JP6549375B2 - プロセス制御装置の連結健全性の評価方法および装置 - Google Patents

Description

本開示は、概して、プロセスプラントに関し、具体的には、プロセスプラント機器の健全性の監視に関する。

１つの例示的な態様によれば、クランプ力の減少を知らせる方法は、連結インターフェースで測定された第１の一連の測定結果を受け取るステップと、第１の一連の測定結果を格納するステップと、連結インターフェースで測定された第２の一連の測定結果を受け取るステップと、第２の一連の測定結果を格納するステップと、第１および第２の一連の測定結果を比較するステップと、第１の一連の測定結果が第２の一連の測定結果から逸脱する場合に指標を生成するステップとを含む。

別の例示的な態様によれば、クランプ力の減少を知らせる方法は、複数の周波数で複数の電気信号を用いて、インピーダンス測定結果を受け取るステップを含む。さらに別の例示的な態様によれば、方法は、概して３０ＫＨｚから４００ＫＨｚの範囲にある周波数で行われたインピーダンス測定結果を受け取る。ある例示的な態様によれば、周波数は、連結インターフェースに接合されたＰＺＴセンサに印加される。

さらに別の例示的な態様によれば、クランプ力の減少を知らせる方法は、複数の波長で測定された反射率測定結果を受け取るステップを含む。さらに別の例示的な態様によれば、方法は、０．１ナノメートル（ｎｍ）から１０６ｎｍの範囲にある波長で行われた反射率測定結果を受け取る。ある例示的な態様によれば、反射率測定結果は、連結インターフェース間に配置されたガスケット内にあるＦＢＧセンサで測定される。

１台または２台以上のオペレータ用および維持管理用ワークステーション、コントローラ、フィールドデバイス、および支援装置を含む、分散型の制御および維持管理ネットワークを有し、障害検出および分離システムを実装し得る、プロセスプラントの例示的なブロック図である。 連結インターフェースにおいてクランプ力の減少を検出する方法を実装する、統計的データ収集および分析ブロックのブロック図である。 連結インターフェースでクランプ力の減少を検出するセンサに適合された連結インターフェースの断面図である。

ここで図１を参照すると、障害検出および分離システムを実装し得るプロセスプラント１０の実施例は、１つまたは２つ以上の通信ネットワークを介し、支援装置で相互接続された多数の制御および維持管理システムを含む。特に、図１のプロセスプラント１０は、１つまたは２つ以上のプロセス制御システム１２および１４を含む。プロセス制御システム１２は、ＰＲＯＶＯＸまたはＲＳ３システムなどの従来のプロセス制御システムであってもよいし、または、コントローラ１２Ｂさらには入出力（Ｉ／Ｏ）カード１２Ｃに連結されたオペレータインターフェース１２Ａを含む、その他の制御システムであってもよく、この場合、入出力（Ｉ／Ｏ）カード１２Ｃは、さらにアナログおよびハイウェイアドレス可能遠隔トランスミッタ（ＨＡＲＴ（登録商標））フィールド機器１５などの様々なフィールド機器に連結される。プロセス制御システム１４は、分散型プロセス制御システムであってもよく、イーサネットバスなどのバスを介して１つまたは２つ以上の分散型コントローラ１４Ｂに連結された、１つまたは２つ以上のオペレータインターフェース１４Ａを含む。コントローラ１４Ｂは、例えば、テキサス州オースティンのＥｍｅｒｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔが販売するＤｅｌｔａ ＶＴＭコントローラであってもよいし、またはその他の所望のタイプのコントローラであってもよい。コントローラ１４Ｂは、例えばＨＡＲＴ（登録商標）もしくはＦｉｅｌｄｂｕｓフィールド機器などの、１つまたは２つ以上のフィールド機器１６、または例えば、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔ（登録商標）、ＡＳ−ＩｎｔｅｒｆａｃｅおよびＣＡＮプロトコルのうちのどれかを使用するものを含む、任意のその他のスマートもしくは非スマートフィールド機器に、Ｉ／Ｏ機器を介して接続される。周知のように、フィールド機器１６は、プロセス変数ならびにその他の機器情報に関連するアナログまたはデジタル情報をコントローラ１４Ｂに提供し得る。オペレータインターフェース１４Ａは、例えば制御最適化ツール、診断エキスパートツール、ニューラルネットワーク、チューナなど、プロセスの操作を制御するためにプロセス制御オペレータが使用できるツールを格納し実行し得る。

さらに、ＡＭＳアプリケーションを実行するコンピュータまたは任意のその他の機器監視および通信アプリケーションなどの維持管理システムは、プロセス制御システム１２および１４またはその個々の機器に接続されて、維持管理および監視活動を行ってもよい。例えば、維持管理コンピュータ１８は、任意の所望の通信ラインまたはネットワーク（ワイヤレスまたは携帯端末用ネットワークを含む）を介して、コントローラ１２Ｂおよび機器１５の両方、またはいずれか一方に接続されて、機器１５と通信してもよく、また一部の事例では再構成してもよく、あるいは機器１５上でその他の維持管理活動を行ってもよい。同様に、ＡＭＳアプリケーションなどの維持管理アプリケーション１７および１９は、分散型プロセス制御システム１４と関連するユーザインターフェース１４Ａのうちの１つまたは２つ以上にインストールされ、これにより実行されて、機器１６の動作状態に関するデータ収集を含む、維持管理および監視機能を行ってもよい。

プロセスプラント１０はまた、何らかの常設または一時的な通信リンク（装置２０に接続されて、値を読み取った後、取り外されるバス、ワイヤレス通信システムまたは携帯端末など）を介して、維持管理コンピュータに２２に接続されたタービン、モータなどの様々な回転装置２０を含む。維持管理コンピュータ２２は、例えばＣＳＩ（Ｅｍｅｒｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙの関連会社）により提供される既知の監視および診断アプリケーション２３、または、回転装置２０の動作状態の診断、監視および最適化に使われる、その他の任意の他の既知のアプリケーションを格納および実行してもよい。保守管理者は、通常、アプリケーション２３を使用して、プラント１０の回転装置２０の性能を維持管理および監視し、回転装置２０に関連する問題を判定し、回転装置２０の修理または交換の時期および是非を判定する。一部のケースでは、外部コンサルタントまたはサービス機関は、装置２０に付随するデータを一時的に取得または測定し、装置２０の分析を行うためにこのデータを使用して、問題、性能不足または装置２０に影響を及ぼすその他の問題を検出してもよい。これらのケースでは、分析中のコンピュータは、いかなる通信ラインを介してもシステム１０の他の部分には接続されないこともあるし、または、単に一時的に接続されることもある。

同様に、プラント１０に付随する発電および配電装置２５を有する発電および配電システム２４は、例えばバスを介して、プラント１０内の発電および配電装置２５の動作を実行および監視する別のコンピュータ２６に接続される。コンピュータ２６は、例えばＬｉｅｂｅｒｔ ａｎｄ ＡＳＣＯまたはその他の企業により提供されるものなどの既知の電力制御および診断アプリケーション２７を実行して、発電および配電装置２５を制御および維持管理してもよい。この場合も、多くのケースでは、外部コンサルタントまたはサービス機関は、装置２５に付随するデータを一時的に取得または測定するサービスアプリケーションを使用し、また装置２５の分析を行うためにこのデータを使用して、問題、性能不足または装置２５に影響を及ぼすその他の問題を検出してもよい。これらのケースでは、分析中のコンピュータ（コンピュータ２６など）は、いかなる通信ラインを介してもシステム１０の他の部分には接続されないこともあるし、または、単に一時的に接続されることもある。

図１に示すように、コンピュータシステム３０は、統計的特性データ上での主成分分析（ＰＣＡ）を用いる障害検出および分離（ＦＤＩ）システム３５の少なくとも一部分を実装する。統計的特性データは、平均、平均の変化、メジアン、メジアンの変化、標準偏差、標準偏差の変化、分散、歪度、尖度、二乗平均平方根（ＲＭＳ）、変化率、範囲、最小値、最大値などの統計的尺度を含んでもよいが、これに限定されない。特に、コンピュータシステム３０は、構成およびデータ収集アプリケーション（ＣＤＣＡ）３８と、１つまたは２つ以上の表示またはインターフェースアプリケーション４０と、統計処理ブロックを含んで、多変量統計解析を提供するのであってもよいＰＣＡモジュール４２と、障害検出モジュール４４とを格納および実装する。システム３０はまた、プロセス内の特定の機器で生成された統計的特性データを格納する統計プロセス監視データベース４３を格納する。一般的に、構成およびデータ収集アプリケーション３８は、フィールド機器１５、１６、コントローラ１２Ｂ、１４Ｂ、回転装置２０もしくはその支援コンピュータ２２、発電装置２５もしくはその支援コンピュータ２６、および任意のその他の所望のプロセスプラント１０内の機器および装置に配置された、多数の統計的データ収集および分析ブロック（図１に図示せず）のそれぞれを構成し、またこれと通信して、それにより、これらのブロックのそれぞれから統計的特性データ（一部のケースでは、未加工プロセス変数データ）を収集し、これに基づいて障害検出および分離を行う。構成およびデータ収集アプリケーション３８は、配線で接続されたバス４５を介して、プラント１０内のコンピュータまたは機器のそれぞれに通信できるように接続されてもよく、あるいは代わりに、例えば、無線接続、ＯＰＣを用いる専用接続、データ収集を携帯端末に頼るものなどの断続した接続などを含む任意のその他の所望の通信接続を介して接続されてもよい。同様に、構成およびデータ収集アプリケーション３８は、インターネット、電話回線などのＬＡＮまたは公衆回線を介して（図１では、インターネット接続４６として示されている）、例えば第三者サービスプロバイダによりこのようなデータが収集される状態で、プロセスプラント１０内のフィールド機器および装置に付随するデータを取得してもよい。さらに、構成およびデータ収集アプリケーション３８は、例えば、イーサネット、モドバス、ＨＴＭＬ、ＸＭＬ、専用技術／プロトコルなどを含む、様々な技術およびプロトコルの両方、またはいずれか一方を介して、プラント１０内のコンピュータ／機器に通信できるように連結されてもよい。このように、本明細書では、ＯＰＣを用いて、構成およびデータ収集アプリケーション３８をプラント１０内のコンピュータ／機器に通信できるように連結する特定の実施例を説明するが、当業者であれば、構成およびデータ収集アプリケーション３８をプラント１０内のコンピュータ／機器に連結する、様々なその他の方法を同様に使用できることを認識するであろう。収集されたデータは、既知の正常なプロセス状態または既知の異常なプロセス状態に関連する参照データであってもよく、あるいは、プロセス状態は未知である監視データであってもよい。構成およびデータ収集アプリケーション３８は、一般に、収集されたデータをデータベース４３内に格納してもよい。

プロセスプラント１０は、ＦＤＩシステム３５を含むとして示されているが、ＦＤＩシステム３５は、既存の障害またはその他の異常状態を検出することに限定されず、さらに、異常状態の発生を予測してもよいことを理解されたい。この実施例を以下に詳述する。そのため、ＦＤＩシステム３５を利用して、障害検出および分離の一環として、プロセス内の既存の障害およびその他の異常状態を検出してもよく、また異常状態防止の一環としてプロセス内の障害およびその他の異常状態の発生を予測してもよい。例えば、障害検出モジュール４４を利用して、本明細書に述べるように、既存異常状態および予測された異常状態を検出してもよい。

さらに、ＰＣＡは、使用されてもよい多変量統計解析技術として主に開示されているが、ＰＣＡは、単に実施例として提供されたものであり、またＰＣＡは、使用される障害検出および異常状態防止手法をよりよく理解するために説明されることを理解されたい。そのため、その他の多変量統計解析技術を利用してもよく、これには、部分最小二乗法（ＰＬＳ）、主成分回帰（ＰＣＲ）、判別分析および正準変量分析（ＣＶＡ）を含むが、これらに限定されない。検出された異常状態に応じて、異なる多変量統計解析技術を利用してもよい。例えば、ＰＣＡを異常状態の検出および予測の両方に利用してもよいが、ＰＣＡを異常状態の発生の検出に利用する一方、ＰＬＳおよびＰＣＲの両方、またはいずれか一方を異常状態の発生の予測に利用してもよい。そのため、ＦＤＩシステム３５は、異なる多変量解析技術のための追加モジュールを含んでもよく、または、ＰＣＡモジュール４２は、ＰＬＳモジュール、ＰＣＲモジュール、判別分析モジュール、ＣＶＡモジュール、または任意のその他の多変量統計解析モジュールに置き換えてもよく、またはこれらの両方であってもよい。

図１を再び参照すると、構成およびデータ収集アプリケーション３８が統計的特性（または未加工プロセス変数）データを収集するとすぐに、多変量統計解析を実施して、データを複数の方法のうちの１つの方法で処理してもよい。ＰＣＡモジュール４２は、収集した統計的特性データを正常状態および１つまたは２つ以上の異常状態と関連する参照データとして使用して、２つ以上のプロセス状態と関連する主成分を判定し、組み合わされた状態と関連する負荷行列を形成してもよい。あるいは、ＰＣＡモジュール４２は、収集した統計的特性データを正常なプロセス状態または異常なプロセス状態と関連する参照データとして使用して、プロセス状態と関連する主成分を判定し、各状態と関連する負荷行列を形成してもよい。ＰＣＡモジュール４２はまた、既知の正常なプロセス状態または既知の異常なプロセス状態に関連している場合、未加工プロセス変数データを使用して、参照統計的特性データを計算してもよく、これに基づいて、１つまたは２つ以上のプロセス状態と関連する主成分を判定する。未加工プロセス変数データは、温度、圧力、流量、位置などのプロセス内の機器から測定されたデータを含む、プロセスから測定されたデータを含んでもよいが、これに限定されない。ＰＣＡモジュール４２は、障害検出モジュール４４または表示アプリケーション４０による使用のために、主成分分析の結果ならびに参照統計的特性データをデータベース４３内にさらに格納してもよい。さらに、ＰＣＡモジュール４２は、平行分析または別の同様の方法を用いて、ＰＣＡモジュール４２により計算された主成分を障害検出モジュール４４による使用のために残す数を判定してもよい。

障害検出モジュール４４は、ＰＣＡモジュール４２により行われた主成分分析の結果を用いて、観測した統計的特性（または未加工プロセス変数）データを分析して、異常なプロセス状態の存在または将来における存在を判定する。以下に詳述するように、障害検出モジュール４４は、ＰＣＡモジュール４２により先に判定された負荷行列を用いて、観測した統計的特性データまたは未加工プロセス変数データをスコア行列に射影してもよい。次いで、障害検出モジュール４４は、分析結果に基づいて、オペレータまたは保守管理者に向けて１つまたは２つ以上の警告または警報を生成してもよく、そうでなければ、異常状態が存在するか予想されることをプロセスオペレータまたは保守管理者に警告してもよい。同様に、障害検出モジュール４４は、検出された障害、生成された警告または警報、およびスコア行列に射影されたデータ（以下に詳述）を含む分析結果をデータベース４３に格納してもよく、あるいは、結果を表示およびインターフェースアプリケーション４０に伝達してもよい。

表示およびインターフェースアプリケーション４０は、コンフィギュレーションエンジニア、プロセス制御オペレータ、保守管理者、工場長、監督者などのプラント作業者のためのインターフェースを含んで、障害検出モジュール４４により生成された警告および警報を表示する。表示アプリケーション４０はまた、様々なプロセス制御パラメータの操作と、ＰＣＡモジュール４２および障害検出モジュール４４の操作と、統計的特性データ、未加工プロセス変数データ、オートスケールデータ、スコア行列上にマッピングされたデータまたは任意のその他のプラント作業者のために表示すると役立つデータを含む関連データの表示とを可能とするインターフェースを含む。

表示およびインターフェースアプリケーション４０は、システム３０、より具体的にはＦＤＩシステム３５に一体化されたグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を提供して、ＦＤＩシステム３５による監視機能によりユーザの対話を容易にしてもよい。しかしながら、ＧＵＩについて詳述する前に、ＧＵＩが、任意の適切なプログラミング言語および技術を用いて実装される１つまたは２つ以上のソフトウェアルーチンを含んでもよいことを認識されたい。さらに、ＧＵＩを形作るソフトウェアルーチンは、プラント１０内の例えば、ワークステーション、コントローラなどの単一の処理ステーションまたはユニット内に格納および処理されてもよく、あるいは代わりに、ＧＵＩのソフトウェアルーチンは、ＦＤＩシステム３５内で通信できるように互いに連結された複数の処理ユニットを用いて分散型方式で格納および実行されてもよい。

必須ではないが好ましくは、ＧＵＩは、良く知られたグラフィカルのウィンドウズベースの構造または外観で実装されてもよく、ここでは、複数の連結されたグラフまたはページが、ユーザが所望の方法でページ検索して、特定の種類の情報を表示および検索の両方、またはいずれか一方をできるようにする、１つまたは２つ以上のプルダウンメニューを含む。ＦＤＩシステム３５の特徴および性能の両方、またはいずれか一方は、ＧＵＩの１つまたは２つ以上の対応するページ、表示またはディスプレイを介して、表示され、アクセスされ、呼び出されるなどしてもよい。さらに、ＧＵＩを作り上げる様々なディスプレイは、論理的に連結されて、ディスプレイを介して特定の種類の情報を検索するユーザが素早く直感的な検索を容易に行えるように、またはＦＤＩシステム３５の特定の機能へのアクセスおよび呼び出しの両方、またはいずれか一方を容易に行えるようにしてもよい。

当業者であれば、本明細書において説明されるＦＤＩシステム３５は、単独で動作してもよいし、その他の障害検出および異常状態防止システムを含むその他のシステムと連携して動作してもよいことを理解されよう。同様に、ＦＤＩシステム３５の一環として本明細書において説明される個々のアプリケーション３８、４０、４２、および４４は、その他のアプリケーション（図示せず）と連携して動作して、障害を検出、警告もしくは警報を生成、プラント作業者にデータを提供、プロセスもしくは機器構成を可能に、またはこれらの任意の組み合わせを行ってもよい。

図１を再び参照すると、例えばバルブ１５および１６は、ボルトなどの締結部品により外部配管およびプロセス制御装置に連結されてもよい。１つの例では、ガスケットは、例えば、バルブの連結面またはフランジの間、および外部プロセス制御装置の連結面の間に提供されてもよい。このような例では、連結面は、ボルトなどの締結部品が通って配置されてもよい開口部に適合されている。このような例では、ナットは、ボルトのねじ山のある端部の周囲に締め付けられてもよい。

一部の例では、ボルトおよび対応するナットは、規定のトルクまたは応力で締め付けられてもよい。このような例では、ナットおよびボルトの頭部は、連結面、例えばフランジに力を加える。ナットおよびボルトの両方、またはいずれか一方は、例えば、動作環境、プロセス状態、経年変化、およびヒューマンエラーのために、緩むこともある。この例では、ボルトの頭部およびナットにより連結面にかかる力が変化する。これは、クランプ力の減少を意味する。これは、ボルト継手上の予圧抜けと呼ばれる。予圧抜けは、ガスケットの故障のリスクを高める。

一部の事例では、例えばバルブ１５のフランジは、センサに適合されて、ナットおよびボルトによって例えばフランジ上に加えられる力を測定してもよい。そのようなセンサには、例えば圧電（ＰＺＴ）センサ、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサを含むが、限定されない。一部の事例では、センサは、フランジに接合されてもよい。他の事例では、フランジは、フランジ内にセンサを備えて製造されてもよい。そのような事例では、フランジは、センサにアクセスするポートが設けられていてもよい。さらに他の事例では、ＦＢＧセンサは、締結部品で所定の位置に保持される連結面の間に挿入されたガスケット内に配置されてもよい。この事例では、ガスケットは、例えばＦＢＧセンサを受け入れるように、またＦＢＧセンサにアクセスを設けるように適合されてもよい。

他の事例では、バルブ１５は、バルブ相フランジにより連結されてもよい。一部の他の事例では、バルブ１５は、ボンネット継手によりプロセスプラント装置に連結されてもよい。さらに他の事例合では、プロセス装置は、アクチュエータにより制御されてもよい。これらの事例では、アクチュエータは、アクチュエータダイヤフラムケーシング継手を備えるバルブを含むプロセス装置と繋ぎ合わせる。

上述の事例では、ＦＢＧセンサまたはインピーダンスセンサは、上述の技法を用いてバルブ相フランジに配置されてもよい。一部の他の事例では、ＦＢＧセンサまたはインピーダンスセンサは、ボンネット継手で使用されてもよい。さらに他の事例では、ＦＢＧセンサまたはインピーダンスセンサは、アクチュエータダイヤフラムケーシング継手で使用されてもよい。

特定の事例では、センサは、例えばバルブポジショナまたはバルブ本体１５に配置されてもよい、統計的データ収集および分析ブロックにより監視および制御される。この事例では、センサは、電力、励磁信号を受け取り、電気的なセンサデータをデータ収集ブロックに送信するように適合されるコネクタバスに適合される。他の事例では、センサは、例えばＩ／Ｏカード１２Ｃから監視および制御されてもよい。一部の事例では、データ収集および分析ブロックにより受信されたデータはまた、ＦＤＩ３５により受信される。

例えば、ＦＢＧセンサがガスケット中で使用される事例では、励磁信号は、特徴のある波長の光を有する。ＦＢＧセンサは、ＦＢＧセンサの回折格子で反射した光のレベルを測定する。ボルト上の予圧抜けは、ＦＢＧセンサの回折格子の屈折率を変える。ＦＢＧセンサの屈折率の変化は、特徴のある波長において反射した光のレベルを変化させる。ある実施形態では、特徴のある波長で受信された反射光のレベルの変化は、ボルト上の予圧抜けを知らせる。一部の実施形態では、反射光のレベルの変化の度合いは、連結インターフェースにおける力の減少に対応する。

一部の実施形態では、ＰＣＡモジュール４２は、バルブのフランジに接合されたセンサからのデータを分析する。この実施形態では、ＰＣＡモジュール４２は、バルブのフランジ上の締結部品により加えられる負荷のリアルタイム監視を提供する。予圧抜けまたは締結部品の緩みは、締結部品の目視検査を要することなく、ＰＣＡモジュール４２により自動化されてもよい。この実施形態では、ＰＣＡモジュール４２は、バルブのフランジに接合されたセンサから受信したデータからシグネチャを作成する。その他の実施形態では、フランジからのセンサデータは、例えばＡＭＳシステムにより分析される。

図２は、例えば、実施形態２００を実装して、バルブ１６のフランジにおける締結部品の予圧抜けを検出する、例えばフィールド機器１５、１６に配置された統計的データ収集および分析ブロックのブロック図である。ある実施形態では、センサ２０４は、圧電（ＰＺＴ）センサである。ＰＺＴセンサ２０４は、適切な接合技術を用いてバルブのフランジ２０２に取り付けられる。ＰＺＴセンサ２０４は、この実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料から作られる。当業者であれば、圧電効果を有する任意の材料がセンサとして使用されてもよいことを認識されよう。ＰＺＴセンサ２０４は、この実施形態では、フランジ２０２にはんだ付けされる。一部の他の実施形態では、センサ２０４は、結合剤または接着剤によりフランジ２０２に取り付けられる。さらに他の実施形態では、センサ２０４は、フランジ２０２内に一体化される。ある実施形態では、センサ２０４へのアクセスは、コネクタ２１２を介して提供される。

励起モジュール（ＥＭ）２０６は、ＰＺＴセンサ２０４に励起周波数を提供する。マイクロコントローラ２１０は、ＥＭ２０６を制御する。マイクロコントローラ２１０は、この実施形態では、シリアルＩ２ＣバスでＥＭ２０６と通信する。ＥＭ２０４は、この実施形態では、３０から４００キロヘルツ（ＫＨｚ）の範囲の励起周波数を有する電気信号を生成するように適合される。この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、生成すべき所望の励起周波数をＥＭ２０６に通信する。また、この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、ＥＭ２０６により生成される電気信号のための所望の電圧レベルをＥＭ２０６に提供する。別の実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、生成すべき励起周波数の範囲をＥＭ２０４に提供する。この実施形態では、ＥＭ２０６は、マイクロコントローラにより提供された励起周波数の範囲に対応する励起周波数を有する電気信号を連続して生成する。

ある実施形態では、ＥＭ２０６は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に電気的に連結されるデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を備える。この実施形態では、ＤＡＣは、マイクロコントローラ２１０から励起周波数をデジタル表現で受信する。ＤＡＣは、生成すべき電気信号のための励起周波数に対応するアナログ電圧を生成する。ＶＣＯは、この実施形態では、ＤＡＣにより生成されたアナログ電圧に対応する励起周波数を生成する。一部の他の実施形態では、ＥＭ２０６は、２つまたは３つ以上の励起周波数を有する電気信号複合体を生成するように適合される。

電気信号をＥＭ２０６から受信すると、ＰＺＴ２０４は、ＰＺＴ２０４、フランジ２０２および締結部品（図示せず）をすべて含めたインピーダンス測定値に対応する電流を生成する。ＥＭ２０６により生成された電気信号の励起周波数が変化されるにつれて、ＰＺＴ２０４により生成された電流は変化する。

ＰＺＴ２０４により生成された電流は、信号処理および測定ユニット（ＳＣＭＵ）２０８により受信される。ＳＣＭＵ２０８は、シリアルＩ２Ｃバスでマイクロコントローラ２１０と通信する。マイクロコントローラ２１０は、ＰＺＴ２０４により生成された電流をサンプリングするように、ＳＣＭＵ２０８に命令する。ＳＣＭＵ２０８は、信号処理回路および電子機器を備える。このような回路は、電流電圧変換器、低雑音増幅器（ＬＮＡ）、バンドパスフィルタおよびノッチフィルタを含むが、これに限定されない。当業者であれば、インピーダンス測定値は実数部と虚数部とを備えることを認識されよう。ＳＣＭＵ２０８は、この実施形態では、ＰＺＴ２０４、バルブフランジ２０２および締結部品をすべて含めたインピーダンス測定値に対応する電流の実数部のデジタル表現を生成する。インピーダンス測定値のデジタル表現は、マイクロコントローラ２１０により受信される。ある実施形態では、ＳＣＭＵ２０８は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。この実施形態では、ＡＤＣは、逐次比較型ＡＤＣである。別の実施形態では、二重傾斜型ＡＤＣが使用される。

ある実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、生成すべき所望の電気信号の励起周波数をＥＭ２０６に通信する。ＥＭ２０６は、励起周波数で電気信号を生成し、電気信号をＰＺＴ２０４に印加する。マイクロコントローラ２１０は、電気信号に応じて、ＰＺＴ２０４により生成された電流をサンプリングするように、ＳＣＭＵ２０８に命令する。デジタル表現は、マイクロコントローラ２１０により受信される。マイクロコントローラ２１０は、生成すべき電気信号のための異なる励起周波数をＥＭ２０６に通信し、異なる励起周波数で生成された電気信号の受信に応じて、ＰＺＴ２０４により生成された電流をサンプリングするように、ＳＣＭＵ２０８に命令する。この実施形態では、マイクロコントローラは、３０から４００ＫＨｚの範囲の励起周波数を、例えば３０ＫＨｚ、３１ＫＨｚ・・・３９９ＫＨｚ、４００ＫＨｚなどと１ＫＨｚ刻みで、ＥＭ２０６に連続して通信する。各励起周波数をＥＭ２０６に通信した後、マイクロコントローラ２１０は、異なる励起周波数で生成された電気信号の受信に応じて、ＰＺＴ２０４により生成された電流をサンプリングするように、ＳＣＭＵ２０８に命令する。こうして、マイクロコントローラ２１０は、ＰＺＴ２０４、フランジ本体２０２および締結部品をすべて含めたインピーダンス測定値のインピーダンスの記録と、ＥＭ２０６により生成された電気信号の対応する励起周波数とを作成する。

図１を参照すると、ある実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、インピーダンス測定値および対応する励起周波数を含む記録をコンピュータシステム３０に送信する。この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、ＣＡＮプロトコルを実装して、コンピュータシステム３０と通信する。この実施形態では、障害検出および分離（ＦＤＩ）システム３５の一環として実装されたＣＤＣＡ３８は、ここでコンピュータシステム３０に実装されたが、マイクロコントローラ２１０にインピーダンスの記録を作成するように命令する。ＣＤＣＡ３８は、マイクロコントローラ２１０に、開始励起周波数、終了励起周波数および周波数変化の増分を指示する。ＣＤＣＡ３８は、インピーダンスの記録をマイクロコントローラ２１０から受信する。この実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、インピーダンスの記録をデータベース４３に格納する。

ＰＣＡモジュール４２は、格納されたインピーダンスの記録をデータベース４３から読み出し、インピーダンスの記録に曲線適合法を適用する。ある実施形態では、ＰＣＡモジュール４２は、インピーダンスの記録のｎ次多項式によるフィッティングを生成する。ＰＣＡモジュール４２は、データベース４３中に多項式の係数を格納する。ある実施形態では、これらの係数は、例えば、フランジ２０２のインピーダンスシグネチャに対応する。他の実施形態では、インピーダンスの記録は、例えば、フランジ２０２のインピーダンスシグネチャとして働く。

ある実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、マイクロコントローラ２１０に定期的に命令して、インピーダンスの記録を作成させる。ＣＤＣＡ３８は、インピーダンスの記録をマイクロコントローラ２１０から受信する。

ある実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、インピーダンスの記録を受信し、例えば、先に格納したフランジ２０２のインピーダンスの記録を読みだす。この実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、受信したインピーダンスの記録および読み出したインピーダンスの記録をＰＣＡ４２に通信する。ＰＣＡ４２は、インピーダンスの記録を比較して、インピーダンスシグネチャにおける変化を検出する。ある実施形態では、インピーダンスの記録の多項式フィッティングで計算された係数が、既定の係数の閾値から逸脱する場合、変化を伝える。一部の実施形態では、ＰＣＡ４２は、データベース４３に格納された、例えばフランジ２０２の、過去のインピーダンスの記録の平均を計算する。インピーダンスの記録の平均は、受信したインピーダンスの記録と比較されて、平均からの逸脱を検出する。さらに他の実施形態では、ＰＣＡ４２は、データベース４３に格納された過去のインピーダンスの記録に基づいて、ＣＤＣＡ３８から受信したインピーダンスの記録の標準偏差を計算する。

この実施形態では、システム３０、より具体的にはＦＤＩシステム３５に一体化された表示およびインターフェースアプリケーション４０において、ユーザは標準偏差の閾値を指定する。受信したインピーダンスの記録がユーザ指定の閾値から逸脱する場合、この実施形態では、視覚的刺激または可聴音の形式で指標が生成される。この実施形態では、逸脱は、ボルトの緩みによるフランジ２００上の予圧抜けまたはクランプ力の減少を示唆する。

ある実施形態では、ユーザは、表示およびインターフェースアプリケーション４０を介してマイクロコントローラ２１０に命令して、インピーダンスの記録を作成させる。一部の実施形態では、ＦＤＩシステム３５は、例えばフランジ２０２の耐用年数に対応する指標をユーザに知らせる。この実施形態では、表示およびインターフェースアプリケーション４０を介して、指標が提供される。

別の実施形態では、センサ２０４は、ＦＢＧセンサである。ＦＢＧセンサは、ガラスファイバを含み、これは、ガラスファイバの芯に回折格子をエッチングされた状態で製造されている。ＦＢＧセンサの回折格子の屈折率は、特徴のある波長の光を反射するように設計されている。例えば、ＦＢＧセンサをその軸に沿って圧縮すると、回折格子の屈折率が変化する。他の状況では、周囲温度の変化により回折格子の屈折率が変化する。

それぞれの事例では、屈折率の変化は、回折格子で反射される光の特徴のある波長を移動させる。この事例では、ＦＢＧセンサは、例えば、バルブフランジをプロセス制御装置のコネクタに結合するために使用される、締結部品によって加えられる力を測定するのに使用されてもよい。上述したように、ＦＢＧセンサは、例えばアクチュエータダイヤフラムで使用されてもよい。

ある実施形態では、センサ２０４は、フランジ間のガスケット内に配置される。この実施形態のＥＭ２０６は、光源を備えている。光源は、幅広い範囲の波長にわたって光を発生できる。発生された光の波長は、赤外（ＩＲ）から可視光を通って、紫外（ＵＶ）までの範囲であってもよい。別の実施形態では、光源は単波長のレーザ光源である。ＥＭ２０６により発生される光は、ある実施形態では、適切なコネクタまたはアダプタ２１２によりＦＢＧセンサにカップリングされる。この実施形態では、コネクタ２１２はまた、光源を受け入れるように適合される。光センサは、光ダイオード、光トランジスタ、光依存性抵抗または任意のその他の適切な光を電気信号に変換可能なトランスデューサを含むが、限定されない。一部の実施形態では、光の強度は変調されてもよい。

一部の実施形態では、光フィルタモジュールは、光センサとＦＢＧセンサとの間に挿入されてもよい。光フィルタは、ある波長域にわたる光を選択的に通過させる。光フィルタモジュールは、それぞれが異なる波長域にわたる光を選択的に通過させる、様々な選択可能な光フィルタを含んでもよい。一部の実施形態では、波長域は重なる。この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、光フィルタモジュールを連続して調整して、異なる光フィルタを選択する。それぞれの調整後、マイクロコントローラ２１０は、ＳＣＭＵ２０８を作動させて、光センサにより生成された電気信号を受信させる。生成された電気信号は、光センサで受信されたある波長域の光のレベルに対応する。いうまでもなく、この実施形態では、波長域は、選択された光フィルタに対応する。ある実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、異なる波長域でＳＣＭＵにより受信された測定結果から反射率の記録を生成する。反射率の記録は、異なる波長域に対してセンサで受信した光の強度を含んでもよい。一部の実施形態では、マイクロコントローラは、フランジにおける温度の指標を受信してもよい。この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、反射光の信号レベルにおける温度に起因する変動を補償する。

図１を参照すると、ある実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、反射率測定値および対応する周波数を含む記録をコンピュータシステム３０に送信する。この実施形態では、マイクロコントローラ２１０は、ＣＡＮプロトコルを実装して、コンピュータシステム３０と通信する。この実施形態では、障害検出および分離（ＦＤＩ）システム３５の一環として実装されたＣＤＣＡ３８は、ここでコンピュータシステム３０に実装されたが、マイクロコントローラ２１０に反射率の記録を作成するように命令する。ＣＤＣＡ３８は、マイクロコントローラ２１０に、開始励起周波数、終了励起周波数および周波数変化の増分を指示する。ＣＤＣＡ３８は、反射率の記録をマイクロコントローラ２１０から受信する。この実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、反射率の記録をデータベース４３に格納する。

ＰＣＡモジュール４２は、格納された反射率の記録をデータベース４３から読み出し、反射率の記録に曲線適合法を適用する。ある実施形態では、ＰＣＡモジュール４２は、反射率の記録のｎ次多項式によるフィッティングを生成する。ＰＣＡモジュール４２は、データベース４３中に多項式の係数を格納する。ある実施形態では、これらの係数は、例えば、フランジ２０２の反射率シグネチャに対応する。他の実施形態では、反射率の記録は、例えば、フランジ２０２の反射率シグネチャとして働く。

ある実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、マイクロコントローラ２１０に定期的に命令して、反射率の記録を作成させる。ＣＤＣＡ３８は、反射率の記録をマイクロコントローラ２１０から受信する。

ある実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、反射率の記録を受信し、例えば、先に格納したフランジ２０２の反射率の記録を読みだす。この実施形態では、ＣＤＣＡ３８は、受信した反射率の記録および読み出した反射率の記録をＰＣＡ４２に通信する。ＰＣＡ４２は、反射率の記録を比較して、反射率シグネチャにおける変化を検出する。ある実施形態では、反射率の記録の多項式フィッティングで計算された係数が、既定の係数の閾値から逸脱する場合、変化を伝える。一部の実施形態では、ＰＣＡ４２は、データベース４３に格納された、例えばフランジ２０２の、過去の反射率の記録の平均を計算する。反射率の記録の平均は、受信した反射率の記録と比較されて、平均からの逸脱を検出する。さらに他の実施形態では、ＰＣＡ４２は、データベース４３に格納された過去の反射率の記録に基づいて、ＣＤＣＡ３８から受信した反射率の記録の標準偏差を計算する。

この実施形態では、システム３０、より具体的にはＦＤＩシステム３５に一体化された表示およびインターフェースアプリケーション４０において、ユーザは標準偏差の閾値を指定する。受信した反射率の記録がユーザ指定の閾値から逸脱する場合、この実施形態では、視覚的刺激または可聴音の形式で指標が生成される。この実施形態では、逸脱は、ボルトの緩みによるフランジ２００上の予圧抜けを示す。

ある実施形態では、ユーザは、表示およびインターフェースアプリケーション４０を介してマイクロコントローラ２１０に命令して、反射率の記録を作成させる。一部の実施形態では、ＦＤＩシステム３５は、例えばフランジ２０２の耐用年数に対応する指標をユーザに知らせる。この実施形態では、表示およびインターフェースアプリケーション４０を介して、指標が提供される。

図３は、連結インターフェース３００の実施例であり、ボルト３０２、ナット３０４、連結面３０６、３０８およびガスケット３１０を備える。この実施例では、ＦＢＧセンサ３１２は、連結面３０６と３０８との間に配置されたガスケット３１０内に位置する。センサ３１２の反射率は、ボルト３０２および３０４により連結面３０６および３０８上にかかるクランプ力が減少すると変化する。図１を参照すると、ＦＤＩ３５が、この反射率の変化を検出する。ＰＺＴセンサ３１４および３１６は、連結面３０６およびナット３０２のそれぞれに接合される。センサ３１４および３１６から受信したインピーダンス測定結果は、この実施形態では、クランプ力の減少を知らせる。一部の実施形態では、センサ３１２、３１４もしくは３１６のうちの１つまたは一部のみは、連結インターフェースに配置されてもよい。

その他の実施形態では、ＰＺＴセンサおよびＦＢＧセンサは、ワッシャーまたはガスケットとして製造される。これらの実施形態では、ワッシャーは、連結インターフェース間に配置される。ここで説明した方法はまた、プロセスプラント内で使用されるシールまたはダイヤフラム上のクランプ力の減少を検出するために使用されてもよい。ここで説明した実施形態はまた、プロセスプラント内で通常用いられる、例えば、ステムコネクタ、アクチュエータヨークロックナット領域またはボルト締めフランジを含むが限定されないその他の連結インターフェースの緩みを検出するために使用されてもよい。

その他の実施形態では、ＦＤＩ３５は、反射率の結果を解釈して、ＦＢＧセンサが配置される連結面における温度を判定してもよい。他の実施形態では、インピーダンスまたは反射率の報告は、ＦＤＩ３５により解釈されて、例えばプロセスプラント内にバルブ１５を初めて据え付ける際に、連結面において締結部品にかかるトルクを報告してもよい。そのような実施形態では、不適切な締め付け条件が報告されてもよい。

他の実施形態では、ストレインゲージを連結インターフェースにおいて使用して、パイプラインのボルト締めの力またはバルブ本体の内圧を判定してもよい。図２を参照すると、これらの実施形態におけるセンサ２０４は、例えば歪みまたは圧力を測定するように適合されるトランスデューサを備える。

一部の実施形態では、ＦＤＩ３５は、キャリブレーションルーチンを実装して、バルブ１５を最初に据え付ける際に、反射率またはインピーダンス曲線の作成を可能にする。ある実施形態では、キャリブレーションルーチンは、一般的なバルブキャリブレーションソフトウェアのコンポーネントを備える。

ナットおよびボルトを参照して上述した実施形態はまた、バルブボンネット／ガスケット接合部の特性の変化を知らせるように適合されてもよい。一部の他の例では、先に説明した実施形態は、空気圧式アクチュエータのケーシング接合部の健全性を監視するように適合されてもよい。これらの実施形態では、２つのアクチュエータケーシングの半部分の間に挟まれる、空気ダイヤフラムを含むＦＢＧセンサが配置されてもよい。

Claims (18)

1. 一組のフランジの連結インターフェースにおけるクランプ力の減少を知らせるために、障害検出および分離（ＦＤＩ）システムで実行される方法であって、
   第１の一連の測定結果のための第１の要求を前記ＦＤＩシステムからセンサへ送信するステップであって、前記第１の要求は、前記センサに印加される複数の励起周波数又は波長を含む、ステップと、
   前記連結インターフェースで測定された前記第１の一連の測定結果を前記ＦＤＩシステムで受け取るステップであって、第１の一連の測定結果の各測定結果は、前記センサに印加される前記複数の励起周波数又は波長の各励起周波数又は波長に応じている、ステップと、
   前記第１の一連の測定結果を格納するステップと、
   前記第１の一連の測定結果に基づいて第１の曲線を生成するステップと、
   前記第１の曲線のための第１の複数の係数を判定するステップと、
   第２の一連の測定結果のための第２の要求を前記ＦＤＩからセンサへ送信するステップであって、前記第２の要求は、前記センサに印加される複数の励起周波数又は波長を含む、ステップと、
   前記連結インターフェースで測定された前記第２の一連の測定結果を前記ＦＤＩシステムで受け取るステップであって、第２の一連の測定結果の各測定結果は、前記センサに印加される前記複数の励起周波数又は波長の各励起周波数又は波長に応じている、ステップと、
   前記第２の一連の測定結果を格納するステップと、
   前記第２の一連の測定結果に基づいて第２の曲線を生成するステップと、
   前記第２の曲線のための第２の複数の係数を判定するステップと、
   前記第１の複数の係数と前記第２の複数の係数とを比較し、前記第１の一連の測定結果が前記第２の一連の測定結果から逸脱するか判定するステップと、
   前記第１の一連の測定結果が前記第２の一連の測定結果から逸脱する場合に、前記一組のフランジの連結インターフェースにおけるクランプ力の減少を示す指標を生成するステップと、を含む方法。
2. 前記第１の一連の測定結果および前記第２の一連の測定結果が、複数の周波数で前記センサに印加される複数の励起電気信号を用いて測定されたインピーダンス測定結果を備え、前記インピーダンス測定結果が、前記ＦＤＩが前記第１の要求を前記第１の一連の測定結果のために、また前記第２の要求を前記第２の一連の測定結果のために送信するのに応じて作られる、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の周波数のそれぞれが、３０キロヘルツ（ＫＨｚ）から４００ＫＨｚの範囲である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記複数の電気信号を圧電（ＰＺＴ）センサを介して前記連結インターフェースに適用することを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ＰＺＴセンサを前記連結インターフェースに接合することを含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ＰＺＴセンサを前記連結インターフェースに接着剤で接合することを含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１の一連の測定結果および前記第２の一連の測定結果が、前記センサに印加される複数の励起波長で測定された反射率測定結果を備える、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記複数の波長のそれぞれが、０．１ナノメートル（ｎｍ）から１０６ｎｍの範囲である、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反射率測定結果がファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサで測定される、請求項７に記載の方法。
10. 前記ＦＢＧセンサが、前記連結インターフェース間に配置されたガスケット内にある、請求項９に記載の方法。
11. 前記連結インターフェースが、フランジ接合部、バルブボンネット接合部、またはアクチュエータケーシング接合部のうちの１つである、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ＦＢＧセンサが、フランジ接合部、バルブボンネット接合部、またはアクチュエータケーシング接合部のうちの１つに配置される、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 障害検出および分離（ＦＤＩ）システムによって実行され、一組のフランジの連結インターフェースにおけるクランプ力の減少を知らせる方法であって、
    前記障害検出および分離システムに、第１の一連の測定結果を受信させるステップであって、前記第１の一連の測定結果の各測定結果が前記連結インターフェースで測定され、前記第１の一連の測定結果は、センサに印加される第１の範囲の励起周波数の各励起周波数又は第１の範囲の波長の各波長に応じている、ステップと、
    前記第１の一連の測定結果の受信に応じて、前記ＦＤＩシステムに前記第１の一連の測定結果を格納させるステップと、
    前記第１の一連の測定結果に基づいて第１の曲線を生成するステップと、
    前記第１の曲線のための第１の複数の係数を判定するステップと、
    前記ＦＤＩシステムに、第２の一連の測定結果を受信させるステップであって、前記第２の一連の測定結果の各測定結果が前記連結インターフェースで測定され、前記第２の一連の測定結果の各測定結果は、前記センサに印加される第２の範囲の励起周波数の各励起周波数又は第２の範囲の波長の各波長に応じている、ステップと、
    前記第２の一連の測定結果の受信に応じて、前記ＦＤＩシステムに前記第２の一連の測定結果を格納させるステップと、
    前記第２の一連の測定結果に基づいて第２の曲線を生成するステップと、
    前記第２の曲線のための第２の複数の係数を判定するステップと、
    前記第１の複数の係数と前記第２の複数の係数とを比較し、前記第１の一連の測定結果が前記第２の一連の測定結果から逸脱するか判定するステップと、
    前記第１の一連の測定結果が前記第２の一連の測定結果から逸脱することを判定する際、前記ＦＤＩシステムに前記一組のフランジの連結インターフェースにおけるクランプ力の減少を示す指標を生成させるステップと、を含む方法。
14. 前記第１の一連の測定結果が、第１の要求を前記第１の一連の測定結果のために、前記ＦＤＩシステムに送信させるのに応じて受信され、前記第２の一連の測定結果が、第２の要求を前記第２の一連の測定結果のために、前記ＦＤＩシステムに送信させるのに応じて受信される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の要求および前記第２の要求のそれぞれが、選択された範囲の波長の指標を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の一連の測定結果の各測定結果および前記第２の一連の測定結果の各測定結果が、前記選択された範囲の波長の各波長でＦＢＧセンサに光を当てることにより前記連結インターフェースで測定される各反射率測定結果に対応し、前記ＦＢＧセンサが、前記連結インターフェースにおける一組のフランジの間に配置される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の要求および前記第２の要求のそれぞれが、選択された範囲の周波数の指標を含む、請求項１４ないし１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記第１の一連の測定結果の各測定結果および前記第２の一連の測定結果の各測定結果が、前記選択された範囲の周波数の各周波数でＰＺＴセンサを電気信号で励起することにより前記連結インターフェースで測定される各インピーダンス測定結果に対応し、前記ＰＺＴセンサが、前記連結インターフェースで接合される、請求項１７に記載の方法。

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