JP2016173160A - ポジショナ - Google Patents
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Abstract
【課題】供給空気圧やフリクションによって操作器の動作時間が変動しても、最適な制御パラメータを選択・設定することができるようにする。【解決手段】操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と調節弁の弁軸の摺動抵抗(フリクション)が取り得る範囲を区分して定められた摺動抵抗領域とに対応する補正値を第1の補正値α1として定めた第1の補正値テーブルTCと、操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と供給空気圧Psが取り得る範囲を区分して定められた供給空気圧領域とに対応する補正値を第2の補正値α2として定めた第2の補正値テーブルTDとを用い、計測された操作器の動作時間S1を補正し、この補正した動作時間S1から操作器のサイズを決定する。【選択図】 図2
Description
この発明は、調節弁の開度を制御するポジショナに関するものである。
従来より、流体が流れる管路に設けられる調節弁に対してポジショナを取り付け、このポジショナによって調節弁の開度を制御するようにしている。
このポジショナは、上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施して得られる電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧信号に変換する電空変換器と、この電空変換器が変換した空気圧信号を増幅し調節弁の操作器へ出力するパイロットリレーとを備えている(例えば、特許文献1参照)。
図9に従来のポジショナの要部の構成を示す。同図において、1はポジショナ、2は調節弁であり、調節弁2にはその弁開度(バルブの開度)を検出する開度センサ3が設けられている。ポジショナ1は、制御部11と、電空変換器(EPM)12と、パイロットリレー13とを備えており、開度センサ3が検出する調節弁2の弁開度が実開度値θpvとして制御部11へフィードバックされるようになっている。
ポジショナ1において、制御部11は、上位装置(図示せず)からの弁開度設定値θspと開度センサ3からの実開度値θpvとの偏差を求め、この偏差にPID制御演算を施して得られる電気信号を制御出力MVとして出力する。
電空変換器12は、制御部11からの制御出力MVを空気圧信号(ノズル背圧)Pnに変換する。パイロットリレー13は、電空変換器12からの空気圧信号Pnを増幅し、空気圧Poとして調節弁2の操作器2aへ出力する。これにより、操作器2a内のダイアフラム室に空気圧Poの空気が流入し、調節弁2のバルブ2bの開度が調整される。
なお、このポジショナ1において、電空変換器12とパイロットリレー13とによって、制御部11からの制御出力MVを調節弁2への空気圧(出力空気圧)Poに変換する電空変換部14が構成されている。また、電空変換器12およびパイロットリレー13には、外部からの供給空気圧(計装空気)Psが供給される。
また、調節弁2は、図10にその要部の構成を示すように、操作器2a内のダイアフラム室2cに供給されるポジショナ1からの空気圧Poによって上下動させる弁軸(ステム)2dが設けられており、弁軸2dの外周面と軸挿通孔2eの内周面との間にはグランドパッキン2fが設けられている。グランドパッキン2fは弁軸2dの軸方向に密着して設けられた複数のリング状のパッキンから構成されており、その隙間から流体が外部に漏洩することを防止する。
このポジショナ1において、制御部11には、調節弁2の適切な開度制御を実行するために、調節弁2の特性に応じた適切な制御パラメータを設定しなければならない。このため、現場に設置(新規あるいは交換)して実際に調節弁2の開度制御を行う前や定期のメンテナンスなどに際して、制御部11で使用する制御パラメータのチューニングを行うようにしている。この制御パラメータのチューニングは、オートセットアップ時などに、自動的に行われる(例えば、特許文献2参照)。
この場合、制御部11は、自動チューニング指令を受けると、調節弁2を実駆動し、調節弁2の弁開度が例えば10%位置から90%位置へと連続的に移行する際の応答時間を動作時間として求め、この求めた動作時間より操作器のサイズと動作時間との対応を定めた操作器サイズ−動作時間テーブルを参照して、操作器2aのサイズを決定する(図11に示すステップS101)。なお、この場合の動作時間は一般に動作スピードと呼ばれているが、この明細書では動作時間という言葉で統一する。
そして、制御部11は、調節弁2の弁開度位置の例えば40%位置から60%位置へのステップ応答から調節弁2の弁軸2dの摺動抵抗(ステム往復動抵抗)をフリクションとして求め(ステップS102)、この求めたフリクションよりヒステリシスレベル(HYS)−フリクションテーブルを参照して、ヒステリシスレベル(H/M/L)を決定する(ステップS103)。
そして、制御部11は、ステップS101で決定した操作器のサイズとステップS103で決定したヒステリシスレベルとから、操作器のサイズとヒステリシスレベルと制御パラメータとの対応を定めた制御パラメータテーブルを参照して対応する制御パラメータを選択し(ステップS104)、この選択した制御パラメータを調節弁2の弁開度の制御に際して使用する適切な制御パラメータとして設定する(ステップS105)。
しかしながら、このようなポジショナによって弁開度が制御される調節弁において、操作器の動作時間は、供給空気圧(Ps)と調節弁の弁軸の摺動抵抗(フリクション)とによって変動する。操作器の動作時間は、供給空気圧が高い程短くなり、フリクションが大きい程、すなわちヒステリシスが大きい程、長くなる傾向がある。供給空気圧が高い(>400kPa)又は、ヒステリシスが大きい(>10%)場合、動作時間への影響が大きくなる。
供給空気圧やフリクションによって操作器の動作時間が変動すると、図11に示したステップS101での操作器サイズの決定に際し、動作時間が正規の動作時間の区分を外れ、誤った操作器サイズを決定していまい、ステップS104で選択した制御パラメータが最適な制御パラメータとならず、ポジショナの動特性に問題(整定時間大、オーバーシュート大、ハンチング)が発生する場合があった。
なお、この問題の対応として、制御パラメータを手動調整することが考えられるが、設定項目が多く、調整経験を必要とする作業の為、サービス部門やユーザー側での対応は困難である場合が多い。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、供給空気圧やフリクションによって操作器の動作時間が変動しても、最適な制御パラメータを選択・設定することが可能なポジショナを提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差に応じた電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧に変換し調節弁の操作器へ出力する電空変換部とを備えたポジショナにおいて、調節弁に用いられる操作器のサイズ毎に調節弁の弁軸の摺動抵抗のレベルと調節弁の弁開度を制御する際に使用する制御パラメータとの対応を記憶する制御パラメータ記憶部と、調節弁に用いられる操作器のサイズ毎にその操作器のサイズと動作時間との対応を記憶する操作器サイズ−動作時間記憶部と、調節弁に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と調節弁の弁軸の摺動抵抗が取り得る範囲を区分して定められた摺動抵抗領域とに対応して定められた補正値を第1の補正値として記憶する第1の補正値記憶部と、調節弁に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と電空変換部に供給される計装空気の圧力が取り得る範囲を区分して定められた供給空気圧領域とに対応して定められた補正値を第2の補正値として記憶する第2の補正値記憶部と、調節弁を実駆動し、調節弁に用いられている操作器の動作時間を計測する動作時間計測部と、調節弁を実駆動し、調節弁の弁軸の摺動抵抗を計測する摺動抵抗計測部と、電空変換部に供給されている計装空気の圧力を供給空気圧として計測する供給空気圧計測部と、動作時間計測部によって計測された動作時間と摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する第1の補正値を第1の補正値記憶部から取得する第1の補正値取得部と、動作時間計測部によって計測された動作時間と供給空気圧計測部によって計測された供給空気圧とに対応する第2の補正値を第2の補正値記憶部から取得する第2の補正値取得部と、動作時間計測部によって計測された動作時間を第1の補正値取得部によって取得された第1の補正値と第2の補正値取得部によって取得された第2の補正値とによって補正する動作時間補正部と、動作時間補正部によって補正された動作時間に対応する操作器のサイズを操作器サイズ−動作時間記憶部より取得する操作器サイズ取得部と、操作器サイズ取得部によって取得された操作器のサイズと摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する制御パラメータを制御パラメータ記憶部から選択する制御パラメータ選択部とを備え、制御部は、制御パラメータ選択部によって選択された制御パラメータを使用して調節弁の弁開度を制御することを特徴とする。
この発明によれば、動作時間計測部によって計測された動作時間と摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する第1の補正値が第1の補正値記憶部から取得され、動作時間計測部によって計測された動作時間と供給空気圧計測部によって計測された供給空気圧とに対応する第2の補正値が第2の補正値記憶部から取得され、動作時間計測部によって計測された動作時間が第1の補正値取得部によって取得された第1の補正値と第2の補正値取得部によって取得された第2の補正値とによって補正され、この補正された動作時間に対応する操作器のサイズが操作器サイズ−動作時間記憶部より取得される。
この場合、動作時間は第1の補正値と第2の補正値とによって補正されているので、第1の補正値記憶部および第2の補正値記憶部に記憶させる第1の補正値および第2の補正値を適切な値として定めておくことにより、正しい操作器のサイズが取得されるものとなる。そして、この取得された操作器のサイズと摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する制御パラメータが制御パラメータ記憶部から選択され、この選択された制御パラメータを使用して調節弁の弁開度が制御される。この制御パラメータは、操作器サイズ取得部において正しい操作器のサイズが取得されていることから、適切な制御パターンとして設定される。
本発明によれば、動作時間計測部によって計測された動作時間と摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する第1の補正値を第1の補正値記憶部から取得し、動作時間計測部によって計測された動作時間と供給空気圧計測部によって計測された供給空気圧とに対応する第2の補正値を第2の補正値記憶部から取得し、動作時間計測部によって計測された動作時間を第1の補正値取得部によって取得された第1の補正値と第2の補正値取得部によって取得された第2の補正値とによって補正するようにしたので、第1の補正値記憶部および第2の補正値記憶部に記憶させる第1の補正値および第2の補正値を適切な値として定めておくことにより、正しい操作器のサイズを取得するようにして、供給空気圧やフリクションによって操作器の動作時間が変動しても、最適な制御パラメータを選択・設定することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係るポジショナの一実施の形態の要部を示す図である。同図において、図9と同一符号は図9を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。
本実施の形態のポジショナ1では、ポジショナ1の電空変換部14への計装空気の圧力を供給空気圧Pspvとして計測する供給空気圧計測部15を設け、この供給空気圧計測部15が計測する供給空気圧Pspvを制御部11へ与えるようにしている。
また、このポジショナ1において、制御部11は、本実施の形態特有の機能として、操作器サイズの決定に際する動作時間を補正して調節弁2の弁開度を制御する際に使用する最適な制御パラメータを選択・設定する制御パラメータ選択設定機能F1を備えている。
以下、本実施の形態のポジショナ1を1Aとし、図9に示した従来のポジショナ1(1B)と区別する。また、本実施の形態の制御部11を11Aとし、図9に示した従来のポジショナ1Bにおける制御部11(11B)と区別する。制御部11Aは、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。
図2に制御部11Aの要部の機能ブロック図を示す。制御部11Aは、制御パラメータ選択設定機能F1を実現するために、制御パラメータ記憶部16と、操作器サイズ−動作時間記憶部17と、第1の補正値記憶部18と、第2の補正値記憶部19と、動作時間計測部20と、摺動抵抗計測部21と、第1の補正値取得部22と、第2の補正値取得部23と、動作時間補正部24と、操作器サイズ取得部25と、制御パラメータ選択部26と、制御パラメータ設定部27とを備えている。
制御パラメータ記憶部16には、本発明でいう調節弁の弁軸の摺動抵抗のレベルをヒステリシスレベル(HYS)とし、調節弁2に用いられる操作器のサイズ毎にヒステリシスレベル(HYS)と制御パラメータ(KP、TI、TD、GE、GKP、GTI、GTD)との対応を定めた制御パラメータテーブルTA(図3参照)が記憶されている。本実施の形態では、ヒステリシスレベル(HYS)をH/M/Lの3段階に分け、この3段階のヒステリシスレベル(HYS)に対応する制御パラメータを定めている。
操作器サイズ−動作時間記憶部17には、調節弁2に用いられる操作器のサイズと動作時間との対応を定めた操作器サイズ−動作時間テーブルTB(図4参照)が記憶されている。本実施の形態では、操作器Xに対してその動作時間の取り得る範囲(動作時間領域)がa〜bとして、操作器Yに対してその動作時間の取り得る範囲(動作時間領域)がb〜cとして、操作器Yに対してその動作時間の取り得る範囲(動作時間領域)がc〜として定められている。
第1の補正値記憶部18には、調節弁2に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と調節弁2の弁軸2dの摺動抵抗(フリクション)が取り得る範囲を区分して定められた摺動抵抗領域とに対応する補正値を第1の補正値α1として定めた第1の補正値テーブルTC(図5参照)が記憶されている。この第1の補正値α1は、操作器のサイズ毎にフリクションと動作時間の変化量(フリクションが0であるときの動作時間との差)との関係を求め(図6参照)、フリクションの各区分毎の動作時間の変化量の例えば平均値として定めている。
第2の補正値記憶部19には、調節弁2に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と電空変換部14に供給される計装空気の圧力(供給空気圧)Psが取り得る範囲を区分して定められた供給空気圧領域とに対応する補正値を第2の補正値α2として定めた第2の補正値テーブルTD(図7参照)が記憶されている。この第2の補正値α2は、操作器のサイズ毎に供給空気圧Psと動作時間の変化量(供給空気圧Psが基準値(例えば、200kPa)であるときの動作時間との差)との関係を求め(図8参照)、供給空気圧Psの各区分毎の動作時間の変化量の例えば平均値として定めている。
以下、図2に示した制御部11Aにおける動作時間計測部20,摺動抵抗計測部21,第1の補正値取得部22,第2の補正値取得部23,動作時間補正部24,操作器サイズ取得部25,制御パラメータ選択部26および制御パラメータ設定部27の機能について、その動作を交えながら説明する。
制御部11Aは、自動チューニング指令を受けると、調節弁2を実駆動し、調節弁2の弁開度が例えば10%位置から90%位置へと連続的に移行する際の応答時間を操作器2aの動作時間S1として求める。この動作時間S1を求める役割を果たすのが動作時間計測部20である。この実施の形態において、動作時間計測部20は、弁開度が10%位置から90%位置へと連続的に移行する際の往復の応答時間の平均値を動作時間S1として計測する。なお、往復ではなく、片道の応答時間であっても構わない。
また、制御部11Aは、自動チューニング指令を受けると、調節弁2を実駆動し、調節弁2の弁軸2dの摺動抵抗(ステム往復動抵抗)をフリクションFとして求める。このフリクションFを求める役割を果たすのが摺動抵抗計測部21である。この実施の形態において、摺動抵抗計測部21は、調節弁2の弁開度位置の例えば40%位置から60%位置へのステップ応答からフリクションFを計測する。
動作時間計測部20が計測した操作器2aの動作時間S1は第1の補正値取得部22と第2の補正値取得部23と動作時間補正部24とに送られ、摺動抵抗計測部21が計測したフリクションFは第1の補正値取得部22と制御パラメータ選択部26とに送られる。
第1の補正値取得部22は、動作時間計測部20によって計測された動作時間S1と摺動抵抗計測部21によって計測されたフリクションFとを入力とし、この動作時間S1とフリクションFとに対応する第1の補正値α1を第1の補正値記憶部18に記憶されている第1の補正値テーブルTCから取得する。この第1の補正値取得部22が取得した第1の補正値α1は動作時間補正部24に送られる。
第2の補正値取得部23は、動作時間計測部20によって計測された動作時間S1と供給空気圧計測部15によって計測された供給空気圧Pspvとを入力とし、この動作時間S1と供給空気圧Pspvとに対応する第2の補正値α2を第2の補正値記憶部19に記憶されている第2の補正値テーブルTDから取得する。この第2の補正値取得部23が取得した第2の補正値α2は動作時間補正部24に送られる。
動作時間補正部24は、動作時間計測部20によって計測された動作時間S1と第1の補正値取得部22によって取得された第1の補正値α1と第2の補正値取得部23によって取得された第2の補正値α2とを入力とし、動作時間計測部20によって計測された動作時間S1を第1の補正値取得部22が取得した第1の補正値α1と第2の補正値取得部23が取得した第2の補正値α2とで補正する。この場合、フリクションFが大きければ動作時間S1は長くなっていると考えられるので、動作時間S1から第1の補正値α1を減算する。また、供給空気圧Pspvが高ければ、動作時間S1は短くなっていると考えられるので、動作時間S1に第2の補正値α2を加算する。動作時間補正部24で補正された動作時間S1はS1’として操作器サイズ取得部25に送られる。
操作器サイズ取得部25は、動作時間補正部24によって補正された動作時間S1’に対応する操作器のサイズを操作器サイズ−動作時間記憶部17に記憶されている操作器サイズ−動作時間テーブルTBから取得する。この場合、動作時間S1’は動作時間補正部24において第1の補正値α1と第2の補正値α2とによって補正されているので、正しい操作器のサイズが取得されるものとなる。この操作器サイズ取得部25で取得された操作器のサイズは制御パラメータ選択部26に送られる。
制御パラメータ選択部26は、操作器サイズ取得部25によって取得された操作器のサイズと摺動抵抗計測部21によって計測されフリクションFとを入力とし、入力された操作器のサイズとフリクションFが属するヒステリシスレベル(HYS)とに対応する制御パラメータを制御パラメータ記憶部16に記憶されている制御パラメータテーブルTAから選択する。この制御パラメータ選択部26が選択した制御パラメータは制御パラメータ設定部27に送られる。
制御パラメータ設定部27は、パラメータ選択部26から制御パラメータが送られてくると、その制御パラメータを調節弁2の弁開度を制御する際に使用する制御パラメータとして設定する。この制御パラメータは、操作器サイズ取得部25において正しい操作器のサイズが取得されていることから、適切な制御パターンとして設定される。このようにして、本実施の形態によれば、供給空気圧PsやフリクションFによって操作器2aの動作時間Sが変動しても、最適な制御パラメータが選択・設定されるものとなる。
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
1(1A)…ポジショナ、2…調節弁、2a…操作器、2b…バルブ、2d…弁軸(ステム)、2f…グランドパッキン、3…開度センサ、11(11A)…制御部、12…電空変換器、13…パイロットリレー、14…電空変換部、15…供給空気圧計測部、16…制御パラメータ記憶部、17…操作器サイズ−動作時間記憶部、18…第1の補正値記憶部、19…第2の補正値記憶部、20…動作時間計測部、21…摺動抵抗計測部、22…第1の補正値取得部、23…第2の補正値取得部、24…動作時間補正部、25…操作器サイズ取得部、26…制御パラメータ選択部、27…制御パラメータ設定部、F1…制御パラメータ選択設定機能、TA…制御パラメータテーブル、TB…操作器サイズ−動作時間テーブル、TC…第1の補正値テーブル、TD…第2の補正値テーブル。
Claims (1)
- 上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差に応じた電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧に変換し前記調節弁の操作器へ出力する電空変換部とを備えたポジショナにおいて、
前記調節弁に用いられる操作器のサイズ毎に前記調節弁の弁軸の摺動抵抗のレベルと前記調節弁の弁開度を制御する際に使用する制御パラメータとの対応を記憶する制御パラメータ記憶部と、
前記調節弁に用いられる操作器のサイズ毎にその操作器のサイズと動作時間との対応を記憶する操作器サイズ−動作時間記憶部と、
前記調節弁に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と前記調節弁の弁軸の摺動抵抗が取り得る範囲を区分して定められた摺動抵抗領域とに対応して定められた補正値を第1の補正値として記憶する第1の補正値記憶部と、
前記調節弁に用いられる操作器のサイズに対応して定められた動作時間領域と前記電空変換部に供給される計装空気の圧力が取り得る範囲を区分して定められた供給空気圧領域とに対応して定められた補正値を第2の補正値として記憶する第2の補正値記憶部と、
前記調節弁を実駆動し、前記調節弁に用いられている操作器の動作時間を計測する動作時間計測部と、
前記調節弁を実駆動し、前記調節弁の弁軸の摺動抵抗を計測する摺動抵抗計測部と、
前記電空変換部に供給されている計装空気の圧力を供給空気圧として計測する供給空気圧計測部と、
前記動作時間計測部によって計測された動作時間と前記摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する第1の補正値を前記第1の補正値記憶部から取得する第1の補正値取得部と、
前記動作時間計測部によって計測された動作時間と前記供給空気圧計測部によって計測された供給空気圧とに対応する第2の補正値を前記第2の補正値記憶部から取得する第2の補正値取得部と、
前記動作時間計測部によって計測された動作時間を前記第1の補正値取得部によって取得された第1の補正値と前記第2の補正値取得部によって取得された第2の補正値とによって補正する動作時間補正部と、
前記動作時間補正部によって補正された動作時間に対応する操作器のサイズを前記操作器サイズ−動作時間記憶部より取得する操作器サイズ取得部と、
前記操作器サイズ取得部によって取得された操作器のサイズと前記摺動抵抗計測部によって計測された摺動抵抗とに対応する制御パラメータを前記制御パラメータ記憶部から選択する制御パラメータ選択部とを備え、
前記制御部は、
前記制御パラメータ選択部によって選択された制御パラメータを使用して前記調節弁の弁開度を制御する
ことを特徴とするポジショナ。
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