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1. (WO2008059920) SYSTÈME DE MESURE DE MATÉRIAU
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明 細書

材料計量システム

技術分野

[0001] 本発明は、ホツバより粉粒体等の材料を計量器に供給することによって、材料を一 定量ずつ計量する材料計量システムの改良に関するものである。

背景技術

[0002] 従来から、ホツバに貯留した材料を、ホッパ下部に設けたフラップダンパーまたはス ライドシャッターなどを開いて材料排出口から落下させ、ロードセルや差動トランス、 振動数方式による質量計測手段を設けた計量器で受け止めて、リアルタイムに質量 を計測しながら一定量に到達したときに材料排出を停止制御する 1バッチ計量方法 が知られている。

[0003] この質量計量による計量制御方法では、材料排出口と計量器との間に落差がある ため、質量計測手段で計量した質量が一定量に到達して材料排出口を閉じた後に も、計量器には、落下中の材料がさらに供給される。そのため、開口度合いや材料種 類などに応じた落差分の質量をあらかじめ計測しておき、その落差値を差し引いた 質量を目標値として計量制御する方法がとられて!/、る。

[0004] ところ力実測の落差量は計量ごとに変動し、特に大きい開口のときに排出ロを閉 じると予測した落差値との誤差も大きくなる傾向にあるため、材料排出停止直前での 開口度合レ、をより小さくするようにした多段階計量が提案されて!/、る。

[0005] この多段階計量は、供給初期の段階では材料排出口の開口度合いを大きくして大 量の材料を供給し、ロードセルでリアルタイムに計量した質量にもとづ!/、て段階的に 開口度合いを小さくしてゆくもので、供給停止直前では開口度合いが小さいため落 差値による誤差はあまりない。したがって、この計量方法では、初期の大計量により 速レ、計量が実現でき、かつ最終の小計量により精度のよ V、計量を実現することがで きる。

[0006] この多段階計量を実施するシステムでは、各段階で目標である供給質量切替値を 設定値とし、各段階では供給量がこの設定値に到達したかどうかを計測し、到達した ら次段階に切り替える制御が行われている。

[0007] 次の特許文献には、供給量を大、中、小と段階的にした計量方法が開示されてい

特許文献 1:特公平 6— 12288号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] しかしながら、この種の多段階計量方法では、段階ごとに切替制御を行うことによる 次のような問題が生じるおそれがある。

[0009] 最後に落差量が発生するのと同様に、開口度合いを次段階へ切り替えたときにも、 前段階で供給した落差分の材料が浮遊しているが、切り替えた後の当該段階での計 量には、切替前の開口度合いによる落差分の材料と切替後の開口度合いによる材 料とが混在しながら落下する不安定な時間帯が表れる。ようするに、最初の段階を除 く各段階での計量は、切替初期の時間帯では前段階の影響を受けるため、当該段 階での単位時間あたりの落下量が一定になるまでに所定の時間を要する。

[0010] このような前段階からの影響を受ける不安定時間帯の途中で、さらに次の段階に切 り替えるような制御をすると、時間と計量との相関関係が予測できず計量の精度が悪 くなるおそれがある。特に、最終段階の不安定時間帯で供給を停止すると、落差によ つて生じる質量が予定して!/、た落差値と乖離してしまう。

[0011] したがって、正確に計量するためには最初の段階を除く各段階の計量時間は少な くとも、その不安定時間よりも大きな値に設定しておく必要がある一方で、より速く計 量するためには最初の段階の大計量を十分に長くする必要もあるため、正確かつ迅 速に計量するための各段階間の供給時間の配分調整が必要とされていた。

[0012] ところ力 S、このような各段階の計量時間はロードセルの計量による制御の結果得ら れるものであるため、各段階の割合 (配分)を、それらの計量時間で調整することはき わめて困難であり、全体の計量時間を短くしかつ正確に計量するための適切な段階 間の調整方法が望まれて!/、た。

[0013] 本発明は、このような事情を考慮して提案されたもので、その目的は、正確かつ迅 速に多段階計量が行える材料計量システムを提供することにある。また、適正化がで きるまでの計量においても、失敗のない安全確実な計量が行えるようにすることも目 的とする。

課題を解決するための手段

[0014] 上記目的を達成するために、請求項 1に記載の材料計量システムは、ホツバの材 料排出口より材料を計量器に供給することによって、材料を一定量ずつ計量する材 料計量システムにおいて、段階ごとに供給質量切替値を設け、質量計測手段を設け た計量器で計量した質量が供給質量切替値に到達するごとに次段階に移行して、 単位時間あたりの材料落下量を段階的に減少させながら 1バッチの材料を計量する 多段階計量を実施し、その 1バッチ計量の終了後に、各供給質量切替値を補正する ことによって、次に計量する 1バッチの全体計量時間を短縮するようにした材料の計 量システムであって、最初の段階を除く各段階の計量時間には、前段階からの移行 後の単位時間あたりの落下量が安定していない不安定時間を含み、その不安定時 間の時間値を目標下限値とした各段階の目標計量時間が記憶部に準備されており 、各段階の計量における実計量時間を計測する計量時間計測手段と、 1バッチ計量 が終了した後に、目標計量時間と実計量時間とをもとに、所定のアルゴリズムによつ て、最初の段階を除く段階ごとの供給質量切替値を補正する設定値補正手段とを備 えている。

[0015] 請求項 2に記載の材料計量システムは、多段階計量は、材料を貯留したホツバの 材料排出口の開口度合いを絞り制御することによって、単位時間当たりの材料落下 量を減少させてレ、ることを特徴とする。

[0016] 請求項 3に記載の材料計量システムは、設定値補正手段は、複数回の補正により 各段階の供給質量切替値を最適化することを特徴とする。

[0017] 請求項 4に記載の材料計量システムは、設定値補正手段は、実計量時間と目標計 量時間との差を基準とした標準補正と、実計量時間が目標計量時間と所定の閾値以 上に乖離した場合における標準補正よりも大きい補正とのうちいずれかを実行できる ようにして!/、ることを特 ί毁とする。

発明の効果

[0018] 本発明の材料計量システムによれば、設定値補正手段が、目標計量時間と実計量 時間と供給質量切替値とをもとに、所定のアルゴリズムによって、最初の段階を除く 段階ごとの供給質量切替値を補正するようにしているため、各段階の供給質量切替 値を目標計量時間に近づける補正ができ、迅速かつ正確に計量するための各段階 の供給質量切替値の適正化が図れる。

[0019] また、目標計量時間に向けて複数回で補正する本発明によれば、段階的に少しず つ補正するので、適正化ができるまでの計量においても、失敗のない安全確実な計 が?丁える。

[0020] さらに、実計量時間と目標計量時間との差を基準とした標準補正と、実計量時間が 目標計量時間と所定の閾値以上に乖離した場合における、標準補正よりも大きい補 正とのうちいずれかを実行できるようにしたものでは、状況に応じた補正が行えるため 、適正化までの時間が短縮できる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]多段階計量の流れを示す装置模式図で、(a)は大計量、(b)は中計量、(c)は 小計量の各段階、 (d)は小計量停止時の状態を示している。

[図 2]切替ポイントを説明する図で、 (a)はロードセルの計量質量と時間との関係をグ ラフ化したもの、(b)は切替時の不安定時間帯を説明するための図である。

[図 3]本発明システムの要部構成図である。

[図 4]本発明システムの概略の流れを示すフローチャートである。

[図 5]本発明システムの小計量設定補正の動作を示すフローチャートである。

[図 6]本発明システムの中計量設定補正の動作を示すフローチャートである。 符号の説明

[0022] 1 計量器

2 ロードセノレ

10 ホッパ

11 スライドシャッター(材料排出口)

20 計量処理装置

21 開口度合い制御手段

22 計量時間計測手段

23 設定値補正手段

24 記憶部

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下に、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

実施例 1

[0024] 図 1は、本発明の材料計量システムに採用される多段階計量を示す概念図である 。ここに、供給機であるホッパ 10は、材料排出口にスライドシャッターを設けたものを 示して!/、る力フラップダンパーを設けた構成であってもよ!/、。

[0025] 図 1において、 10は材料 Pを貯留したホッノ、 11はホッパ 10の材料排出口に設け たスライドシャッター、 12は材料排出口の開口を制御するためのサーボシリンダー、 1 は質量計測手段(ロードセル) 2を備えた計量器である。なお、質量計測手段はロード セル 2に限られず、差動トランス、振動数方式によるものを用いてもよい。

[0026] 図 1は多段階計量の流れを模式的に示した図で、(a)、(b)、(c)はそれぞれ大計 量、中計量、小計量の各段階での材料供給の状態を示し、(d)は計量の停止時を示 している。

[0027] まず、材料供給の最初の段階では、スライドシャッター 11の開口度合!/、を大きくし て大容量で材料を投入し、その後は、予め設定された段階ごとの供給質量切替値に 到達するごとに開口度合いを小さくするようスライドシャッター 11を絞り制御して、供 給量 (単位時間あたりの材料落下量)を段階的に減じてゆく(図 1 (a)〜 (c) )。

[0028] 最終段階の小計量において目標値に到達すると、材料排出口を閉じる力スライド シャッター 11と計量器 1との間には一定の落差があるため、図 1 (d)に示すように、ス ライドシャッター 11を閉じた直後には、空中には計量されていない材料が浮遊してお り、スライドシャッター 11を閉じた後でもロードセル 2による質量がカウントされる。この カウントされな V、浮遊材料の質量を落差量と!/、う。

[0029] したがって、小計量の供給を停止するための目標設定値は、最終的な目標値 (計 量値)より小計量終了時に生じる落差量を考慮した値を使用する必要がある。この落 差量は、材料、設備が同一でかつ小計量時の材料排出口の開口度合いが同じであ れば、誤差はあるがほぼ一定であることが経験的に得られているため、その実測値(

本明細書ではこの値を落差値と呼び落差量と区別する)を考慮した最終段階の設定 値を使用して正確な多段階計量を実施することができる。

[0030] 図 2は、多段階計量の各段階の切替ポイントを説明するための図で、(a)はロードセ ルの計量した質量と経過時間との関係をグラフ化したもの、(b)は切替時の不安定時 間帯を説明するために材料排出口の開口度合いと計量質量との関係を模式的に示 した図である。

[0031] 図 2 (a)において、 WOは最終の目標値、 W1は大計量段階から中計量段階への切 替目標値、 W2は中計量段階から小計量段階の切替目標値、 W3は落差値を考 慮した最終目標値である。また、 W12は W2—W1で算出される中計量段階の供給 質量切替値(中計量における計量目標値)、 W23は W3— W2で算出される小計量 段階の供給質量切替値 (小計量における計量目標値)である。

[0032] 図 2 (a)においては図示の都合上、各段階の計量を直線的に表している力、最初の 段階を除く各段階では、上述したような前段階からの影響を受ける不安定時間帯を 含んでおり、実際には、図 2 (b)に示すように、最初の段階を除く各段階での計量に は、不安定時間帯での計量質量値 Wdl、 Wd2が含まれたものとなる。なお、 Wd3は 落差量である。

[0033] 本発明の目的は、正確かつ迅速に多段階計量が行えるようにすることであり、その ためには、最初の段階の大計量により材料の大部分を計量でき、かつ後続の中、小 計量により正確な落差補正ができるようにしなければならないが、そのために本発明 システムでは、 1バッチ計量が完了するごとに、最初の段階を除く各段階に対応した 供給質量切替値 W12、 W23の補正をすることによって、上記目的にそった最適な計 量ができるように、最適な供給質量切替値 W12、 W23に、段階的に到達できるように している。

[0034] 図 3は本発明システムの要部構成図で、図 4は本発明システムの概略フローチヤ一 トである。また、図 5、図 6には、小計量、中計量の設定値補正のロジックをフローチヤ ートに示している。

[0035] 本発明システムは、 1バッチの多段階計量制御ステップ S1と、その後の各段階の供 給質量切替値を補正する設定値補正ステップ S2とを行うもので(図 4参照)、これらを 実行するために本システムでは計量処理装置 20を備えて V、る。その計量処理装置 2 0は、多段階計量にともなうロードセル 2から計量質量を読み込んで、スライドシャツタ 一 11の開口度合いを制御する開口度合い制御手段 21と、各段階の実計量時間を 計測する計量時間計測手段 22と、後述する目標計量時間、計測された実計量時間 および種々の閾値などにもとづいて、直近に使用された供給質量切替値を補正する ことによって次バッチ計量のための新たな供給質量切替値を算出する設定値補正手 段 23とを備えている。

[0036] また、記憶部 24には、設定値補正をするために、実験等によって得られた各段階 での不安定時間値を目標下限値として規定した目標計量時間、各段階の供給質量 切替値の初期値、バッチごとの補正値、落差値およびその他の閾値などが保存され ている。各段階の供給質量切替値の初期値は、不図示の設定操作手段などによつ て入力できるようにすればよい。

[0037] なお、計量処理装置 20は、不図示の CPUや種々のプログラムによって、スライドシ ャッター 11の開口度合!/、の制御および設定値補正などの処理を行うものであるが、 制御と補正処理とを、それぞれに CPUを有した個別の装置で実行するようにしてもよ い。

[0038] ついで、供給質量切替値の補正の処理内容について説明する。

[0039] ここでは、大、中、小の 3段階計量を例示し、そのうちの中計量の供給質量切替値( 図 2 (a)の W23)と小計量の供給質量切替値(図 2 (a)の W12)を補正する処理につ いて説明する。また、大計量の供給質量切替値は、最終目標値 W3より中計量、小 計量の両供給質量切替値 W12、W23を差し引くことによって算出されるものである ため、これにつ!/、ては直接的な補正は行わな!/、。

[0040] 補正は、小計量、中計量の段階ごとに記憶部に保存された目標計量時間と、多段 階計量で計測された実計量時間と、その直近の計量で使用された供給質量切替値 とを使用して、次の条件にもとづいて行う。なお以下には、目標計量時間、閾値に所 定の数値を例示して説明する。

[0041] (1)中計量、小計量の供給質量切替値に大きめの初期値を与えておき、補正処理ご とに、実計量時間を限りなく目標計量時間に近づけるように中計量、小計量の供給 質量切替値を減少補正する。

ただし、適正化が完了するまでの過程においても、安全で正確な計量が行えるよう に、 1回の補正で目標に到達させるのではなく複数回に分けて補正を行う。つまり、 目標計量時間に近づけるための供給質量切替値の補正をしても、実際の計量では 予測がはずれて実計量時間がずれてしまうことがある力そのずれによって不安定な 切替が起こると、予定していた落差値とは異なる落差量が発生することにもなり、よつ て計量は失敗してしまう。特に、材料排出口 11の開口度合いの調整による場合、排 出能力や落差量が変動することが多レ、。

このような適正化までの過程における計量失敗を避けるため、計量ごとの補正処理 で供給質量切替値を大きく変動させるような補正は行わず、安全を考慮した段階的 な補正を行う。

[0042] (2)実計量時間が目標計量時間を超える場合であっても、供給質量切替値を目標 計量時間まで縮める必要のない場合、つまり(1)の例外がある。その例外処理の要 否は、各段階の実計量時間と閾値との比較にて判別する。

例えば、全体の計量時間を 10秒程度で完了できれば能力的に十分であるとすれ ば、中計量の目標計量時間を 3秒、小計量の目標計量時間を 4秒としたときに、大、 中計量の実計量時間がともに 0の場合は、小計量の実計量時間がたとえ 4秒以上で あっても、 10秒未満であれば、全体で 10秒未満となるため、小計量の供給質量切替 値を目標計量時間まで縮める補正はしない。また、大計量の実計量時間が 0で、小 計量の実計量時間が目標計量時間に到達している場合は、中計量の実計量時間が たとえ 3秒以上であっても、 6秒未満であれば、全体で 10秒未満となるため、中計量 の供給質量切替値を目標計量時間まで縮める補正はしな!/、。

[0043] (3)補正量 (直近の供給質量切替値に対して減じる質量値)は、実計量時間を目標 計量時間に近づけることを目的とするため、その差を基準とした標準補正量を算出す ることを原則とするが、その差が所定の閾値よりも大きい場合は、上記の標準補正量 よりも大きい補正量を採用する。つまり、補正をする場合には、標準補正とそれよりも 大きい補正の 2種類のいずれかによつて行う。なお、この場合の標準補正を行うため の上限値は、(2)で使用した閾値をそのまま使用することができるし、その他の値を 選定することあでさる。

[0044] (4)複数回の補正において、実計量時間が目標計量時間よりも下回ったときには 増加補正を行う。この補正は供給質量切替値を増加させる補正であるため、その補 正量は負の値となる。

[0045] (5)誤差を考慮して、目標計量時間の上下限値を設けて、実計量時間がその上下 限値範囲内になれば、補正を停止する。

[0046] 補正量の算出式を次式に例示する。なお、以下には小計量の補正として、標準補 正を補正 1、補正量の大きい補正を補正 2、増加させる補正を補正 3と記述し、中計 量については標準補正を補正 4、大きい補正を補正 5、増加させる補正を補正 6と記 述する。なお、本例では増加させる補正 3、補正 6の補正量は、標準補正と同一の算 出式で算出しているが、他の式を採用してもよい。

[0047] 補正 1の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 a ' · · (式 1)

補正 2の補正量 =実計量時間 *補正係数 & · · · (式 2)

補正 3の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 a, · ·(式 3) 補正 4の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 b, · ·(式 4) 補正 5の補正量 =実計量時間 *補正係数 b, · ·(式 5)

補正 6の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 b, · ·(式 6) ここで補正係数 a、 bは、単位時間あたりの供給能力を基準としてあらかじめ定めれ ばよい。力、りに小計量での供給能力が 100g/sec、中計量での供給能力が 500g/ secとして、さらに(1)の条件を考慮して n回で補正を行うとすれば、小、中計量の各 補正係数 a、 bを 100/n、 500/nと定義することができる。ここで、 nには 2以上、好 ましくは 5〜30の値が採用される。

[0048] 複数回の補正を行う根拠は、システムの計量精度のバラツキとハンチング (外乱に よる乱調)とによる。計量精度によるバラツキは、計量時間の計測精度(データの取り 込みサイクルなど)による実計量時間のバラツキや、ホッパ 10やスライドシャッター 11 など供給機の機械精度によるバラツキによるもので、全体的に最大 2〜数倍の計量 誤差が発生することが実験にて確認されている。つまり例えば、供給質量切替値を 2 00gから 10g減じて 190gとして計量制御した場合、その計量の結果、実計量が 180 gとなってしまうおそれがある。さらに、ハンチングなど予測のつかない状況を考慮し て、より安全な計量を行うために、複数回の補正をすることが望ましい。

[0049] 上記の補正 2 (補正 5)の補正量は、実計量時間が目標計量時間と大きく乖離して いる場合に適用されるもので、その算出式からわかるように、算出式には要素として 目標計量時間を含んでいない。これは、補正量が実計量時間が目標計量時間に近 づいてきたときに行う補正 1 (補正 4)よりも大きい補正量を許容するためである。複数 回で補正をすることを前提として補正係数を定めているため、このように目標計量時 間を補正量算出の因子に含めないようにしても、安全な補正量に調整することができ

[0050] したがって、上記の算出式に限定されず、(補正 2の補正量) > (補正 1の補正量)、

(補正 5の補正量) > (補正 4の補正量)を満足させるために、次式のようにしてもよい

補正 1の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 al

補正 2の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 a2

(ここで、補正係数 al <補正係数 a2とする)

補正 4の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 bl

補正 5の補正量 = (実計量時間目標計量時間) *補正係数 b2

(ここで、補正係数 bl <補正係数 b2とする)

[0051] 図 5、図 6は、本発明システムの小計量、中計量の各設定値補正の処理動作を示 すフローチャートである。これらの処理動作は、実計量時間の閾値チェックなどにより 、補正 1〜3 (中計量の場合は補正 4〜6)または補正なしを判断、選択するものであ る。以下、順次説明する。

[0052] 小計量の設定値補正では、上記(2)の条件を考慮して、次の(a)、 (b)の 2つに場 合分けして補正を行う。なおここでは、補正 1、 2を判別するための実計量時間の閾 値として 10秒を採用する。また補正の要否を判別するための閾値としては、上記(5) の条件を考慮して、上下限値(目標計量時間土を採用することが望ましい。つまり 、実計量時間が上下限値範囲内であれば、補正不要とすればよい。

[0053] (a)大計量、中計量の実計量時間がともに 0の場合(図 5中のステップ 101〜; 105) 小計量の実計量時間 < 10のときは、供給質量切替値を補正しない。 小計量の実計量時間≥ 10のときは、補正量を補正 2の算出式 (式 2)より求めて供 給質量切替値を補正する。

[0054] (b) (a)以外の場合(図 5中のステップ 101、 102、 106— 1 12)

小計量の実計量時間≥ 10のときは、補正量を補正 2の算出式 (式 2)より求めて供 給質量切替値を補正する。

目標計量時間上限値 <小計量の実計量時間 < 10のときは、補正量を補正 1の算 出式 (式 1)より求めて供給質量切替値を補正する。

小計量の実計量時間が目標計量時間上下限値範囲内のときは、供給質量切替値 を補正しない。

小計量の実計量時間 <目標計量時間下限値のときは、補正量を補正 3の算出式( 式 3)より求めて供給質量切替値を補正する。

[0055] また、中計量の設定補正では、上記(2)の条件を考慮して、次の(c)、 (d)の 2つ に場合分けして補正を行う。なおここでは、補正 3、 4を判別するための実計量時間 の閾値として 6秒を採用する。また、補正の要否を判別するための閾値としては、上 記(5)の条件を考慮して、上下限値(目標計量時間 ± /3 )を採用することが望ましい 。つまり、実計量時間が上下限値範囲内であれば、補正不要とすればよい。

[0056] (c)大計量の実計量時間 = 0、かつ小計量の実計量時間≤目標計量時間の場合( 図 6中のステップ 20;!〜 205)

中計量の実計量時間 < 6のときは、供給質量切替値を補正しない。

中計量の実計量時間≥ 6のときは、補正量を補正 5の算出式 (式 5)より求めて供給 質量切替値を補正する。

[0057] (d) (c)以外の場合(図 6中のステップ 201、 202、 206— 212)

中計量の実計量時間≥ 6のときは、補正量を補正 5の算出式 (式 5)より求めて供給 質量切替値を補正する。

目標計量時間上限値 <中計量の実計量時間 < 6のときは、補正量を補正 4の算出 式 (式 4)より求めて供給質量切替値を補正する。

中計量の実計量時間が目標計量時間上下限値範囲内のときは、供給質量切替値

を補正しない。

中計量の実計量時間 <目標計量時間下限値のときは、補正量を補正 6の算出式( 式 6)より求めて供給質量切替値を補正する。

[0058] 小計量、中計量の上記処理において、ともに補正なしとなつた場合、供給質量切替 値の適正化が図れたものと判断して、その供給質量切替値でもって以降の多段階計 量を実施する。なお、適正化が完了すれば設定値補正を実行する必要はないが、計 量時間の計測誤差がない限り上記処理を行っても供給質量切替値は一定するため

、実 fiするようにしてあよレヽ。

[0059] 以上のように、設定値補正手段 23は、各段階の供給質量切替値を目標計量時間 に近づけるように、複数回に分けて設定値補正をするアルゴリズムを実行しているの で、正確かつ迅速な多段階計量が安全で確実に行える。

[0060] また、実計量時間と目標計量時間との差を基準とした標準補正 (補正 1、補正 3)と、 実計量時間が目標計量時間と所定の閾値以上に乖離した場合における、標準補正 よりも大き!/、補正(補正 2、補正 5)とのうち!/、ずれかを実行できるようにして!/、るので、 大きく乖離している場合でも早期に適正化が図れる。