JPS59169501A - 溶液濃縮缶の制御方法 - 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】 本発明は、溶液濃縮臼を用いて濃縮液の濃度を所望の設
定値に制御する制御方法に関する。

従来用いられてきた代表的な溶液濃度の制御方法を第１
図に示す。濃縮缶１１に原液入口管１２、濃縮液出口管
１６．蒸気管１４．ベーパ管１５が接続され、原液入口
管１２に設けられた流量検出器２は入口流量調節計１６
に接続され、入口流量調節計１６は調節弁５に接続され
、又ｔｒｉ＋液出口管１６に設けられた出口濃度検出器
３は出口濃度調節計１７に接続され、出口濃度調節計１
７は入口流量調節計１６に接続され、出口濃度調節計１
７の出力により入口流量調節計１６の設定値を調節して
入口原液流量Ｆ１をカスケー→゛制御するフィードバッ
ク制御ループを構成している。

従来の制御系は以上の様に構成され、次のように作用す
る。出口濃度検出器６で検出した出口濃縮液濃度Ｄｏを
出口濃度調節計１７に入力し、出口濃度調節計１７は出
口濃縮液濃度り。と設定濃縮液濃度との偏差Ｚ（第２図
参照）を基にして出力ＭＶを入口流量調節計１６に出力
する。

入口流量調節計１６においては、出口濃度調節計１７か
らの出力ＭＹにより調節設定された入口原液流量設定値
と原液流量検出器２により検出された入口原液流量Ｆ１
とを比較しその偏差により、出力を調節弁５へ送り、こ
れを調節して入口原液流量Ｆ、を操作する。

第２図は従来の濃縮液濃度のフィードバック制御系のブ
ロック線図である。Ｈ８は目標値に対する変換器の伝達
関数、　Ｈｄは出口濃度検出器６の伝達関数、　　Ｇｃ
は出口濃度調節計１７０ＰＩＤ動作の伝達関数である。

０人は原液流量検出器２人口流量調節計１６．調節弁５
を含む操作端全体の伝達関数である。又ＧＰはこの濃縮
液濃度制御系のプロセス伝達関数である。なお外乱とし
てＧＡとＧＰ゛の間に入口原液濃度Ｄ】。

原液流量Ｆ１．蒸発量Ｇｏ、出口濃縮液濃度り。

の変化等が加算される。

このプロセスの静特性は、濃縮缶の物質収支から次式で
与えられる。

ここでＤＯは出口濃縮液濃度、　　Ｆｌは入口原液流量
、Ｄｌは入口原液濃度、Ｇｏは蒸発量である。

即ち制御量Ｄｏは操作’ｔＦ＋と外乱ＤＩＧｏの変化に
よって（１）式の示す条件によって変化する。

従って制御量Ｄｏ、操作量Ｆ１とするＧＰのプロセスゲ
イン係数ｋＰは（１）式をＦ】で微分することにより求
めることができ、次のようになる。

（１）式と（２）式を用いて変形するとｋｐは次のよう
になる。

従ってＧｐのプロセスゲイ、５ン係数ｋｐは（３）式に
よって定まり、Ｄ＋　Ｄｏ　Ｆｌ　Ｇｏの要素によって
変化する。

ｉ’１ｉｌｌ　ｍｌ系の合成閉ループゲイン係数をｋｊ
、とするとｋｔは Ｊ、　＝　ＩＨ（ＩＩ　Ｘ　ＩＧｃｌ　Ｘ　ｔｏＡＩ　
Ｘ　ｋｐ・・・・・・・・・・・・（４）であり、Ｈｄ
、ＧＡは設計内容で定まる定数であり、Ｇｃは一担Ｐ、
　１．　Ｉ）乞収定し変更しなければ定数であるから閉
ループゲイン係数ｋｊ、はプロセスゲイン係数ｋｐの変
化に左右される。従って糸の動作を安定に行うために閉
ループゲイン係数ｋｔを一定にするためにはｋｐの変化
に応じてＯＣのＰ、　１．　Ｄ定数を変更する必要が生
ずることがわかる。

このような従来方法は、簡単な制御装置で濃度制御が可
能であることから多数使用されている。この方法は設計
運転点におけるプロセス特性において出口濃度調節計１
７の制御定数すなわち比例・積分・微分の３動作定数（
以下ＰＩＤ定数という）を最適値に調整したものとして
おくと該設計運転点近傍では良好な制御が期待できる。

しかし、設計運転点を大きく変更したり又は入口原液濃
度ＤＩ　、原液流量Ｆ＋、又は蒸＠量（）０等の変動と
いう大きな外乱が入った場合はプロセス特性が大きく変
化し、特にプロセスゲインの変化は著しい。

そのためこのようにプロセス特性に変化が生じた場合、
系の安定化のために閉ループゲイン係数ｋｉを一定にす
るために改めて最適Ｐ、　１．　Ｄ定数を設定し、最適
Ｐ、１．Ｄ定数の設定変更を行わないと良好な制御は期
待できない。

このようにプロセス特性に変化を生じた場合に新たな最
適Ｐ、工、Ｄ定数を設定するために通常数十分から、む
だ時間、時定数の長いプロセスの場合には数時間のプロ
セス特性把握のための時間が必要であり、又該プロセス
付性の採取デ−タから新たな最適Ｐ、　■、　Ｄ定数を
得るためには計装技術者の手を必袈とする。これらの調
整作業は一般にオペレータの作業になじまないため運転
上大きな支障をきたしていた。

な左、前記プロセス特性を変化させる要因のうち、入口
原液濃度Ｄ＋の変動は予期されない要素である。原液は
濃縮装置の前段プロセスで製造されるが一般に原液製造
プロセスには濃度制御がないのが普通であり、その濃度
変動の一例は原液生産初期には薄く、次第に濃（なって
ピークとなり生産終了に近づくに従って薄くなっていく
。通富はこの平均埴土変動分が濃縮缶の入口条件となっ
ており、濃縮缶１１の濃度制御にとっての最大の外乱は
原液の濃度変動となっている。

このような入口原（ｇ！ｉ濃度Ｄ］り始めとする変動に
よって生ずるノロセス特性の変化に対し。

出口濃度調節計１７の最適ＰＩＤ定数をその都度変更す
るということは従来の方法においては不可能に近い作業
であった。

本発明は以上の如き従来の溶液濃縮缶の制御方法の欠点
を解消すべく開発されたもので、簡単な制御方法により
安全に品質の良い、安定した制御の自動運転を可能にす
る溶液濃縮缶の制御埋方法を提供することを目的とする
ものである。

本発明は、出口濃縮液濃度を制御量とし、入口原液流量
を操作量とする溶液濃縮缶の制御方法において、出口濃
縮ｉ濃度を設定値と比較演算して偏差Ｚを出力し、該偏
差Ｚより伝達関数Ｙｏによる演算を行って出力ｙを出力
し、該出力ｙから特定のＰ、１．Ｄ定数に基づ＜　Ｐ、
　Ｌ　Ｄ動作により出力ＭＹを演算出力し、該出力ＭＹ
により入口原液流量の設定値を調節し、該調節された設
定値により入口原液流量Ｆ１を制御するようにし、入ロ
原液流量Ｆｌ、入日原ｅ、＃度Ｄ】、蒸発量に相当する
蒸発量相当量Ｇ、出出講濃縮液濃度ｏに相当する出口濃
縮液濃度相当量りを検出し、これらの値によりプロセス
ゲイン係数ｋＦを演算し、αを固定係数とした場合、前
記伝達関数ｙｏをｙｏ　＝−なる如（選んで演算を行な
Ｐ うことを特徴とする溶液譲縮缶の制御方法である。

第３図に本発明の一実施例を示す。濃縮缶１１には原液
入口管１２．濃縮液出口管１６．蒸気管１４ゴｄよびベ
ーパ管１５がそれぞれ接続されている。原液入口Ｗ１２
に設けられた原液流量検出器２は入口流量調節計１６と
演算器１８に各々接続され入口流量調節計１６は調節弁
５に接続されている。又、原液入口管１２に設けられた
入口原液濃度検出器１は演算器１８．に接続されている
。藏縮液出口管１６に設けられた出口濃度検出器６は出
１］一度調節計１７と演算器１８に接続されている。ベ
ーパ管１５に設けられた蒸発量検出器４は演算器１８に
接続され、出１」濃度調節ｔ１１７は演算器１８に接続
され、６μ算器１８は出口濃度調節計１７に接続され、
又、出口濃度調節計゛１７は入口流量調節計１６にｊ妾
続されている。

本発明の一実施例は上記の如く構成され、次のように作
用する。出口濃度検出器３で検出した出口濃縮液濃度Ｄ
Ｏを演算器１８および出口濃度調節計１７に入力し、蒸
発量検出器４で検出した蒸発量Ｇｏを演算器１８に入力
し、入口原液濃度検出器１で検出した入口原液濃度Ｄ＋
を演算器１８に入力し、原液流量検出器２で検出した入
口原液流量Ｆ】を入口流量調節計１６および演算器１８
に入力する。

出口濃度調節計１７では出口濃度検出器６から入力され
た出口濃縮液濃度Ｄｏと設定された出口濃縮液濃度を比
較しその偏差Ｚを演算器１８に出力する。

演算器１８は原液流量検出器２．入口原液濃度検出器１
．蒸発量検出器４．出口濃度検出器６からそれぞれ入力
された人口原液流量Ｆ＋。

入ロ原液濃度り＋、蒸発量ＧＯ、出口濃縮液濃度Ｄｏに
より後述の如く演算された伝達関数Ｙｏを用いて、出口
濃度調節計１７から入力された偏差Ｚに基づいて演算し
、得られた出力ｙを出口濃度調節計１７へ出力する。出
口Ｍ度調節計１７は演算器１８からの出力ｙを入力し、
Ｐ、１．Ｄ動作により演算した出力ＭＶを入口流量調節
計１６に出力する。入口流量調節計１６は出口濃度調節
計１７からの出力ＭＶを入力し、該入力ＭＹにより入口
原液流量設定値を調節設定し、原液流量検出器２から入
力された入口原液流量Ｆ１と比較してその偏差に基づく
出力を調節弁５へ出力してこれを調節して入口原液流量
Ｆ１を操作する。

第３図において演算器１８は入口原液濃度Ｆｌ。

入ロ原液閾度り１．蒸発量Ｇｏ、出ロ濃縮液濃度Ｄｏの
変化に伴うプロセスゲイン係数ｋｐの変化量により演算
して求めた前述の伝達関数ＹＯにより偏差Ｚを修正する
目的の演算機能を有する。

以下これにつぎ説明する。

第４図は本発明によるフィードバッグ制御系のブロック
線図である。ＹＯは自動ゲイン補償を行うための演算器
１８の伝達関数であり、出口濃度調節計１７からの偏差
Ｚを伝達関数Ｙ。

を辿して出口濃度調節計１７０Ｐ、　１．　Ｄ動作の伝
達関数Ｇｃの入力ｙとしたもので他の部分は第２図に示
す従来方法と同じである。

本発明の制御系の合成閉ループゲイン係数をｋｔｏとす
るとｋｔｏ　は ｋｔｏ”　１ｎｄｌ　Ｘ　ＩＧｃｌ　Ｘ　ＩＧＡＩ　Ｘ
　Ｙｏ　Ｘ　ｋｐ　−−（５）となる。ここでＹｏ　Ｘ
　ｋｐＯ値を一定にする演算を行うことにより閉ループ
ゲイン係数ｋｔｏは一定となり、極めて安定した制御系
となる。ここでＹｏ　Ｘ　ｋｐを一定とするようにαを
固定係数とし、Ｙｏ　Ｘ　ｋｐ　＝αとお（と、 Ｙｏ−□　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（６）ｋｐ となる。

この場合の合成閉ループゲイン係数ｋｔｏはｋｔｏ　”
”　１Ｈｄｌ　Ｘ　ｊＧｃｌ　Ｘ　ＩＧＡＩ　Ｘα・・
・・・・・・・（７）となり、ここでＧｃのＰ、１．Ｄ
定数を変更しなくとも各項とも定数であり、合成閉ルー
プゲイン係数ｋｔ０は一定となる。

従って演算器１８における伝達関数Ｙｏを入ロ原液流量
Ｆｊ、入口原液濃度ＤＩ、出ロ濃縮液濃度Ｄｏ、蒸発量
Ｇｏの検出値により（３）式にて演算したプロセスゲイ
ン係数ｋｐに対して固定係数α城、用いて（６）式の如
（演算して求めることにより、Ｐ、　、１．　Ｄ定数は
変更しなくとも、合成閉ループゲイン係数ｋｔｏを一定
とすることができ、系の制Ｑｌの安定を容易にかつ迅速
に得ることができる。

ここでαは任意の定数を与え得るが、例えば設計点にお
けるプロセスデータによるプロセスケイン係数の値をα
ｆとすると、設削点における入口原液流量をｆ＋、入口
原液濃度をｄ＋、蒸発量をｇ’＋　出口濃縮液濃度をｄ
ｏと各々仮定すると（６）式よりαｆは下式のようにな
る。

又、任意の状態にあるプロセスの各量の瞬時値ケ入ロ原
液流量ＦＩ、入ロ原ｌ改濃度ＤＩ　、蒸発量Ｇｏ、出ロ
濃縮液濃度ＤＯとすると、伝達関数ｙ。

の演算式は（６）式と（８）式を（６）式に代入し次の
ようになる。

ここで、今プロセス量各量が丁度設計状態にあるものと
すると、Ｆｌ””　ｆ＋　、　　ＧＯ”’　ｇｏ　ＩＤ
１−ｄ＋　、　　Ｄｏ　＝　ｄｏであるので、Ｙｏ　＝
　１となる。即ちこの場合にはＹｏの演算は、制御系内
では全く関与していないことになり、設計点においては
第２図に示す従来方法のブロック線図と同一の機能とな
る。従って設計点におけるプロセス特性において出口濃
度調節計１７のＰＩＤ定数を最適値に設定しておけばよ
い。

調節器Ｇｃの入力である修正偏差ｙは次のようになる。

ｙ”ＹｏＸＺ　　・・・・・・・・・・・・・・・（１
０）Ｚは出口濃縮液濃度設定値より出口濃縮液濃度Ｄｏ
を減じた偏差である。

なお、前記Ｙｏの演算式（６）式に含まれる固定１（数
αは前記説明では設計点におけるプロセスゲイン係数α
ｆとした場合を説明したが、αは前記の如く任意の値を
取り得る。

例えばα＝１としてもよい。要は設定したαの値に対し
濃度調節計のＰ、　１．　Ｄ定数が最適値に設定されれ
ばよいから、（８）式の如く設営も点におけるプロセス
ゲインαｆと限定するものではない。

次に本発明の他の実施例を説明する。演算器１８の演算
要素Ｆ’＋　（）ｏ　Ｄ＋　Ｄｏは第３図の各検出器１
〜４により得ることができるが、蒸発量ＧＯは濃縮缶の
加熱源の供給量１例えば加熱源に蒸気を用いる場合はそ
の供給する蒸気量を検出することによって下式の如く代
用することができる。即ち、蒸発量相当量として蒸発量
ＧＯそのものを用いても、蒸気量Ｆ８を用いてもよい。

（）ｏ＝に＋・Ｆｓ　＋　ｋｚ　　・・・・・・・・・
・・・・・・（１１）、ここでＦｓは供給する蒸気流量
、ｋｌ、に２はＧｏ　＝　ｆ　（Ｆｓ）なる関係式が成
立つだめの定数である。

又、出口濃縮液濃度Ｄｏは、出口濃度設定値におぎかえ
ても差しつかえない。即ち、出口濃縮液濃度相当値とし
て出口濃縮液濃度ＤＯを用いても出口濃度設定値を用い
てもよい。出口濃縮液濃度ＤＯは制（至）量であるため
、出口濃縮液濃度設定値の前後を変動する値となるが、
前記Ｙの演算においては出口濃縮液濃度Ｄｏを出口濃度
設定値として何ら問題を生じないからである。

以上の点を採用した場合の制御方法の回路図を第５図に
示す。蒸気管１４に設けられた蒸気流量検出器６で検出
する蒸気流量Ｆｓを蒸発量（）ｏに換算し求めるため（
１１）式の演算を行う演算器１９に接続し、演算器１９
の出力は演算器２１に入力する。又、出口濃度設定器２
０は設定値Ｄ８を出力し、出口濃度調節計１７および演
算器２１に各々入力する。この場合演算器２１の伝達関
数Ｙｏ’は（９）式よりＧＯの替りに（１１）式を用い
、Ｄ、の替りにＤ８を用いて となり、（１２）式の演算も（９）式と同様に自動ゲイ
ン補償を行う有効な手段となり得る。

さらに本発明の他の実施例を第６図により説明する。濃
縮缶１１には原液入口管１２．濃縮液出口管１６．蒸気
管１４およびベーパ管１５かそれぞれ接続されている。

原液入口管１２に設り゛られた原液流量検出器２は入口
流量調節計１６と演算器１８に各々接続され、入口流量
調節計１６は調節弁５に接続されている。又、原液入口
管１２に設けられた入口原液濃度検出器１は演算器１８
および演算器２２に接続されている。

―組数出口管１６に設げられた出口濃度検出器６は出口
濃度調節計１７と演算器１８に接続されている。ベーパ
管１５に設げられた蒸発量検出器４は演算器１８および
演算器２２に接続され、出口濃度設定器２０は出口濃度
調節計１７および演算器２２に接続され、出口濃度調節
計１７は演算器１８に接続され、演算器１８は出口濃度
調節計１７に接続され、又、出口濃度調節計１７は演算
器２６に接続され、演算器２２は演算器２３に接続され
、演算器２６は入口流量調節計１６に接続されている。

この実施例において、出口濃度調節計１７は出口濃度設
定器２０から入力される出口濃度設定値Ｄ８および出口
濃度検出器６から入力される出口濃縮液濃度Ｄｏを比較
し、その偏差Ｚを演算器１８に出力する。

演算器１８は原液流量検出器２．入口原液濃度検出器１
、蒸発量検出器４、出口ａ度検出器３からそれぞれ入力
された入口原液流量Ｆ＋　−人口原液濃度Ｄ＋、蒸発量
Ｇｏ、出口濃縮液濃度ＤＯにより第３図の実施例と同様
に演算された伝達関数Ｙｏを用いて出口濃度調節計１７
から入力された偏差Ｚに基づいて演算し、得られた出力
ｙを出口濃度調節計１７へ出力する。出口濃度調節計１
７は演算器１８からの出力ｙを入力し、Ｐ、　Ｘ、　Ｄ
動作により演算した出力Ｍ’Ｖｂを演算器２６に出力す
る。

演算器２２は入口原液濃度検出器１から入力された入口
原液濃度Ｄ】、蒸発量検出器４から入力された蒸発量Ｇ
ｏおよび出口濃度設定器２０から入力された出口濃度設
定値Ｄ８により出力ＭＶｆを演算し、演算器２３に出力
する。演算器２６は演算器２２からの出力ＭＶｆおよび
出口濃度調節計１７からの出力ＭＶｂにより出力ＭＶを
演算し、入口流量調節計１６に出力する。

その他の作用は第３図に示す実施例と同じである。

演算器２２におけるＭｖｆの演算式は である。ここでＧＯは蒸発量、　　Ｄｓは出口濃度設定
値、　Ｄ＋は入日原液濃度である。

また演算器２３におけるＭＶの演算式はＭｖ−ＭＶｆ−
ａ＋に−Ｍｖｂ である。ここでａは定数、には係数である。

その他の演算は第３図に示す実施例と同じである。

本発明は以上のような構成２作用を有し、濃縮液濃度の
フィードバック制御系およびフィードフォワード制御系
において、プロセス特性を変化させる要因を明らかにし
、かつ無警告に変化するプロセスゲイン係数を自動的に
補償することにより、極めて安定した濃縮液の濃度制御
を可能にするものである。即ち、主外乱である入口原液
濃度ＤＩの変化、操作量である入口原液流量Ｆ１の変化
、蒸発量の設定の変更、所望出口濃縮液ａ庵の設定変更
等により生ずるプロセスゲイン係数の変化にかかわらず
濃度調節計のＰ、１．Ｄ設定値を初期設定値のまま変更
することな（全く目動的且連続して補償し、良好な自動
運転を広範囲な運転条件で可能にした制御方法である。

このように本発明により溶液濃縮缶に対し安全で極めて
安定な連続制御を可能とし、実用上極めて犬なる効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の制御方法の回路図、第２図は従来の制御
方法のブロック線図、第３図は本発明の一実施例の回路
図、第４図は本発明の制御方法のブロック線図、第５図
、第６図は本発明の他の実施例の回路図である。 １・・・入口原液濃度検出器、２・・・原液流量検出器
、６・・・出口濃度検出器、４・・・蒸発量検出器、５
・・・調節弁、６・・・蒸気流量検出器、１１・・・濃
縮缶、１２・・・原液入口管、１６・・・ａｍ゛液出口
管。 １４・・・蒸気管、１５・・・ベーパ管、１６・・・入
口か量調節針、１７・・・出口濃度調節計、１８・・・
演り器、１９・・・演算器、２０・・・出口濃度設定値
、２１・・・演算器、２２・・・演算器、２３・・・演
算器。 ％針当願人　　株式会社荏原製作所 代理人弁理士　千　１）　　稔 代理人弁理士　丸　山　隆　夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　出口濃縮液濃度を制何ｊ量とし、入口原液流量を
   操作量とする溶液濃縮臼の制御方法において、出口濃縮
   液濃度と設定値とを比較演算して偏差Ｚを出力し、該偏
   差Ｚより伝達関数Ｙｏによる演算を行って出力ｙを出力
   し、該出力ｙかも特定のＰ；　１．　Ｄ定数に基づ（Ｐ
   、　１．　Ｄ動作により出力ＭＶを演算出力し、該出力
   ＭＶにより入口原液流量の設定値を調節し、該調節され
   た設定値により入口原液流量Ｆ１を制御するようにし、
   入ロ原液流量Ｆ１．入口原液調度Ｄ１．蒸発量Ｇ、又は
   蒸発量相当値Ｇ。 出口濃縮液濃度Ｄｏ又は出口濃縮液濃度相当値りを検出
   し、これらの値によりプロセスゲイン係数ｋＰを演算し
   、αを固定係数とした場合、前記伝達関数ｙ、をＹｏ　
   ＝−なる如くＰ 選んで演算を行なうことを特徴とす、る溶液濃縮臼の制
   御方法。 ２、前記蒸発量相当値Ｇとして加熱源の蒸気流量Ｆ８を
   用いる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６、前記出口濃縮液濃度相当値りが出口濃縮液濃度設定
   値Ｄ８である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の方
   法。