JP5066474B2 - 流量制御システム - Google Patents

Description

この発明は、流路を流れる流体の流量を制御する流量制御システムに関するものである。

従来より、この種の流量制御システムとして、空調機への熱媒体（冷温水）の流量を制御する空調制御システムがある（例えば、特許文献１，２参照）。この空調制御システムでは、空調機への冷温水の供給通路に流量制御バルブを設置し、この流量制御バルブ内の弁体を駆動して、冷温水が流れる流路の開閉量を調節するようにしている。

通常、流量制御バルブは、空調制御装置から設定開度信号を受信する一方、弁開度センサによって計測される弁体の実開度信号も受信し、設定開度信号と実開度信号とが一致するように弁体の駆動を制御する。このような流量制御バルブを開度制御型の流量制御バルブと呼んでいる。

一方、近年では、流量制御バルブ自身に流路を流れる流体の実流量を計測する手段を付加させ、空調制御装置からは従来の設定開度信号に相当する設定流量信号を流量制御バルブに送り、流量制御バルブにおいて受信した設定流量信号と計測した実流量とが一致するように弁体の駆動を制御するものも提案されている。このような流量制御バルブを流量制御型の流量制御バルブと呼んでいる。

さらに、流量制御バルブには、例えば特許文献３に示されているように、開度制御型と流量制御型とを組み合わせ、開度制御と流量制御の何れかを選択することが可能な流量制御バルブもある。

特開平１１−２１１１９１号公報 特開平０６−２７２９３５号公報 特開２００３−２３２６５８号公報

しかしながら、上述した従来の流量制御型の流量制御バルブでは、実流量を計測する手段に異常が生じて、実流量が計測不能に陥ったり、あるいは、計測された実流量が正しくない場合、もはや正確な流量制御を行うことができないので、システムを停止せざるを得なかった。

また、上述した開度制御と流量制御の何れかを選択することが可能な流量制御バルブであっても、制御の選択は自動的には行えず、人為的に行うしかないので、実流量を計測する手段に異常が生じたことを保守員が知らなければ対処できないし、保守員が現場に到着するまで対処できないという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、流量制御が行えなくなった場合、開度制御に自動的に移行するようにして、システムを停止することなく、制御を続行することができる流量制御システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、流体が流れる流路を形成する管路と、この管路の流路の開閉量を調節する弁体と、この弁体を駆動するモータと、このモータによって駆動される弁体の実開度を検出する弁開度検出手段と、管路内の弁体の上流側の流体圧力を１次圧力として検出する１次側圧力センサと、管路内の弁体の下流側の流体圧力を２次圧力として検出する２次側圧力センサと、１次側圧力センサが検出する１次圧力と、２次側圧力センサが検出する２次圧力と、弁開度検出手段が検出する実開度とに基づいて流路を流れる流体の実流量を計測する実流量計測手段と、この実流量計測手段によって計測される流体の実流量の正常／異常を判断する実流量正常異常判断手段と、この実流量正常異常判断手段によって異常と判断された場合、実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量として選択出力するモードから、弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量として選択出力するモードに切り替えるモード切替手段と、このモード切替手段から選択出力される被制御量を入力とし、この被制御量が弁体に対して与えられる制御量の設定値と一致するように、モータによる弁体の駆動を制御するバルブ制御手段とを一体的に備えた流量制御バルブを用いて管路を流れる流体の流量を制御する流量制御システムであって、実流量正常異常判断手段は、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用する流体圧力の値に基づいて流体の実流量の正常／異常を判断することを特徴とする。

この発明によれば、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用する流体圧力の値に基づいて流体の実流量の正常／異常が判断され、実流量計測手段によって計測される流体の実流量が異常と判断されると、実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量（フィードバック量）として選択出力するモードから、弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量（フィードバック量）として選択出力するモードに切り替えられ、この選択出力される被制御量（弁体の実開度）が弁体に対して与えられる制御量の設定値と一致するように、弁体の駆動が制御されるようになる。これにより、実流量が異常と判断された場合、それまでの流量制御から開度制御に自動的に切り替えられるものとなる。

本発明において、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の正常／異常の判断は、さらに、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の値に基づいて判断するようにしたり、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用するパラメータの収集／非収集に基づいて判断するようにしたりしてもよい。

例えば、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の値が予め定められている異常閾値を超えた場合、実流量の異常と判断する。また、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用する流体圧力の値が通信異常によって収集できなかった場合、実流量の異常と判断する。

また、本発明において、実流量正常異常判断手段での判断結果が異常から正常に戻った場合、弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量として選択出力するモードから、実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量として選択出力するモードに切り替えるようにすれば、実流量が正常に得られるようになった時点で、それまでの開度制御から流量制御に自動的に復帰させることができるようになる。一般に、流量制御の方が開度制御よりも精度よく流体の流量を制御することができるので、実流量が正常に得られるようになった場合、開度制御から流量制御に戻すようにすることが望まれる。

本発明によれば、実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用する流体圧力の値に基づいて流体の実流量の正常／異常が判断され、実流量計測手段によって計測される流体の実流量が異常と判断されると、実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量として選択出力するモードから、弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量として選択出力するモードに切り替えられ、この選択出力される被制御量（弁体の実開度）が弁体に対して与えられる制御量の設定値と一致するように弁体の駆動が制御されるものとなり、流量制御が行えなくなった場合、開度制御に自動的に移行するようにして、システムを停止することなく、制御を続行することができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る流量制御システムが適用された空調制御システムの一例を示す計装図である。

図１において、１は冷温水を生成する熱源機、２は熱源機１が生成する冷温水を搬送するポンプ、３は複数の熱源機１からの冷温水を混合する往ヘッダ、４は往水管路、５は往ヘッダ３から往水管路４を介して送られてくる冷温水の供給を受ける空調機、６は還水管路、７は空調機５において熱交換され還水管路６を介して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、８は往ヘッダ３から空調機５に供給される冷温水の流量を制御する流量制御バルブ、９は空調機５から送り出される給気の温度を計測する給気温度センサ、１０は空調制御装置、１１は空調機５のコイル、１２は送風機である。

この空調制御システムにおいて、ポンプ２より圧送され熱源機１により熱量が付加された冷温水は、往ヘッダ３において混合され、往水管路４を介して空調機５へ供給され、空調機５を通過して還水管路６により還水として還ヘッダ７へ至り、再びポンプ２によって圧送され、以上の経路を循環する。例えば、冷房運転の場合、熱源機１では冷水が生成され、この冷水が循環する。暖房運転の場合、熱源機１では温水が生成され、この温水が循環する。

空調機５は、制御対象エリアから空調制御システムに戻る空気（還気）と外気との混合気を、冷温水が通過するコイル１１によって冷却または加熱し、この冷却または加熱された空気を給気として送風機１２を介して制御対象エリアに送り込む。空調機５は、冷房運転と暖房運転で共通のコイル１１を用いるシングルタイプの空調機である。

図２はこの空調制御システムにおける流量制御バルブ８の要部を示す図である。流量制御バルブ８は、空調機５を通過した冷温水が流入する流路を形成する管路１３と、この管路１３を流れる流体の流量（流路の開閉量）を調節する弁体１４と、この弁体１４を駆動するモータ１５と、弁体１４の実開度を弁開度θｐｖとして検出する弁開度検出器１６と、表示部１７と、空調制御装置１０や監視装置（図示せず）との間の通信を仲介する通信インタフェース１８，１９と、設計流量記憶部２０と、実流量異常閾値記憶部２１と、異常圧力閾値記憶部２２と、管路１３内の弁体１４の上流側の流体の圧力を１次圧力Ｐ１として検出する１次側圧力センサ２３と、管路１３内の弁体１４の下流側の流体の圧力を２次圧力Ｐ２として検出する２次側圧力センサ２４と、処理部２５とを備えている。

処理部２５は、バルブ制御部２５Ａと、実流量計測部２５Ｂと、実流量正常異常判断部２５Ｃと、制御モード切替部２５Ｄと、制御モード通知部２５Ｅとを備えている。実流量正常異常判断部２５Ｃは、実流量値監視部２５Ｃ１と、圧力値監視部２５Ｃ２と、通信異常監視部２５Ｃ３とを備えている。

実流量計測部２５Ｂは、１次側圧力センサ２３からの流体の１次圧力Ｐ１と、２次側圧力センサ２４からの流体の２次圧力Ｐ２と、弁開度検出器１６からの弁開度θｐｖを入力とし、これらのパラメータから管路１３を流れている流体の実流量ＱＲを実流量の計測値として算出する。

制御モード切替部２５Ｄはモード切替スイッチＳＷ１を備えている。モード切替スイッチＳＷ１は、実流量正常異常判断部２５Ｃからの正常／異常の判断結果に基づいて、そのスイッチの接続モードが制御される。このモード切替スイッチＳＷ１の制御については後述するが、実流量正常異常判断部２５Ｃからの判断結果が正常であれば、接点Ａ側への接続モードとされ、実流量正常異常判断部２５Ｃからの判断結果が異常であれば、接点Ｂ側への接続モードとされる。初期状態において、モード切替スイッチＳＷ１は、接点Ａ側への接続モードとされている。

この処理部２５におけるバルブ制御部２５Ａ、実流量計測部２５Ｂ、実流量正常異常判断部２５Ｃ、制御モード切替部２５Ｄと、制御モード通知部２５Ｅはプログラムに従うＣＰＵの処理機能として実現される。

なお、この実施の形態において、設計流量記憶部２０には、この流量制御バルブ８に対して定められた運用上の設計流量ＱＤが格納されている。また、実流量異常閾値記憶部２１には、実流量計測部２５Ｂによって計測される管路１３を流れる流体の実流量ＱＲの値に対し、その正常範囲の上下限を定める上限閾値Ｑｔｈ１および下限閾値Ｑｔｈ２が格納されている。また、異常圧力閾値記憶部２２には、１次側圧力センサ２３によって検出される１次圧力Ｐ１の値に対する上限閾値Ｐ１ｔｈ１および下限閾値Ｐ１ｔｈ２と、２次側圧力センサ２４によって検出される２次圧力Ｐ２の値に対する上限閾値Ｐ２ｔｈ１および下限閾値Ｐ２ｔｈ２とが格納されている。

また、通信異常監視部２５Ｃ３は、１次側圧力センサ２３によって検出される１次圧力Ｐ１及び２次側圧力センサ２４によって検出される２次圧力Ｐ２が収集されるか否か監視しており、圧力センサが故障もしくは通信線が切断された場合などにより、少なくとも何れか一方の圧力が収集できなかった場合（非収集時）に通信異常と判断し、制御モード切替部２５Ｄのモード切替スイッチＳＷ１を接点Ｂ側への接続モードに切り替える。

以下、処理部２５における各部の機能を交えながら、この流量制御バルブ８における特徴的な処理動作について説明する。なお、この例では、制御対象エリアの温度を設定温度に保つべく、制御量の設定値として０〜１００％の値をとる制御設定指令が空調制御装置１０より流量制御バルブ８へ与えられるものとする。

〔正常時〕
流量制御バルブ８において、空調制御装置１０からの制御設定指令（０〜１００％）は、通信インタフェース１８を介してバルブ制御部２５Ａへ与えられる。この時、制御モード切替部２５Ｄにおけるモード切替スイッチＳＷ１は、接点Ａ側への接続モードとされている。

したがって、バルブ制御部２５Ａには、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲが被制御量（フィードバック量）として入力される。また、この時、制御モード通知部２５Ｅは、制御モード切替部２５Ｄにおける実流量ＱＲのバルブ制御部２５Ａへの選択出力状態より現在の制御モードが流量制御モードであると判断し、その旨をバルブ制御部２５Ａに通知する。

なお、制御モード通知部２５Ｅは、現在の制御モードが流量制御モードであること表示部１７に表示するとともに、通信インタフェース１９を介して空調制御装置１０や監視装置へ出力する。

バルブ制御部２５Ａは、制御モード通知部２５Ｅからの現在の制御モードが流量制御モードであることの通知を受けて、設計流量記憶部２０Ｄから設計流量ＱＤを読み出し、設計流量ＱＤを１００％値として空調制御装置１０からの制御設定指令（０〜１００％）を流量に換算する。そして、この流量に換算した制御設定指令と実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲとが一致するように、モータ１５へ指令を送り、弁体１４の駆動を制御する。

〔異常時〕
この弁体１４の駆動の制御中、実流量正常異常判断部２５Ｃでは、実流量計測部２５Ｂにおいて計測される実流量ＱＲに対する正常／異常を判断する。

この場合、実流量値監視部２５Ｃ１では、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲの値を入力とし、この実流量ＱＲの値と実流量異常閾値記憶部２１に格納されている上限閾値Ｑｔｈ１および下限閾値Ｑｔｈ２と比較し、実流量ＱＲの値がその上下限閾値によって定められる正常範囲に入っていない状態が所定時間継続した場合、実流量ＱＲの異常と判断する。

圧力値監視部２５Ｃ２では、１次側圧力センサ２３からの１次圧力Ｐ１の値および２次側圧力センサ２４からの２次圧力Ｐ２の値を入力とし、異常圧力閾値記憶部２２に格納されている１次圧力Ｐ１に対する上限閾値Ｐ１ｔｈ１および下限閾値Ｐ１ｔｈ２、２次圧力Ｐ２に対する上限閾値Ｐ２ｔｈ１および下限閾値Ｐ２ｔｈ２と比較し、１次圧力Ｐ１の値および２次圧力Ｐ２の値の少なくとも一方がその上下限閾値によって定められる正常範囲に入っていない状態が所定時間継続した場合、実流量ＱＲの異常と判断する。

通信異常監視部２５Ｃ３では、１次側圧力センサ２３からの１次圧力Ｐ１および２次側圧力センサ２４からの２次圧力Ｐ２を入力とし、１次側圧力センサ２３もしくは２次側圧力センサ２４の故障、あるいは通信線の切断などの通信異常によって１次圧力Ｐ１や２次圧力Ｐ２が収集できなかった場合（非収集時）、異常と判断する。

実流量値監視部２５Ｃ１、圧力値監視部２５Ｃ２、通信異常監視部２５Ｃ３は、実流量ＱＲの異常と判断すると、その判断結果を制御モード切替部２５Ｄへ送り、制御モード切替部２５Ｄにおけるモード切替スイッチＳＷ１を接点Ｂ側への接続モードに切り替える。

これにより、バルブ制御部２５Ａには、それまでの実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲに代えて、弁開度検出器１６からの実開度θｐｖが被制御量（フィードバック量）として入力される。また、この時、制御モード通知部２５Ｅは、制御モード切替部２５Ｄにおける実開度θｐｖのバルブ制御部２５Ａへの選択出力状態より現在の制御モードが開度制御モードであると判断し、その旨をバルブ制御部２５Ａに通知する。

なお、制御モード通知部２５Ｅは、現在の制御モードが開度制御モードであること表示部１７に表示するとともに、通信インタフェース１９を介して空調制御装置１０や監視装置へ出力する。

バルブ制御部２５Ａは、制御モード通知部２５Ｅからの現在の制御モードが開度制御モードであることの通知を受けて、空調制御装置１０からの制御設定指令（０〜１００％）と弁開度検出器１６からの実開度θｐｖとが一致するように、モータ１５へ指令を送り、弁体１４の駆動を制御する。

これにより、実流量ＱＲが異常と判断された場合、それまでの流量制御から開度制御に自動的に切り替えられるものとなり、システムを停止することなく、制御を続行することができるようになる。

〔異常から正常への復帰〕
実流量正常異常判断部２５Ｃでの判断結果が異常から正常に戻ると、すなわち実流量値監視部２５Ｃ１、圧力値監視部２５Ｃ２、通信異常監視部２５Ｃ３での判断結果が全て正常となると、制御モード切替部２５Ｄにおけるモード切替スイッチＳＷ１が接点Ａ側への接続モードに切り替えられる。

これにより、バルブ制御部２５Ａには、それまでの弁開度検出器１６からの実開度θｐｖに代えて、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲが被制御量（フィードバック量）として入力される。また、この時、制御モード通知部２５Ｅは、制御モード切替部２５Ｄにおける実流量ＱＲのバルブ制御部２５Ａへの選択出力状態より現在の制御モードが流量制御モードであると判断し、その旨をバルブ制御部２５Ａに通知する。

バルブ制御部２５Ａは、制御モード通知部２５Ｅからの現在の制御モードが流量制御モードであることの通知を受けて、設計流量記憶部２０Ｄから設計流量ＱＤを読み出し、設計流量ＱＤを１００％値として空調制御装置１０からの制御設定指令（０〜１００％）を流量に換算する。そして、この流量に換算した制御設定指令と実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲとが一致するように、モータ１５へ指令を送り、弁体１４の駆動を制御する。

これにより、実流量ＱＲが正常に得られるようになった時点で、それまでの開度制御から流量制御に自動的に復帰するようになる。一般に、流量制御の方が開度制御よりも精度よく流体の流量を制御することができる。このため、本実施の形態では、実流量ＱＲが正常に得られるようになった時点で、開度制御から流量制御に戻すようにしている。

本発明に係る流量制御システムが適用された空調制御システムの一例を示す計装図である。 この空調制御システムにおいて使用する流量制御バルブの要部を示す図である。

符号の説明

１…熱源機、２…ポンプ、３…往ヘッダ、４…往水管路、５…空調機、６…還水管路、７…還ヘッダ、８…流量制御バルブ、９…給気温度センサ、１０…空調制御装置、１１…コイル、１２…送風機、１３…管路、１４…弁体、１５…モータ、１６…弁開度検出器、１７…表示部、１８，１９…通信インタフェース、２０…設計流量記憶部、２１…実流量異常閾値記憶部、２２…異常圧力閾値記憶部、２３…１次側圧力センサ、２４…２次側圧力センサ、２５…処理部、２５Ａ…バルブ制御部、２５Ｂ…実流量計測部、２５Ｃ…実流量正常異常判断部、２５Ｃ１…実流量値監視部、２５Ｃ２…圧力値監視部、２５Ｃ３…通信異常監視部、２５Ｄ…制御モード切替部、２５Ｅ…制御モード通知部、ＳＷ１…モード切替スイッチ。

Claims (4)

1. 流体が流れる流路を形成する管路と、
   この管路の流路の開閉量を調節する弁体と、
   この弁体を駆動するモータと、
   このモータによって駆動される弁体の実開度を検出する弁開度検出手段と、
   前記管路内の前記弁体の上流側の流体圧力を１次圧力として検出する１次側圧力センサと、
   前記管路内の前記弁体の下流側の流体圧力を２次圧力として検出する２次側圧力センサと、
   前記１次側圧力センサが検出する１次圧力と、前記２次側圧力センサが検出する２次圧力と、前記弁開度検出手段が検出する実開度とに基づいて前記流路を流れる流体の実流量を計測する実流量計測手段と、
   この実流量計測手段によって計測される流体の実流量の正常／異常を判断する実流量正常異常判断手段と、
   この実流量正常異常判断手段によって異常と判断された場合、前記実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量として選択出力するモードから、前記弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量として選択出力するモードに切り替えるモード切替手段と、
   このモード切替手段から選択出力される被制御量を入力とし、この被制御量が前記弁体に対して与えられる制御量の設定値と一致するように、前記モータによる弁体の駆動を制御するバルブ制御手段とを一体的に備えた流量制御バルブを用いて前記管路を流れる流体の流量を制御する流量制御システムであって、
   前記実流量正常異常判断手段は、前記実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用する流体圧力の値に基づいて前記流体の実流量の正常／異常を判断する
   ことを特徴とする流量制御システム。
2. 請求項１に記載された流量制御システムにおいて、
   前記実流量正常異常判断手段は、さらに、
   前記実流量計測手段によって計測される流体の実流量の値に基づいて前記流体の実流量の正常／異常を判断する
   ことを特徴とする流量制御システム。
3. 請求項１に記載された流量制御システムにおいて、
   前記実流量正常異常判断手段は、さらに、
   前記実流量計測手段によって計測される流体の実流量の計測過程で使用するパラメータの収集／非収集に基づいて前記流体の実流量の正常／異常を判断する
   ことを特徴とする流量制御システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された流量制御システムにおいて、
   前記モード切替手段は、
   前記実流量正常異常判断手段での判断結果が異常から正常に戻った場合、前記弁開度検出手段によって検出される弁体の実開度を被制御量として選択出力するモードから、前記実流量計測手段によって計測される流体の実流量を被制御量として選択出力するモードに切り替える
   ことを特徴とする流量制御システム。

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