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令和6年10月7日 (月)

🔷 ③ 生産方式とオートメーション

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  🔋 C1 📛 立花和宏

🔚 品質管理 🏫 Web Class syllabus 53225 📆 🌸 時間割 🕐 13:00~14:30 🕝 ( 中示BFiles C1
  1 工業製品 の例
工業製品 生産型 特性 不適合(不良)
プロセス
フローショップ
ライン
🚂 液晶パネル アセンブリ
フローショップ
ライン
油圧ショベル アセンブリ
ジョブショップ
セル
強度不足
カップラーメン アセンブリ
フローショップ
ライン
重量 異物
🚂 ビール アセンブリ・プロセス
ジョブショップ・フローショップ
ライン
不純物、濁り、密閉不良
🚂 自動車 アセンブリ
フローショップ
ライン
燃費
ボルト、ナット アセンブリ
フローショップ
ライン
寸法(公差) 規格外
半導体 プロセス・アセンブリ
ジョブショップ
ライン
異物、カケ
1 )

さまざまな生産のタイプ、しくみ

工場のしくみ」より

工場の分類と生産形態

  2 生産方式とオートメーション
種類 分野 計測と制御
プロセスオートメーション 石油精製、化学、 製紙製鉄、冶金 温度圧力、 流量、 液位( 液面)、 成分濃度
メカニカルオートメーション 物品( 自動車、 半導体など)の加工、組み立て、ハンドリング、輸送、包装、貯蔵 位置、形状、寸法、姿勢、 画像
オフィスオートメーション 会計、簿記、統計、伝票処理 文字数字

工場ではさまざまな自動化が行われています 2 )

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


計測、計量、測定

計量 測定
  1 計測、計量、測定
© K.Tachibana * , C1 Lab.

計量は測定を包含します。 計量と計測はほぼ同義です。 3 )

測定は 誤差を伴います。

数値は データとして記録されます。


状態量

  3 熱力学的状態量
物理量 / 単位 説明 応用例
質量 m 天秤計測 します。
物質量 n 物質量を直接計測するのは困難なので、 固体や液体は、質量を 計測 し、式量から換算します。 液体や気体は、体積を計測 します。
分率 ni
圧力 p 圧力計計測 します。
温度 T 温度計計測 します。
体積 V 液体は、液位を 計測 します。
エンタルピー H
エネルギー
エントロピー S
ギブス自由エネルギー G
G=H-TS
G= G T ,p ,ni

熱力学では、物質と 性質を関連させます。 状態量は、性質状態数量的な表現です。

p V = n R T
気体の状態方程式

長さ

  4 長さ・高さの計測
大分類 小分類
ものさし メスシリンダーでは、液位から体積がわかります。
ノギス バーニア(副尺)があり、精度0.05mmで測定
ハイトゲージ
マイクロメータ 最大測定長500mm、精度0.01
ダイヤルゲージ
液面計 タンクの残量など
レベルスイッチ タンクが満タンかどうか

顕微鏡

  2 3-3301 顕微鏡

見る ことは、観察の基本。 品質管理 では、製品の形状の 計測や検査、異物の有無などを調べます。


  3
© K.Tachibana * , C1 Lab.

升は、体積を デジタル計数的に)測定する道具です。


容量測定器具

  5 容量測定器具
分類 説明
メスシリンダー メスシリンダーでは、液位から体積がわかります。
メートルグラス メスシリンダーでは、液位から体積がわかります。
メスフラスコ
ピペット
ビュレット
計量カップ

4 )


液位計

  6 液位計
分類 説明
ゲージガラス式 保温ポットなど
浮き式 石油ストーブなど
圧力式 空気の挿入圧力、隔膜にかかる圧力
差圧式
超音波式 反射波の遅れを検出
放射線式

タンクなどの液体の所蔵量を知るには、液位を知ることが必要です 5 )

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


温度計

  7 温度計
大分類 小分類 使用温度範囲
接触式 液体封入ガラス温度計
バイメタル温度計
  • 白金抵抗温度計
  • サーミスタ温度計
熱電温度計
  • B熱電対
  • R熱電対
  • K熱電対
  • T熱電対
非接触式 光高温計
放射温度計 体温

温度 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します。 プロセス の管理指標として重要なプロセス変数です。 プラントには対数の 温度計が使われます 6 ) 7 )

p V = n R T
気体の状態方程式

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


圧力計

  8 圧力計
大分類 小分類 特徴用途
液柱式 U字管マノメーター
傾斜管マノメーター
弾性式 ブルドン管圧力計
ベローズ圧力計
ダイヤフラム圧力計
電気式 抵抗線ひずみ計

圧力 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します 8 ) オートメーションで計測されます。

p V = n R T
気体の状態方程式

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


生産方式とオートメーション

  9 工場の分類と生産形態
分類 生産形態 製品例
加工プロセス プロセス生産 鉄鋼、アンモニア、苛性ソーダ
アセンブリ生産 自動車、パワーショベル、スマホ
製品の種類と生産量 小品種多量生産 カップラーメン
多品種少量生産
機械の配置 フローショップ型生産 カップラーメン
ジョブショップ型生産
組み立て方式 ライン生産 カップラーメン
セル生産 油圧ショベル
生産指示方式 プッシュ生産
プル生産
生産指示単位 連続生産、流れ生産、フロー生産 鉄鋼、アンモニア、苛性ソーダ
ロット生産、バッチ生産 液晶パネル、ポリエステル、医薬品原料
在庫ポイント 見込み生産 建売住宅
受注生産 自動車、油圧ショベル、注文住宅
9 )

  10 検査の区分
種類 分野 調理との対比 学校との対比
受入検査 素材の厳選 入学試験( アドミッションポリシー
工程間検査 調理中の味見 ( カリキュラム・ポリシー)
完成品検査 盛りつけなど外見 卒業研究発表会、公聴会
出荷検査 ( ディプロマ・ポリシー)
10 )

PDCA のチェック(C)


  11 手動制御と自動制御(温度の例)
装置 手動制御 自動制御
アナログ制御 デジタル制御
制御 コントローラ 頭脳。 温度計 を見て操作を判断。 電子回路、オペアンプ コンピュータ
判断ミス 制御不能(暴走) 論理ミス(バグ)
計測 センサー 温度計 を見る。 温度センサー AD変換
誤差 個人的誤差、読み取りミス 精確さ 分解能
操作 アクチュエータ ヒーターのつまみやスイッチを手で操作。 ヒーター DA変換 IoT
誤差 個人的誤差、操作ミス 精確さ 分解能
安定性と外乱 人間の反射神経 制御系の過渡応答 計算速度
原価 11 ) 人件費 設備費(固定費)光熱費(変動費) 通信費(変動費)
*

  12 代表的プロセス制御
名称 特徴
PID制御 * 1次遅れ系とステップ応答 エアコンの温度制御や自動車の速度制御(クルージング)に使われます。
ON-OFF制御 オンオフ動作とも言います。 電気ポット、低温調理器、冷蔵庫など家電製品にもよく使われます。
P制御 比例動作とも言います。 偏差(オフセット)が残る欠点があります。
I制御 積分動作とも言います。 偏差が残りません。 P制御とI制御を組み合わせた制御をPI制御と言います。
D制御 微分動作とも言います。単独で使われることはないが、制御動作を早めるので P制御やPI制御と組み合わせてPD制御やPID制御として使います。 PID制御は、もっとも使われる制御です。
スイッチング制御 デジタル制御です。オンオフ制御とも言えますが、パルスのデューティを変える PWMDA変換とすることで、PID制御をデジタル的に実現できます。 トランジスタやサイリスタ、パワーMOSFET、IGBTなどの半導体スイッチで急速に普及しました。

温度、圧力、流量、液位、濃度などをプロセス変量と言います。 12 )

設定値(目標値)と計測値の偏差をもとに、プラントを操作することを、制御と言います。 目標の値に保ちたいプロセス変量を制御量といい、それを支配する量を操作量と言います 13 )

制御信号を表現した図をブロック図(ブロックダイアグラム)と言います。センサーの出力を、比較に戻すことを フィードバック 14 ) と言います。フィードバックに基づく制御をフィードバック制御と言います。これに対してフィードバックを行わない制御は、 シーケンス制御と言います。 コンピュータを使った高度な制御は、現代制御(多変数制御)と言います。

アナログ制御ではなく、 センサーの出力をAD変換し、マイコンで比較計算して、パルスでデジタル制御します。

*

ステップ関数

  13 ステップ関数
名称 グラフ ラプラス変換 * 説明
インパルス関数 1 ステップ関数の微分
ステップ関数 1/s *
ランプ関数 1/s2 ステップ関数の積分

時間領域と周波数領域

  4 🖱 時間領域(左)と周波数領域(右)

横軸が周波数のグラフを、 スペクトルと言います。 フーリエ変換は、横軸を時間から、周波数に変換する方法です。 デジタルコンピュータの発展で、さまざまな応用ができるようになりました。


測定の仕組みと尺度

  14 測定の仕組みと尺度
大分類 小分類
質的データ 1⃣ 名義尺度 整数 整数 名前、性別
2⃣ 順序尺度 (官能値、位相) 整数 整数 📆 日付、 帯電序列、イオン化傾向、 極性、 ランキング、満足度
量的データ 3⃣ 間隔尺度 (離散型、計数値) 整数 自然数、整数 年齢、金額、時刻
4⃣ 比例尺度 (連続型、物理量、計量値、距離) 浮動小数点 実数、複素数 温度液位 、 身長、 体重、組成、 電力電位、 インピーダンス

数値表現するために定めた規則、あるいはその規則で作られる目盛りを尺度と言います 15 )

比例尺度の の基準は 単位です 16 ) 17 ) 18 )

気温のような連続的なアナログ量は、数学では実数として取り扱います。 そのような実数を、数値データとして記録しようとすれば、 たとえ、人手で記録しようとしても有限桁の数字で表現するしかありません。 機械的にコンピュータに取り込もうとしても AD変換のビット深度で 確度が決まります。

データの集合を、データセット、データセットの関係がデータベースです。 集合の要素がおよそ30件を超えると、人の手に負えなくなり、コンピュータの助けが必要です。 ビッグデータは、 とくに大きなデータの集まりです。

量的なデータは、 平均値 や標準偏差を求めることができます。 しかし、あまりにデータが多いと、コンピュータといえども計算に時間がかかります。 無作為抽出 などを行い、抽出データから、 平均値 や標準偏差をを推定します。

*

アナログデジタル変換

  15 アナログデジタル変換 *
方式 特徴 製品例
逐次比較 そこそこ高速
VF
二重積分 ゆっくり、ノイズ小 デジタル電圧計
フラッシュ もっとも高速

連続的な の大きさをいくつかの区間に区分し、各区間内を同一の値とみなすことを量子化と言う。 ・・・ 量子化誤差 が生じる。 量子化誤差は、実際の アナログ信号と変換時に丸められた近似的デジタル信号との差のことである。

19 )

第三次産業革命は、 デジタルコンピュータとAD変換といっていいでしょう。 量を 測定し、 デジタルコンピュータ記録可能なデータにするには、AD変換が必須です。AD変換の分解能は確度を支配します。

センサー で電圧に変換した光や音を、デジタル情報に変換します。 たとえばマイクで電圧に変換し、 AD変換で、デジタル情報にすれば、音声を CDやフラッシュメモリにデジタル 記録 できます。


AD変換・DA変換の分解能

  16 AD変換 DA変換 ビット深度分解能
フルスケール例/V ビット深度 ステップ 分解能/mV コメント
0-5V 8 256 19 初期のデジタルビデオ
0-10V 12 4096 2 初期のアナログ計測
0-20V 16 65536 0.3 CDオーディオ
0-20V 24 16777216 0.0011 スマホ、PCサウンド

アナログ信号をどのくらいの細かさでデジタル表現できるかを示す指標を分解能と言います 20 )


デジタル記憶、記録での数値の表現

  17 デジタル記憶、記録での数値の表現
プログラミング言語
整数 整数 Basic (Int), C(int),
単精度浮動小数点 実数 Basic (Single), C(float),
倍精度浮動小数点 実数 Basic (Double), C(double), Python (float)
複素数 Python (complex)

測定値などを表す数字のうちで、位取りを示すだけの0を除いた、意味のある数字を有効数字と言う。 たとえば、1.234g±0.012gという測定結果があり、これを 不確かさ を無視して1つの値y=1.234gとして表すことを考える。 不確かさ を考慮した値はおおむね1.222g~1.246gの範囲にあると考えられる。 21 )

このことは、測定値に限ったことではありません。 たとえば、円周率という数には、確かな値がありますが、数字で表現しようすれば、 3.14あるいは3.14159という具合に表現しなければなりません。 やはり有効数字が存在するのです。

さらにこれは10進数に限ったことではありません。 コンピュータの内部では、2進数で表現されることが多くあります。 その表現形式もさまざまです。 単精度浮動小数点や倍精度浮動小数点といった形式があるのは、そのためです 22 )

倍精度浮動小数点は、実数を64ビットで表現します。 実数は無限集合です。それに対して64ビットの表現は264の有限集合です。 実数とデジタル数値を1:1対応させることはできません。 必ず量子化誤差が入ります。

デジタルコンピュータのようなデジタルデバイスでは、 データは、 デジタル情報として記憶または記録されます 23 )

✍ 平常演習

参考文献

🏫 品質管理
q71
品質管理

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53225/53225_03.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用 山形大学 学術情報基盤センター

2024年1月21日 松木健三名誉教授がご逝去されました。

名称:C1ラボラトリー
URL:🔗 https://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用
山形大学 工学部 化学・バイオ工学科 応用化学・化学工学コース
C1ラボラトリー ( 伊藤智博立花和宏 ) @ 米沢

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