JP7284024B2 - バルブ異常検出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、バルブの異常を検出する技術に関するものである。

石油化学プラントなどで使用されるバルブ（例えば図１１のコントロールバルブ）は、特に安全性に留意する必要があり、ゆえに定期的なメンテナンスが行なわれる。図１１に示すコントロールバルブは、流体の流れる通路を開閉するバルブ本体１００と、入力電気信号を空気圧に変換するポジショナ１０１と、ポジショナ１０１から供給される空気圧に応じてバルブ本体１００を操作する操作器１０２とから構成される。

図１１に示したようなバルブが設置されているプラントにおいてバルブのメンテナンス作業効率を改善するために、バルブの摺動部におけるスティックスリップの発生を検出する技術（特許文献１参照）、バルブのハンチング状態を判定する技術（特許文献２参照）、バルブへのスケールの付着を検出する技術（特許文献３参照）などが提案されている。

特許文献１～３に開示された技術は、いわゆるクラウド環境などのビッグデータを扱うＩｏＴ（Internet of Things）プラットフォームで実現されるような手法であり、例えば週単位レベルのデータ収集を前提とするケースもある。

安全性や作業効率については、完全とか十分とか言える上限は無く、安全管理の更なる向上が求められている。特に、石油化学プラントなどでは、例えば図１２に示すように複数のバルブ１５－Ａ，１５－Ｃ，１５－Ｍが使用される。特に安全管理は迅速性が重要であり、よりリアルタイムに近いバルブの不具合検知へとニーズも変化しており、改善が求められている。

特許第３２５４６２４号公報 特開２０１５－１１４９４２号公報 特開２０１５－１１４９４３号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バルブの異常を従来よりもリアルタイムに近い時間で検出することができるバルブ異常検出装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のバルブ異常検出装置は、バルブの開度の値を取得するように構成された開度取得部と、ポジショナから前記バルブの操作器に供給される操作器空気の圧力値を取得するように構成された圧力取得部と、前記開度取得部によって取得されたバルブ開度の値が略一定となる安定開度状態を検出するように構成された安定時検出部と、前記安定開度状態における前記操作器空気の最大圧力値と最小圧力値との差を、前記バルブの摺動部の摩擦力を示す指標値として検出するように構成された摩擦力検出部と、前記指標値が規定値を下回る低下の発生頻度が異常な頻度の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された異常判定部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明のバルブ異常検出装置の１構成例において、前記異常判定部は、前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出するように構成された低下値検出部と、前記低下値検出部によって前記指標値の顕著な低下が検出されたときに、この顕著な低下の発生時点と前回の顕著な低下の発生時点との時間差を算出するように構成された低下時間差算出部と、前記低下時間差算出部によって算出された時間差を記憶するように構成された低下時間差記憶部と、規定の個数の前記時間差の平均値が閾値未満の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された時間差判定部とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明のバルブ異常検出装置の１構成例において、前記異常判定部は、前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出するように構成された低下値検出部と、前記指標値の顕著な低下の発生回数を数えるように構成された低下回数計数部と、規定時間における前記指標値の顕著な低下の発生回数が閾値を超えた場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された回数判定部とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明のバルブ異常検出装置の１構成例は、前記バルブに異常が発生した可能性があることをオペレータに対して通知するように構成された異常発生通知部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明のバルブ異常検出方法は、バルブの開度の値を取得する第１のステップと、ポジショナから前記バルブの操作器に供給される操作器空気の圧力値を取得する第２のステップと、前記第１のステップで取得したバルブ開度の値が略一定となる安定開度状態を検出する第３のステップと、前記安定開度状態における前記操作器空気の最大圧力値と最小圧力値との差を、前記バルブの摺動部の摩擦力を示す指標値として検出する第４のステップと、前記指標値が規定値を下回る低下の発生頻度が異常な頻度の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、開度取得部と圧力取得部と安定時検出部と摩擦力検出部と異常判定部とを設けることにより、バルブの異常を従来よりもリアルタイムに近い時間で検出することができる。

図１は、バルブの摺動部の摩擦力の指標値について説明する図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係るバルブ異常検出装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係るバルブ異常検出装置の動作を説明するフローチャートである。 図４は、安定開度状態について説明する図である。 図５は、安定開度状態において検出される操作器空気の最大圧力値と最小圧力値の例を示す図である。 図６は、安定開度状態において検出される操作器空気の最大圧力値と最小圧力値の別の例を示す図である。 図７は、操作器空気の最大圧力値および摩擦力の指標値の１例を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施例に係るバルブ異常検出装置の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第２の実施例に係るバルブ異常検出装置の動作を説明するフローチャートである。 図１０は、本発明の第１、第２の実施例に係るバルブ異常検出装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図１１は、コントロールバルブの１例を示す図である。 図１２は、プラントのタンクに使用される複数のバルブの例を示す図である。

［発明の原理］
発明者は、バルブの実装について、特殊な配線工事をせずとも、ＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）通信技術などにより、ＤＣＳ（Distributed Control System）入力と実開度なども捉えられるように進化したことに着眼した。すなわち、特許文献１に開示された技術よりもリアルタイムに近い形で、偏差を観測することは可能であり、統計的なデータ分析という意味は抑制されることになるが、ダイナミクス（動特性あるいは時系列の挙動特性）を分析対象とすることは可能である。

ところで、バルブの実装について、操作器出力空気の圧力センサを用いて、特定の条件下に入る時のバルブの摺動部の摩擦力の検知をオンラインで離散時間収集するケースがある。より具体的には、例えば一定開度で一定状態に維持する制御が行なわれている状態であっても、摩擦力については、その安定時における実開度のふらつきに含まれるヒステリシスで、摩擦力に換算することが可能である。

スティックスリップのような特定の異常現象（速いふらつき現象）が発生すると、離散時間サイクルとの兼ね合いで、操作器空気圧力のふらつき検出の欠損が起こる確率が高くなり、換算される摩擦力数値に異常な低下が頻繁に発生するようになる。
発明者は、このような摩擦力数値の頻繁な低下を単に通信異常として扱うのではなく、バルブ自体の異常現象として扱えることを、鋭意研究により突き止めた。すなわち、安定時の操作器空気圧力のふらつきにより摩擦力を検知する中でバルブの異常現象を検知できることになり、従来よりもリアルタイムに近い形でバルブの異常を検知できる。

［第１の実施例］
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照して説明する。本発明では、通信により例えばＤＣＳと接続された空気作動式のバルブを異常検知の対象とする。

［摩擦力について］
バルブの摺動部の摩擦力の指標値としては、バルブ開度を大きくしていく際に必要になる操作器出力空気の圧力と、バルブ開度を小さくしていく際に必要になる操作器出力空気の圧力を、バルブ開度に応じて求めたときに、同一の開度において前者と後者で生じる圧力差などがある。

図１は摩擦力の指標値について説明する図であり、横軸のＰｏ１は操作器出力空気の圧力、縦軸はバルブのトラベル（弁体の移動量）である。図１のＰｏｍａｘＡはバルブが正常な状態での圧力Ｐｏ１の最大値、ＰｏｍｉｎＡはバルブが正常な状態での圧力Ｐｏ１の最小値、ＰｏｍａｘＢはバルブの摩擦力が増大した状態での圧力Ｐｏ１の最大値、ＰｏｍｉｎＢはバルブの摩擦力が増大した状態での圧力Ｐｏ１の最小値である。図１によれば、摩擦力が大きい方がＰｏｍａｘとＰｏｍｉｎの差が大きくなることが分かる。

図２は本実施例のバルブ異常検出装置の構成を示すブロック図である。バルブ異常検出装置は、対象のバルブの開度の値を取得する開度取得部１と、対象のバルブの操作器空気の圧力値を取得する圧力取得部２と、開度取得部１によって取得されたバルブ開度の値が略一定となる安定開度状態を検出する安定時検出部３と、安定開度状態における操作器空気の最大圧力値と最小圧力値との差を、バルブの摺動部の摩擦力を示す指標値として検出する摩擦力検出部４と、指標値が規定値を下回る顕著な低下を検出する低下値検出部５と、低下値検出部５によって指標値の顕著な低下が検出されたときに、この顕著な低下の発生時点と前回の顕著な低下の発生時点との時間差（指標値の顕著な低下の発生時間間隔）を算出する低下時間差算出部６と、低下時間差算出部６によって算出された時間差を記憶する低下時間差記憶部７と、規定の個数の時間差の平均値が閾値未満の場合に、バルブに異常が発生した可能性があると判定する時間差判定部８と、バルブに異常が発生した可能性があることをオペレータに対して通知する異常発生通知部９とを備えている。

低下値検出部５と低下時間差算出部６と低下時間差記憶部７と時間差判定部８とは、指標値が規定値を下回る低下の発生頻度が異常な頻度の場合に、バルブに異常が発生した可能性があると判定する異常判定部を構成している。

図３は本実施例のバルブ異常検出装置の動作を説明するフローチャートである。開度取得部１は、対象のバルブ（不図示）からＤＣＳに転送されるバルブ開度の値を取得する（図３ステップＳ１００）。バルブ開度は、例えばＨＡＲＴ通信などにより、ＤＣＳから取得することができる。

バルブもしくはポジショナには、バルブ開度位置を検出してＤＣＳにフィードバックする構成が備えられている。ＤＣＳは、バルブに対して開度指示値を送信する。ポジショナは、実際のバルブ開度が開度指示値と一致するように、必要な空気圧をバルブの操作器に供給する。操作器は、ポジショナから供給される空気圧によってバルブ本体を操作する。

圧力取得部２は、ポジショナから対象のバルブの操作器に供給される操作器空気の圧力値Ｐｏ１を、操作器に設けられた圧力センサから取得する（図３ステップＳ１０１）。
安定時検出部３は、開度取得部１によって取得されたバルブ開度の値が略一定の安定開度状態を検出する（図３ステップＳ１０２）。なお、ＤＣＳから取得したバルブ開度が通信ノイズなどにより微小量変化する程度の場合も安定開度状態と判定することが望ましい。そこで、安定時検出部３は、バルブ開度の取得周期毎の変化量が最小規定値以内である状態が規定の継続時間以上継続している場合に、安定開度状態と判定する。例えば図４の例では、バルブ開度Ａが略一定の３つの時間帯ｔ１，ｔ２，ｔ３でそれぞれ安定開度状態となる。

摩擦力検出部４は、安定開度状態において繰り返し現れる操作器空気の最大圧力値Ｐｏｍａｘと最小圧力値Ｐｏｍｉｎとの差（Ｐｏｍａｘ－Ｐｏｍｉｎ）を、対象のバルブの摺動部の摩擦力を示す指標値ＦＩとして検出する（図３ステップＳ１０３）。

図５は、安定開度状態において、操作器空気の圧力値Ｐｏ１のふらつきにより繰り返し現れる最大圧力値Ｐｏｍａｘと最小圧力値Ｐｏｍｉｎとを説明する図である。図５の例では、バルブ開度が４３．５％から４５％の範囲内で安定している状態で圧力値Ｐｏ１を周期的に取得しているときに、圧力値Ｐｏ１が矢印の示す方向に変化することにより、Ｐｏｍｉｎ→Ｐｏｍａｘ→Ｐｏｍｉｎ→・・・・というように、最大圧力値Ｐｏｍａｘと最小圧力値Ｐｏｍｉｎとが交互に現れることを示している。

摩擦力検出部４は、最大圧力値Ｐｏｍａｘまたは最小圧力値Ｐｏｍｉｎのいずれかを検出する度に、最新の最大圧力値Ｐｏｍａｘと最新の最小圧力値Ｐｏｍｉｎとに基づいて、指標値ＦＩ＝Ｐｏｍａｘ－Ｐｏｍｉｎを算出する。

低下値検出部５は、摩擦力の指標値ＦＩが規定値を下回る顕著な低下を検出する（図３ステップＳ１０４）。上記の図５は、安定開度状態における操作器空気の圧力値Ｐｏ１のふらつきが圧力値Ｐｏ１の取得周期に対して遅い場合を示しており、最大圧力値Ｐｏｍａｘと最小圧力値Ｐｏｍｉｎとが確実に検出できる場合を示している。

一方、バルブのスティックスリップのような異常現象が発生すると、図６に示すように圧力値Ｐｏ１のふらつきが圧力取得部２による圧力値Ｐｏ１の取得周期に対して速くなる。圧力値Ｐｏ１のふらつきが速くなると、最大圧力値Ｐｏｍａｘの検出に欠損が生じて、最大圧力値Ｐｏｍａｘが検出すべき真値よりも低くなったり、最小圧力値Ｐｏｍｉｎの検出に欠損が生じて、最小圧力値Ｐｏｍｉｎが検出すべき真値よりも高くなったりする。これにより、摩擦力の指標値ＦＩに顕著な低下が発生する。低下値検出部５は、このような顕著な低下を検出する。

低下時間差算出部６は、低下値検出部５によって摩擦力の指標値ＦＩの顕著な低下が検出されたときに、この顕著な低下の発生時点と前回の顕著な低下の発生時点との時間差ＴＤを算出する（図３ステップＳ１０５）。低下時間差算出部６によって算出された時間差ＴＤは、低下時間差記憶部７に記憶される（図３ステップＳ１０６）。

時間差判定部８は、低下時間差記憶部７に記憶された時間差ＴＤに基づいて、対象のバルブが正常かどうかを判定する。具体的には、時間差判定部８は、低下時間差記憶部７に記憶された最新の時間差ＴＤから（ｎ－１）個前の時間差ＴＤまでの計ｎ個（ｎは２以上の整数で、例えばｎ＝５）の時間差ＴＤの平均値が、予め規定された頻繁判定時間閾値以上の場合（図３ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、対象のバルブは正常と判定し（図３ステップＳ１０８）、時間差ＴＤの平均値が頻繁判定時間閾値未満の場合（ステップＳ１０７においてＮＯ）、対象のバルブに異常が発生した可能性があると判定する（図３ステップＳ１０９）。

異常発生通知部９は、対象のバルブに異常が発生した可能性があると判定された場合、異常が発生した可能性があることをオペレータに対して通知する（図３ステップＳ１１０）。通知方法としては、例えば異常が発生した可能性があることを知らせるメッセージを表示したり、ＬＥＤなどを点灯させたり、異常が発生した可能性があることを知らせる情報を上位機器に送信したりする等の方法がある。

バルブ異常検出装置は、例えばオペレータによって動作終了が指示されるまで（図３ステップＳ１１１においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１１０の処理を一定時間（例えば５０ｍｓｅｃ）毎に実施する。
こうして、本実施例では、スティックスリップのようなバルブの不具合を従来よりもリアルタイムに近い時間で検知することが可能となる。

図７（Ａ）は操作器空気の最大圧力値Ｐｏｍａｘの１例を示す図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）に示した最大圧力値Ｐｏｍａｘと最小圧力値Ｐｏｍｉｎ（不図示）とから算出した摩擦力の指標値ＦＩの１例を示す図である。前半の２６０ｓｅｃ付近までは摩擦力の指標値ＦＩの顕著な低下が無い正常な状態であり、２６０ｓｅｃ以降の後半では指標値ＦＩの顕著な低下の頻度が多い異常な状態となっている。

なお、低下時間差記憶部７の記憶容量を抑えるため、低下時間差記憶部７が記憶できる時間差ＴＤの個数をｎ個とし、低下時間差算出部６によって最新の時間差ＴＤが算出されたときに、低下時間差記憶部７に記憶されている最古の時間差ＴＤを最新の時間差ＴＤによって上書きするようにしてもよい。

［第２の実施例］
第１の実施例では、摩擦力の指標値ＦＩの顕著な低下の頻度を判定する方法として、ｎ個の時間差ＴＤの平均値を用いているが、規定された時間内での指標値ＦＩの顕著な低下の発生回数に基づいて判定するようにしてもよい。

図８は本実施例のバルブ異常検出装置の構成を示すブロック図である。本実施例のバルブ異常検出装置は、開度取得部１と、圧力取得部２と、安定時検出部３と、摩擦力検出部４と、低下値検出部５と、規定時間における指標値の顕著な低下の発生回数が閾値を超えた場合に、バルブに異常が発生した可能性があると判定する回数判定部８ａと、異常発生通知部９と、指標値の顕著な低下の発生回数を数える低下回数計数部１０とを備えている。低下値検出部５と回数判定部８ａと低下回数計数部１０とは、異常判定部を構成している。

図９は本実施例のバルブ異常検出装置の動作を説明するフローチャートである。開度取得部１と圧力取得部２と安定時検出部３と摩擦力検出部４と低下値検出部５の動作（図９ステップＳ１００～Ｓ１０４）は、第１の実施例で説明したとおりである。
低下回数計数部１０は、低下値検出部５によって摩擦力の指標値ＦＩの顕著な低下が検出されたときに、顕著な低下の発生回数Ｎを１増やす（図９ステップＳ１１２）。発生回数Ｎの初期値は０である。

回数判定部８ａは、摩擦力の指標値ＦＩの顕著な低下の発生回数に基づいて、対象のバルブが正常かどうかを判定する。具体的には、回数判定部８ａは、前回の判定時点からの経過時間が規定時間（例えば５分）に達したかどうかを判定し（図９ステップＳ１１３においてＹＥＳ）、規定時間に達したときに、指標値ＦＩの顕著な低下の発生回数Ｎが頻繁判定回数閾値以下の場合（図９ステップＳ１１４においてＹＥＳ）、対象のバルブは正常と判定し（図９ステップＳ１１５）、発生回数Ｎが頻繁判定回数閾値を超えている場合（ステップＳ１１５においてＮＯ）、対象のバルブに異常が発生した可能性があると判定する（図９ステップＳ１１６）。

異常発生通知部９の動作（図９ステップＳ１１０）は、第１の実施例で説明したとおりである。
判定終了後、回数判定部８ａは、低下回数計数部１０の計数値を０に初期化する（図９ステップＳ１１７）。

バルブ異常検出装置は、例えばオペレータによって動作終了が指示されるまで（図９ステップＳ１１８においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０４，Ｓ１１０，Ｓ１１２～Ｓ１１７の処理を一定時間（例えば５０ｍｓｅｃ）毎に実施する。
こうして、本実施例では、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

第１、第２の実施例で説明したバルブ異常検出装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１０に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、圧力センサやＤＣＳ等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明のバルブ異常検出方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、バルブの異常を検出する技術に適用することができる。

１…開度取得部、２…圧力取得部、３…安定時検出部、４…摩擦力検出部、５…低下値検出部、６…低下時間差算出部、７…低下時間差記憶部、８…時間差判定部、８ａ…回数判定部、９…異常発生通知部、１０…低下回数計数部。

Claims (8)

1. バルブの開度の値を取得するように構成された開度取得部と、
   ポジショナから前記バルブの操作器に供給される操作器空気の圧力値を取得するように構成された圧力取得部と、
   前記開度取得部によって取得されたバルブ開度の値が略一定となる安定開度状態を検出するように構成された安定時検出部と、
   前記安定開度状態における前記操作器空気の最大圧力値と最小圧力値との差を、前記バルブの摺動部の摩擦力を示す指標値として検出するように構成された摩擦力検出部と、
   前記指標値が規定値を下回る低下の発生頻度が異常な頻度の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された異常判定部とを備えることを特徴とするバルブ異常検出装置。
2. 請求項１記載のバルブ異常検出装置において、
   前記異常判定部は、
   前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出するように構成された低下値検出部と、
   前記低下値検出部によって前記指標値の顕著な低下が検出されたときに、この顕著な低下の発生時点と前回の顕著な低下の発生時点との時間差を算出するように構成された低下時間差算出部と、
   前記低下時間差算出部によって算出された時間差を記憶するように構成された低下時間差記憶部と、
   規定の個数の前記時間差の平均値が閾値未満の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された時間差判定部とから構成されることを特徴とするバルブ異常検出装置。
3. 請求項１記載のバルブ異常検出装置において、
   前記異常判定部は、
   前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出するように構成された低下値検出部と、
   前記指標値の顕著な低下の発生回数を数えるように構成された低下回数計数部と、
   規定時間における前記指標値の顕著な低下の発生回数が閾値を超えた場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定するように構成された回数判定部とから構成されることを特徴とするバルブ異常検出装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバルブ異常検出装置において、
   前記バルブに異常が発生した可能性があることをオペレータに対して通知するように構成された異常発生通知部をさらに備えることを特徴とするバルブ異常検出装置。
5. バルブの開度の値を取得する第１のステップと、
   ポジショナから前記バルブの操作器に供給される操作器空気の圧力値を取得する第２のステップと、
   前記第１のステップで取得したバルブ開度の値が略一定となる安定開度状態を検出する第３のステップと、
   前記安定開度状態における前記操作器空気の最大圧力値と最小圧力値との差を、前記バルブの摺動部の摩擦力を示す指標値として検出する第４のステップと、
   前記指標値が規定値を下回る低下の発生頻度が異常な頻度の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定する第５のステップとを含むことを特徴とするバルブ異常検出方法。
6. 請求項５記載のバルブ異常検出方法において、
   前記第５のステップは、
   前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出する第６のステップと、
   前記第６のステップで前記指標値の顕著な低下を検出したときに、この顕著な低下の発生時点と前回の顕著な低下の発生時点との時間差を算出して記憶する第７のステップと、
   規定の個数の前記時間差の平均値が閾値未満の場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定する第８のステップとを含むことを特徴とするバルブ異常検出方法。
7. 請求項５記載のバルブ異常検出方法において、
   前記第５のステップは、
   前記指標値が前記規定値を下回る顕著な低下を検出する第６のステップと、
   前記指標値の顕著な低下の発生回数を数える第７のステップと、
   規定時間における前記指標値の顕著な低下の発生回数が閾値を超えた場合に、前記バルブに異常が発生した可能性があると判定する第８のステップとを含むことを特徴とするバルブ異常検出方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載のバルブ異常検出方法において、
   前記バルブに異常が発生した可能性があることをオペレータに対して通知する第９のステップをさらに含むことを特徴とするバルブ異常検出方法。

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