JP2005267572A - 流量制御の異常判定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能にする。
【解決手段】流量調節弁1により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計2と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計3とが設置され、流量制御装置4により前記流量調節弁1を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、前記流量調節弁1の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段11と、得られた流量推定値と、広範囲流量計2により測定された流量実測値とを比較する比較手段13と、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段5とを備えた。
【選択図】図1
【解決手段】流量調節弁1により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計2と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計3とが設置され、流量制御装置4により前記流量調節弁1を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、前記流量調節弁1の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段11と、得られた流量推定値と、広範囲流量計2により測定された流量実測値とを比較する比較手段13と、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段5とを備えた。
【選択図】図1
Description
本発明は、流量制御の異常判定方法及び装置に係り、特に流量を計測するための流量計と、流量を調節するためのアクチュエータとして流量調節弁を使用し、制御装置により流量制御を行なう際に適用して好適な、流量制御の異常判定方法及び装置に関する。
プロセス制御において、流量のフィードバック制御は最もよく使用される制御機能の1つである。しかし、センサの異常やアクチュエータの異常により制御機能が正常に動作しなくなった場合は、言うまでもなくプロセスの設備や品質に大きな影響を与えることになる。
これを、鉄鋼プロセスの加熱炉等で使用される、燃焼ガスと空気の流量制御を例に説明する。燃焼量を制御する前記流量制御が異常になると、最悪の場合はバーナーの安定燃焼範囲を外れて失火し、未燃ガスが炉内に充満し、爆発に至る危険がある。
一方、近年、製造プロセスの複雑化・高精度化に伴い、流量計測や流量制御へ要求される精度、制御範囲も年々厳しくなっている。
従来、流量計としては差圧式流量計が一般流量計として最もよく用いられてきた。差圧式流量計は、その原理上、流体と直接接する部分に可燃物や電子機器が無く、比較的安価で信頼性の高い流量計であるが、レンジアビリティは2:1〜3:1程度であり、低流量での測定精度は不十分である。
これに対して、超音波流量計等の広範囲流量計はレンジアビリティ10:1〜20:1程度あり、広範囲の流量制御を行なう場合に有用である。しかしながら、プローブの劣化や送受信アンプの故障等、信頼性の点で問題が多い。
従来の流量計の異常検出の方法としては、(1)センサの断線検知、(2)計測レンジ外れの検知、(3)センサの自己診断結果の利用(例えば、超音波流量計の受信レベル低下で異常を判定する等)等がある。
又、アクチュエータ側の異常検出方法としては、(1)アクチュエータの断線検知、(2)アクチュエータ位置のレンジ外れを検知(例えば、調節弁開度実績のレンジ外れ)等がある。
上記の方法では、センサやバルブ(弁)が断線・短絡した場合や、電源が停止した場合は安価且つ容易に異常を検出可能である。
なお、予め制御弁の駆動量(弁開度)と流量の関係を検定しておき、この関係に基づいて流量の実測値をチェックすることにより、流量計の異常を判定する技術が、例えば特許文献1や2に開示され、又、流量計同士の計測値を比較してその差が大きい場合は流量計が異常であると判断する技術が、例えば特許文献3に開示されている。
しかしながら、前記従来の方法では、センサやバルブが断線・短絡した場合や、電源が停止した場合は容易に異常を検出可能であるが、以下のような異常は、フィードバック制御により見掛け上流量を制御してしまうため、検出できないという問題がある。
(1)センサの測定時やバルブ開度がドリフトするケース
(2)センサのサンプリング配管に異常が発生するケース(例えば、差圧式流量計の導圧管に異物等が詰まり、正確な圧力が計測できなくなった場合)
(3)調節弁の流路に異物が詰まり、配管の圧力損失が大きくなるケース
(2)センサのサンプリング配管に異常が発生するケース(例えば、差圧式流量計の導圧管に異物等が詰まり、正確な圧力が計測できなくなった場合)
(3)調節弁の流路に異物が詰まり、配管の圧力損失が大きくなるケース
従って、従来の方法では、上記のような異常を、制御系として機能を失うまで検出できないという問題もある。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能で、且つ異常の徴候をも事前に検出することが可能な流量制御の異常判定方法及び装置を提供することを課題とする。
本発明は、流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定方法であって、前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定すると共に、得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較し、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定することにより、前記課題を解決したものである。
本発明は、又、流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段と、得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較する比較手段と、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段と、を備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。
本発明においては、前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Cv値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のCv値から求めるようにしてもよい。又、その際、前記流量推定値を、前記Cv値と、流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の推定値又は実測値とから求めるようにしてもよい。
本発明においては、又、前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めるようにしてもよい。
本発明においては、又、広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常と判断するようにしてもよく、又、流量実績値又は弁動作の異常を検出した場合は制御動作を保持するようにしてもよい。
本発明によれば、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能となる。又、流量制御系のセンサやアクチュエータが徐々に劣化したり、プロセスの状態が変わったような場合でも、その変化を事前に検出することが可能である。そのため、制御系の異常を迅速に発見でき、設備の点検や改善を行なうことにより、重大な設備や品質のトラブルを未然に防止することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明に係る実施形態である流量制御異常判定装置の概要を示すブロック図である。
本実施形態の異常判定装置は、直線で示す流通路に、矢印方向に流れる流体の流量を調節する流量調節弁1と、広範囲(例えば、10:1)な流量計測が可能な広範囲流量計2と、一般的な流量計(例えば、2:1)の計測を行なう一般流量計3とが設置されていると共に、流量調節弁1を調節して流量を制御するための流量制御装置4が設置された流量制御系と、該流量制御系における流量制御の異常を検出する異常判定回路5とを備えている。
この異常判定回路5は、以下の各機能を有している。
(1)流量調節弁1の開度実績又は開度設定値から、関数変換器10に予め設定してある弁開度−Cv値変換関数を用いて、弁のCv(弁容量係数)値を算出する。
(2)上記関数変換器10により求めた調節弁1のCv値と、流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の各値から、流量の推定値Fcを流量換算器(推定手段)11で計算により求める。ここで、流量推定値を求める計算式は、例えば気体の場合ではよく知られているCvの計算式から、以下のように求めることができる。但し、Q=Fcである。
(差圧が1次圧の0.5倍未満の場合)
Q=Cv・2.93/√(G(273+Tf)/ΔP(P1+P2))
…(1)
(差圧が1次圧の0.5倍以上の場合)
Q=Cv・P1・2.538/√(G(273+Tf)) …(2)
ここで、Q:流量(温度15.6℃、圧力101.3kPa)
G:比重(空気=1)
Tf:流体温度℃
P1:1次側絶対圧力kPa
P2:2次側絶対圧力kPa
ΔP:P1−P2
Q=Cv・2.93/√(G(273+Tf)/ΔP(P1+P2))
…(1)
(差圧が1次圧の0.5倍以上の場合)
Q=Cv・P1・2.538/√(G(273+Tf)) …(2)
ここで、Q:流量(温度15.6℃、圧力101.3kPa)
G:比重(空気=1)
Tf:流体温度℃
P1:1次側絶対圧力kPa
P2:2次側絶対圧力kPa
ΔP:P1−P2
なお、上記流量換算器11で流量変換に使用する流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の各値は、プロセス実測部(又は推定部)12により実測した実測値でもよいし、誤差の少ない場合は推定値でもよい。
(3)又、流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の測定や推定が困難な場合には、予め流量調節弁1の弁開度−流量値の関係を事前に計測し、弁開度−流量測定値の関係を折れ線や関数として登録しておくことにより、この関係を使って弁開度(実績値又は設定値)から直接流量推定値Fcを求めるようにしてもよい。
(4)前記流量換算器11で求めた流量推定値Fcと、広範囲流量計2による実測値F1を比較器13で比較する。両者の差が、一定値±(F1×α)以上、その状態が所定の指定時間以上継続した場合に異常と判断し、異常信号を出力する。
(5)又、広範囲流量計2による実測値F1と、一般流量計3による実測値F2を比較器16で比較する。両者の差が、一定値±(F1×β)以上、その状態が所定の指定時間以上継続した場合に異常と判断し、同様に異常信号を出力する。
(6)前記のように異常信号が出力されると、それを誤動作防止用の遅延タイマ14を介し、流量制御異常の警報器15に出力し、警報を発する。この警報器15は、同時に流量制御装置4へ制御ホールド信号を出力する。
(7)流量制御装置4は、出力された上記制御ホールド信号を受けると、制御動作を保持し、プロセスへの影響を最小限度とする。
以下の機器構成等を備えた制御系において流量制御を実際に行ない、超音波流量計がプローブの汚れで計測不能になった場合の例を図2を用いて説明する。
広範囲流量計:超音波流量計
一般流量計:差圧式流量計(オリフィス+差圧計)
流量調節弁:電空変換ポリショナ付の調節弁(開度計無し)
流量推定:バルブ開度−流量の実測値から流量を推定
一般流量計:差圧式流量計(オリフィス+差圧計)
流量調節弁:電空変換ポリショナ付の調節弁(開度計無し)
流量推定:バルブ開度−流量の実測値から流量を推定
上記図2には、異常検出機能が無い場合の流量制御の動作を示す。
この図には、最上段のタイムチャートで、40秒から流量指示が異常となり、45秒で広範囲流量計指示値F1が0となり、その結果、2段目のF2−F1、最下段のFc−F1が共に所定値以上となり、異常が検出された例が示されている。
この実施例では、異常検出の後に流量制御をホールドし、流量調節弁1のバルブ開度を一定とする措置を施したので、対象プロセスに大きな影響が及ぶことを防止できた。
以上説明したとおり、本発明によれば、流量制御系の異常を簡便且つ確実に検出可能となる。又、流量制御系のセンサやアクチュエータが徐々に劣化したり、プロセスの状態が変わったような場合でも、その変化を事前に検出することが可能である。そのため、制御系の異常を迅速に発見でき、設備の点検や改善を行なうことにより、重大な設備や品質のトラブルを未然に防止することが可能となる。
本発明では、流量推定値と一般流量計による実測値とを比較するようにしてもよい。
又、広範囲流量計としては、電磁式流量計、熱流式流量計、渦式流量計等も利用でき、一般流量計としては、ピトー管式流量計等も利用できる。
1…流量調節弁
2…広範囲流量計
3…一般流量計
4…流量制御装置
5…異常判定回路
10…関数変換器
11…流量換算器
13、14…流量比較器
2…広範囲流量計
3…一般流量計
4…流量制御装置
5…異常判定回路
10…関数変換器
11…流量換算器
13、14…流量比較器
Claims (12)
- 流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定方法であって、
前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定すると共に、
得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較し、比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定することを特徴とする流量制御の異常判定方法。 - 前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Cv値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のCv値から求めることを特徴とする請求項1に記載の流量制御の異常判定方法。
- 前記流量推定値を、前記Cv値と、流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の推定値又は実測値とから求めることを特徴とする請求項2に記載の流量制御の異常判定方法。
- 前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めることを特徴とする請求項1に記載の流量制御の異常判定方法。
- 広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常であると判断することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の流量制御の異常判定方法。
- 流量実測値又は弁動作の異常を検出した場合は、制御動作を保持することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の流量制御の異常判定方法。
- 流量調節弁により流量が調節される流通路に、広流量範囲を計測する広範囲流量計と、一般的な流量範囲を計測する一般流量計とが設置され、流量制御装置により前記流量調節弁を調節して流量を制御する流量制御系において流量制御の異常を検出する異常判定装置であって、
前記流量調節弁の弁開度から、該調節弁で調節される流量を推定する推定手段と、
得られた流量推定値と、広範囲流量計及び一般流量計の少なくとも一方により測定された流量実測値とを比較する比較手段と、
比較結果に基づいて流量測定の異常又は流量調節弁の異常を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする流量制御の異常判定装置。 - 前記流量推定値を、予め設定されている弁開度−Cv値の関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して得られる弁のCv値から求めることを特徴とする請求項7に記載の流量制御の異常判定装置。
- 前記流量推定値を、前記Cv値と、流体比重・温度・1次圧力・2次圧力の推定値又は実測値とから求めることを特徴とする請求項8に記載の流量制御の異常判定装置。
- 前記流量推定値を、予め求めてある弁開度と流量との関係に、前記弁開度の実績値又は設定値を適用して求めることを特徴とする請求項7に記載の流量制御の異常判定装置。
- 広範囲流量計の流量実測値と一般流量計の流量実測値とを比較し、比較結果に基づいていずれかの流量実測値が異常であると判断することを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の流量制御の異常判定装置。
- 流量実測値又は弁動作の異常を検出した場合は、制御動作を保持することを特徴とする請求項7乃至11のいずれかに記載の流量制御の異常判定装置。
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JP2004083147A JP2005267572A (ja) | 2004-03-22 | 2004-03-22 | 流量制御の異常判定方法及び装置 |
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---|---|---|---|---|
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2004
- 2004-03-22 JP JP2004083147A patent/JP2005267572A/ja active Pending
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