JP2020034037A - Abnormality diagnosis method and abnormality diagnosis device of electric valve actuator - Google Patents
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Abstract
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の異常診断方法および異常診断装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for diagnosing an abnormality of an electric valve actuator used in various plants such as a thermal power plant and a petrochemical plant.
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、単にバルブアクチュエータともいう。)が使用される。このようなバルブアクチュエータは、いったん設置されると数十年間にわたって使用されるものも少なくない。調整弁用途などの例外はあるものの、多くの弁では開閉動作の頻度は少なく、数年間使用しただけでバルブアクチュエータを更新することはないからである。 BACKGROUND ART In plants such as thermal power plants and petrochemical plants, a large number of electric valve actuators (hereinafter, also simply referred to as valve actuators) are used to control the flow of fluid such as water and steam flowing in piping. Once installed, such valve actuators are often used for decades. Although there are exceptions such as regulating valve applications, the opening and closing operation of many valves is infrequent, and the valve actuator is not updated even after several years of use.
しかしながら、バルブアクチュエータを長期間にわたって使用する場合、定期的に劣化程度や異常の有無を診断して健全性を確保する必要がある。このような事情から、バルブアクチュエータの異常診断方法について種々の提案がなされている。 However, when the valve actuator is used for a long period of time, it is necessary to periodically check the degree of deterioration and the presence or absence of abnormality to ensure soundness. Under such circumstances, various proposals have been made for a method of diagnosing abnormality of the valve actuator.
バルブアクチュエータの異常診断に当たって、もっとも有益な情報の一つは、バルブアクチュエータの負荷情報である。バルブアクチュエータの異常事象の多くは、負荷情報の変動として現れることから、負荷情報としての一つとしてトルク情報を検出しているものが多い。たとえば、バルブアクチュエータにトルクセンサを恒久的に取り付け、そのトルクセンサの出力を定期的に監視・記録してバルブアクチュエータの劣化や異常を診断しているものがある(特許文献1参照)。 One of the most useful information in diagnosing abnormality of the valve actuator is load information of the valve actuator. Many of the abnormal events of the valve actuator appear as fluctuations in the load information, and therefore, torque information is often detected as one of the load information. For example, there is a method in which a torque sensor is permanently attached to a valve actuator, and the output of the torque sensor is periodically monitored and recorded to diagnose deterioration or abnormality of the valve actuator (see Patent Document 1).
また、トルクセンサを取り付けることなく、モータの電圧値と電流値から負荷情報を算出し、トルク情報に替える異常診断方法が提案されている(特許文献2参照)。負荷情報は有効電力に関係するものであるから、モータの電圧値と電流値から算出した負荷情報に基づいて診断する方法である。 Further, an abnormality diagnosis method has been proposed in which load information is calculated from a voltage value and a current value of a motor without installing a torque sensor, and the load information is replaced with torque information (see Patent Document 2). Since the load information relates to the active power, it is a method of diagnosing based on the load information calculated from the voltage value and the current value of the motor.
さらに、バルブアクチュエータの適所に加速度センサを取り付け、その加速度センサの出力に基づいて振動波形の周波数解析を行い、バルブアクチュエータや弁体の異常を検出しているものがある(特許文献3参照)。 Further, there is an apparatus in which an acceleration sensor is attached to an appropriate position of a valve actuator, and a frequency analysis of a vibration waveform is performed based on an output of the acceleration sensor to detect an abnormality of the valve actuator or the valve body (see Patent Document 3).
従来技術、たとえば特許文献1の異常診断方法においては、バルブアクチュエータの異常診断を実施する場合、バルブアクチュエータに恒久的なトルクセンサが取り付けられていなければならない。しかし、現実には恒久的なトルクセンサが取り付けられているバルブアクチュエータは少ない。そこで、恒久的なトルクセンサが取り付けられていない既設のバルブアクチュエータの異常診断を行う場合、一時的にトルクセンサを取り付ける必要がある。その場合にはトルクセンサをバルブアクチュエータに取り付けるための改造が必要となる問題がある。
In the prior art, for example, in the abnormality diagnosis method of
また、特許文献2の異常診断方法においては、トルクセンサを必要としないが、モータの電流値と電圧値の双方を測定する必要がある。モータへの供給電圧は多くの場合、200V以上であり、高電圧の測定には感電や短絡事故が生じる危険性がある。
Further, the abnormality diagnosis method of
また、特許文献3のように振動センサをバルブアクチュエータに一時的に取り付ける場合、機械振動を広い周波数帯域において減衰させずに測定するためには、振動センサを測定対象に対して機械的に強固に取り付ける必要がある。しかし、既設のバルブアクチュエータにおいては、塗膜や錆、塵埃等の存在により、振動センサを強固に取り付けるのはけっして容易でない。特に、高所や狭隘なスペースに設置されたバルブアクチュエータの場合、作業性も悪く、振動センサをバルブアクチュエータの適所に確実に取り付けるのは難しいという問題がある。
Further, when a vibration sensor is temporarily attached to a valve actuator as in
上述した従来技術のうち、特許文献1や特許文献2に開示された異常診断方法では、センサの出力情報を時間領域において観察している。バルブアクチュエータはバルブを開閉動作するための装置であり、バルブの開閉動作に伴うトルク情報等は時間軸に沿って大きく変化することから、異常診断に当たってトルク情報等を時間領域で観察することは有益な方法と言える。
Among the above-described prior arts, in the abnormality diagnosis methods disclosed in
しかし、トルク情報等について時間領域で観察するだけでは、バルブアクチュエータに使用されている歯車や軸受等の回転部品の劣化や異常を診断するには不十分である。したがって、特許文献1や特許文献2に開示された診断方法では、回転部品の劣化や異常を診断するのは困難であった。回転部品の劣化や異常を診断するためには周波数領域における観察が有益である。
However, merely observing torque information and the like in the time domain is not sufficient to diagnose deterioration or abnormality of rotating parts such as gears and bearings used in the valve actuator. Therefore, it is difficult to diagnose the deterioration or abnormality of the rotating component by the diagnostic methods disclosed in
一方、特許文献3に開示された発明は、振動波形について周波数解析を行って振動波形を周波数領域で観察するものであり、回転部品の劣化や異常を診断するのには適している。ただし、上述したように振動センサをバルブアクチュエータの適所に確実に取り付けることについては困難な問題がある。
On the other hand, the invention disclosed in
本発明は上述した事情に照らし、バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常をモータ電流により検出して診断することを課題とする。具体的には、バルブアクチュエータの回転部品である軸受等の劣化や異常をモータ電流により診断することを課題とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and has as its object to diagnose and detect deterioration or abnormality of a rotating component of a valve actuator by using a motor current. Specifically, an object of the present invention is to diagnose a deterioration or abnormality of a bearing or the like which is a rotating part of a valve actuator by a motor current.
請求項1の発明は、電動バルブアクチュエータによりバルブを駆動し、前記バルブの中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断方法である。 According to a first aspect of the present invention, a valve is driven by an electric valve actuator, a motor current in an intermediate opening range of the valve is detected, a frequency component included in the motor current is analyzed, and a failure of a rotating component is diagnosed. This is a method for diagnosing abnormality of the electric valve actuator.
請求項2の発明は、請求項1記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、前記周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較することを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the method for diagnosing abnormality of the electric valve actuator according to the first aspect, a specific frequency due to the rotating component is extracted from the frequency components and compared with a normal spectrum. Is what you do.
請求項3の発明は、請求項1または2記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、所定期間が経過するごとに、前記回転部品の異常を診断することを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the abnormality diagnosis method for an electric valve actuator according to the first or second aspect, an abnormality of the rotary component is diagnosed every time a predetermined period elapses.
請求項4の発明は、電動バルブアクチュエータのモータ電流を検出する電流センサと、前記電流センサの出力の周波数帯域を制限するフィルタと、前記フィルタの出力を変換するA/D変換器と、前記A/D変換器の出力をフーリエ変換する周波数解析部と、前記周波数解析部で解析された結果を記憶する記憶部とを有し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断装置である。
The invention according to
本発明によれば、モータ電流を検出するだけで回転部品の異常診断を行うことができるので、恒久的または一時的にもバルブアクチュエータにトルクセンサを取り付ける必要がない。したがって、トルクセンサが取り付けられていない既設のバルブアクチュエータであっても容易に異常診断を行うことができる。また、振動センサをバルブアクチュエータに取り付ける必要もない。さらに、モータ電流は非接触で検出可能であり、感電や短絡事故が生じる可能性のあるモータ電圧を測定する必要がないため、異常診断作業に際して高い安全性を確保できる。また、モータ電流の検出はモータに電力を供給する電源ケーブルをクランプメータのクランプで挟むだけでよいので短時間で作業が完了する。これら本発明の有利な効果は、特に原子力発電所に設置されたバルブアクチュエータの異常診断に際して顕著な効果を奏する。すなわち、モータ電流の検出はバルブアクチュエータの設置場所から離れた位置からも可能であり、作業者の被爆量低減を図ることができる。 According to the present invention, since it is possible to diagnose an abnormality of a rotating component only by detecting a motor current, there is no need to permanently or temporarily attach a torque sensor to a valve actuator. Therefore, abnormality diagnosis can be easily performed even for an existing valve actuator to which no torque sensor is attached. Also, there is no need to attach the vibration sensor to the valve actuator. Further, the motor current can be detected in a non-contact manner, and it is not necessary to measure the motor voltage at which an electric shock or a short circuit accident may occur. Therefore, high safety can be ensured in the abnormality diagnosis work. Further, the detection of the motor current can be completed in a short time because the power supply cable for supplying electric power to the motor need only be sandwiched between the clamps of the clamp meter. These advantageous effects of the present invention have a remarkable effect particularly in abnormality diagnosis of a valve actuator installed in a nuclear power plant. In other words, the detection of the motor current is possible even from a position distant from the installation location of the valve actuator, and the amount of exposure of the worker can be reduced.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に示すバルブアクチュエータ1は従来から広く用いられているものであり、その主要部は、モータ2と、このモータ2の回転を減速する減速歯車列を内蔵したバルブアクチュエータ本体3とで構成されている。図示していないが、減速歯車列は一対のウォーム歯車のみから構成されるものと、ウォーム歯車の前段においてモータ軸の回転を減速するヘリカルギアを加えて構成されるものがある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A
モータ2は、その軸がバルブ4のステム5と直交する姿勢でバルブアクチュエータ本体3の側面に取り付けられている。多くの場合、モータ2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。
The
モータ2への電力供給は、商用交流電源6から電源ケーブル7によって供給される。モータ電流は、この電源ケーブル7の一本を電流センサ8としてのクランプメータのクランプで挟むことにより、非接触で容易に検出することができる。クランプメータは市販されている汎用品で足りるが、出力端子付きのものを用いる。
Power is supplied to the
フィルタ9は、クランプメータで検出された電流信号に含まれる不必要な高周波成分をカットするとともに、サンプリング時に発生する可能性のあるエイリアシング誤差を防止するためのもので、ローパスフィルタが用いられる。本実施例では、カットオフ周波数約390Hzのローパスフィルタを通してA/D変換器に接続し、1msでサンプリングを行っている。
The
A/D変換器10は、アナログ信号をデジタル信号に変換するもので周知技術に属する。具体的には周波数解析手段であるアナライザに標準装備されているもので足りる。
The A /
周波数解析部11は、デジタルデータとしての電流信号を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)し、周波数スペクトルとしてのデータを得るものである。
The
記憶部12は、FFTにより得られた周波数スペクトルのデータを、データ取得日時を付して記憶するもので不揮発性メモリが用いられる。
The
特定周波数抽出部13は、回転部品に劣化や異常が生じると回転に伴って特定の周波数スペクトルが大きくなることに着目したもので、回転部品の部材緒元に基づいて算出することができる。たとえば、ころがり軸受についての特定周波数は以下のようにして求めることができる。
The specific
表1は、ころがり軸受の内輪、外輪、転動体の転走面の各1箇所にスポット傷が存在する場合の特定周波数の算出式を示したものである。ここで、fiは内輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、foは外輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、fbは転動体に傷がある場合の特定周波数(Hz)である。また、frは内輪(軸)の回転周波数(Hz)、Dは軸受のピッチ円直径(mm)、dは転動体の直径(mm)、αは接触角(度)、zは転動体の数を示している。 Table 1 shows a formula for calculating a specific frequency when spot flaws are present on each of the inner ring, the outer ring of the rolling bearing, and the rolling surface of the rolling element. Here, fi is a specific frequency (Hz) when the inner ring is damaged, fo is a specific frequency (Hz) when the outer ring is damaged, and fb is a specific frequency (Hz) when the rolling element is damaged. . Also, fr is the rotation frequency (Hz) of the inner ring (shaft), D is the pitch circle diameter of the bearing (mm), d is the diameter of the rolling element (mm), α is the contact angle (degree), and z is the number of rolling elements. Is shown.
異常の有無の判断は、特定周波数におけるスペクトルの大きさで評価する。特定周波数のスペクトルが認められないか、認められても他の周波数スペクトルの大きさと較べて多少大きい程度であれば正常と判断する。一方、特定周波数のスペクトルが認められ、かつ他の周波数スペクトルと較べて明らかに大きい場合には異常と判断する。 The determination of the presence or absence of an abnormality is evaluated based on the size of the spectrum at a specific frequency. If the spectrum of the specific frequency is not recognized, or even if it is recognized, it is determined to be normal if it is slightly larger than the size of the other frequency spectrum. On the other hand, if the spectrum of the specific frequency is recognized and is clearly larger than the other frequency spectrums, it is determined to be abnormal.
特定周波数のスペクトルの大きさの判断を行うに当たっては、経時的なデータを較べるのが有効である。たとえば、2年ごとに異常診断を行い、記憶部に記憶されている前回(2年前)、前々回(4年前)のデータと比較して特定周波数のスペクトルの大きさの経時的な観察を行うことが有効である。 In determining the magnitude of the spectrum of a specific frequency, it is effective to compare data over time. For example, abnormality diagnosis is performed every two years, and the time-series observation of the magnitude of the spectrum of a specific frequency is compared with the previous (two years ago) and two times before (four years ago) data stored in the storage unit. It is effective to do.
つぎに、本発明による異常診断結果を具体例に基づいて説明する。図2は、供試バルブとしての玉型弁を閉動作した際に得られるモータ電流の生データの一例である。縦軸は電流値を、横軸は時間を表している。バルブアクチュエータは、ハンマーブロー機構を標準的に備えていることから、ハンマーブロー発生時(t1)までは略無負荷に近い電流値となる。 Next, an abnormality diagnosis result according to the present invention will be described based on a specific example. FIG. 2 is an example of raw motor current data obtained when a ball valve as a test valve is closed. The vertical axis represents the current value, and the horizontal axis represents time. Since the valve actuator is provided with a hammer blow mechanism as a standard, the current value becomes almost no-load until a hammer blow occurs (t1).
ハンマーブローが生じると電流値は若干増加するが、きわめて低い電流値のまま推移する。つぎにハンマーブロー機構による動作が終了し、ステムが閉方向に移動開始(t2)するとモータ電流は急激に増加する。もっとも、モータ電流は急激に増加するものの、次第に安定した状態(t3)に落ち着く。 When a hammer blow occurs, the current value slightly increases, but remains at a very low current value. Next, when the operation by the hammer blow mechanism ends and the stem starts moving in the closing direction (t2), the motor current sharply increases. Although the motor current suddenly increases, it gradually settles to a stable state (t3).
この安定した状態での電流値は、弁体がトルクシートする時の電流値に較べれば、けっして大きな電流値ではない。モータの負荷としては軽負荷状態にすぎないことから、モータ回転数やモータ電流値は安定している。この領域は中間開度領域と呼称される。 The current value in this stable state is not a large current value as compared with the current value when the valve element performs torque seating. Since the motor load is only a light load state, the motor rotation speed and the motor current value are stable. This region is called an intermediate opening region.
ここで、中間開度領域全体としての電流値は安定しているものの、時間軸を短時間に区切って観察すると、電流値は激しく変動しており、図2に示す時間領域のデータからは回転部品の異常に関し、有意な情報を得ることはできない。従来、バルブアクチュエータの各種診断において、電流情報だけでは何ら診断に役立たないと考えられてきた理由である。しかし、本発明の発明者は、一見したところ有意な情報は得られないと考えられていた電流信号からも、適切なフィルタ処理をすることにより、回転部品の異常診断について有意な情報が含まれているとの知見を得るに至った。 Here, although the current value of the entire intermediate opening region is stable, when the time axis is divided into short time and observed, the current value fluctuates drastically. From the data in the time region shown in FIG. Significant information cannot be obtained regarding part abnormalities. This is the reason why it has been considered that current information alone is not useful for diagnosis in various diagnoses of valve actuators. However, the inventor of the present invention has found that even from a current signal which at first glance was considered to be incapable of obtaining significant information, by performing appropriate filtering, significant information on abnormality diagnosis of rotating parts is included. It came to the knowledge that it was.
図3は、本発明による電流信号のFFT解析結果を示すものであり、バルブアクチュエータの回転部品に異常がない新品時の状態で得られたデータである。周波数が50Hzと100HZの2箇所にピークが認められる。電源周波数が50Hzであることから、これら2つのピークは、回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。また、前記2箇所のピーク以外に顕著なスペクトルは認められないことから、回転部品に異常はないと判断することができる。 FIG. 3 shows an FFT analysis result of the current signal according to the present invention, which is data obtained in a new state where there is no abnormality in the rotating parts of the valve actuator. Peaks are observed at two points of a frequency of 50 Hz and 100 Hz. Since the power supply frequency is 50 Hz, these two peaks can be treated as a spectrum unrelated to the abnormality of the rotating component. Further, since no remarkable spectrum is recognized except for the two peaks, it can be determined that there is no abnormality in the rotating component.
図4は、実際のプラントに取り付けられ、10年以上稼働したバルブアクチュエータについて、内蔵されたウォーム軸を支持する軸受転動体の1箇所に損傷が認められた事例のFFT解析結果を示すデータである。周波数50Hzと100HZの2箇所にピークが認められる点については、図3に示す新品時のデータと同じであり、これら2箇所のピークは回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。 FIG. 4 is data showing FFT analysis results of a case in which a valve actuator installed in an actual plant and operated for 10 years or more was found to be damaged at one location of a bearing rolling element supporting a built-in worm shaft. . The fact that two peaks are observed at the frequency of 50 Hz and 100 HZ is the same as the data at the time of new product shown in FIG. 3, and these two peaks can be treated as spectra unrelated to abnormalities of the rotating parts.
図3と図4を比較すると、図3では顕著でなかった110Hzのスペクトルが図4において認められることである。そこで、110Hzのスペクトルについて考察する。この事例における軸受諸元に関し、内輪(軸)の回転周波数frは0.97Hz、軸受のピッチ円直径Dは81mm、転動体の直径dは8.5mm、接触角αは17度、転動体の数zは24である。この軸受諸元の数値から転動体に傷がある場合の特定周波数fbを表1に示した計算式から算出すると約110Hzとなる。図4において認められたスペクトルのピーク110Hzは、転動体に傷があることに起因するものと判断できる。 When FIG. 3 is compared with FIG. 4, a spectrum at 110 Hz, which was not noticeable in FIG. 3, is recognized in FIG. Therefore, the spectrum at 110 Hz will be considered. Regarding the bearing specifications in this case, the rotation frequency fr of the inner ring (shaft) is 0.97 Hz, the pitch diameter D of the bearing is 81 mm, the diameter d of the rolling element is 8.5 mm, the contact angle α is 17 degrees, and the The number z is 24. When the specific frequency fb when the rolling element is flawed is calculated from the formulas shown in Table 1 from the values of the bearing specifications, it is about 110 Hz. The peak of 110 Hz in the spectrum observed in FIG. 4 can be determined to be due to a flaw in the rolling element.
この事例で示したように、本発明によればバルブの中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常を診断することができる。 As shown in this case, according to the present invention, it is possible to detect the motor current in the intermediate opening region of the valve, analyze the frequency components included in the motor current, and diagnose the abnormality of the rotating component.
なお、内輪や外輪に傷がある場合の特定周波数は、転動体に傷がある場合の特定周波数に較べると1桁近く低いため、本発明による異常診断方法では検出に至らなかった。 Note that the specific frequency when the inner ring or the outer ring has a flaw is almost one digit lower than the specific frequency when the rolling element has a flaw, so that the abnormality diagnosis method according to the present invention did not result in detection.
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の実施形態で適用することができる。例えば、上述した実施例では、供試バルブとして玉型弁を使用し、閉動作した場合の実施形態について説明したが、開動作する場合にも適用できる。また、供試バルブは玉型弁に限定されるものではなく、仕切弁など他の形式のバルブにも適用できる。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments. For example, in the above-described embodiment, the embodiment in which the ball valve is used as the test valve and the closing operation is performed has been described. However, the embodiment is also applicable to the case where the opening operation is performed. Further, the test valve is not limited to a ball valve, but can be applied to other types of valves such as a gate valve.
本発明に係る異常診断方法および異常診断装置は、各種プラントの配管等に設置された電動バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常診断に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The abnormality diagnosis method and abnormality diagnosis device according to the present invention can be used for deterioration and abnormality diagnosis of rotating parts of an electric valve actuator installed in piping of various plants and the like.
1 電動バルブアクチュエータ(バルブアクチュエータ)
2 モータ
4 バルブ
8 電流センサ(クランプメータ)
9 フィルタ
10 A/D変換器
11 周波数解析部(周波数解析手段、アナライザ)
12 記憶部
1 electric valve actuator (valve actuator)
2
9 Filter
10 A / D converter
11 Frequency analysis unit (frequency analysis means, analyzer)
12 Memory
Claims (4)
A current sensor for detecting a motor current of the electric valve actuator, a filter for limiting a frequency band of an output of the current sensor, an A / D converter for converting an output of the filter, and an output of the A / D converter. An abnormality diagnosis device for an electric valve actuator, comprising: a frequency analysis unit that performs a Fourier transform; and a storage unit that stores a result analyzed by the frequency analysis unit, and diagnoses an abnormality of a rotating component.
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