JP4575770B2 - 制御弁の制御ループにおける診断を実行する方法および装置 - Google Patents
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Description
dm/dt=KYAgc(2ρ(p1―p2))1/2
ここで、dm/dtは質量流量(lbm/s)であり、Kは排出係数であり、Yは膨張係数であり、Aは絞り面積(ft2)であり、gcは変換定数(lbm/slug)であり、p1は上流側圧力(lbf/ft2、abs.)であり、p2は下流側圧力(lbf/ft2、abs.)であり、ρは上流側流体密度(slug/ft3)である。
dm/dt=0.048KYA(p1(p1−p2))1/2
質量流量式は、天然ガスの如き他の流体の場合にも同様に変形されてもよい。さらに、オリフィスの質量流量を推定する上記の式以外にも、ISA−575.01−1985:制御弁のサイジングに用いる流量計算式(Flow Equations For Sizing Control Valves)に記載されている計算式の如き標準流量計算式を用いてもよい。上記の計算式により得られる質量流量推定値は、とくにビットノイズを減衰すべくローパスデジタルフィルタを用いた場合に、外部空気質量流量センサを用いて得られる測定結果とよく一致することが見出されている。したがって、診断ユニット18は、圧力センサ85、86、88および変位センサ84からのフィードバックを受信し、上記の計算式を用いて、第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54を通過する質量流量を計算するようにプログラミングされうる。上記の計算式は、ランドを横切って流れる漏洩流量に対する補正のために修正されてもよいし、また、図6のニューマチックリレイ200の如き他の二次ニューマチックスの質量流量の計算に用いられてもよい。
12 アクチュエータ
14 ポジショナ
18 プロセッサ
20 メモリ
24 I/P変換器
26 スプール弁
28 流入ポート
30 制御流体供給源
32 O−リング
36 主オリフィス
40 フラッパ
42 ソレノイドコイル
44 流出ポート
45 ダイアフラム
50 流入ポート
52、54 流出ポート
60 ピストン
56 アクチュエータハウジングの上側チャンバ
58 アクチュエータハウジングの下側チャンバ
62 アクチュエータハウジング
64、82 バネ
66 弁棒
68 弁移動センサ
70 弁部材
72 ロッド
74、76 ランド部
77 弁チャンバ
84 制御流体弁組立品変位センサ
85 供給圧の検出用センサ
86、88 流出ポートセンサ
100 測定変数
200 ニューマチックリレイ
202a、202b 供給圧プレナム
204、206 流出ポート
208、212 ポペット弁
216 ビーム
218 支点
220、224 オリフィス
228、230 チャンバ
Claims (33)
- 少なくとも第一の制御チャンバを有するとともに絞りエレメントに接続されるニューマチックアクチュエータを制御するポジショナシステムであって、
圧力信号を伝送するI/P変換器と、
制御流体供給源に連通する流入ポートおよび前記第一の制御チャンバと連通する第一の流出ポートを有しているハウジングと、前記圧力信号に応答し前記流入ポートから前記第一の流出ポートまでの制御流体の流れを制御する、前記ハウジングに配置された制御流体弁組立品とを有する二次ニューマチックスと、
前記ハウジングの流入ポートと連通している、流入ポート圧力を測定する流入ポート圧力センサと、
前記第一の流出ポートと連通している、第一の流出ポート圧力を測定する第一の流出ポート圧力センサと、
制御流体弁組立品位置を検出する変位センサと、
前記流入ポート圧力、前記第一の流出ポート圧力、および第一の流出ポート絞り面積に基づいて制御流体の第一の流出ポート質量流量を決定するように構成された格納済ルーチンを有するプロセッサを備えるとともに、前記流入ポート圧力センサ、前記第一の流出ポート圧力センサ、および前記変位センサと通信可能に接続されている診断ユニットとを備え、
前記診断ユニットは、前記決定された制御流体の前記第一の流出ポート質量流量に基づいて、故障を検出すると共に当該故障の根本原因の場所を決定するように当該故障を特定するよう構成されている、ポジショナシステム。 - 前記アクチュエータが第二の制御チャンバをさらに画定し、前記ハウジングが該第二の制御チャンバと連通する第二の流出ポートを画定し、前記制御流体弁組立品が前記流入ポートから前記第二の流出ポートへの制御流体の流れをさらに制御しており、前記ポジショナシステムが、第二の流出ポート圧力を測定するために、前記第二の流出ポートと連通する第二の流出ポート圧力センサをさらに備え、前記診断ユニットが前記第二の流出ポート圧力センサに通信可能に接続され、前記格納済ルーチンが、前記流入ポート圧力、前記第二の流出ポート圧力、および第二の流出ポート絞り面積に基づいて、制御流体の第二の流出ポート質量流量を決定するようにさらに構成されている、請求項1記載のポジショナシステム。
- 前記制御流体弁組立品がスプール弁を備えており、前記制御流体弁組立品位置がスプール弁位置を含んでなる、請求項1記載のポジショナシステム。
- 前記格納済ルーチンが、前記スプール弁位置に基づいて、前記第一の流出ポート絞り面積を決定するようにさらに構成されている、請求項3記載のポジショナシステム。
- 前記制御流体弁組立品が、ビームを有するニューマチックリレイを備え、前記制御流体弁組立品位置がビーム位置を含み、前記格納済ルーチンが、前記ビーム位置に基づいて、第一の流出ポート絞り面積を決定するように構成されている、請求項1記載のポジショナシステム。
- 前記格納済ルーチンが、式dm/dt1=KYA1gc(2ρ(p1―p2))1/2に従って、前記第一の流出ポート質量流量dm/dt1を決定すべくなしてあり、該式において、p1が前記流入ポート圧力であり、p2が前記第一の流出ポート圧力であり、A1が前記第一の流出ポート絞り面積であり、Kが排出係数であり、Yが膨張係数であり、gcが変換定数であり、ρが上流側流体密度である、請求項1記載のポジショナシステム。
- 前記アクチュエータが第二の制御チャンバをさらに画定し、前記ハウジングが該第二の制御チャンバと連通する第二の流出ポートを画定し、前記制御流体弁組立品が、前記流入ポートから前記第二の流出ポートまでの制御流体の流れをさらに制御しており、前記ポジショナシステムが、第二の流出ポート圧力を測定するために、前記第二の流出ポートと連通する第二の流出ポート圧力センサをさらに備え、前記診断ユニットが前記第二の流出ポート圧力センサに通信可能に接続され、前記格納済ルーチンが、前記流入ポート圧力、前記第二の流出ポート圧力、および第二の流出ポート絞り面積に基づいて、制御流体の第二の流出ポート質量流量を決定するように構成されている、請求項6記載のポジショナシステム。
- 前記格納済ルーチンが、式dm/dt2=KYA2gc(2ρ(p1―p3))1/2に従って前記第二の流出ポート質量流量dm/dt2を決定すべくなしてあり、該式において、p1が前記流入ポート圧力であり、p3が前記第二の流出ポート圧力であり、A2が前記第二の流出ポート絞り面積であり、Kが排出係数であり、Yが膨張係数であり、gcが変換定数であり、ρが上流側流体密度である、請求項7記載のポジショナシステム。
- 前記制御流体が空気を含んでおり、前記格納済ルーチンが、式dm/dt1=0.048KYA1(p1(p1―p2))1/2に従って前記第一の流出ポート質量流量dm/dt1を決定すべくなしてあり、該式において、p1が前記流入ポート圧力であり、p2が前記第一の流出ポート圧力であり、A1が前記第一の流出ポート絞り面積であり、Kが排出係数であり、Yが膨張係数である、請求項1記載のポジショナシステム。
- 遠隔ホストが前記診断ユニットを備えてなる、請求項1記載のポジショナシステム。
- 制御流体供給源と連通する流入ポートおよび第一の制御チャンバと連通する第一の流出ポートを画定するハウジングならびに該ハウジングに配置されるとともに前記流入ポートから前記第一の流出ポートまでの制御流体の流れを制御する制御流体弁組立品を有する二次ニューマチックスを備えるポジショナと、絞りエレメントに接続されているとともに第一の制御チャンバを画定するアクチュエータとを含む、絞りエレメントを備える制御弁用の制御ループに適用される制御流体の第一の流出ポート質量流量を決定して前記制御ループにおける故障を検出する方法であって、
前記ハウジングの流入ポートにおける流体圧力を測定することにより流入ポート圧力値を生成することと、
前記ハウジングの第一の流出ポートにおける流体圧力を測定することにより第一の流出ポート圧力値を生成することと、
前記制御流体弁組立品の位置を検出することにより制御流体弁組立品移動値を生成することと、
前記流入ポート圧力値、前記第一の流出ポート圧力値、および第一の流出ポート絞り面積に基づいて、前記第一の流出ポート質量流量を計算することと、
論理サブルーチンに従って前記第一の流出ポート質量流量の特性に基づいて故障信号を生成することとを含み、
前記故障信号は、前記二次ニューマチックスと前記アクチュエータとの間の漏洩、前記二次ニューマチックスと前記アクチュエータとの間の遮断、I/P変換器の主オリフィスの完全又は部分的な詰まり、I/P変換器のノズルの完全又は部分的な詰まり、I/P変換器の流出ポートO−リングの破損、I/P変換器のダイアフラムの故障、及び、前記二次ニューマチックスへの供給圧力の損失のうち何れか1つとして、検出された故障を特徴付けている、方法。 - 前記アクチュエータが第二の制御チャンバをさらに画定し、前記ハウジングが前記第二の制御チャンバと連通する第二の流出ポートを画定し、前記制御流体弁組立品が、前記流入ポートから前記第二の流出ポートへの制御流体の流れをさらに制御しており、前記方法が、前記ハウジングの第二の流出ポートにおける流体圧力を測定することにより第二の流出ポート圧力値を生成することと、前記流入ポート圧力値、前記第二の流出ポート圧力値、および第二の流出ポート絞り面積に基づいて、第二の流出ポート質量流量を計算することとをさらに含んでいる、請求項11記載の方法。
- 前記第一の流出ポートおよび前記第二の流出ポートの各質量流量がベルヌーイの式を用いて計算される、請求項12記載の方法。
- 制御流体供給源と連通する流入ポートおよび第一の制御チャンバと連通する第一の流出ポートを有するハウジングならびに該ハウジングに配置される制御流体弁組立品を有する二次ニューマチックスと、前記流入ポートと連通する流入ポート圧力センサと、前記第一の流出ポートと連通する第一の流出ポート圧力センサと、制御流体弁組立品位置を検出する変位センサとを備えるポジショナと、絞りエレメントに接続されているとともに第一の制御チャンバを画定するアクチュエータとを含む、絞りエレメントを備える制御弁用のニューマチック制御ループにおいて故障を検出する方法であって、
第一の質量流量の特性を作成するために、前記流入ポート圧力センサ、第一の流出ポート圧力センサ、および変位センサ用いて、前記第一の流出ポートを通る制御流体の第一の質量流量を計算すること、
前記第一の質量流量の特性に基づきかつ論理サブルーチンに従って故障信号を生成することとを含み、
前記故障信号の生成時には、前記流入ポート圧力センサで検出される流入ポート圧力、前記第一の流出ポート圧力センサで検出される流出ポート圧力、前記変位センサで検出される制御流体弁組立品位置、又は、前記質量流量の特性を含む1又は複数のパラメータを特徴付けて当該故障の根本原因の場所を特定している、方法。 - 定常状態運転中に前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な増加を示す場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成する、請求項14記載の方法。
- 定常状態運転中に前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な減少を示す場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成する、請求項14記載の方法。
- 前記制御流体弁組立品がゼロ位置から離れていることを前記変位センサが示しているが、前記第一の質量流量の特性が一定の流量を示している場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成する、請求項14記載の方法。
- 前記アクチュエータが第二の制御チャンバをさらに画定し、前記ハウジングが該第二の制御チャンバと連通する第二の流出ポートをさらに画定し、前記制御ループが第二の流出ポート圧力センサを含み、前記方法が、第二の質量流量の特性を作成するために、前記流入ポート圧力センサ、第二の流出ポート圧力センサ、および変位センサを用いて、前記第二の流出ポートを流れる制御流体の第二の質量流量を計算することをさらに含んでおり、前記論理サブルーチンが、少なくとも前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性に基づいて、前記故障信号を発生する、請求項14記載の方法。
- 前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な増加を示しかつ前記第二の質量流量の特性が略一定である場合、前記論理サブルーチンが第一のチャンバの漏洩故障信号を生成する、請求項18記載の方法。
- 前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性のうちの一つが所定期間に亘る持続的な増加を示しかつ前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性のうちの他の一つが所定期間に亘る持続的な減少を示す場合、前記論理サブルーチンがピストンリングの故障信号を生成する、請求項18記載の方法。
- 前記第一の流出ポート圧力センサおよび前記第二の流出ポート圧力センサからの圧力値の平均を計算することによりクロスオーバ圧力を計算することをさらに含んでおり、前記論理サブルーチンが、前記故障信号を該クロスオーバ圧力にさらに基づくものとしている、前記請求項18記載の方法。
- 前記第一の質量流量の特性が増加を示し、前記第二の質量流量の特性がゼロに近く、かつ前記クロスオーバ圧力が減少する場合、前記論理サブルーチンが第一のチャンバの漏洩故障信号を生成する、請求項21記載の方法。
- 前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の特性がゼロに近くかつ前記クロスオーバ圧力が減少する場合、前記論理サブルーチンが第二のチャンバの漏洩故障信号を生成する、請求項21記載の方法。
- ニューマチック駆動型制御弁の絞りエレメントを位置決めするための制御ループであって、
少なくとも第一の制御チャンバを画定するアクチュエータハウジングに配置されている、前記絞りエレメントを駆動するアクチュエータと、
制御流体供給源と連通する流入ポートおよび前記第一の制御チャンバと連通する第一の流出ポートを画定するハウジングと該ハウジングに配置され前記流入ポートから前記第一の流出ポートに流れる制御流体の流れを制御する制御流体弁組立品とを有する二次ニューマチックスを備えるポジショナと、
前記ハウジングの流入ポートと連通している、流入ポート圧力を測定する流入ポート圧力センサと、
前記第一の流出ポートと連通している、第一の流出ポート圧力を測定する第一の流出ポート圧力センサと、
制御流体弁組立品位置を検出する変位センサと、
第一の質量流量の特性を作成するために、前記流入ポート圧力、前記第一の流出ポート圧力、および第一の流出ポート絞り面積に基づいて制御流体の第一の流出ポート質量流量を決定するように構成された格納済ルーチンと、前記質量流量の特性に応答して故障信号を生成するように構成された論理サブルーチンと有するプロセッサを備えるとともに、前記流入ポート圧力センサ、前記第一の流出ポート圧力センサ、および前記変位センサに通信可能に接続されている診断ユニットとを備え、
前記論理サブルーチンは、前記故障信号が故障の種類及び故障の場所のうち一方又は両方を示すように前記第一の質量流量の特性を特徴付けてなる、制御ループ。 - 定常状態運転中に前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な増加を示す場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成してなる、請求項24記載の制御ループ。
- 定常状態運転中に前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な減少を示す場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成してなる、請求項24記載の制御ループ。
- 前記第一の質量流量の特性が一定の流量を示し、かつ前記変位センサが、前記制御流体弁組立品がゼロ位置から離れていることを示す場合、前記論理サブルーチンが故障信号を生成してなる、請求項24記載の制御ループ。
- 前記アクチュエータが第二のチャンバをさらに画定し、前記ハウジングが該第二のチャンバと連通する第二の流出ポートを画定し、前記制御流体弁組立品が前記流入ポートから前記第二の流出ポートへの制御流体の流れをさらに制御し、前記制御ループが、前記診断ユニットに通信可能に接続された第二の流出圧力センサをさらに含んでおり、前記制御ループが、前記診断ユニットに通信可能に接続される第二の流出ポート圧力センサをさらに含み、前記格納済ルーチンが、第二の質量流量の特性を作成するために、前記流入ポート圧力、前記第二の流出ポート圧力、および第二の流出ポート絞り面積に基づいて、前記第二の流出ポートを通って流れる制御流体の第二の質量流量を計算するようにさらに構成され、前記論理サブルーチンが、少なくとも前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性に基づいて、前記故障信号を生成してなる、請求項24記載の制御ループ。
- 前記第一の質量流量の特性が所定期間に亘る持続的な増加を示しかつ前記第二の質量流量の特性が略一定である場合、前記論理サブルーチンが第一のチャンバの漏洩故障信号を生成してなる、請求項28記載の制御ループ。
- 前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性のうちの一つが所定期間に亘る持続的な増加を示しかつ前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性のうちの他の一つが所定期間に亘る持続的な減少を示す場合、前記論理サブルーチンがピストンリング故障信号を生成してなる、請求項28記載の制御ループ。
- 前記格納済ルーチンが、前記第一の流出ポート圧力センサおよび前記第二の流出ポート圧力センサからの圧力値を平均することによりクロスオーバ圧力を計算するようにさらに構成され、前記論理サブルーチンが前記故障信号を該クロスオーバ圧力にさらに基づくものとしてなる、請求項28記載の制御ループ。
- 前記第一の質量流量の特性が増加を示し、前記第二の質量流量の特性がゼロに近く、かつ前記クロスオーバ圧力が減少する場合、前記論理サブルーチンが第一のチャンバの漏洩故障信号を生成してなる、請求項31記載の制御ループ。
- 前記第一の質量流量および前記第二の質量流量の各特性がゼロに近くかつ前記クロスオーバ圧力が減少する場合、前記論理サブルーチンが第二のチャンバの漏洩故障信号を生成してなる、請求項31記載の制御ループ。
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