JP2014524000A - 制御弁の部分ストローク試験のための自動速度探知装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

制御弁の部分ストローク試験のための自動速度探知装置は、パイロット弁および遮断弁へ動作可能に接続されたスプール弁を含む。電気モジュールが、パイロット弁、制御流体の供給および遮断弁へと動作可能に接続される。スプール弁の開位置において、第１の制御流体入口が第１の制御流体出口へと流体接続され、スプール弁の閉位置において、第１の制御流体出口が第２の制御流体出口へと流体接続される。最適ストローク速度を決定する方法は、制御要素の動きが所望の範囲に入るまで、電気モジュール中の主ソレノイドおよび副ソレノイドを反復的にオンにすることと、制御弁の制御要素を移動させるためのパラメータを更新することとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に制御弁またはアクチュエータステム速度探知装置に関する。より詳細には、本発明は、制御弁の部分ストローク試験のための自動制御弁またはアクチュエータステム最適速度探知装置に関する。

既存のプロセス制御システムの場合、プロセス制御システムを通る流体流れを制御するための制御弁が用いられることが多い。制御弁は故障することが多いため、プロセス制御装置またはプロセス制御部品（例えば、制御弁）に対して定期的に診断を行って、当該装置の操作性および性能を決定することが所望される。プロセス制御装置の操作性を決定することにより、プロセス制御装置のメンテナンスのスケジューリングの向上が可能となり、これにより、故障の発生やダウンタイムが減少する。その結果、効率、安全性および収益の増加に繋がる。プロセス制御システムにおいては、プロセス制御装置の特性を観測するために、多様なセンサーおよび他の測定装置が用いられ得る。例えば、いくつかの既存の制御システムにおいては、デジタル弁制御器を用いて、制御弁上の多様なセンサーからデータを測定および収集する。

制御弁の診断に用いられる１つの診断方法として、弁署名試験がある。弁署名試験においては、弁に対する入力（例えば、アクチュエータ圧力または制御信号）に対するアクチュエータまたはアクチュエータ弁開口部の位置を測定する。署名グラフのグラフィック表示を用いれば、工場オペレータは、設備の劣化を示し得る弁の特性変化をより容易に認識または検出することができる。そのため、いくつかの制御システムにおいては、弁メンテナンスソフトウェア（例えば、ＡＭＳ．ＴＭ．ＶａｌｖｅＬｉｎｋ．ＲＴＭ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ（Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＬＬＣ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，Ｍｏ．））を実行して、署名グラフを表示している。弁署名試験から決定することが可能ないくつかの弁特性を非限定的に挙げると、弁摩擦、アクチュエータトルク、不感帯および遮断能力ならびにアクチュエータバネレートおよびベンチセットがある。

例えば、新規の制御弁に対し、制御弁の性能のベンチマークを行うために弁署名試験が行われる場合がある（例えば、弁製造業者試験）。当業者であれば、弁署名試験においては、移動を開始するために付加された作動圧力によって開閉する際に、制御弁中の可動要素（例えば、弁プラグ）の移動距離または位置について記録および／またはトレンド測定が行われ得ることを理解する。その後の弁署名試験を制御弁に対して経時的に行うことにより、署名試験の結果を前回の試験と共に確認することにより多様な特性の変化（例えば、アクチュエータバネレートおよび弁摩擦またはトルクの変化）を決定することができる。その結果、制御弁の性能または制御に劣化が発生していないかを決定することができる。

いくつかのプロセス制御システムは、弁位置決め装置（例えば、ポジショナー）を有し得る。弁位置決め装置（例えば、ポジショナー）は、弁部材の実際の位置の測定と、実際の位置および所望の位置の比較との双方を行う。実際の位置および所望の位置が相互に異なる場合、ポジショナーは、実際の位置を調節して、所望の位置と整合させる。ポジショナーは、弁アクチュエータ中への信号入力および弁部材の位置双方を測定するため、ポジショナー内（またはポジショナーへ動作可能に接続されたコンピュータ内）のソフトウェアは、実際の測定と所望のまたはベースライン測定とを比較して、弁性能が劣化しているかを決定することができる。しかし、あまり高度ではないプロセス制御システムの場合、ポジショナーを使用せずに制御弁が用いられている場合がある。現在のところ、ポジショナーを使用しない制御弁の性能を監視することが可能な、簡単でコスト効率が高い装置は存在していない。

制御弁の部分ストローク試験のための自動速度探知装置は、スプール弁を含む。スプール弁は、パイロット弁へ動作可能に接続され、パイロット弁は、スプール弁を開位置および閉位置のうちの１つへ位置決めするように構成される。スプール弁は、第１の制御流体入口、第１の制御流体出口および第２の制御流体出口を含む。第１の制御流体入口は、制御流体の供給へ流体接続され、第１の制御流体出口は、弁アクチュエータへ接続されるように構成される。遮断弁が、スプール弁の第２の制御流体出口へ流体接続される。電気モジュールが、パイロット弁、制御流体の供給および遮断弁へ動作可能に接続される。スプール弁の開位置において、第１の制御流体入口は第１の制御流体出口へ流体接続され、スプール弁の閉位置において、第１の制御流体出口は第２の制御流体出口へ流体接続される。

制御要素を開位置から閉位置へ（またはその逆に）移動させる際の部分ストローク試験のための最適ストローク速度を自動的に決定するための方法は、最適速度探知装置を提供することを含む。最適速度探知装置は、パイロット弁および遮断弁へ動作可能に接続されたスプール弁を有する。電気モジュールが、パイロット弁、制御流体の供給および遮断弁へと動作可能に接続される。電気モジュールは、パイロット弁へ連通可能に接続された主ソレノイドと、遮断弁へ連通可能に接続された副ソレノイドとを含む。

制御弁が開位置から閉位置へと移動する際の部分ストローク最適ストローク速度を決定する際、弁が最高速度または最大速度で完全開位置から完全閉位置へ移動するのに必要な時間を測定することにより、パルス時間（ｔ_０）を先ず決定する。弁が低速または制御された速度で完全開位置から完全閉位置へ移動するのに必要な所望の時間（Ｔ）を選択する。Ｔは、ｔ_０よりも若干大きい。オープン（またはクローズ）ステップ（Ｎ）の合計数も選択する。各ステップの初期長さ（例えば、ストローク速度係数（Ｘ））は、式Ｘ＝ｔ_０／Ｎによって設定され、Ｘについての境界条件は、式Ｘ_ｍｉｎ＝０およびＸ_ｍａｘ＝Ｂ＝Ｔ／Ｎによって初期設定される。Ｎ／２ステップの完了後、制御要素の位置を測定する。調節を行い、制御要素がフルストローク長さの１／２と１／４との間で移動するまで、試験を繰り返す。

より詳細には、主ソレノイドおよび副ソレノイドを反復的にオンまたはオフすることにより、試験時における制御要素の動きを制御する。部分ストローク試験を開位置から実行する場合、先ず主ソレノイドをオフにする。副ソレノイドをＸ秒間オフにした後、副ソレノイドをＹ秒間オンにする（Ｙ＝Ｂ−Ｘ）。副ソレノイドをそれぞれＸ秒間およびＹ秒間反復的にオフにし、制御要素位置を測定する。その後、Ｘ、Ｘ_ｍａｘおよびＸ_ｍｉｎを調節し、制御要素がフルストローク長さの１／４とフルストローク長さの１／２との間で移動するまで、試験を反復的に行う。

制御弁が閉位置から開位置へ移動する際の部分ストロークの最適ストローク速度を決定するために、副ソレノイドを先ずオンにし、主ソレノイドをＸ秒間オンにし、Ｙ秒間オフにする。制御要素の位置を測定し、制御要素がフルストローク長さの１／４と１／２との間で移動するまで、試験を繰り返し行う。

部分ストローク試験のための自動速度探知装置を含む制御弁の断面図である。 弁署名グラフの一例である。 図１の自動速度探知装置の模式図である。 図３の自動速度探知装置の模式図であり、スプール弁が開位置にある。 図３の自動速度探知装置の模式図であり、スプール弁が閉位置にある。 制御要素を開位置から閉位置へと移動させる部分ストローク試験を行う際に図３の自動速度探知装置の制御器によって用いられる論理ステップを示す論理図である。 制御要素を閉位置から開位置へと移動させる部分ストローク試験を行う際に図３の自動速度探知装置の制御器によって用いられる論理ステップを示す論理図である。 図１の自動速度探知装置のスプール弁または遮断弁の一実施形態の分解斜視図である。

以下の記載において本発明の例示的実施形態について詳述するが、本発明の法律的範囲は、本特許の末尾に記載されている特許請求の範囲の文言によって規定されることが理解されるべきである。以下の詳細な説明は、ひとえに例示的なものとして解釈されるべきであり、本発明の可能な実施形態を全て記載するものではない。なぜならば、本発明の可能な実施形態を全て記載することは、（不可能ではないにしろ）非実際的であるからである。当業者であれば、本開示を読めば、現行の技術または本特許の出願日以降に開発された技術を用いて、１つ以上の代替的実施形態を実行することができる。このようなさらなる提示は、本発明を規定する特許請求の範囲に入るものである。

プロセス制御システムにおいて用いられる制御装置は、プロセス制御システム内の流体流れの調節または制御のために、プロセス制御装置（例えば、制御弁、ダンパーまたは他の可変開口部手段）を含み得る。本明細書中に記載される例示的実施形態は空気圧式制御弁に基づくが、他のプロセス制御装置（例えば、ポンプ、電気式弁、ダンパー等）も本発明の精神および範囲から逸脱することなく意図される。一般的には、制御装置（例えば、制御弁アセンブリ）を導管またはパイプ中に配置して、可動要素（例えば、制御弁内の弁プラグ）の位置を取り付けられたアクチュエータを用いて変更することによって流体流れを制御する。制御要素に対する調節を用いて一定のプロセス状態へ影響を付加して、選択された流量、圧力、流体レベルまたは温度を維持する。

制御弁アセンブリは典型的には、空気圧流体圧力（例えば、工場コンプレッサからの空気）の調節された供給源から動作されるが、他の制御流体も利用可能である。この流体圧力は、弁制御器具を通じてアクチュエータ（例えば、ステム弁のスライドのためのバネおよびダイヤフラムアクチュエータまたは回転弁のためのピストンアクチュエータ）中に案内される。この弁制御器具は、プロセス制御システムから受信された信号に応答して流体圧力を制御する。アクチュエータ中の流体圧力の大きさにより、バネおよびダイヤフラムまたはピストンのアクチュエータ内の動きおよび位置が決定され、これにより、制御弁の制御要素へ接続された弁ステムの位置が制御される。例えば、バネおよびダイヤフラムアクチュエータにおいて、ダイヤフラムは、付勢バネに抗って機能して、制御弁の入口と出口との間の弁通路内の制御要素（すなわち、弁プラグ）を配置して、プロセス制御システム内の流れを変更する必要がある。圧力チャンバ中の流体圧力増加によって制御要素開口部の範囲を増加させるかまたは制御要素開口部の範囲を低減させる（例えば、直接作動または逆作動）ように、アクチュエータを設計することができる。

図１に示すシステムの制御弁１０は、出力変数（例えば、弁位置）と入力変数（例えば、セットポイントまたはコマンド信号）との間の特性ループを用いた関係を含む。この関係を署名グラフと呼ぶ場合があり、その一例を図２に示す。図２において、例えば、弁ステムまたはアクチュエータステムの位置によって示された制御要素の位置に対してアクチュエータ圧力をプロットする。図２に示すように、アクチュエータ中の流体圧力についての全範囲の入力−出力特性が、制御弁１０の可動要素の出力位置の対応範囲に対してプロットされる。署名グラフにおいて別の入力変数（例えば、セットポイントコマンド信号）を用いてもよい。

図１へ戻って、制御弁１０は、弁本体１２を含む。弁本体１２は、流体通路１８によって接続された流体入口１４および流体出口１６を含む。制御要素または弁プラグ２０は、弁座２２と協働して、制御弁１０中の流体流れを変化させる。弁プラグ２０は、弁ステム２４に接続される。弁ステム２４は、弁プラグ２０を弁座２２に相対して移動させる。アクチュエータ３０から提供された力により、弁プラグ２０が移動する。アクチュエータ３０は、アクチュエータハウジング３２を含む。アクチュエータハウジング３２は、ダイヤフラム３４を封入する。ダイヤフラム３４は、アクチュエータハウジング３２を分割して第１のチャンバ３６および第２のチャンバ３８とする。第１のチャンバ３６および第２のチャンバ３８は、ダイヤフラム３４によって相互に流体分離される。ダイヤフラム３４は、ダイヤフラムプレート４０へと取り付けられる。ダイヤフラムプレート４０は、アクチュエータステム４２へ取り付けられる。アクチュエータステム４２は、弁ステム２４へ接続される。本実施形態においては、バネ４４は、第２のチャンバ３８内に配置され、ダイヤフラムプレート４０を弁座２２へから付勢する。他の実施形態において、バネ４４を第１のチャンバ３６内に配置してもよいし、あるいは、バネ４２をダイヤフラムプレートを弁座２２から離れる方向に付勢してもよい。いずれの場合も、第１のチャンバ３６および第２のチャンバ３８のうち１つにおける圧力を変化させることにより、アクチュエータステム４２が移動すると、弁プラグ２０が弁座２２に相対して位置付けて、弁１０内を通る流体流れを制御する。図１の実施形態において、アクチュエータハウジング３２は、制御流体入口ポート４６を含む。制御流体入口ポート４６は、制御流体を第１のチャンバ３６へ提供するか、または、第１のチャンバ３６から制御流体を除去して、第１のチャンバ３６中の制御流体圧力を変化させる。

自動速度探知装置５０は、アクチュエータ３０の制御流体入口ポート４６に接続される。自動速度探知装置５０は、アクチュエータ３０内外における制御流体の流れを制御して、部分ストローク試験のための最適ストローク速度を探知する。自動速度探知装置５０は、電気モジュール５２と、パイロット弁５４と、制御流体源（例えば、空気圧供給タンク５６）と、スプール弁５８と、遮断弁６０とを含む。電気モジュール５２は、圧力センサー６２および位置センサー６４からの圧力および位置入力を受信する。圧力センサー６２および位置センサー６４は、アクチュエータハウジング３２に取り付けられるかまたはアクチュエータハウジング３２内に配置される。圧力センサー６２は、本実施形態において、第１のチャンバ３６内の制御流体圧力を測定する。他の実施形態において、圧力センサー６２は、第２のチャンバ３８内の制御流体圧力または他の流体圧力を測定し得る。位置センサー６４は、ダイヤフラム３４、ダイヤフラムプレート４０、アクチュエータステム４４および／または弁ステム２４の位置を測定する。位置センサー６４は、ダイヤフラム３４、ダイヤフラムプレート４０、アクチュエータステム４４および弁ステム２４のうちの１より多くの位置を測定することができるものの、電気モジュール５２が必要とするのは、これらの要素のうち１つのみの位置である。

圧力センサー６２および位置センサー６４からの信号は、電気モジュール５２へと送られて解釈され、電気モジュール５２からのさらなる信号が、パイロット弁５４、供給タンク５６および弁遮断６０のうち１つ以上へと送られて、部分ストローク試験時において弁ステム２４が作動する。圧力センサー６２および位置センサー６４からの信号は、有線接続、無線接続または他の任意の電気接続を介して電気モジュール５２へと送られ得る。あるいは、圧力センサー６２および位置センサー６４は、空気圧信号、油圧信号または機械信号を電気モジュールへ送り得る。その後、電気モジュール５２は、パイロット弁５４、供給タンク５６および遮断弁６０へ制御信号を送る。これらの制御信号は、有線接続または無線接続を介して送られる電気信号であり得る。あるいは、制御信号は、空気圧信号、油圧信号または機械信号であり得る。

図２に示すフルストローク署名グラフ１００において、制御弁は全閉位置（上流部分）１０２から全開となり、制御弁は全開位置（下流部分）１０４から全閉となる。この特性グラフは、制御弁１０がオープンまたは流動許可を開始する前に、アクチュエータ３０および／または制御弁１０の運動量および摩擦またはトルクに打ち勝つための初期圧力の蓄積が必要であることを示す。オープン移動からクローズ移動へ遷移するには、運動量および摩擦に打ち勝って、制御弁１０を他の方向へ強制移動させる必要がある。遷移移動に必要な圧力は、上流経路１０２と下流経路１０４との間を交差する垂直経路１０６によって示され得る。上流経路１０２と下流経路１０４との間の領域は、不感帯と呼ばれ得る。

制御弁または弁性能が経時的に劣化した場合（例えば、制御要素の摩耗、弁パッキンの劣化、アクチュエータ圧力チャンバ中の漏れが発生した場合）、署名グラフが初期ベンチマーク測定グラフから変化し得る。このような署名グラフの経時的変化は、例えば摩擦に起因する弁動作の劣化を示し得る。このような変化により、弁または弁部品の修理または交換が促進され得る。

ベースライン署名グラフは、製造業者試験から入手することができる。あるいは、ベースライン署名グラフは、取り付け前または一定の初期動作時間時においてユーザ測定から得ることもできる。このベースライングラフを用いて、ユーザによる境界構成を支援することができる。例えば、表示されたベースライン署名グラフを用いて、ユーザは、１つ以上の境界を設定することができる。これらの１つ以上の境界は、新規の署名グラフ測定との比較対象としてのベースラインからの逸脱閾値として機能することができる。ベースライン署名グラフを用いてユーザがこれらの境界を構成すると、これらの境界が更新され得る。あるいは、典型的なコンピュータ入力装置（例えば、マウスまたはライトペン）を用いて境界を描いてもよい。弁署名グラフの評価システムの一例について、米国特許出願公開第２００８／０００４８３６号（譲受人：Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）に開示がある。本明細書中、米国特許出願公開第２００８／０００４８３６号を参照によりここに援用する。

ユーザによってベースライン署名グラフを用いて構成された境界を用いて、更新された現在の署名グラフまたは新規の署名グラフが事前設定された境界によって表される公差に適合するかまたは一定のメンテナンス作業（例えば、制御弁の修理または交換）を必要とする１つ以上の特性の劣化または逸脱を署名グラフが示すかを決定する。例えば、１つ以上の境界を構成した後、構成された境界に対して現在の署名グラフを測定および分析して、グラフの点が境界を超えるか否かを決定する。現在の署名グラフを事前構成された境界上に表示および重畳することで、特性不具合を決定することができる（例えば、現在の署名グラフが事前設定された境界から外れた点を有するかを決定することができる）。

しかし、制御弁の一般的な動作により、プロセスのうち少なくとも一部を制御するためのプロセス制御システムと関連する制御弁の通常のオンライン動作時において、特性弁署名曲線全体の周囲においてサイクル全体が常に強制的に実行されるわけではない。制御弁の入力−出力特性にわたるこのような全ての大きさの範囲の横断またはフルストロークグラフは、多くのプロセスにおいて、特殊な制御弁試験のみにおいて発生する（例えば、製造業者試験時または工場クローズ時にのみ発生する）。その代わりに、部分ストローク測定のみが可能となり得る。この状況において、１つ以上の境界の範囲を構成または調節することで、部分ストローク範囲へと整合させる。また、グラフはフルストローク工場試験にも基づき得るが、当該グラフの一部のみを用いて、現在の弁特性境界を決定することができる。あるいは、複数の部分ストロークグラフを用いて、現在の部分ストロークグラフまたは現在のフルストロークグラフ双方についての境界条件を設定する目的のために、ベースライングラフを形成することができる。

図３は、自動速度探知装置５０をより詳細に示す。電気モジュール５２は、主ソレノイド７０を含む。主ソレノイド７０は、パイロット弁５４へ連通可能に接続される。主ソレノイド７０は、コマンド信号をパイロット弁５４へ送ることにより、スプール弁５８の構成を制御する。その後、パイロット弁５４はスプール弁５８を位置決めする。一実施形態において、主ソレノイド７０から送られたコマンド信号は電気信号であり、パイロット弁５４からスプール弁５８へと送られる信号は、空気圧または油圧信号である。他の実施形態において、パイロット弁５４からの信号は、電気信号でもあり得る。スプール弁５８は、スライド可能なピストン７２を含む。スライド可能なピストン７２は、パイロット弁５４からの信号に応答して移動する。スプール弁５８は、制御流体入口ポート７４、第１の制御流体出口ポート７６および第２の制御流体出口ポート７８も含む。スプール弁５８は、１つ以上のプラグ８０も含み得る。

電気モジュール５２はまた、副ソレノイド８２を含み得る。副ソレノイド８２は、遮断弁６０へ連通可能に接続される。副ソレノイド８２は、遮断弁６０へ電気信号を送って、遮断弁６０を開閉する。第１の圧力センサー８４は、供給タンク５６中の圧力を測定し、第２の圧力センサー入力８６は、圧力センサー６２（図１）からの圧力信号を受信する。この圧力信号は、アクチュエータ３０中の流体圧力を示す。位置センサー入力８８は、アクチュエータステム４２および／または弁ステム２４の位置を示す位置センサー信号を位置センサー６４（図１）から受信する。プロセッサ９０は、図６および図７に示す論理に従って圧力入力および位置入力を処理し、主ソレノイド７０および副ソレノイド８２を制御して、パイロット弁５４、スプール弁５８および遮断弁６０を選択的に配置する。

図４に示すように、電気モジュール５２は、制御流体を供給タンク５６からアクチュエータ３０中に送るようにスプール弁５８を構成する。このような構成は、パイロット弁５４に命令してピストン７２を制御流体入口ポート７４を第１の制御流体出口ポート７６と流体接続させるように位置付けることにより、行われる。制御流体が供給タンク５６からスプール弁５８を通じてアクチュエータ３０中へと流れると、制御流体圧力はアクチュエータの第１のチャンバ３６中において増加して、ダイヤフラム３４およびダイヤフラムプレート４０を制御弁１０（図１）へ向かって移動させる。その結果、アクチュエータステム４２および弁ステム２４も制御弁１０へ向かって移動し、その結果弁プラグ２０が弁座２２から離れる方向に移動して、制御弁内を通過する流体流れが増加する。

図５に示すように、電気モジュール５２は、アクチュエータ３０からの制御流体を方向付けるようにスプール弁５８を構成することもできる。このような構成は、パイロット弁５４に命令してピストン７２を第２の制御流体出口ポート７８および第１の制御流体出口ポート７６へと流体接続させる（この場合、アクチュエータ３０中からの流体をスプール弁５８中に送る）ように位置付けることにより、行われる。制御流体がクチュエータ３０からスプール弁５８を通じて遮断弁６０中へと流れると、制御流体圧力はアクチュエータの第１のチャンバ３６中において低下し、その結果ダイヤフラム３４およびダイヤフラムプレート４０は制御弁１０（図１）から離れる方向に移動する。その結果、アクチュエータステム４２および弁ステム２４も制御弁１０から離れる方向に移動し、弁プラグ２０は弁座２２から離れる方向に移動し、その結果制御弁中を流れる流体流れが増加する。この構成において、供給タンク５６からの制御流体は、１つのプラグ８０へと流体接続され、これにより、アクチュエータ３０中への制御流体の流入が回避される。また、この構成において、遮断弁６０は、アクチュエータ３０からの流体流れの速度を最終的に制御する。

プロセッサ９０は、電気パルスの形態で主ソレノイド７０および副ソレノイド８２へと信号を送って、主ソレノイド７０および副ソレノイド８２を段階的に作動させる。このようにして、プロセッサ９０は、ピストン７２および遮断弁６０の位置を制御することにより、制御流体をアクチュエータ３０内外において流すことを高精度かつ徐々に行うことができる。その結果、アクチュエータステム４２および弁ステム２４も徐々に移動する。

部分ストローク試験を行うとき、自動速度探知システム５０は、アクチュエータの種類、アクチュエータサイズまたは制御流体圧力に関係無く、部分ストローク試験のための最適ストローク速度を決定する。この決定は、１組のソフトウェア命令をプロセッサ９０上に実行することにより、行われる。その結果、開示の自動速度探知システム５０はユニバーサルとなる（例えば、アクチュエータの種類、アクチュエータサイズおよび制御流体圧力の実質的に無限の組み合わせとの使用が可能になる）。さらに、開示の自動速度探知システム５０は、既存の制御弁に組み込むことも可能である。

一般的には、全開から全閉またはその逆に弁を移動させるための全速時間が決定されると、自動速度探知システム５０は、部分ストローク試験のための最適パルス幅（例えば、より低速および／または部分ストローク長さにおける最適パルス幅）を反復を通じて決定する。最適ストローク速度が決定されると、自動速度探知システムは、従来技術のポジショナーの場合に必要とされていたリミットスイッチの必要無く部分ストローク試験を行う。さらに、開示の自動速度探知システム５０は、ポジショナーを備えていない制御弁中の簡単なポジショナーとして用いることも可能である。公知のポジショナーと比較して、開示の自動速度探知システム５０は、構造がより簡単であり、公知のポジショナーよりも耐久性が高い。

開示の自動速度探知システム５０は、プロセッサ９０上でソフトウェアプログラムを実行することにより、部分ストローク試験のための最適パルス幅を反復的に探知する。ソフトウェアプログラムは、１組の論理命令を用い得る（例えば、図６および図７に示す論理）。図６の論理図は、弁プラグまたは制御要素が開位置から閉位置へ移動する場合において、部分ストローク試験のための速度探知ルーチンを実行する際に用いることが可能な論理の一例である。同様に、図７の論理図は、弁プラグまたは制御要素が閉位置から開位置へ移動する場合において、部分ストローク試験のための速度探知ルーチンを実行する際に用いることが可能な論理の一例である。

ここで図６を参照して、制御要素がオープンからクローズへと動く際の部分ストローク試験論理２００の一例が図示されている。先ず、システムについて特定のパラメータを設定する。例えば、フルストローク長さ（Ｌ）、フル移動の目標時間（Ｔ）およびステップ数（Ｎ）を入力する。これらの初期値は、目標時間（Ｔ）およびステップ数（Ｎ）の場合はユーザが選択することができる。あるいは、初期値は、製造業者のデータまたは実際の測定に基づいてもよい（例えば、フルストローク長さ（Ｌ）の場合）。各ストロークステップ（Ｂ）の所要時間はＴ／Ｎ秒である。プロセッサ９０は、上記した初期入力と共に開始する。ステップ２０８において、主ソレノイド７０がオンにされ、副ソレノイド８２がオフにされて、制御要素または弁プラグ２０は完全開位置に配置される。ステップ２１０において主ソレノイド７０はオフにされ、時間（ｔ_０）が測定される。ｔ_０は、制御要素または弁プラグ２０が最高速度または最大速度において完全開位置から完全閉位置へと移動するのに要する時間として規定される。上記したように、ｔ_０は、製造業者のデータまたは弁取り付け後に行われる初期測定から決定することができ、ｔ_０は各試験について測定する必要は無い。ｔ_０を測定する（かまたは製造業者データから入力する）と、オペレータがｔ_０の再測定が必要と判断しない限り、ｔ_０は一定のままである。ステップ２１２において、プロセッサ９０は、ストローク速度係数（Ｘ）をｔ_０／Ｎに設定する。ここで、ストローク速度は、最小値（Ｘ_ｍｉｎ＝０）および最大値（Ｘ_ｍａｘ＝Ｂ）を有する。ステップ２１３において、主ソレノイド７０および副ソレノイド８２をオンにして、部分ストローク試験を行うために制御要素または弁プラグ２０を完全開位置へと移動させる。ステップ２１４において、プロセッサ９０は主ソレノイド７０を命令によりオフにして、流体供給５６をアクチュエータ５０から遮断させる。ステップ２１５において、プロセッサ９０は副ソレノイド８２を命令によりＸ秒間オフにし、ステップ２１６において、プロセッサ９０は副ソレノイド８２を命令によりＹ＝Ｂ−Ｘ秒にわたってオンにする。このようにして、制御流体を段階的にアクチュエータ５０から遮断弁６０を通じて放出する。よって、制御要素または弁プラグ２０も段階的に移動する。ステップ２１５および２１６を反復的にＮ／２回行った後、ステップ２１８へと進む。他の実施形態において、ステップ２１５および２１６は、Ｎ／２回よりも多くまたは少なく行われ得る。ステップ２１５および２１６をＮ／２回行った後、ステップ２１８において、位置センサー８８からの位置信号により制御部材２０の位置を決定し、位置センサー８８は位置信号を制御器９０に送る。ステップ２２０において、制御要素２０がＬ／２よりも長く移動した場合、制御器９０はステップ２２４においてＸ_ｍａｘ＝ＸおよびＸ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２を設定する決定がなされる。その後、ステップ２１５および２１６をＮ／２回反復的に行った後、ステップ２１８へ進む。しかし、ステップ２２０において制御要素２０がＬ／２よりも長く移動しなかった場合、プロセッサ９０はステップ２２６へ進む。ステップ２２６において制御要素２０がＬ／４未満にわたって移動した場合、プロセッサ９０はステップ２２８においてＸ_ｍｉｎ＝ＸおよびＸ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２を設定する。その後、ステップ２１５および２１６を反復的にＮ／２回再度行った後、ステップ２１８へ進む。しかし、ステップ２２６においてアクチュエータステムがＬ／４を超えて移動した場合、定義により、アクチュエータの移動はＬ／２〜Ｌ／４の範囲となる。この範囲は、最適パルス速度またはストローク速度係数を定義するのに充分と思われる。最適パルス速度またはストローク速度係数は、ステップ２３０においてＸとして定義される。

ここで図７を参照して、クローズからオープンへの動きのための部分ストローク試験論理３００の一例が図示される。先ず、システムについて特定のパラメータを設定する。例えば、フルストローク長さ（Ｌ）、フル移動の目標時間（Ｔ）、およびステップ数（Ｎ）を入力する。これらの初期値は、目標時間（Ｔ）およびステップ数（Ｎ）の場合はユーザが選択することができる。あるいは、初期値は、製造業者のデータまたは実際の測定に基づいてもよい（例えば、フルストローク長さ（Ｌ）の場合）。各ストロークステップ（Ｂ）の所要時間はＴ／Ｎ秒である。

プロセッサ９０は、上記した初期入力と共に開始する。ステップ３０８において、主ソレノイド７０および副ソレノイド８２をオフにして、制御要素または弁プラグ２０を完全閉位置に配置する。ステップ３１０において主ソレノイド７０をオンにして時間（ｔ_０）を測定する。ｔ_０は、制御要素または弁プラグ２０が最高速度または最大速度において完全閉位置から完全開位置へと移動するのにかかる時間として規定される。上記したように、ｔ_０は、製造業者のデータまたは弁取り付け後に行われる初期測定から決定することができ、ｔ_０は各試験について測定する必要は無い。ｔ_０を測定する（かまたは製造業者データから入力する）と、オペレータがｔ_０の再測定が必要と判断しない限り、ｔ_０は一定のままである。ステップ３１２において、プロセッサ９０は、ストローク速度係数（Ｘ）をｔ_０／Ｎに設定する。ここで、ストローク速度は、最小値（Ｘ_ｍｉｎ＝０）および最大値（Ｘ_ｍａｘ＝Ｂ）を有する。ステップ３１３において、主ソレノイド７０および副ソレノイド８２をオフにして、部分ストローク試験を行うために制御要素または弁プラグ２０を完全閉位置へと移動させる。ステップ３１４において、プロセッサ９０は主ソレノイド７０を命令によりオンにして、流体供給５６をアクチュエータ５０へ接続する。ステップ３１５において、プロセッサ９０は主ソレノイド７０を命令によりＸ秒間オンにし、ステップ３１６において、プロセッサ９０は主ソレノイド７０を命令によりＹ＝Ｂ−Ｘ秒にわたってオフにする。このようにして、制御流体は段階的にアクチュエータ５０中へ流れる。よって、制御要素または弁プラグ２０も閉位置から開位置へと段階的に移動する。ステップ３１５および３１６を反復的にＮ／２回行った後、ステップ３１８へ進む。他の実施形態において、ステップ３１５および３１６をＮ／２回よりも多くまたは少なく行うことができる。ステップ３１５および３１６をＮ／２回行った後、ステップ３１８において位置センサー８８からの位置信号によって制御部材２０の位置を決定する。そして、位置センサー８８から位置信号が制御器９０へ送られる。ステップ３２０において、制御要素２０がＬ／２よりも長く移動した場合、制御器９０はステップ２２４においてＸ_ｍａｘ＝ＸおよびＸ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２を設定する決定がなされる。その後、ステップ３１５および３１６を再度Ｎ／２回反復的に行った後、ステップ３１８へ進む。しかしステップ３２０において制御要素２０がＬ／２よりも長く移動しなかった場合、プロセッサ９０はステップ３２６へ進む。ステップ３２６において、制御要素２０がＬ／４未満にわたって移動した場合、プロセッサ９０はステップ３２８においてＸ_ｍｉｎ＝ＸおよびＸ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２を設定する。その後、ステップ３１５および３１６を再度Ｎ／２回反復的に行った後、ステップ３１８へ進む。しかしステップ３２６においてアクチュエータステムがＬ／４よりも長く移動した場合、定義により、アクチュエータの移動はＬ／２〜Ｌ／４の範囲となる。この範囲は、最適パルス速度またはストローク速度係数を定義するのに充分と思われる。最適パルス速度またはストローク速度係数は、ステップ３３０においてＸとして定義される。

速度制御の精度は、ステップ数およびソレノイド弁応答時間によって決定される。また、アルゴリズム（例えば、ＰＩＤ制御）をプロセッサ９０へ付加することによっても、精度を向上させることができる。

図８は、スプール弁５８の一実施形態を示す。遮断弁６０において、類似の構造を用いることができる。スプール弁５８は、中央ボア９３を有する弁本体９２を含む。中央ボア９３は、プラグ８０、制御流体入口ポート７４、第１の制御流体出口ポート７６および第２の制御流体出口ポート７８と流体接続される。穿孔スリーブ９４が中央ボア９３内に配置され、スライド可能なピストン７２が穿孔スリーブ９４内に配置される。穿孔スリーブ９４は、複数の開口部９５を含む。これら複数の開口部９５は、穿孔スリーブ９４の周辺に配置される。これらの開口部９５により、制御流体入口ポートおよび出口ポート７４、７６および７８間に制御流体が流れることが可能になる。穿孔スリーブ９４は、複数のシールを含み得る（例えば、中央ボア９３の内面に対して密閉するＯリング９６）。Ｏリング９６は、複数の開口部９５を別個のグループへ分割し得る。Ｏリング９６により、穿孔スリーブ９４の外部の開口部９５の個々のグループ間のクロスフローを回避することができる。スペーサ９７および／またはシール９８を穿孔スリーブ９４のいずれかの端部に配置することで、穿孔スリーブ９４を中央ボア９３内に配置および密封することができる。スライド可能なピストン７２は、パイロット弁５４からの入力に応答して穿孔スリーブ内において移動して、制御流体入口ポート７４、第１の制御流体出口ポート７６および第２の制御流体出口ポート７８のうちの２つを相互に流体接続させて、上記したように、スプール弁５８を通じて流体流れを制御する。

開示の自動速度探知装置は、ポジショナーまたはリミットスイッチの必要無く最適ストローク速度を有利に決定する。アクチュエータステムの動きを段階的に制御するためにストローク速度を電気パルスで反復的に探知することにより、開示の自動速度探知装置は、アクチュエータの種類またはサイズを問わず、部分ストローク試験のための最適ストローク速度を迅速に決定する。

当業者であれば、本記載を読めば、本発明の多数の改変および代替的実施形態を想起するであろう。よって、本記載はひとえに例示的なものとしてみなされるべきであり、当業者が本発明を実行するための教示目的のためのものである。本開示の詳細は、本発明の精神から逸脱することなく変更可能であり、特許請求の範囲内の全ての改変の独占的使用が留保される。

Claims (20)

1. 制御弁の部分ストローク試験のための自動速度探知装置であって、前記自動速度装置は、
   パイロット弁へ動作可能に接続されたスプール弁であって、前記パイロット弁は、前記スプール弁を開位置および閉位置のうちの１つへ配置するように構成され、前記スプール弁は、第１の制御流体入口、第１の制御流体出口および第２の制御流体出口を含み、前記第１の制御流体入口は制御流体の供給へ流体接続され、前記第１の制御流体出口は、弁アクチュエータへ接続されるように構成される、スプール弁と、
   前記スプール弁の前記第２の制御流体出口へ流体接続された遮断弁と、
   前記パイロット弁、前記制御流体の供給および前記遮断弁へ動作可能に接続された電気モジュールと、
   を含み、
   前記スプール弁の前記開位置は、前記第１の制御流体入口を前記第１の制御流体出口へと流体接続させ、前記スプール弁の前記閉位置は、前記第１の制御流体出口を前記第２の制御流体出口へと流体接続させる、
   自動速度探知装置。
2. 前記電気モジュールは、前記パイロット弁へ動作可能に接続された主ソレノイドと、前記遮断弁へ動作可能に接続された副ソレノイドとを含む、請求項１に記載の自動速度探知装置。
3. 前記電気モジュールは、前記制御流体の供給へ連通可能に接続された第１の圧力センサーを含む、請求項１〜２のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
4. 前記電気モジュールは、前記弁アクチュエータの第１のチャンバへ連通可能に接続された第２の圧力センサーを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
5. 前記電気モジュールは、前記弁アクチュエータへ接続された位置センサーからの位置信号を受信するように構成された位置センサー入力を含み、前記位置センサーによって生成される位置信号は、アクチュエータステムまたは弁ステムの現在の位置を示す、請求項１〜４のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
6. 前記電気モジュールはプロセッサを含み、前記プロセッサは、前記第１の圧力センサー、前記第２の圧力センサーおよび前記位置センサーからの信号を読み出し、前記プロセッサは、前記主ソレノイドおよび副ソレノイドのための制御信号を生成する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
7. 前記制御信号は電気パルスであり、前記パイロット弁および遮断弁は、前記制御信号に応答して段階的に開閉するする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
8. 前記スプール弁は、弁本体と、前記弁本体内に配置された中央ボアと、前記中央ボア内に配置された穿孔スリーブと、前記穿孔スリーブ内に配置されたスライド可能なピストンとを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
9. 前記穿孔スリーブは複数の開口部を含み、前記複数の開口部は、１つ以上のシールによって１つ以上のグループに分離され、前記１つ以上のシールは、前記穿孔スリーブと前記弁本体との間に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の自動速度探知装置。
10. 部分ストローク試験のための自動速度探知装置を有する制御弁であって、前記制御弁は、
    流体入口、流体出口および流体通路を含む弁本体であって、前記流体通路は、前記流体入口および前記流体出口を流体接続させる、弁本体と、
    前記流体通路内に配置された弁プラグであって、前記弁プラグは、弁座と相互作用して前記弁中の流体流れを制御する、弁プラグと、
    前記弁プラグへ接続されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、制御信号に応答して前記弁プラグを開位置と閉位置との間で移動させ、前記アクチュエータは、ダイヤフラムによって分離された第１のチャンバおよび第２のチャンバを含み、前記制御信号は流体圧力信号を含み、前記流体圧力信号は、制御流体入力を通じて前記第１のチャンバに案内される、アクチュエータと、
    前記アクチュエータへ接続された自動速度探知装置であって、前記自動速度探知装置は、
    パイロット弁へ動作可能に接続されたスプール弁であって、前記パイロット弁は、前記スプール弁を開位置および閉位置のうちの１つへと移動させるように構成され、前記スプール弁は、第１の制御流体入口、第１の制御流体出口および第２の制御流体出口を含み、前記第１の制御流体入口は制御流体の供給へと流体接続され、前記第１の制御流体出口は、弁アクチュエータへ接続されるように構成される、スプール弁と、
    前記スプール弁の前記第２の制御流体出口へ流体接続された遮断弁と、
    前記パイロット弁、前記制御流体の供給および前記遮断弁へ動作可能に接続された電気モジュールと、
    を含む、
    自動速度探知装置と、
    を含み、
    前記自動速度探知装置は、弁署名試験のための最適な弁プラグ作動速度を反復的に探知する、
    制御弁。
11. 前記電気モジュールは、前記パイロット弁へ動作可能に接続された主ソレノイドと、前記遮断弁へ動作可能に接続された副ソレノイドとを含む、請求項１０に記載の制御弁。
12. 前記電気モジュールは、前記制御流体の供給へ連通可能に接続された第１の圧力センサーを含む、請求項１０〜１１のいずれか１項に記載の制御弁。
13. 前記電気モジュールは、前記アクチュエータの第１のチャンバへ連通可能に接続された圧力センサー入力を含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の制御弁。
14. 前記電気モジュールは位置センサー入力を含み、前記位置センサー入力は、前記アクチュエータへ接続された位置センサーからの位置信号を受信するように構成され、前記位置センサーによって生成される位置信号は、アクチュエータステムまたは弁ステムの現在の位置を示す、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の制御弁。
15. 前記電気モジュールはプロセッサを含み、前記プロセッサは、前記圧力センサー、前記圧力センサー入力および前記位置センサー入力からの信号を読み出し、前記プロセッサは、前記主ソレノイドおよび副ソレノイドのための制御信号を生成し、前記制御信号は電気パルスであり、前記制御信号に応答して前記パイロットおよび遮断弁を段階的に開閉するさせる、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の制御弁。
16. 制御弁の開位置から閉位置までの部分ストローク試験のための最適ストローク速度を自動的に決定する方法であって、前記方法は、
    ａ）パイロット弁へ動作可能に接続されたスプール弁を含む最適速度探知装置を提供することであって、前記パイロット弁は、前記スプール弁を開位置および閉位置のうちの１つへ配置するように構成され、前記スプール弁は、第１の制御流体入口、第１の制御流体出口および第２の制御流体出口を含み、前記第１の制御流体入口は、制御流体の供給へと流体接続され、前記第１の制御流体出口は、弁アクチュエータに接続されるように構成され、遮断弁が前記スプール弁の前記第２の制御流体出口へ流体接続され、電気モジュールが、前記パイロット弁、前記制御流体の供給および前記遮断弁へ動作可能に接続され、前記電気モジュールは、前記パイロット弁へ連通可能に接続された主ソレノイドおよび前記遮断弁へ連通可能に接続された副ソレノイドを含む、ことと、
    ｂ）前記制御弁の制御要素を最大速度において前記開位置から前記閉位置へとフルストロークさせるのに必要な時間（ｔ_０）を決定することと、
    ｃ）前記部分ストローク試験を完了させるための所望の時間（Ｔ）および所望のステップ数（Ｎ）を決定することと、
    ｄ）ストローク速度係数（Ｘ）をｔ_０／Ｎに設定することと、
    ｅ）最小ストローク速度係数（Ｘ_ｍｉｎ）をゼロに設定し、最大ストローク速度係数（Ｘ_ｍａｘ）をストロークステップ（Ｂ）に設定することであって、ＢはＴ／Ｎに等しい、ことと、
    ｆ）主ソレノイドおよび前記副ソレノイド双方をオンにして、制御要素を完全開位置に配置することと、
    ｇ）前記主ソレノイドをオフにすることと、
    ｈ）前記副ソレノイドをＸ秒間オフにすることと、
    ｉ）前記副ソレノイドを、Ｙ＝Ｂ−ＸであるＹ秒間オンにすることと、
    ｊ）ステップｈおよびｉをＮ／２回繰り返すことと、
    ｋ）前記制御要素の移動を測定することと、
    ｌ）制御要素の移動が前記フルストローク長さの１／４とフルストローク長さの１／２との間の範囲に入らない場合、Ｘと、Ｘ_ｍａｘおよびＸ_ｍｉｎのうち１つとを更新することと、
    ｍ）前記制御要素の移動が前記フルストローク長さの１／４と前記フルストローク長さの１／２との間の範囲に入るまで、ステップｆ〜ｌを繰り返すことと、
    を含む、方法。
17. ステップｈおよびｉをＮ／２回繰り返した後、前記制御要素の位置を位置センサーから決定し、前記制御要素位置の移動距離がＬ／２よりも大きい場合、Ｘ_ｍａｘおよびＸを以下の式に従って設定する、
    Ｘ_ｍａｘ＝Ｘ、Ｘ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２
    請求項１６に記載の方法。
18. ステップｈおよびｉをＮ／２回繰り返した後、前記制御要素の位置を位置センサーから決定し、前記制御要素の移動距離がＬ／４よりも小さい場合、Ｘ_ｍａｘおよびＸを以下の式に従って設定する、
    Ｘ_ｍｉｎ＝Ｘ、Ｘ＝（Ｘ_ｍｉｎ＋Ｘ_ｍａｘ）／２
    請求項１６〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記パイロット弁および遮断弁は、電気信号によって作動する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のに記載の方法。
20. 制御弁の閉位置から開位置までの部分ストローク試験のための最適ストローク速度を自動的に決定する方法であって、前記方法は、
    ａ）パイロット弁へ動作可能に接続されたスプール弁を含む最適速度探知装置を提供することであって、前記パイロット弁は、前記スプール弁を開位置および閉位置のうちの１つへ配置するように構成され、前記スプール弁は、第１の制御流体入口、第１の制御流体出口および第２の制御流体出口を含み、前記第１の制御流体入口は、制御流体の供給へと流体接続され、前記第１の制御流体出口は、弁アクチュエータに接続されるように構成され、遮断弁が前記スプール弁の前記第２の制御流体出口へ流体接続され、電気モジュールが、前記パイロット弁、前記制御流体の供給および前記遮断弁へ動作可能に接続され、前記電気モジュールは、前記パイロット弁へ連通可能に接続された主ソレノイドおよび前記遮断弁へ連通可能に接続された副ソレノイドを含む、ことと、
    ｂ）前記制御弁の制御要素を最大速度において前記閉位置から前記開位置へとフルストロークさせるのに必要な時間（ｔ_０）を決定することと、
    ｃ）前記部分ストローク試験を完了させるための所望の時間（Ｔ）および所望のステップ数（Ｎ）を決定することと、
    ｄ）ストローク速度係数（Ｘ）をｔ_０／Ｎに設定することと、
    ｅ）最小ストローク速度係数（Ｘ_ｍｉｎ）をゼロに設定し、最大ストローク速度係数（Ｘ_ｍａｘ）をストロークステップ（Ｂ）に設定することであって、ＢはＴ／Ｎに等しい、ことと、
    ｆ）主ソレノイドおよび前記副ソレノイド双方をオフにして、制御要素を完全閉位置に配置することと、
    ｇ）前記副ソレノイドをオンにすることと、
    ｈ）前記主ソレノイドをＸ秒間オンにすることと、
    ｉ）前記主ソレノイドを、Ｙ＝Ｂ−ＸであるＹ秒間オフにすることと、
    ｊ）ステップｈおよびｉをＮ／２回繰り返すことと、
    ｋ）前記制御要素の移動を測定することと、
    ｌ）前記制御要素の移動が前記フルストローク長さの１／４と前記フルストローク長さの１／２との間の範囲に入らない場合、Ｘと、Ｘ_ｍａｘおよびＸ_ｍｉｎのうち１つとを更新することと、
    ｍ）前記弁プラグの移動が前記フルストローク長さの１／４と前記フルストローク長さの１／２との間の範囲に入るまで、ステップｆ〜ｌを繰り返すことと、
    を含む、方法。

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