JP2007507712A - 振動に基づく診断装置付きプロセス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】工業プロセス制御または監視システムに使用されるプロセス装置（１２）はプロセスに接続するように構成される。振動センサ（８０）は振動（７０）を感知するように構成される。診断回路（８２）は、感知された振動に基づいて診断出力を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、工業プロセスにおいて使用される設備の診断に関する。より具体的には、本発明は診断を行うプロセス装置に関する。

プロセス装置は、プロセスを制御、測定または監視する工業プロセス制御システムにおいて使用される。制御装置は、プロセスを制御するために使用されるプロセス装置であり、ポンプ、弁、アクチュエータ、ソレノイド、モータ、混合機、攪拌機、遮断器、粉砕機、ローラ、製粉機、ボールミル、捏和機、ブレンダ、濾過器、サイクロン、遠心分離機、塔、乾燥機、搬送機、分離機、昇降機、巻き上げ機、加熱器、冷却器、その他を含んでいる。弁制御装置はプロセス流体の流量を制御するために使用される弁に結合される弁アクチュエータを含んでいる。ポンプ制御装置はモータ制御装置またはポンプに結合されたアクチュエータを含んでいる。その他のプロセス装置は、圧力、温度、流量等の物理的パラメータを測定することができる伝送器を含んでいる。プロセス装置の診断は、故障したプロセス装置の特定または該装置または別のプロセス構成部分において差し迫っている故障を予測するために使用できる。
米国特許第６，６０１，００５号

プロセス配管等、プロセス設備の振動は工業プロセスに混乱をきたし、配管、機器、および工業プラントにおけるその他の構成部分に損傷をもたらす。例えば、プロセスの正常な運転中は、振動は種々の源を通じて発生する。振動はプロセス中で使用される構成部分に伝えられる。長時間を経ると、これらの振動は構成部分の性能の低下やその結果として起こる構成部分の故障を発生させる。

振動感知はプロセス装置を診断するために使用される周知の方法である。プロセス装置上に直接設置される加速度計等の振動センサを、該装置から発生した振動ノイズ信号を感知するために使用することができる。振動は分離されて、振幅しきい値を超えている振動、または実際のもしくは差し迫っている故障または性能の低下を示す異常な周波数を有する振動を特定することによって評価される。例えば、センサはポンプまたはモータのハウジング、吐出弁、もしくはプロセス装置に関連するフランジ上に設置される。他の周知診断方法は、オペレータが制御装置からの異常音を聴く手動検査である。

有害な振動を検出することにより、プロセス設備を最終的な故障の前に交換することができる。同様に、振動は設備の運転の逸脱検出、または設備構成部分の劣化を補償するのに使用することができる。工業プロセス中の改善された診断技術、または故障した構成部分および劣化した構成部分もしくは故障したプロセス中の構成部分を検出するための監視に対する現実の必要性がある。このような技術の一つが、参照のため本明細書に統合される、２００３年７月２９日に許可されたプロセス変数センサ信号を使ったプロセス装置診断装置という名称の米国特許第６，６０１，００５号に示されている。

工業プロセス制御またはシステム監視のために使用されるプロセス装置はプロセスに結合するように構成される。この装置は振動を感知するように構成された振動センサを含んでいる。これらの振動はプロセス接続装置、取り付け構造または配線システムを通じて振動センサに入力され、振動センサは感知された振動信号を出力する。診断回路は感知された振動信号を受け入れ、そしてそれに応答してプロセスまたはプロセス構成部分の状態に関連した診断出力を提供する。また、感知された振動に基づくプロセス運転の診断方法も提供される。

本発明は、故障の発生もしくは性能低下に先だって、故障検出または故障予測またはプロセス装置もしくはプロセス構成部分の性能低下を検出する診断技術を提供する。本発明により、プロセス及び／又はプロセス装置中の振動が監視される。振動が検出され、プロセス装置もしくはプロセス構成部分の故障、差し迫っている故障、または性能低下を予測するために使用される。

図１はプロセスパイプ１６に接続された送信器１２を含むプロセス制御システムの図である。後述するように、送信器１２はプロセス装置の一形式であり、本発明はどのようなプロセス装置にも適用可能である。送信器１２はフィールドバス、プロファイバス、またはＨＡＲＴ（登録商標）規格に沿って動作する２線プロセス制御ループ１８に接続される。しかし、本発明はこれらの規格または２線構成に限定されない。２線プロセスループ１８は送信器１２および制御室２０間をつないでいる。ループ１８がＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルループに従って動作する実施例では感知されたプロセス変数を表す電流Ｉを搬送することができる。さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルは、デジタル信号を電流に重畳することを可能にして、デジタル情報を送信器１２に送信したり、送信器１２で受信したりできるようにする。フィールドバス規格に沿った動作のため、ループ１８はデジタル信号を搬送するとともに、他の送信器等複数の現場装置に接続されることができる。

本発明はプロセス制御環境で使用されるどのようなプロセス装置にも適用可能である。一般に、図１に示した送信器のようなプロセス装置は、プロセス変数の測定、監視または制御に使用される。

プロセス変数は典型的にはプロセスで制御される主な変数である。本明細書で使用されているように、プロセス変数はプロセスの状態を表しているあらゆる変数、例えば、圧力、流量、温度、生成物レベル、ｐＨ、粘性、振動、位置、モータ電流、プロセスのその他の特性等を意味する。制御信号はプロセスを制御するために使用される（プロセス変数以外の）あらゆる信号を意味する。例えば、制御信号は、所望の温度、圧力、流量、製品レベル、ｐＨまたは粘性等、制御装置によって調整されるかまたはプロセスを制御するために使用される所望のプロセス変数値（例えば、設定点）を意味する。さらに、制御信号は校正値、警報、警報状態、弁アクチュエータに供給される弁位置信号等、制御素子に供給される信号、加熱素子に供給されるエネルギレベル、ソレノイドのオン／オフ信号等、またはプロセスの制御に関連する他のあらゆる信号を意味する。ここで使用される診断信号はプロセス制御ループ内の装置または要素に関連する情報を含んでいるが、プロセス変数もしくは制御信号は含まない。例えば、診断信号は弁ステム位置、印加されたトルクまたは力、アクチュエータ圧力、弁を駆動するために使用される圧力ガス、電圧、電流、電力、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、デバイス温度、スティクション（stiction）、摩擦、フル・オン（full on）およびフル・オフ（full off）の位置、行程、周波数、振幅、スペクトルおよびスペクトル成分、剛性、電界もしくは磁界の強さ、持続時間、強度、動作、電気モータの逆起電力、モータ電流ループに関連するパラメータ（制御ループ抵抗、電圧もしくは電流等）、またはシステム内で検出もしくは測定される他のあらゆるパラメータを含んでいる。さらに、プロセス信号は、例えば、プロセス変数、制御信号または診断信号等、プロセスまたはプロセス内の要素に関連するあらゆる信号を意味する。プロセス装置はプロセスループの一部を形成するか、プロセス制御ループに接続されてプロセスの制御または監視に使用されるあらゆるデバイスを含んでいる。

上述のように、図１はプロセス流体を搬送するプロセスパイプ１６およびループ電流Ｉを搬送するプロセス制御ループ１８を含むプロセス制御システム１０の例を示す図である。送信器１２、アクチュエータや弁やポンプやモータやソレノイド等のループ内の最終制御要素に接続する制御装置２２、通信機２６および制御室２０はすべてプロセス制御ループ１８の一部である。一つの構成例としてループ１８を示したが、４−２０ｍＡループ、２，３もしくは４線ループ、マルチドロップ／ループおよびＨＡＲＴ（登録商標）、フィールドバスもしくはその他のデジタルもしくはアナログ通信プロトコルに従って動作するループなどあらゆる適当なプロセス制御ループが使用されることが理解される。運転中、送信器１２はセンサ２１を使って流量等プロセス変数を感知し、かつ感知されたプロセス変数をループ１８を介して送信する。プロセス変数は制御装置／弁アクチュエータ２２、通信機２６及び／又は制御室設備２０によって受信される。弁２４に接続され、弁２４を制御することによってプロセスを制御するように適合され、これによってパイプ１６内の流量を変化させる制御装置２２が示されている。制御装置２２は、例えば制御室２０、送信器１２または通信機２６からループを介して制御入力を受け入れ、これに応答して弁２４を調整する。別の実施例では制御装置２２は、ループ１８を経由して受信したプロセス信号に基づいて制御信号を内部的に発生する。通信機２６は図１に示した可搬式通信機であるかプロセスユニットに固定的に取り付けることができるものであり、プロセスを監視し計算を実行する。プロセス装置は、例えば、図１に示した送信器１２（ミネソタ州シャンハッセンのローズマウント社から入手できる３０５１Ｓ送信器）、制御装置２２、通信機２６、および制御室２０を含む。診断ユニット２７もまた図１に記載されており、センサ、例えばここで論議されており、プロセス変数を感知するために別に使用されるものではない振動センサを含むことができる。別の形式のプロセス装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、プログラマブル・ロジック・ユニット（ＰＬＣ）または、監視、管理、及び／又はループ上への送信を可能にする適当なＩ／Ｏ回路を使用してループに接続されるその他のコンピュータである。

図１に示したプロセス装置１２，２０，２２，２６は、いずれも本発明に従った診断能力を有することができる。

工業プロセス、例えば、プロセスパイプ１６に物理的に接続される図１に示したプロセス装置はいずれも本発明に沿って振動を感知するセンサを含んでいる。プロセス運転中、振動が発生し、該振動はプロセス構成部分に伝わる。包括したプロセス構成部分２９が図１に記載されており、該構成部分はプロセスの運転による振動を受け入れられるか発生するいくつかの物理的アイテムを備えることができる。構成部分２９は診断を実行するプロセス装置内の部品から成ることができる。振動はモータ、キャビテーションつまり流体の動き、アクチュエータ等からのものである。振動は矢印３０で記載されたプロセス構成部分に沿って物理的に搬送される。これらの振動はプロセス構成部分２９の劣化や最終的な故障を引き起こすことがある。プロセス構成部分２９は工業プロセス１０に接続されるいかなる構成部分であってもよい。プロセス構成部分の例は、プロセスパイプ、弁、ポンプ、センサ、送信器、電気設備、機械設備、制御素子、導管、タンク、アクチュエータ、攪拌機、または他の構成部分もしくはデバイスを含んでいる。

本発明の一実施例に従い、送信器１２等のプロセス装置は工業プロセス中に発生する振動を感知するように構成された振動センサを含んでいる。振動センサは加速度計等、あらゆる形式の振動センサであることができる。送信器１２内または遠隔地の診断回路は感知された振動を監視するとともに、故障もしくは差し迫っている故障、またはプロセス構成部分２９の劣化を診断する能力を有する。構成部分２９は、別の実施例では診断を実行するプロセス装置の構成部分から成ることができる。その他の実施例では、構成部分は診断を実行する装置から物理的に分離されている。プロセス構成部分２９の故障または差し迫っている故障の表示を提供する出力は、送信器１２によって、例えば、２線プロセス制御ループを介して制御室２０へ供給されることができる。この情報を使用することにより、オペレータは故障した構成部分２９を、その最終的な故障の前に修理または交換することができる。これによって、プロセス１０のメンテナンスをスケジュールされた時間に発生させることができる。これは、構成部分２９の修理もしくは交換がプロセス１０が遮断されることを要する場合に特に有利である。また、特定の構成部分は、壊滅的に、またはその他の構成部分の損傷を生じさせるか、環境への不安全な生成物の放出を生じさせるように故障することがある。構成部分２９が近いうちに故障することの表示を提供することによって、または最終的な故障の時を予測することにより、構成部分２９は最終的な故障に先立って修理または交換することができる。

図２は、プロセスパイプ１６に接続されたプロセス送信器１２を示す図である。工業プロセスを通じて行き来する振動７０が示されている。例えば、振動７０はプロセスパイプ１６、パイプ１６内のプロセス流体、または送信器１２に対する他の物理的な接続部によって搬送されることがある。

送信器１２はプロセス変数センサ７２を含んでいる。プロセス変数センサ７２は、流量、圧力、温度、その他あらゆる形式のプロセス変数を感知するように構成することができる。プロセス変数センサ７２はＩ／Ｏ回路７６にプロセス変数信号を供給する測定回路７４に接続される。Ｉ／Ｏ回路７６は感知したプロセス変数に関連する情報を２線プロセス制御ループを介して送信するように構成される。別の実施例では、さらにＩ／Ｏ回路７６は送信器１２の回路および構成部分の全てに給電するために使用される電力をプロセス制御ループ１８を通じて受け入れることもできる。

送信器１２内の振動センサ８０は振動７０を感知して振動センサ信号を診断回路８２に供給する。診断回路８２は振動センサ８０によって感知された振動７０を監視し、プロセス構成部分２９の故障または差し迫っている故障の表示を提供する出力をＩ／Ｏ回路７６を経由して供給する。

プロセスパイプ１６およびプロセス設備内の振動７０は工業プロセス１０に混乱を生じさせ、プロセスパイプ１６、機械装置、およびその他のプラント構成部分に損傷をきたす。プロセス送信器１２は振動監視および潜在的損傷を検出および予測するためのビルトイン能力（built-in capability）を提供する。有害な振動を検出することにより、送信器１２は損傷したプロセス機器またはその他の設備を交換する必要を防止する。プラントの完全性および安全性は、パイプの損壊またはプロセスの封入に供するその他の設備の損傷によるプロセスのリークを防止することによって維持される。

別の実施例では、本発明の振動診断は、装置を修理または交換するための休止時間がある間、測定装置または制御装置の差し迫っている損失を予測することによってプラントのダウンタイムを回避もしくは低減することができる。振動情報はその他の装置へも供給できる。この送信のためにはデータ圧縮アルゴリズムが使用される。診断表示は２線プロセス制御ループ上に供給できる。例えば、ＨＡＲＴステータスまたはその他の警告をループ１８を介して送信することができる。このような警告は、感知した振動が予定のしきい値振幅を超えたときに制御室２０に供給することができる。振動診断警告は、瞬間的な振動がしきい値レベルを超えた場合、または例えば累積振動がしきい値を超えた場合にトリガすることができる。蓄積はセンサの寿命、部分寿命（枠を設けた）、またはピークの蓄積もしくはその他の振動サインを超えることができる。振動の動向または特定の振動サインもまた診断のために使用することができる。本発明の振動診断はプロセス装置と一体化できるので、付加的な診断装置は必要としない。診断の基礎となる振動の構成は工業プロセス中で使用される現存のプロセス情報システムと簡単に統合することができる。

振動センサ８０はどのような形式の振動センサであってもよい。多くの振動センサは単一軸に沿って動作し、その軸に沿った振動のみを感知する能力を有する。しかしながら、一実施例では一つ以上の軸に沿った振動を感知するため、つまりプロセス装置内の種々の位置での振動を形作る（プロファイルする）ために付加的なセンサつまり複数軸センサを使用する。付加的に感知された振動は、さらに詳しい診断を提供するための診断回路８２によって使用されることができる。また、振動センサ８０をプロセス送信器１２内の一つの場所以上に設置することができる。これらの付加的なセンサはまたプロセス診断の基礎にされる付加的な振動を提供するために使用することができる。プロセスシステム内に位置する一つ以上のプロセス装置からの振動測定値を比較または解析することによって診断の範囲を拡大することができる。付加的な測定値はプロセスまたはプラントの全体的な健常さに関連する情報を提供するために使用することができる。プロセスに対するプロセス装置の接続部の近くで形成された振動測定値は、突然の弁閉鎖によるエアハンマ、キャビテーション、急激な化学反応または現実のもしくは差し迫っているポンプや回転設備の故障または同様の故障等その他のプロセス障害等、特定のプロセス障害を検出するために使用することができる。

プロセスパイプの振動はまたプロセスに障害を与え、最高に効率化されたプロファイルを要求する渦流流量計または差圧に基づく流量計によって提供される流量測定値の精度を低下させる。妨害的な振動の検出は、その後の流量制御アルゴリズム中で、例えば、プロセスに対するこれらの妨害を最小化または除去して流量測定値を改善するための設定値に流速を調節する曲線適合またはその他の技術を通じて使用することができる。検出された振動７０は、プロセスが妨害されている間、流量またはその他のプロセス変数測定値の補償または“微調整（trim）”のために使用することができる。

図２において、Ｉ／Ｏ回路７６、測定回路７４および診断回路８２は分離した構成部分として示したが、これらの回路ブロックは共有回路及び／又はソフトウェアで実施することができる。例えば、これら多くの機能はデジタルプロセッサ内で実現することができる。固定されたしきい値に対する感知された振動の比較、または感知された振動の蓄積に加え、診断回路８２によってその他の診断技術を採用することができる。例えば、イフ／ゼンルール（if/then rules）を使ってエキスパートシステムを実施することができる。診断は感知された振動の周波数成分を基礎にすることができる。ニューラルネットワーク、ファジー論理等、複雑な処理を採用することができる。

図３はループ１８の一部を形成するプロセス装置２４０のブロック図である。装置２４０は包括的に示され、図１に示した送信器１２、制御装置２２、通信機２６、ユニット２７または制御室２０の設備等振動診断の実施に使用されるあらゆるプロセス装置から構成されることができる。制御室２０の設備は、例えば、ＰＬＣを有するＤＣＳシステムからなり、制御装置２２はまた“スマート（smart）”モータおよびポンプからなる。プロセス装置２４０はループ１８に端子２４４で接続されたＩ／Ｏ回路２４２を含んでいる。Ｉ／Ｏ回路は当該分野で装置２４０に対する適切な通信を容易にするための技術として知られる予め選択された入出力インピーダンスを有している。装置２４０はＩ／Ｏ回路２４２に接続されたマイクロプロセッサ２４６、マイクロプロセッサ２４６に接続されたメモリ２４８、およびマイクロプロセッサ２４６に接続されたクロック２５０を含んでいる。マイクロプロセッサ２４６はプロセス信号入力２５２を受信する。プロセス信号入力ブロック２５２はあらゆるプロセス信号の入力を表していることを意図しており、上述のように、該プロセス信号入力はプロセス変数つまり制御信号であり、Ｉ／Ｏ回路２４２を使ってループ１８から受信するか、プロセス装置２４０内で内部的に発生することができる。プロセス装置２４０はセンサ入力チャネル２５４および制御チャネルを有するように示されている。典型的には、送信器１２等の送信器はもっぱらセンサ入力チャネル２５４を含んでいるが、制御装置２２等の制御装置はもっぱら制御チャネル２５６を含んでいる。通信機２６および制御室２０の設備のようなループ１８上のその他の装置はチャネル２５４，２５６を含まなくてもよい。装置２４０は複数のプロセス変数を監視、及び／又は複数の制御要素を適切に制御するするための複数のチャネルを収容できることが理解できる。

センサ入力チャネル２５４は、プロセス変数を感知してセンサ出力を増幅器２５８に供給するセンサ２１を含んでおり、増幅器２５８はアナログ・デジタル変換器２６０でデジタル化される出力を有する。チャネル２５４は、典型的には送信器１２のような送信器で使用される。補償回路２６２はデジタル化された信号を補償し、マイクロプロセッサ２４６にデジタル化されたプロセス変数信号を供給する。一実施例では、チャネル２５４は診断信号を受信する診断チャネルを備える。

プロセス装置２４０が制御装置２２のような制御装置として動作するとき、装置２４０は、例えば弁のような制御要素２４を有する制御チャネルを含む。制御要素２４は、デジタル・アナログ変換器２６４、増幅器２５６およびアクチュエータ２６８を介してマイクロプロセッサ２４６に接続される。デジタル・アナログ変換器２６４はマイクロプロセッサ２４６からのコマンド出力をデジタル化し、そのデジタル信号は増幅器２６６によって増幅される。アクチュエータ２６８は増幅器６からの出力に基づいて制御要素２４を制御する。一実施例では、アクチュエータ２６８はループ１８に直接接続され、ループ１８を流れる電流Ｉに応じて位置制御要素２４に対する圧力ガスの源（図示しない）を制御する。一実施例では、制御装置２２は制御要素を制御する制御チャネル２５６を含むとともに、弁ステム位置、力、トルク、アクチュエータ圧力、圧力空気の圧力源等、診断信号を供給するセンサ入力チャネルをも含んでいる。

一実施例では、Ｉ／Ｏ回路２４２は、ループ１８から受け入れた電力を使ってプロセス装置２４０内のその他の全ての回路に電力を供給するために使用される電力出力を供給する。典型的には、送信器１２または制御装置２２のような現場装置はループ１８から電力供給されるが、通信機２６や制御室２０は別の電力源を有している。上述のように、プロセス信号入力２５２はマイクロプロセッサ２４６にプロセス信号を供給する。このプロセス信号はセンサ２１からのプロセス変数、制御要素２４に供給される制御出力、センサ８０による診断信号、またはループ１８を通じて受信した制御信号、プロセス変数もしくは診断信号、または別のＩ／Ｏチャネルのような、その他なんらかの手段で受信もしくは発生されたプロセス信号であってもよい。

また、ユーザＩ／Ｏ回路２７６がマイクロプロセッサ２４６に接続され、装置２４０およびユーザ間の通信手段を提供する。典型的には、ユーザＩ／Ｏ回路２７６は出力のための表示装置および音声装置および入力のためのキーパッドを含んでいる。典型的には、通信機２６および制御室２０は、ユーザがプロセス変数、制御信号（設定値、校正値、警報、警報状態等）のようなプロセス信号を監視および入力できるように、Ｉ／Ｏ回路２７６を含んでいる。ユーザは、ループ１８を通じて送信器１２および制御装置２２に前記プロセス信号を送受信するため、前記通信機２６内の回路２７６または制御室を使用してもよい。また、前記回路は送信器１２、制御装置２２またはその他のあらゆるプロセス装置２４０内に直接設けることができる。

図３は、また個々のセンサであるか、複数のセンサもしくは構成部分で形成することができる振動センサ８０を示している。一実施例では、センサ８０は、例えば、アナログ／デジタル変換器２９０および増幅器２９２を介してマイクロプロセッサ２４６に接続される。マイクロプロセッサ２４６は感知した振動を監視してプロセス構成部分の故障もしくは差し迫っている故障の表示を提供することができる。例えば、マイクロプロセッサは感知した振動を基準線値あるいは名目値と比較することができる。この情報はメモリ２４８に格納できる。基準線および名目値はプロセスの動作モードもしくはその他の要素に基づいて変化することができる。基準線は具体的な周波数成分またはサインであることができ、観察されたプロセス運転の履歴を基礎とすることができる。さらに、マイクロプロセッサ２４６による診断は感知された振動の動向に基づいて行うことができる。例えば、増加、つまり緩やかな、もしくは急激な時間超過、または感知された振動中の周期的なスパイクもしくはその他の異常は、プロセス構成部分の故障または差し迫っている故障の表示となることができる。同様に、感知した振動が突然スパイクした場合、マイクロプロセッサ２４６はプロセスの構成部分が故障するか故障していることを示す診断出力を供給する。これらの値、傾向、またはトレーニングプロファイルもまたメモリ２４８に格納することができる。診断は、測定値の観察平均（observing averages）やローリング平均（rolling averages）などの単純あるいはより複雑な数学的手法、ファジー論理手法、ニューラルネットワーク手法、エキスパートシステム手法等を用い、一連のルール及び／又はしきい値比較で行うことができる。種々の実施例において、予測的診断を提供する本発明の能力は、サービス要員に最終的な故障の前にプロセス構成部分へサービスを行うための時間を提供する点で有利であることができる。

本発明の診断出力は、出力信号の提供、オペレータへの視覚的表示の提供、もしくは制御室への送信のための通信信号の提供、またはその他の診断予告のために使用することができる。

上述のとおり、診断は感知された振動を使用する種々の手法に基づくことができる。例えば、診断は一定周期に亘る振動の動向を使用することができる。この情報はベアリングまたはポンプ構成部分の損耗と関連付けるために使用することができる。また、プロセス構成部分が振動にさらされる累積の測定値を提供するために使用でき、プロセスパイプまたは取り付けハードウェアまたはブラケットのような機械的接続部が差し迫った故障にさらされるのを予測するために使用することができる。また、診断回路は工業プロセスの運転中に起こる種々の段階またはできごとに振動信号を関連付けるために使用することができる。例えば、積極的な化学反応は特殊な振動サインを有することがある。ある実施例では、振動センサの校正または特性化が行われる場合、振動の単純な相関測定、例えば良好傾向、悪化傾向、または一定保持で十分である。振動の完全な測定を診断の実施に使用することもできる。

振動センサ８０は適当などのような振動センサであってもよい。振動検出および測定センサとして知られる一つのものは加速度計である。容量的、電気力学的、ピエゾ電気的およびその他を含む現在使用されている数多くの異なる加速度計技術がある。加速度計は感知した信号に関連する出力信号を生成する。出力信号は、振動の強さもしくは振動の周波数に対して直線性またはその他の関連性を有することがある。振動センサの別の例は振動を感知するためにカンチレバーが使用されるＭＥＭＳ構成中に具現化することができる。

ピエゾ電気的加速度計はかなり頑丈であり、殆んどの可聴周波数領域をカバーする数十キロヘルツオーダーの広い信号帯域を有している。センサの一例は、ＰＣＢピエゾエレクトロニクスから入手でき、ＩＭＩセンサシリーズ６６０として特定される低価格埋め込み型加速度計の一群である。信号処理を有するかもしくは有していない２線および３線低電力を含む種々の構成を利用できる。例えば、低電力構成のものは、拡張された温度範囲に亘って動作し、広い温度変化を受けるプロセスに直接取り付けることができる。例えば、直流３〜５Ｖであって、センサを流れる電流が７５０μＡオーダーの駆動で電圧が印加される。

加速度計の別の例はモトローラから入手できるＭＭＡシリーズとして特定される。これらの加速度計は表面取り付け一体型回路パッケージ、温度補償、積分信号調整およびフィルタリング、自動テストおよび故障保持能力等種々のオプションを含む。これらの加速度計は二つの固定電極およびこれらの間に位置された可動電極としてモデル化できる容量的感知手法を使用する。中央電極はシステムが加速度にさらされたとき、静止位置から偏向する。

本発明を好ましい実施例を参照して記述したが、当業者は本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細を変形できることを認識できるであろう。プロセス接続装置は、振動センサに振動を伝えることができるあらゆる形式の接続装置であることができる。プロセス接続装置はプロセスへ振動センサを直接取り付ける接続装置を含む。振動はプロセス連結部、取り付け構造、配線系等を介して受け取ることができる。ある種の実施例では、本発明はあらゆる形式のプロセス装置内に組み入れることができる。一実施例ではプロセス装置に振動診断機能を一体化させることにより、付加的な診断装置を必要としない。プロセス装置はそれ自体で診断を実行することができる。言い換えれば、構成部分２９は振動の受け入れ、及び／又は診断を実行することができる構成部分であることができる。

プロセス配管に結合されたプロセス送信器を含む工業プロセスの図である。 図１のプロセス送信器内の回路および構成部分のブロック図である。 本発明を実施する際に使用されるプロセス装置の簡単化されたブロック図である。

符号の説明

１２……送信器、 １６……プロセスパイプ、 １８……ループ、 ７０……振動、 ７２……プロセス変数センサ、 ７４……測定回路、 ７６……Ｉ／Ｏ回路、 ８０……振動センサ、 ８２……診断回路

Claims (55)

1. プロセスへ接続されるプロセス装置と、
   前記プロセス装置をプロセスへ接続するためのプロセス接続装置と、
   振動を感知し、該感知された振動信号を提供するように構成された振動センサと、
   感知した振動信号を受信し、これに応答してプロセス障害またはプロセス構成部分の動作に関連した診断出力を提供するように構成されており、前記プロセス装置内に配置された診断回路とを備えた工業プロセス制御または監視システムで使用される装置。
2. 前記プロセス装置が、プロセス変数を感知するためのプロセス変数センサを含んでいる請求項１記載の装置。
3. 前記プロセス装置が、プロセスの動作を制御するように構成された制御要素を含んでいる請求項１記載の装置。
4. 前記プロセス装置が、プロセス信号を受信するように構成された入力部を含んでいる請求項１記載の装置。
5. 前記プロセス装置が、２線プロセスループに接続するように構成された通信回路を含む出力回路を含んでいる請求項１記載の装置。
6. 前記振動がプロセス構成部分を通じて搬送される請求項１記載の装置。
7. 前記振動センサが加速度計からなる請求項１記載の装置。
8. 前記振動センサが一つの軸に沿った振動を感知するように構成されている請求項１記載の装置。
9. 前記振動センサが一つ以上の軸に沿った振動を感知するように構成された請求項１記載の装置。
10. 前記診断回路からの出力がプロセス制御ループ上に送出される請求項１記載の装置。
11. 前記診断出力が、プロセス構成部分の故障に関連している請求項１記載の装置。
12. 前記診断出力が、プロセス構成部分の能力低下に関連している請求項１記載の装置。
13. 前記診断出力が、プロセス構成部分の差し迫っている故障に関連している請求項１記載の装置。
14. 前記診断出力が、基準線レベルに対する感知された振動の比較に基づいている請求項１記載の装置。
15. 前記基準線レベルがプロセスの履歴に基づいて決定されている請求項１４記載の装置。
16. 前記診断出力が、感知された振動の蓄積に基づいている請求項１記載の装置。
17. 前記診断出力が、しきい値に対する蓄積された振動の比較に基づいている請求項１６記載の装置。
18. 前記診断出力が、感知された振動の動向に基づいている請求項１記載の装置。
19. 前記診断出力が、制御アルゴリズムを調節するために使用される請求項１記載の装置。
20. 前記診断出力が、プロセス変数測定値を補償するために使用される請求項１記載の装置。
21. 前記診断出力が、感知された振動の周波数成分に基づいている請求項１記載の装置。
22. 前記診断出力が、ルールに基づいている請求項１記載の装置。
23. 前記診断回路が、ニューラルネットワークを実践する請求項１記載の装置。
24. 前記診断回路が、ファジー論理を実践する請求項１記載の装置。
25. 前記診断出力が、変数信号内で感知されたスパイクに基づいている請求項１記載の装置。
26. 前記診断出力が、変数信号のローリング平均に基づいている請求項１記載の装置。
27. 前記振動センサが、容量的、電気力学的、ピエゾ電気的、および微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）を含んでいる振動センサ群から選択されている請求項１記載の装置。
28. 前記診断出力が、プロセス動作に関連付けられている請求項１記載の装置。
29. 振動を感知するように構成された複数のプロセス装置を含んでいる請求項１記載の装置。
30. 前記プロセス装置が、プロセス制御ループからすべて電力供給されている請求項１記載の装置。
31. 前記プロセス装置が、２線、３線および４線プロセス制御ループからなるプロセス制御ループ群から選択されたプロセス制御ループと接続するように構成されている請求項１記載の装置。
32. 工業プロセス制御システムの動作を監視する方法において、
    プロセスにプロセス装置を物理的に接続し、
    プロセス装置内の振動センサによって、物理的接続部を通じて受け入れたプロセス振動を感知し、
    プロセス構成部分の動作またはプロセスの障害を、感知された振動に基づいて診断する方法。
33. プロセス変数の感知を含んでいる請求項３２記載の方法。
34. プロセス動作の制御を含んでいる請求項３２記載の方法。
35. ２線プロセス制御ループ上へのデータ出力を含んでいる請求項３２記載の方法。
36. 前記プロセス振動が、プロセス構成部分を通じて伝えられる請求項３２記載の方法。
37. 振動の感知が、一つの軸に沿った振動の感知である請求項３２記載の方法。
38. 振動の感知が、一つ以上の軸に沿った振動の感知である請求項３２記載の方法。
39. 前記診断が、プロセス構成部分の故障に関連している請求項３２記載の方法。
40. 前記診断が、プロセス構成部分の差し迫っている故障に関連している請求項３２記載の方法。
41. 前記診断が、基準線レベルに対する感知された振動の比較に基づいている請求項３２記載の方法。
42. 前記基準線レベルが、プロセスの履歴に基づいて決定されている請求項４１記載の方法。
43. 前記診断が、感知された振動の蓄積に基づいている請求項３２記載の方法。
44. 前記診断が、しきい値に対する蓄積された振動の比較に基づいている請求項４３記載の方法。
45. 前記診断が、感知された振動の動向に基づいている請求項３２記載の方法。
46. 前記診断に基づく制御アルゴリズムの調節を含んでいる請求項３２記載の方法。
47. 前記診断に基づくプロセス変数測定値の補償を含んでいる請求項３２記載の方法。
48. 前記診断が、感知された振動の周波数成分に基づいている請求項３２記載の方法。
49. 前記診断が、ルールに基づいている請求項３２記載の方法。
50. 前記診断が、ニューラルネットワーク内で実施される請求項３２記載の方法。
51. 前記診断が、ファジー論理内で実施される請求項３２記載の方法。
52. 前記診断出力が、振動信号内の感知されたスパイクに基づいている請求項３２記載の方法。
53. 前記診断が、振動信号のローリング平均に基づいている請求項３２記載の方法。
54. 前記診断をプロセス動作に関連付けることを含んでいる請求項３２記載の方法。
55. 前記振動センサが、プロセス接続部、取付構造部または配線システムを通じて受け入れられたプロセス内の振動を感知する請求項１記載の装置。

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