JPS63283731A - 液体・粉体計量混合装置 - 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、多種類の粉体及び液体を１つの容器に供給し
て計量後、混合・反応させて新たな材料を製造する粉流
体計量混合装置に関する。　　′（従来技術） 従来、粉流体計量混合装置に適用される計量装置として
、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る。

また、液体と粉体とを混ぜ合わせ、反応及び調製を行う
システムを考えた際、従来装置では、液体と粉体の計量
は、第６図に図−示するとおり、それぞれ別系統の計量
装置により行っていた。そのため、粉体では重量計量、
液体では容積式計量等の異なる計量方式を採用してシス
テムを構成する必要があった。

更に、高精度な計量を実現するためには、各供給原材料
に対応して複数の計量装置を使用し、流れ込み量の予測
制御のため、複数ループの制御機能を必要とした。

特開昭５６−７４７１５号、特開昭５８−１６３４２６
号公報では、流量特性の異なるバルブを並列に設置し、
所定の計量偏差にて切替える方法が開示されている。

また、特開昭５７−７２０１５号公報では、流速が複数
段の固定条件に切替わる機能を有した装置を設置し、所
定の計量偏差にて切替える方法が開示されている。しか
し、上記何れの方法にあっても、独立した２つの制御ル
ープによりシステムが構成されている。

即ち、上述のような独立の制御ループを必要とした理由
は、計量の際、粉流体の流量が、計量設定値、各供給容
器内の原材料量、粉流体物性等により左右されて異なる
ため、同一制御機能の計量装置では高精度計量が得られ
ないことによった。

（発明が解決しようとする問題点） 云々換えると、従来の粉流体計量混合装置では、流速一
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：外乱や液体・粉体の物性値の変化による
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 給側容器の粉流体残存量により、・流下する粉及び液の
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、供給側容器の粉量 及び液量をある中肉で制限し、粉量及び液量を常にある
一定量以上に確保する必要性を示すものであり、粉流体
のロスを生じてランニングコストを増加させた。

さらに、吸湿性のある粉体とかブリッ ジを起こし易い粉体では、その保存環境条件によってそ
の粉体の流動性は異なる。

従って、供給容器に保存しな−がら使用するシステムで
は、環境条件の変化（例えば、温度、湿度とか粉体の流
動性促進のための付帯設備−バイブレータ−やエアーノ
ツカー等−による振動）により、その粉体の流動性は変
化する。このため、流速の条件が異なり計量精度を悪化
させてしまう。

■　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 答遅れにより流れ込み量があり、この量が流、速による
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、同一粉流体の計量であっても、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 は短かく、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値に応じて必要であり、装置
数が増加する。

■　設備：計量設備の複雑化及び装置台数の増加。

計量装置に適した流速設定が必要であ り、かつ設定流速値に対して適性な計量制御装置が必要
であり、装置数が増加する。

また、従来装置では、液体と粉体にそ れぞれ共有できる計量装置はな（、液体用、粉体用に別
々の計量装置が必要であり、計量装置台数が増加する。

本発明の目的は、上記事情に基づいてなされたもので、
外乱や液体・粉体物性値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、これに
よりシステムを構成し、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性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 の経済効果の高い粉流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、被計量粉流体の計量時に、ファジ
ィ推論に基づいたファジィ制御が行われ、且つクローズ
ドループ制御にて流速が時々刻々可変にされる計量制御
装置を適用して、装置の設備台数が低減化できる液体・
粉体計量混合装置により達成される。そのため、下記の
基本構成要素により本発明の液体粉体計量混合装置は構
成される。

１）供給容器：計量される原材料液又は粉を貯蔵する容
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、原材料の物性値（例えば、液体
であれば粘度等、粉体であれば粒径等）に影響されず、
流出可能な物性値を有していれば、どんな液及び粉でも
残量０まで計量可能である。

２）流量調整器：供給容器数に対応した個数分を有し、
例えば、スクリューフィーダでは、回転数を指令するこ
とで流れを制御する。

開度ダンパーでは位置指令により開度も変化させること
で流れを変化させる。

以上は、粉体用のものであるが、液体 用としては開度調整弁等がある。

また、前記流量調整器の各流量特性は、回転数０％近傍
または開度０％近傍で原材料の流出を全く生じないで、
１０％近傍から流量を生じる構造をそれぞれ有している
。

なお、駆動源としては、例えはＡＣサ ーボモータ等が適用される。

３）受入容器：製造スケールに適した容量の容器。

４）検出器：受入容器に配置され、受入容器に移送され
る液体及び粉体を計量する機器。

混合可能な液体及び粉体については同一容器にての累積
計量可能にする。

５）計量制御装置：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、流量調整器の粉流体逆流速度を可変にする。

即ち、流量調整器の初期の粉流体送流速度は、流量調整
器の流量特性と計量設定値とにより、また、その後の送
流速度は実計量値と計量設定値に基づいてファジィ制御
により推移される。

６）切替装置：計量、制御装置の出力を所定の流量調整
器に切替え出力する。

本発明の基本構成要素は、上記の通りであるが、流速を
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
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。

また、本発明は、液体及び粉体の計量混合であり、洗浄
等のため、種々の付帯装置を設置する場合がある０例え
ば、計量容器、液体ストックタン　−ク等にスプレーボ
ール等を設置し、配管途中に切り替え弁を設置する。又
、各容器に混合のため攪拌機を設置する。更に、保温の
ため恒温槽等からの温水循環等を行う。

（実施態様） 以下、図面により本発明の実施！ａ様を詳説する。

第１図の１実施態様は、Ｎ４１類の液と１種類の粉体の
計量混合装置を示している。

すなわち、この実施！ａ様では、供給容器として上流側
に配置され、原料液を充填したＮ個のタンク及び原料粉
を充填した１個の貯蔵ホッパから、受入容器として下流
側に配置され、かつ重量検出器を備えた１個の計量タン
クにそれぞれ原材料を供給し、原材料の重量を累積計量
後調製タンクに移送して調製する場合を示す。

原料液が充填されたタンク１．２．・・・、Ｎ（但し、
本実施態様ではＮ≦９）は、サーボモータ６１゜６２、
・・・、　６Ｎにより駆動される開度調整弁１１．１２
゜・・・、　ＩＮ及び閉止弁２１．２２．・・・、　２
Ｎを尋れぞれの液供給路に配置している。

また、前記タンク１．２．・・・、Ｎは、閉止弁２１゜
２２、・・・、　２Ｎの各出力を受入容器４０に案内す
る共通の連結管４１に連設されている。

一方、原料粉が充填された貯蔵ホッパ３０は、サーボモ
ータ３１により駆動されるスクリューフィーダ３２を介
して供給配管がシャッタゲート３３と接続しており、ゲ
ート出力は配管により同様に前記受入容器４０に案内さ
れている。

前記開度調整弁１１．１２．・・・、　ＩＮ及びスクリ
ューフィーダ３２により示される流量調整器は、それぞ
れの流量特性が、例えば開度調整弁では第３図に図示す
るとおり、イコールパーセント特性を有すると共に、弁
開度０％近傍で弁閉とし、１０％程度近傍から液が流れ
出すように設けられている。

前記スクリューフィーダ３２は回転数を可変する事で粉
体送流速度を広範に亘って変化させることができるもの
である。

前記受入容器４０には、各供給容器から移送されて来る
液体及び粉体の重量を計量する検出器として、ロードセ
ル４２が配置されている。

前記ロードセル４２はロードセルアンプ４３を通して計
１１ｉ＋制御装置４４と接続されており、計量制御装置
はサーボドライバ４５を介して切替装置４６と接続され
ている。

前記切替装置４６は、計量ｉｍｍ装置４４の指令に基づ
いて切替わり、原料供給系の１つの系を選択して、制御
装置から発せられる制御信号を切替えて出力する。

受入容器４０の下流には、底弁４７を通して調製タンク
４８が配置されており、調製タンク４８には攪拌機４９
が配置されている。

なお、受入容器及び調製タンクへの粉体の移送について
、粉体の流動性を促進するため、図示はしないが、貯蔵
ホッパ及び受入容器に、パイプレーク又はエアレージａ
等が設備されている。

次にこのように構成された粉流体計量装置の計量混合プ
ロセスについて、第１図と共に、第２図の制御ブロック
図を併用して説明する。

最初に、計量制御装置４４に、混合の対象となる供給容
器の指定、対象原材料の計量順序及び混合順序等の製造
条件が設定される。

計量制御装置４４に計量設定値が設定され、計量開始が
指示されると、切替袋Ｍ４６が切替わり、最初に選択さ
れた供給系、ここでは粉体の計量が最先されて貯蔵ホッ
パ３０のシャッターゲート３３が開となり、スクリュー
フィーダ３２が予め定められた回転数で粉体を移送する
ように、計量制御装置４４からサーボドライバ４５に回
転数指令が伝送され、サーボモータ３１を駆動して指示
された回転数にスクリューフィーダを回転させ、原材料
の流れを引き起こす、これにより、貯蔵ホッパ３０の原
材料は、受入容器４０に移送され始める。この際、前記
スクリューフィーダ３２は初期回転数が、計量制御装置
４４のファジィ制御部４４２により演算され、前記スク
リューフィーダの流量特性と計量設定値に基づいたファ
ジィ推論により算出される。

受入容ｒ４４０のロードセル４２は、移送された原材料
の重量を検知し、その値をロードセルアンプ４３を通じ
て計量制御装置４４にフィードバックする。

計量１１１ｍ装置４４は、フィルタ演算部４４１がこの
フィードバックされた実計量値と計量設定値とに基づい
て偏差及び偏差の時間的変化量を算出すると共に、これ
ら量にローパスフィルタ処理を施した観測量を算出する
。

前記ファジィ制御部４４２はこの観測量をもとにファジ
ィ推論を行い、次の制御周期における前記スクリューフ
ィーダ３２の回転数を算出し、流速を変更する。この際
、ファジィ推論によるメンバーシップ関数は、第４図に
図示するように、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
た例えば片対数として表現される。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り、偏差量が小で
ある場合にｆｉ１１御精度を向上させる必要があるから
である。このことは、ローパス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ローパスフィルタの
偏差量等を使用し、計量検出器（ロードセル）の動特性
を緩和して計量精度を向上させる。

計量開始後、前記スクリューフィーダ３２は適切な回転
速度となるように制御され、次第に計を偏差が小さくな
るにつれ、回転速度も次第に遅くなる方向になり、流速
は少なくなる。計量偏差、計量偏差時間の時間変化量が
小さくなり、計量偏差がある値以下となると、計量停止
し、シャッタゲート３３は閉となり、スクリューフィー
ダ３２の回転数は０となり、回転を停止する。このとき
、流速は微小であり、流れ込み量は微小である。よって
、計量停止後の流れ込み量は小さくなり、計量精度は、
流速変動に依存せず向上する。前記スクリューフィーダ
３２は、その流量特性から、偏差０近傍にて回転数約１
０％程度をファジィ推論演算に推移する。従って、・ス
クリューフィーダの回転ムラ、機械的ガタ等があっても
、このデッドゾーン及びフチシイ制御方式により、これ
ら悪影響を吸収して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スク
リューフィーダ３２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。但し、検出端の静的精度内である。

又、計量時間においても、シャッタゲート３３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、混合対象となるタンクｌの液の計量に切りかわる
。切替装置４６はタンク１例の開度調整弁１１及び閉止
弁２１に切替る。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′４ＩＩを行い計量す
る。すなわち、ｍｉ制御装置内の制御機能は同一であり
、操作端のスクリューフィーダ３２及びシャッタゲート
３３への出力信号が切替装置４６にて開度調整弁１１及
び閉止弁２１に切り替えられるのみである。なお、この
際、計量制御装置１４４から出力される制御信号は、回
転数指令から、弁開度に対応した位置指令に変換されて
出力される。

すなわち、系統選択信号によって切替わる制御方式切替
装置１４４３により、前記ファジィ制御部４４２の出力
が位置指令信号部４４４に送られて位置指令信号に変換
された後、前記サーボドライバ４５に出力される０位置
指令信号は、サーボモータ６１を駆動して指示された位
置に開度調整弁１１の弁ポートを設定して、開度を調整
し、原材料の流れを引き起こす、この際、前記開度調整
弁１１は初期開度が先の粉体計量の場合と同様、前記フ
ァジィ制御部４４２により演算され、弁の流量特性と計
量設定値に基づいてファジィ推論により算出される。受
入容器４０のロードセル４２は、移送された原材料の重
量を検知し、その値をロードセルアンプ４３を通じて計
量１Ｉ１１制御装置ｆ４４にフィードバックする。

計量ｍｒａ装置４４はフィルタ演算部４４１が、フィー
ドバックされた実重量値から、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４４２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、弁の流量特性は、先のスクリューフィーダ３２
のそれと同様、弁開度０％近傍で全閉とし、１０％近傍
から液が流れる特性を有しており、従って、弁は弁開度
約ｌＯ％程度をファジィ推論に基づいて推移する。これ
により弁の機械的ガタ等は吸収されて、高精度計量が得
られる。

次に、タンク２の液の計量に切替わる。切替袋ｗ１４６
が切替わりタンク２側の開度調整弁１２及び閉止弁２２
が選択されると、計量開始指令に従い上記と同、様な制
御により、前記開度調整弁１２の弁開度がシアシイ制御
される。その結果、タンク２の液は連結管４１を共有し
て、受入容器４０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受入容器４０に各々単
独配管して接続する方法もある。この場合、受入容器の
大きさが有、ｉであるため混合される粉量及び液量が制
限される。加えて、複数の原材料を受入れる場合、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。

選択されたタンクの液の供給が順次行われ、最先された
粉体と共に受入容器４０による複数種の原料液の累積計
量が終了すると、受入容器４０の底弁４７が開き、粉流
体を調製タンク４８へ導入する。調製タンク４８では、
攪拌機４９が駆動して混合が行われ、攪拌終了により粉
流体は排出される。

次に、本発明に基づいて行った実験結果について述べる
。

この実験は、先の第１図に示した計量装置において、液
体用貯蔵タンク１と粉体用貯蔵ホッパ３０を有し、受入
容器４０にて順次計量する実験を行った。

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。液体計量系では
、開度調整弁１１の位置制御をサーボモータ６１にて行
い、粉体計量系では、スクリューフィーダ３２をサーボ
モータ３１にて回転数制御し、計量制御装置から液体計
量では、位置指令出力を切替装置にてサーボモータ６１
を駆動し、粉体計量では、回転数出力を切替装置にてサ
ーボモータ３１を駆動する。

第７図は、その時の液体（実験では水を使用）の１　ｋ
ｇ計量結°果を示す、又、第８図に粉体の５００ｇ計量
結果を示す、第７図と第８図から明らかな通り、操作器
の動作パターン（液体：開度調整弁、粉体ニスクリニー
フィーダ）は変わるが、はぼ同じ計量時間で高精度の計
量結果が得られた。

又、液体の場合、貯蔵タンク１のレベルや開度調整弁の
流量特性の異なるものを使用して、流速変化に対する影
響を確認したが、同一の制御方法にて高精度の計量結果
を得た。更に、粉体の場合についても、貯蔵ホッパに振
動を加え粉体を圧縮し、流動性を変化させるなど、流量
特性に変化を加えたが、当然スクリューフィーダの動作
パターンは異なるものの、計量時間、計量精度共に同一
の結果を得た。

第５図は、本考案の変更例を示している。

この変更例では、受入容器５０に攪拌機５１等の調製用
付帯設備を配置して、受入容器５０を調製タンクとして
兼用している。従って、受入容器５０より上流側の原材
料供給系及び計量制御系は、先の実施態様で述べたもの
と同一構成からなっている。

このように構成することでシステムを簡単化できる。し
かし、反面、同一容器で計量、混合並びに反応等の一連
処理が出来ない原材料を含んだ場合、システムの汎用性
は低下する。

また、本考案の他の変更例として、先の実施態様で述べ
た受入容器に検出器を設置して計量する加算計量方式と
、これとは別に供給容器に検出器を設置して原材料の流
下量を計量する減算計量方式と、を組み合りせることも
できる。このように設けることにより、例えば、減算計
量にて微小計量を行い、加算式計量にて計量設遊値の大
きなものを計量することで、更に広い計量範囲の計量が
できる。

また、本発明の他の変更例として、受入容器の下流側に
配置された調製タンクを移動式に設けることが出来る。

このように設けた計量混合装置では、適用される前述し
た計量装置が、短時間計量を可能にしている”ため、調
製タンクの移動が計量プロセスにより制約されることが
ない、更に、複数個の受入容器又は調製タンクが設備さ
れる大型のシステムでは、配管の簡素化と共に汎用性が
向上できる。

なお、本発明に適用できる検出器としては、先の実施態
様に上げたロードセルの外に、各種検出器が上げられる
０例えば、各種レベル計等である。

ここで、計量範囲は、その検出器の静的精度により異な
る。

（発明の効果） 以上記載したとおり、本発明の粉流体計量混合装置によ
れば、計量設定値、供給容器内の原材料量、原材料の物
性値等に左右されない計量装置の採用により、 ■　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茎ルコスト低減 ■　装置台数の低減によるメンテナンス工数低■　装置
台数の低減による信転性向上による故障低減 ■　流速制御のため原材料の残存ｉｔ（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

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施態様による多種粉流体の計量混
合装置の構成図、第２図は第１図装置を説明する制御ブ
ロック図、第３図は開度調整弁の流量特性図、第４図は
ファジィ制御のメンバーシップ関数を説明する図、第５
図は本発明の変更例による粉流体計量混合装置の構成図
、第６図は従来例を説明する図、第７図、第８図は実施
例データを示す計量特性図である。 １．２．・・・、Ｎ：タンク（供給容器）　、１１．１
２゜・・・、ＩＮ：開度調整弁、２１．２２．・・・、
２Ｎ：閉止弁、３０：貯蔵ホッパ（供給容器）、３１：
サーボモータ、３２ニスクリユーフイーダ、３３：シャ
ソタゲート、４ｏ、ｓｏ：受入容器、４１：連結管、４
２：ロードセル、４３：ロードセルアンプ、４４８計量
制御装置、４５：サーボドライバ、４６：切替装置、４
７：底弁、４８：調製タンク、４９．５１　：攪拌機。 第　　３　　図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流速を変化させるクローズドループの粉流体計量方
   法により複数種の液体及び粉体をそれぞれ計量して混合
   する液体・粉体計量混合装置であって、原材料が充填さ
   れた複数の供給容器と、前記供給容器からの液体及び粉
   体を受け混合する受入容器と、所定範囲で流量が生じな
   い流量特性を有し、前記供給容器にそれぞれ付属して流
   速を制御する流量調整器と、少なくとも前記受入容器に
   配置された粉流体を計量する検出器と、前記検出器によ
   り観測される実計量値及び計量設定値とに基づいてファ
   ジィ制御を行い、前記流量調整器の粉流体送流速度を算
   出する計量制御装置と、前記計量制御装置の出力を前記
   流量調整器にそれぞれ切替えて出力する切替装置と、か
   ら成ることを特徴とする液体・粉体計量混合装置。 ２）流量調整器の流量特性と計量設定値とに基づいてフ
   ァジィ推論を行い、前記流量調整器の初期制御量が決め
   られることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   液体・粉体計量混合装置。 ３）粉体の流速を制御する流量調整器がスクリューフィ
   ーダまたは開度ダンパまたはシャッタゲートにより設け
   られており、液体の流速を制御する流量調整器が開度調
   整弁により設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の液体・粉体計量混合装置。 ４）受入容器に検出器を配置して累積計量する加算計量
   方式と、供給容器に検出器を配置して原材料の流出量を
   計量する減算計量方式と、を組み合わせて用いることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液体・粉体計
   量混合装置。