機の制御性を向上させることが可能な自動制御システム、押出機制御装置、押出機制御方法、およびプログラムを提供することを目的とする。

一実施形態に係る自動制御システムは、一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する自動制御システムであって、
前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値および前記押出機の初期回転数を設定する設定装置と、
前記肉厚標準値と前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、前記初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を算出し、前記偏差と前記影響係数との乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする押出機制御装置と、
を備える。

一実施形態に係る押出機制御装置は、一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する押出機制御装置であって、
前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出する減算部と、
前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を算出する係数演算部と、
前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出する乗算部と、
前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックするＰＩ制御部と、を備える。

一実施形態に係る押出機制御方法は、一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する押出機制御方法であって、
前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、
前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を算出し、
前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出し、
前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする。

一実施形態に係るプログラムは、一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、
前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を算出し、
前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出し、
前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする。

本発明によれば、押出機の制御性を向上させることが可能となる。

一実施形態に係る自動制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。 絶縁被覆電線の構造を示す断面図である。 肉厚標準値および初期回転数の設定方法の一例を示すためのデータ表である。 押出機制御装置の構成を示すブロック図である。 押出機制御装置の概略的な制御動作の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、一実施形態に係る自動制御システムの概略的な構成を示すブロック図である。本実施形態に係る自動制御システム１０は、押出機２０に電気的に接続されている。ここで、押出機２０について説明する。

押出機２０は、押出機構２１と、電動機２２と、インバータ２３と、を備える。押出機構２１は、芯線３０に向けて被覆材３１を押し出す。その結果、被覆材３１で芯線３０を被覆した絶縁被覆電線３２が製造される。芯線３０は、銅線等の導線で構成される。芯線３０は、予め設定された速度で一方向（図１では右方向）に移動するが、芯線３０（絶縁被覆電線３２）の実際の移動速度である実測速度は、速度センサ４０によって測定される。この実測速度は、自動制御システム１０へ入力される。一方、被覆材３１は、樹脂等の絶縁材料で構成される。

押出機構２１には、電動機２２が連結されている。電動機２２の回転力によって、被覆材３１が押出機構２１から押し出される。電動機２２には、インバータ２３が接続されている。インバータ２３は、自動制御システム１０の制御に基づいて、電動機２２を駆動する。インバータ２３は、例えば、直流電力を電圧と周波数とがそれぞれ可変の交流電力に変換可能なＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータで構成される。

押出機２０では、電動機２２の回転数に応じて被覆材３１の押出圧力が変化する。この被覆材３１の押出圧力に応じて、絶縁被覆電線３２における被覆材３１の肉厚、換言すると絶縁被覆電線３２の外径が変化する。そのため、自動制御システム１０がインバータ２３を通じて電動機２２の回転数を制御することによって、被覆材３１の肉厚（絶縁被覆電線３２の外径）を調整することができる。

被覆材３１の肉厚は、電線径測定装置５０によって測定される。電線径測定装置５０は、Ｘ線本体部５１および処理部５２を備える。Ｘ線本体部５１は、絶縁被覆電線３２に向けてＸ線を照射し、絶縁被覆電線３２を透過したＸ線を検出する。処理部５２は、Ｘ線本体部５１のＸ線検出結果を示す画像を通常用いられる方法で処理することによって、被覆材３１の肉厚を測定する。処理部５２の測定結果を示す肉厚実績値は、自動制御システム１０に入力される。

図２は、絶縁被覆電線３２の構造を示す断面図である。本実施形態では、図２に示すように、処理部５２は、被覆材３１において周方向に等間隔に離れた８箇所の肉厚ｔ１～肉厚ｔ８を測定する。なお、肉厚の測定箇所は、図２に示す位置に限定されず、任意の箇所でよい。また、肉厚の測定数は、８つに限定されず、１つであってもよいし、複数であってもよい。

図１に戻って、自動制御システム１０は、ゲートウェイ１００と、設定装置２００と、押出機制御装置３００と、を備える。ゲートウェイ１００は、電線径測定装置５０の処理部５２から伝送された被覆材３１の肉厚実績値のデータを、押出機制御装置３００で処理可能な伝送形式で押出機制御装置３００へ転送する。ゲートウェイ１００は、例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ ＩＰの規定に準拠したサイクリック伝送方式にて処理部５２から肉厚実績値のデータを受信する。この場合、ゲートウェイ１００は、例えばＣＣ－Ｌｉｎｋ ＩＥ Ｆｉｅｌｄの規定に準拠した伝送方式にて肉厚実績値のデータを押出機制御装置３００へ転送する。この場合、押出機制御装置３００は、Ｃａｔ５ ＲＪ４５の規定に準拠したコネクタ（不図示）を介して肉厚実績値のデータを受信する。

設定装置２００は、被覆材３１の肉厚標準値および電動機２２の初期回転数を設定するための入力装置である。肉厚標準値は、絶縁被覆電線３２における被覆材３１の肉厚の目標値に相当する。設定装置２００は、例えばタッチパネル等を通じて入力操作を受け付けて肉厚標準値および初期回転数を設定する。肉厚標準値および初期回転数は、作業員が、芯線３０と被覆材３１の組み合わせに応じて個々に設定装置２００に入力設定してもよいし、他の方法で設定してもよい。

図３は、肉厚標準値および初期回転数の設定方法の一例を示すためのデータ表である。図３に示すデータ表では、芯線３０および被覆材３１の組み合わせごとに、肉厚標準値および初期回転数が設定されている。そのため、作業員が、芯線３０および被覆材３１の型名等の種類や、芯線３０の寸法や被覆材３１の硬度等の特性を入力すると、設定装置２００は、このデータ表に基づいて自動的に肉厚標準値および初期回転数を設定する。

上記のようなデータ表が設定装置２００に格納されていると、肉厚標準値および初期回転数のデータは、芯線３０と被覆材３１の組み合わせに応じて可変となるため、多種多様な絶縁被覆電線３２を製造することができる。なお、このデータ表には、芯線３０と被覆材３１の組み合わせに応じて芯線３０の移動速度（設定速度）が設定されていてもよい。

設定装置２００で設定された肉厚標準値および初期回転数は、押出機制御装置３００に入力される。ここで、図４を参照して押出機制御装置３００の構成について説明する。

図４は、押出機制御装置３００の構成を示すブロック図である。この押出機制御装置３００は、比較選択部３０１と、減算部３０２と、スイッチ３０３と、不感帯設定部３０４と、係数演算部３０５と、乗算部３０６と、ＰＩ制御部３０７と、スイッチ３０８と、変化率制限部３０９と、加算部３１０と、乗算部３１１と、加算部３１２と、スケーリング部３１３と、を有する。

押出機制御装置３００を構成する各部の機能は、ハードウェアで実現されてもよいし、ソフトウェアで実現されてもよい。押出機制御装置３００の各部の機能がソフトウェアで実現される場合、各部は、コンピュータで読み取り可能な所定のプログラムに従って機能を発揮する。以下、各構成要素について説明する。

比較選択部３０１は、ゲートウェイ１００から転送された複数の肉厚実績値のうちの一つを選択して減算部３０２へ出力する。本実施形態では、比較選択部３０１は、複数の肉厚実績値の中から最小値を選択する。ただし、選択される肉厚実績値は、最小値に限らず、最大値または中間値であってもよい。

減算部３０２は、設定装置２００で設定された肉厚標準値から比較選択部３０１で選択された肉厚実績値を減算して偏差を算出する。

スイッチ３０３は、電動機２２の駆動時にオン状態となり、電動機２２の停止時にオフ状態となる。スイッチ３０３がオン状態のときに、減算部３０２で算出された偏差が、不感帯設定部３０４に入力される。

不感帯設定部３０４は、肉厚標準値と肉厚実績値の偏差の不感帯を設定する。不感帯設定部３０４は、偏差と、設定された不感帯とを比較する。偏差が設定された不感帯よりも小さい場合には、偏差は更新されず、そうでない場合には偏差は更新される。

係数演算部３０５は、下記の式（１）を用いて影響係数を算出する。
影響係数＝（初期回転数／肉厚標準値）×（実測速度／設定速度） （１）

影響係数を算出する際、係数演算部３０５は、電動機２２の初期回転数、被覆材３１の肉厚標準値、および芯線３０の設定速度を設定装置２００から取得し、芯線３０の実測速度を速度センサ４０から取得する。

乗算部３０６は、減算部３０２で算出された偏差と、係数演算部３０５で算出された影響係数とを乗算する。

ＰＩ制御部３０７は、乗算部３０６で算出された乗算値ｅ（ｔ）に対して一次遅れ制御を行う。具体的には、ＰＩ制御部３０７は、比例ゲインｋｐを用いて乗算値ｅ（ｔ）を比例制御するとともに、積分ゲインｋｉを用いて乗算値ｅ（ｔ）を積分制御する。比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは、固定された値である。

スイッチ３０８は、スイッチ３０３と同様に、電動機２２の駆動時にオン状態となり、電動機２２の停止時にオフ状態となる。スイッチ３０８がオン状態のときに、ＰＩ制御部３０７の一次遅れ制御の結果が加算部３１０に入力される。スイッチオフ状態のときに、一次遅れ制御の結果が変化率制限部３０９に入力される。

変化率制限部３０９は、電動機２２の回転数の変化率が制限範囲内に収まるように一次遅れ制御の結果に対して所定の演算処理を行う。これにより、電動機２２の回転数の急激な変化を抑制して、緩やかに停止させることができる。変化率制限部３０９における変化率の制限範囲は、設定装置２００への入力操作によって設定することができる。

加算部３１０は、一次遅れ制御の結果と変化率制限部３０９の演算結果とを加算する。

乗算部３１１は、設定装置２００で設定された電動機２２の初期回転数に、係数演算部３０５によって算出された芯線３０の速度比率を乗算する。係数演算部３０５は、影響係数を算出する際に、下記の式（２）を用いて速度比率を算出する。
速度比率＝実測速度／設定速度 （２）

加算部３１２は、乗算部３１１で算出された乗算値と加算部３１０で算出された加算値とを加算する。すなわち、加算部３１２では、ＰＩ制御部３０７の一次遅れ制御の結果が、電動機２２の初期回転数にフィードバックされる。

スケーリング部３１３は、加算部３１２の加算値、すなわちＰＩ制御部３０７の一次遅れ制御の結果をフィードバックした電動機２２の初期回転数を、インバータ２３による駆動制御に必要なカウンタ値に変換する。インバータ２３は、スケーリング部３１３で変換されたカウンタ値に基づいて電動機２２を駆動する。これにより、電動機２２は、フィードバック後の回転数で駆動する。

以下、図５を参照して、上記のように構成された押出機制御装置３００の制御動作の一例について簡単に説明する。

図５は、押出機制御装置３００の概略的な制御動作の手順の一例を示すフローチャートである。押出機制御装置３００では、まず、比較選択部３０１が、電線径測定装置５０で測定された複数の測定結果から最小値を選択する（ステップＳ１）。

次に、減算部３０２が、設定装置２００で設定された肉厚標準値からステップＳ１で選択した最小値を差し引いた偏差を算出する（ステップＳ２）。

次に、係数演算部３０５が、上述した数式（１）を用いて影響係数を算出する（ステップＳ３）。

次に、乗算部３０６が、ステップＳ２で算出した偏差と、ステップＳ３で算出した影響係数とを乗算する（ステップＳ４）。

次に、ＰＩ制御部３０７がステップＳ４で算出した乗算値を一次遅れ制御、すなわち比例制御および積分制御を行う（ステップＳ５）。

次に、加算部３１２が、一次遅れ制御の結果を初期回転数にフィードバック（加算）する（ステップＳ６）。フィードバック後の回転数は、スケーリング部３１３でカウンタ値に変換される。最後に、インバータ２３が、このカウンタ値に基づいて電動機２２を駆動する。このようにして、絶縁被覆電線３２における被覆材３１の肉厚が肉厚標準値に近付くように、電動機２２の回転数が最適化される。

以上説明した本実施形態によれば、係数演算部３０５が被覆材３１の肉厚（絶縁被覆電線３２の外径）の寸法に影響を及ぼす影響係数を算出する。また、ＰＩ制御部３０７が、肉厚標準値と肉厚実績値との偏差と影響係数との乗算値を用いた一次遅れ制御を行う。さらに、一次遅れ制御の結果が、電動機２２の初期回転数にフィードバックされる。このように、肉厚標準値と肉厚実績値との偏差が算出される際、その都度、影響係数も算出されるため、電動機２２の回転数が緻密に制御される。よって、押出機２０の制御性が向上する。

なお、芯線３０を移動させながら絶縁被覆電線３２を製造する場合、芯線３０の移動速度が頻繁に変化すると、下流工程に影響を及ぼす場合がある。しかし、本実施形態では、芯線３０の移動速度は、被覆材３１の肉厚の測定結果に関わらず変化しない。そのため、下流工程に及ぼす影響を抑えることが可能となる。

また、通常、多種類の絶縁被覆電線３２を製造する場合、一時遅れ制御で用いる比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを電線の種類毎に調整する作業が必要になる。しかし、本実施形態では、影響係数が自動的に算出されるため、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉが固定されている。よって、本実施形態によれば、ゲイン調整に要する手間をかけることなく、多種多様な絶縁被覆電線３２の製造を制御することができる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１０：自動制御システム
２０：押出機
３０：芯線
３１：被覆材
２００：設定装置
３００：押出機制御装置
３０１：比較選択部
３０２：減算部
３０４：不感帯設定部
３０５：係数演算部
３０６：乗算部
３０７：ＰＩ制御部

Claims (8)

1. 一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する自動制御システムであって、
   前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値および前記押出機の初期回転数を設定する設定装置と、
   前記肉厚標準値と前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、前記初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を下記の式（１）を用いて算出し、前記偏差と前記影響係数との乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする押出機制御装置と、
   を備える、自動制御システム。
   影響係数＝（初期回転数／肉厚標準値）×（実測速度／設定速度） （１）
2. 前記設定装置において、前記肉厚標準値および前記初期回転数が、前記芯線および前記被覆材の組み合わせに応じて可変である、請求項１に記載の自動制御システム。
3. 一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する押出機制御装置であって、
   前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出する減算部と、
   前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を下記の式（１）を用いて算出する係数演算部と、
   前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出する乗算部と、
   前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックするＰＩ制御部と、
   を備える、押出機制御装置。
   影響係数＝（初期回転数／肉厚標準値）×（実測速度／設定速度） （１）
4. 前記押出機制御装置は、前記肉厚を複数箇所で測定した複数の前記肉厚実績値のうちの最小値を選択して前記減算部へ出力する比較選択部をさらに備える、請求項３に記載の押出機制御装置。
5. 前記ＰＩ制御部は、前記乗算値の比例制御および積分制御の結果を前記一次遅れ制御の結果として出力し、前記比例制御の比例ゲインおよび前記積分制御の積分ゲインが固定されている、請求項３または４に記載の押出機制御装置。
6. 前記減算部と前記乗算部との間に配置され、前記偏差の不感帯を設定する不感帯設定部をさらに備える、請求項３から５のいずれか１項に記載の押出機制御装置。
7. 一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する押出機制御方法であって、
   前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、
   前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を下記の式（１）を用いて算出し、
   前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出し、
   前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする、押出機制御方法。
   影響係数＝（初期回転数／肉厚標準値）×（実測速度／設定速度） （１）
8. 一方向に移動する芯線に向けて被覆材を押し出す押出機の回転数を制御する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記芯線を被覆する前記被覆材の肉厚標準値と、前記被覆材の肉厚を測定した肉厚実績値との偏差を算出し、
   前記押出機の初期回転数、前記肉厚標準値、前記芯線の設定速度、および前記芯線の実測速度に基づく影響係数を下記の式（１）を用いて算出し、
   前記偏差と前記影響係数との乗算値を算出し、
   前記乗算値を用いた一次遅れ制御の結果を前記初期回転数にフィードバックする、プログラム。
   影響係数＝（初期回転数／肉厚標準値）×（実測速度／設定速度） （１）

Images