JPH01100612A - 液体計量混合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多種類の原料液をそれぞれ計量後、混合して
新たな混合液を作り出す液体計量混合装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、液体計量混合装置に適用される計量装置としては
、高精度な計量を達成するために、流速可変に設けたも
のはなく、流速を制限した計量装置が用いられていた。

また、従来タイプの液体計量混合装置においては、複数
の供給容器から１つの容器に液を供給する場合、それぞ
れの供給容器に付属して計量装置を具備している。

例えば、容積計量式を用いた場合、第５図に図示する様
に、２液体に対しては２個の計量装置を使用し、流れ込
み量の予測制御のため、２ループの制御機能を有する。

特開昭５６−７４７１５号及び特開昭５７−１６３４２
６号公報ではそれぞれ「調液装置」及び「液体の供給方
法」が開示されており、これら公報では複数液の流量が
共通の計量装置により計量されているものの、流量を制
限する液供給手段はそれぞれ独立の制御ループにより制
御されている。

すなわち、液の流量は、供給容器内の液量、バルブ流量
特性、液物性等により異なるため、同一の制御機能では
高精度な計量が期待できないことによった。

このことは、タンク計量方式においても同様であり、各
系に付属するアクチュエータの閉止弁はそれぞれ独立ル
ープの制御系で制御される必要がある。

また、高精度な計量を実現するため、流速の異なるバル
ブを並列に設置して、所定の計量偏差にて切替る方法が
あるが、この場合でも制御機能として、２ループの制御
が必要である。

ここで、２ループの制御機能と言う表現を使用している
のは、例えば、分散型制御装置等を使用した場合、計量
は１つの制御装置内で処理可能であり、制御装置が２個
必要であるとは言えないからである。しかし、入出力点
数、ソフトウェアからみた場合、２個の制御装置と言え
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の液体計量混合装置では、流速は一゛一定を前提と
した計量制御のため、以下の欠点を有する。

■　計量精度：外乱や液物性の変化による流速変動によ
り、精度が保証されない事態を生じる。

すなわち、重力移送の場合、例えば供給側容器の液残存
量により、流出する液の流速は変動するが、残存量の変
化が大きいと流速がある条件範囲をはみ出すため、精度
を悪くした。

また、このことは、供給側容器の液量をある中肉で制限
し、液量を常にある一定量以上に確保する必要があり、
液のロスを生じてランニングコストを増加させた。

■　計量範囲：計量範囲が狭い。

この理由は、計量停止しても、系の応答遅れによる流れ
込み量があり、この量が流速により決定されるため、流
速一定のもとでは、計量範囲を狭めることにより、許容
できる流れ込み量を保証している。従って、同−液の計
量であっても、おのおの適性な計量範囲の計量装置が必
要であり、装置数が増加する。

■　計量時間二計量設定値により計量時間が左右される
。

計量設定値が小さい場合は、計量時間は短く、大きい場
合は長くなる。従って、製造サイクル上適性な計量装置
が計量設定値に応じて必要であり、装置数が増加する。

また、従来の液体計量混合装置は、前述した理由により
、独立に制御される計量装置を、供給容器毎に多数台設
置し、かつ製造能力の制限による最適計量時間毎に設置
しているため、システムを複雑にすると共に、非常に多
くの計量装置が設備化された。

本発明の目的は、上記事情に基づいてなされたもので、
本出願人が先に出願したファジィ制御による液体計量混
合装Ｎ（特願昭６２−１１３４３０号）の応用として、
外乱や液物性の変化による流速変動に影響されない高精
度な計量を実現すると共に、ワイドレンジの計量範囲を
確保し、かつ計量設定値の大小に左右されないで短時間
計量を実現する計量制御装置を用い、更に従来性能的に
ロードセル、差圧伝送器等を用い、計量精度上よりも不
可能とされていた容積式流量計を用いてシステムを構成
し、設備の簡素化並びに製造能力の増強と、原材料ロス
の低減を計り、 ■　装置台数の低減によるイニシャルコストの低減、 ■　装置台数の低減によるメンテナンス工数低減、 ■　装置台数の低減による信頼製向上による故障低減 ■　原材料ロスの低減によるランニングコスト低減、等
の経済効果の高い液体計量混合装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の上記目的は、被計量液の計量時に、クローズド
ループ制御にて流速を時々刻々可変にする計量制御装置
が適用されると共に、前記計量制御装置の設備台数が少
なくてすむ液体計量混合装置により達成される。そのた
め、下記の構成要素により、本発明の液体計量混合装置
は構成される。

（１）　　供給容器：計量される液を貯蔵する容器。

容器の容量は、製造に適したスケールを要する。

本発明にて、容器の残量の制限はなく、理論的には残量
０まで計量できる。又、液の物性値（例えば、粘度等）
に影響されず、流出可能な液物性値を有していれば、ど
んな液でも残量０まで計量可能である。

（２）開度調整弁：供給容器数に対応した個数分の開度
調整弁を有し、弁の開度が変化することにより流速を変
化させる流速制御弁である。また、弁の流量特性は、弁
開度０％近傍で弁閉とし、１０％程度近、傍から液が流
れる構造を有している。

１０％以上の流量特性は、クイックオープン特性以外の
特性を有する。駆動としては、例えばＡＣサーボモータ
等がある。

（３）受液容器：製造スケールに適した容量の容器。

（４）容積式流量計：受液容器への配管に配置され、受
液容器で受ける液量を計量する。

（５）計量制御装置二流速を変化させるクローズドルー
プ制御を行う制御装置であり、ファジィ推論による制御
方式により、開度調整弁の弁開度を可変にする。即ち、
弁の初期開度は弁の流量特性と計量設定値により、また
、その後の弁開度の推移は実計量値と計量設定値に基づ
いたファジィ制御により行われる。

但し、液体の容積式流量計は別名ルーツ式流量計ともよ
ばれ（商品名例えばオパール流量計）計量室の容積と回
転子の回転数によって流量が測定されるが、回転子とケ
ーシングのすきまを通る漏洩量が低流量になると精度上
問題となる。従って一定流量（最低保障流量）以下では
精度が出ない（しかし最低保障流量以上では精度も出る
し、動作も安定しているので簡便に用いられる）。

従って容積式流量計を使用する場合は被計量液の容積の
重量換算は勿論であるが、特に容積式流量計の最低保障
流量以下における漏洩量に対し考慮して最低保障流量に
至らないように、開度調節弁を制御することが計量制御
装置として重要なこととなる。同様に最大保障流量以上
の流量とならないように開度調節弁を制御することも重
要である。

（６）切替装置：計量制御装置の出力を、所定の液供給
系の開度調整弁等に切替えて出力する装置。

本発明の基本構成要素は、上記の通りであるが、流速可
変するクローズドループの計量制御装置を用いることと
、容積式流量計の最低保障流量及び最大保障流量に対す
る考慮が基本となり、かつその計量制御装置はファジィ
推論に基づく制御を行う。

〔実施態様〕

以下、図面により本発明の実施態様を詳説する。

第１図の１実施態様は、２種液計量混合システムを示し
ている。すなわち、このシステムは、上流側に配置した
供給容器としての２つのタンクから、下流側に配置した
受液容器としての１つのタンクに原料液をそれぞれ供給
することにより、２液体の累積計量を行って混合液を作
り出すものである。

上流側の２つのタンク１．１１にはドレインバルブ（Ｄ
ＲＶ）９．１９と、ストップバルブ（ＳＰＶ）８．１８
を配置した配管路１２．１３がそれぞれ接続されており
、前記ＤＲＶ９，１９にはそれぞれ開度調整弁（ＦＣＶ
）７．１７が付属して設けられている。

前記開度調整弁（ＦＣＶ）７．１７は、第３図に図示す
る通り、それぞれの流量特性が例えばイコールパーセン
ト特性を有すると共に、弁開度０％近傍で全開とし、１
０％程度近傍から液が流れる特性を有している。

前記開度調整弁の上流側配管には、被計量液の容積を計
量する検出器として容積式流量計４１゜４２が配置され
ている。容積式流量計４１．４２は計量制御装置３と接
続されている。

前記配管路１２．１３は端部において共通の連結管２０
に連設されており、前記連結管２０は洗浄・廃液バルブ
（ＣＶＤ）１０を備えて下流側のタンク２に液を移送可
能にしている。また、前記連結管２０の上流側には洗浄
開始弁（ｃｒｖ）１４及びエア抜き弁（ＡＤＶ）１５が
配置されており、前記ＣＩＶ１４は洗浄液を連結管２０
内に導入可能に設けている。

前記計量制御装置は、サーボドライバ６を介して切替装
置１６と接続されており、前記ＦＣＶ７．１７の流量特
性、前記容積式流量計４により計量される液の実計量値
及び計量設定値とに基づいてファジィ制御を行う。

前記切替装置１６は、前記２系統の液供給路１２．１３
に配置された前記ＦＣＶ７，１７及び前記５ＰＶ８Ｐ１
８を駆動するサーボモータ２１゜２２とそれぞれ接続し
ており、計量制御装置３により制御されるサーボドライ
バ６の駆動指令を、選択される系に切替えて出力する。

次に、上記のように構成された液体計量混合装置につい
て動作プロセスを、第１図と共に第２図の制御ブロック
図を用いて説明する。

計量制御装置３に製造条件（タンク１の液の計量、続い
てタンク１１の液の計量等々の条件）が指定される。

計量制御装置３に計量設定値が設定され、ＤＲＶ９，１
７、ＣＤＶ　１０が計量系ラインに切り換えられる。計
量開始が指示されると、５ＰＶ８が開となり、ＦＣＶ７
が、予め定められた開度となるように、計量制御装置３
からサーボドライバ６に位置指令が伝送され、サーボモ
ータ２１を駆動して指示された位置にＦＣＶ７の弁ボー
トを設定して、開度を調製し、原材料の流れを引き起こ
す。

この際、ＦＣＶ７の初期開度は、弁の流量特性と計量設
定値とにより、計量制御装置のファジィ制御部３０２が
ファジィ推論にもとづいて算出する。

これにより、タンク１の原材料は、タンク２に移送され
始める。配管中の容積式流量計４１は、移送された原材
料の容積を計り、その値を計量制御装置３にフィードバ
ックする。

計量制御装置３はフィルタ演算部３０１が、フィードバ
ックされた実容積値から、対象となる液体に応じ、容積
を重量に換算する等を行い、計量設定値との偏差、偏差
の時間変化量を演算すると共に、これら量にローパスフ
ィルタ処理を施した値を算出する。前記ファジィ制御部
３０２はこの算出された値をもとに、ファジィルールに
基づく推論演算を行い、次の制御周期において適切な流
速となる弁開度を求める。この際、ファジィ推論による
メンバーシップ関数は、偏差量及び偏差時間変化量の各
物理量に対応する軸の分割が、物理量の小さい区間を細
かくした例えば片対数とするような形を有する。これは
、計量精度向上並びに短時間計量を目的とするためであ
り、偏差量が大であれば、制御性の良い事は必要なく、
偏差量が称である場合に制御精度を向上させる必要があ
るからである。このことは、−次フィルタ処理機能にも
当てはまり、偏差量等が小さい場合に１次フィルタの偏
差量等を使用し、計量検出器の動特性を緩和して計量精
度を向上させる。

計量開始後、計量偏差が小さくなると、ＦＣＶ７は開度
を絞り、微小流速となる。計量偏差、計量偏差の時間変
化量が小さくなると容積式流量計の最低保障流量となる
のでその流量になった時点を基準にして５ＰＶ８は閉と
し、ＦＣＶ７は全閉方向に移動する。この時流速は微小
であり、流れ込み量は微小である。従って計量停止後の
流れ込み量は小さくなり、計量精度は５ＰＶ８．ＦＣＶ
７の閉止のタイミングによって目標計量設定値に近づけ
ることが出来る。但し、この時の流速は前述の最低保障
流量を満足するものである必要がある。また、ＦＣＶ７
は、第３図の流量特性を有することにより、偏差Ｏ近傍
にて弁開度約１０％程度をファジィ推論演算にもとづき
推移する。したがって、弁の機械的ガタ等があっても、
このデッドゾーン及びファジィ制御方式により、このガ
タ等の悪影響を吸収し、高精度の計量が出来る。更に、
計量範囲において、計量設定値とかプロセスの系により
ＦＣＶ７の動作が変わり、計量設定値の大小を問わず同
一計量装置にて計量ができ、計量範囲が拡大する。又、
計量時間においても、ＦＣＶ７の動作パターンが変化し
、計量設定値の大小を問わず、はぼ同一の短時間の計量
ができる。

次に、タンク１１の液の計量に切りかわる。切替装置１
６をタンク１１側のＦＣＶ１７に切替える。計量設定値
は予め設定されており、計量開始指令に従い上記と同様
な制御を行い計量する。制御装置内の制御機能は同一で
あり、操作端のＦＣＶ１７及び５ＰＶ１Ｂに出力信号が
切替装置１６にて切替られる。また検出器としての容積
式流量計４２に切替られる。

液は、連結管２０を共有して、タンク２に移液される。

この連結管の意味は、配管口径を大きくして、配管中の
残液を自然落下させる。従って、計量精度を向上させる
ために、本連結管の配管長は極力短いことが必要である
。しかし、本連結管を使用せずにタンク２に各々単独配
管して接続する方法もある。この場合、タンク２の大き
さが有限であるため混合される液量が制限される。加え
て、複数の液を受液する場合、配管構成が困難となる設
備上の問題がある。しかし、反面、連結管中の残量が問
題となる超高精度の計量には有利である。

なお、前記ＦＣＶ１７の流量特性は、前記ＦＣ■７のそ
れと同じとして説明したが、それぞれの流量特性が異っ
ていても、デッドゾーン近傍の特性が大きく変わらなけ
れば、計量開始後の開度調整弁の挙動は異なるが、計量
終了直前の挙動はほぼ同等となり、同一のメンバーシッ
プ関数並びにファジィルールにて計量はできる。

従って、システム構成、バルブ特性等の違いに因らず容
易に高精度、広範囲、短時間の計量が達成できる。

本発明は、液体における加算式計量（計量タンクに貯め
て計量する方式）の−例であり、図中のＤＲＶ９，１７
、ＣＤＶＩＯ１ＣＩＶ１４　（洗浄開始弁）、ＡＤＶ１
５（エア抜き弁）は、付随的な洗浄、廃液等のための弁
である。

従って、例えばタンク１の液を計量し、その後洗浄を行
い、次にタンク１１の液を計量する場合について、タン
ク１の液の計量終了後、連結管のみの洗浄であれば、Ｃ
ＤＶｌ　０を廃液側に切替で、ＣＩＶ１４を開として洗
浄する。この時、ＡＤＶ１５は閉、５ＰＶＢと５ＰＶ１
Ｂも閉とする。ある所定の時間洗浄すると、ＣＩＶ１４
は閉となり、ＡＤＶ　１５は開となる。その後、ＡＤＶ
１５は閉となり、次のタンク１１の計量に入る。

次に、第１図に図示した装置を用い、前述したプロセス
に基づいて行った計量結果を示す。

本結果の計量装置は、最大１０ｋｇの計量ができ、ロー
ドセルの精度は５０００分の１である。ＦＣＶ（開度調
整弁）はサーボモータにて位置制御され、計量制御装置
から位置指令が出力される。

第４図は、２種類の開度調整弁の流量特性を示す。この
２種類の開度調整弁を第１図の構成系に設置して制御方
式等全く変更せずに計量を行った。

第５図は、その時の１０００ｇ計量結果を示す。

図５−ａは図４−ａの流量特性を持つ開度調整弁の結果
であり、図５−ｂは図４−ｂの結果である。

第５図から明らかなように、容積式流量計の場合最低保
障流量（角度θ）になるとその時点の開度以下に開度調
整弁がならない規則を設け、さらに偏差の時間変化量が
所定の値（最低保障流量）以下になる場合は流量を僅か
づつ増加させるため開度調整弁の開度を開くように制御
する。そして、偏差がある所定の値になれば計量を終了
し開度調整弁は閉止される。当然開度調整弁の弁開度の
動作パターンは変わるが、はぼ同じ計量時間で、高精度
の計量が得られた。

本系での実験では、同一の液体について行い、開度調整
弁の流量特性を異ならせて、液物性の遅いによる効果を
評価した。更には、上流タンクの液量を異ならせての実
験も行った。その結果、同一の制御装置にて、開度調整
弁への出力箇所の変更のみで、高精度、広範囲、短時間
計量が確認できた。

また、本計量系では、第５図に示したように、液の残存
量により同一開度であっても流量、すなわち流速は異な
る。しかし、液の残存量を各水準にて測定したが、当然
弁開度の動作パターンは異なるものの、計量時間、計量
精度共に同程度の結果を得た。又、計量範囲についても
、１：５０程度の範囲にて、調節によって±１．Ｏｇ以
内迄の精度が得られた。

前記実施態様では、２液体を計量、混合する場合につい
て述べたが、本発明は、同一受液容器にて計量する液種
の数が多数あってもよい。しかし、システム上、同一計
量装置にて制御される開度調整弁の数としては、約８個
程度が望ましい。

更に、溶液のみの製造システムでは、計量タンクに攪拌
機、温水循環装置等を付帯設備として設置して、調製タ
ンクとして位置付けると、計量、混合、反応等が同一容
器にて行う事が出来る。

更に、開度調整弁の駆動装置としてサーボモータを例と
して述べたが、位置制御出来る装置で有れば、いずれの
機器でもよい。

〔発明の効果〕

以上記載したとおり、本発明の流速を変化させるクロー
ズドループの液体計量方法により複数液を累積計量して
混合する液体計量混合装置であって、原料液が充填され
た複数の供給容器と、供給容器からの液を受け混合する
受液容器と、所定範囲で流量を生じないデッドゾーンを
有し、各供給容器に付属して流量を制限する開度調整弁
と、前記受液容器への配管に配置されて供給容器からの
液を計量する容積式流量計と、前記容積式流量計により
観測される実計量値及び任意に設定される計量設定値と
に基づいてファジィ制御を行い、前記開度調整弁の弁開
度を算出する計量制御装置と、計量制御装置の出力を切
替えて所定の前記開度調整弁に出力する切替装置と、か
ら成ることを特徴とする液体計量混合装置によれば、計
量設定値、残存液量、液物性等に左右されない計量装置
の適用により、 ■　計量装置台数の低減 ■　原材料のロスの低減 ができるため、下記の経済的効果を得ることができる。

■　装置台数の低減によるイニシャルコスト低減 ■　装置台数の低減によるメンテナンス工数低減 ■　装置台数の低減による信顧性向上による故障低減 ■　流速制御のため原材料の残存量（ヘッド差）等に影
響されず、原材料ロスの低減によるランニングコスト低
減等が実現出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施態様による２種液計量装置の構
成図、第２図は本発明による多種液計量混合装置を説明
する制御ブロック図、第３図は本発明に用いる開度調整
弁の流量特性図の一例、第４図は本発明を検証するため
に行われる実験において適用される弁の流量特性図であ
り、（ａ）に流速大のタイプを、ら）に流速率のタイプ
を、示しており、第５図は実験の計量結果を示しており
、（ａ）及びΦ）は第４図の（ａ）及び（ト））に対応
して得られたものであり、第６図は従来装置を説明する
概念図である。 １．１１．Ｎ・・・上流タンク（供給容器）２・・・下
流タンク（受液容器） ３・・・計量制御装置 ４・・・容積式流量計 ６・・・サーボドライバ ７．１７・・・開度調整弁（ＦＣＶ） ８．１８・パ・ストップバルブ ９．１９・・・ドレインバルブ（ＤＲＶ）１０・・・洗
浄・廃液バルブ（ＣＤＶ）１２．１３・・・配管路 １４・・・洗浄開始弁（ＣＴ　Ｖ） １５・・・エア抜き弁（ＡＤＶ） １６・・・切替装置　　２０・・・連結管２１．２２・
・・サーボモータ ３３・・・制御方式切替装置 ３０１・・・フィルタ演算部 ３０２・・・ファジィ制御部 （ほか　３名〕 第　　３　　図 第４図 （”）　ＥＷｊＪ！！＝ｆｓ　ｅｒ　９　Ａ　７’−１
シ１−ｔｌｑ・を缶ｎ塵（面部） 第　　６　　図 碧聞戊（恥部）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流速を変化させるクローズドループの液体計量方
   法により複数液を累積計量して混合する液体計量混合装
   置であって、原料液が充填された複数の供給容器と、供
   給容器からの液を受け混合する受液容器と、所定範囲で
   流量を生じないデッドゾーンを有し、各供給容器に付属
   して流量を制限する開度調整弁と、前記受液容器への配
   管に配置されて供給容器からの液を計量する容積式流量
   計と、前記容積式流量計により観測される実計量値及び
   任意に設定される計量設定値とに基づいてファジィ制御
   を行い、前記開度調整弁の弁開度を算出する計量制御装
   置と、計量制御装置の出力を切替えて所定の前記開度調
   整弁に出力する切替装置と、から成ることを特徴とする
   液体計量混合装置。