JP5788338B2 - 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

Description

本発明は、一般的に、制御弁に関するものであり、さらに詳細には、液体の流れの特性を計算し制御弁の制御ループコンポーネントに対して診断を実行する方法および装置に関するものである。

制御弁は、パイプまたは導管を通って流れるプロセス流体の流量を調整するために用いられる。通常、このような弁は、プロセス流体の流路に配置されアクチュエータに接続される絞りエレメントを備えている。さまざまなタイプのアクチュエータが公知であるが、ほとんどの弁には、アクチュエータ位置の調節に加圧された空気、天然ガス、または他の流体を用いるニューマチックアクチュエータが用いられている。たとえば、スプリングダイアフラムアクチュエータでは、バネがアクチュエータの一方側に力を加え、流体圧がアクチュエータの他方側において制御され、これにより、絞りエレメントの位置調整がおこなわれる。これに代えて、ピストンがアクチュエータハウジングを上側チャンバと下側チャンバとに分割し、両方のチャンバの流体圧を制御することによりアクチュエータを所望の位置に移動させるピストンアクチュエータを用いてもよい。いずれのタイプのニューマチックアクチュエータであっても、制御流体がわずかに大気中に排出されることがある。

ポジショナ（またはサーボコントローラ）は、ニューマチックアクチュエータの一方のまたは両方のチャンバに供給される流体の圧力を制御する。通常、このポジショナは、プロセッサと、電流／圧力（Ｉ／Ｐ）変換器と、二次ニューマチックス（すなわち、スプー弁またはニューマチックリレイ）と、弁移動フィードバックセンサとを備えている。Ｉ／Ｐ変換器は、圧力供給源と接続されており、スプール弁に当接している可撓性ダイアフラムに対して所望の制御流体圧力を供給する。このダイアフラムは、スプール弁の位置を制御し、アクチュエータのチャンバの方向に制御流体を導く。アクチュエータが移動すると、それに対応して、絞りエレメントが移動し、これにより、プロセス流体の流れが制御される。さらに、ポジショナは、プロセスコントローラから通常命令信号として基準信号を受信し、この基準信号を弁移動フィードバック信号と比較し、Ｉ／Ｐ変換器（および二次ニューマチックス）を駆動して弁を基準信号に応じて移動させる。

プロセッサに基づいた制御の利用が増加するにつれて、ポジショナにおいて用いられるスプール弁は多くの装備を備えるようになった。たとえば、ピストンアクチュエータとともに用いられる場合、スプール弁は、供給圧力を受け入れる流入ポートと、第一のアクチュエータチャンバに連通する第一の流出ポートと、第二のアクチュエータチャンバに流体的に連通する第二の流出ポートとを備えうる。圧力センサが、流入ポート、第一の流出ポート、および第二の流出ポートに設けられ、プロセッサにフィードバック信号を提供するスプール弁が公知になっている。これに加えて、従来のスプール弁は、当該スプール弁の位置を検出しプロセッサに対してフィードバック信号を提供する変位センサを備えている。

従来のポジショナは、制御弁の動作を劣化または不能にしうるさまざまな流体漏洩または流体閉塞のおそれがありうるコンポーネントを有している。たとえば、Ｉ／Ｐ変換器は、圧力供給源との接続部がシーリングされている流入ポートを備えている。このＩ／Ｐ変換器は、フラッパの方向に制御流体を導くための主オリフィスおよびノズルで画定される絞りを備えている。さらに、このＩ／Ｐ変換器は、スプール弁の方向に制御流体を導くシーリングされた流出ポートを備えている。たいていの場合、Ｉ／Ｐ変換器は、周囲の大気がオイル、溶存無機物、小砂などで汚染されうる工業用地に設置されている。したがって、このような空気が制御流体として用いられた場合、汚染物質が主オリフィスまたはノズルを部分的にまたは全体的に詰まらせることがある。さらに、Ｉ／Ｐ変換器の流入ポートおよび流出ポートの設けられたシーリングが作用しなくなる場合がある。このような閉塞または漏洩によって制御弁の性能が徐々に劣化し、制御弁の効率の低下または完全な故障を引き起こしてしまう場合がある。いずれの場合であっても、故障の原因がポジショナであることを判定することは困難であり、さらにポジショナ内のその故障箇所を特定することはさらに困難である。

同様に、アクチュエータハウジング内で漏洩が発生するかまたはスプール弁とアクチュエータとの間の接続部分が遮断されることにより、制御弁の性能が劣化するかまたは故障の原因となることがある。たとえば、アクチュエータの上側チャンバまたは下側チャンバと大気との間で漏洩が発生することもあれば、ピストンリングが故障し、一方のチャンバから他方のチャンバへ漏洩が発生することがある。いずれの状況であっても、プロセッサは、絞りエレメントの所与の位置に対して制御信号を調整しなければならない。制御媒体が天然ガスである場合、漏洩の検出がとくに重要である。このような漏洩は、時間の経過とともに成長していき、騒音のあるプラント環境では、気付いたときには、弁が動作不能状態にまで達していることがある。

制御弁用のアクチュエータに取り付けられたポジショナを示す略式ブロック線図である。 図１に示されたポジショナを示す拡大模式図である。 漏洩が発生しているスプリングダイアフラムアクチュエータおよび遮断されているスプリングダイアフラムアクチュエータの制御流体質量流量を示すグラフである。 漏洩が発生しているスプリングダイアフラムアクチュエータおよび遮断されているスプリングダイアフラム型アクチュエータの制御流体質量流量を示すグラフである。 第一のチャンバ、第二のチャンバ、およびピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量を示すグラフである。 第一のチャンバ、第二のチャンバ、およびピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量を示すグラフである。 第一のチャンバ、第二のチャンバ、およびピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量を示すグラフである。 コンポーネントの故障特徴および故障箇所の探索をおこなう論理サブルーチンを模式的に示す決定樹である。 二次ニューマチック用のニューマチックリレイを備えたポジショナの他の実施例を示す模式図である。

図１には、アクチュエータ12と接続されたポジショナ14が模式的に示されている。このアクチュエータ12は、パイプ（図示せず）の如き導管を通って流れるプロセス流体の流量を制御する弁体10と機械的に結合されている。ポジショナ14は、メモリ20を有するプロセッサ18と、Ｉ／Ｐ変換器24と、（スプール弁26の如き）二次ニューマチックスと、制御流体弁組立品用変位センサ84と、弁移動センサ68とを備えており、本明細書では、これらを総称して制御ループと呼ぶ。プロセスコントローラからの命令信号の如き基準信号は、ポジショナ14へ提供され、所望のアクチュエータ位置を表す。ポジショナ14は、基準信号を弁移動センサ68により提供される実際のアクチュエータ位置と比較し、誤差信号をプロセッサ18へ送信する。次いで、このプロセッサは、この誤差信号と変位センサ84からのフィードバックとに基づいて、電子式Ｉ／Ｐ駆動信号を生成する。

図２にさらに詳細に示すようにアクチュエータ12はピストン60を備えており、このピストンによってアクチュエータハウジング62が上側チャンバ56と下側チャンバ58とに分割される。上側チャンバ56は、上記のピストンを加圧するバネ64を備えている。弁棒66は、ピストン62から弁体10まで延びている。弁移動センサ68は、弁棒66の位置を検出してそのフィードバックをプロセッサ18に提供するために設けられている。

例示された実施例によると、Ｉ／Ｐ変換器24が信号増幅段階を供し、スプール弁26が空圧増幅段階を供している。Ｉ／Ｐ変換器24は、加圧制御流体の供給源30と連通する流入ポート28を備えている。流入ポート28と制御流体供給源30との間の接続部は、Ｏ―リング32によりシーリングされてもよい。Ｉ／Ｐコネクタ24に配置された絞り34は、主オリフィス36を画定する。主オリフィス36の下流には、制御流体を可撓性フラッパ40に向かって導くためのノズル38が設けられている。例示の実施例では、ノズル38に対するフラッパ40の位置を調整するために、ソレノイドコイル42が設けられている。これに代えて、上記のソレノイドコイル42が取り除かれて、フラッパ40が圧電性材料により形成されてもよいしまたは、その他公知のフラッパ構造が用いられてもよい。流出ポート44はダイアフラム45と流体的に接続している。流出ポート44とダイアフラム45との間の接続部はＯ―リング46によりシーリングされうる。Ｉ／Ｐ変換器24に流入する制御流体の供給圧を検出するためのセンサ85が設けられてもよい。

スプール弁26は、制御流体供給部源30から制御流体を受け入れる流入ポート50を備えている。アクチュエータ12の上側チャンバおよび下側チャンバ56、58に連通する第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54が設けられてもよい。流入ポート50と第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54との間の流体の流れを制御する弁部材70がスプール弁ハウジングの内部に配置されている。例示の実施例では、弁部材70は、第一のランド部および第二のランド部74、76を坦持するロッド72を備えている。環状の弁チャンバ77が、スプール弁ハウジングに形成され、第一のランド部および第二のランド部74、76を密に嵌合する寸法である。Ｉ／Ｐ変換器24からの圧力信号を受け取るダイアフラム45は、弁部材70の第一の端部に係合している。バネ82は、弁部材70の他の端部に契合し、弁部材70に付勢荷重を加えている。

動作において、Ｉ／Ｐ変換器24により調整される制御流体圧力がダイアフラム45に出力され、バネ82の付勢荷重に対して反対の方向に弁部材70に加重を加える。第一のディスクおよび第二のディスク74、76の移動により、流入ポート50から第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54のうちの一方への流体の流れを部分的にまたは完全に遮断する。したがって、弁部材70の位置により、制御流体が流れうる各流出ポート52、54に対する絞り面積が決定される。変位センサ84は、弁部材70の位置を検出して、プロセッサ18にフィードバックを供するために設置されている。これに加えて、第一の流出ポートセンサおよび第二の流出ポートセンサ86、88が、それぞれ対応して、第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54における制御流体圧レベルを検出するために設けられている。

図２は、フェイルクローズ型バネ作用を有する復動式ピストンアクチュエータを示しているが、いうまでもなく、他のタイプのニューマチックアクチュエータが用いられてもよい。他のアクチュエータの一例としては、フェイルオープン型バネ作用を有する復動式ピストンアクチュエータ、バネを有しない復動式ピストンアクチュエータ・フェイルオープン型バネ作用またはフェイルクローズバネ作用を有する単動式スプリングダイアフラムアクチュエータ、または公知のそれに代わるアクチュエータが挙げられる。アクチュエータが単動式である場合、スプール弁26は、バネと反対側のアクチュエータチャンバと連通する単一の流出ポートを備えている。

さらに、ポジショナ14は、二次ニューマチックスに代わる手段を用いうる。スプール弁26に代えて、ポジショナは、たとえばニューマチックリレイを備えてもよい。図６には、Ｉ／Ｐ変換器24、弁体12、および加圧流体供給源30に取り付けられた復動式ニューマチックリレイ200が示されている。このリレイ200は、供給圧プレナム202a、202bを備えている。プレナム202aは、アクチュエータ下側チャンバ58に連通している第一の流出ポート204を備えており、プレナム202bは、アクチュエータ上側チャンバ56に連通している第二の流出ポート206を備えている。第一のポペット弁208は、第一の開口部204に着脱可能に係合するように位置づけされた端部210を有しており、第二のポペット弁212は、第二の開口部206に着脱可能に係合するよう位置づけされた端部214を有している。ビーム216は、支点218を中心として回転するように支持されて、第一のポペット弁208の第二の端部222に係合するように位置づけされた第一のオリフィス220と、第二のポペット弁212の第二の端部226に係合するように位置づけされた第二のオリフィス224とを備えている。Ｉ／Ｐ変換器24からの出力がチャンバ228へ供され、第一の方向に（すなわち、図６の時計方向に）ビーム216を回転させ、参照圧力が参照チャンバ230に供され、前記のチャンバ228の力を相殺する。第一のポペット弁208は、アクチュエータ下側チャンバ58への制御流体の流量を制御し、第二のポペット弁212は、アクチュエータ上側チャンバ56への流量を制御する。

動作において、Ｉ／Ｐノズル圧力が上昇すると、ビーム216が、時計方向に回転し、第一のポペット弁208を右に移動させる。第一のポペット弁208の第二の端部222は、第一のオリフィス220を閉鎖し、大気中への流れを防止し、第一のポペット弁208の第一の端部210は、第一の流出ポート204を開き、供給圧下の制御流体を下側チャンバ58へ流す。同時に、第二のポペット弁212は、第二のオリフィス224を開き第二の流出ポート206を閉めることにより、上側チャンバ56から大気中へ制御流体を排出することを可能とする。Ｉ／Ｐノズル圧力が減少すると、これとは逆のことが起きる。いうまでもなく、第一のポペット弁および第二のポペット弁208、212が第一の流出ポートおよび第二の流出ポート204、206の方向におよびそれとは逆の方向に移動するにつれて、流出ポート204、206の絞り面積が変化する。したがって、ポペット弁208、212の位置ならびに第一の流出ポートおよび第二の流出ポート204、206の絞り面積の推定にビーム216の位置が用いられうる。

ニューマチックリレイを備えたポジショナ200は、上記と同一のセンサを備えうる。したがって、第一の流出ポート圧力センサおよび第二の流出ポート圧力センサ86、88は、アクチュエータ上側チャンバおよびアクチュエータ下側チャンバ56、58への制御流体の圧力をそれぞれ検出すべく、それぞれ対応して、第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54の近くに設置されている。流入ポート圧力センサ85は、流入ポート50に設置され、制御流体供給圧を検出し、アクチュエータ移動センサ68は、弁棒66の位置を検出可能に場所に設けられている。さらに、変位センサ84は、ビーム216の位置を検出可能に設けられている。

上記のポジショナは当該技術分野において一般的に公知の技術である。しかしながら、今日まで、変位センサはフィードバックの提供に限られて用いられてきた。本発明の教示によると、変位センサは診断目的にも用いられうる。さらに、ポジショナにおいて起こりうるさまざまな故障状態を識別すべく、さまざまなセンサが用いられうる。また、これらのセンサは、制御流体の質量流量の計算にも用いられ、この質量流量は、故障の根本原因の特定を補助すべく用いられうる。このような診断用の計算および解析は、たとえばプロセッサ18およびメモリ20が診断ユニットとして機能するが如き、ポジショナ14に設けられた診断ユニットにより、またはポジショナ14に通信可能に接続された遠隔のホスト19において実行されうる。

アクチュエータ12に関して、診断ユニットは、アクチュエータチャンバへの制御流体の質量流量を推定するためにセンサからのフィードバックを用いる診断ルーチンを用いてプログラミングされうる。さらに、この診断ルーチンは、さらなるフィードバックパラメータの有無に関係なく、アクチュエータにおける漏洩または他の故障の特定に、計算された質量流量を用いうる。さらに詳細には、第一の流出ポートおよび第二の流出ポートを通過する制御流体の質量流量は以下の式を用いて近似されうる：
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。

たとえば、第一の流出ポート52を通過する質量流量の計算には、上記の式に適切な係数および変数が挿入される。上流側圧力ｐ1は圧力センサ85により検出される流入ポート圧力であり、ｐ2は第一の流出ポート52においてセンサ86により検出される圧力である。この式を用いて供給質量流量および排出質量流量の両方を推定しうる。たとえば、スプール弁の変位が正である場合（すなわち、図２において右側）、ポート54は、アクチュエータ下側チャンバに制御流体を供給し、それと同時に、ポート52は、アクチュエータ上側チャンバから制御流体を排出する。ポート54の場合、スプール弁の変位が露出ポート領域の計算に用いられうるし、センサ85、88が上流側圧力および下流側圧力を提供しうる。ポート52の場合、スプール弁の変位が露出ポート領域の計算に用いられうるし、センサ85が上流側圧力を提供しうる。スプール弁が既知の圧力で大気中に排出するので、排出ポートにセンサを必要としない。さらに、制御弁への供給圧力は調整されていることが多いので、供給圧力センサを排除し、供給圧力を近似する固定値を上記の気体質量流量の式に代入してもよい。制御流体が空気である場合、上記の式を以下の式のように変形してもよい：
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。

前記診断ルーチンは、スプール弁とアクチュエータ12との間の漏洩または遮断を発見すべく、質量流量計算を用いうる。たとえば、スプリングダイアフラムアクチュエータでは、制御流体は、バネと反対側の単一アクチュエータチャンバに供される。正常運転中、プロセッサ18は、スプール弁26からの制御流体の出力流量を制御し、アクチュエータ12および接続された絞りエレメントを、所定の設定値まで駆動させる。定常状態運転中は、少量の流体が大気中に漏れることがあり、少量の制御流体がスプール弁流出ポートを通って流れことになる。アクチュエータチャンバまたは、スプール弁流出ポートとアクチュエータとの間の接続部において漏洩が発生すると、アクチュエータチャンバ内部の圧力が低下し、バネによりアクチュエータがその所定の位置から移動する。プロセス流体圧力および／またはアクチュエータ移動に関するフィードバックがプロセッサ18へ供され、このプロセッサ18は、Ｉ／Ｐ変換器24への駆動信号を変更し、アクチュエータへの制御流体流量を増加する。したがって、アクチュエータへの質量流量は、図３Ａのグラフに示されているように増加する。制御流体の将来の質量流量を推測することにより、診断ユニットは、アクチュエータへの制御流体流量の増加を検出するようにプログラミングされうる。さらに、診断ユニットは、診断ルーチンが故障信号を発生する最大制御流体流量を用いてプログラミングされうる。正常な過渡変化により誤り信号が生成される可能性を最小限に抑えるべくローパスフィルタを設けてもよい。

また、スプール弁の変位が上昇しているのに制御流体の流量が一定である場合、スプール弁とアクチュエータとの間の空気ラインが閉塞しているとみなされうる。図３Ｂは、閉塞状況を示しており、実線は質量流量を表しており、破線はスプールの変位を表している。同様に、スプールの変位は大きいが質量流量は比較的小さい場合、部分的に閉塞しているとみなされる。

ピストンアクチュエータにおける漏洩の検出はさらに複雑である。ピストンリングに漏洩が存在する場合または、アクチュエータ上のバイパス弁が開いたままになっている場合、バネのある側のアクチュエータチャンバ、バネのない側のアクチュエータチャンバ、またはこれらのアクチュエータチャンバの間において漏洩が発生しうる。しかしながら、スプリングダイアフラムアクチュエータに関しては、漏洩または閉塞の場所を探索し、定量するために、気体質量流量の偏差を用いることができる。

故障の特定を容易にするために、正常動作パラメータ値からの偏差が特定される。このようなパラメータの一つは、アクチュエータチャンバ内の圧力であり、この圧力は、通常、供給圧力の約６０％〜８０％に維持される。アクチュエータチャンバにおける圧力の平均を取ることにより平均圧力または「クロスオーバ」圧力を求めうる。

バネに対向するチャンバにおいて大気中への漏洩が存在する場合、プロセッサ18は、スプール弁26を移動し、そのチャンバに対する補充気体を提供する。また、このことにより、バネの存在する側のチャンバが減圧され、その結果、ピストンアクチュエータは、スプリングダイアフラムアクチュエータのように効果的に動作する。このような漏洩の場合における第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54における質量流量の特性が図４Ａに示されている。まず、システムにおける正常の漏洩に起因する流出ポート52、54の両方におけるゼロに近い質量流量が示されている。時点Ａにおいて漏洩が発生すると、漏洩の発生したチャンバへの質量流量は、図４Ａの実線により示されるように、大気中に排出される気体の量と一致するように増加する。バネの存在するチャンバの場合、図４Ａの破線により示されているように、アクチュエータが新しい位置に移動する間、質量流れは一時的にそのチャンバから出て行く方向であるが、そのチャンバが減圧されるので、最終的にゼロ近傍にまで戻る。さらに、アクチュエータのクロスオーバ圧力は、バネと反対側のチャンバの圧力の約半分である。

アクチュエータのバネ側のチャンバに漏洩が発生した場合、ポジショナ14は、補充気体を供給しない。とういのは、補充気体を供給した場合、ポジショナはバネと反対側のチャンバから空気を排出（そして、そこからの力を減少）させなければならないからである。したがって、プロセッサ18は、バネの存在する側のチャンバが減圧されるのをそのままにし、反対側のチャンバを調整することにより弁の制御を行う。定常状態では、バネ側のチャンバへの空気質量流量はほとんどゼロであり、バネと反対側のチャンバからの空気質量流量はほとんどゼロであり、クロスオーバ圧力は、バネのないチャンバの圧力の半分である。したがって、前記各ポートの質量流量の特性中のクロスオーバ圧力の減少を検出することにより、漏洩の存在および場所を特定しうる。

さらに、質量流量の計算は、ピストンリングにおける漏洩の如き、制御流体が一方のアクチュエータチャンバから他方のアクチュエータチャンバに流れるという漏洩を検出するための診断ユニットにより用いられうる。このような漏洩は、各チャンバが加圧されたままであるので、従来の測定技術を用いて検出することは困難である。たとえば、漏洩により、制御流体が下側チャンバ58から上側チャンバ56に流れるような場合、ポジショナ14は、補充制御流体を下側チャンバ58へ供給するようにスプールを移動させる。しかしながら、同時に、制御流体は、下側チャンバ58から上側チャンバ56へ流れてスプール弁26に戻っている。

図４Ｃには、ピストンリングからの漏洩の場合の各流出ポート52、54における流体流量の特性を示すグラフが提供されており、第一の流出ポート52における流体流量が破線により表されており、第二の流出ポート54における流体流量が実線により表されている。まず、各ポートは、大気中に排出されるゼロに近い流量を有している。ピストンリングにおいて漏洩が発生すると、第二の流出ポート54における質量流量が増加し、それに比例する量だけ、第一の流出ポート52における流体流量が減少する。流体の流れの方向を示さない従来の質量流量センサと異なり、質量流量の近似計算式から流れの方向が分かる。正の数はアクチュエータへの流体の流れを表し、負の数はアクチュエータからの流体の流れを表す。したがって、第一のおよび第二の流出ポート52、54における制御流体流量を監視することにより、プロセッサ18は、一方のポートにおける流体流量が正であり他方における流体流量が負である状況が持続していることを検出し、故障信号を生成しうる。

アクチュエータに対する制御流体の漏洩および閉塞の検出に加えて、スプール弁の圧力センサおよび変位センサは、スプール弁26の上流側に設けられたＩ／Ｐ変換器24の故障の検出に用いられうる。スプール弁26への制御流体の流れを中断または停止するさまざまな故障が、Ｉ／Ｐ変換器24において発生して、制御弁の動作を劣化させるかまたは不能状態にする。Ｉ／Ｐ変換器24のフラッパ40の如き特定のコンポーネントがサーボ制御に直接適用できないので、これらのコンポーネントは通常監視されない。しかしながら、スプール弁26に設けられたセンサがＩ／Ｐ変換器のコンポーネントの内部状態の推測に用いられうることが分かってきた。

Ｉ／Ｐ変換器24において発生する特定の故障を処理するまえに、このＩ／Ｐ変換器に加圧制御流体を供給する制御流体供給源30が故障する場合があるので、Ｉ／Ｐ変換器24自体の他の故障を考える前にこの故障に対処する必要があるということに留意すべきである。したがって、制御流体供給源30が圧力を損失したか否かを検出するために、流入ポート圧力センサ85により提供される信号を用いうる。

Ｉ／Ｐ変換器24内で発生しうる一つの故障は主オリフィス36の完全な詰まりである。主オリフィス36が詰まった場合、ダイアフラム45に対する圧力が低下し、その結果、バネ82がスプール弁70をゼロ圧力（または負）の状態に移動させ、その分、アクチュエータを移動させる。プロセッサ18は、ノズル38を閉じるようにソレノイドコイル42への駆動信号を増大し、これにより、通常流出ポート44から排出される制御流体の圧力を上昇させる。そうでなければ、詰まった主オリフィス36は制御流体の流れを停止する。

また、フラッパ40上に無機物が堆積するかまたは他の汚染物質が堆積することでノズル38が完全に詰まると、故障が発生する。この場合、流出ポート44から制御流体の圧力は、供給圧力にまで上昇し、ゼロ位置から正の位置までスプール弁を移動させ、これにより、アクチュエータを移動させる。応答としては、プロセッサ18は、ノズル38を開放するようにＩ／Ｐ変換器24への駆動信号を減少させる。

また、主オリフィスは部分的に詰まる場合がある。完全に詰まった主オリフィスと同様に、部分的に詰まると、プロセッサ18がノズル38への空気の減少を補完しようとするので、駆動信号が高い方に変位する。主オリフィスが部分的に詰まると、Ｉ／Ｐ信号の変化に応答して、スプール弁の移動が減速する。しかしながら、周囲温度の低下により、ダイアフラムが硬化して時定数が上昇する場合もある。いずれの場合であっても、Ｉ／Ｐ駆動信号が高くかつ全ての他の状態が正常に動作している場合は、主オリフィスが部分的に詰まっていると考えてもよい。

同様に、ノズル38が部分的に詰まる場合がある。ノズル38が部分的に詰まっても、Ｉ／Ｐ変換器の時定数が影響を受ける。上述のように、Ｉ／Ｐ変換器の時定数は、ダイアフラムの周囲温度の変化によっても影響を受ける。したがって、全ての他の状態が正常であってＩ／Ｐ駆動信号が低い場合は、ノズルが部分的に詰まっていると考えてもよい。

流出ポートＯ−リング46の破損により故障がさらに発生する場合もある。流出ポートＯ−リング46における漏洩を補償すべく、プロセッサ18は、駆動信号を増大させるがＩ／Ｐ変換器の時定数は顕著な変化を受けない。したがって、流出ポートＯ−リング46が破線すると、主オリフィス36の詰まりと同様な様式で制御ループの動作が影響を受ける。

上述の詳細に記載した故障に加えて、Ｉ／Ｐ変換器において他の故障が発生する場合もある。たとえば、ソレノイドコイル42が故障する場合もあればフラッパ40が壊れる場合もある。特定の故障を識別することはできないこともあるが、各故障はＩ／Ｐ変換器への駆動信号の著しい偏差を監視することにより検出されうる。このことは、駆動信号に線形または非線型のデジタルフィルタをかけて高周波数成分を取り除き、正常動作状態からの偏差を調べることにより達成されうる。

Ｉ／Ｐ変換器24におけるさまざまな故障の特定および特徴付けを容易にすべく、ポジショナ14のプロセッサおよびメモリ20またはプロセッサおよびメモリを備えた遠隔ホスト19の如き診断ユニットが、ポジショナ14のさまざまなセンサにより測定されるパラメータに基づいて診断ルーチンを実行するようにプログラミングされうる。この診断ルーチンは、測定されたパラメータを特徴付けして故障テンプレートを作成する一または複数の論理サブルーチンを有しており、この故障テンプレートが、一または複数の故障の根本原因を特定すべく用いられうる。

故障は、特徴付けされるまえに検出されなければならない。診断ルーチンは、Ｉ／Ｐ駆動信号の持続的な偏差を検出するようにプログラミングされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号は、スプール弁の中心をゼロ位置に合わせるために７０％に設定されうる。駆動信号の正常動作範囲は６０〜８０％で在りうる。したがって、診断ルーチンは、Ｉ／Ｐ駆動信号がこの正常動作範囲の外側に移動すると（すなわち、６０％未満になるかまたは８０％を超えると）故障信号を生成しうる。正常な過渡変動の除去には順序統計フィルタが用いられるため、Ｉ／Ｐ駆動信号がある持続期間正常範囲の外側に存在する場合にのみ故障信号が生成される。これに代えて、診断ユニットは、故障解析を行うために、スプール弁の正常位置からの大きなずれを監視するかまたは誤差信号（すなわち、基準値に対する弁棒の移動値の偏差）を監視するようにプログラミングされてもよい。いずれの場合であっても、いったん故障が検出されたならば、その故障の原因として供給源30を除外するために、供給源30の制御流体圧力を最初に検査すべきである。

いったん故障が検出されると、この故障は、制御ループ内における一般的または個別的な故障場所を決定すべく特徴付けされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号に偏差が検出されると、制御ループ全体にわたり追跡することによりその故障の場所を特定することができる。たとえば、主オリフィス36が閉塞した場合、制御ループが以下のように影響を受ける。主オリフィス36における流れが停止され、このことがスプール弁をそのゼロ圧力（負の）状態へ移動させ、次いで、このことがアクチュエータチャンバの圧力を減少させ、このことが絞りエレメントを移動させ、このことがプロセッサへの誤差信号を生成させる。このプロセッサは、故障を補償すべくＩ／Ｐ駆動信号を増大させる。

故障の場所を特定するために、この一連のイベントの跡をたどらなければならない。主オリフィスが完全に詰まった例の場合、解析は、正常動作範囲の上限を越えるＩ／Ｐ駆動信号（すなわち、正のＩ／Ｐ駆動信号の偏差）の検出から始まる。次いで、絞りエレメントの移動により生成される誤差信号が大きく正の側に存在することが特徴付けされ、実際のアクチュエータの移動が要求よりも少ないことを示す。次いで、第一の流入ポート52における圧力が第二の流出ポート54における圧力から差し引かれた流出ポート間の差圧が負であると特徴付けされうる。次いで、変位センサ84がスプール弁の位置に関するフィードバックを供給する。スプール弁の位置は閉塞に起因した制御流体圧力の低下のためゼロ位置から大きく負側であると特徴付けされうる。このようにして測定パラメータを特徴付けすることにより、故障のある種の根本原因が削除されうる。複数の根本原因が以上の特徴を有しうるが、主オリフィスの閉塞はそのうちの一つである。

同様に、図５に示されるように、決定樹を用いて全ての故障を記載しうる。図５では、測定変数は円により示されており、これらのパラメータの特徴付けされた値は円から出ている線上に示されており、コンポーネントの故障は正方形により示されている。三角形は、たとえば、大きな駆動信号と大きな負の誤差信号との組み合わせのようなありえない組み合わせの如き無効領域を表している。図５に示されている診断ルーチンは、ポジショナに通常設けられている既存のセンサに基づくものであるので、図５では、区別不可能な特定のコンポーネント故障は一緒にされている。これらの一緒にされたコンポーネント故障をさらに区別するためにさらなるセンサが用いられてもよい。コンポーネントの故障は、Ｉ／Ｐ駆動信号が逸脱するまで、決定樹をたどって下方に、段階的に発生する。この逸脱の根本原因は、決定樹をたどって逆方向に移動することにより特定されうる。

さらに詳細にいえば、測定変数100において、診断ルーチンは、正常動作範囲から逸脱するＩ／Ｐ駆動信号を検出しうる。この駆動信号は、上記範囲を超えていれば高であるとして、また上記範囲未満であれば低であると特徴付けされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、格納されている診断ルーチンは決定樹を上方に進み、制御ループにおいて用いられている基準信号を特定する。この基準信号は、プロセスコントローラからポジショナに送信される命令信号でありうる。Ｉ／Ｐ駆動信号は、この基準信号と移動フィードバックとに差の関数である。

Ｉ／Ｐ駆動信号が正常動作点を超えるまたはそれ未満でありうるシナリオは三つあるが、そのうちの二つは装置故障に起因するものではない。第一のシナリオとはコントローラが「カットオフ」の状態の場合である。カットオフは、基準信号がユーザ規定のしきい値を越える場合に発生する。高カットオフの場合、サーボコントローラは全てバイパスされ、１００％の駆動信号がＩ／Ｐに送信される。低カットオフの場合、サーボコントローラはバイパスされるが、０％の駆動信号がＩ／Ｐに送信される。高カットオフおよび低カットオフの両方は有効な動作領域であり、装置不良を示すものではない。図５のボックス103、131で、高カットオフと低カットオフとがそれぞれ対応して示されている。

第二のシナリオは、弁体が移動停止部に係合する場合である。弁体が停止部に到達した場合、移動フィードバックはアクティブな状態でなくなり、プロセスコントローラは実質的にオープンループの状態で動作する。この場合もやはり、正常な制御弁の挙動であり、装置不良を示すものではない。図５のボックス104、132で、高移動停止と低移動停止とがそれぞれ対応して示されている。

第三のシナリオは、装置故障により大誤差信号が引き起こされる場合である。大誤差信号の補償のために、それに応じて、Ｉ／Ｐ駆動信号が調整される。ひとたびカットオフと移動停止とが除かれたならば、解析は、図５に記載された決定樹に沿って進みうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号の場合、解析は決定樹を上方に進み、また低Ｉ／Ｐ駆動信号の場合、解析は決定樹を下方に進む。

高Ｉ／Ｐ駆動信号は、まず、105で誤差信号を特徴付けすることにより解析される。この誤差信号は、大きく正、ゼロ、または大きく負に分類されうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、大きく負の誤差信号を有することはできないので、図５の上方右側の枝は全ての結論が無効であることを示す。したがって、この誤差信号の特徴付け105から唯一可能な結論は、大きく正（すなわち、基準信号が実際の移動フィードバック信号よりも大きいこと）またはゼロでしかない。いずれの場合であっても、診断ルーチンは、次いで、106、107で示されているように、第一の流出ポート52における圧力を第二の流出ポート54における圧力から減算することにより第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54間の圧力差を特定するために進む。この圧力差は、供給圧力に近い負、略ゼロ、または供給圧力に近い正であるとして特徴付けされる。負の圧力差は、第一の流出ポート52における圧力が第二の流出ポート54における圧力よりも大きいことを示す。正の圧力差はこれと反対である。略ゼロである圧力差は、アクチュエータチャンバが略平衡状態であることを示す。圧力差の特徴付け毎に、診断ルーチンは、108〜113で示されているように、スプール弁の位置を特定するように進む。このスプール弁の位置は、大きく正、ゼロ、または大きく負であると特徴付けされる。大きく正の位置は、ダイアフラム45がスプール弁を押し過ぎていることを示し、大きく負の位置は、それとは反対のことを示す。スプール弁は、それが正常動作範囲内に留まっている場合に、ゼロの位置に存在する。

スプール弁の位置が特徴付けされたならば、Ｉ／Ｐ駆動信号の逸脱に対する一または複数の潜在的な根本原因が特定されうる。たとえば、スプール弁が詰まっている場合114、流出ポートＯ−リング46が破損している場合115、ダイアフラム45が破損している場合116、または主オリフィス36が完全に詰まっている場合117、診断ルーチンは、高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置が大きく負である故障、圧力差が負である故障、および誤差信号が大きく正である故障として特徴付けしうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、故障が、スプール弁位置が大きく正である、圧力差が略ゼロである、および誤差信号が大きく正であるとして特徴付けされた場合、この根本原因は、外部漏洩118、摩耗したスプール弁119、または低供給圧力120でありうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置が大きく負であり、圧力差が略ゼロであり、誤差信号が大きく正である故障の場合、その根本原因は低い圧力供給121でありうる。

高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、誤差信号が大きく正であり、圧力差が略ゼロであり、スプール弁位置が大きく正である場合、その根本原因は、弁体が低位置で停止122、スプール弁とアクチュエータとの間の空気ラインの閉塞123、またはインターロックがアクティブ状態124でありうる。

高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、故障が、スプール弁位置が大きく正であり、圧力差が略ゼロであり、誤差信号がゼロであるとして特徴付けされた場合、この根本原因は、外部漏洩125でありうる。また、高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置がゼロであると特徴付けされ、圧力差が略ゼロであり、誤差信号がゼロであるとして特徴付けされた場合、この故障の根本原因は、主オリフィス36の部分的な詰まり126、Ｉ／Ｐ用のフラッパまたはアーマチュアにおける砂粒の存在127、またはＩ／Ｐの校正ずれ128でありうる。

図５の下半分を説明すると、診断ルーチンは、低Ｉ／Ｐ駆動信号に対して同様のプロセスを実行する。低カットオフ131および低移動停止132を除外すると、解析は、133で誤差信号を特徴付けすることから進む。誤差信号の特徴付けは、上記の105における特徴付けと同等である。すなわち誤差信号は、大きく負、ゼロ、または大きく正である。低Ｉ／Ｐ駆動信号と大きく正の誤差信号との両方を有することはできないので、図５の下方左側部分に示されるように、その結論は全て無効であると示されている。誤差信号の特徴付けのあと、診断ルーチンは、134および135で、圧力差を特徴付けしうる。最後に、診断ルーチンは、136〜141で、スプール弁の位置を特徴付けしうる。

高駆動信号の逸脱と同様に、低駆動信号の逸脱の解析は一または複数の有力な根本原因の特定から進む。誤差信号が大きく負であり、圧力差が正であり、スプール弁位置が大きく正である場合、この故障の根本原因は、ノズル38の閉塞142、Ｉ／Ｐ用のフラッパまたはアーマチュアの圧迫143、Ｉ／Ｐの動作停止144、またはスプール弁が動かなくなること145でありうる。また、誤差信号が大きく負であり、圧力差が負であり、スプール弁位置が負である場合、この故障の根本原因は、弁体の高位置での停止146または空気ラインの閉塞147でありうる。最後に、誤差信号がゼロであり、圧力差が略ゼロであり、スプール弁位置がゼロである場合、この故障の根本原因は、Ｉ／Ｐの校正ずれ148またはノズル38の部分的な詰まり149でありうる。

さらに、診断ルーチンは、深刻度に応じてコンポーネントの故障を分類し、予測診断を提供しうる。主オリフィス36またはノズル38の完全な詰まりの如き特定の根本原因は、プロセッサ18が訂正できない方法でスプール弁26にバイアスをかけうる。このような原因は、「レッドライト」と特徴付けされて適切に報告される場合がある。他の根本原因により、フィードバックループの全ての他の変数が正常に動作しているのにＩ／Ｐ信号が大きく逸脱することがある。たとえば、主オリフィス36が部分的に閉塞させられることがあり、この結果、ノズルへの流れの低下を補償すべくＩ／Ｐ信号はさらに強く駆動させられなければならない。しかしながら、誤差信号、アクチュエータ圧力、およびスプール弁位置はすべて正常に動作する。Ｉ／Ｐ信号の偏差をフィードバックループ内の他の変数と比較することにより、我々は、劣化を発見し、それか致命的な故障になるまえにそれにフラッグをたてることができる。これらの原因は「イエローライト」診断として分類されうる。

かかる診断ユニットは、好ましくはソフトウェアを用いて処理および診断を実行するものとして記載されたが、当該診断ユニットは、ＡＳＩＣなどの如き、任意のタイプのプロセッサを用いたハードウェア、ファームウェアなどを用いてもよい。いずれの場合であっても、メモリに格納されプロセッサにより実行されるルーチンには、ソフトウェアデバイスのみならずハードウェアデバイスおよびファームウェアデバイスが含まれる。たとえば、本明細書記載のエレメントは、標準型多目的ＣＰＵにより、あるいは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または所望ならば他のハーワイヤードデバイスの如き特別に設計されたハードウェアもしくはファームウェアにより実現されてもよいが、依然としてプロセッサにより実行されるルーチンでありうる。ソフトウェアにより実現する場合、このソフトウェアルーチンは、磁気ディスク、レーザディスク、光学式ディスク、または他の格納媒体の如き任意のコンピュータ読取り可能メモリ内、コンピュータまたはプロセッサのＲＡＭまたはＲＯＭ内、任意のデータベース内などに格納されうる。同様に、このソフトウェアは、たとえば、コンピュータ読み取り可能ディスクもしくは他の搬送可能なコンピュータ格納メカニズム、または電話回線、インターネットなどの如き通信チャネルを含む公知または所望の任意の搬送方法を介してユーザまたはプロセス制御プラントに搬送されうる（ここで、電話回線、インターネットなどの如き通信チャネルの利用は、搬送可能な格納媒体を介してこのソフトウェアを提供することと同一または互換性があると考えられる）。

以上の詳細な記載は、理解を明瞭にすることのみを意図し、本発明を不必要に限定することを意図したものではなく、本発明の精神および範疇から逸脱することなく、開示された実施例に変更を加えうることは当業者にとって明らかなことである。

10 弁体
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 (16)

1. アクチュエータと、圧力信号を受信し前記アクチュエータへの制御流体の流れを制御するように構成された制御流体弁組立品と、該制御流体弁組立品に接続されているＩ／Ｐ変換器と、Ｉ／Ｐ駆動信号を前記Ｉ／Ｐ変換器へ伝送するプロセッサとを有するニューマチック駆動型制御弁用の制御ループにおける故障を検出する方法であって、
   前記Ｉ／Ｐ駆動信号および前記制御ループの少なくとも一つの測定されたパラメータを監視する工程と、
   前記Ｉ／Ｐ駆動信号および前記少なくとも一つの測定されたパラメータに基づいた故障信号を生成する工程と、
   故障信号の生成に応じて、前記制御ループの測定されたパラメータを分類する工程と、
   論理サブルーチンにしたがって、故障の根本的原因の箇所を決定する工程であって、前記論理サブルーチンは前記Ｉ／Ｐ駆動信号および前記少なくとも一つの測定されたパラメータに基づいた故障信号の根本的原因の箇所を決定する、方法。
2. 前記少なくとも一つの測定されたパラメータが制御流体弁組立品位置を含んでいる、請求項１記載の方法。
3. 前記Ｉ／Ｐ駆動信号が持続的な増加を示しかつ前記制御流体弁組立品位置がゼロである場合、前記故障信号が生成される、請求項２記載の方法。
4. 前記故障信号が前記Ｉ／Ｐ変換器の主オリフィスの詰まりを示す、請求項３記載の方法。
5. 前記故障信号が前記Ｉ／Ｐ変換器の流出ポートＯ−リングの破損を示す、請求項３記載の方法。
6. 前記Ｉ／Ｐ駆動信号が持続的な減少を示しかつ前記制御流体弁組立品位置が正である場合、前記故障信号が生成される、請求項２記載の方法。
7. 前記故障信号が前記Ｉ／Ｐ変換器のノズルの詰まりを示す、請求項６記載の方法。
8. 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いる、請求項６記載の方法。
9. 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ており、前記制御流体弁組立品位置がビーム位置を含んでいる、請求項６記載の方法。
10. 駆動信号を受信し、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てい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、
    前記駆動信号を受信して、該駆動信号に基づいて圧力信号を生成するＩ／Ｐ変換器と、
    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有するハウジングと、該ハウジング内に配置され、前記流入ポートから前記第一の流出ポートへの制御流体の流れを制御すべく前記圧力信号に応答する制御流体弁組立品と有する二次ニューマチックスと、
    制御流体弁組立品位置を決定するための変位センサと、
    前記制御流体弁組立品位置に基づいて診断情報を生成するように構成された格納済ルーチンを有する、前記変位センサと通信可能に接続されているプロセッサを有する診断ユニットとを備え、
    前記診断ユニットは更に、前記駆動信号及び制御流体弁組立品の位置に基づいて故障を検出し、前記駆動信号と前記制御流体弁組立品の位置を分類し、前記駆動信号と前記制御流体弁組立品の位置の分類に基づいて故障の根本的原因の箇所を決定するように作動可能であり、
    故障を識別する工程は、故障の根本的原因の箇所を決定する工程を含む、ポジショナシステム。
11. 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１０記載のポジショナシステム。
12. 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ており、前記制御流体弁組立品位置がビーム位置を含んでなる、請求項１０記載のポジショナシステム。
13. 前記格納済ルーチンが、前記診断情報を生成するために、前記制御流体弁組立品位置を前記駆動信号と比較してなる、請求項１０記載のポジショナシステム。
14. 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ており、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なる、請求項１０記載のポジショナシステム。
15. 前記診断情報がアクチュエータ診断情報を含んでなる、請求項１０記載のポジショナシステム。
16. 前記診断情報が前記Ｉ／Ｐ変換器の診断情報を含んでなる、請求項１０記載のポジショナシステム。

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