JP3724289B2

JP3724289B2 - バルブポジショナ

Info

Publication number: JP3724289B2
Application number: JP32095499A
Authority: JP
Inventors: 晃井上; 洋二齋藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: JP2001142505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナに関し、特に、調節弁の弁開度を入力信号に応じて制御する制御演算をディジタルで行い、かつバルブの仕様の入力のみでバルブのチューニング（調整）ができるようにしたバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来における、制御パラメータを設定する機能を有するバルブポジショナは、調節弁の弁開度に応じてバルブの開閉制御を行うため、制御演算に使用するチューニング・パラメータを直接バルブポジショナに入力して調節弁の制御を行うようにしている。
【０００３】
このチューニングをするために使用されるバルブの制御演算には、ＰＩＤ方式の演算アルゴリズムが使用されているが、バルブ本体が変わると制御対象が変わるため、ＰＩＤ方式の制御パラメータを可変させてバルブを制御するためのチューニングを行わなければならない。
ＰＩＤ制御アルゴリズムを持つバルブポジショナの場合、制御信号ＭＶをＵ（ｓ）、偏差Ｅ（ｓ）＝（入力信号ＳＰ）−（弁開度信号ＰＶ）とすると、
Ｕ（ｓ）＝Ｋｐ（１＋１／Ｔｉｓ＋Ｔｄｓ）・Ｅ（ｓ） ……（１）
となり、ここでの制御パラメータは、
Ｋｐ；比例ゲイン
Ｔｉ；積分時間
Ｔｄ；微分時間
である。また、ディジタル信号で制御量を計算するため、微分項については、更に微分ゲインγなる制御パラメータが必要となる。従来、バルブポジショナの制御性をチューニングするにあたり、これらの制御パラメータを可変させるという作業を繰り返し行っていた。これらの作業は、制御アルゴリズムが複雑になるとともに、パラメータも増える傾向にあり、ますます複雑になってきている。このようにチューニングを行うことは大変な作業であり、かつある程度の制御に対する知識がなければうまくチューニングすることができない。
【０００４】
このようなチューニングが困難な理由は、バルブポジショナはバルブを制御するための機器であり、その内容は制御工学という、ある専門分野に深く関わっているからである。
まず、機械式ポジショナの場合は、制御アルゴリズム自体が比例制御しか実現できず、その制御パラメータは設計値で決まるため、ゼロ・スパン調整を行う以外の操作は不要であった。そのため、バルブポジショナの制御性はある程度、犠牲になっていた。一方、演算機能をもった電気式ポジショナの場合は、ディジタル演算で制御演算を実現できるため、さまざまな制御アルゴリズムの実現が可能となった。その結果、機械式ポジショナでは実現できなかったＰＩＤアルゴリズムを持つポジショナが開発され、バルブポジショナの制御性は格段に向上した。
しかし、制御アルゴリズムが複雑になればチューニング・バラメータも増えるため、ゼロ・スパン調整の他に、制御パラメータをチューニングするという作業が必要になり、この作業を行うにあたっては、制御工学の知識が必要になってきたため、マン・マシン・インターフェイスが悪化してきている。
【０００５】
【発明が解決するための課題】
このように、従来の制御パラメータによるチューニング方法は、制御パラメータを直接扱うので、Ｋｐ（比例ゲイン）、Ｔｉ（積分時間）、Ｔｄ（微分時間）、γ（微分ゲイン）等、専門的な用語と内容を理解しなければチューニングできないという問題点がある。
【０００６】
また、そのチューニングするための値については、適当な値が感覚的に分からなかったので、チューニングに多大な工数がかかり、時間をかけた割りには正しい値を見つけるのが困難であるという問題も存在する。
【０００７】
従って、バルブのチューニングを行う制御パラメータを専門的な知識がなくとも正確に選択して行うことができる手法に解決しなければならない課題を有する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナは、次の通りである。
（１）調節弁の弁開度を所定のＰＩＤアルゴリズムにより制御して、バルブをチューニングするとともに、前記弁開度に基づく信号をフィードバックして前記調節弁を制御するバルブポジショナにおいて、少なくとも積分時間（Ｔｉ）と微分時間（Ｔｄ）と比例ゲイン（Ｋｐ）とからなる制御パラメータを構成要素とする前記ＰＩＤ制御アルゴリズムを演算する制御部と、入力された前記バルブの仕様を前記制御パラメータに変換する設定部とを備え、前記バルブの仕様は、前記バルブの容量（Ｖ）と、前記バルブポジショナの供給圧（Ｐｓｕｐ）と、前記バルブのスプリングレンジ（ＳＲ）と、前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）とを備え、前記ＰＩＤ制御アルゴリズムは、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのスプリングレンジ（ＳＲ），前記バルブポジショナの供給圧（Ｐｓｕｐ），前記バルブのストローク（Ｓｔ）の関数である比例ゲイン（Ｋｐ）と、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である積分時間（Ｔｉ）と、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である微分時間（Ｔｄ）と、少なくとも前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である微分ゲイン（γ）とを備えたことを特徴とするバルブポジショナ。
（２）前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにしたことを特徴とする（１）記載のバルブポジショナ。
【０００９】
このように、従来は、制御パラメータを直接入力してバルブ・ポジショナのチューニングを行っていたため、制御パラメータの内容を理解しないとチューニングできないという問題があったが、本発明のようにバルブの容量、バルブのヒステリシス等を代入することにより、バルブポジショナまたは操作部側で制御パラメータを演算作成するため、制御パラメータについて理解していなくともバルブのチューニング作業を行うことが可能になる。
【００１０】
また、従来のように、チューニングの粗調整のようなことができなかったため、チューニングをする制御パラメータを追い込むまでに時間がかかっていたが、本発明のように、バルブの仕様を代入することにより、チューニングをする制御パラメータを決めるため、この作業が粗調整となる。制御性を更に向上させたい場合には、チューニングする制御パラメータ自体を少しづつ変化させる。または、バルブの仕様を少し変化させればよい。
【００１１】
更に、従来は、制御パラメータを直接調節する際、はじめに代入すべき値の判断が困難であったが、本発明によれば、制御パラメータの調整範囲を予め決めてパーセント表示することにより、調整加減が感覚で得ることができるようになり分かりやすくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかるバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナの実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
本発明にかかる第１の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法を具現化するバルブポジショナを図１に示す。
この図に示すように、本発明のバルブポジショナは、操作部１０で入力したバルブ１４の仕様に基づいてバルブポジショナ１１側で制御パラメータを設定してバルブポジショナ１１のチューニングを行う構成となっており、バルブ１４の仕様をキーボードまたはボタン１０ａから入力する操作部１０と、操作部１０と電流信号に重畳されるディジタル通信または４−２０ｍＡで通信される入力信号を入力し、調節弁１２を制御するバルブポジショナ１１と、調節弁１２とステム１３を介して接続されたバルブ１４とから構成されている。
【００１４】
操作部１０は、マン・マシン・インターフエイスであり、バルブ１４の仕様データをキーボード等より入力する。このバルブ１４の仕様は、バルブの容量Ｖ、調節弁１２への供給圧Ｐｓｕｐ、バルブ１４内のスプリング・レンジＳＲ等である。これらは、所定の通信プロトコルに従って、バルブポジショナ１１に送出される。
【００１５】
バルブポジショナ１１は、操作部１０からの入力信号を受信する信号受信手段１５と、入力信号により制御パラメータを演算して設定する設定部、即ち、制御パラメータ設定部１６ａ及び調節弁１４のフィードバック信号である弁開度信号との偏差を算出するバルブ制御演算部１６ｂとを有する制御部１６と、バルブ１４の仕様を蓄積してあるデータベースである記録部１７と、制御部１６で演算された制御信号（制御量）をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１８と、アナログ信号に変換された制御信号に基づいて調節弁１２の空気流量を制御する電空変換器１９と、調節弁１２の弁開度に応じて変位するステム変位信号を検出する角度センサー器２０と、角度センサー器２０で検出した信号をディジタル信号に変換して弁開度信号を生成するＡ／Ｄ変換器２１とから構成されている。
【００１６】
調節弁１２は、電空変換器１９で生成された出力圧Ｐｏｕｔにより図示しないダイアフラムを制御してステム１３を往復運動させる。このステム１３はバルブ１４の弁プラグに直結しており、弁プラグを開閉制御してプロセス流体の制御を直接行う構成となっている。また、バルブ１４内部にはスプリングが収納され、弁プラグを常時一方方向に付勢するとともに調節弁１２のダイアフラムへの空気流量の制御によりスプリングの付勢力に対抗して弁プラグを開閉制御する構造となっている。
【００１７】
この制御パラメータ設定部１６ａにおける制御パラメータを計算するアルゴリズムは、まず、従来技術で説明した（１）式の制御アルゴリズム、即ち、ＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｕ（ｓ）＝Ｋｐ（１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ）・Ｅ（ｓ））を有するバルブポジショナにおいては次の式により演算される。
（比例ゲイン）Ｋｐ＝ｆ（Ｖ，ＳＲ，Ｐｓｕｐ，Ｓｔ） ……（２）
（積分時間）Ｔｉ＝ｆ（Ｖ，ＶＨ） ……（３）
（微分時間）Ｔｄ＝ｆ（Ｖ，ＶＨ） ……（４）
（微分ゲイン）γ＝ｆ（ＶＨ） ……（５）
Ｖ；バルブの容量
ＳＲ；バルブのスプリングレンジ
Ｐｓｕｐ；ポジショナの供給圧
Ｓｔ；バルブのストローク（ステム往復運動）
ＶＨ；バルブのヒステリシス
尚、このＰＩＤ制御アルゴリズムによる演算は、記録部１７で行ってもよい。この場合には、演算した結果を設定部１６ａが受け取るようになる。
【００１８】
このような構成からなるバルブポジショナ１１において、演算、生成された制御パラメータによるチューニングについて、図２に示すフローチャートを参照にして以下説明する。
【００１９】
先ず、バルブポジショナ１１をバルブ１４側に取り付け、ゼロ・スパン調整を行う（ステップＳＴ１０、ＳＴ１１）。
【００２０】
次に、操作部１０からバルブの仕様又は型名を入力する（ステップＳＴ１２）。
そうすると、バルブポジショナ１１においてこのバルブ１４の型名を入力する場合には、その型名に応じたバルブ１４の仕様をアクセスして読み出すとともに、このバルブ１４の仕様に応じた制御パラメータをデータベース（記録部１７）から読み出す。
また、バルブ１４の仕様を入力する場合には、そのバルブ１４の仕様に応じた制御パラメータをデータベース（記録部１７）から読み出す。
そして、上述の（２）式から（５）式の制御パラメータを設定し、（１）式のＰＩＤ制御アルゴリズムにより演算する。この制御パラメータに基づいて演算生成された制御量（制御信号）に基づいてバルブのチューニング、即ち、粗調整を行う（ステップＳＴ１３）。
そして、この制御量に基づくバルブ１４の制御性は良いか否かを判断する（ステップＳＴ１４）。
不具合がある場合には、微調整を行う（ステップＳＴ１５）。この微調整は、バルブの仕様を変更するかまたは直接制御パラメータを変更することにより行い、再度制御性をみる。この微調整を繰り返し行いファイン・チューニングを行って一連の調整は完了する。
【００２１】
このように、バルブの仕様により設定された制御パラメータ（（２）式〜（５）式））に基づくチューニングを行うことができ、チューニング・パラメータを直接扱わなくともバルブ１４の調整を行うことができる。
【００２２】
もちろんバルブ１４自体及びバルブ１４を構成する付属物によるバラツキがある場合は、制御パラメータでチューニングしても最適であるわけではないが、おおよその調整（粗調整）はできる。そして、後の微調整において、入力するバルブの仕様を少しづつ可変する。または従来と同じようにチューニング・パラメータを直接変化させてチューニングを行えばよい。
【００２３】
また、ここで、チューニング・パラメータを直接扱う場合には、その調整量のみきわめができないため、予め調整できる範囲を決めてパーセント表示をすることにより、より感覚的に調整することができる。更に、バルブ１４の仕様を入力する際に、バルブ１４のストローク、即ち、バルブ１４を全閉、全開させることにより、角度センサー器２０の変化量でおおよその値を測定することができる。バルブ１４のパッキン・フリクションは、バルブ１４の不感帯をトルク・モータ供給電流幅の測定でおおよその値を測定できる。
【００２４】
このようにして、バルブ１４の仕様がわからなくても、バルブポジショナ１１自体で測定し、決めることができる。最終的に全ての必要なバルブ１４の仕様がバルブポジショナ１１側で自己測定できればチューニングは全て自動化できる。但し、この場合は、微調整が必要になる場合がある。
【００２５】
次に、本発明にかかる第２の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナについて図３及び図４を参照して説明する。
【００２６】
第２の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法を具現化するバルブポジショナは、図３に示す。
図３の例は、操作部１０において制御パラメータを設定する構成となっており、バルブ１４の仕様をキーボードまたはボタンから入力する操作部１０と、操作部１０と通信バスを介して接続され、仕様データからなる入力信号を入力し、調節弁１２を制御するバルブポジショナ１１と、調節弁１２とステム１３を介して接続されているバルブ１４とから構成される。
【００２７】
操作部１０は、マン・マシン・インターフェイスであり、バルブ１４の仕様データをキーボード等を使用して入力するとともに、バルブ１４の仕様の入力により制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部１０ａを備えた構成となっている。このバルブ１４の仕様は、バルブの容量Ｖ、バルブポジショナ１１への供給圧Ｐｓｕｐ、バルブ１４内のスプリング・レンジ等である。
【００２８】
制御パラメータ設定部１０ａは、入力されたバルブ１４の仕様に基づいて、図示しないデータベースをアクセスして、第１の実施の形態で述べた（２）〜（５）式の制御パラメータを設定する。即ち、（比例ゲイン）Ｋｐ＝ｆ（Ｖ（バルブ１４の容量），ＳＲ（バルブ１４のスプリングレンジ），Ｐｓｕｐ（バルブポジショナ１１の供給圧），Ｓｔ（バルブ１４のストローク）），（積分時間）Ｔｉ＝ｆ（Ｖ（バルブ１４の容量），ＶＨ（バルブヒステリシス））、（微分時間）Ｔｄ＝ｆ（Ｖ（バルブ１４の容量），ＶＨ（バルブヒステリシス））、（微分ゲイン）γ＝ｆ（ＶＨ（バルブヒステリシス））を設定する。
【００２９】
バルブポジショナ１１は、操作部１０で入力しかつ演算された制御パラメータからなる入力信号を受信する信号受信手段１５と、入力信号の制御パラメータによるチューニングを行うために調節弁１２のフィードバック信号である弁開度信号との偏差を算出するバルブ制御演算部１６ｂとを有する制御部１６と、制御部１６で演算された制御信号（制御量）をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１８と、アナログ信号に変換された制御信号に基づいて調節弁１２の空気流量を制御し出力圧Ｐｏｕｔを生成する電空変換器１９と、調節弁１２の弁開度に応じて変位するステム変位信号を検出する角度センサー部器２０と、角度センサー器２０で検出した信号をディジタル信号に変換して弁開度信号を生成するＡ／Ｄ変換器２１とから構成されている。尚、調節弁１２については第１の実施の形態と同様であるのでの説明は省略する。
【００３０】
バルブ制御演算部１６ｂは、従来技術で説明した（１）式の制御アルゴリズム、即ち、ＰＩＤ制御アルゴリズム（Ｕ（ｓ）＝Ｋｐ（１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ）・Ｅ（ｓ））を備えており、操作部１０から入力されたバルブ１４の仕様を変換して得られた制御パラメータを代入して制御量を演算する。この演算に関しては図示しない弁開度信号との偏差を算出して制御量を生成し、バルブ制御演算部１６ｂのチューニングを行う。
このようにして、第１の実施の形態と同様にバルブポジショナ１１のチューニングパラメータを直接扱わなくともバルブポジショナ１１の調整はできる構成である。
【００３１】
このような構成からなるバルブポジショナ１１における制御パラメータによるチューニングについて図４に示すフローチャートを参照にして以下説明する。
【００３２】
まず、バルブポジショナ１１をバルブ１４側に取り付け、ゼロ・スパン調整を行う（ステップＳＴ２０，ＳＴ２１）。
【００３３】
次に、操作部１０からバルブ１４の仕様または型名を入力する（ステップＳＴ２２）。
これにより、操作部１０にあってこのバルブ１４の仕様に応じたデータをデータベースから読み出し、上述した（２）〜（５）式の制御パラメータを設定する（ステップＳＴ２３）。
この制御パラメータをバルブポジショナ１１側にバスを介して送る。バルブポジショナ１１側は、この制御パラメータを受け取ると、演算して調節弁１２へ制御信号として送り、バルブ１４のチューニング、即ち、粗調整を行い、バルブ１４の制御性は良いか否かを判断する（ステップＳＴ２４，ＳＴ２５）。
不具合がある場合には、微調整を行う。この微調整はバルブの仕様を変更するか又は直接制御パラメータを変更することにより行い、再度制御性をみる。この微調整を繰り返し行いファインチューニングを行って一連の調整は完了する。
【００３４】
尚、上述の第１の実施の形態と同様に、バルブ１４自体及びバルブ１４を構成する付属物によるバラツキがある場合は、制御パラメータをチューニングした最適値が決まるわけではないが、おおよその調整はできる。後の微調整において、入力するバルブ１４の仕様を少しづつ可変する。または従来と同じようにチューニング・パラメータを直接変化させてチューニングを行えばよい。
また、ここで、チューニング・パラメータを直接扱う場合には、その調整量のみきわめができないため、予め調整できる範囲を決めてパーセント表示をすることにより、より感覚的に調整することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるバルブポジショナのチューニング方法及びバルブポジショナは、チューニングを行うにあたって、制御の専門用語、例えば比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ等の制御専門の用語や制御パラメータを直接扱わなくともよいため、制御の知識を要せずバルブのチューニングができるという効果がある。
【００３６】
また、バルブの仕様を入力することにより、ある程度のチューニング（粗調整）ができるため、チューニングが簡単にできるようになり、かつチューニング時間が節約できるという効果がある。
【００３７】
更に、バルブの型名等を入力するだけでチューニング・パラメータを決めることができるため、チューニング時間を大幅に短縮することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第１の実施の形態のバルブポジショナのチューニング方法を具現化したバルブポジショナとの結合関係を示す略示的全体ブロック図である。
【図２】同動作を示したフローチャートである。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態のバルブポジショナののチューニング方法を具現化したバルブポジショナの結合関係を示す略示的全体ブロック図である。
【図４】同動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０操作部
１０ａバルブの制御パラメータ設定部
１１バルブポジショナ
１２調節弁
１３ステム
１４バルブ
１５Ａ／Ｄ変換器
１６制御部
１６ａ制御パラメータ設定部
１６ｂバルブ制御演算部
１７記録部（データベース）
１８Ｄ／Ａ変換器
１９電空変換器
２０角度センサー器
２１Ａ／Ｄ変換器

Claims

調節弁の弁開度を所定のＰＩＤアルゴリズムにより制御して、バルブをチューニングするとともに、前記弁開度に基づく信号をフィードバックして前記調節弁を制御するバルブポジショナにおいて、
少なくとも積分時間（Ｔｉ）と微分時間（Ｔｄ）と比例ゲイン（Ｋｐ）とからなる制御パラメータを構成要素とする前記ＰＩＤ制御アルゴリズムを演算する制御部と、入力された前記バルブの仕様を前記制御パラメータに変換する設定部とを備え、
前記バルブの仕様は、前記バルブの容量（Ｖ）と、前記バルブポジショナの供給圧（Ｐｓｕｐ）と、前記バルブのスプリングレンジ（ＳＲ）と、前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）とを備え、
前記ＰＩＤ制御アルゴリズムは、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのスプリングレンジ（ＳＲ），前記バルブポジショナの供給圧（Ｐｓｕｐ），前記バルブのストローク（Ｓｔ）の関数である比例ゲイン（Ｋｐ）と、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である積分時間（Ｔｉ）と、少なくとも前記バルブの容量（Ｖ），前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である微分時間（Ｔｄ）と、少なくとも前記バルブのヒステリシス（ＶＨ）の関数である微分ゲイン（γ）とを備えた
ことを特徴とするバルブポジショナ。
前記バルブの仕様は、予め記録しておき、前記バルブの型名の入力により、記録してある前記バルブの仕様をアクセスして選択するようにした
ことを特徴とする請求項１記載のバルブポジショナ。