JP5086407B2 - 遮断弁制御システム - Google Patents

Description

本発明は、遮断弁制御システムに関するものである。

プラント設備における石油やガス等のパイプラインには、設備に異常が発生した場合にラインを緊急遮断するために、ボールバルブ等からなる遮断弁が設けられている。遮断弁は、１年に１回程度の頻度でシャットダウン（全開から全閉）の作動テストを実施して故障の有無を確認していた。

ところが、遮断弁を全閉することは、プラントを停止することになり通常運転に支障を来すことになるため、通常運転中には遮断弁の作動テストを実行することができなかった。そこで、遮断弁の作動テストを通常運転中にできるようにした遮断弁制御システムが要求されている。

本発明は、通常運転中に作動テストができると共に、システムの構成部品等の故障を予知できる遮断弁制御システムを提供することを課題とする。

請求項１記載の発明は、遮断弁と、該遮断弁の弁軸を回転制御するエアーシリンダーおよび該エアーシリンダーのシリンダーにエア供給源からのエアーの供給および排気を行う電磁弁を有し、前記遮断弁の開度を制御する制御手段とを備えた遮断弁制御システムであって、前記遮断弁の弁軸の変位を検出するポテンショメータと、前記制御手段で前記遮断弁を全開から所定開度閉方向に作動させるように制御した際に前記ポテンショメータで実測した前記遮断弁の弁軸の変位特性に基づいてシステムの正常／異常を判定する判定手段と、前記システムの初期の正常作動時の変位特性および故障予知境界の変位特性を予め記憶する記憶手段と、ディスプレイ装置とを備え、前記判定手段は、前記実測の変位特性が前記正常作動時の変位特性と前記故障予知境界の変位特性の間の範囲内にある場合は正常と判定し、前記故障予知境界の変位特性とゼロ電圧の間の範囲内にある場合は、異常と判定し、前記ディスプレイ装置は、前記実測の変位特性、前記記憶手段に記憶された前記システムの初期の正常作動時の変位特性及び故障予知境界の変位特性を表示することを特徴とする遮断弁制御システムに存する。

請求項１記載の発明によれば、制御手段で遮断弁を全開から所定開度閉方向に作動させるように制御した際にポテンショメータで実測した遮断弁の弁軸の変位特性に基づいてシステムの正常／異常を判定するので、プラント設備のパイプラインに設置した場合にプラント設備の通常運転中に、システムの故障／異常を判定する作動テストを実施することができる。

また、実測の変位特性がシステムの初期の正常作動時の変位特性と故障予知境界の変位特性の間の範囲内にある場合は正常と判定し、故障予知境界の変位特性とゼロ電圧の間の範囲内にある場合は、異常と判定するので、実測の変位特性が上記範囲のどこにあるかによってシステムの構成部品等の故障を予知できる。

本発明の主旨を理解するのに役立つ参考例と本発明の実施の形態との遮断弁制御システムを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は部分断面図である。 参考例及び本発明の実施の形態の遮断弁制御システムにおけるエアーシリンダーと電磁弁の構成を示す構成図である。 参考例及び本発明の実施の形態の遮断弁制御システムにおける電気的構成を示すブロック図である。 参考例の遮断弁制御システムにおけるエアーシリンダーの圧力特性を示すグラフである。 参考例の遮断弁制御システムにおけるエアーシリンダーの圧力特性を示すグラフである。 参考例の遮断弁制御システムにおける故障診断の手順を説明するフローチャートである。 参考例の遮断弁制御システムにおけるエアーシリンダーと電磁弁の構成を示す構成図である。 本発明の遮断弁制御システムの実施の形態におけるポテンショメータの変位特性を示すグラフである。

以下、本発明の主旨を理解するのに役立つ参考例と本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、参考例及び本発明の実施形態の遮断弁制御システムの構成を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は部分断面図である。遮断弁制御システムは、遮断弁１と、遮断弁１の上部に固定ヨーク２を介して取り付けられ、遮断弁１の開度を制御するエアーシリンダー３と、エアーシリンダー３の上部に取り付けた屋外型または防爆型構造のポジションボックス４とを備えている。ポジションボックス４には、電磁弁５、圧力センサ−（電子式デジタル圧力計）６、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）７およびポテンショメータ８等が収納されている。エアーシリンダー３と電磁弁５は、請求項における制御手段に相当し、マイコン７は、請求項における判定手段に相当する。

遮断弁１は、たとえばボール状の弁体１ａを有するボールバルブからなり、たとえばプラント設備のパイプラインに接続されている。弁体１ａには、上方に延びる弁軸１ｂが連結されている。弁体１ａは、弁軸１ｂが９０度回転することによって全開状態（図１（Ｂ）参照）と全閉状態に切り換えられる。弁体１ａの周りは、シートパッキン１ｃでシールされており、弁軸１ｂの周りは、グランドパッキン１ｄでシールされている。

図２に示すように、エアーシリンダー３は、単作動空気式のシリンダー３１内にピストンロッド３２で連結した一対のピストン３３および３４を設けたものである。一方のピストン３３は、シリンダー３１の一端部内に配設したコイルバネ３５の付勢力により、常に閉弁方向（図２における右方向）に向けて摺動するように付勢されている。他方のピストン３４は、シリンダー３１の他端部に設けたエアー送入口３６に接続された電磁弁５の出口ポートＯＵＴから供給されるエアーにより、コイルバネ３５の付勢力に抗して開弁方向（図２における左方向）に向けて摺動するように付勢される。ピストンロッド３２には、このピストンロッド３２の往復運動を回転運動に変換して弁軸１ｂに伝達する伝達機構３７が設けられている。伝達機構３７は、ピストンロッド３２に突設した係合ピン３７ａと、弁軸１ｂの上端部に取り付けられている二股係合片３７ｂとを有し、係合ピン３７ａに二俣係合片３７ｂの先端を係合させ、係合ピン３７ａの左右移動により、二俣係合片３７ｂが回動し、それにより弁軸１ｂが９０度回転するようになっている。

電磁弁５は、大流量３方電磁弁５Ａと小流量３方電磁弁５Ｂの２つの３方電磁弁を１つのボデーに内蔵したものである。大流量３方電磁弁５Ａは、弁切り換え用のソレノイドＡおよびＢを有し、弁の有効断面積が大きく、パイプラインで異常が発生した場合に、エアーシリンダー３を急速に閉弁方向に駆動して、遮断弁１を緊急遮断する緊急遮断用のものである。小流量３方電磁弁５Ｂは、弁切り換え用のソレノイドＣおよびＤを有し、弁の有効断面積が大流量３方電磁弁５Ａより小さいものであり、システムの作動テストを行う際に使用される作動テスト用のものである。大流量３方電磁弁５Ａおよび小流量３方電磁弁５Ｂのそれぞれの入口ポートＩＮ、出口ポートＯＵＴおよび排気ポートＥＸＨは互いに接続され、ボデーにそれぞれ１つずつ設けられた共通の入口ポートＩＮ、出口ポートＯＵＴおよび排気ポートＥＸＨとされている。電磁弁５は、ポジションボックス４の外部にあるエアー供給源１１からのエアーを、共通の入口ポートＩＮから大流量３方電磁弁５Ａまたは小流量３方電磁弁５Ｂを介して共通の出口ポートＯＵＴを経由してエアーシリンダー３のシリンダー３１に供給すると共に、シリンダー２１内のエアーを、共通の出口ポートＯＵＴから大流量３方電磁弁５Ａまたは小流量３方電磁弁５Ｂを介して共通の排気ポートＥＸＨを経由して大気中に排気する。

図３は、遮断弁制御システムの電気的構成を示すブロック図である。遮断弁制御システムは、電磁弁５、圧力センサー６、マイコン７、ポテンショメータ８が電源１０に接続されている。圧力センサー６は、エアーシリンダー３の送入口３６側のシリンダー内圧を検出し、検出信号をマイコン７に供給する。ポテンショメータ８は、弁軸１ｂの回転位置を検出し、検出信号をマイコン７に供給する。マイコン７は、電磁弁のソレノイドの通電制御を行うと共に、圧力センサー６およびポテンショメータ８の検出信号を演算処理してシステムの正常／故障を判定し、判定信号を外部出力部９より出力する。

参考例では、上述の構成の遮断弁制御システムにおいて、作動テスト時に、電磁弁５からエアーを排気し遮断弁１を弁開から弁閉方向へ作動させ、そのときのエアーシリンダー３のシリンダー内圧の時間的変化（以下、圧力特性という）を観測することによってシステムの故障を予知するものである。

以下、故障の予知方法について説明するが、その前に遮断弁制御システムの通常動作について説明する。

まず、エアーシリンダー３の切り換え用電磁弁５は、１つのボデーに３方弁となる弁が２つ（大流量３方電磁弁５Ａと小流量３方電磁弁５Ｂ）内蔵されている。そこで、通常は、大流量３方電磁弁５Ａを使用する。この時、小流量３方電磁弁５Ｂは、停電状態になるように制御され、３つのポート全てが閉となるオールポートブロック状態になっている。大流量３方電磁弁５Ａと小流量３方電磁弁５Ｂは、一方の電磁弁が通電している時は他方の電磁弁が停電状態になるようにマイコン７の制御により電気的にインターロックされているため、両方が同時に通電状態になることはない。

大流量３方電磁弁５ＡのソレノイドＡが停電状態で、ソレノイドＢに通電すると、エアー供給源１１からのエアーは、電磁弁５の共通の入口ポートＩＮから大流量３方電磁弁５Ａを介して共通の出口ポートＯＵＴを経由して送入口３６よりシリンダー３１に供給されて、ピストン３４が左方向に摺動し、遮断弁１は全開状態となる。それにより、ソレノイドＢへの通電中、パイプラインの運転が可能となる。なお、大流量３方電磁弁５Ａにおいて、１つのソレノイドに通電中は他のソレノイドに通電されないようにマイコン７の制御により電気的にインターロックされている。

次に、プラント設備の異常検出信号または図示しない緊急遮断スイッチの操作信号に基づいてマイコン７がソレノイドＡに通電すると、シリンダー２１内のエアーは、電磁弁５の出口ポートＯＵＴから大流量３方電磁弁５Ａを経由して共通の排気ポートＥＸＨから大気に排気され、バネ荷重によってピストン３４が左から右方向に摺動し、弁軸１ａが９０度回転して、遮断弁１は全閉状態となる。それにより、ソレノイドＡへの通電中、パイプラインは緊急遮断される。

なお、上記の動作では、ソレノイドＡまたはＢのどちらかが常に通電されるように制御されているが、他の実施例として、ソレノイドＡが停電状態のままで、ソレノイドＢに通電して全開になった後にソレノイドＢも停電すると、大流量３方電磁弁５Ａはオールポートブロック状態になり、遮断弁１は全開状態を保持し、ソレノイドＢが停電状態のまま、ソレノイドＡに通電して全閉になった後にソレノイドＡも停電すると、オールポートブロック状態になり、遮断弁１は全閉状態を保持するので、このように、全開状態時または全閉状態時になった時にソレノイドＡおよびＢの両方を停電状態に制御することにより、電力消費を軽減することもできる。

次に、故障の予知を含む作動テスト時の動作について説明する。作動テスト時は、小流量３方電磁弁５Ｂを使用する。

遮断弁１が全開状態でパイプラインが運転状態にある時、図示しない作動テストスイッチの操作信号に基づいて、マイコン７が小流量３方電磁弁５ＢのソレノイドＤに通電すると、大流量３方電磁弁５Ａは、停電状態になるように制御され、３つのポート全てが閉となるオールポートブロック状態になる。そして、シリンダー３１内のエアーは、電磁弁５の共通の出口ポートＯＵＴから小流量３方電磁弁５Ｂを経由して、共通の排気ポートＥＸＨから大気に排気され、バネ荷重によってピストン３４が左から右方向に摺動し、遮断弁１は全開状態から閉方向へ作動する。

このとき、ソレノイドＤへの通電は、遮断弁１が全開状態から予め設定された所定開度だけ閉方向に作動した時に停止し、それと同時に、ソレノイドＣに通電する。この所定開度は、プラント設備のパイプラインの通常運転に支障のない程度に設定されるものであり、たとえば１０〜１５度に設定される。

ソレノイドＣに通電すると、エアー供給源１１からのエアーは、電磁弁５の共通の入口ポートＩＮから小流量３方電磁弁５Ｂを介して共通の出口ポートＯＵＴを経由して送入口３６よりシリンダー３１に供給されて、ピストン３４が左方向に摺動し、遮断弁１は全開状態に戻る。なお、小流量３方電磁弁５Ｂにおいて、１つのソレノイドに通電中は他のソレノイドに通電されないようにマイコン７の制御により電気的にインターロックされている。

このように、作動テスト時に、遮断弁１を全開状態から予め設定された所定開度だけ閉方向に作動させた時のエアーシリンダー３のシリンダー内圧の時間的変化（以下、圧力特性という）を圧力センサー６の検出信号に基づいて測定し、測定した圧力特性の推移に基づいて故障判定を行う。具体的には、作動テスト時に実測した圧力特性を、マイコン７のメモリに予め記憶してある初期の正常作動時の圧力特性（後述する図４における曲線Ａ）、故障時の圧力特性（後述する図４における曲線Ｂ）および故障予知境界の圧力特性（後述する図４における故障予知境界線Ｃ）と比較し、その比較結果により故障判定を行うものである。

初期の正常作動時の圧力特性（後述する図５における曲線Ａ）、故障時の圧力特性（後述する図５における曲線Ｂ）および故障予知境界の圧力特性（後述する図５における故障予知境界線Ｃ）については、次のように求められる。

シリンダー内圧の変化に伴うエアーシリンダー３の動作を説明すると、送入口３６よりエアーが供給されることによる供給圧力によって、ピストン３４の直径をＤとすると、ピストン３４の受圧面積ＡｃはπＤ2 ／４となり、発生する力は、受圧面積Ａｃ×シリンダー内圧Ｐとなる。一方、バネ定数ｋを持つコイルバネ３５が変位ｘだけ移動してたわむと、バネ荷重はｋｘとなる。

そこで、ピストンの質量、始動抵抗（摩擦抵抗）、変位、速度および加速度を、それぞれをｍ、Ｃ、ｘ′、ｘ′′とすれば、（ｍｘ′′＋Ｃｘ′＋ｋｘ）＜（Ｐ×Ａｃ）になった時に、ピストン３４は右側から左側へ移動し、その時連結されている遮断弁１のボール状弁体１ａが開方向に回転する。シリンダー３１のピストン３４の変位ｘが最大移動距離だけ左側へ移動すると、遮断弁１のボール状弁体１ａは、開方向に９０度回転して全開状態となる。

遮断弁１が全開の状態から、シリンダー３１内のエアーは、小流量３方電磁弁５Ｂを経由して大気に放出される。ｋｘ＞｛（Ｐ×Ａｃ）＋ｍｘ′′＋Ｃｘ′｝になった時に、ピストン３４は左側から右側へ移動し、その時連結されている遮断弁１のボール状弁体１ａが閉方向に回転する。シリンダー３１のピストン３４の変位ｘが最大移動距離だけ右側へ移動すると、遮断弁１のボール状弁体１ａは、閉方向に９０度回転して全閉状態となる。

このように、小流量３方電磁弁５Ｂを用いた際の遮断弁１の全開状態から全閉状態になるまでのフルストローク作動確認試験をプラント設備のパイプラインに遮断弁制御システムを設置した試運転の際に実施して、その時のエアーシリンダー３のシリンダー内圧の時間的変化を、実測することで、初期の正常作動時の圧力特性としてマイコン７のメモリ（記憶手段）に予め記憶する。

マイコン７は、下記の３つの計算式、すなわち運動方程式、状態方程式および熱エネルギー方程式を用いて実測値に近似するように、計算式における各パラメータの数値を変化させて、何度も繰り返し計算させて一致させたパラメータをデータとして記憶させる機能を持つ。

（運動方程式） ｍｘ′′＋Ｃｘ′＋Ｐ×Ａｃ＝ｋｘ・・・（１）
ただし、ｍ：エアーシリンダー３のピストン質量、Ｃ：エアーシリンダー３の始動抵抗、ｘ：エアーシリンダー３の変位、ｘ′：エアーシリンダー３の速度、ｘ′′：エアーシリンダー３の加速度、Ｐ：エアーシリンダー３のシリンダー内圧、Ａｃ：エアーシリンダー３のシリンダー受圧面積である。

（状態方程式） ｄＰ／ｄｔ＝（Ｒθａ／Ｖｃ）Ｇ−（Ｐ／Ｖｃ）（ｄＶ／ｄｔ）＋（ＷＲ／Ｖｃ）（ｄθｃ／ｄｔ）・・・（２）
ただし、Ｒ：空気のガス定数、θａ：エアーシリンダー３のシリンダー内壁温度（シリンダー外周の周囲温度と同一とする）、Ｖｃ：エアーシリンダー３のシリンダー体積、Ｇ：空気の質量流量、Ｗ：空気のガス質量、θｃ：エアーシリンダー３のシリンダー内空気温度である。なお、θａは、図示しない温度センサからの温度検出信号に基づいて、マイコン７で計測される。また、θｃは、シリンダー体積およびシリンダー内圧とボイル−シャルルの法則から計算により求められる。
Ｇ＝ｋｇ・Ｑｎ・・・（３）
ただし、ｋｇ：係数、Ｑｎ：空気の体積流量（標準状態）である。体積流量Ｑｎは以下の放出流量の式で求められる。
（放出流量の式） （Ｐａ／Ｐ）＜０．５２８の時、Ｑｎ＝１１．１ＳｅＰｃ√（θｏ／θｃ）・・・（４）
ただし、Ｐａ：大気圧力、Ｓｅ：小流量３方電磁弁５Ｂの有効断面積、θｏ：標準状態空気温度（２７３°Ｋ）である。
（Ｐａ／Ｐ）≧０．５２８の時、Ｑｎ＝２２．２Ｓｅ√Ｐａ（Ｐ−Ｐａ）√（θｏ／θｃ）・・・（５）

（熱エネルギー方程式） ｄθｃ／ｄｔ＝（Ｒθｃ／ＣｖＷ）Ｇ＋（ｈＳｈ／ＣｖＷ）（θａ−θｃ）・・・（６）
ただし、Ｃｖ：空気の定積比熱、ｈ：シリンダー内壁と空気との熱伝達率、Ｓｈ：シリンダー内壁表面積である。

故障診断は、最終的にはシリンダー内圧変化（圧力特性）の実測値に合うように計算した各パラメータを当てはめた上記の状態方程式（２）によって求めた圧力（シリンダー内圧）−時間の特性で判定する。状態方程式（２）のみではシリンダー内圧変化による温度
変化を考慮していないので、熱エネルギー方程式（６）を使用して温度補正する。作動テストスイッチの操作時点から遮断弁１が実際に作動を開始するところまでと、遮断弁１の全閉からシリンダー内圧０ＭＰａに至るまでは、運動方程式の変位ｘ＝０のため、状態方程式（２）と熱エネルギー方程式（６）のみが適用される。

計算した各パラメータを当てはめた上記状態方程式（２）をグラフに表すと、初期の正常作動時の圧力特性は、図４の曲線Ａで示される。この曲線Ａは、初期の正常作動時の圧力特性としてマイコン７のメモリに予め記憶される。曲線Ａにおいて、時点ｔ０は、作動テストスイッチがオンとされる時点を示し、エアーシリンダー３のシリンダー３１内のエアーが排気され始めるが、ピストン３４は始動抵抗等の影響によりまだ移動を開始しないので、シリンダー内圧は、小流量３方電磁弁５Ｂの排気のみに依存して次第に減少する。時点ｔ１は、ピストン３４の動き始めの時点を示し、ピストン３４が左側から右方向への移動を開始し、ピストン３４がシリンダー３１内のエアーを押して、遮断弁１が閉方向に作動する。ピストン３４の動き始めの時点ｔ１における圧力値をＰｏとする。時点ｔ２は、遮断弁１を全開状態から予め設定された所定開度（たとえば、１５度）だけ閉方向に作動させた時点を示し、この時点での圧力値をＰ１とする。時点ｔ３は遮断弁１が全閉状態となる時点を示し、この時点でシリンダー内圧はゼロＰａ（パスカル）となる。

一方、エアーシリンダー３が故障してピストン３４が動作しない場合は、ピストン３４はシリンダー３１内のエアーを押さず、エアーは、単にシリンダー３１から小流量３方電磁弁５Ｂを経由して大気放出されるので、故障の場合の圧力特性は、図４の曲線Ｂとなる。曲線Ｂは、時点ｔ０から時点ｔ１までは曲線Ａと同一特性となり、時点ｔ１からｔ３までの圧力値は曲線Ａを下回る特性となる。この曲線Ｂは、エアーシリンダー３が故障して動かない場合の上記各方程式により計算により求められ、同様にマイコン７のメモリに予め記憶される。曲線Ｂの時点ｔ２における圧力値をＰ２とする。

エアーシリンダー３の圧力特性は、初期の正常作動時の曲線Ａから、エアーシリンダー３のピストン３４、３３のパッキンの経時的劣化、遮断弁１のシートパッキン１ｃやグランドパッキン１ｄの経時的劣化等による始動抵抗の増加により、次第に劣化して時点の経過と共に故障時の曲線Ｂに近づく特性変化を示すが、曲線Ａと曲線Ｂの間に正常作動範囲と危険作動範囲の境界を表す図４の故障予知境界線Ｃの圧力特性を設定し、同様にマイコン７のメモリに予め記憶する。曲線Ｃの時点ｔ２における圧力値をＰｔｈとする。曲線Ａと故障予知境界線Ｃで囲まれる範囲を正常作動範囲とし、曲線Ｂと故障予知境界線Ｃで囲まれる範囲を危険作動範囲とする。

以上のようにして、遮断弁１の設置時に曲線Ａ、曲線Ｂおよび故障予知境界線Ｃをマイコン７のメモリに予め記憶しておく。

次に、遮断弁１の設置後、プラント設備の正常運転が始まってから作動テスト実施時（たとえば、設置から数ヶ月後）において、遮断弁１を全開状態から予め設定された所定開度（たとえば、１５度）だけ閉方向に作動させるパーシャル作動確認試験を実施し、その時のエアーシリンダー３のシリンダー３１の圧力値を圧力センサー６の検出信号に基づいて実測し、圧力特性をマイコン７のメモリに記憶する。

次に、実測した圧力特性と、予めマイコン７のメモリに記憶されている初期の正常作動時、故障時および故障予知の曲線Ａ，Ｂ，Ｃとをマイコン７で比較し、故障の有無の判定を行う。判定結果は、正常と異常の２段階に区分する。

実測した圧力特性が、曲線Ａと曲線Ｃの間の正常作動範囲内にあれば、正常と判定する
。正常と判定された場合は、遮断弁制御システムは、メンテナンスをせず継続使用して、たとえば１年後まで使用可とする。

一方、実測した圧力特性が、曲線Ｃと曲線Ｂの間の危険作動範囲内にあれば、異常と判定する。異常と判定された場合は、シリンダー駆動バルブ３や遮断弁１のメンテナンスまたは部品、新品交換要とする。

なお、判定結果は、マイコン７から外部出力部９より、たとえばＤＣ４〜２０ｍＡの電気信号で外部出力できる。また、図示しないディスプレイ装置に曲線Ａ，Ｂ，Ｃと圧力特性の実測値を表示させて、正常／異常の判定結果と共に視認できるようにしても良い。この場合、圧力特性の実測値が曲線Ａ，Ｂ，Ｃで表される正常作動範囲および危険作動範囲のどの辺に位置しているかを視認することにより、故障の予知が可能となる。

上記の故障診断は、図４に示すエアーシリンダー３の圧力特性における時点ｔ１〜ｔ２間の推移に基づいて、主としてエアーシリンダー３や遮断弁の故障を予知しているが、圧力特性における時点ｔ０〜ｔ１間の推移に基づいて、他の部品の故障を予知することもできる。

すなわち、作動テスト開始の時点ｔ０から遮断弁１の動き始めの時点ｔ１までは、シリンダー内圧の時間的変化は、小流量３方電磁弁５Ｂの排気作動に依存しており、小流量３方電磁弁において作動不良もしくは目詰まり等の故障が発生している場合には、時点ｔ０から時点ｔ１までの間の圧力特性が正常な特性にならなくなるので、上述のように時点ｔ１から時点ｔ２までの圧力特性を監視してエアーシリンダー３の故障／正常を判定することに加えて、時点ｔ０から時点ｔ１までの圧力特性を監視して、小流量３方電磁弁５Ｂの作動の正常／故障を判定することもできる。

たとえば、図５に示すように、時点ｔ０から時点ｔ１までの初期の正常作動時の圧力特性Ａに対して、小流量３方電磁弁５Ｂにおいて作動不良もしくは目詰まり等の故障時には、曲線Ｂ′のように圧力の減少の傾きが小さくなる。そこで、曲線Ａと曲線Ｂ′の間に故障予知境界線Ｃ′を設定し、マイコン７のメモリに予め曲線Ａ、曲線Ｂ′および曲線Ｃ′の圧力特性を記憶しておき、作動テスト時のシリンダー内圧の実測特性が、曲線Ａと曲線Ｃ′の間の範囲内にある場合は正常と判定し、曲線Ｃ′と曲線Ｂ′の間の範囲内にある場合は、流量３方電磁弁５Ｂの異常と判定することができる。

なお、エアーシリンダー３のシリンダー３１が大きい場合は、電磁弁５とシリンダー３１の間に空気作動弁を設けた構成とすることができるが、この場合は、空気作動弁の作動不良もしくは目詰まり等の故障時にも上述のように正常／故障を判定することができる。

次に、上述した故障診断の手順について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。まず、遮断弁制御システムの製品を出荷し（ステップＳ１）、プラント設備のパイプラインに設置する（ステップＳ２）。次に、プラント設備の試運転時に、小流量３方電磁弁５Ｂを用いた際の遮断弁１の全開状態から全閉状態になるまでのフルストローク作動確認試験を実施し、その時のエアーシリンダー３のシリンダー内圧の時間的変化を実測し、上記の各方程式に基づいて、初期の正常作動時の圧力特性（図４の曲線Ａ）、故障時の圧力特性（曲線Ｂ）および故障予知境界線Ｃをマイコン７のメモリに記憶する（ステップＳ３）。

次に、製品が設置された時から所定期間の経過後（たとえば、数ヶ月後）、作動テストのためのパーシャル作動確認試験を実施し、その時点でのエアーシリンダー３のシリンダー３１の圧力特性を実測する（ステップＳ４）。次に、マイコン７のメモリに予め記憶されている圧力特性（図４の曲線Ａ、曲線Ｂおよび故障予知境界線Ｃと、図５の曲線Ｂ′および故障予知境界線Ｃ′）と実測した圧力特性を比較し、２段階（正常および異常）の判定をマイコン７により行う（ステップＳ５）。

次に、ステップＳ５の判定の結果、実測した圧力特性が、曲線Ａと曲線Ｃの間の正常作動範囲内かつ曲線Ａと曲線Ｃ′の正常範囲内にあれば、正常と判定する（ステップＳ６）。正常と判定された場合は、遮断弁制御システムは、メンテナンスをせず継続使用して、たとえば１年後まで使用可とする。

一方、ステップＳ５の判定の結果、実測した圧力特性が、曲線Ｃと曲線Ｂの間の危険作動範囲内および／または曲線Ｃ′と曲線Ｂ′の危険作動範囲内にあれば、異常と判定する（ステップＳ７）。異常と判定された場合は、エアーシリンダー３、遮断弁１、小流量３方電磁弁５Ｂ等のメンテナンスまたは部品、新品交換要とする。なお、正常または異常の判定結果と圧力特性の実測値および曲線Ａ、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′は、図示しないディスプレイ等により表示することができ、また、マイコン７から外部出力部９より、たとえばＤＣ４〜２０ｍＡの電気信号で外部出力できる。

ステップＳ７で異常と判定された場合は、次に、メンテナンスまたは故障部品の交換等の処置を実施し（ステップＳ８）、次いで、メンテナンスまたは故障部品の交換等の実施後の遮断弁制御システムの試運転を実施する（ステップＳ９）。次に、ステップＳ４と同様の作業を実施し、それに基づき、初期の正常作動時の圧力特性（曲線Ａ）を再記憶（ステップＳ４で記憶した曲線Ａの更新）を行い（ステップＳ１０）、次いでステップＳ５に戻る。

以上の通り、参考例について説明したが、参考例はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の参考例では、電磁弁５は、大流量３方電磁弁５Ａおよび小流量３方電磁弁５Ｂを内蔵しているが、これに代えて、他の参考例として大流量４方電磁弁および小流量４方電磁弁を内蔵した構成としても良い。

図７は、電磁弁５が大流量４方電磁弁および小流量４方電磁弁を内蔵した構成を有する他の参考例を示す構成図である。図７において、エアーシリンダー３の切り換え用電磁弁５は、１つのボデー内に４方弁となる電磁弁が２つ内蔵されており、使い方によって出口ポートＯＵＴ１または出口ポートＯＵＴ２のどちらかをプラグして３方弁として使用することができる。大流量４方電磁弁５Ｃおよび小流量４方電磁弁５Ｄのそれぞれの入口ポートＩＮ、出口ポートＯＵＴ１、出口ポートＯＵＴ２、排気ポートＥ１および排気ポートＥ２は互いに接続され、ボデーにそれぞれ１つずつ設けられた共通の入口ポートＩＮ、出口ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２および排気ポートＥ１，Ｅ２とされている。通常は大流量３方電磁弁５Ｃを使用する。この時、小流量４方電磁弁５Ｄは停電状態になるように制御され、５つのポート全てが閉となるオールポートブロック状態になっている。大流量４方電磁弁５Ｃと小流量４方電磁弁５Ｄは、一方の電磁弁が通電している時は他方の電磁弁が停電状態になるようにインターロックされているため、両方が同時に通電状態になることはない。

出口ポートＯＵＴ１をプラグして使用する場合を例にすると、大流量４方電磁弁５ＣのソレノイドＡが停電状態で、ソレノイドＢに通電すると、エアーは、ＩＮポートから出口ポートＯＵＴ２を経由してエアーシリンダー３のシリンダー３１に供給され、それにより、遮断弁１は全開状態となる。大流量４方電磁弁５Ｃにおいて、１つのソレノイドに通電中は他のソレノイドに通電されないようにインターロックされている。ソレノイドＡが停電状態のままソレノイドＢを停電すると、大流量４方電磁弁５Ｃはオールポートブロック状態になり、遮断弁は全開状態を保持する。

次に、プラント設備の異常検出信号または図示しない緊急遮断スイッチの操作信号に基づいてマイコン７がソレノイドＡに通電すると、エアーは、ＩＮポートから出口ポートＯＵＴ１に流れようとするが、プラグされているため止まる。一方、エアーシリンダー３１内のエアーは、大流量４方電磁弁５Ｃの出口ポートＯＵＴ２を経由してＥ２ポートから大気に排気されて、遮断弁１はバネ荷重によって全閉状態となる。それにより、ソレノイドＡへの通電中、パイプラインは緊急遮断される。なお、故障診断時に使用される小流量４方電磁弁５Ｄの作動も同様である。

また、上述の参考例および他の参考例では、遮断弁１の全開状態または全閉状態において、対応する大流量３方電磁弁５Ａまたは大流量４方電磁弁５ＣのソレノイドＡ、Ｂのどちらかが通電されたままとなっているが、これに代えて遮断弁１が全開状態または全閉状態になった後、ソレノイドＡ，Ｂの両方を停電状態にするように制御しても良い。この場合、大流量３方電磁弁５Ａまたは大流量４方電磁弁５Ｃはオールポートブロック状態となるため、電力消費を軽減して、遮断弁１の全開状態または全閉状態を保持することができる。また、オールポートブロック状態を利用すれば、遮断弁１は任意の弁開度で停止保持できる。この作動は、小流量３方電磁弁５Ｂまたは小流量４方電磁弁５Ｄでも同様であるので、パーシャル作動確認試験による作動テスト時に故障して元の全開に戻したくても作動しない場合に、その位置で保持するのに役立つ。

また、上述の参考例では、フルストローク作動確認試験によって、曲線Ａ，Ｂを求めているが、これに代えて時点ｔ０から時点ｔ２までのパーシャル作動確認試験によって曲線Ａ，Ｂを求めるようにしても良い。

また、上述の参考例では、故障／異常の判定を実測の圧力特性と曲線Ａ、Ｂ、Ｃの圧力特性とを比較して行っているが、これに代えて、時点ｔ２における実測の圧力値と、時点ｔ２における曲線Ａの圧力値Ｐ１、曲線Ｂの圧力値Ｐ２および曲線Ｃの圧力値（しきい値）Ｐｔｈとを比較し、実測の圧力値がＰ１とＰｔｈの間にあれば正常、ＰｔｈとＰ２の間にあれば異常と判定するようにしても良い。また、時点ｔ１における実測の圧力値と、時点ｔ１における曲線Ａの圧力値Ｐ０、曲線Ｂ′の圧力値Ｐ３および曲線Ｃ′の圧力値（しきい値）Ｐ４とを比較し、実測の圧力値がＰ０とＰ４の間にあれば正常、Ｐ４とＰ３の間にあれば異常と判定するようにしても良い。

また、他の参考例として、シリンダー体積に対して電磁弁の有効断面積が大きい場合は、作動テスト時の圧力減少が早くなり、正常作動時でも曲線Ｂに近い圧力特性になり、このような場合は、圧力特性における遮断弁１の動作開始点（時点ｔ１）は明確には捕らえづらいので、マイコン７は、ポテンショメータ８の検出信号により遮断弁１の作動開始点を検出しても良い。

また、上述の参考例では、エアシリンダー３のシリンダー内圧の圧力特性を監視することによって故障診断を行っているが、本発明の実施の形態として、ポテンショメータ８の検出信号の推移を表す変位特性のみを監視することによって故障診断を行うように構成することができる。

この場合は、たとえば図８に示すように、プラント設備の試運転時にフルストローク作動確認試験を実施し、そのときのポテンショメータ８の検出電圧の時間的変化を実測することで、初期の正常作動時の変位特性Ｄとしてマイコン７のメモリに予め記憶する。変位
特性Ｄは、作動確認試験の開始時点ｔ０から遮断弁１の全開から閉方向への作動開始時点ｔ１までは検出電圧がゼロ、時点ｔ１から全閉状態となる時点ｔ３まで次第に検出電圧が上昇して最大電圧（Ｖｍａｘ）になるように変化し、この検出電圧の変化が遮断弁１の全開から全閉までの位置の変位（したがって、ピストン３３の変位）を表している。また、故障予知境界線Ｅを曲線Ｄと検出電圧ゼロの間に設定し、マイコン７のメモリに予め記憶する。

作動テスト時には、遮断弁１を全開状態から予め設定された所定開度（たとえば、１５度）だけ閉方向に作動させ（時点ｔ２）、実測したポテンショメータ８の変位特性が、曲線Ｄと曲線Ｅの間の範囲内にある場合は正常と判定し、曲線Ｅと電圧ゼロの間の範囲内にある場合は異常と判定することができる。

また、上述の実施の形態では、故障／異常の判定を実測の変位特性と曲線Ｄ、Ｅの変位特性とを比較して行っているが、これに代えて、時点ｔ２における実測の検出電圧と、時点ｔ２における曲線Ｄの電圧値Ｖ１、曲線Ｅの電圧値（しきい値）Ｖｔｈおよびゼロ電圧とを比較し、実測の電圧値がＶ１とＶｔｈの間にあれば正常、Ｖｔｈとゼロ電圧の間にあれば異常と判定するようにしても良い。

１ 遮断弁
３ エアーシリンダー（制御手段の一部）
５ 電磁弁（制御手段の一部）
５Ａ 大流量３方電磁弁
５Ｂ 小流量３方電磁弁
６ 圧力センサー
７ マイコン（判定手段、記憶手段）
８ ポテンショメータ

Claims (1)

1. 遮断弁と、該遮断弁の弁軸を回転制御するエアーシリンダーおよび該エアーシリンダーのシリンダーにエア供給源からのエアーの供給および排気を行う電磁弁を有し、前記遮断弁の開度を制御する制御手段とを備えた遮断弁制御システムであって、
   前記遮断弁の弁軸の変位を検出するポテンショメータと、
   前記制御手段で前記遮断弁を全開から所定開度閉方向に作動させるように制御した際に前記ポテンショメータで実測した前記遮断弁の弁軸の変位特性に基づいてシステムの正常／異常を判定する判定手段と、
   前記システムの初期の正常作動時の変位特性および故障予知境界の変位特性を予め記憶する記憶手段と、
   ディスプレイ装置とを備え、
   前記判定手段は、前記実測の変位特性が前記正常作動時の変位特性と前記故障予知境界の変位特性の間の範囲内にある場合は正常と判定し、前記故障予知境界の変位特性とゼロ電圧の間の範囲内にある場合は、異常と判定し、
   前記ディスプレイ装置は、前記実測の変位特性、前記記憶手段に記憶された前記システムの初期の正常作動時の変位特性及び故障予知境界の変位特性をグラフ表示する
   ことを特徴とする遮断弁制御システム。

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