JPH09512650A - スマートバルブポジショナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バルブポジショナ（２６）は、プロセス制御システム内のバルブ（３２）の動作を制御する。該バルブポジショナ（２６）はプロセス制御ループ（２４ａ，２４ｂ）に結合され、これを通じて所望のバルブ位置を代表する信号および該ポジショナ（２６）のための電力を受け入れる。該バルブボジショナ（２６）は、空圧アクチュエータ（３０）を制御し、続いて該アクチュエータはバルブ（３２）の位置を制御する。該バルブポジショナ（２６）はデジタル回路およびアナログ回路と関連付けられたマイクロプロセッサ（５２）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 スマートバルブポジショナ 発明の背景 本発明は、プロセス変数に影響を与えるバルブを制御するためのバルブポジシ ョナ（位置決め装置）に関する。特に、本発明はマイクロプロセッサを具備した バルブポジショナに関する。 プロセス制御産業においては種々のタイプのポジショナが使用されている。あ る種のポジショナはアクチュエータに機械的に結合される一方、ある場合には、 アクチュエータ内にポジショナを組み入れている。前記アクチュエータは物理的 に位置決めする手段を提供し、それは電気、油圧、または空圧によることができ る。電気アクチュエータは、バルブを位置決めするモータを駆動する電流信号を 有する。油圧アクチュエータは、バルブを位置決めするための油が充満された手 段を有する。プロセス制御産業においては極めて一般的である空圧アクチュエー タは、バルブを位置決めするピストン、またはばねとダイヤフラムとの組み合わ せを有する。用途および制御の統合の程度に応じて、ポジショナは、所望のバル ブ位置を代表するいくつかのタイプの入力を制御装置から受け入れる。１つのタ イプは４〜２０ｍＡまたは１０〜５０ｍＡの電流入力であり、第２のタイプは前 記電流信号上に重畳されたデジタル信号であり、第３のタイプはフィールドバス またはモドバス（Ｍｏｄｂｕｓ：登録商 標）のような完全デジタル入力である。また、前記ポジショナは所望のバルブ位 置を代表する３〜１５または６〜３０ポンド／インチ平方（ＰＳＩ）の空圧入力 を受け入れる。統合の程度や用途によっても、ポジショナは種々のタイプの出力 を示す。ある種のポジショナは電気アクチュエータモータに出力電流を出力する 一方、さらに他のものは高速応答性の空圧出力を発生する。最も普通のタイプの ポジショナ出力は０〜２００ＰＳＩの空圧出力である。この出願において使用さ れる「ポジショナ」という用語は、種々の入力および出力ならびにバルブを位置 決めするためのそれぞれの手段を含み、適用できるこれらすべての現場装着装置 を包含する。 ばね／ダイヤフラム式アクチュエータの最も普通の場合では、ダイヤフラムは ポジショナからもたらされた圧力に伴って偏向し、これにより、力つまりトルク を制御バルブの柄または回転部材にそれぞれ作用させてバルブの位置を変更する 。多くのポジショナは位置信号を出力する機械的または電気的な位置センサを有 していて、この位置信号はマイクロプロセッサをベースとするポジショナの制御 部にフィードバックされる。バルブを位置決めする力をもたらす特定の手段がい かなるものであっても、マイクロプロセッサを有するポジショナは既知である。 マイクロプロセッサをベースとする既存のポジショナは良好なループ動的応答を 示すが、バンド幅が制限されているため、これらの用途は、例えば反応装置内の タンクのレベルや温度の制御のような低速の制御ループに限定される。 バルブポジショナへのマイクロプロセッサの導入にあたっては、マイクロプロ セッサはますます複雑な機能の実行を要求され、その結果、ポジショナのための より大きい全体的な電力要求が生じている。例えば、４〜２０ｍＡ、１０〜５０ ｍＡ、フィールドバスおよびモドバス（Ｍｏｄｂｕｓ：登録商標）プロトコルを 使用した制御システムにおいて、ポジショナは、もっぱら制御ループから供給さ れる電力によって作動するので、ポジショナの作動のための電力は制限される。 この制限のために、ポジショナにおけるマイクロプロセッサの演算量およびクロ ック周波数（動的応答）には上限が設定されていた。技術が進歩し、電力要求の 増大を伴うことなくマイクロプロセッサからより多くの演算用電力を得ることが 可能になってきた。しかしながら、バルブポジショナの制御および性能の増大の 要求は、前記電力の抑制の下で要求をもたらすマイクロプロセッサの能力をしの いでいる。コンピュータ制御された広バンド幅の低電力ポジショナが必要とされ ている。 発明の概要 バルブポジショナ組立体は、作動的にバルブに結合された空圧アクチュエータ に対して制御圧力を出力するバルブポジショナを含む。前記バルブポジショナは 、所望のバルブ位置を受け入れるようにプロセス制御ループに結合されたインタ フェースと、該所望のバルブ位置および感知されたバルブ位置に基づいてバルブ を制御するためのコマンド出力を発生するアナログＰＩＤ制御装置とを有する。 マ イクロプロセッサは、アナログＰＩＤ制御装置内の可変インピーダンスをそれぞ れ制御するＰＩＤ定数を計算する。デジタル制御信号はラッチに格納され、マイ クロプロセッサによって周期的に更新される。１つの実施例では、第１および第 ２の電源が制御ループを通じて受け入れられた電力をポジショナに供給する。前 記電源は直列に接続される。 図面の簡単な説明 図１は本発明によるバルブポジショナを含む制御ループのブロック図である。 図２は図１のバルブポジショナ組立体のブロック図である。 図３は図２の制御回路のブロック図である。 図４は図３のＰＩＤ制御器の簡略化された電気回路図である。 図５は図２のバルブポジショナを付勢するのに使用される電源回路の簡略化さ れた電気回路図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 図１は全体を符号１０で示すプロセス制御ループであり、代表的にはプロセス １４を代表するプロセス変数を感知する２線式送信機１２、制御室１８内に配置 されることができ、感知されたプロセス変数を送信機１２から受け入れる制御装 置１６、および制御装置１６からの所望のバルブ目標値を受け入れてプロセス１ ４内の物理的変数を制御するバルブポジショナ組立体２０を含んでいる。送信機 １２は配線２２ａ，２２ｂで形成される第１の２線式回路を通じ て、感知されたプロセス変数を出力し、制御装置１６はループ２４ａおよび２４ ｂを通じてポジショナ組立体２０と通信する。 ポジショナ組立体２０内のバルブポジショナ回路２６は所望のバルブ位置を代 表する４〜２０ｍＡ電流を受け入れ、３〜１５ｐｓｉの空圧出力２８を空圧アク チュエータ３０に供給する。アクチュエータ３０はプロセス１４内の流量を制御 するバルブ３２を制御する。アクチュエータ３０は圧力および位置フィードバッ ク３４をポジショナ２６に供給する。 図２において、ポジショナ２６はバルブ３２の所望の位置を代表する４〜２０ ｍＡ電流信号すなわちデジタル目標値を、配線２４ａ／２４ｂを通じて制御装置 １６から受け入れるための通信インタフェース４０を含む。インタフェース４０ はまた、ループ２４ａ／２４ｂから生成された電源出力ＶＳ１およびＶＳ２を出 力する。回路２４ａ／２４ｂはまた、プロセス制御産業で使用されているような ３線または４線式回路であることができる。ポジショナ２６の空圧出力２８は、 ばね４４に力を作用させるダイヤフラム４２を適用圧力が偏向させてバルブ３２ 内で柄４６を動かすように、アクチュエータ３０を介してバルブ３２に結合され る。栓４８は柄４６と対になってバルブ３２内の通路を滑動可能に遮断し、パイ プ５０内の流体の流量を制御する。回転式バルブのような他の形式のバルブも使 用できる。 発振器５６からクロックが与えられるマイクロプロセッサ（μＰ） ５２はオン・チップ・プログラムおよび格納メモリ５４を含み、ＣＭＯＳのよう な低電力技術で作られているのが好ましい。マイクロプロセッサ５２はラッチ・ デコーダ回路５８ならびにアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）６０に接続され ている。アナログ／デジタル変換器６０はマルチプレクサ（ＭＵＸ）６２に結合 されている。 サム・ノード（加算接続点）回路６４はインタフェース／電源４０に結合され 、インタフェース４０から所望のバルブ位置を代表する信号を受け入れる。サム ・ノード６４はラッチ・デコーダ回路５８から３つの信号、すなわちスパン、ゼ ロおよび入力ロール／オフ制御を受け入れる。サム・ノード６４は位置要求信号 を制御装置６６へ出力する。 制御回路６６は位置要求調節信号ならびに、比例利得信号（Ｐ）、積分（Ｉ） 、および微分（Ｄ）を代表する４つのデジタル制御定数をラッチ・デコーダ回路 ５８から受け入れる。アナログ回路６６が実行するＰＩＤ制御方程式は次式１で 与えられる。 制御（コマンド）出力＝Ｐ・ｅ（ｔ）＋Ｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ ＋Ｄ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ＋Ｃ₀ …（式１） ここで、ｅ（ｔ）は所望のバルブ位置と現在のバルブ位置との差、ｔは時間、 Ｃ₀は所望の制御（コマンド）出力である。 制御回路６６はまた位置およびアクチュエータ圧力の各フィード バック回路６８および７６からフィードバックを受け入れる。制御回路６６は、 回路５８からの空圧スルー・レート制御入力をも受け入れる駆動回路７０に制御 信号を出力する。Ｉ／Ｐ変換器７８（増幅ステージを含む）は空圧源８０からの 加圧された空気をコイル駆動電圧信号の関数で調節する。 位置センサ８２はバルブの柄４６に結合され、温度センサ８４はバルブの柄４ ６に近接して配置されている。センサ８２および８４からの信号は、それぞれ位 置インタフェース８６および温度インタフェース８８を介してマルチプレクサ６ ２に供給される。回路６８は温度補償された位置信号を制御回路６６へ出力する 。アクチュエータ圧力インタフェース７６は、圧力ライン２８内の圧力を測定す る圧力センサ９０からフィードバック信号３４を受け入れ、マルチプレクサ６２ に入力を供給し、かつ制御回路６６にフィードバックする。マイクロプロセッサ ５２はＡ／Ｄ変換器６０を介してＭＵＸ６２への入力を周期的に抽出する。 制御バルブの位置決め精度に関する継続的な改良要求がある。マイクロプロセ ッサを伴う既存のバルブ位置決め装置は制御バルブ位置決めの改善を可能にする 。さらに、マイクロプロセッサは制御バルブの性能監視や診断に使用することが できる。電気的なマイクロプロセッサをベースとするポジショナの利益は拡大さ れ、バルブの制御動作において多くの優位性を提供する。 本発明においては、マイクロプロセッサ５２で制御されるアナロ グ回路を組み入れることによって電力低減が成し遂げられた。さもなくばマイク ロプロセッサ５２によって実行されるべき演算集約機能（特にＰＩＤ制御方程式 ）のいくつかを、アナログ回路が実行するので、マイクロプロセッサ５２は制御 システムのバンド幅を犠牲にすることなく、他の機能を実行することができる。 このようにして、本発明は高速かつ広バンド幅の低電力ＰＩＤ制御を提供する。 マイクロプロセッサ５２は周期的にＰＩＤ方程式の定数を更新する。１つの実 施例において、更新速度に影響を与える４つのケースがある。すなわち、較正、 始動立ち上げ、安定状態動作、および過渡期の応答である。始動立ち上げ時には 、定数の初期設定は、例えば過去の始動立ち上げまたは予め定められた値に基づ いて選択される。安定状態動作中は、前記定数はまれにしか更新されないが、高 レベルの精度と制御を伴っている。急な変化に応答するときには前記定数は頻繁 に更新される。代表的に、定数の頻繁な更新が必要なときには、より迅速な処理 のためにその精度の重要性は小さい。例えば、０．１ないし０．２５秒毎に更新 が行なわれる。その値がその最終値に近付くにつれて、より高い精度のためのよ り長い時間をマイクロプロセッサ５２に許容するため、更新はより小さい頻度で あることができる。 アナログ回路はサム・ノード／スパンおよびゼロ調整回路６４、制御ブロック ６６、位置フィードバック回路６８、駆動回路７０、および診断回路７２を含む 。アナログ回路で実行される前記制御方 程式は、該回路にデジタル制御信号を供給するマイクロプロセッサ５２によって 決定される。回路６６は式１に従ってコマンド出力を発生する。 図３は制御回路６６の一部分を示す簡略化された回路図である。回路６６はサ ム・ノード１００、ＰＩＤ回路１０２、および可変利得回路１０４を含む。サム ・ノード１００は、回路６４からの所望バルブ位置を代表する値、マイクロプロ セッサ５２に要求の調整を許容するためのラッチ・デコーダ回路５８からの調整 入力、および回路６８からの位置フィードバック信号を受け入れる。ノード１０ ０はこれらの信号を合算してそれらをＰＩＤ回路１０２へ出力する。ＰＩＤ回路 １０２は保持されていたＰ，ＩおよびＤの各デジタル信号を回路５８から受け入 れ、可変利得回路１０４へ制御信号出力を供給する。回路１０４の利得は圧力フ ィードバック回路７６からの圧力フィードバック信号によって制御され、駆動回 路７０へ制御信号出力を供給する。 図４は本発明によるＰＩＤ回路１０２の簡略化された回路図である。ＰＩＤ回 路１０２は演算増幅器すなわちオペアンプ１１０、アナログスイッチ１１２、ア ナログスイッチ１１４、およびアナログスイッチ１１６を含む。スイッチ１１２ 〜１１６は回路１０２のＰ，ＩおよびＤ定数をそれぞれ制御する。抵抗１２０を 介して前記ノード１００に接続される抵抗器１１８はオペアンプ１１０の反転入 力に接続される。オペアンプ１１０の非反転入力は信号接地に接続さ れ、かつその出力は（可変利得回路１０４を介して）駆動回路７０に接続される 。アナログスイッチ１１２は、抵抗器１２０と並列に、コンデンサ１２２と直列 に接続される。アナログスイッチ１１２〜１１６はそれぞれ、抵抗器Ｒ１〜Ｒ８ および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１〜Ｑ８を含む。スイッチ１１６はＰ を制御し、スイッチ１１４およびコンデンサ１２３はＩを制御し、そしてスイッ チ１１２およびコンデンサ１２２はＤを制御する。 ＦＥＴＱ１〜Ｑ８のゲートは、図２に示したラッチ・デコーダ回路５８の回路 ５８ａ，５８ｂおよび５８Ｃに結合される。ラッチ・デコーダ回路５８ａ，５８ ｂおよび５８Ｃはマイクロプロセッサ５２からＰ，ＩおよびＤ入力を受け入れる 。例えば、デコーダ５８ｃはマイクロプロセッサ５２から微分定数（Ｄ）のデジ タル値を受け入れる。ラッチ・デコーダ回路５８ｃはこの値をトランジスタＱ１ 〜Ｑ８のゲートに供給されるアナログ電圧信号の組み合わせにデコードする。そ れによってトランジスタＱ１〜Ｑ８のどれがオンまたはオフになるかを選択的に 制御する。ラッチ・デコーダ回路５８ｃがデコード手順に従ってこのデータを保 持するので、マイクロプロセッサ５２はデジタル制御信号をデコーダ５８ｃに継 続的に供給しなくて済む。トランジスタＱ１〜Ｑ８のオン変化の組み合わせに基 づいて、アナログスイッチ１１２で与えられる抵抗が制御され、ＰＩＤ回路１０ ２の微分定数が決定される。デコーダ５８ａおよび５８ｂも同様に動作し、それ によって比例（Ｐ）および積分 （Ｉ）定数がマイクロプロセッサ５２によって出力され、抵抗１１４および１１ ６がそれぞれ選択的に変更される。 バルブポジショナ２０はデジタルおよびアナログ混成回路を使用して動作し、 これによって両タイプの回路の長所を実現する。マイクロプロセッサ５２が低減 された電力で動作するように、アナログ回路は高速および広バンド幅を要求され る制御の多くを実行する。しかしながら、マイクロプロセッサ５２はラッチ・デ コーダ回路５８を通じてアナログ回路の動作を制御するので、バルブ３２の制御 は犠牲にならない。図２において、マイクロプロセッサ５２は２線式制御ループ ２４ａ／２４ｂからの所望位置の要求およびアナログ／デジタル変換器６０から のフィードバックを受け入れる。マイクロプロセッサ５２は、これらの入力に基 づいてラッチ・デコーダ回路５８へデジタル制御定数を供給することにより、ア ナログ回路を適正に形成する。図４はマイクロプロセッサ５２の制御の下で動作 するＰＩＤ回路１０２の一例である。マイクロプロセッサ５２はまた、サム・ノ ード／ゼロおよびスパン回路６４、アクチュエータ駆動回路７０のスルー・レー ト、および図３の制御回路６６への位置要求調節をも制御する。特定された例は スイッチ１１２〜１１６を通じた抵抗値の調節を示すが、他のアナログパラメー タ、例えば電流、インダクタンス、キャパシタンスなども、本発明による同様の 回路を使用してマイクロコンピュータによって調節されることができる。多くの 工学アプリケーション・ハンドブックの標準的回路 は本技術を使用して制御されることができる。例えば、電圧制御利得回路はＡ／ Ｄ変換器６０からの電圧出力を該回路の電圧入力へ供給することによって制御さ れる。 図５はバルブポジショナ２６の簡略化された回路図であり、本発明による電源 構成を示す。すべての電力をループ２４ａ／２４ｂを通じて受け入れ、追加の電 源を必要としないポジショナ２６が示されている。図５は２線式ループ２４ａ／ ２４ｂに直列に接続された入力／出力回路１４０、４ボルト電源１４２および９ ．５ボルト電源を含むインタフェース４０を示す。４ボルト電源１４２はマイク ロプロセッサ５２および他のデジタル回路の動作のための電圧ＶＳ１を供給する 。電源１４４は、ＶＳ２、つまりアナログ回路のために９．５ボルトに調整され た電源を供給する。Ｉ／Ｏ回路１４０はプロセス制御産業で知られている技術に より、ループ２４ａ／２４ｂを通じて所望位置の信号を受け入れる。図５の実施 例では、デコーダ回路５８およびセンサインタフェース回路は９．５ボルト電源 １４４によって給電されている。図５の回路は、配線２４ａおよび２４ｂ間に許 容される最大値１５ボルトのほとんど全部を使用するスタック（stacked）電源 を示す。図５に示されたスタック電源を使用した場合は、種々の信号のレベルを 調整するレベルシフト回路（図示しない）を必要とする。 本発明を好ましい実施例を参照して説明したが、当業者は本発明の精神および 範囲から逸脱することなく形式上および詳細の変更を 為し得ることを認識することができるであろう。例えば空圧に基づくアクチュエ ータ以外のアクチュエータにも適用でき、デコーダ回路５８はＲＯＭから構成す ることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プロセス制御ループから電力を受け入れるバルブポジショナであって、 前記ループに結合されて所望のバルブ位置を受け入れるインタフェース回路と 、 バルブに結合され、コマンド出力に応答して該バルブを位置決めするアクチュ エータと、 デジタル制御信号を計算するためのマイクロプロセッサと、 前記アナログ回路で実行される制御方程式の関数としての所望のバルブ位置に 応答して、前記アクチュエータに前記コマンド出力を供給するアナログ回路とを 具備し、 前記制御方程式はデジタル制御信号の関数であるバルブポジショナ。 ２．前記制御方程式はＰＩＤ方程式であってその形式は、 コマンド出力＝Ｐ・ｅ（ｔ）＋Ｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ ＋Ｄ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ＋Ｃ₀であり、 ここで、ｅ（ｔ）は所望のバルブ位置と現在のバルブ位置との差、ｔは時間、 Ｃ₀は所望の制御（コマンド）出力である請求項１記載のバルブポジショナ。 ３．前記アナログ回路は前記デジタル制御信号に応答し、予め選択された電気回 路素子に前記アナログ回路を選択的に結合するためのスイッチを含んでいる請求 項１記載のバルブポジショナ。 ４．前記デジタル制御信号を保持するため前記マイクロプロセッサに結合された ラッチを含み、前記マイクロプロセッサは更新されたデジタル制御信号を周期的 に出力して前記ラッチを作動させ、前記更新されたデジタル制御信号を保持する 請求項１記載のバルブポジショナ。 ５．バルブ動作の動作パラメータを感知して前記アナログ回路にフィードバック するセンサを含む請求項１記載のバルブポジショナ。 ６．前記制御ループに接続され、当該バルブポジショナ内の第１回路に給電する ための第１の調整された電圧出力を供給する第１電源と、 前記制御ループおよび前記第１電源に接続され、当該バルブポジショナ内の第 ２回路に給電するための第２の調整された電圧出力を供給する第２電源とを具備 した電源回路を含む請求項１記載のバルブポジショナ。 ７．プロセス制御ループ内で使用されるバルブポジショナであって、 所望のバルブ位置および当該バルブポジショナを動作させるための電力を前記 ループから受け入れるため、該ループに結合するように適合されたインタフェー スと、 コマンド出力に応答してバルブを位置決めするように適合されたアクチュエー タと、 ＰＩＤ制御方程式中の少なくとも１つの定数の値を計算するためのマイクロプ ロセッサ回路と、 マイクロプロセッサから供給されたＰＩＤ定数によって形成されたＰＩＤ制御 方程式に基づいて、前記コマンド出力を前記アクチュエータに供給するアナログ ＰＩＤ制御回路とを具備したバルブポジショナ。 ８．前記ＰＩＤ方程式の形式は、 コマンド出力＝Ｐ・ｅ（ｔ）＋Ｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ ＋Ｄ・ｄｅ（ｔ）／ｄｔ＋Ｃ₀であり、 ここで、ｅ（ｔ）は所望のバルブ位置と現在のバルブ位置との差、ｔは時間、 Ｃ₀は所望の制御（コマンド）出力である請求項７記載のバルブポジショナ。 ９．マイクロプロセッサから供給されるＰＩＤ定数に応答し、予め選択された電 気回路素子に前記アナログＰＩＤ制御回路を選択的に結合するためのスイッチを 含んでいる請求項７記載のバルブポジショナ。 １０．前記ＰＩＤ定数を保持するように前記マイクロプロセッサに結合されたラ ッチを含み、前記マイクロプロセッサは該ラッチに保持されている更新されたＰ ＩＤ定数を周期的に出力する請求項７記載のバルブポジショナ。 １１．バルブ動作の動作パラメータを感知して前記アナログＰＩＤ制御回路にフ ィードバックするセンサを含む請求項７記載のバルブポジショナ。 １２．前記制御ループに接続され、当該バルブポジショナ内の第１ 回路を付勢するための第１の調整された電圧出力を供給する第１電源と、 前記制御ループおよび前記第１電源に接続され、当該バルブポジショナ内の第 ２回路を付勢するための第２の調整された電圧出力を供給する第２電源とを具備 した電源回路を含む請求項７記載のバルブポジショナ。