JP4611613B2 - 入出力機能を有するインテリジェントレギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはレギュレータに関し、特に入出力機能を有するインテリジェントレギュレータに関する。

本出願は、２００１年４月２７日に出願された出願番号６０／２８７，０５０の米国仮特許出願について、Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ｅ）に基づく利益を主張する。

オイル及びガスパイプラインシステム、化学プロセス等の如き工業プロセスにおける流体の制御では、流体の圧力を減少させ、また制御することが必要な場合が多い。これらの作業にはレギュレータが一般的に使用され、当該レギュレータを通じて調節可能な流量の絞りが提供される。一定の用途におけるレギュレータの目的は、流速又は他のプロセス変数の制御であり得るが、絞りは本質的に、その流量制御機能の副作用として減圧を引き起こす。

一例として、レギュレータが使用される特定用途には、天然ガスの送配がある。天然ガス配送システムは、典型的には、天然ガス田から一又は複数の消費者まで延設された配管ネットワークを有している。大容量のガスを移送するために、ガスは高圧に圧縮される。ガスが分配グリッド、及び最終的には消費者宅に近づくに従い、ガスの圧力は減圧ステーションで減らされる。減圧ステーションは、ガス圧を減少させるために一般的にレギュレータを使用する。

天然ガス配送システムにとって、消費者に充分な容量のガスを提供できることは重要である。このシステムの容量は一般的にシステム圧力、配管サイズ及びレギュレータで決定され、またシステム容量はシミュレーションモデルを使用して評価されることが多い。システムモデルの精度は種々の入力ポイント、減圧ポイント、及び出力ポイントにおける流量データを使用して決定される。減圧ポイントは、ガス配送システムの容量に大きな影響を与える。したがって、減圧ポイントを正確にシミュレートすることがシステムモデルにとって重要である。しかしながら、これらの減圧ポイントは、配送システムの中にあり、したがって、管理移転ポイント（すなわちガス流の制御が配送システムから消費者に切り替わるポイント）とは考えられない。その結果、一般的には減圧ポイントにおいて流量は測定されていない。さらに、減圧ポイントは管理移転ポイントではないので、高精度の加算費用は必要とされない。天然ガス配送に関して上記したそれらと同様の流量測定問題は、他のレギュレータ用途（すなわち工業プロセス、化学プロセス、その他）にも存在する。

加えて、レギュレータは動作の間、損耗が原因となって故障することがある。それによって、パイプラインに沿って圧力を制御する能力が減ずる。破損したレギュレータにより、流体の漏洩が許容され、それによって、流体の無駄が増え、危険な状況が発生し得る。破損したレギュレータが修復され、又は取り替えられ得る一方、レギュレータが故障した時点を検出し、また破損した調整弁がどれであるかを判断することは困難であることが多い。故障を検出し、また故障したレギュレータがどれであるかを判断することは、数マイルに達するパイプラインがある一般的な天然ガス送出システムにおいては更に困難である。その結果、装置の故障を検出し、また故障の位置を特定する装置が強く要望されている。

更に、分散制御が工業システムの制御にますます用いられるようになっている。分散制御システムにおいては、例えばガスパイプラインシステムのようなシステムの構成要素の制御が、構成要素内に処理機能を有することにより各構成要素の夫々で実行される。しかしながら、システム全体に対する制御決定を生成し、システムの構成要素をプログラムし、システム機能を監視し、またシステムの構成要素間の制御を仲介するために、構成要素と通信する中央制御装置が依然として使用されている。したがって、現在の分散制御システムは、システム構成要素にある程度の自律性を提供するとはいえ、中央制御装置が、特にシステムの構成要素間を仲介するときに、比較的高度な制御を依然として維持し続けている。

工業プロセスにおいて使用されるインテリジェント流体レギュレータは、レギュレータ内で内部状態を自己監視することを通じてレギュレータにより実行される流体調整の自己制御のために、内蔵の処理機能を有している。また当該レギュレータは、工業プロセスにおいて他の外部の構成要素へ信号を送信し、また他の外部の構成要素から信号を受信するために、入出力機能を有している。また前記レギュレータは、受信信号を利用して、当該信号で受けた情報を考慮することにより、自己制御処理を更に改良することができる。前記レギュレータは、更に受信信号を使用して、レギュレータの外部の装置を監視し、更には工業プロセス内の構成要素である外部装置を制御するために前記レギュレータが送信する信号を生成することができる。この機能は、プロセス内の構成要素の制御を、他のインテリジェントなシステム構成要素によるより局所化された制御へと分散することによって、より大きな中央処理能力に対する要求を減少することを可能とする。

図１は、ガス及び液体圧力レギュレータのような、入出力機能を有するインテリジェント流体圧力レギュレータ１０の概略図の一例を示している。図示のレギュレータ１０は、ガスパイプラインのような流体流路における流体流量測定用の装置と、入出力通信及び内部計算をもたらすためのプロセッサとを有している。前記流体流量測定用の装置は、圧力測定用の装置、及びオリフィス開度測定用の装置を有している。これらの装置の出力は、流量及び他の情報の計算に順次使用される。

図１に示すように、レギュレータ１０は、レギュレータ本体１２を有しており、このレギュレータ本体１２は、上流パイプライン１４及び下流パイプライン１６に接続されている。レギュレータ本体１２の内部のオリフィス（図示せず）により、上流パイプライン１４と下流パイプライン１６との間で流れが形成される。オリフィスの内部においては、例えば弁体（図示せず）が、オリフィスを選択的に閉塞し、又は部分的に閉塞すべく実施可能に移動し、上流パイプライン１４と下流パイプライン１６との間の流量を調整するように、オリフィスを通る流体流量のために可変開口が調整される。弁体を実施可能に移動させるための作動は、ステム２０を介して弁体に取り付けられ、弁体を移動させる絞り要素１８で達成される。絞り要素１８は、図示のように、パイプラインに連結された管状連結部３２，２４を介して下流パイプライン１６からの圧力を利用して空気圧により駆動され、又はアクチュエータ若しくはモータ駆動用の電力のような他のエネルギー源によって駆動される。開示されたレギュレータ本体１２、及びその記載した動作は単なる例であり、当該技術分野における当業者に周知の他の実施可能な型式のレギュレータを、ここで示したレギュレータ１０に使用してもよいことに注意する。

走行センサ２６が絞り要素１８に接続されており、当該絞り要素１６がステム２０を駆動するときの絞り要素１６の位置を検出し、又は判断する。走行センサ２６は、絞り要素１８の位置を表す信号をプロセッサユニット２８へ順次送信する。弁体の特定の相対的位置を考慮する一方で、プロセッサユニット２８は、この信号を使用してレギュレータ１２内の流れ面積を判断する。センサ２６は、例えばホール効果センサにより構成されていてもよいが、当該技術分野において周知の他の型式の位置センサを絞り要素１８の位置を判断するために使用してもよい。その代わりに、例えばレーダー送受信機、レーザセンサ、又は超音波センサのようなもので直接的に弁体の位置を判断してもよい。

圧力センサがレギュレータ本体１２の上流及び下流に設けられており、上流及び下流の圧力レベルを夫々測定する。図１に示すように、上流圧力センサ３０は、パイプライン１４との圧力の伝達における管状連結部３２を介して上流パイプライン１４の圧力を検出するために設けられている。更に下流圧力センサ３４は、管状連結部２２を介してパイプライン１６の圧力を伝達されて下流パイプライン１６の圧力を検出するために設けられている。圧力センサ３０，３４から出力される信号は、プロセッサユニット２８へ送信される。

図１に示すように、プロセッサユニット２８は、レギュレータ１０の領域内に不可欠である。この統合は、局所的に種々の監視、計算及び制御機能を実行するために、レギュレータ１０にインテリジェンス処理を組み込むことにより提供される。例えば、プロセッサユニット２８は、圧力センサ３０，３４及び走行センサ２６から出力された信号を受信する。これらの受信信号に基づいて、例えば、周知の何れかの方程式又はアルゴリズム（例えば、これらはプロセッサメモリ４４に格納されていてもよい）に従って、レギュレータ本体１２内の可変オリフィスを通る流量を判断し、これにより流量を計算し、またレギュレータ１０又は他の外部装置の制御に使用される制御決定を生成するためにこの判断を利用することができる。

図１に示した通信ユニット３６もまた、レギュレータ１０の内部に一体的に含められている。このユニット３６は、通信リンク又はネットワーク４０を介して外部装置からレギュレータ１０へ入力された信号を受信する信号受信ユニット３８を有している。当該信号受信ユニット３８は、プロセッサユニット２８へ受信信号を順次送信する。更に、通信ユニット３６は、プロセッサユニット２８と通信して、プロセッサ２８から発行された信号を通信リンク又はネットワーク４０を介して一又は複数の外部装置へ送信する信号送信ユニット４２を有している。これに代えて、別個の受信及び送信ユニット３８，４２ではなく、信号を受信し、また送信するための単一の送受信機（図示せず）を、通信ユニット３６に使用することもできる。通信ユニット３６は、例えば、４〜２０ミリアンペア信号のようなアナログ信号、パケット型プロトコル信号のようなデジタル信号、パルス信号、及び空気信号を受信するように構成されることが可能である。

プロセッサユニット２８が通信ユニット３６を介して信号入力を受け取る場合、プロセッサ２８は受信信号のタイプに基づいた多くの機能を実行するように構成される。例えば、受信信号が温度測定装置、地震装置、レベルセンサ、カソード防食装置などのような外部装置から送られる場合、プロセッサ２８はこれらの入力データを監視し、またプロセッサ２８に連結したメモリ４４にこのデータを格納するように機能することが可能である。メモリ４４は、図示のようにプロセッサ２８の内部に配されているか、又はプロセッサ２８の外部（図示せず）に配されている。監視機能は、選択された実行パラメータ、エラー、異常などのログを付された時刻及び／又は継続時間を維持することを有していてもよい。他のタイプの受信信号は、インテリジェントレギュレータを含む他のレギュレータ、他の外部装置、又は中央制御装置若しくはコンピュータから受信したコマンド信号又は要求信号であり得る。したがって、プロセッサ２８は、レギュレータ１０の動作の修正、前述したような所定の関係若しくはアルゴリズムの特性の修正、プロセッサ２８内のソフトウェア若しくはファームウェアの修正を指示するか、又は状態情報のような情報若しくはデータの要求に応答して送信される情報を組み立てる外部制御に応答するように構成されている。

プロセッサ２８はまた、通信ユニット３６及びネットワーク４０を介して一又は複数の外部装置へ信号を出力するように構成されている。生成され、出力される信号の形式は、ネットワーク４０を介してレギュレータ１０と通信することによる他の外部装置の制御のための制御コマンド信号及び装置特定設定ポイント信号を有している。前記ネットワークは、単一のケーブルが必要なパケット型プロトコルネットワークにより構成されていてもよく、又はパラレルで動作する複数のチャネルを有していてもよい。パケット型プロトコル、及び使用される他の型式のネットワークは、例えばＩＰプロトコル、イーサネット、又はデジタルコントロールシステム（ＤＣＳ）ネットワークを有している。ネットワーク４０は、同軸ケーブル、ツイストペア又は光ファイバによって物理的に構成され得る。また、プロセッサ２８が、ネットワーク４０に接続された一又は複数のアドレス指定された受信装置毎にアドレス情報を出力信号に挿入し、一又は複数のアドレス指定された受信装置が当該アドレス情報を有する出力された夫々の信号を認識し、受信するようにしてもよい。

レギュレータ１０は更に、プロセッサ２８及び通信ユニット３６に電力供給するために設けられた電力モジュール４６を有している。電力モジュール４６は、装置全体に調整された電圧を印加する能力を有しており、ソーラー、バッテリ、及びＤＣ又はＡＣ電源のような何れかの周知の電源から電力供給され得る。これに代えて、ネットワーク４０における通信ユニット３６への４〜２０ミリアンペア接続を介して、プロセッサ２８及び通信ユニット３６に電力を供給することもできる。

上述したように、インテリジェントレギュレータ１０は、通常、工業システム内の他の外部装置にネットワーク４０を経由して接続されている。インテリジェントレギュレータ１０内のプロセッサ２８は、これらの他の装置の幾つか、特に、例えばレギュレータ１０の近く、又は工業システム内の同一サブシステム内にあるこれらの装置の制御を達成するように構成されている。上述したように、これらの外部装置の例には、他のフローレギュレータ（他のインテリジェントレギュレータを含む）、種々のタイプのバルブ（例えば、制御バルブ、安全弁、オン／オフバルブ）、種々のセンサ（例えば、温度、メタンガス、レベル、地震）、メインライン加熱システム、送信機、電流圧力変換器、臭気剤注入システム、及びカソード防食システムが含まれるが、これらの数少ない例に限定されるものではない。

開示されたレギュレータ１０を使用したシステム構成の一例が、図２に示されている。図示のシステム４８においては、ネットワーク４０に接続されたインテリジェントレギュレータ１０が示されている。また、種々の外部装置５０，５２，５４，５６がネットワーク４０に関連しており、これらの外部装置５０，５２，５４，５６は、上で列挙した装置の何れか一つ、又は工業システムにおいて使用され得る他の考え得る装置の何れかとすることができる。

例として、外部装置５０は、ガスパイプラインシステム用の臭気剤注入システムとすることができる。インテリジェントレギュレータ１０のプロセッサ２８は、レギュレータ１０内で判断され、検出された流速に基づいて、ネットワーク４０を経由して臭気注入システムへの制御信号を発行することとなる。即ち、レギュレータ１０は、制御信号又はデータ信号、つまり、プロセッサ２８によって判断された流速に基づき、臭気剤注入システムによりガスパイプラインに注入された臭気剤の量を制御するそのような信号を送信することができる。

他の例として、レギュレータ１０は、内蔵型のパッケージシステム５８の一部とすることもできる。ここで、ネットワーク６０は、パッケージ内の種々の外部装置からの入力をレギュレータ１０へ伝達する役割を果たす。レギュレータ１０は、次にシステム５８内の種々の外部装置６２，６４，６６又はシステム５８のネットワーク４０越しの外部の他の装置へ信号を発行し、受信した入力又はプロセッサ２８内で内部計算に使用される入力変数に基づいて、レギュレータ１０自身の動作パラメータを変更することができる。後者の例には、流体温度監視装置からの入力の受信を含み得る。測定された流体温度に基づき、測定された流体温度を考慮した式を使用して流速が計算される。

プロセッサ２８，通信ユニット３６，及び電力モジュール４６が、図１に示すように各別に設けられていてもよく、またレギュレータ１０のハウジング内に位置する一つの主回路基板に設けられていてもよいことは、当該技術分野の当業者によって理解され得る。

しかしながら、本実施の形態においては、本発明の教示に従って構成された一つの装置を記載したものであり、これに当該特許の対象範囲が限定されるものではない。これに対して、当該特許は、添付した特許請求の範囲の記載そのまま又は均等の原則下の範囲内に正当に収まる、本発明が教示する全ての実施形態を保護する。

本開示の教示に従った入出力機能を有するインテリジェント流体圧力レギュレータを示す概略図である。 図１のインテリジェントレギュレータを使用した流体流量管理システムの図である。

Claims (27)

1. 流体流路内に配置されるように構成されているレギュレータ本体と、ステムを介して弁体に取付けられ前記流路内で移動可能な絞り要素とを有する圧力レギュレータと、
   前記流体流路、前記レギュレータ本体及び前記絞り要素の少なくとも一つの状態を測定し、前記測定した状態を示すセンサ信号を夫々出力する複数のセンサと、
   前記複数のセンサと通信し、前記複数のセンサから出力されて受信した一又は複数のセンサ信号に応じて一又は複数の出力信号を生成するように構成されているプロセッサと、
   一又は複数の外部プロセスコントロール装置に接続される通信インターフェイスと、
   前記プロセッサと通信し、前記通信インターフェイスを介して信号を送受信するように構成されている通信ユニットであって、複数のセンサから出力される一又は複数の受信信号を前記通信インターフェイスを介して受信するように構成されている信号受信ユニットと、前記プロセッサで生成されて送られた出力信号を前記通信インターフェイスを介して送信するように構成されている信号送信ユニットとから構成されている通信ユニットとを備え、
   前記プロセッサは、一又は複数のセンサ信号及び前記外部プロセスコントロール装置から送信される装置信号に応じて圧力レギュレータを制御し、且つ前記通信インターフェイスを介して、前記出力信号を前記外部プロセスコントロール装置に送信するようになっており、
   前記出力信号は、前記外部プロセスコントロール装置を制御するための信号であることを特徴とするインテリジェントレギュレータ。
2. 前記装置信号は、アナログ信号、デジタル信号、パルス信号、及び空気信号のうちの一又は複数の信号を有する請求項１に記載のインテリジェントレギュレータ。
3. 前記出力信号は、アナログ信号、デジタル信号、パルス信号、及び空気信号の一又は複数の信号を有する請求項１に記載のインテリジェントレギュレータ。
4. 前記プロセッサは、当該プロセッサ内に格納された流動方程式を使用して、前記圧力レギュレータ内の流体流量を計算するように構成されている請求項１に記載のインテリジェントレギュレータ。
5. 前記複数のセンサは、前記圧力レギュレータの上流部分での前記流体流路内において上流圧力を測定する第１の圧力センサ、前記圧力レギュレータの下流部分での前記流体流路内において下流圧力を測定する第２の圧力センサ、及び前記絞り要素の位置を判断するための走行センサのうちの少なくとも一つを有する請求項１に記載のインテリジェントレギュレータ。
6. 流体流路内に配置されるように構成されているレギュレータ本体と、ステムを介して弁体に取付けられ前記流路内で移動可能な絞り要素を備える圧力レギュレータを有するインテリジェントレギュレータの運転方法であって、
   前記圧力レギュレータより上流の液圧、前記圧力レギュレータより下流の液圧及び絞り要素の位置のうち少なくとも一つの状態を測定する複数のセンサを、各々が前記流体流路、前記レギュレータ本体及び前記絞り要素のうちの１つに配置されるように設けるステップと、
   前記複数のセンサからの流体圧又は絞り要素の位置から成るセンサ信号であって、前記流体流路、又は前記絞り要素の位置を示すデータにより構成されたセンサ信号を、前記複数のセンサと通信する前記インテリジェントレギュレータ内のプロセッサへ送信するステップと、
   前記インテリジェントレギュレータの外部の一又は複数の他のプロセスコントロール装置から受信する１又は複数の信号を前記プロセッサへ送信するステップと、
   前記プロセッサに送信された信号に基づいて前記インテリジェントレギュレータの外部の一又は複数の他のプロセスコントロール装置に行動を実行させるための指示からなるプロセスコントロールコマンドを決めるステップと、
   プロセスコントロール機能を備えさせた前記インテリジェントレギュレータの外部の複数の他のプロセスコントロール装置と前記プロセッサとの間での通信を確立し前記複数のプロセスコントロール装置の少なくとも一つへ前記プロセスコントロールコマンドを送信するステップと
   を有する方法。
7. 前記プロセッサと前記インテリジェントレギュレータの外部の他の複数のプロセスコントロール装置との間での通信の確立は、一又は外部の他の複数のプロセスコントロール装置から入力信号を受信するように構成されている信号受信ユニットと、前記プロセッサから受信した出力信号を外部のプロセスコントロール装置へ送信するように構成されている信号送信ユニットとを備える通信モジュールを経由して達成される請求項６に記載の方法。
8. 前記センサ信号、出力信号、及び入力信号は、アナログ信号、デジタル信号、パルス信号、及び空気信号のうち一又は複数の信号を有する請求項７に記載の方法。
9. 前記プロセッサに格納された所定の流動方程式を使用して、前記複数のセンサからのセンサ信号に基づき、流体流量を計算するステップを更に有する請求項６に記載の方法。
10. 前記複数のセンサは、前記圧力レギュレータの上流部分での前記流体流路内において上流圧力を測定する第１の圧力センサ、前記圧力レギュレータの下流部分での前記流体流路内において下流圧力を測定する第２の圧力センサ、及び前記絞り要素の位置を判断するための走行センサのうちの少なくとも一つを有する請求項６に記載の方法。
11. 前記外部の他のプロセスコントロール装置は、増設流体流路調整装置、制御バルブ、安全弁、オンオフ切替バルブ、臭気剤注入システム、メインライン加熱システム、温度センサ、メタンセンサ、レベルセンサ、地震センサ、電流圧力変換器、及びカソード防食電流センサのうちの一又は複数を有する請求項６に記載の方法。
12. 前記外部の他のプロセスコントロール装置を、データネットワークを介して前記インテリジェントレギュレータに接続するステップを更に有する請求項１１に記載の方法。
13. 前記データネットワークは、デジタルコントロールシステムを有する請求項１２に記載の方法。
14. 前記データネットワークは、データパケットプロトコルネットワークを有する請求項１２に記載の方法。
15. 前記圧力レギュレータは、前記プロセッサにより監視され、制御される請求項１に記載のインテリジェントレギュレータ。
16. 前記通信ユニットは、前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置にリンクするネットワーク接続を介して、前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置と通信するように更に構成されている請求項１５に記載のインテリジェントレギュレータ。
17. 前記ネットワーク接続はデジタルネットワークであり、前記プロセッサは、前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置のうちの一又は複数の対象とされた受信装置が前記出力信号を認識し、受信することを許容する前記出力信号の一又は複数に、アドレス情報を挿入するように構成されている請求項１６に記載のインテリジェントレギュレータ。
18. 前記ネットワーク接続は、アナログ信号、デジタル信号、又はパケット型信号のうちの少なくとも一つを伝送するように構成されている請求項１６又は１７に記載のインテリジェントレギュレータ。
19. 前記プロセッサは、受信した入力信号に基づいて処理機能を実行し、実行した処理機能に基づいて前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置のうちの一又は複数へ信号を出力するように構成されている請求項１８に記載のインテリジェントレギュレータ。
20. 請求項１に記載のインテリジェントレギュレータと、
    ネットワーク接続により前記インテリジェントレギュレータと相互に通信可能に相互接続された、インテリジェントレギュレータ外部の他の複数のプロセスコントロール装置とを備える工業システム。
21. 前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置は、増設レギュレータ、制御バルブ、安全弁、オンオフ切替バルブ、臭気剤注入システム、メインライン加熱システム、温度センサ、メタンセンサ、レベルセンサ、地震センサ、電流圧力変換器、及びカソード防食電流センサのうちの一又は複数を有する請求項２０に記載のシステム。
22. 前記ネットワーク接続は、パケット型ネットワーク、デジタルコントロールシステム、又はアナログ信号経路から構成されている請求項２０に記載のシステム。
23. 少なくとも一つの請求項１に記載のインテリジェントレギュレータと、
    少なくとも一つのインテリジェントレギュレータの外部の他の複数のプロセスコントロール装置とを備える流体流量管理システム。
24. 前記外部の他の複数のプロセスコントロール装置は、増設レギュレータ、制御バルブ、安全弁、オンオフ切替バルブ、臭気剤注入システム、メインライン加熱システム、温度センサ、メタンセンサ、レベルセンサ、地震センサ、電流圧力変換器、及びカソード防食電流センサのうちの一又は複数を有する請求項２３に記載のシステム。
25. 前記外部の複数の他のプロセスコントロール装置がデータネットワークを介して前記レギュレータに接続されている請求項２３に記載のシステム。
26. 前記データネットワークは、デジタルコントロールシステムを有する請求項２５に記載のシステム。
27. 前記データネットワークは、データパケットプロトコルネットワークを有する請求項２５に記載のシステム。

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