🔷 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

工業製品	生産型	特性	不適合（不良）
鉄	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 )}

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 )} 。

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。

物理量 / 単位	説明	応用例
質量 m	天秤で 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	圧力計で 計測 します。
温度 T	温度計で 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	$G=H-TS$ $G=G\left(T,p,\mathrm{ni}\right)$

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

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

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。

升は、体積を デジタル（ 計数的に）測定する道具です。

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
升

^{4 )}

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 )} 。

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 )} 。

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。

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 )}

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 )}

	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）

*

名称	種類	特徴
PID制御 *		1次遅れ系とステップ応答
ON-OFF制御
P制御	P制御の進化系がPID制御です。I制御、PI制御、PD制御などがあります。 *
スイッチング制御

^{12 )}

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

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 量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。

^{17 )}

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で 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。

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 ^{18 )} 。

型	数	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。 ^{19 )}

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 ^{20 )} 。

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 ^{21 )} 。

✍ 平常演習

◇ 参考文献

🏫 品質管理