JP2019210988A - 電動バルブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】現場操作機能を果たす構成を極力簡素化して、故障率および製造コストが低く、コンパクトな電動バルブアクチュエータを提供することを課題とする。【解決手段】モータ軸12の回転を減速歯車列８により減速し、スラストユニット14またはドライブスリーブに伝達してバルブ５を駆動する電動バルブアクチュエータ１であって、ローカルモードで操作するためのスイッチ51および／または表示器52を備えず、通信回線２を介してリモートモードで操作可能にするとともに、短距離通信装置23,24を内蔵して短距離通信の範囲内で、端末装置25,26によりローカルモードでの電動操作を可能とすることにより課題を解決する。【選択図】図３

Description

本発明は、火力発電所や石油化学工場等の各種プラントに使用される電動バルブアクチュエータに関する。

火力発電所や石油化学工場等のプラントでは、配管内を流れる水や蒸気など流体の流れを制御するため、数多くの電動バルブアクチュエータ（以下、単にアクチュエータともいう。）が使用される。そのような数多くのアクチュエータは、通常の運転状態では、プラントの通信回線を通じて中央制御室からリモートモードで遠隔操作される。

しかし、プラントにおいて高い運転信頼性を確保するためには、アクチュエータを含む機器について定期的または一時的に保守点検作業を行う必要がある。そのため図６および図７に外観を示す従来のアクチュエータでは、リモートモードに加え、保守点検作業用としてローカルモードによる現場操作も可能な構成とされており、アクチュエータの外面には現場操作用のスイッチ51や表示器52が標準装備されている（特許文献１、２参照）。

この従来のアクチュエータを現場操作する場合、安全性を確保するため、中央制御室において運転モードをリモートモードからローカルモードに切り替えた後、手動操作またはアクチュエータに設けられたスイッチノブを操作して電動操作を行うことができる。その際、バルブの開度情報などはアクチュエータ外面に設けられた表示器で認識することができる。

しかしながら、近年はプラントの監視や制御システムに関し、フィールドバス等の通信インフラが整備されてきており、バルブを駆動するアクチュエータについても、プラントで使用される他の機器と同様にしてリモートモードで遠隔操作される場合が殆どである。また、アクチュエータ等の制御方式は、デジタル制御方式に移行している。

従来技術では、リモートモードによる遠隔操作に加え、ローカルモードにより現場で電動操作できることが必須と考えられていたが、バルブの開度制御やトルク制御の設定変更は、中央制御室からデジタル値としての設定変更だけで済むようになっている。そのため、アクチュエータを定期的または一時的に保守点検した後に必要となる開度制御値やトルク制御値の適否を確認する作業について、アクチュエータをローカルモードで電動または手動操作して確認する機会は減少している。開度制御値やトルク制御値の適否を確認する必要が生じた場合、中央制御室において、デジタル化された開度制御値やトルク制御値を予め想定した値で設定し、リモートモードで遠隔操作して試行することで足りる。仮に予め想定した設定値が適切でない場合、修正した開度制御値やトルク制御値で再設定し、開度制御値やトルク制御値が適正であるか否か再確認することができる。

このような近年のアクチュエータの制御方式の進化により、通常の運転操作だけでなく定期的または一時的にアクチュエータを保守点検する場合においても、ローカルモードでアクチュエータを電動または手動操作する機会は少なくなっている。かかる事情から、従来技術によるアクチュエータのように、現場操作用のスイッチや表示器をアクチュエータに備えることは必須でなくなっている。また、操作機会の少なくなったスイッチや表示器を備えず、低コストで高い信頼性を有するアクチュエータが求められている。

しかしながら、アクチュエータをローカルモードで現場操作する機会が減少したとはいえ、アクチュエータの据え付け時などでは、ローカルモードで現場操作することができないと不便である。また、ローカルモードでの操作機会が減少したとはいうものの、不測の事態が発生した場合には、ローカルモードでアクチュエータを現場操作する必要があることに変わりない。

特開２０１５−１４５６８０号公報 特開２０１６−１１４２２０号公報

従来技術によるアクチュエータのように、現場操作用のスイッチや表示器を備えると、アクチュエータの製造コストが高くなる。また、部品点数が多くなることから故障率も高くなり、アクチュエータの形状が大きくなるとともに重量も増加する。そのことにより、プラントの配管ラインに作用する荷重も増加し、強固な支持部材が必要になることもある。さらに、アクチュエータの据え付けや取り外しにも手数を要するなどの問題がある。

そこで、本発明は制御方式の進化により、アクチュエータを現場操作する機会が少なくなった実情に鑑み、現場操作機能を有しつつも、極力簡素化して上記の問題を解決できるアクチュエータを提供することを課題とする。

請求項１の発明は、モータ軸の回転を減速歯車列により減速し、スラストユニットまたはドライブスリーブに伝達してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータであって、ローカルモードで電動操作するためのスイッチおよび／または表示器を備えず、通信回線を介してリモートモードで操作可能にするとともに、短距離通信装置を内蔵して短距離通信の範囲内で、端末装置によりローカルモードでの電動操作を可能としたことを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、短距離通信が無線通信または有線通信であることを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項３の発明は、請求項２記載の発明において、無線通信がＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）に応じたプロトコルであることを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項４の発明は、請求項２記載の発明において、有線通信がＵＳＢ（Universal Serial Bus）に応じたプロトコルであることを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、端末装置がポータブル端末であることを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

本発明によれば現場操作用のスイッチおよび表示器が不要となることから、アクチュエータの製造コストを抑制できる。また、部品点数が少なくなることからアクチュエータの形状がコンパクトとなり、故障率も低下する。さらに、アクチュエータが軽量化されることからプラントの配管ラインに作用する荷重も減少し、強固な支持部材が不要になる。さらに、アクチュエータの据え付けや取り外しも容易になる。また、現場での電動操作が必要な場合には、タブレットなどのポータブル端末を用いてアクチュエータをローカルモードで電動操作することができる。

プラントの通信回線に接続されたアクチュエータの制御システム図である。 本発明によるアクチュエータの構造断面図である。 本発明によるアクチュエータの電気部品収納部の構成図である。 本発明によるアクチュエータの外観平面図である。 本発明によるアクチュエータの外観正面図である。 従来技術のアクチュエータの外観平面図である。 従来技術のアクチュエータの外観正面図である。

図１は、多くのアクチュエータ１が使用されるプラントの通信回線２に接続されたアクチュエータ１の制御システム図である。通信ネットワークの接続形態には種々のトポロジーがあるが、プラントに採用される代表的接続形態としてフィールドバス２を採用した例を示す。フィールドバス２には、中央制御装置３と、多くのアクチュエータ１と、多くのセンサ４等の機器が接続されている。そして、通常の運転状態では、アクチュエータ１は中央制御装置３から遠隔操作される。

ここで、アクチュエータ１の駆動対象であるバルブ５には種々の形式があり、サイズも多様であるが、発明を実施するための形態として、仕切弁を駆動するアクチュエータの実施例について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図２は、バルブステム（以下、単にステム６という。）に直交し、モータ７の軸心を含む位置におけるアクチュエータ１の断面図である。駆動対象が仕切弁の場合、アクチュエータ１の減速歯車列８に求められる減速比は、４０〜６０程度の範囲であることから、減速歯車列８として１対のウォーム歯車が使用される。減速比が６０を大きく超えるような場合、モータ７とウォーム軸９との間にヘリカルギア等を用いた前段減速部が追加される。

図２に示すようにアクチュエータ１の主要部は、モータ７と、このモータ７の回転を減速する減速歯車列８を内蔵したアクチュエータ本体10とで構成されている。モータ７は、その軸がバルブのステム６と直交する姿勢でアクチュエータ本体10の側面に取り付けられている。多くの場合、モータ７には耐久性など信頼性に優れる三相誘導モータが用いられる。

アクチュエータ本体10の機構部品収納部11には、モータ軸12に結合されたウォーム軸９と、該ウォーム軸９に噛み合うウォームホイール13が収納され、機構部品収納部11の下面にはウォームホイール13の回転をステム６の往復動作に変換するスラストユニット14が取り付けられている。かかる構成によりモータ軸12の回転をステム６の往復動作に変換することができるが、比較的大型のバルブを駆動する場合、スラストユニット14に代替して周知技術であるドライブスリーブ方式が採用される。

また、機構部品収納部11には、ウォームホイール13の回転量からステム６の移動量を検出するロータリーエンコーダ（図示省略）が設けられると共に、ウォーム軸９に作用するスラストを検出するスラストセンサ14が設けられている。このスラストセンサ14は、直接的にはウォーム軸９に作用するスラストを検出するものであるが、ウォーム軸９のスラストはウォーム軸９と噛み合うウォームホイール13の回転トルクに対応することから、ステム６に作用する負荷情報として用いられる。

モータ７が取り付けられたアクチュエータ本体10の反対側の側面には、制御回路基板15などを収納する電気部品収納部16が設けられている。この実施例では機構部品収納部11と電気部品収納部16とが一部品として構成されているが、これらを別々の部品として構成することもできる。

図３は、電気部品収納部16の構成を示している。電気部品収納部16にはＣＰＵが搭載された制御回路基板15のほか、制御電源としての直流電源装置17やモータ７への電源供給を開閉する電磁開閉器18が収納されている。また、仕様によってはモータ７の回転数を可変制御するインバータ装置が収納されることもある。

制御回路基板15にはセンサ入力19として、前述したロータリーエンコーダとスラストセンサの信号線が接続され、ステム６の位置情報およびステム６に作用する負荷情報として供される。また、制御回路基板15は、アクチュエータ１をリモートモードで操作するための通信を行うべくフィールドバス２に接続されている。さらに、制御回路基板15では、バルブ５の開度情報である全開／全閉状態を外部接点信号20として生成し、外部へ送信可能とされている。以上述べた構成については従来技術と共通している。

次に、本発明の特徴的構成について説明する。図４および図５に示すように、電気部品収納部16の開口部には箱状カバー21が取り付けられるが、この箱状カバー21は従来技術によるアクチュエータと異なり、現場操作用のスイッチ51や表示器52を備えていない。箱状カバー21には密封構造が求められるが、スイッチ51や表示器52を備えていないことから、密封構造をきわめて容易に実現できる。したがって、防爆仕様に対しても容易に対応することができる。

電気部品収納部16には通信部品基板22が収納されている。この通信部品基板22にはアクチュエータ１を現場操作するのに必要な短距離通信部品23,24が実装され、短距離通信距離の範囲内で通信可能となっている。具体的には短距離無線通信デバイスとしてＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）プロトコルに対応したトランスミッター／レシーバー23が実装されている。また、短距離有線通信デバイスとしてシリアル通信規格であるＵＳＢ（Universal Serial Bus）プロトコルに対応した通信部品24が実装されている。これらの短距離通信デバイス23,24は、汎用品として市販されているものを使用することができる。

このような構成により、本発明によるアクチュエータ１では、ローカルモードで電動操作するためのスイッチ51や表示器52を備えないものの、短距離無線通信または短距離有線通信の範囲内で、端末装置25,26によりローカルモードでの電動操作が可能とされている。

短距離無線通信によりアクチュエータ１を現場操作する場合、操作の安全性を考慮して中央制御装置３側でリモートモードからローカルモードへと切り替える。その後、アクチュエータ１が設置された現場において、端末装置25を用いて現場操作することになる。その際、端末装置25の初期画面上から操作者が操作権限を有する者であることの認証および操作対象であるアクチュエータ１の識別番号を入力して現場操作に移行する。バルブ開閉動作のスイッチは端末装置の画面上に表示され、この表示されたスイッチから操作することができる。また、バルブ５の開度情報やトルク情報などの運転情報も端末装置25の画面上に表示される。したがって、アクチュエータ１はスイッチや表示器を備えていないものの、短距離無線通信が可能な距離から端末装置25を用いて現場操作することができる。

端末装置としては、アクチュエータを現場操作するために専用設計された端末装置のみならず、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）プロトコルに対応したタブレット端末25を使用することができる。概ね１０ｍ程度の距離であれば、タブレット端末25の画面上からアクチュエータ１を操作できるとともに、バルブ開度などの運転情報をタブレット端末25の画面上で確認することができる。

また、アクチュエータ１の制御は電子化されており、バルブ５の開度制御値やトルク制御値の変更もデジタル値としての設定変更だけで済むようになっている。そのため、アクチュエータ１を定期的または一時的に保守点検した後に必要となる開度制御値やトルク制御値の適否を確認する作業も、短距離無線通信を介してタブレット端末25から行うことができる。仮に予め想定した設定値が適切でない場合、修正した開度制御値やトルク制御値で再設定することにより開度制御値やトルク制御値が適正であるか再確認することができる。

短距離無線通信であるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）プロトコルに対応したタブレット端末を用いることができない場合、例えばＵＳＢケーブル27を用いてノートパソコン26をアクチュエータ１に接続し、ノートパソコン26のキーボードからアクチュエータ１を操作するとともに、バルブ開度などの運転情報をノートパソコン26の画面上に表示させることができる。したがって、上述した短距離無線通信と同様にして、アクチュエータを現場操作することができる。

ここでは、端末装置としてタブレット端末25やノートパソコン26を使用した例について説明したが、これらの端末装置に限定されるものではなく、他のポータブル端末を使用することもできる。

また、実施例ではプラントの通信ネットワーク回線に接続されるアクチュエータについて説明したが、本発明の適用対象となるアクチュエータは、通信ネットワーク回線に接続されるものに限定されず、各種バルブを駆動対象として個別に設置されるアクチュエータにも適用できる。

また、実施例では仕切弁に適用したアクチュエータについて説明したが、駆動対象となるバルブは仕切弁に限定されるものではなく、ボールバルブなど９０度回転型のバルブを駆動する場合のように、補助減速機と組み合わせて使用するアクチュエータにも適用できる。

本発明に係るアクチュエータは、各種プラントの配管等に設けられるバルブの駆動装置として利用することができる。

１ 電動バルブアクチュエータ（アクチュエータ）
２ 通信回線（フィールドバス）
５ バルブ
８ 減速歯車列
12 モータ軸
14 スラストユニット
23 短距離通信装置（無線通信部品）
24 短距離通信装置（有線通信部品）
25 端末装置（タブレット端末）
26 端末装置（ノートパソコン）

Claims (5)

1. モータ軸の回転を減速歯車列により減速し、スラストユニットまたはドライブスリーブに伝達してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータであって、ローカルモードで電動操作するためのスイッチおよび／または表示器を備えず、通信回線を介してリモートモードで操作可能にするとともに、短距離通信装置を内蔵して短距離通信の範囲内で、端末装置によりローカルモードでの電動操作を可能としたことを特徴とする電動バルブアクチュエータ。
2. 前記短距離通信が無線通信または有線通信であることを特徴とする請求項１記載の電動バルブアクチュエータ。
3. 前記無線通信がＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）に応じたプロトコルであることを特徴とする請求項２記載の電動バルブアクチュエータ。
4. 前記有線通信がＵＳＢ（Universal Serial Bus）に応じたプロトコルであることを特徴とする請求項２記載の電動バルブアクチュエータ。
5. 前記端末装置がポータブル端末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動バルブアクチュエータ。

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