熟練者のような
最適な制御を自動で
実現する温度調節器
＜形NX-TC、形E5CD/E5EDによる
生産現場革新＞

はじめに

近年、生産現場では、製品の多品種化によりモノづくりが複雑かつ高度になっている。また、消費地に近く、人件費の安い新興国への生産移管が進み、オペレータの技能不足に起因する不良発生や生産性の低下が深刻になっている。一方国内では、少子高齢化と熟練者の引退によりノウハウの引き継ぎ手が少なくなっている状況である。

これまでの温度調節器では、変動調整や立上げ設定に多くの時間がかかるだけでなく、経験や勘などのノウハウがなければ、最適な調整が難しく、品質への影響も少なからずあった。

そこで、長年培った温度制御の技術を活かし、業界初^*1 となる「適応制御機能」をはじめ、成形機や包装機向けの温度調整アルゴリズムを搭載した2機種の温度調節器を開発した。1つは、2018年1月に発売した多点制御が可能なインパネルタイプの形NX-TCである。近年注目されているインダストリー4.0やIoTなど、高度なデジタル化の基盤となる産業用オープンネットワークを搭載した商品である。もう1つは、2017年4月に発売したオンパネルタイプの形E5CD/E5EDである。表示付きの温度調節器で、設置・設定が容易な汎用性の高い商品である。

*1.FA用の汎用温度調節器として、2018年1月現在調べ。

本稿では最初に、この2機種に搭載した温度調整アルゴリズムの3つの新機能の説明をし、次に形NX-TCの特長、形E5CD/E5EDの特長について述べる。

1. 温度調整アルゴリズムの3つの新機能

温度制御を行う装置の課題を特定し、その解決手段となる新機能を開発した。（第1表参照）

第1表装置業界課題と新機能

以下順に各機能の説明をする。

1-1. 適応制御機能 1),2)

温度制御を行う装置では共通課題として、ヒータ劣化や周囲温度などのシステム変動による品質低下がある。従来、この変動が発生する度にオートチューニング(AT)の再実行や、人手による再調整が必要であったが、適応制御機能は、システムの特性変化に追従して最適な状態を維持することを可能とする。

適応制御で温度制御をすると、昇温の過程でシステム性能の評価が行われる。この評価中に、温度調節器が算出した理想モデルと実際の入力値の差を捉える演算が行われ、評価完了と同時に算出された適応制御用のPID定数が自動設定される。

この適応制御用のPID定数算出以降、装置を立ち上げるたびにシステム性能の評価が実施され、変化に対応したPID定数に更新される。そのため、継時的にヒータ等が劣化し、システムの性能が緩やかに変化しても、最適なPID定数で常に制御を行うことができる。（第2図参照）

1-2. 自動フィルタ調整機能
＜包装機向け＞

包装機を使用している業界では、コスト低減と生産性の向上のため、包材の薄肉化／包装の高速化を進める中、以下の課題が顕在化している。

• 薄肉化：包材の適正シール温度範囲が狭くなり、シール不良が発生する。
• 高速化：シール時の熱板の温度変動が大きく、シール不良が発生する。

シール不良となる原因の一つとして、熱板のシール面温度が関係する。従来の温度センサは、熱板のシール面から遠く、熱板の目標温度とシール面温度に大きな乖離があった。包材の厚みや包装スピードの違いで乖離温度が違うため、シール品質を保つには、製品の出来具合を見ながら、熟練者の勘と経験で目標温度を調整している状況であった。

この課題に対して、2つの方法を組み合わせて、解決を図った。シール面近傍の温度を正確に測る包装機用温度センサ^*2 と、このセンサの使用により発生する温度揺れを改善する自動フィルタ調整機能である。

包装機用温度センサを使用すると第3図のとおり、シール面近傍の温度を測定できることが分かる。

しかし、包装機用温度センサを使用するとシール毎の温度変動が検出できるようになる。この温度変動が外乱となり、温度調節器の操作量が安定せず、さらに大きな周期（数十秒）の温度揺れが発生してしまう。

この大きな周期揺れを発生させないようにするのが2つ目の方法である新機能の「自動フィルタ調整機能」である。第4図に自動フィルタ調整機能の動作例を示す。

自動フィルタ調整を開始すると、フィルタ定数が自動でチューニングされることで、温度入力の過剰な外乱が抑えられ、適正な操作量の演算が可能となる。その結果、大きな周期の温度揺れが発生しない制御が実現できる。

上記のように、「包装機用温度センサ」と「自動フィルタ調整機能」を組み合わせて使用することにより、第5図のように、実際のシール面温度で品質を管理しながら、人の調整によらない安定した制御が可能となる。

第5図 従来センサと包装機用センサでの温度差

*2.包装機温度センサ(形E52－CA□□A□ D=1 S□)は、当社が開発した包装機向けの専用センサである。保護管径が細く、耐熱、耐屈曲性が高い特徴を持つ。

1-3. 水冷出力調整機能
＜成形機向け＞

成形機においては、材料のロット変化や、冷却水の流量変化、生産速度の変更などのシステム変動により、温度揺れが発生し、品質不良が発生することがある。

成形機の中でも水冷押出成形機の温度制御は特に難しいとされている。理由は、目標値が沸点を超える場合に、温度調節器の出力と冷却能力の関係が非線形になるからである。（第6図参照）これは水量が少ない場合、気化熱で多くの熱量を奪う現象に起因している。

また、押出機の高速化により、スクリューの摩擦熱などの外乱が発生した場合、冷却能力は相対的に弱い状態になる。このため、加熱能力との均衡が取れずハンチングの原因となってしまう。

これらの課題に対し、水冷出力調整機能を新たに開発した。水冷出力調整機能は、水冷押出成形機の温度揺れを抑え、制御の安定性能を維持する。

本機能は、ハンチングの影響を軽減するため、冷却能力の強弱を冷却側比例帯を自動調節することで、温度を安定させる。稼動中に自動調整するため、常に最適な制御が可能となる。

以上が3つの新機能の説明である。いずれも従来の手調整を自動化するものであり、熟練者に頼らない生産が可能となる。次章からは、この3つの機能を搭載したインパネルタイプの形NX-TCとオンパネルタイプの形E5CD/E5EDを紹介する。

2. 新機能搭載機種の特長

2-1. インパネルタイプ形NX-TC

形NX-TCは第8図に示すマシンオートメーションコントローラNJ/NX シリーズの1つのI/Oユニットである。多点温度制御システム以外にも、モーション制御などと組み合わせた統合コントローラとしてシステム構築が可能であり、高度なマシン制御と設備情報の管理を実現できる。

第9図は形NX-TCの具体的な構成例である。マシンオートメーションコントローラ形NX1P2 CPUユニットに直結したコンパクトなシステムから、EtherCAT通信カプラを介して分散配置した大型システムまでフレキシブルに構築できる。

システム構築を支える特長として、以下2点を挙げる。

産業用Ethernet対応

形NX-TCは、高速ネットワークEtherCAT^®と拡張性に優れたEtherNet/IPTMに対応している。

製品品質に重要な温度などのデータを利用した予兆保全とトレーサビリティ管理に活用できる。

• 適応制御機能を用いたシステム変動の検出からヒータ劣化を推測。（予兆保全）
• 設置されている制御盤内の周囲温度を監視し、盤内機器の寿命を予測。（予兆保全）
• 包装機のシール面温度とシールタイミングのロギングから最適な速度制御。（トレーサビリティ）

スリムサイズに最大4Ch^*3

形NX-TCは、24mm幅のユニットで4Chの温度制御が可能である。1Chあたりのスペースは、オンパネル温調48×48mmと比較すると、第10図のように1/8となり、制御盤内のスペース削減に貢献する。また、2Ch仕様の12mm幅のユニットも取り揃えており、必要分の増設が可能となる。

*3．Ch:温度制御ループの単位を指す

2-2. オンパネルタイプ形E5CD/E5ED

先に説明した形NX-TCに対して、形E5CD/E5EDは、視認性を向上した白色大型表示と、キースイッチ、従来活用されているシリアル通信の採用で、設定・設置が容易に実現できる。

シリアル通信は、プログラムレス通信機能により、PLCとの通信プログラムが不要になり、設計時間を削減でき、システムとの接続が容易に実現できる。（第11図参照）

おわりに

本稿では主に、人手による調整作業を不要にする温度調整アルゴリズムの説明をした。これらを搭載した形NX-TC、形E5CD/E5EDは、各種装置の高速運転を実現し、生産性を低くださせることなく、品質の維持・向上を可能とする。

さらに今回紹介した商品は、当社のパネルソリューション機器の対象商品でもある。パネルソリューションとは、制御盤内の機器に対する統一コンセプトである。設計・製作プロセスにおいて、工数削減・省スペース、さらにデザイン性など制御盤の価値向上を提供する。

温度制御に関する期待や今後の要望について、読者の方々よりご意見をいただけると幸いである。

【参考文献】

1. 津端創:計測技術 2017.10 Vol.45 No.11 P39-41
2. 2). 津端創, 矢野慧介, 山田隆章, 齊藤ゆみ:
   「温度制御における適応制御の実用化」, 第60回 自動制御連合講演会, SaI3-4(2017)

EtherCAT^®は、ドイツBeckhoff Automation GmbHによりライセンスされた特許取得済み技術であり登録商標です。
EtherNet/IPTMはODVAの商標です。