JP5491245B2 - バルブ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のバルブを制御するバルブ制御システムに関するものである。

船体の姿勢を保つためにバラスト水が使用されている（特許文献１参照）。船体に多数のバラストタンクやバラスト水配管を設け、各所にバルブやバルブを駆動させる電動機が設けられる。バルブを制御するためのシステム１００は、各電動機１４は、それぞれコントローラ１６に接続される（図６）。電動機１４は、コントローラ１６からの指令によってバルブ１２を駆動させる。船体には、上記のバルブ１２以外にも冷却水の取水配管に取り付けられるバルブ１２など、多数のバルブ１２が設けられている。

コントローラ１６は、多数の電動機１４と接続されるため、ケーブル２２の数も多くなる。ケーブル２２の数が多くなるため、システム１００の設計が複雑になる。ケーブル２２の断線や環境によるノイズによってシステム１００が停止したり不安定になることがある。ケーブル２２の数が多くなることによって、断線箇所の特定に時間がかかり、復旧に時間がかかる。ケーブル２２の数が多くなるため、高インピーダンス化による信号の減衰が生じ、長距離通信が難しくなる。

また、夜間電力を利用したビルの空調システムにも多数の配管やバルブが使用される。しかし、ビルが大きくなると、船舶と同様に、ケーブル数が多くなったりシステムが不安定になるなどの問題がある。

特開２００７−１７６３４１号公報

本発明の目的は、設計が容易で安定した運用が可能なバルブ制御システムを提供することにある。

本発明のバルブ制御システムは、配管に設けられ、該配管に流れる流体の流量を調節する複数のバルブと、それぞれの前記バルブに備えられ、バルブを駆動させる電動機と、前記複数のバルブを制御するコントローラと、前記コントローラに接続され、第１のポートと第２のポートとを備えた配線ユニットと、前記第１のポートから第２のポートまで複数の電動機を直列的に接続して、ループ状の通信経路を形成するケーブルとを備える。

バルブを駆動させる電動機がケーブルによって直列的に接続されている。配線ユニットの第１のポートから第２のポートまでループ状の通信経路が形成されている。コントローラで生成した信号は、その通信経路を送信される。

コントローラは、一方のポートを介して所定の電動機と通信され、一方のポートを介して所定の電動機と通信できない場合に、他方のポートを介して所定の電動機と通信される。

一方のポートから信号を送信し、他方のポートで信号を受信する。通信経路に障害がなければ他方のポートで信号を受信できる。各ポートから信号を送信し、通信可能な電動機から障害箇所を判定できる。

船体の姿勢を制御するためのバラスト水の流量調節に、バルブ制御システムを適用する。バラスト水が流れる配管のバルブの開閉を制御する。

バラスト水の状態を検知するセンサーと船体の姿勢を検知するセンサーとを備える。コントローラは、各センサーから得られたデータに基づいて、電動機にバルブを駆動させる信号を送信する。

建築物の空調システムにバルブ制御システムを適用する。空調システムは、蓄熱槽と熱交換器が備えられる。蓄熱槽と熱交換器の中を配管が通過する。配管内を熱媒体が流れる。配管にバルブが備えられ、コントローラからの信号によって熱媒体の流量が調節される。

熱媒体の温度を測定する温度計と空気の温度を測定する温度計とを備える。コントローラは、各温度計から得られたデータに基づいて、電動機にバルブを駆動させる信号を送信する。

本発明によると、２つのポートを使用してコントローラと電動機とが相互に通信することによって、障害が発生しても２つのポートを使用して通信ができるため、バルブの制御を継続することができる。障害の発生箇所も容易に判定でき、バルブ制御システムの復旧が容易である。ループ状の通信経路を構成したため、ケーブル数が少なくなり、設置が容易である。長距離通信時の高インピーダンス化も防止できる。

バルブ制御システムの構成を示す図である。 電動機の構成を示す図である。 バルブ制御のフローチャートである。 船体にバルブを適用した場合の構成を示す図である。 建築物にバルブを適用した場合の構成を示す図である。 従来のバルブ制御システムの構成を示す図である。

本発明のバルブ制御システムについて図面を使用して説明する。

図１に示すバルブ制御システム１０は、配管に設けられた複数のバルブ１２と、バルブ１２を駆動させる電動機１４と、電動機１４と通信するコントローラ１６と、コントローラ１６に接続された配線ユニット１８と、配線ユニット１８と電動機１４とを接続してループ状の通信経路２０を形成するケーブル２２とを備える。

バルブ１２は配管を流れる流体の調節をおこなう。バルブ１２としては、例えばバタフライバルブなどが挙げられる。配管は、船舶のバラスト水配管や建築物の空調用の配管などが挙げられる。バルブ１２は、バラスト水配管であれば、バラスト水の流量を調節し、空調用の配管であれば、熱媒体の流量を調節する。

各バルブ１２に電動機１４が備えられる。電動機１４はコントローラ１６からの信号に基づいてバルブ１２を駆動させる。電動機１４には、コントローラ１６と通信をおこなう通信回路２４と、コントローラ１６からの信号を処理する制御回路２６と、制御回路２６からの指令に基づいてバルブ１２を駆動させる駆動部２８とを備える（図２）。

通信回路２４および制御回路２６は、コントローラ１６から信号を受信した後、コントローラ１６に返信する機能も備える。この返信には、バルブ１２の開閉状態のデータが含まれる場合がある。通信回路２４は、信号をループ状の通信経路２０でリレーする機能も備える。

駆動部２８は、電磁モーターなどの電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置である。制御回路２６からの指令に基づいてモーターが駆動する。

コントローラ１６は、各バルブ１２にバルブ１２を駆動させる信号を送信する。複数のバルブ１２が１台のコントローラ１６で制御される。図１では、比例制御されるバルブ用のコントローラ１６ａ、１３５Ωのポテンションメータを備えたバルブ用のコントローラ１６ｂ、オン・オフ制御されるバルブ用のコントローラ１６ｃを備える。例えば、比例制御されるバルブ１２であれば、比例制御に対応した信号を送信する。各電動機１４にアドレスを割り付け、信号にアドレスを含めて送信する。コントローラ１６は、ハードウェア、ソフトウェア、またはその両方で構成される。

バルブ１２の操作ボタンやバルブ１２の状況を示すモニタを備える。操作者がモニタを見ながら操作ボタンを操作することにより、所定の指令がコントローラ１６に入力される。コントローラ１６は、入力された指令に従って信号を生成し、その信号を電動機１４へ送信する。

複数の電動機１４を１つのグループとして、コントローラ１６がグループ内の電動機１４を一括して制御することもできる。コントローラ１６から１つの信号を送信することにより、複数の電動機１４を一度に駆動させることができる。一度に全てのバルブ１２を閉じるときなどに有用である。コントローラ１６への入力が簡単であり、コントローラ１６の信号に対する電動機１４の動作効率が良い。

配線ユニット１８は、第１のポート３０と第２のポート３２を備える。これらのポート３０，３２にケーブル２２が接続される。第１のポート３０と第２のポート３２は、シリアル通信用のＲＳ−４８５のポートが使用される。配線ユニット１８から電動機１４に送信される信号はディジタル信号である。

コントローラ１６から送信される信号がアナログ信号であれば、配線ユニット１８はディジタル信号に変換するＩ／Ｏユニット３４を備える。従来から使用されるアナログ信号のコントローラ１６に対応できる。コントローラ１６の種類によってはＩ／Ｏユニット３４は省略される。Ｉ／Ｏユニット３４は、追加されても良い。

配線ユニット１８は、ＲＳ−２３２Ｃのポート３６など複数種のポートを設けて、汎用性を高めても良い。

ケーブル２２によって複数の電動機１４が直列に接続され、１本の通信経路２０が形成される。通信経路２０の両端は第１のポート３０と第２のポート３２に接続される。通信経路２０は、第１のポート３０から第２のポート３２までループ状となる。

通常、第１のポート３０から通信をおこない、通信障害が発生したときに第２のポート３２も利用して通信をおこなう。通信障害は、ケーブル２２の断線と電動機１４の故障が挙げられる。通信障害の発生箇所が１箇所であれば、第１のポート３０と第２のポート３２が通信可能な電動機１４を担当する。第１のポート３０と第２のポート３２は逆であっても良い。

第１のポート３０を通過した信号は、途中、電動機１４で処理される以外に、通信経路２０を通って第２ポート３２まで送信される。第２のポート３２は、第１のポート３０を通過した信号と第２のポート３２で受信した信号を比較する機能を備える。通信が正常におこなわれていれば、各信号は一致する。第２のポート３２で信号を受信できなかったり異なった信号を受信すれば、通信障害が発生していることが分かる。また、同様の機能を第１のポート３０も備える。

適用されるバルブ制御システム１０に応じて、タンクが適宜設けられる。タンクと配管とが接続される。また、流体をくみ上げて移動させるためのポンプも適宜設けられる。バルブ１２の開閉を制御して、タンクへの流体の給水や排水を制御する。

流体の状態を検知する複数のセンサを設けても良い。センサが検知した値がコントローラ１６に送信される。これらの値は、コントローラ１６が信号を生成するときに使用される。例えば、液面レベルセンサからの液面レベルの値によって、バルブ１２の開閉度合いを設定する。

コントローラ１６や配線ユニット１８はデータを記憶するメモリを備える。メモリには、断線状態、故障した電動機１４、各ポート３０，３２から通信可能な電動機１４などを記憶する。また、コントローラ１６や配線ユニット１８は、データの処理時にメモリを利用する。

図３を使用してバルブ制御システム１０の動作について説明する。（１）コントローラ１６は信号を送信する電動機１４を選択する（Ｓ１）。信号には、電動機１４のアドレスやバルブ１２を駆動させるためのデータが含まれる。また、単に電動機１４に返信を求める信号であっても良い。操作ボタンが操作された値、センサが検知した値、またはその両方を使用して、コントローラ１６が信号を生成する。

（２）コントローラ１６は、断線状態であるか否かをチェックする（Ｓ２）。通常は断線状態ではなく、後述するように信号の送受信で断線状態を変更し、メモリに記憶される。

（３）コントローラ１６は、断線状態であれば、選択された電動機１４がいずれのポート３０，３２から送信できるかをチェックする（Ｓ３）。通常は第１のポート３０から送信し、後述するように、電動機１４からの返信が無ければ第２のポート３２に変更する。各電動機１４が使用するポート３０，３２をメモリに記憶しておく。

（４）配線ユニット１８は、指定されたポート３０，３２から信号を送信し（Ｓ４，Ｓ５）、反対側のポート３０，３２は信号を受信できるかチェックする（Ｓ６）。通信経路２０に断線が無ければ、指定されたポート３０，３２から反対側のポート３０，３２まで信号が送信される。通信経路２０の断線の有無をチェックできる。

（５）上記（２）で断線状態なら、反対側のポート３０，３２が信号を受信できれば断線状態を解除する（Ｓ７）。通信経路２０に断線が無く、信号の送信が正常なためである。メモリに断線状態でないことを記憶する。

反対側のポート３０，３２が信号を受信できなければ断線状態を維持する（Ｓ８）。また、上記（２）で断線状態でない場合、断線状態に変更する。通信経路の断線によって信号が送信できなくなっているためである。

なお、断線以外に電動機１４の故障によっても信号が送信されなくなるが、一旦、断線状態とする。

（６）グループ制御か否かを確認する（Ｓ９）。グループ制御であれば、指定された複数の電動機１４が一括して制御される。

（７）コントローラ１６からの信号に対して電動機１４が返信をおこなったかをチェックする（Ｓ１０）。返信されていれば電動機１４は正常に動作している。返信されなければ電動機１４が故障している可能性がある。また、断線状態であれば、断線によって電動機１４まで信号が到達していない可能性がある。

（８）電動機１４からの返信がなければ、送信するポート３０，３２を変更する（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３）。この際、メモリに記憶された各電動機１４が使用するポート３０，３２の書き換えをおこなう。ポート３０，３２を変更して返信があれば、変更前のポート３０，３２から電動機１４までに断線が発生している。

（９）所定時間または所定回数、上記（２）〜（８）を繰り返して、電動機１４からの返信をチェックする（Ｓ１４）。返信がなければ、電動機１４の故障、複数箇所の断線、またはその両方であるため、メモリに通信障害を記憶する（Ｓ１５）。

通信障害箇所を特定するために、コントローラ１６から順番に電動機１４に対して信号を送信する。上記（１）〜（９）を各電動機１４に対しておこない、各ポート３０，３２で通信可能な電動機１４をポート側から順番に並べてメモリに記憶する。電動機１４は通信障害箇所でとぎれるため、コントローラ１６は、とぎれた箇所を通信障害箇所として、モニタに表示する。

以上のように、２つのポート３０，３２を使用してコントローラ１６と電動機１４とが相互に通信することによって、障害発生箇所が自動的に判定できる。バルブ制御システム１０の復旧が容易である。障害が発生しても２つのポート３０，３２を使用して通信ができるため、バルブ１２の制御を継続することができる。ループ状の通信経路２０を構成したため、ケーブル数が少なくなり、設置が容易である。長距離通信時の高インピーダンス化も防止できる。

ケーブル２２を複線状態にして、通信経路２０を二重ループにしてもよい。通常は一方の通信経路２０を使用して通信をおこなう。複数箇所で通信障害が生じた場合に、他方の通信経路２０を使用して通信をおこなう。通信の安定性が高まる。

バルブ制御システム１０を船体の姿勢制御に適用する。図４の船体４０には、バラスト水が出し入れされるバラストタンク４２、バラスト水が流れるバラスト水配管４４を備える。また、バラスト水をくみ上げて移動させるポンプも備える。

船体４０は、タンカーや貨物船である。荷物の有無および荷物の量によって船体４０の姿勢が大きく変化するため、バラスト水を利用して所定の姿勢になるようにする。バラストタンク４２には、荷物のないときにバラスト水が給水される。バラストタンク４２とバラスト水配管４４が接続されている。

バラスト水配管４４にバルブ１２が設けられる。コントローラ１６から電動機１４へ信号を送信し、電動機１４がバルブ１２を駆動させる。バルブ１２の開閉およびその度合いによって、バラスト水の流量が調節される。

船体４０の姿勢を検知するセンサとバラスト水の状態を検知するセンサを備える。船体４０の姿勢の検知は加速度センサなどを使用する。バラスト水の状態の検知は、バラストタンク４２のバラスト水の液面レベルを計測するセンサやバラスト水配管４４を流れるバラスト水の水量を検知するセンサである。各センサとコントローラ１６がケーブルで接続され、センサが検知したデータをコントローラ１６に送信する。バラスト水の液面レベルと船体４０の姿勢から、バラスト水の流量をバルブ１２で調節する。

バラストタンク４２にバラスト水を給水または排水する必要があれば、バルブ１２を開ける。バラスト水が所定の水量になればバルブ１２を閉じる。バラスト水の流量からバラスト水の給水・排水を予測して、バルブ１２の開閉を調節してもよい。予測は、多数の統計データをコントローラに記憶しておき、センサのデータから統計データを参照し、バルブ１２の調節を決定する方法が挙げられる。

タンカーや貨物船などの大型の船体４０であれば、多数のバルブ１２が必要である。大型の船体であればコントローラ１６から電動機１４までの距離が長くなる。ループ状の通信経路２０であれば、ケーブル数を少なくでき、長距離通信も可能である。２つのポート３０，３２から通信ができるため、通信障害でシステムが停止しにくく、安定した船体４０の姿勢制御が可能である。

バルブ制御システム１０をビルや商業施設などの建築物の空調システムに適用する。図５の建築物５０の空調システム５２は、冷水または温水を製造するための熱源機５４と、冷水または温水を蓄える蓄熱槽５６と、室内に備えられた熱交換器５８とを備える。

配管６０が熱源機５４と蓄熱槽５６の間、蓄熱槽５６と熱交換器５８と間に配置される。配管６０内は熱媒体が流れる。必要に応じてヒートポンプも設けられる。蓄熱槽５６では、熱媒体が冷水または温水などと熱交換して、所定の温度となる。熱交換器５８では、室内の空気と熱媒体とで熱交換され、所定の温度の空気を排気する。バルブ１２の開閉およびその度合いによって熱媒体の流量を調節し、熱交換を調節する。熱交換の調節によって室内の温度が調節される。

コントローラ１６から電動機への信号を送信して、電動機がバルブを開閉する。熱媒体の流量が調節されて、熱交換器５８での熱交換量が調節され、室内の気温が調節される。

室内および配管６０内に複数の温度センサを設けて、室温や熱媒体の温度を計測する。温度センサからのデータがコントローラ１６に送られる。温度センサから得られたデータに基づいて、所望の気温になる熱媒体の制御をバルブ１２でおこなう。

室温と所望の温度との差が大きければ、熱媒体の流量が大きくなるようにバルブを開けて、熱交換量を大きくする。また、熱媒体の温度によっても熱交換量が変化するため、バルブの開閉度合いに熱媒体の温度のデータも加味する。室温と所望の温度との差が小さくなれば、バルブの開閉度合いを小さくする。所望の温度が維持できるだけの熱交換ができるように、バルブの開閉度合いを小さくして、熱媒体の流量を少なくする。

大型の建築物５０であっても、ケーブル数を少なくでき、バルブ制御システム１０を構成するのが簡単である。ケーブル数が少ないため、高インピーダンス化を防止でき、長距離通信が可能である。２つのポート３０，３２から通信でき、通信障害でシステムが停止しにくく、安定した空調をおこなえる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：バルブ制御システム
１２：バルブ
１４：電動機
１６：コントローラ
１８：配線ユニット
２０：通信経路
２２：ケーブル
２４：通信回路
２６：制御回路
２８：駆動部
３０：第１のポート
３２：第２のポート
３４：Ｉ／Ｏユニット
３６：ＲＳ−２３２Ｃのポート
４０：船体
４２：バラストタンク
４４：バラスト水配管
５０：建築物
５２：空調システム
５４：熱源機
５６：蓄熱槽
５８：熱交換器
６０：配管

Claims (5)

1. 配管に設けられ、該配管に流れる流体の流量を調節する複数のバルブと、
   前記複数のバルブを制御する信号を発するコントローラと、
   それぞれの前記バルブに備えられ、コントローラとの通信機能を有し、前記信号によってバルブを駆動させる電動機と、
   前記コントローラに接続され、第１のポートと第２のポートとを備えた配線ユニットと、
   前記第１のポートから第２のポートまで複数の電動機を直列的に接続して、ループ状の通信経路を形成するケーブルと、
   を備え、
   前記コントローラは、一方のポートを介して所定の電動機と通信され、一方のポートを介して前記所定の電動機と通信できない場合に、他方のポートを介して前記所定の電動機と通信されるバルブ制御システム。
2. 前記一方のポートを介した所定の電動機との通信時に、他方のポートが一方のポートから送信された信号を受信し、各ポートの信号を比較することによって通信経路の障害の有無を判定する請求項１のバルブ制御システム。
3. 前記第１のポートと第２のポートからそれぞれ順番に電動機に通信をおこない、コントローラは、各ポートにおける通信可能な電動機から通信経路の障害箇所を判定する請求項１または２のバルブ制御システム。
4. 前記配管に接続されており、船体の姿勢を制御するバラスト水が出し入れされるバラストタンクを備え、コントローラが電動機にバルブを駆動させる信号を送信し、バラスト水の流量を調節する請求項１から３のいずれかのバルブ制御システム。
5. 冷水または温水を製造するための熱源機と、
   前記配管が通過し、冷水または温水を蓄える蓄熱槽と、
   前記配管を流れる熱媒体と空気との間で熱交換をおこなう熱交換器と、
   を備え、
   前記蓄熱槽と熱交換器とが前記配管で接続されており、コントローラが電動機にバルブを駆動させる信号を送信し、流体の流量を調節する請求項１から３のいずれかのバルブ制御システム。

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