JP2007255531A - 電動バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】電動バルブの異常を短時間で検出してモータのダメージを防ぐ。
【解決手段】電動バルブ１の正常時のバルブ３の移動量と所要時間を予め計測する。そののち、バルブ３を所定時間作動させたときの移動量と、そのとき、先の計測値に基づいて予測される正常時の移動量とを比較することで短時間に異常を検知する。こうすることで、電動バルブ装置１の異常を短時間で検出してモータ５のダメージを防ぐ。
【選択図】図１

Description

この発明は、モータの過負荷状態を検出して故障を回避することのできる電動バルブに関するものである。

電動バルブの故障原因の一つに過負荷がある。電動バルブに過負荷が加わると、最悪の場合は、モータコイルを焼損して寿命を著しく縮めてしまう原因になる。

この問題を解決する一つの方法として、（特許文献１）には、電動バルブにバルブ（弁）の開閉検出機構を備えたものが記載されている。

この電動バルブでは、制御器が電動バルブへ閉信号を発信する。そして、所定時間経過後に前記開閉検出機構からの閉弁信号が得られないと、一旦閉信号の発信を中断して開信号に切り換えた後、閉信号を再送信する。こうすることで、自動的にバルブを開放してバルブに咬み込んだゴミなどを流失させたのち閉弁するので、咬み込みによるリークのトラブルを防止することができる。さらに、咬みこんだゴミを流失させたのち閉弁するので、通電しっぱなしによるモータコイルの焼損も防止する。

特開平６−２８１０３９号公報

しかしながら、上記の方法では、異常の検出に時間が掛り過ぎるという問題がある。

すなわち、開閉検出機構は、バルブが閉じるのに要する十分な時間を経過してからでないと異常を検出して開信号を出力できない。

そのため、その待機中の間は、バルブの異常を検出できないという問題がある。このようにバルブの異常を検知するのに時間がかかるとモータへのダメージも大きくなるし、咬み込みのリークによるダメージも大きくなる問題がある。

なお、ここでは、バルブを閉鎖する場合について述べたが、これに限定されるものではなく、利用形態によってはバルブを開放する場合もある。

また、上記の電動バルブはボイラー用のものであるが、これ以外に電動バルブには、目的や用途により、開閉角度が異なるもの、あるいは開閉時間が大きく異なるものがあるので、それらのものにも対応できるようにしたい。

そこで、この発明の課題は、電動バルブの異常を短時間で検出できるようにすることでモータへのダメージを防ぎ、かつ、バルブが開放あるいは閉鎖できないために生じるダメージを小さくするとともに、開閉角度や開閉時間の異なる電動バルブにも対応できるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、バルブの移動量を検出するセンサ手段と、タイマ手段を備えるとともに、予め、バルブが所定量移動するのに要する所要時間を測定して記憶するメモリ手段を有し、前記バルブを駆動するモータの作動からタイマ手段で計時を開始し、その計時が予めメモリ手段に記憶させた所要時間に達すると、センサ手段で検出したバルブの移動量と、前記メモリ手段に記憶させた所要時間にバルブが移動する所定の移動量とを比較し、その比較した結果に基づいて異常を検知する構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、メモリ手段に、予め、バルブが所定量移動するのに要する時間を記憶させることで、バルブごとに異常を検出するための基準値を記憶させる。こうすることで、目的や用途で開閉角度が異なるもの、あるいは開閉時間が大きく異なるものにも対応させる。そして、この記憶させた時間内にバルブが所定量移動できるかをセンサ手段で検出することで異常を短時間で検出する。

なお、上記所定量とは、バルブが全閉あるいは全開する量より小さく、正常なバルブを判別するのに最小限必要な移動量で、実験や経験などにより適宜決められるものである。

また、タイマ手段の計時が上記メモリ手段に記憶した所要時間に達すると、メモリ手段に記憶する所要時間とその所要時間にバルブが移動する所定の移動量とから算出される単位時間当りの移動量に、前記タイマ手段の計時を掛け合わせた移動量と、上記センサ手段で検出する移動量とを逐次比較し、その比較した結果に基づいて異常を検知する構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、単位時間当りの移動量とタイマ手段の計時時間と掛け合せることで移動量を算出し、その算出した移動量とセンサ手段の検出する移動量とを比較できるので、異常を逐次検出できる。

このとき、メモリ手段に記憶させた所要時間とその所要時間にバルブが移動する移動量とから算出される単位時間当りの移動量と、タイマ手段の計時した時間とから算出される移動量に逓減率を掛け合わせて、センサ手段で検出した移動量と比較するようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、バルブごとのバラツキによる誤差を補正して判定にエラーを生じないようにする。また、判定に余裕を持たせることで、開閉角度や開閉時間の異なる電動バルブにも対応できるようにする。

また、メモリ手段に記憶させる所要時間に上限と下限を設定した構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、測定時間が例えば、予定する時間ｔ秒より長いｔ１（ｔ≪ｔ１）秒を超える場合は測定をｔ１秒停止し、ｔ１秒間の移動量を計測してその移動量を所定の移動量として、測定時間の上限を設定する。こうすることで、異常を検出する時間を正規化して短縮する。また、逆に、例えば、ｔ秒より短いｔ０（ｔ０≪ｔ）秒で、バルブの移動量が所定量に達した場合は、ｔ０秒を測定時間と設定することで、異常を検出する時間を正規化して起動の遅れや起動時のギヤーのバックラッシュなどの誤差要因を排除し、誤り無くバルブの異常を検出できるようにする。

また、このとき、メモリ手段に記憶させる所要時間の測定の際に、モータがスタートしてから測定開始までの間に不感帯の期間を設けた構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、この不感帯の間は測定を行なわないことで、起動時の遅れやギヤーのバックラッシュなどの誤差要因を排除することができる。

この発明は、以上のように構成したことにより、電動バルブの異常を短時間で検出できる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、この形態の電動バルブは、電動アクチュエータ２とバルブ（弁体）３とで構成されている。

電動アクチュエータ２は、減速機構４、モータ５、開度検出センサ６、制御回路７で構成されている。

減速機構４は、ここでは、例えば、平歯車を組み合わせた減速ギヤー群で構成したもので、モータ５の回転軸と接続して、モータ５の回転力をバルブ３へ伝達する。

モータ５は、起動トルクが大きく、堅牢で、しかも簡単な回路で可逆運転が可能なＡＣモータ（例えば、回転方向を瞬時に逆転させることのできるレバーシブルモータ）を使用している。

開度検出センサ６は、ここでは、ポテンショメータを使用しており（以下、開度検出センサをポテンショメータと称する）、前記ポテンショメータ６を、例えば減速機構４とバルブ３とを接続する出力軸に取り付け、後述の制御回路７と接続することにより、バルブ３の移動量を検出できるようにしている。なお、前記センサ６は、ポテンショメータに限定されるものではなく、バルブ３の絶対位置を検出できるようにしたものであれば（例えば、アブソリュート式のものでも可）、どのような形態のものでも構わない。例えばシャフトエンコーダなどを使用することも可能である。

制御回路７は、例えば、図２に示すような、ワンチップマイクロコンピュータ９とモータ駆動回路１０とで構成されている。

前記コンピュータ９は、タイマ回路やメモリ回路を内蔵しており、内蔵したメモリに書き込まれた処理プログラムに基づいて処理をする。また、前記コンピュータ９は、Ｉ／Ｏ入出力、発振回路、Ａ／Ｄコンバータ等々を備えており、Ａ／Ｄコンバータと前記ポテンショメータ６とを接続して測定値を入力できるようになっている。

モータ駆動回路１０は、ＡＣモータのドライブ回路をモジュール化したもので、右回転（ＣＷ）、左回転（ＣＣＷ）などのコントロール端子を備えており、前記端子にマイクロコンピュータ９からコントロール信号（例えば、「Ｈ」または「Ｌ」に対応する電流あるいは電圧レベル信号）を入力することにより、モータ５の可逆運転を可能にするものである。

なお、マイクロコンピュータ９への指令入力は、データセレクタを設けて入力を選択し、例えば、電流、電圧、抵抗値などによる指令入力に対処できるようになっている。

この形態は、上記のように構成されており、この電動バルブは、異常を検出するための基準値を設定するために予備測定処理を行なったのち、実際に設置して使用する。

予備測定処理は、図３に示すように、予め正常な電動バルブが所定の移動量を移動するのに要する時間を測定して、基準となる時間に対するポテンショメータ６の変化量をバルブ３ごとに計測するものである。こうした仕組みにより、目的や用途によって開閉の角度や開閉時間が大きく異なる電動バルブに対処できるようにしている。

ここでは、予備測定は、バルブ３の全動作範囲の１／４を開放（移動）するのに要する時間を算出し、これを基準の予測時間Ｔｒｅｆとしてメモリへ保存する。そのため、図３のフローチャートの予備測定（処理２００：以下「処理」省略）を実行する。

予備測定（２００）では、例えば、図３に示すように、モータ５をオンにして（２０５）、１秒程度待機する（２１０）。こうして１秒待機して不感帯を設けることにより、例えば、起動の遅れや起動時の減速機構４のギヤーのバックラッシュなどから生じる誤差要因を排除する。

ちなみに、ここでは、待機時間は１秒に設定しているが、これに限定されるものではなく、待機時間は電動バルブ１に合わせて実験や経験などから適宜設定すれば良い。

１秒経過して起動に成功すると、テンポラリーメモリＱＰＴにポテンショメータ６の１／４の値を設定し、タイマカウンタｔｃに０を設定して初期化し（２１５）、ポテンショメータ６の値をレジスタＭ１へ読み込む（２２０）。

次に、タイマカウンタｔｃをα秒（αは１秒以下でも可）インクリメントして（２２５）、その時点のポテンショメータ６の値をレジスタＭ２へ設定する（２３０）。次に、タイマカウンタｔｃが５秒以上か、５秒未満かを判定する（２３５）。５秒以上なら「低速応答」なので、上限値として予測時間Ｔｒｅｆを５秒に設定する。このとき、ポテンショメータ６の移動量は、全動作範囲の１／４に達していないので、ポテンショメータ６の変化量として、レジスタＭ２−レジスタＭ１の値をＱｒｅｆに設定し（２６０）、モータ５をオフにして（２６５）、処理を終了する（２７０）。こうすることで、異常を検出する時間を正規化して短縮する。

一方、処理２３５でタイマカウンタｔｃが５秒未満の場合は、レジスタＭ２−レジスタＭ１の値をＱＰＴと比較して（２４０）、ＱＰＴと等しくない場合は、等しくなるまで処理２２５〜２４０を繰り返す。また、ＱＰＴと等しくなった場合は、そのときのタイマカウンタｔｃの計時時間が、０．７５秒以下かどうかを判別する（２４５）。０．７５秒以下の場合は、予測時間Ｔｒｅｆを３秒に設定し、ＱＰＴの値をＱｒｅｆに記憶させてモータ５をオフにし（２６５）、処理を終了する（２７０）。このように予測時間の下限を設定することにより、起動の遅れや起動時のギヤーのバックラッシュなどの誤差要因を排除し、異常を検出する時間を正規化して誤り無く検出できるようにする。

また、処理２４５でタイマｔｃの計時時間が０．７５秒より大きな場合は、ｔｃ→Ｔｒｅｆとし、ＱＰＴの値をＱｒｅｆへ記憶させて、モータ５をオフにし（２６５）、処理を終了する（２７０）。

このようにバルブ３ごとに基準値ＴｒｅｆとＱｒｅｆの設定ができると、実際に設置して使用できるようになる。次に、その動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。

電動バルブが作動を開始すると（３００）、タイマカウンタｔｃに０を設定して初期化し（３０５）、電動バルブの指令入力をレジスタＲ１へ（３１０）、また、ポテンショメータ６の値をレジスタＲ２へ読込む（３１５）。ここで、Ｒ１とＲ２を比較して（３２０）、その差が０ならモータ５を停止し（３６０）、処理３０５へ戻って待機する。

このとき、処理３２０で、差が０でないなら、電動バルブを指令された位置まで回転させるためモータをオンにして（３２５）、タイムカウンタｔｃをα秒（αは１秒以下でも可）インクリメントし（３３０）、現在のポテンショメータ６の値をレジスタＲ３に読込む（３３５）。

次に、予備測定で設定したパラメータＴｒｅｆおよびＱｒｅｆを使用して、異常の検出を行なう。

まず、基準値Ｔｒｅｆとタイムカウンタｔｃの値とを比較し（３４０）、タイムカウンタの値ｔｃが予備測定の基準値Ｔｒｅｆ以上ならｔｃの値から予測されるポテンショメータ６の変化量に減衰率Ｋを乗算した量、すなわち、
（ｔｃ＊Ｑｒｅｆ／Ｔｒｅｆ）＊Ｋ
と実際の変化量
｜Ｒ２−Ｒ３｜
を比較する（３４５）。

ここで、式
ｔｃ＊Ｑｒｅｆ／Ｔｒｅｆ
に示すようにＱｒｅｆ／Ｔｒｅｆを求めて単位時間当りの移動量を算出し、その値にタイムカウンタｔｃの値を掛けて予測されるポテンショメータ６の移動量を算出する。そして、その予測値と、ポテンショメータ６の移動量を逐次比較する。こうすることで、バルブ３が全開あるいは全閉するまで待つのではなく、直ちに検出できるようにして、異常検出に掛かる時間を短縮できるようにしてある。こうして、目的や用途が異なり、開閉時間の異なるバルブにも適用できるようにしてある。

また、このとき、単位時間当りの移動量を算出して比較するので、予備測定で測定時間の上限（５秒）と下限（３秒）を設定したことにより、開閉に長時間（５秒以上）掛かるバルブ３は上限の５秒の短時間で異常を検出する。また、開閉が極めて短時間（０．７５秒）の場合は、下限の３秒間待機することで、起動の遅れや減速機構４のギヤーのバックラッシュなどから生じる誤差要因を排除して誤差を生じないようにできる。

さらに、求めた変化量に減衰率Ｋ（ここでは、例えば０．６）を掛けることで、バルブ３ごとのバラツキによる誤差を補正して判定にエラーを生じないようにする。また、判定に余裕を持たせることで、開閉角度や開閉時間の異なる電動バルブにも対応できるようにしている。

そして、処理３４５の比較の結果、ポテンショメータ６の移動量が予測値と等しいか、予測値を上回った場合は異常が無いので、指定位置に達するまで処理３２０〜３４５を繰り返す。

逆に、処理３４５で、ポテンショメータ６の移動量が予測値よりも小さな場合は、異常と判定し、モータを停止し（３５０）、エラー表示を行なう（３５５）。

以上のような処理を行なうことにより、図５のグラフに示すように、目標位置に達するのに要する時間がエラー検出時間よりも長い場合でも短時間で電動バルブの異常を検出できる。

この実施例１は、制御回路７をロジック回路で構成したもので、図６に示すように、演算器２０、比較器２１、カウンタ２２ａとカウンタ２２ｂ及びラッチ回路Ｍ１〜Ｍ４で構成されている。

この回路では、スタート信号により、１秒カウンタ２２ａが作動してモータ５を１秒間始動させたのち、測定シーケンスを実行する。

測定シーケンスでは、測定開始時のポテンショメータ６の値（Ａ／Ｄ変換器の出力）をラッチＭ１へ記憶する。

一方、ラッチＭ２は現在のポテンショメータ６の値を記憶させるためのもので、測定開始からポテンショメータ６の値を監視し、最新の値をラッチする。

もし、測定中に５秒に達した場合は処理を中断し、そのときのポテンショメータ６の変化量をラッチする（これは、異常の検出時間を最大５秒とし、５秒移動したときのポテンショメータ６の変化量を基に異常の検出を行なうためである）。

また、１．７５秒以内にポテンショメータ６の上限値または下限値に達した場合には、Ｔｒｅｆ＝３秒、Ｑｒｅｆ＝ＱＴＰとする（エラー検出時間の最小値を３秒とする。これは開閉時間が短いものについて対応するためのものである）。

ラッチＭ１とＭ２の値は逐次演算器２０へ入力される。演算器２０は、逐次入力された両者の値の差を算出して比較器２１へ入力する。この差が入力される比較器２１には、予め、開度が１／４のポテンショメータ６の値ＱＰＴが入力されており、この値と前記差とを比較してカウンタ２２ｂの値と、開度が１／４になったときのポテンショメータ６の変化量をそれぞれラッチＭ３とＭ４に記憶する。

また、比較器２１の出力とラッチＭ３とＭ４の入力間にオア回路２３を設けて開度が１／４に掛かる時間Ｔに応じたトリガ信号を入力するようになっている。そのため、例えば、Ｔ≧５秒の場合は、起動から５秒後に、タイマ２２ｂなどによりトリガ信号を入力すると、処理を中断してそのときのポテンショメータ６の変化した値（移動量）をラッチ回路に記憶する。このように５秒経過した値を記憶できるので、この値に実施形態で述べた係数Ｋを掛ければ、エラーの判定ができる。同様に、３秒≦Ｔ＜５秒の場合も、Ｔ＜３秒の場合も同じようにして判別ができる。

実施形態の模式図 実施形態のブロック図 実施形態のフローチャート 実施形態のフローチャート 実施形態の作用説明図 実施例１のブロック図

符号の説明

１ 電動バルブ
３ バルブ
５ モータ
Ｋ 係数
Ｔｒｅｆ 基準となる時間
Ｑｒｅｆ 基準となる移動量

Claims (5)

1. バルブの移動量を検出するセンサ手段と、タイマ手段を備えるとともに、予め、バルブが所定量移動するのに要する所要時間を測定して記憶するメモリ手段を有し、
   前記バルブを駆動するモータの作動からタイマ手段で計時を開始し、その計時が予めメモリ手段に記憶させた所要時間に達すると、センサ手段で検出したバルブの移動量と、前記メモリ手段に記憶させた所要時間にバルブが移動する所定の移動量とを比較し、その比較した結果に基づいて異常を検知する電動バルブ。
2. 上記タイマ手段の計時が上記メモリ手段に記憶した所要時間に達すると、メモリ手段に記憶する所要時間とその所要時間にバルブが移動する所定の移動量とから算出される単位時間当りの移動量に、前記タイマ手段の計時を掛け合わせた移動量と、上記センサ手段で検出する移動量とを逐次比較し、その比較した結果に基づいて異常を検知する請求項１に記載の電動バルブ。
3. 上記メモリ手段に記憶させた所要時間とその所要時間にバルブが移動する移動量とから算出される単位時間当りの移動量と、タイマ手段の計時した時間とから算出される移動量に逓減率を掛け合わせて、センサ手段で検出した移動量と比較するようにした請求項２に記載の電動バルブ。
4. 上記メモリ手段に記憶させる所要時間に上限と下限を設定した請求項１乃至３のいずれかに記載の電動バルブ。
5. 上記メモリ手段に記憶させる所要時間の測定の際に、モータがスタートしてから測定開始までの間に不感帯の期間を設けた請求項１乃至４のいずれかに記載の電動バルブ。

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