JP3885118B2 - 制御弁の状態を検査するための方法及び弁装置 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、制御弁装置の状態を検査するための方法に関し、この制御弁の位置が、電気空気式ポジショナーによって制御されかつ圧力媒体によって作動するアクチュエータにより調整されるものに関する。
このために、制御弁の作動を複数のセンサにより監視し、制御弁の作動中、所定の読取り間隔で、少なくとも制御弁の制御信号、ポジショナーのインプット圧力、アクチュエータの入力と出力間の圧力差、および制御弁の位置からの各読取り値を読み取り、そして、読取り偏差を生じる欠陥は、各センサによって与えられた読取り値とマイクロプロセッサに記憶された推論ルールを用いることによりこのマイクロプロセッサによってその所在がわかる。
本発明は、また、制御弁装置に関するものであり、この装置は、弁と、シリンダピストン装置によって駆動されるアクチュエータと、電気空気式ポジショナーと、少なくとも制御弁の制御信号、ポジショナーのインプット圧力、アクチュエータの入出力間の圧力差、及び弁の位置を監視するための複数のセンサと、さらに、これらのセンサから受け取った情報を記憶するための手段と、欠陥の所在を特定しかつ各センサから受け取った情報を処理するために用いられる前記推論ルールとを含んでいる。
（背景技術）
制御弁とその作動は、従来から公知であり、この接続関係を詳細にここで記載する必要はない。この弁は、１／４回転バルブまたは線形バルブとすることができ、制御状態にある制御弁の閉鎖部材の移動方向を指定する。
１／４回転バルブは、例えば、ボール弁、即ち、バタフライ弁である。ボール弁の例としては、例えば、米国特許第４，７４７，５７８号に記載されている。この弁は、閉位置と開位置との間で閉鎖部材の回転軸を回転させるアクチュエータによって作動する。このアクチュエータは、パイロット弁により制御されるシリンダピストン装置によって駆動することができる。
このパイロット弁は、制御弁のポジショナー内に配置される。ポジショナーは、制御信号を増幅して空気作動のアクチュエータの作動圧力に変える装置である。
電気空気式ポジショナーにおいて、電気信号は、増幅されて、空気作動圧力に変えられる。フィードバック要素の手段により、ポジショナーは、弁を制御信号に応答して弁の位置を決める。
空気作動のアクチュエータを備える制御弁の特徴は、一般的に、この制御弁において実行される試験、例えば、ステップ関数応答及びヒステリシス試験に基づいている。この試験を実行するためには、プロセスを停止させることが必要である。そのために、これらの試験は弁の近くで行われる。この試験の装備として、複雑化した複数のセンサを含み、込み入った領域（米国特許第５，１９７，３２８号参照）で試験が実行される。これは、いわゆるオフライン診断である。
この診断は、オンラインで実行することもできる。このために、制御弁のポジショナーは、例えば、弁の位置メッセージを監視し、この位置メッセージが制御システムによって予め仮想した弁位置から余りに離れている場合には、警報を出す。
オンライン診断の一部は、多数の作動が所定の限界値を越える時に警報を出す弁の逆動作がある。
しかし、この診断システムは、欠陥がどこにあるかという推論方法を含んでいない。
米国特許第５，３２９，４６５号及び第４，６９４，３９０号において、制御システムにおける弁が記載されており、そこで、個別に測定を行う複数のセンサが用いられている。この特許公報に記載されている発明は、弁のオンオフ調整に関するもので、連続した制御に関するものではない。
上記米国特許第５，３２９，４６５号に従うシステムにおいて、各センサは、弁の状態を検査するために用いられ、またデータベースのための経過データを収集するためのものである。
欠陥分析は、測定された値と、データベース用として先に収集された値とを比較することによりなされる。弁の位置は、連続して調整されるのではなく、弁が移動して開閉される時にのみ調整される。これは、１日につき数回、または数ケ月に数回という調整間隔で起こる。
この欠陥分析に必要な値が、長い間隔で起こるこの弁の開閉動作の移動時においてのみ監視される。
（発明の開示）
本発明に従う方法は、以下の特徴を有する。即ち、欠陥を見出すために、センサによって得られたその読取値を用いて、前記センサによって弁を制御し、
初期状態において、前記弁がバランスした状態、即ち、弁の位置、制御信号、アクチュエータの入出力間の圧力差の変化が、所定の時間間隔の間、少なくとも所定の値よりも連続して小さく、前記センサによって得られた、少なくとも前記制御信号、弁の位置、アクチュエータの入出力間の圧力差の読取値が記憶されており、さらに、弁の作動が続いているとき、前記センサによって得られた読取値は、初期状態の読取値と比較され、前記読取値の偏差が、所定の制限値を越え、連続して所定時間の間この制限値以上に留まり、欠陥メッセージが与えられて、欠陥があることを知らせることを特徴とする。
本発明に従う装置は、推論ルールがデジタルポジショナーのマイクロプロセッサ内にプログラムされ、このマイクロプロセッサが、各センサの読み取りを進行させることを特徴とする。
本発明は、電気的に制御された空気作動システムを有し、その制御操作のために使用される複数のセンサが欠陥分析のために用いられる。それゆえ、各読取値は、連続的にセンサによってバルブから集められる。位置決めユニットは、バス構成の制御によって制御ユニットまたは監視ルームに直ちにその情報を伝達できるようにする。
本発明は、デジタルポジショナーにプログラムされたロジックに基づくもので、ポジショナーのマイクロプロセッサが制御弁の監視をオンライン状態で実行する。ポジショナーによって監視される特性量は、制御信号、弁の位置、アクチュエータの入出力間の圧力差、弁の位置、およびポジショナーのインプット圧力である。
これらの特性量を連続的に監視し、かつそれらの変化をロジックによって決定された推論ルールと比較することによって、本発明の方法は、制御弁における欠陥対象を見い出せるようになる。
このロジックにより欠陥対象を見出す場合、ポジショナー（スライド）、空気式アクチュエータ、または弁のいずれに欠陥があるかどうかを見つけることが目的である。
さらに、デジタルポジショナーの回路基板（circuit card）には、それ自体に統合診断があり、この診断によって、ポジショナーは、回路基板上の欠陥について情報を伝える。しかしながら、この回路基板の特徴は、本発明の一部ではない。
ロジックルールは、複数の規則で作られ、欠陥メッセージを与えるための診断を活性化させるために、その全てを満足させなければならない。その結果、この診断により最終の欠陥対象がわかる。
本発明は、制御弁のデジタルポジショナーにプログラムされるべき診断ロジックに関する。このロジックは、ブーリーン法則（boolean rules）によって形成される推論メカニズムを有している。
ポジショナーは、工程中、制御弁の位置情報、アクチュエータの入出力間の圧力差、制御信号、ポジショナーのインプット圧力のレベルを監視する。これらの値及び変化は、ブーリーン法則による推論ルールと比較され、これにより、制御弁の条件が示され、必要ならば、警報が与えられる。最終的に欠陥部品が（ポジショナー、アクチュエータ、弁）のどこに位置するかを特定する。
推論ルールは、異なる警報、即ち、欠陥メッセージを与える５つの部分に分けられる。
欠陥１は、欠陥がポジショナー（電流メッセージ、角度センサ、調整弁、圧力センサ、ＥＥＰＲＯＭおよびＲＯＭメモリ）の回路基板上に見出されるときに、与えられる。この診断は、回路基板上に作られた個別の診断にとって大事であるが、より詳細な内容は、本発明の目的ではない。
欠陥２は、弁の制御信号が変化するが、アクチュエータの入出力間の圧力差、及び弁の位置が変化しないときに、与えられる。この場合、欠陥メッセージは、ポジショナーのスライド動作に欠陥があることを知らせる。他の場合では、摩擦の問題があり、その場合、警報４及び／または警報５を与えることができる。
警報４は、制御信号が変化しかつアクチュエータの入出力間の圧力差が増加するが、弁の位置が変化しないとき、与えられる。この場合、摩擦が問題である。
警報５は、負荷係数の傾向が設定制限値を越えるときに与えられ、それは、摩擦の問題である。
欠陥診断のルール及び推論メカニズムがポジショナーのメモリ内にあるとき、制御弁の最終の不確定な動作上の情報が工程中連続的に受け入れられる。その結果、この推論は、個別に実行されるテストに基づくものではなく、この工程は中断されることになり、弁状態の監視が完了し、そして、警報が工程中にオンラインシステムを用いて与えられる。これは、空気作動の制御弁を調査する場合において、重要な革新である。
これら警報の情報は、ＨＡＲＴデータの移送チャネルを介して、自動的に監視ルームに伝達される。こうして、各弁から分離した情報をピックアップすることは必ずしも必要ではないが、この情報をアクセスすることは、ときどき難しい。
診断情報を得るために、その弁のところに行く必要はなく、分離した設備がこの領域の弁から情報を読取ることが要求される。また、この情報をピックアップするために浪費する時間がない。
弁の状態を高めるために、面倒な仕事でかつ多くの時間がかかる配管から弁を取り外すことを必ずしも必要とするものではない。警報が診断により与えられる場合、この後で、弁のテスト駆動を実行することが可能である。
必要ならば、欠陥の最終対象物を、より正確に特定することもできる。これらのテスト駆動を実行するために、プロセスを停止しなければならない。
制御弁の状態における連続的なオンライン情報を受け取ることは、予防的メンテナンスのために重要である。弁は、役立つ前に、長い時間、不特定に乱れるプロセスの動作を操作することができる。
最も悪い場合、弁は、高価な製造ラインの停止を生じさせるひび割れを起こす。これらの場合は、弁の状態の情報が工程中連続して受け入れられるならば避けることができる。
従来から弁を維持するために、工場の操業停止中、実行すべきメンテナンス作業があり、これによって、最も重要な時点において、前もって弁の状態を知ることなく保守点検がなされる。この点検は、まだ弁の点検が必要ではないかも知れないし、あるいは、操業停止中に、全ての弁を点検するのに十分な時間がないために、必要だった弁の点検が省略されたかもしれない。
オンライン情報が、弁の状態において受け入れられた場合、点検を必要とするいくつかの弁を特定することができ、あるテストによって、より正確で実際に必要な点検を決定するために、より緊密な診断を行うことができる。
オンライン診断を介して得られる最終の利点は、工程中の安全性を高め、工程が容易となり、かつ生産のロスが減少するとともに、コストを削減できることである。
エネルギー消費を減らし、賃金を下げ、かつ予期しない生産停止を避けることができる。また、在庫部品のストック量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明とその詳細は、添付の図面に関連して以下に詳細に記載されている。
第１図は、本発明に従う制御弁装置の概略図を示している。
第２図は、警報２の状態及び結果を示している。
第３図は、警報２に関して監視されるべき特性を時間の関数として示している。
第４図は、警報３の状態及び結果を示している。
第５図は、警報４の状態及び結果を示している。
第６図は、警報５の状態及び結果を示している。
第７図は、警報６に関して監視されるべき特性を示している。
第８図は、負荷係数の傾向曲線を示している。
（発明を実施するために最良の形態）
図１は、制御弁１０１、シリンダピストン装置１０２によって駆動されるアクチュエータ１０３、およびポジショナー１０４を含む装置を示している。このアクチュエータは、パイロット弁１０５によって制御される。ポジショナーのメッセージは、制御情報が記憶されるプリント回路基板１０６によって処理される。
センサ１０７は、閉鎖部材１０８の位置ｓを測定し、センサ１０９は、ポジショナーのインプット圧力Ｐを測定し、センサ１１０は、アクチュエータの入出力間の圧力差を測定する。これらのセンサは、ポジショナー内に配置されている。異なる電気メッセージ及び測定値は、図面上に示される。制御信号ｉは、本システムの入力である。
警報１は、上述したように、ポジショナーの回路基板上の問題を示しているが、本発明の一部ではない。
警報２は、制御弁のスライド問題を示す。
第２図は、４つの異なる状態を図式化して示し、これらの手段によって、警報２に関する推論ルールが実行される。第３図において、警報２の作動、すなわち、時間の関数として監視される特性及びそれらのパラメータが示されている。
点Ａは、時間軸を示す点であり、そこで、制御信号ｉ、アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐ、及び弁の位置ｓのそれぞれの値が、必要な時間の間、与えられた制限値の範囲にあるかどうかを読取サイクルを繰り返して監視される。「初期状態」と称する、このバランス状態Ａの特性値は、レジスタに記憶される。
制御信号における変化が５％より大きい場合、タイムカウンタが始動する。制御信号の変化が、選択された時間内で５％以下に戻る場合には、タイムカウンタはゼロにリセットされる。また、初期状態Ａに関して弁の位置において、制御信号ｉの変化が１％以下の場合には、他のレジスタにおいても変化がないであろう。
その場合、新しい初期状態Ａをセットしなければならない。制御信号ｉと弁位置ｓが、初期状態Ａのバランス条件を有する値を越える場合、新しい初期状態をサーチすることになる。
条件１： 制御信号ｉの変化が５％より大きく、１２０秒以上続くとき、言い換えれば、図３のＢ点からＤ点の間にある場合。
条件２： アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐが所定の制限値内にあり、図３において、時間Ａ→Ｂ及びＢからＣまでの間で圧力差の変化が０．２バール（BAR）より小さい場合。
条件３： 弁位置ｓの変化が所定の制限値以内であり、図３において、時間Ａ→Ｂ及びＢからＣまでの間で弁位置の変化が１％より小さい場合。
条件４： 警報１がない場合。
このデータに基づいて、結果５に到達する。パイロット弁のスライドが停止すると、欠陥６がポジショナーに存在することになる。
考慮すべき範囲は、制御弁の移動範囲の１０％から９０％であり、言い換えれば、移動範囲の始点と終点の位置は考慮されない。
図３の例において、制御信号ｉの変化が２％以下で、その持続時間が１０秒；アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐの変化が０．２バール以下で、その持続時間が１０秒；制御弁の位置ｓの変化が１％以下で、その持続時間が１０秒であることが、バランス状態を示すパラメータとして選択されている。
警報状態に対応するパラメータは、次の通りである。
即ち、制御信号ｉの変化が５％より大きくて、その持続時間が１２０秒、言い換えれば、時間軸ＢからＤまで；アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐの変化が０．２バール以下で、その持続時間が３０秒、言い換えれば、時間軸ＢからＣまで；制御弁の位置ｓの変化が１％以下で、その持続時間が１２０秒、即ち、時間軸ＢからＤまで。
当然、他のパラメータの値も必要に従って選択することができる。複数の警報から、第１の及び最後のものは、これらの警報の発生頻度と全体の数とともに記憶される。読取サイクルは、０．１秒である。
警報３は、制御信号と弁位置の間の特性の差が非常に大きいことを意味する。
図４は、警報３の条件とその結果を示す。
条件７： 制御信号に対応する弁位置と測定された弁位置との間の特性の差が１０分以上連続して５％より大きくなる場合。
結論８は、次のいずれかを意味する。即ち、
−電気空気式ポジショナーに供給される圧縮空気のインプット圧力を減少して、電気制御を適切に行うために、前部チョークが、閉塞されるか、または、
−パイロット弁のスライドユニットの平面シールが漏れを発生するか、または、
−アクチュエータのシリンダ内に内部または外部の漏洩があるか、または、
−アクチュエータまたは弁において摩擦の問題があるかである。
弁の移動範囲は、１０％から９０％まであると見做される。パラメータは、条件７の上述の値と同一になるように選択される。即ち、特性量の差が、５％より大きく、持続時間は１０分である。第１及び最終の警報から、何回かの発生回数と、警報の全体の数とが記憶される。読取りサイクルは、０．１秒である。
警報４は、摩擦問題である。
第５図は、警報４の４つの条件とその決定を示している。
条件１０： 制御信号の５％以上の変化が、第３図の点Ｂから点Ｄ間において、１２０秒以上持続する場合。
条件１１： アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐの変化が、第３図の点Ｂから点Ｃ間において、０．２バール以上で３０秒間持続する場合。
条件１２： 制御弁の位置ｓの変化が、選択された制限値以内であり、第３図の点Ａから点Ｂ及び点Ｂから点Ｄまでの時間において、１％より小さい場合。
条件１３： 警報１がない場合。
これらの条件が満足するとき、結論１４は、摩擦の問題があると判定する。そして、この摩擦の個所１５は、弁またはアクチュエータ内のいずれかにある。
弁の移動範囲は、１０％から９０％まであると見做される。
初期状態Ａと記憶されるべきその特定量は、警報２（第３図）と同一である。作動も、この場合、アクチュエータの入出力間の圧力差が変化し、一方、警報２では、前記圧力差が変化しないことを除いて、警報２と同一である。
この警報状態のパラメータとして、上記条件１０ないし１２の値が、選択される。言い換えれば、制御信号ｉの変化が５％より大きくかつ１２０秒間持続すること、アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐの変化が０．２バールより大きくかつ３０秒間持続すること、調整弁の位置ｓの変化が、１％以下でかつ１２０秒間持続することのいずれかが選択される。第１及び最終の警報から、何回かの発生回数と、警報の全体の数とが記憶される。読取りサイクルは、０．１秒である。警報５は、負荷係数の次の傾向曲線によって容認されることになる。
第６図は、警報５の条件１６を示す。すなわち、負荷係数の傾向は、設定制限値を越える。この場合、結論１７は、摩擦の問題であると判定し、摩擦の個所１８は、弁またはアクチュエータのいずれかにある。
弁の移動範囲は、１０％から９０％まであると見做される。
第７図は、警報５の作動、即ち、アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐと弁位置ｓの各時間変化の関数として図示されている。
初期状態Ａと記憶されるべきその特定量は、警報２におけるものとして決定される。その後、弁位置ｓの変化が観察されるであろう。
弁の位置ｓの変化が、メモリに記憶されるべき初期状態Ａの値よりも１％だけ越えると、この状態Ａは、弁の開始点Ｅと判定され、これにより、アクチュエータの入出力間の圧力差Δｐとポジショナーのインプット圧力Ｐｓが記憶される。
負荷係数ｋは、この値から計算される。次のバランス状態Ａ’は、新しい初期状態として選択される。もし、初期状態と新しい初期状態における弁の位置間の差が、２％よりも大きいと、計算された負荷係数は、傾向曲線を修正するために記憶される。
警報は、５つの連続的な測定値が設定制限値を越えるときに与えられる。
アクチュエータの負荷係数は、次式から得られる。

ここで、
ΔＰ_Lは、弁の開始位置でのアクチュエータの入出力間の圧力差
Ｐｓは、ポジショナーのインプット圧力である。
警報５のパラメータは、初期状態Ａ、負荷係数ｋの記憶した値と比較される弁の位置ｓが１％より大きい変化であり、初期状態Ａの記憶した値と比較される弁の位置ｓが２％より大きい変化であり、負荷係数の警報制限値と越えた数によって警報が導かれる。読取りサイクルは、０．１秒である。

Claims (3)

1. 制御弁（101）の閉鎖部材（108）の位置が、電気空気式ポジショナー（104）により制御されかつ圧力媒体により作動するアクチュエータ（103）によって調整され、このために前記弁の動作が複数のセンサにより監視され、これらのセンサは、前記弁の作動中、少なくとも前記弁の制御信号（ｉ）、前記ポジショナーのインプット圧力（Ｐｓ）、前記アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）および前記弁の位置からの各読取値を所定の読取間隔で読み取っており、さらに、前記センサによって得られた読取値と、マイクロプロセッサ内に記憶された推論ルールとを用いることにより、読取値の偏差を生じる欠陥を前記マイクロプロセッサによって見出すようにした、制御弁装置の状態を検査するための方法であって、
   欠陥を見出すために、前記センサによって得られたその読取値を用いて、前記センサによって前記弁を制御し、
   初期状態（Ａ）において、前記弁（101）がバランスした状態、即ち、弁の位置（ｓ）、制御信号（ｉ）、アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）の変化が、所定の時間間隔の間、少なくとも所定の値よりも連続して小さく、前記センサによって得られた、少なくとも前記制御信号（ｉ）、弁の位置（ｓ）、アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）の読取値が記憶され、
   前記弁の作動が続いているとき、前記センサによって得られた読取値は、初期状態（Ａ）の読取値と比較され、前記読取値の偏差が、所定の制限値を越え、連続して所定時間の間この制限値以上に留まる場合に、欠陥メッセージが与えられて、欠陥があることを知らせるようにしており、さらに、
   前記弁の作動が初期状態（Ａ）から続行しているとき、各センサによって得られた読取値が初期状態（Ａ）の読取値と比較され、そして、
   ある時点（Ｂ）における前記制御信号（ｉ）の変化が所定の制限値を越え、かつ所定時間の間（Ｂ→Ｄ）、前記制限値以上に留まる場合に、前記弁の位置（ｓ）の変化が、初期状態（Ａ）から始まる所定時間（Ａ→Ｄ）の間、前記初期状態（Ａ）の各値よりも小さく、さらに、この作動が、所定時間の間（Ｂ→Ｄ）続行し、この所定時間の間、制御信号（ｉ）の変化が、上記制限値以上に留まり、
   前記ポジショナーの回路基板によって示されたある欠陥によって生じたであろう欠陥メッセージを発生しないで、その後、
   a）前記アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）の変化が、ある所定時間（Ｂ→Ｃ）の間、初期状態（Ａ）のバランス状態の所定値よりも小さく、この所定時間（Ｂ→Ｃ）は、前記所定時間（Ｂ→Ｄ）内に含まれ、前記制御信号（ｉ）の変化が前記制限値以上に留まるとき、欠陥メッセージが与えられて、欠陥が前記ポジショナー（104）のパイロット弁（105）にあることを知らせ、
   b）前記アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）の変化が、所定時間（Ｂ→Ｃ）の間、前記初期状態（Ａ）のバランス状態の所定値よりも大きく、この所定時間（Ｂ→Ｃ）は、前記所定時間（Ｂ→Ｄ）内に含まれ、前記制御信号（ｉ）の変化が前記制限値以上に留まるとき、欠陥メッセージが与えられて、欠陥が前記弁（101）内またはアクチュエータ（103）内にあることを示すことを特徴とする方法。
2. いくつかの連続した欠陥メッセージの最初と最後のメッセージと、この２つの欠陥メッセージが起こる回数と連続した欠陥メッセージの数が記憶されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 弁の作動が、初期状態（Ａ）のバランス状態から次のバランス状態（Ａ’）に続く時、この状態における弁の位置（ｓ）が少なくともある量だけ変化し、
   位置センサ（107）によって得られる読取値を、前記状態の時間中（Ａ’→Ａ）、前記初期状態（Ａ）の記憶された読取値と比較し、前記読取値の偏差が所定値を越えると、前記アクチュエータの入出力間の圧力差（Δｐ）と、ポジショナーのインプット圧力（Ｐｓ）の各読取値が瞬間（Ｅ）に読み取られ、これらの読取値の比から負荷係数（ｋ）が計算されかつメモリに記憶され、
   さらに、負荷係数（ｋ）が所定の制限値を越え、この越えた数、または越えた所定数の平均値が所定値に到達したとき、欠陥メッセージが与えられ、欠陥は、前記弁（101）内またはアクチュエータ（103）内での摩擦であることを示すことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の方法。

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