TW201719306A

TW201719306A - 致動器故障偵測裝置、控制裝置及方法

Info

Publication number: TW201719306A
Application number: TW105117794A
Authority: TW
Inventors: Masato Tanaka; Fumihiro Sugawara; Tomohiko AIKAWA
Original assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-06-01
Also published as: CN106406077A; CN106406077B; US20170030972A1; US9945908B2; JP6581833B2; TWI616735B; JP2017033140A

Abstract

本發明提供的致動器故障偵測裝置、控制裝置及方法提高針對致動器的故障偵測/故障預知功能。本發明的致動器故障偵測裝置包括：位置獲取部(5)，其從偵測與操作量MV相應的馬達(10)的位置的編碼器獲取馬達位置MP的值；跟隨差算出部(6)，其算出操作量MV與馬達位置MP的跟隨差DM=MV-MP；以及容許範圍判定部(7)，其根據操作量MV的變化率△MV、馬達位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定馬達(10)的高速動作或低速動作是否脫離了容許範圍。

Description

致動器故障偵測裝置、控制裝置及方法

本發明涉及一種可偵測或預知馬達或閥等致動器的故障的致動器故障偵測裝置、以及配備有致動器故障偵測裝置的控制裝置。

為了盡可能應對節能控制和高精度控制兩方面的要求，開發有煤氣燃燒爐與電爐的混合型熱處理爐。該混合型熱處理爐的動作如下。

(I)在從低溫升溫至高溫時，作為能量方面較為有利的煤氣燃燒爐進行動作。

(II)在升溫後以高精度維持於一定溫度時，作為響應性方面較為有利的電爐進行動作。

圖5為表示混合型熱處理爐中的溫度控制系統的1例的圖。在圖5的例子中，在加熱處理爐100的內部設置有電加熱器101、煤氣加熱器102及溫度感測器103。溫度感測器103對由電加熱器101或煤氣加熱器102加熱的空氣的溫度PV進行測定。調溫器104算出操作量MV以使得溫度PV與設定值SP一致。電力調節器105將與操作量MV相應的電力供給至電加熱器101。氣體流量調節器106將與操作量MV相應的流量的煤氣供給至煤氣加熱器102。如此，調溫器104對加熱處理爐100內的溫度進行控制。

如上所述，在使加熱處理爐100從低溫升溫至高溫時，透過使用煤氣流量調節器106和煤氣加熱器102，而作為能量方面較為有利的煤氣燃燒爐進行動作。另一方面，在升溫後將加熱處理爐100的溫度高精度地維持於一定值時，透過使用電力調節器105和電加熱器101，而作為雖然能量效率比煤氣燃燒爐差、但控制的響應性方面較為有利的電爐進行動作。

在專利文獻1中，提出有一種將以上那樣的混合型熱處理爐從煤氣模式迅速可靠地切換至電氣模式的控制裝置。

不僅僅是混合型熱處理爐，利用燃燒的熱處理爐或者利用燃燒的溫度控制系統都進行了大量的改進嘗試。在利用燃燒的溫度控制系統中，為了控制煤氣等燃料的流量，可調節流量的控制閥被用作煤氣流量調節器。並且，用以使閥動作的馬達位置變為作為PID運算的輸出的操作量MV。

但是，由於馬達為其動作速度受到限制的可動體，因此馬達位置不一定會跟隨實際由PID運算算出的操作量MV。在電加熱器中，電流值基本上無延遲地跟隨操作量MV，這可以說是對比鮮明的部分。因而，為了確認馬達位置跟隨了操作量MV，馬達回授MFB被導入了調節器。操作量MV與馬達回授MFB在理論上為相同物理量，但現實中並不一致，在這個前提下，即便在監控中，兩者也是有所區別。

此外，不僅僅是溫度控制系統，在石油化工廠等中用於流量控制系統的控制閥(參考專利文獻2)中，同樣存在為了確認閥杆位置跟隨了操作量MV而將位置回授導入控制器側的情況。即，同樣的儀器配置構想得到廣泛運用。

【現有技術文獻】

【專利文獻】

【專利文獻1】日本專利特開2010-146331號公報

【專利文獻2】日本專利特開平7-269505號公報

如上所述，由於馬達或閥等是機械性可動體，因此也是有可能發生故障的控制系統構成零件。至少與普通電爐中的電加熱器相比，應當視為容易發生包括突發性故障在內的故障的構成要素。此外，還有像煤氣燃燒爐這樣尤其處理較高溫度的溫度控制系統。進而，還有像石油化工廠這樣尤其處理有可燃性/毒性的流體的流量控制系統。因而，在安全方面一直在尋求故障偵測的提高和改善。

本發明是為了解決上述問題而成，其目的在於提供一種致動器故障偵測裝置、控制裝置及方法，其可提高針對利用燃燒的溫度控制系統中所利用的馬達或者流量控制系統中所利用的閥等機械性可動體致動器的故障偵測及故障預知功能。

本發明為一種致動器故障偵測裝置，其偵測根據輸出自控制裝置的操作量MV而被驅動的致動器的故障，該致動器故障偵測裝置的特徵在於，包括：位置獲取手段，其從偵測與操作量MV相應的致動器的位置的位置偵測及自回授機構獲取致動器位置MP的值；跟隨差算出手段，其算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM=MV-MP；以及容許範圍判定手段，其根據致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的高速動作是否脫離了容許範圍。

此外，本發明的致動器故障偵測裝置的1構成例的特徵在於，上述容許範圍判定手段在如下情況下判定致動器發生了異常：在上述跟隨差DM的絕對值｜DM｜大於上述致動器位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜的上限DPH的狀況下，所觀測的致動器位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜不在上述上限DPH到DPH-α的範圍內(α為規定值)。

此外，本發明的致動器故障偵測裝置的特徵在於，包括：位置獲取手段，其從偵測與操作量MV相應的致動器的位置的位置偵測及回授機構獲取致動器位置MP的值；跟隨差算出手段，其算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM=MV-MP；以及容許範圍判定手段，其根據操作量MV的變化率△MV、致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的低速動作是否脫離了容許範圍。

此外，本發明的致動器故障偵測裝置的1構成例的特徵在於，上述容許範圍判定手段在如下情況下判定致動器發生了異常：在上述跟隨差DM大致為0、下一操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜小於上述致動器位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜的上限DPH的狀況下，所觀測的致動器位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜不在操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜到｜△MV｜-β的範圍內(β為規定值)。

此外，在本發明的致動器故障偵測裝置的1構成例中，上述致動器為馬達。

此外，本發明的控制裝置的特徵在於，包括：操作量算出手段，其根據設定值SP和控制量PV來算出操作量MV並輸出至致動器的操作部；以及致動器故障偵測裝置。

此外，本發明為一種致動器故障偵測方法，其偵測根據輸出自控制裝置的操作量MV而被驅動的致動器的故障，該致動器故障偵測方法的特徵在於，包括：位置獲取步驟，其從偵測與操作量MV相應的致動器的位置的位置偵測及回授機構獲取致動器位置MP的值；跟隨差算出步驟，其算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM=MV-MP；以及容許範圍判定步驟，其根據致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的高速動作是否脫離了容許範圍。

此外，本發明的致動器故障偵測方法的特徵在於，包括：位置獲取步驟，其從偵測與操作量MV相應的致動器的位置的位置偵測及回授機構獲取致動器位置MP的值；跟隨差算出步驟，其算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM=MV-MP；以及容許範圍判定步驟，其根據操作量MV的變化率△MV、致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的低速動作是否脫離了容許範圍。

此外，本發明的控制方法的特徵在於，包括：操作量算出步驟，其根據設定值SP和控制量PV來算出操作量MV並輸出至致動器的操作部；以及位置獲取步驟、跟隨差算出步驟、容許範圍判定步驟。

根據本發明，透過從位置偵測及回授機構獲取致動器位置MP的值，算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM，並根據致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的高速動作是否脫離了容許範圍，能以比以往高的準確度偵測或預知致動器的故障。

此外，在本發明中，透過從位置偵測及回授機構獲取致動器位置MP的值，算出操作量MV與致動器位置MP的跟隨差DM，並根據操作量MV的變化率△MV、致動器位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定致動器的低速動作是否脫離了容許範圍，能以比以往高的準確度偵測或預知致動器的故障。

1‧‧‧設定值獲取部

2‧‧‧控制量輸入部

3‧‧‧操作量算出部

4‧‧‧操作量輸出部

5‧‧‧位置獲取部

6‧‧‧跟隨差算出部

7‧‧‧容許範圍判定部

8‧‧‧判定結果輸出部

9‧‧‧馬達驅動器

10‧‧‧馬達

圖1為表示本發明的實施方式的控制裝置的構成的方塊圖。

圖2為表示本發明的實施方式的控制裝置的動作的流程圖。

圖3為說明本發明的實施方式的容許範圍判定部的動作的圖。

圖4為說明本發明的實施方式的容許範圍判定部的其他動作的圖。

圖5為表示混合型熱處理爐中的溫度控制系統的1例的圖。

[發明的原理]

在利用PID運算的溫度控制系統或流量控制系統等中，PID運算特有的性質被反映到操作量MV中。因而，發明者例如著眼於如下內容：若為正常跟隨操作量MV的馬達，則加入PID運算的性質來監視馬達回授MFB(馬達位置MP)，由此能以更高準確度偵測異常(故障)。

具體而言為與過渡狀態下的馬達跟隨差DM=MV-MP相對應的操作量變化率△MV或馬達位置變化率△MP脫離容許範圍這樣的事例。即，在馬達回授MFB中觀測到比操作量MV的高速動作(或高頻率動作)高速(或高頻率)的動作的事例、或者在馬達回授MFB中觀測到比操作量MV的低速動作(或低頻率動作)更極端低速(或低頻率)的動作的事例等可用作馬達的異常動作指標(故障動作指標)。此外，同樣的原理也可運用於閥等其他致動器。

[實施方式]

圖1為表示本發明的實施方式的控制裝置的構成的方塊圖。本實施方式是以馬達作為故障偵測的對象的例子，上述馬達用以在利用燃燒的溫度控制系統中使控制燃料的流量用的煤氣流量調節器的控制閥動作。

控制裝置包括：設定值獲取部1，其獲取設定值SP；控制量輸入部2，其從測量儀器輸入控制量PV；操作量算出部3，其透過PID控制運算，根據設定值SP和控制量PV來算出操作量MV；操作量輸出部4，其將操作量MV輸出至馬達驅動器9；位置獲取部5，其從偵測與操作量MV相應的馬達10的位置的編碼器獲取馬達位置MP的值；跟隨差算出部6，其算出操作量MV與馬達位置MP的跟隨差DM；容許範圍判定部7，其根據操作量MV的變化率△MV、馬達位置MP的變化率△MP以及跟隨差DM來判定馬達10的高速動作或低速動作是否脫離了容許範圍；以及判定結果輸出部8，其輸出容許範圍判定部7的判定結果。

下面，對本實施方式的控制裝置的動作進行說明。圖2為表示控制裝置的動作的流程圖。

設定值SP(溫度控制系統的情況下為溫度設定值)由控制裝置的操作人員等加以設定，並經由設定值獲取部1而被輸入至操作量算出部3(圖2中的步驟S1)。

控制量PV(溫度控制系統的情況下為溫度測量值)由未圖示的測量儀器(例如測量被加熱物的溫度的溫度感測器)加以測量，並經由控制量輸入部2而被輸入至操作量算出部3(圖2中的步驟S2)。

操作量算出部3透過公知的PID控制運算，根據設定值SP和控制量PV來算出操作量MV(圖2中的步驟S3)。

操作量輸出部4將操作量算出部3所算出的操作量MV輸出至控制對象(圖2中的步驟S4)。此處的操作量MV的實際的輸出目標為馬達驅動器9(操作部)。馬達驅動器9以馬達位置跟隨所輸入的操作量MV的方式控制馬達10。

位置獲取部5透過普通的馬達回授MFB的功能，從作為設置在馬達10中的位置偵測及回授機構的編碼器(未圖示)獲取表示馬達10的轉動角度位置的馬達位置MP的值(圖2中的步驟S5)。再者，在本實施方式中，馬達位置MP如下：馬達10在不到轉動1圈的角度範圍內轉動至與操作量MV相應的轉動角度位置，編碼器偵測馬達10的轉動角度位置，並使用0~100%的值來表現偵測到的轉動角度位置。因而，若馬達10正確地跟隨了操作量MV，則操作量MV與從該操作量MV的輸出起經過延遲時間(由馬達和馬達的控制系統決定的延遲時間，比後文敘述的控制週期dT短)後的馬達位置MP的值一致。

接著，跟隨差算出部6像下式那樣算出操作量MV與馬達位置MP的跟隨差DM(圖2中的步驟S6)。

DM=MV-MP…(1)

容許範圍判定部7根據操作量變化率△MV、馬達位置變化率△MP及跟隨差DM來判定馬達10的高速(高頻率)動作是否脫離了容許範圍、以及馬達10的低速(低頻率)動作是否脫離了容許範圍(圖2中的步驟S7)。

下面說明典型的例子。圖3為說明容許範圍判定部7的動作的圖，是表示馬達10發生了異常時的操作量MV和馬達位置MP的變化的1例的圖。馬達位置MP的變化率△MP的絕對值｜△MP｜存在根據馬達10的性能而預先規定的上限DPH，具有如下性質：在跟隨差DM的絕對值｜DM｜大於上限DPH的情況(作為操作量MV的變化率△MV發生了高速(高頻率)的變化的結果而發生的狀況)下，接著觀測的馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜與上限DPH大致一致。

因而，若跟隨差DM的絕對值｜DM｜大於上限DPH的狀況下所觀測的馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜不在上限DPH到DPH-α的範圍內，則容許範圍判定部7判定馬達10發生了某些異常(步驟S7)。

IF｜DM(t-1)｜>DPH AND｜△MP(t)｜<DPH-α

THEN發生異常…(2)

IF｜DM(t-1)｜>DPH AND｜△MP(t)｜>DPH

THEN發生異常…(3)

α為預先規定的微小值(α<DPH)。由於馬達位置變化率△MP是針對機械性機構的動作的實測值，因此優選事先考慮馬達內的轉子等的轉動不足誤差這樣的不同於異常的微小誤差，從而對應於該微小誤差的估計而規定α。由於控制裝置是以控制週期dT進行動作，因此在觀測到時刻(t-1)的跟隨差DM(t-1)的絕對值｜DM(t-1)｜大於上限DPH的狀況的情況下，馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜的判定是在從時刻(t-1)起控制週期dT後的時刻t的時機、針對時刻t的馬達位置變化率△MP(t)的絕對值｜△MP(t)｜而進行。

接著，展示典型的其他例子。圖4為說明容許範圍判定部7的其他動作的圖，是表示馬達10發生了異常時的操作量MV和馬達位置MP的變化的1例的圖。具有如下性質：在跟隨差DM大致為0、且接著觀測的操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜小於上限DPH的情況(操作量變化率△MV發生了低速(低頻率)的變化的狀況)下，進一步接著觀測的馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜與操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜大致一致。

因而，若在跟隨差DM大致為0且操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜小於上限DPH的狀況下所觀測的馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜不在操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜到｜△MV｜-β的範圍內，則容許範圍判定部7判定馬達10發生了某些異常(步驟S7)。

IF DM(t-2)≒0.0 AND｜△MV(t-1)｜<DPH AND｜△MP(t)｜<｜△MV(t-1)｜-β

THEN發生異常…(4)

IF DM(t-2)≒0.0 AND｜△MV(t-1)｜<DPH AND｜△MP(t)｜>｜△MV(t-1)｜

THEN發生異常…(5)

β為預先規定的微小值(β<｜△MV｜)。由於馬達位置變化率△MP(t)是針對機械性機構的動作的實測值，因此優選事先考慮馬達內的轉子等的轉動不足誤差這樣的不同於異常的微小誤差，從而對應於該微小誤差的估計而規定β。所謂跟隨差DM大致為0，是指跟隨差DM處於以0為中心的規定範圍0±γ(γ為預先規定的微小值)內。關於γ，也以與α或β相同的方式規定即可。如上所述，由於控制裝置是以控制週期dT進行動作，因此在觀測到時刻(t-2)的跟隨差DM(t-2)的絕對值｜DM(t-2)｜大致為0的狀況的情況下，操作量變化率△MV的絕對值｜△MV｜的判定是在從時刻(t-2)起控制週期dT後的時刻(t-1)的時機、針對時刻(t-1)的操作量變化率△MV(t-1)的絕對值｜△MV(t-1)｜而進行，進而，馬達位置變化率△MP的絕對值｜△MP｜的判定是在從時刻(t-1)起控制週期dT後的時刻t的時機、針對時刻t的馬達位置變化率△MP(t)的絕對值｜△MP(t)｜而進行。

判定結果輸出部8輸出容許範圍判定部7的判定結果(圖2中的步驟S8)。作為此時的輸出方法，例如有顯示判定結果等，此外，也可將判定結果的數據輸出至外部。此外，也可為在式(2)~式(5)不成立而判定馬達10無異常的情況下不輸出判定結果，僅在判定馬達10發生了異常的情況下輸出警報。作為警報的輸出方法，例如有顯示告知馬達10的異常的消息、或者使警報通知用LED閃爍或點亮等方法。以上那樣的判定結果的輸出功能可作為用以偵測或預知馬達10的故障的警報功能而有效利用。

控制裝置按每一控制週期dT執行圖2中的步驟S1~S8的處理直至例如按照操作人員的指示結束控制為止(圖2中的步驟S9中的“是”)。

再者，在本實施方式中，對成為故障偵測的對象的致動器為馬達的情況進行了說明，但並不限於此，對其他致動器例如流量控制系統的閥也可運用本發明。在使用空氣作動式的閥作為致動器的情況下，作為操作量MV的輸出目標的操作部為將操作量MV轉換為氣壓信號的電空轉換器。在使用電氣作動式的閥作為致動器的情況下，作為操作量MV的輸出目標的操作部為驅動閥的馬達的馬達驅動器。

只要將圖1、圖2的說明中的“馬達”替換為“致動器”或“閥”，就可將本實施方式的控制裝置的構成和動作直接運用於閥。也就是說，閥(或定位器)配備有偵測並回授閥開度位置的位置偵測及回授機構。閥以達到與操作量MV相應的開度位置的方式加以驅動，位置偵測及回授機構偵測閥的開度位置，並使用0~100%的值來表現偵測到的開度位置的參數就是致動器位置MP。若閥正確地跟隨了操作量MV，則操作量MV與致動器位置MP的值一致。若閥正確地跟隨了操作量MV，則操作量MV與從該操作量MV的輸出起經過延遲時間(由閥和閥的控制系統決定的延遲時間，比控制週期dT短)後的致動器位置MP的值一致。透過以上內容明確到，可將本發明運用於閥。

本實施方式中說明過的控制裝置可透過配備有CPU(Central Processing Unit(中央處理手段))、儲存裝置及接口的計算機以及控制這些硬件資源的程序來實現。CPU按照儲存裝置中所儲存的程序來執行本實施方式中說明過的處理。

此外，在本實施方式中，是在控制裝置的內部設置由位置獲取部5、跟隨差算出部6、容許範圍判定部7及判定結果輸出部8構成的致動器故障偵測裝置，但也可將致動器故障偵測裝置設置在控制裝置的外部。在該情況下，構成致動器故障偵測裝置的計算的CPU按照該電腦的儲存裝置中所儲存的程序來執行本實施方式中說明過的處理。

【工業上的可利用性】

本發明可運用於偵測或預知致動器的故障的技術。