JP2005267572A - 流量制御の異常判定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能にする。
【解決手段】流量調節弁１により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計２と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計３とが設置され、流量制御装置４により前記流量調節弁１を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、前記流量調節弁１の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段１１と、得られた流量推定値と、広範囲流量計２により測定された流量実測値とを比較する比較手段１３と、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量制御の異常判定方法及び装置に係り、特に流量を計測するための流量計と、流量を調節するためのアクチュエータとして流量調節弁を使用し、制御装置により流量制御を行なう際に適用して好適な、流量制御の異常判定方法及び装置に関する。

プロセス制御において、流量のフィードバック制御は最もよく使用される制御機能の１つである。しかし、センサの異常やアクチュエータの異常により制御機能が正常に動作しなくなった場合は、言うまでもなくプロセスの設備や品質に大きな影響を与えることになる。

これを、鉄鋼プロセスの加熱炉等で使用される、燃焼ガスと空気の流量制御を例に説明する。燃焼量を制御する前記流量制御が異常になると、最悪の場合はバーナーの安定燃焼範囲を外れて失火し、未燃ガスが炉内に充満し、爆発に至る危険がある。

一方、近年、製造プロセスの複雑化・高精度化に伴い、流量計測や流量制御へ要求される精度、制御範囲も年々厳しくなっている。

従来、流量計としては差圧式流量計が一般流量計として最もよく用いられてきた。差圧式流量計は、その原理上、流体と直接接する部分に可燃物や電子機器が無く、比較的安価で信頼性の高い流量計であるが、レンジアビリティは２：１〜３：１程度であり、低流量での測定精度は不十分である。

これに対して、超音波流量計等の広範囲流量計はレンジアビリティ１０：１〜２０：１程度あり、広範囲の流量制御を行なう場合に有用である。しかしながら、プローブの劣化や送受信アンプの故障等、信頼性の点で問題が多い。

従来の流量計の異常検出の方法としては、（１）センサの断線検知、（２）計測レンジ外れの検知、（３）センサの自己診断結果の利用（例えば、超音波流量計の受信レベル低下で異常を判定する等）等がある。

又、アクチュエータ側の異常検出方法としては、（１）アクチュエータの断線検知、（２）アクチュエータ位置のレンジ外れを検知（例えば、調節弁開度実績のレンジ外れ）等がある。

上記の方法では、センサやバルブ（弁）が断線・短絡した場合や、電源が停止した場合は安価且つ容易に異常を検出可能である。

なお、予め制御弁の駆動量（弁開度）と流量の関係を検定しておき、この関係に基づいて流量の実測値をチェックすることにより、流量計の異常を判定する技術が、例えば特許文献１や２に開示され、又、流量計同士の計測値を比較してその差が大きい場合は流量計が異常であると判断する技術が、例えば特許文献３に開示されている。

特開平６−１９４２０３号公報 特開平６−２１４６５７号公報 特開平３−１５１１４８号公報

しかしながら、前記従来の方法では、センサやバルブが断線・短絡した場合や、電源が停止した場合は容易に異常を検出可能であるが、以下のような異常は、フィードバック制御により見掛け上流量を制御してしまうため、検出できないという問題がある。

（１）センサの測定時やバルブ開度がドリフトするケース
（２）センサのサンプリング配管に異常が発生するケース（例えば、差圧式流量計の導圧管に異物等が詰まり、正確な圧力が計測できなくなった場合）
（３）調節弁の流路に異物が詰まり、配管の圧力損失が大きくなるケース

従って、従来の方法では、上記のような異常を、制御系として機能を失うまで検出できないという問題もある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能で、且つ異常の徴候をも事前に検出することが可能な流量制御の異常判定方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定方法であって、前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定すると共に、得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較し、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定することにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段と、得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較する比較手段と、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段と、を備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明においては、前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Ｃｖ値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のＣｖ値から求めるようにしてもよい。又、その際、前記流量推定値を、前記Ｃｖ値と、流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の推定値又は実測値とから求めるようにしてもよい。

本発明においては、又、前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めるようにしてもよい。

本発明においては、又、広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常と判断するようにしてもよく、又、流量実績値又は弁動作の異常を検出した場合は制御動作を保持するようにしてもよい。

本発明によれば、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能となる。又、流量制御系のセンサやアクチュエータが徐々に劣化したり、プロセスの状態が変わったような場合でも、その変化を事前に検出することが可能である。そのため、制御系の異常を迅速に発見でき、設備の点検や改善を行なうことにより、重大な設備や品質のトラブルを未然に防止することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る実施形態である流量制御異常判定装置の概要を示すブロック図である。

本実施形態の異常判定装置は、直線で示す流通路に、矢印方向に流れる流体の流量を調節する流量調節弁１と、広範囲（例えば、１０：１）な流量計測が可能な広範囲流量計２と、一般的な流量計（例えば、２：１）の計測を行なう一般流量計３とが設置されていると共に、流量調節弁１を調節して流量を制御するための流量制御装置４が設置された流量制御系と、該流量制御系における流量制御の異常を検出する異常判定回路５とを備えている。

この異常判定回路５は、以下の各機能を有している。

（１）流量調節弁１の開度実績又は開度設定値から、関数変換器１０に予め設定してある弁開度−Ｃｖ値変換関数を用いて、弁のＣｖ（弁容量係数）値を算出する。

（２）上記関数変換器１０により求めた調節弁１のＣｖ値と、流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の各値から、流量の推定値Ｆｃを流量換算器（推定手段）１１で計算により求める。ここで、流量推定値を求める計算式は、例えば気体の場合ではよく知られているＣｖの計算式から、以下のように求めることができる。但し、Ｑ＝Ｆｃである。

（差圧が１次圧の０．５倍未満の場合）
Ｑ＝Ｃｖ・２．９３／√（Ｇ（２７３＋Ｔｆ）／ΔＰ（Ｐ１＋Ｐ２））
…（１）
（差圧が１次圧の０．５倍以上の場合）
Ｑ＝Ｃｖ・Ｐ１・２．５３８／√（Ｇ（２７３＋Ｔｆ）） …（２）
ここで、Ｑ：流量（温度１５．６℃、圧力１０１．３kPa）
Ｇ：比重（空気＝１）
Ｔｆ：流体温度℃
Ｐ１：１次側絶対圧力kPa
Ｐ２：２次側絶対圧力kPa
ΔＰ：Ｐ１−Ｐ２

なお、上記流量換算器１１で流量変換に使用する流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の各値は、プロセス実測部（又は推定部）１２により実測した実測値でもよいし、誤差の少ない場合は推定値でもよい。

（３）又、流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の測定や推定が困難な場合には、予め流量調節弁１の弁開度−流量値の関係を事前に計測し、弁開度−流量測定値の関係を折れ線や関数として登録しておくことにより、この関係を使って弁開度（実績値又は設定値）から直接流量推定値Ｆｃを求めるようにしてもよい。

（４）前記流量換算器１１で求めた流量推定値Ｆｃと、広範囲流量計２による実測値Ｆ1を比較器１３で比較する。両者の差が、一定値±（Ｆ1×α）以上、その状態が所定の指定時間以上継続した場合に異常と判断し、異常信号を出力する。

（５）又、広範囲流量計２による実測値Ｆ1と、一般流量計３による実測値Ｆ2を比較器１６で比較する。両者の差が、一定値±（Ｆ1×β）以上、その状態が所定の指定時間以上継続した場合に異常と判断し、同様に異常信号を出力する。

（６）前記のように異常信号が出力されると、それを誤動作防止用の遅延タイマ１４を介し、流量制御異常の警報器１５に出力し、警報を発する。この警報器１５は、同時に流量制御装置４へ制御ホールド信号を出力する。

（７）流量制御装置４は、出力された上記制御ホールド信号を受けると、制御動作を保持し、プロセスへの影響を最小限度とする。

以下の機器構成等を備えた制御系において流量制御を実際に行ない、超音波流量計がプローブの汚れで計測不能になった場合の例を図２を用いて説明する。

広範囲流量計：超音波流量計
一般流量計：差圧式流量計（オリフィス＋差圧計）
流量調節弁：電空変換ポリショナ付の調節弁（開度計無し）
流量推定：バルブ開度−流量の実測値から流量を推定

上記図２には、異常検出機能が無い場合の流量制御の動作を示す。

この図には、最上段のタイムチャートで、４０秒から流量指示が異常となり、４５秒で広範囲流量計指示値Ｆ1が０となり、その結果、２段目のＦ2−Ｆ1、最下段のＦｃ−Ｆ1が共に所定値以上となり、異常が検出された例が示されている。

この実施例では、異常検出の後に流量制御をホールドし、流量調節弁１のバルブ開度を一定とする措置を施したので、対象プロセスに大きな影響が及ぶことを防止できた。

以上説明したとおり、本発明によれば、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能となる。又、流量制御系のセンサやアクチュエータが徐々に劣化したり、プロセスの状態が変わったような場合でも、その変化を事前に検出することが可能である。そのため、制御系の異常を迅速に発見でき、設備の点検や改善を行なうことにより、重大な設備や品質のトラブルを未然に防止することが可能となる。

本発明では、流量推定値と一般流量計による実測値とを比較するようにしてもよい。

又、広範囲流量計としては、電磁式流量計、熱流式流量計、渦式流量計等も利用でき、一般流量計としては、ピトー管式流量計等も利用できる。

本発明に係る流量制御系異常判定装置の概要を示すブロック線図 本発明を実施した場合の制御例を示すタイムチャート

符号の説明

１…流量調節弁
２…広範囲流量計
３…一般流量計
４…流量制御装置
５…異常判定回路
１０…関数変換器
１１…流量換算器
１３、１４…流量比較器

Claims (12)

1. 流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定方法であって、
   前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定すると共に、
   得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較し、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定することを特徴とする流量制御の異常判定方法。
2. 前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Ｃｖ値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のＣｖ値から求めることを特徴とする請求項１に記載の流量制御の異常判定方法。
3. 前記流量推定値を、前記Ｃｖ値と、流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の推定値又は実測値とから求めることを特徴とする請求項２に記載の流量制御の異常判定方法。
4. 前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めることを特徴とする請求項１に記載の流量制御の異常判定方法。
5. 広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常であると判断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流量制御の異常判定方法。
6. 流量実測値又は弁動作の異常を検出した場合は、制御動作を保持することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流量制御の異常判定方法。
7. 流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、
   前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段と、
   得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較する比較手段と、
   比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする流量制御の異常判定装置。
8. 前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Ｃｖ値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のＣｖ値から求めることを特徴とする請求項７に記載の流量制御の異常判定装置。
9. 前記流量推定値を、前記Ｃｖ値と、流体比重・温度・１次圧力・２次圧力の推定値又は実測値とから求めることを特徴とする請求項８に記載の流量制御の異常判定装置。
10. 前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めることを特徴とする請求項７に記載の流量制御の異常判定装置。
11. 広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常であると判断することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の流量制御の異常判定装置。
12. 流量実測値又は弁動作の異常を検出した場合は、制御動作を保持することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の流量制御の異常判定装置。

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