JP4088160B2 - 弁棒の破損検出方法 - Google Patents

Description

本発明はプロセス変数を制御する流体弁を位置決めするためのバルブポジショナに関し、とくに、損傷もしくは破損した弁棒または損傷した弁体もしくは弁座のような制御弁の調子の悪い部品を検出する方法に関する。

バルブポジショナは、一般的な用法としては流体弁の制御および油やガスの配管並びに化学プロセスプラントなどの流体の制御に用いられる。バルブポジショナは典型的には、プロセスの流体を正確に制御するため、および、弁の診断動作を実行するために用いられるマイクロプロセッサを含んでいる。

種々のポジショナがプロセス制御業界で使用されている。いくらかのポジショナは機械的にアクチエータに接続されており、また、いくらかはアクチエータがそのポジショナ内に一体化されている。アクチエータは機械的に弁を位置決めする手段として提供され、そして、電気により、液体により、または空圧によって駆動される。電気式アクチエータは、弁の位置決めをするためのモータを駆動する電気信号を有している。液体圧式のアクチエータは弁の位置決めのための油充填手段を有している。プロセス制御業界において最も一般的であることが明らかなタイプのバルブアクチエータである空圧式のアクチエータは、ピストンまたはピストンとダイアフラムとの組み合わせを備えている。制御統合のレベルや適用に応じて、ポジショナは制御装置から、望まれる弁位置の代表であるいくらかのタイプの入力を受け入れる。ある一つのタイプの入力は４〜２０ｍＡまたは１０〜５０ｍＡという電流の入力であり、二つ目はこの電流信号に付加されたディジタル信号であり、三つ目はフィールドバスやＨＡＲＴ（商標）のような完全ディジタル入力である。または、ポジショナは、望まれる弁位置を代表する１平方インチ当たり３〜１５パウンド（３〜１５ＰＳＩ）の空圧入力を受け入れてもよい。統合のレベルや適用に応じてポジショナは異なるタイプの出力を有する。いくらかのポジショナは、他のポジショナが速い応答流体圧出力を有しているにも拘わらずモータへ出力電流を供給する。最も一般的なタイプのポジショナ出力は０〜２００ＰＳＩの流体圧出力である。本出願において用いられているポジショナという文言は、種々の入力および出力を有し、もし適用しうるなら弁の位置決めをする各手段を含む、現場に設置される全ての機器を意味している。

最も一般的なバネおよびピストン／ダイアフラム式のアクチエータにおいて、弁の位置を変更するために、ダイアフラムはポジショナから送られる圧力によって撓まされ、これによって制御弁の弁棒または回転部材それぞれに荷重やトルクが加えられる。ほとんど全てのポジショナが、ポジショナのマイクロプロッセッサベースの制御部にフィードバックされる位置信号を発信するための機械的または電気的な位置センサを有している。弁を位置決めするために力を供給するための特別の手段が何であろうとも、マイクロプロセッサベースの制御アルゴリズムを有するポジショナは知られている。

全てが同一譲受人に譲渡された特許の公報（特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）において、弁およびアクチエータの保全情報を提供するリアルタイム診断機能を有するマイクロプロセッサベースのポジショナが提供される。全てのこのようなマイクロプロセッサベースのポジショナは破損した弁棒、破損もしくは損傷した弁体、または、破損もしくは損傷した弁座を容易には検出することができない。たとえばポジショナ機器へのリンク機構が健全に作動している状態において、もし弁棒が損傷すれば、このポジショナ機器はアクチエータを監視し、フィードバックし、弁体を実際に動かすことなくそれが正しいと判断する弁位置へアクチエータを位置決めするであろう。最近のマイクロプロセッサベースのポジショナ機器では、ポジショナは瞬時に（典型的には１００ミリ秒未満）弁棒の破損事故に応答するであろう。迅速な機器の応答は弁の性能のいかなる可能性のあるホストモニタリング（主監視）をも覆い隠し、弁の機能障害に起因して生じる何らかのプロセス値の変化が起こるまでは、弁棒の破損は発見されないままになる。このような状態では、弁体はプロセスを大きく乱すことなく不具合を生じていることがあり、したがって、破損または損傷した弁棒／弁体／弁座は長期間発見されないままであるかもしれない。最後にはプロセス制御の喪失を招くであろう。

破損または損傷した弁棒、弁体、弁座のような破損した弁部品の実際の検出には、高価でしかもポジショナや弁自体に付加されるハードウエアを必要とする振動センサや他の精巧な機械的センサが要求されるであろう。したがって、専門家による検査を示唆することができるほどに弁部品の破損を十分に示す（指示する）ために使用しうる技術が望まれる。とくに、追加の機械部品を必要とすることなく弁棒の不具合／弁体の不具合／弁座の不具合を検出し、しかも、いかなる弁の形態からも独立した技術の提供が望まれる。それにより、弁部品の破損が存在するかもしれないという早期の警告を容易且つ即座に提供することができる。
米国特許第５，５４９，１３７号 米国特許第５，５５８，１１５号 米国特許第５，５７３，０３２号

本発明の原理によれば、マイクロプロセッサベースのバルブポジショナがプロセス制御システム中のバルブアクチエータおよび流体制御弁を制御しているという形態において、弁棒または弁体または弁座の可能性のある不具合を指示するための方法が提供される。

とくに、電空（Ｉ／Ｐ）マイクロプロセッサベースのバルブポジショナへの駆動信号が監視されており、上記バルブポジショナへ入力される設定点駆動信号が変化しない状態における安定駆動圧力からの所定の変化を検出するために上記バルブアクチエータに接続されたバルブポジショナの駆動圧出力もまた監視されている。設定点駆動信号が変化しない状態における安定弁棒位置フィードバックからの所定の変化を検出するために、弁棒位置フィードバックもまた監視されている。もし、安定駆動圧力および弁棒位置フィードバックの所定の変化のうち少なくとも一方が検出されると、弁棒／弁体／弁座の異変の指示が提供される。

弁棒／弁体／弁座の異変の指示がなされると、設定点の値に対するプロセス流量の関係の監視や、設定点が変化しない状態における上記関係の変化の検出のような、プロセス値の変化を検出するためにプロセス値の監視が開始される。設定点が変化しない状態におけるプロセス値の変化は、可能性のある弁棒の破損または弁体もしくは弁座の損傷を指示していることになる。

本発明の方法を実施するに際して、二つのアラーム検出が平行して走行する。第一のアラームは弁の障害のためのアラームである。このようなアラームは重大な変化を指示しているであろう。すなわち、設定点には対応する変化が無いのに、駆動圧力および／または弁位置フィードバックに１０％を超える変化が生じているような場合である。このような、予め定められた大きな変化の検出は、第二のアラームの検出を可能にするであろう。

この第二のアラームは、設定点の変化がない状態における設定点とプロセス値との関係の変化を捜査するであろう。もし変化が検出されたら、可能性のある弁棒／弁体／弁座の問題を指示することができるであろう。そうすると、オペレータはプロセス中の問題を調査し、これが検出されると人による弁の検査が行われることになる。

本発明の重要な利点は、初期の段階において弁の不具合を発見することができることであり、それにより、起こりうる高価なプロセス流体の損失を防止し得ることである。また、本発明は検査を必要とするであろう流体制御弁の特定および選択に適用することができる。

新規であると考えられる本発明の特徴は、添付された請求の範囲において特に陳述される。本発明は、添付の図面とともに次の説明を参照することによって最も理解され得る。ここで、同様の参照符号は、いくつかの図面において同様の要素を識別している。

図１には、電空変換ポジショナ１２とマイクロプロセッサ１４とを含むマイクロプロセッサベースのバルブポジショナ１０が示されている。このバルブポジショナ１０は、対応する駆動圧力を出力ライン２０を通してアクチエータ２２に供給するために、供給圧力１６に接続され且つ入力ライン１８を通して対応する駆動信号を受け入れる。アクチエータ２２の出力は流体制御弁２６の弁棒２４に接続される。この弁２６は流体プロセスシステムの配管２８に接続されている。弁棒２４は弁体３０に連結されており、この弁体３０は、弁の入口３４から流入して開弁状態の弁座３２を通って弁の出口３６へ流れる流体の流れを制御するに際に、弁座３２に着座することによってシールするものである。

流体プロセス制御システムの典型的な運転において、設定値回路３８は入力ライン１８を通してマイクロプロセッサ１４に駆動信号を送り、それにより、要求されたプロセス値を弁２６の出口３６に提供するためにアクチエータ２２を介して弁棒２４を動かす。このプロセス値は、これはたとえば要求された流量でもよいが、設定値３８をリセットするために、たとえば公知のプロセス比例／積分／微分（ＰＩＤ）ユニット４２に接続するために、プロセス値測定装置４０によって決定される。弁棒２４とバルブポジショナ１０との間の公知のフィードバック形態はフィードバックリンク機構４４によって提供される。このフィードバックリンク機構４４は、弁棒の位置情報を弁位置センサ４６に提供するために弁棒に連結されている。弁位置センサ４６からの弁位置フィードバック信号はフィードバックライン４８を通してマイクロプロセッサ１４に接続される。

この典型的な流体プロセス制御システムにおいて、標準的なバルブポジショナは弁棒２４の破損を容易には検出することができない。もし弁棒がフィードバックリンク機構４４と弁体３０との間で損傷しており、且つ、アクチエータ２２に対してはフィードバックリンク機構４４は健全に作動している場合、標準的なポジショナは、アクチエータを監視し、フィードバックし、そして、弁棒２４が損傷しているために弁体３０を実際に動かすことなくそれが正しいと考える位置にアクチエータを位置決めする。また、最近の現場の機器においては、ポジショナはそのような事象に対して瞬時に応答する（典型的には１００ミリ秒未満）。現場の機器の迅速な応答は、何らかの弁の機能障害に起因して生じるプロセス値の変化が起こってこれがプロセス値測定装置４０によって検出されるまでは、弁の性能のいかなる標準的な監視をも覆い隠してしまう。前に示したように、何らかの状態においては、弁棒および弁体の不具合はプロセスに大きな変動を生じさせることなく起こり得るので、このような場合、弁棒および弁体の破損は発見されないことがある。これはプロセス制御の喪失を招く。

図２には、弁体、弁棒または弁座に起こり得る問題の検出を実行する方法が示されている。この方法はまた、専門家による検査を行うべきことを示唆するために他の検出手段とともに用いることができる。本発明のバルブポジショナ１０において、マイクロプロセッサ１４は、図２に示すステップを実行する弁棒／弁体／弁座の損傷の検出アルゴリズム５０を含んでいる。

図２に示すように、安定した駆動圧力が維持されているか否かを判断するために、設定点駆動信号に基づいてライン２０を通る駆動圧力がステップ５２において監視される。また、安定した弁位置フィードバックがあるか否かを判断するために、フィードバックライン４８における弁位置フィードバックがステップ５４で監視される。もし駆動圧力５２が安定し、弁位置フィードバック５４が安定しているなら、弁棒の動きはなく５６、検出ルーチンの出口５８に至る。しかしながら、たとえば、弁棒が破損したなら、弁体はプロセスからの力（または弁箱との間の摩擦力）をアクチエータに伝えるものなので、アクチエータ２２に作用する力は変化するだろう。

図２は二つの平行なアラームの走行を示している。第一のアラームは弁の変動に対するアラームである。このようなアラームは、設定点３８において対応する変動が無いのにも関わらず、前述した安定駆動圧力監視ステップ５２において駆動圧力２０の１０％以上の変化が検出され、および／または、前述した安定弁位置フィードバック監視ステップ５４において弁位置フィードバック４８の１０％以上の変化が検出されるというような重大な事態におけるものである。このようにして、ステップ５２において駆動圧力が安定していないなら、ライン６０を通して弁棒の異変６２が発生したというアラームが発せられる。同様に、弁位置フィードバックの１０％以上の変化があれば、この変化を監視している安定弁位置フィードバックのステップ５４がライン６４を通して弁棒の異変６２が発生したことを指示する。

弁棒６２の異変が発生すると、プロセス変化検出ステップ６６が実行される。このプロセス変化検出ステップ６６では、予備テストサイクルにおいて決定されたインスタンスに関して、および、マイクロプロセッサに記録されている上記テストサイクルプロセス値と設定点との関係を用いて、時間ウインドウ内（すなわち、デッドタイムと呼ばれているプロセス応答時間）の特別の設定点に対してのプロセス値測定装置４０におけるプロセス変化が無いかを捜査する。

プロセス比較ステップ６８においては、設定点に変動がない状態で設定点とプロセス値（すなわち、設定点３８とプロセス値測定装置４０）との関係が調査される。プロセス変化比較ステップ６８は、同一設定点における同一制御装置での、現状の設定点とプロセス値との関係と、予備テストにおける設定点とプロセス値との関係とを比較して、その間の変化を調査する。もし、プロセス値と設定点との関係において差違が検出されたら、弁棒−プロセス警報ステップ７０において、弁棒、弁体または弁座についての可能性のある問題を示す警報をオペレータに対して送るように異変が記された信号が発せられる。

先の詳細な記述は、理解の明瞭化のためだけに与えられたものであって、その変更が当業者にとって明白であるが、そこから不必要な限定が理解されてはならない。

アクチエータを駆動するマイクロプロセッサベースのバルブポジショナと、プロセス制御システム中の流体制御弁とを示す概略線図である。 本発明の方法のステップを示すフローチャートである。

Claims (3)

1. 設定転入力を有するとともに、このバルブポジショナへの弁棒位置フィードバックに応答して、流体制御弁の弁座に対して弁棒および弁体を駆動および位置決めするための駆動圧力に対応するバルブアクチエータ制御のための駆動信号を提供する、マイクロプロセッサベースのバルブポジショナにおいて、上記弁棒または弁体または弁座の起こり得る損傷の指示を提供する方法であって、
   駆動信号を監視する工程と、
   上記設定値が変わらない状態における安定駆動圧力からの所定の変化を検出するために、バルブアクチエータへの駆動圧力を監視する工程と、
   上記設定値が変わらない状態における安定弁棒位置フィードバックからの所定の変化を検出するために、バルブポジショナへの弁棒位置フィードバックを監視する工程と、
   安定駆動圧力および弁棒位置フィードバックの変化のうちの少なくとも一方が検出された場合に弁棒／弁体／弁座の異変の指示を提供する工程と、
   弁棒／弁体／弁座の異変の指示に応答し、プロセス値の変化を検出するために該プロセス値の監視を開始する工程と、
   プロセス値の変化の検出に応答して警報を発し、それにより、可能性のある弁棒の破損または損傷した弁体もしくは弁座を指示する工程とを含んでなる、弁棒または弁体または弁座に起こり得る損傷の指示を提供する方法。
2. 上記プロセス値を監視する工程がプロセスの流量を監視することを含んでなる請求項１記載の方法。
3. 上記プロセス流量の監視が、設定値の値に対するプロセス流量の関係を監視し、且つ、設定値が変化しない状態における上記関係の変化を検出することを含んでなる請求項２記載の方法。

Images