JP2019520634A

JP2019520634A - 適応型高保全性ｅｓｄシステム

Info

Publication number: JP2019520634A
Application number: JP2018560096A
Authority: JP
Inventors: ダライセー，アブデルグハニ; フランダース，パトリック，エス．; シメオニ，ジュアン，アール．
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2019-07-18
Also published as: US10060552B2; US20170335992A1; EP3458924A1; WO2017201429A1

Abstract

弁保全マネージャが緊急遮断弁の微小ストロークテストを誘導するためにサーボまたはステッパ・モータと結合されている。テストの間、システムは緊急遮断弁の２０〜２５％の閉鎖を指令し、弁の運用性または不良のいずれかを確証するデータを提供し、同時にプロセス変量へのあらゆる影響を最小限にする。

Description

本発明は、緊急遮断弁の微小ストロークを自動的に行うシステムに関する。微小ストロークは弁のフルストロークのわずかな割合を生み出し、それによって通常の工程作業を続行し、同時に弁が緊急遮断コマンドに対して適切に反応することを確認することができる。

隣接する土地、人々、および環境を保護することに加えて、プラントの設備および作業員を保護するために、多くの工業プラントには、配管破断など、緊急事態が発生した場合に工程の流れを中断するように設計された緊急遮断（ＥＳＤ）弁が装備されている。ＥＳＤ弁はフェイルセーフの原理で動作する作動弁で、安全計装システムの一部を形成している。ＥＳＤ弁作動装置は空気圧または油圧で関連ＥＳＤ弁を駆動して、エネルギーは圧縮ばねに蓄積される（単動式の作動装置の場合）か、エネルギーは圧縮された空気圧流体または油圧流体に蓄積される（複動式の作動装置の場合）。

ＥＳＤ弁は、運用性を維持し、動作可能であることを確認するために定期的なテストを必要とする。しかし、弁のフルストロークは工程の流れを中断するので、それは頻繁に実用的ではなく、経済的にも望ましくはない。その結果、フルストロークテストは通常、３〜５年毎に一度のみ行われる。

工程の流れを完全に中断する必要のないＥＳＤ弁の運用性をテストする別の方法は、パーシャルストロークテストである。パーシャルストロークテストでは、これまで、ＥＳＤ弁を約１０〜３０％閉鎖するように駆動してきた。工程の流れを完全には中断しないにも関わらず、このような部分的な閉鎖はプロセス変量にかなりの影響がある。パーシャルストロークテストでは、操作員が設備にいることと、テストの前およびテスト中に、動作、保守、および検査組織によって行われる前準備工程が必要とされる。プロセス変量に対するパーシャルストロークテストの効果の結果、およびパーシャルストロークテストに関連する人件費の結果、それは通常、３〜１２ヶ月毎に一度のみ行われる。

現在のパーシャルストローク装置に関連する他のいくつかの欠点がある。空気圧作動装置で動作できるモデルもあれば、油圧作動装置で動作できるモデルもあるが、両方のタイプの作動装置に互換的に対応できるパーシャルストローク装置はない。メインのＥＳＤ電磁弁は全引きはずしテストを受けることはできないが、むしろ安全ループから独立した別の電磁弁がそのような全引きはずしテストに必要とされる。作動装置の急速排気は現在のパーシャルストローク装置ではテストできない。

別の欠点は、閉鎖の正確な数量（すなわち、通常１０〜３０％の閉鎖範囲）が一般的に、テスト中に発生する動作点およびプロセス変量に基づき特定の弁に対して設けられていることである。弁がパーシャルストロークで同じ閉鎖の割合で繰り返しテストされる場合、これによって弁閉塞器で隆線または隆起を生み出す可能性が増大する。工程に応じて、この隆起は、配管のスケール、閉塞器コーティング、弁内部の密封、水和物、および沈殿した元素硫黄を含む、いくつかの原因の結果であり得る。弁閉塞器上に隆起が生じると、その後のすべてのパーシャルストロークテストは弁が適切に機能していることを示す場合があるが、実際には、実際の閉鎖要求は台座の弁閉塞器の詰まりのために機能しない場合があり、ＥＳＤ弁はフェイルセーフ位置に移動する代わりに所定の位置にロックされる。

必要な事柄はシステムが緊急遮断弁の微小ストロークを自動的に行い、約２０〜２５％の閉鎖まで駆動することである。閉鎖がより小さいレベルならば、プロセス変量への影響も少なくなり、テストの自動化によって人件費も削減される。システムが、緊急遮断弁および作動装置の分解能に応じて１％以下の移動を可能にして、緊急遮断弁を閉鎖の様々な程度まで駆動して、閉塞器上の隆起の形成を防止することが好ましい。微小ストロークシステムは、緊急遮断要求が発生する場合、全引きはずしを可能にする。したがって、そのようなシステムは重要な安全システムの信頼性を強化し、同時に長期間にわたりコストを削減する。

上述の課題は、約２０〜２５％の閉鎖まで駆動する、緊急遮断弁の微小ストロークを自動的に行うことのできる弁保全モータを提供する本発明のシステムによって解決され、以下で説明される他の利点も達成される。

様々な閉鎖割合および様々な速度で行われる微小ストロークである。様々な閉鎖割合は閉塞器での隆起の形成を防止するように作用する。それに加えて、様々な閉鎖速度は、詰まりを克服するために用いることができ、例えば、実際の緊急遮断要求中に弁が詰まった場合、システムは、閉鎖が達成されるまで、より低速、より高速、またはそれらの組み合わせでの閉鎖を再試行する。

各微小ストロークは閉鎖の１％程度の低い移動範囲にすることができる。数回の微小ストロークは、動作状態が通常であることの確認または何らかの状態警告への対処以外は、操作員または保守の介入の必要なく、毎月行われる。微小ストロークテストは通常、閉鎖方向または弁の開口の各テストで、１〜５％の閉鎖に限定され、プロセス変量値には最小限の影響という結果になる。

本発明では、ストローク閉鎖レベル毎の閉鎖時間、ストローク閉鎖レベル毎の開口時間、最初のストローク応答時間、および弁の閉鎖対ストローク対象の較正など、弁のいくつかの性能特性を監視することができる。

本発明は、弁の性能および準備状態のより良い検出を可能にして、パーシャルストローク方法を採用する従来技術のシステムよりも要求時故障確率を低減する。本発明は既存の緊急遮断システムに簡単に組み込むことができ、資本コストは結局のところ、従来技術のパーシャルストロークテスト方法に関連する工数の排除からのコスト削減により賄われる。

本発明は、添付図面と併せて以下でさらに説明される。

本発明による弁保全マネージャの概略図である。閉鎖レベル対閉鎖時間をプロットしたものである。閉鎖レベル対閉鎖時間をプロットしたものである。単動式ばね復帰作動装置の緊急遮断システムの安全ループに組み込まれた弁保全マネージャの概略図である。複動式空気圧または油圧作動装置の緊急遮断システムの安全ループに組み込まれた弁保全マネージャの概略図である。サーボ・モータの通常寿命と摩耗の母集団のワイブル分布である。フルストロークテストおよび微小ストロークテストの時間対要求時故障確率を比較するグラフである。

本発明の理解を容易にするため、図面に共通の同じまたは類似した要素を指定するために適切な場合、同じ参照番号が使用されている。

図１を参照すると、弁保全マネージャ１００は、不揮発性メモリ１５５に結合された中央処理装置１５０を収容する筐体１０５から構成されている。中央処理装置１５０は、内部バス１６０に配線され、内部バスにはさらに、弁コントローラ通信インターフェイス１６５、ロジック・ソルバ通信インターフェイス１７０、分散制御システム通信インターフェイス１７５、ユーザ通信インターフェイス１８０、計器通信インターフェイス１８５、およびワイヤレス・インターフェイス１９０が配線されている。不揮発性メモリ１５５には、４つのソフトウェア・モジュール、すなわち、制御モジュール１１０、測定モジュール１２０、分析モジュール１３０、およびスケジューラ／構成モジュール１４０が含まれる。これらのソフトウェア・モジュールは中央処理装置１５０によって実行される。

制御モジュール１１０は、微小ストロークを設定された割合だけ、緊急遮断弁の開口または閉鎖のいずれかに誘導する。例えば、弁が全開の場合、制御モジュール１１０は微小ストロークを２％だけ閉鎖するように行うことができる。別の実施例では、弁が１０％閉鎖している場合、制御モジュール１１０は微小ストロークをさらに４％閉鎖して、１４％の閉鎖を達成するように行うことができる。別の実施例では、弁が１５％閉鎖している場合、制御モジュール１１０は微小ストロークを８％開口して、７％の閉鎖に到達するように行うことができる。

内部バス１６０を通して、制御モジュール１１０は、弁コントローラ通信インターフェイス１６５を介して弁コントローラと、ロジック・ソルバ通信インターフェイス１７０を介してロジック・ソルバと、分散制御システム通信インターフェイス１７５を介して分散制御システム（ＤＣＳ）と、ユーザ・インターフェイス通信インターフェイス１８０を介してプラントまたは設備に関連付けられたユーザ・インターフェイスと、および計器通信インターフェイス１８５を介して差圧伝送器などの計器とである。ワイヤレス・インターフェイス１９０も備えられており、弁状態の遠隔診断と視覚化などのワイヤレス通信を可能にしている。

弁保全マネージャ１００にはさらに、少なくとも１個の電源１９５が含まれ、中央処理装置１５０および他の内部電子回路の動作に電力を提供し、サーボまたはステッパ弁に電力を提供し、そして外部差圧および位置伝送器に電流ループ電力を提供している。サーボまたはステッパ弁とはサーボまたはステッパ・モータで駆動する弁である。

制御モジュール１１０には、ビルトイン・ロジックが含まれ、リスク分析を行う。リスク分析機能は、微小ストロークテスト前の４８時間、弁に関連するプロセス変量を再検討し、異常な動作が検出された場合には、テストを放棄する。制御モジュール１１０はさらに、微小ストロークテスト中のプロセス変量も監視し、プロセス変量が事前設定の許容範囲を超過して増減する場合には、微小ストロークテストを破棄する。制御モジュール１１０はさらに、微小ストロークテスト直後のプロセス変量も監視し、プラントの操作員に注意を喚起する必要のある障害がないことを確認する。

制御モジュール１１０は指令された微小ストロークの結果が成功または失敗のいずれかをレポートする。

緊急遮断要求が微小ストロークテスト中に発生した場合、制御モジュール１１０はテストを放棄して、緊急遮断要求が進行できるようにする。

緊急遮断弁が実際の緊急遮断要求中に詰まった場合、制御モジュール１１０は（測定モジュール１２０および分析モジュール１３０と共に）監視して弁の完全な閉鎖を確認する。弁が規定時間内で閉鎖を達成できない場合、または事前設定の時間にわたって移動することなく詰まっている場合、制御モジュール１１０はメッセージを緊急システム・ロジック・ソルバに送信して、閉鎖のためのいくつかの試みを始動する。ロジック・ソルバからアクノレッジ信号を受信した後、または事前設定の時間内にロジック・ソルバから信号を受信しない場合、制御モジュール１１０は弁を閉鎖するいくつかの試みを行う。制御モジュール１１０は詰まった点からｙ％だけ弁の開口を誘導し、それから標準的な閉鎖速度より遅いことが好ましい第１の事前設定速度Ｓ１で弁を閉じるように再試行する。この試みが成功しない場合、制御モジュール１１０は詰まった点からｙ％だけ弁の開口を誘導し、標準的な閉鎖速度より速いことが好ましい第２の事前設定速度Ｓ２で弁を閉じるように再試行する。この試みが引き続き成功しない場合、制御モジュール１１０は詰まった点からｙ％だけ弁を開口するさらなる試みを行い、同時に、標準的な閉鎖速度より遅いおよび速い速度の両方を含む、様々な速度で弁を閉じるように試みる。従来技術の装置は弁を一度のみ閉じるように試みるのに対して、発明者らは特定の詰まり（すなわち、弁が閉鎖の同じ割合で移動を繰り返し停止する場所）は再試行、とりわけより低い速度で行うものによって克服できることを発見した。システムはさらに、作動装置によって提供される力を、詰まった弁の移動を達成するためのさらなる試行で変更することができる。

測定モジュール１２０は、微小ストロークテストの前後で緊急遮断弁全体の差圧を測定する。それに加えて、測定モジュール１２０は弁の実際の閉鎖割合および弁のｘ％の移動を達成するために必要な実際の時間を測定する。

分析モジュール１３０は達成された閉鎖の実際の割合対微小ストローク制御モジュール１１０で指令された閉鎖の割合を比較して分析する。分析モジュール１３０はさらに、開始点（全開または部分的閉鎖のいずれか）から終了点の閉鎖時間を再検討し、閉鎖時間を予測値（製造元の仕様、または履歴時間データなど）と比較する。分析モジュール１３０はさらに、開始点から終了点の開口時間を再検討して、その閉鎖時間を予測値と比較する。分析モジュール１３０はさらに、差圧を比較および分析して、差圧が緊急遮断弁の指令された移動に基づき予測されたように変動することを確認する。分析モジュール１３０はさらに、ユーザに実際の弁の性能対予測された弁の性能のグラフ表示も提供する。

スケジューラおよび構成モジュール１４０は、所与の弁の微小ストロークテストにおいて計画された時間および周期性をスケジュールする。スケジューラおよび構成モジュール１４０はコマンドを制御モジュール１１０に送出して、閉鎖または開口レベルおよび弁の移動を始動する時間を含む微小ストロークを始動する。スケジューラおよび構成モジュール１４０は、微小ストロークテストに先立つ２４時間前、４時間前、および３０分前等に動作および保守にリマインダを送信する。スケジューラおよび構成モジュール１４０は、微小ストロークのスケジュール、微小ストロークの順序、およびリマインダの数およびタイミングに関しては、ユーザがプログラム可能である。テストは時間の固定間隔か、または指定時間内に無作為に生成されるかのいずれかで自動的に行うことができる。

弁保全マネージャ１００はさらに、従来のパーシャルストロークおよびフルストロークテストも行うようにプログラム可能であるが、弁保全マネージャ１００の新規な態様は、上述のとおり、種々の速度で詰まった弁を移動するように再試行する能力に加えて、微小ストロークテストを行い、弁の性能を分析し、テストをスケジュールする能力であることに留意していただきたい。

図２Ａおよび図２Ｂでは、ＥＳＤ弁の閉鎖パターン対時間が図示されている。図２Ａでは、２０１０フルストロークテストの間の閉鎖パターンを示しており、一方、図２Ａでは、２０１４フルストロークテストの間の閉鎖パターンを示している。分析モジュール１３０は各閉鎖の性能を追跡している。２０１０のテストは通常の閉鎖パターンを示しているが、２０１４のテストは１００％の閉鎖までの時間が予測よりも長かったことを示している（すなわち、製造元の予測時間と比較、または２０１０のテストの履歴データと比較）。分析モジュール１３０によって提供された弁の性能のグラフ表示ではさらに、移動を再開する前、弁の移動が一定期間、Ｙ％の閉鎖で行き詰ったことも示している。このデータは、弁が保守、修理、または交換を必要しているかどうかを判断できる、プラントの保守作業員にとって有用なものである。

弁保全マネージャ１００では、さらなる高度なテスト方法を提供している。操作員により、遠隔（主管制室からなど）または現場（現場の制御パネルを介して）から送出される単一のコマンドで、弁保全マネージャ１００は、主ＥＳＤ電磁弁、作動装置の急速排気または方向／ポペット弁、作動装置およびプロセスＥＳＤ弁を含む、最終要素のすべての構成部分をテストする。弁保全マネージャ１００はさらに、無作為に生成された、または事前設定の最大許容工程差圧に基づく閉鎖の割合で微小ストローク（またはパーシャルストローク）テストを行うことができる。これによって、ＥＳＤ弁閉塞器上での隆起の形成のリスクを低減する。

弁保全マネージャ１００は、最終要素のアセンブリ全体内での静的および動的摩擦の両方に基づくテストおよび診断を誘導する。当業者により理解されるように、静的摩擦および動的摩擦は乾燥摩擦の２つの形態で、接触している２つの固体表面の相対左右運動に抵抗する。静的摩擦は非移動表面間に存在し、一方、動的摩擦は移動表面間に存在する。弁保全マネージャ１００は、微小ストローク運動に対する純粋な静的摩擦、低速運動に対する静的および動的摩擦の中間混合、ならびに高速運動に対する全動的摩擦に基づき、３つの個別で独立した最終要素のシグネチャを生成することができる。これらの３つの独立した弁のシグネチャによって、正確で意味のある診断およびトラブルシューティングが可能になる。

弁保全マネージャ１００は、作動装置の抑制の導入を可能にし、工程差圧および／または作動装置の計器用空気または油圧流体の吐出圧力に基づき、所与のテスト位置に達した後、弁の移動を遅くする。これによって、損傷を与える振動および固有振動の生成を回避するので、緊急遮断弁および作動装置の機械的保全性が保護される。

弁保全マネージャ１００は、空気圧または油圧作動装置、単動式ばね復帰または複動式のいずれかで使用することができる。弁保全マネージャ１００が上記目標すべてを達成するには、正確で精密に作動装置の位置、速度、加速度および力を制御できなければならない。このことは、ステッパ・モータまたはより高価なサーボ・モータのいずれかを使用して達成される。

好ましい実施形態では、弁保全マネージャ１００がスタンドアロンの構成部分として提供され、ユーザの選択のサーボ弁またはステッパ弁と統合することができる。

本発明の別の実施形態では、弁保全マネージャ１００をサーボ弁またはステッパ弁と組み合わせる。

サーボ弁、すなわち、制御弁と組み合わされるサーボ・モータには、次を含むいくつかの利点がある。
１．より低い電力消費。サーボ・モータは、使用中および信号に比例してのみ電力を消費する。
２．範囲全体でより高く、ほとんどの一定のトルク／推進能力があり、通常、範囲全体で最大９０％が使用可能である。
３．長寿命で高信頼性のために種々の電圧で一般的なブラシレスＤＣおよびＡＣモータ。
４．回転が時計回りか、反時計回りかに関係なく、より高速（より高速が使用可能であるが、通常最高８０００ｒｐｍ）、より高い精度、より短い応答時間、および一定の性能。
５．電源および／または信号が喪失した場合に設定位置でサーボ弁を「フェイルセーフ」にする能力。
６．−４０°Ｃから８５°Ｃまでの広い周囲温度範囲。
７．Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、Ｍｏｄｂｕｓ、ＲＳ４８５、またはＲＳ２３２などの標準的な通信インターフェイスおよびプロトコルを使用するサーボ・コントローラ／ドライバの可用性。
８．ＮＥＭＡ４Ｘなどの腐食性および／または危険な領域のための電子証明書の可用性。
９．低い故障率（連続使用で１００００＋時間の最小ＭＴＢＦ）および診断の実施の容易性。

サーボ・モータはその運動を補正するためにエラー訂正ルーチンを使用する自動装置として定義され、運動パラメータである、位置、速度、および加速度を制御するためにエンコーダまたはリゾルバなどのフィードバック装置を使用する。サーボ・モータは３つの主な部分、すなわち、モータ、制御回路、および出力軸に接続されたポテンショメータから構成されている。モータは一組のギアを利用してポテンショメータおよび出力軸を同時に回転させる。サーボ・モータの角度位置を制御する、ポテンショメータによって、制御回路はサーボ・モータの現在の角度を監視することができる。一連のギアにより、モータは出力軸およびポテンショメータを同時に回す。ポテンショメータは角度位置をサーボ制御回路に送信し、制御回路は、その位置が正しいことを検出すると、サーボ・モータを停止させる。制御回路は、角度が正しくないことを検出すると、その角度が正しくなるまで、サーボ・モータを正しい方向に回す。通常、サーボ・モータは、０度と１８０度の間で角度運動を制御するために使用される。変更されない限り、主出力ギアへの機械的遮断ビルドのために、さらなる向きの変更を機械的にすることができない。

サーボは、ロボット工学および自動操作で広く使用されている。サーボ・モータは種々の自動操作分野で、特に、モータがオーバーヒートしない速度範囲で動作でき、設定位置で負荷を保持できると同時にゼロ速度で動作でき、そして低速で動作できることが必要な分野で使用されている。サーボ・モータは、システム油圧流体を含む油圧システムおよび石油・ガスＥ＆Ｐ（探鉱と生産）環境で、産業用機械ツール、ＣＮＣ製造機械と工程、航空宇宙産業に利用される。サーボ・モータは比較的サイズが小型であるが、非常に強力である。ブラシレスＤＣおよびＡＣサーボ・モータを含む大型のサーボ弁は一般的に、流量Ｃｖ≧５０で使用可能で、これは≦２．０秒で大型の作動装置を全開および／または全閉鎖する流動要件を超過する。サーボ・モータはさらに、機械負荷に比例した電力も消費する。

サーボ・モータはマイクロコントローラ出力ピンからサーボ・モータの制御配線に送信される信号を介して、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御される。各パルスは、最小パルス、最大パルス、および繰返し率などの特定のパラメータを満たしている必要がある。サーボ・モータは２０ミリ秒（０．０２秒）毎にパルスを認識することを予期しており、各パルスの長さでサーボ・モータがどの程度、回転するかが決まる。これらの制約条件の場合、ニュートラルは、サーボの時計回り方向で可能な回転量が、反時計回り方向と正確に同量である場所と定義される。様々なサーボ・モータが回転で様々な制約条件を有するが、それらすべてにはニュートラルの位置があり、その位置は常に、１．５ミリ秒前後であることを留意することは重要である。

モータに印加される電力量は比例制御によって管理され、サーボ・モータの軸がかなりの距離、回転する必要がある場合、サーボ・モータは全速で動作し、一方、サーボ・モータがわずかな量のみ回転する必要がある場合には、モータはより低速で動作する。

サーボ・モータは負のフィードバックで動作する。つまり、制御入力は変換器を介した実際の位置と厳密に比較される。物理的値と所望の値の間に何らかの差異がある場合、エラー信号が増幅、変換、および使用され、エラーを低減または解消するために必要な方向にシステムを駆動する。

サーボ・モータの自然な回転運動は、通常はきわめて少ない摩擦のためにＰＴＦＥ被覆され、反バックスラッシュおよびスムーズな動作を提供する親ネジおよび／またはナットを介して線運動に容易に変換される。

上記すべてのサーボの性能によって、弁保全マネージャ１００はＥＳＤの作動装置の位置、その速度、加速度、および力を正確に繰返し制御できるので、目標を達成することができる。

サーボ・モータは、所与の弁ストローク内の連続した無限の位置範囲に、≦３０ミリ秒の応答時間、サーボ弁ストロークの±０．０３％の精度、ならびに、作動が空気圧か油圧かに関係なく≦０．５％の、緊急遮断弁および作動装置を含む、最終要素アセンブリ全体の直線性、不感帯、およびヒステリシスの全てを備える、空気圧／油圧弁を配置することができる。

サーボ・モータの典型的な落とし穴、位置の喪失を回避するために、配置および速度／加速度のフィードバックを提供するために光学エンコーダまたはリゾルバの、および負荷の下で所与の位置を維持するためにブレーキの、結合／装備を行うことが必要である。エンコーダまたはリゾルバの使用でサーボ・モータの閉ループが作成され、ここで、ドライバは入力信号をフィードバックに一致させるようにサーボの位置を正確に繰り返し制御することができる。

光学エンコーダはリゾルバよりも高価ではない。サーボ・モータの光学エンコーダでは、回転シャッタを使用して光源と光検出器間のエアギャップを横断する光のビームを遮る。しかし、時間の経過と共に、回転シャッタに伴う摩耗でエンコーダの寿命と信頼性が低下する。光学エンコーダはさらに、リゾルバよりも正確で、実装が容易である。

サーボ・モータのリゾルバは変圧器と呼ばれるロータ・コイルとステータ・コイルの第２のセットを使用して、エアギャップを横断するロータ電圧を誘導する。リゾルバは、電子構成部品をまったく使用しないので、非常に堅牢で、本質的に耐衝撃性で、通常、最高２５５°Ｃまでの広い周囲温度範囲を有している。したがって、リゾルバは、過酷な環境または寿命が心配な場合に選択される場合がある。

サーボ・モータのブレーキは保持適用には最適で、通常は２４ＶＤＣで、サーボ・モータの背面に取り付けられている。サーボ・モータのブレーキは、弱ったバッテリ、電圧低下、または長い配線を流れるための電圧降下の影響を受けやすい用途のために低電圧設計を有している。電力がサーボ・モータのブレーキに印加されると、アーマチュアが磁石体アセンブリの電磁石の力によって引っ張られ、ばねの作用を克服する。これによって、摩擦ディスクが自由に回転できる。電力が中断されると、電磁石の力は除去され、圧力ばねは機械的にアーマチュア・プレートがそれ自体と圧力プレート間の摩擦ディスクを締め付けるように強制する。

図３は、緊急遮断弁３１５の完全な安全システムの実施形態を図示し、これは、空気圧または油圧ばね復帰作動装置３２０によって動作する。位置伝送器３２５は、ばね復帰作動装置３２０上に取り付けられ、位置のフィードバックを弁保全マネージャ１００に提供する。差圧送信装置３３０は緊急遮断弁３１５を挟んで設置され、工程差圧を弁保全マネージャ１００に提供する。

ばね復帰作動装置３２０は急速排気および／または排気弁３２２を備えられ、三方電磁弁３５０の切替えポートに接続されている。切替えポートは、電源ユニット３７０から計器用空気または油圧流体のいずれかを受け取る、供給ポート、あるいはサーボまたはステッパ弁３１０に接続された排気ポートのいずれかに切替えられる。電磁弁３５０は弁保全マネージャ１００からの緊急遮断信号によって電気的に制御され、供給ポートと排気ポート間の切替えを管理する。供給ポートは緊急遮断動作で選択され、その場合、急速排気および／または排気弁３２２も全面的に動作する。排気ポートは通常動作および微小ストロークテストで選択される。サーボまたはステッパ弁３１０は弁保全マネージャ１００から電力を受け取り、位置フィードバックを弁保全マネージャ１００に提供する。サーボまたはステッパ弁３１０は微小ストロークテストの間、作動装置の位置、速度、加速度および力を操作して制御する。別の緊急遮断信号の供給によって、微小ストロークテストの停止が可能になり、サーボまたはステッパ弁３１０をフェイルセーフ位置にし、安全計装機能によって要求されるＥＳＤ弁３１５のフルストロークが可能になる。こうして、サーボまたはステッパ弁３１０は安全ループの事実上一部になる。

圧力フィードバック・スイッチ３４５も情報を弁保全マネージャ１００に提供する。

弁保全マネージャ１００はデータを提供し、管制室３６５から、現場の制御パネル３５５から、またはフィールド・コンフィグレータ３６０から制御されることができる。

図４は、緊急遮断弁３１５の完全な安全システムの代替の実施形態を図示し、ここでは、空気圧または油圧作動装置４２０が複動式タイプである。図３で示されたシステムと同様に、位置伝送器３２５は、作動装置４２０上に取り付けられ、位置のフィードバックを弁保全マネージャ１００に提供する。差圧送信装置３３０は緊急遮断弁３１５を挟んで設置され、工程差圧を弁保全マネージャ１００に提供する。

この実施形態では、電磁弁４５０は緊急遮断信号用のみに使用され、二位置タイプにすることができる。

複動式の作動装置４２０は三方パイロット弁４２２の切替えポートに接続される。切替えポートは、電源ユニット３７０から計器用空気または油圧流体のいずれかを受け取る供給ポート、あるいはサーボまたはステッパ弁３１０に接続された排気ポートのいずれかに切替えられる。パイロット弁４２２は、電磁弁４５０を介して電源ユニット３７０から空気圧または油圧で制御され、電磁弁は次に弁保全マネージャ１００からの信号によって電気的に制御される。パイロット弁４２２の供給ポートは緊急遮断動作で選択され、一方、排気ポートは通常動作および微小ストロークテストで選択される。サーボまたはステッパ弁３１０は弁保全マネージャ１００から電力を受け取り、位置フィードバックを弁保全マネージャ１００に提供する。サーボまたはステッパ弁３１０は微小ストロークテストの間、作動装置の位置、速度、加速度および力を操作して制御する。別の緊急遮断信号の供給によって、微小ストロークテストの停止が可能になり、サーボまたはステッパ弁３１０をフェイルセーフ位置にし、安全計装機能によって要求されるＥＳＤ弁３１５のフルストロークが可能になる。こうして、サーボまたはステッパ弁３１０は安全ループの事実上一部になる。

サーボ弁アセンブリ内で、最も弱いリンクはすべての電子機械部分および集積電子装置を含むサーボ・モータである。一般に入手可能なブレシレス・サーボ・モータには、連続使用で１０，０００時間を越える平均故障間隔（ＭＴＢＦ）がある。しかし、ＭＴＢＦは信頼性工学では耐用寿命期とも呼ばれるバスタブ曲線の平らな領域にのみ関係しており、時間経過による製品の摩耗による累積故障を考慮に入れていないので現実的な測定ではない。摩耗による累積故障を考慮に入れた現実的計量は平均故障時間（ＭＴＴＦ）で、これはサーボ・モータの通常寿命と摩耗母集団のワイブル分布を使用して推定することができる。

図５はそのようなワイブル分布を示し、これでは、２千万時間のＭＴＢＦの製品母集団で、ＭＴＴＦは５００，０００時間である。したがって、ＭＴＴＦ＝１／４０×ＭＴＢＦである。ローエンド、１０，０００時間で、ＭＴＢＦの最悪の場合のシナリオを想定すると、ＭＴＴＦは２５０時間のはずである。さらに、１５分（０．２５時間）の微小ストロークまたはパーシャルストローク機能継続時間で、サーボ・モータが連続的に動作しない（しかしむしろ、ストローク中のみ電力を消費する）ということを考慮に入れないと想定する場合には、微小ストロークテストが一週間に１回行われ、５２回×０．２５時間＝１３時間／年で、ＭＴＴＦは２５０時間／１３時間／年、すなわち１９．２年のはずである。同様に、隔週のテストの場合、ＭＴＴＦは３８．５年になり、月毎のテストの場合、ＭＴＴＦは８３．３年になるはずである。こうして、信頼性工学の計算はそのような微小ストロークテスト・システムが長寿命を提供しており、サーボ・モータを安全ループで使用できることは明白である。

耐久性に加えて、サーボ・モータは、電源または信号の喪失の場合の機械的フェイルセーフ位置で指定することができる。こうして、サーボ・モータは本明細書で説明されているシステムへの統合に理想的で、通常動作の間に微小ストロークを可能にし、同時に緊急要求の間に通常のフェイルセーフのフルストロークを可能にする。

図６はフルストロークテストおよび微小ストロークテストの時間対要求時故障確率（ＰＦＤ）を示している。フルストロークテストの場合、０時間でのＰＦＤは約０．００００１で、１年後には約０．００１に上昇する。２年目で示される、フルストロークテストの正常な完了後、ＰＦＤは再び０．００００１に降下する。つまり、テストがその時点で直ちに繰り返されているならば、ＰＦＤは約０．００００１になるはずである。それから、ＰＦＤは、０時間からのように、上昇を開始する。一つの懸念は０．００１のＰＦＤは、システム設計者または操作員から受け入れられないと見なされる場合があるということである。

微小ストロークテストの場合、要求が正常に完了すると、次の要求時の故障確率も約０．００００１に降下し、次いで時間の経過と共に増大し、それは次の要求の正常な完了までで、そこでＰＦＤは再度０．００００１に降下する。しかし、微小ストロークテストは、２年毎とは対照的に、少なくとも年２回行われるので、ＰＦＤは、フルストロークテスト・プロトコルで経験する場合がある０．００１のＰＦＤまで上昇するのではなく、０．００００１の付近のままである。したがって、より頻繁な微小ストロークテストのプロトコルはＰＦＤをより低レベルのままにするという結果となることが確認できる。

本発明の教示を取り入れる種々の実施形態が図面で図示され、詳細に説明されたが、その他および変更した実施形態は当業者には明らかであり、本発明の範囲は次の請求項で規定される。

Claims

単動式の作動装置または複動式の作動装置のいずれかによって制御される緊急遮断弁の微小ストロークテストを行うための弁保全マネージャであって、前記弁保全マネージャが、
プログラム・モジュールおよびデータを保存するための不揮発性メモリと、
前記不揮発性メモリに結合されたプロセッサと、
前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される制御プログラム・モジュールであって、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、緊急遮断信号を前記緊急遮断弁の前記単動式または複動式の作動装置への空気圧または油圧流体の供給を制御する電磁弁に送信するように前記弁保全マネージャを誘導し、
微小ストロークテストの場合、電力および制御信号をサーボまたはステッパ弁に提供し、前記サーボまたはステッパ弁から位置フィードバック信号を受け取るように前記弁保全マネージャを誘導し、前記サーボまたはステッパ弁は、前記作動装置が前記単動式タイプの場合には、前記電磁弁への、前記作動装置が前記複動式タイプの場合には、パイロット弁への前記空気圧または油圧流体の供給を制御し、それによって事前設定の割合だけ前記緊急遮断弁の閉鎖の割合を調整する制御プログラム・モジュールと、
前記緊急遮断弁の閉鎖の実際の割合を表す前記緊急遮断弁に位置する位置伝送器からの信号を記録し、前記緊急遮断弁を挟んで設置される差圧送信装置からの信号を記録する、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される測定プログラム・モジュールと、
その記録された閉鎖の実際の割合を前記制御プログラム・モジュールによって指令された閉鎖の前記割合と比較し、前記記録された差圧を前記制御プログラム・モジュールによって指令された閉鎖の前記割合で予測された事前設定の差圧と比較する、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される分析プログラム・モジュールとを備える弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁の前記微小ストロークテストのための計画された時間および周期性をスケジュールするためにユーザからの入力を受け入れる、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行されるスケジューラおよび構成プログラム・モジュールをさらに備える、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記分析プログラム・モジュールが、前記安全弁が詰まっていると判定した場合には、前記制御プログラム・モジュールは、事前設定のロジック・シーケンスに基づいて、緊急遮断信号を、前記緊急遮断弁の前記単動式または複動式の作動装置への前記空気圧または油圧流体の供給を制御する前記電磁弁に送信するように前記弁保全マネージャを誘導することを再試行する、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記分析プログラム・モジュールが、前記安全弁が詰まっていると判定した場合には、前記制御プログラム・モジュールは、前記緊急遮断弁の前記単動式または複動式の作動装置への前記空気圧または油圧流体の供給を制御する前記電磁弁を事前設定の割合だけ開く信号を送信し、次いでその電磁弁を全閉鎖する信号を送信するように前記弁保全マネージャを誘導する、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
元の緊急遮断信号が閉鎖の第１の速度を指令し、前記安全弁が詰まっているという前記判定に続く前記電磁弁を全閉鎖する前記信号は閉鎖の前記第１の速度とは異なる閉鎖の第２の速度を指令する、請求項４に記載の弁保全マネージャ。
前記元の緊急遮断信号が前記空気圧または油圧流体による閉鎖の第１の力を指令し、前記安全弁が詰まっているという前記判定に続く前記電磁弁を全閉鎖する前記信号は閉鎖の前記第１の力とは異なる閉鎖の第２の力を指令する、請求項４に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁の微小ストロークテストの場合、前記分析プログラム・モジュールが、前記安全弁が詰まっている、または閉鎖の前記事前設定の割合を達成していないと判定した場合には、前記制御プログラム・モジュールは、事前設定のロジック・シーケンスに基づいて、閉鎖の前記事前設定の割合だけ前記緊急遮断弁を移動させるように前記弁保全マネージャを誘導することを再試行する、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
元の微小ストロークテスト制御信号が閉鎖の第１の速度を指令し、前記緊急遮断弁を移動させるように前記弁保全マネージャを誘導することを再試行する前記信号は閉鎖の前記第１の速度とは異なる閉鎖の第２の速度を指令する、請求項７に記載の弁保全マネージャ。
前記元の微小ストロークテスト制御信号が閉鎖の第１の力を指令し、前記緊急遮断弁を移動させるように前記弁保全マネージャを誘導することを再試行する前記信号は閉鎖の前記第１の力とは異なる閉鎖の第２の力を指令する、請求項７に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁の微小ストロークテストの場合、前記分析プログラム・マネージャは前記緊急遮断弁が閉鎖の割合の前記指令された調整に到達する第１の時間を測定し、前記測定された時間が事前設定の時間よりも長い場合、前記分析プログラム・モジュールは前記微小ストロークテストを繰り返し、前記緊急遮断弁が閉鎖の割合の前記指令された調整に到達する第２の時間を測定する、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁が単動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記単動式の作動装置に直接供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記電磁弁に供給される、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁が単動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記単動式の作動装置に直接供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記電磁弁に供給される、請求項２に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁が複動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体がパイロット弁を介して前記複動式の作動装置に供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記パイロット弁に供給される、請求項１に記載の弁保全マネージャ。
前記緊急遮断弁が複動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体がパイロット弁を介して前記複動式の作動装置に供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記パイロット弁に供給される、請求項２に記載の弁保全マネージャ。
緊急遮断弁の微小ストロークテストを行うための緊急遮断弁と統合するための、スマート・サーボまたはステッパ弁であって、前記スマート・サーボまたはステッパ弁が、
出力軸を含むモータと、
前記出力軸に接続された弁と、
制御回路と、
出力軸に接続されたポテンショメータと、
プログラム・モジュールおよびデータを保存するための不揮発性メモリと、
前記不揮発性メモリに結合されたプロセッサと、
前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される制御プログラム・モジュールであって、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、緊急遮断信号を前記緊急遮断弁の前記単動式または複動式の作動装置への空気圧または油圧流体の供給を制御する電磁弁に送信するように前記弁保全マネージャを誘導し、
微小ストロークテストの場合、電力および制御信号をサーボまたはステッパ弁に提供し、前記サーボまたはステッパ弁から位置フィードバック信号を受け取るように前記弁保全マネージャを誘導し、前記サーボまたはステッパ弁は、前記作動装置が前記単動式タイプの場合には、前記電磁弁への、前記作動装置が前記複動式タイプの場合には、パイロット弁への前記空気圧または油圧流体の供給を制御し、それによって事前設定の割合だけ前記緊急遮断弁の閉鎖の割合を調整する制御プログラム・モジュールと、
前記緊急遮断弁の閉鎖の前記実際の割合を表す前記緊急遮断弁に位置する位置伝送器からの信号を記録し、前記緊急遮断弁を挟んで設置される差圧送信装置からの信号を記録する、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される測定プログラム・モジュールと、
その記録された閉鎖の実際の割合を前記制御プログラム・モジュールによって指令された閉鎖の前記割合と比較し、前記記録された差圧を前記制御プログラム・モジュールによって指令された閉鎖の前記割合で予測された事前設定の差圧と比較する、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行される分析プログラム・モジュールとを備えるスマート・サーボまたはステッパ弁。
前記緊急遮断弁の前記微小ストロークテストのための計画された時間および周期性をスケジュールするためにユーザからの入力を受け入れる、前記不揮発性メモリに保存され、前記プロセッサによって実行されるスケジューラおよび構成プログラム・モジュールをさらに備える、請求項１５に記載のスマート・サーボまたはステッパ弁。
前記緊急遮断弁が単動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記単動式の作動装置に直接供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記電磁弁に供給される、請求項１５に記載のスマート・サーボまたはステッパ弁。
前記緊急遮断弁が単動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記単動式の作動装置に直接供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記電磁弁に供給される、請求項１６に記載のスマート・サーボまたはステッパ弁。
前記緊急遮断弁が複動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体がパイロット弁を介して前記複動式の作動装置に供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記パイロット弁に供給される、請求項１５に記載のスマート・サーボまたはステッパ弁。
前記緊急遮断弁が複動式の作動装置によって制御され、
前記緊急遮断弁に対して安全要求が発生した場合、前記電磁弁によって制御される前記空気圧または油圧流体がパイロット弁を介して前記複動式の作動装置に供給され、
微小ストロークテストの場合、前記サーボまたはステッパ弁によって制御される前記空気圧または油圧流体が前記パイロット弁に供給される、請求項１６に記載のスマート・サーボまたはステッパ弁。