JP6088455B2

JP6088455B2 - ポジショナ

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Publication number: JP6088455B2
Application number: JP2014047228A
Authority: JP
Inventors: 耕一郎村田; 洋輔稲垣
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: JP2015169327A; US20150261225A1; EP2918880A1; CN104913096A; EP2918880B1; US9563208B2; CN104913096B

Description

この発明は、バルブの開度を制御するポジショナに関するものである。

従来より、バルブの開度を制御するポジショナとして、例えば図４にその要部の構成を示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。同図において、１００は上位装置、２００（２００Ａ）はポジショナ、３００はバルブである。

ポジショナ２００Ａは、制御演算部１と電空変換部２と空気回路部３と弁開度検出器（弁開度検出部）４とを備えており、バルブ３００に組み付けられている。以下、このポジショナ２００Ａを一体型のポジショナと呼ぶ。

この一体型のポジショナ２００Ａにおいて、弁開度検出器４は、バルブ３００の現在の開度を検出し、実開度信号Ｘｐｖとして制御演算部１へ送る。制御演算部１は、上位装置から送られてくるバルブ３００に対する開度設定信号Ｘｓｐと弁開度検出器４からの実開度信号Ｘｐｖとを入力とし、開度設定信号Ｘｓｐと実開度信号Ｘｐｖとの偏差を求め、この偏差にＰＩＤ制御演算を施して得られるＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を制御信号ＭＶとして生成し、電空変換部２へ送る。

電空変換部２は、制御演算部１からの制御信号ＭＶを空気圧（ノズル背圧）Ｐｎに変換する。空気回路部３は、電空変換部２からの空気圧Ｐｎを入力空気圧とし、この入力空気圧Ｐｎを増幅して出力空気圧Ｐｏを生成し、バルブ３００の操作器（図示せず）へ出力する。これにより、操作器内のダイアフラム室に空気圧Ｐｏの空気が流入し、バルブ３００の開度が調整される。

なお、制御演算部１は、制御状態の変化からバルブ３００の診断を行い、その診断結果を上位装置１００へ送るというような機能も備えている。このバルブ診断機能によって、プラントの安定操業やメンテナンスコストの削減を実現することが可能となる。図５に空気圧の変化からバルブ３００の診断を行うようにしたポジショナ２００の一例を示す。

このポジショナ２００（２００Ｂ）では、第１の圧力センサ５と第２の圧力センサ６とを設け、第１の圧力センサ５でバルブ３００における空気回路部３からの出力空気圧Ｐｏ（操作器のダイアフラム室に流入する出力空気圧）を検出し、第２の圧力センサ６で空気回路部３からのバルブ３００への出力空気圧Ｐｏを検出し、この第１の圧力センサ５および第２の圧力センサ６で検出した空気圧を検出空気圧信号Ｓ１およびＳ２として制御演算部１へ送るようにしている。制御演算部１は、第１の圧力センサ５から送られてくる検出空気圧信号Ｓ１と第２の圧力センサ６から送られてくる検出空気圧信号Ｓ２とに基づいてバルブ３００の診断を行う。例えば、第１の圧力センサ５が検出する空気圧と第２の圧力センサ６が検出する空気圧との差から空気漏れの検知を行う。

この空気圧による診断機能を備えた一体型のポジショナ２００Ｂでは、制御演算部１と電空変換部２と空気回路部３と弁開度検出器４と第１の圧力センサ５と第２の圧力センサ６とが１つのケース１０に収容され、このケース１０がバルブ３００に組み付けられている。このため、バルブ３００の振動やバルブ３００を流れる流体の温度の影響を受け易いという難点がある。

そこで、振動や温度の影響を受け難くするために、図６に示すように、ケース１０を第１のケース１０−１と第２のケース１０−２とに分け、第１のケース１０−１に弁開度検出器４と第１の圧力センサ５とを収容してバルブ３００に組み付けると共に、制御演算部１と電空変換部２と空気回路部３と第２の圧力センサ６とを第２のケース１０−２に収容してバルブ３００から離間した位置に配置するようにしたポジショナ２００（２００Ｃ）とすることが考えられる（例えば、特許文献２参照）。以下、このポジショナ２００Ｃを分離型のポジショナと呼ぶ。

なお、第１のケース１０−１に収容した弁開度検出器４からの実開度信号Ｘｐｖおよび第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１は、第２のケース１０−２に端子台７を設け、この端子台７と弁開度検出器４との間をケーブル６−１および６−２で接続することにより、制御演算部１へ送るようにする。

特開２０１２−２０７７５６号公報意匠登録第１１２８４９２号公報

しかしながら、この分離型のポジショナ２００Ｃでは、弁開度検出器４と制御演算部１との間がケーブル６−１で、また圧力センサ５と制御演算部１との間がケーブル６−２で延長されることで、弁開度検出器４からの実開度信号Ｘｐｖ（強度の弱いアナログ電流信号）および圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１（強度の弱いアナログ電流信号）がノイズの影響を受け易くなる。このため、次のような問題が生じる。

(１)ノイズの影響を受けた実開度信号Ｘｐｖで制御演算を行うため、制御に与える影響が大きい。
(２)ノイズの影響を受けた検出圧力信号Ｓ１でバルブ３００の診断を行うため、診断結果に与える影響が大きい。
(３)弁開度検出器４および圧力センサ５と制御演算部１との間が端子台７を介してケーブル６−１および６−２で接続されるため、端子へのノイズ試験が必要になる。また、端子に雷対策などを行うと、ポジショナは大型になってしまう。また、雷対策後の追加部品により信号自体が変化する可能性がある。
(４)微小変化を伝送している実開度信号Ｘｐｖおよび検出圧力信号Ｓ１の信号ラインへ印加するノイズ試験を行う必要がある。
(５)弁開度検出器４および圧力センサ５と制御演算部１とが離れているため、弁開度検出器４および圧力センサ５の温度補正が難しい。
(６)第２のケース１０−２を安全区域に設置すると、この部分の防爆構造は不要となるが、弁開度検出器４および圧力センサ５と端子台７との間のケーブル６−１および６−２が長くなるので、実開度信号Ｘｐｖおよび検出圧力信号Ｓ１へのノイズの影響が大きくなる。

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、ノイズの影響を受け難いポジショナ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、上位装置から送られてくるバルブに対する開度設定信号とバルブの現在の開度を示す実開度信号とを入力とし、この開度設定信号と実開度信号とから制御信号を生成する制御演算部と、制御演算部からの制御信号を空気圧に変換する電空変換部と、電空変換部が変換した空気圧を入力空気圧とし、この入力空気圧を増幅して出力空気圧とし、この出力空気圧をバルブへ出力する空気回路部と、バルブの現在の開度を検出し制御演算部への実開度信号とする弁開度検出部と備えたポジショナにおいて、制御演算部を構成する第１の演算部および第２の演算部と、バルブにおける空気回路部からの出力空気圧を検出する第１の圧力センサと、空気回路部からのバルブへの出力空気圧または電空変換部からの空気回路部への入力空気圧を検出する第２の圧力センサと、第１の演算部と弁開度検出部と第１の圧力センサとを収容する第１のケースと、第２の演算部と電空変換部と空気回路部と第２の圧力センサとを収容する第２のケースとを備え、第１のケースはバルブに組み付けられ、第２のケースはバルブから離間した位置に設置され、第１の演算部は、上位装置から送られてくる開度設定信号と弁開度検出部から送られてくる実開度信号と第１の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とし、第２の演算部は、第１の演算部からの出力信号と第２の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とすることを特徴とする。

この発明では、制御演算部が第１の演算部と第２の演算部とで構成され、第１の演算部と弁開度検出部と第１の圧力センサとが第１のケースに収容され、第２の演算部と電空変換部と空気回路部と第２の圧力センサとが第２のケースに収容され、第１のケースがバルブに組み付けられ、第２のケースがバルブから離間した位置に設置される。また、第１の演算部は、上位装置から送られてくる開度設定信号と弁開度検出部から送られてくる実開度信号と第１の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とし、第２の演算部は、第１の演算部からの出力信号と第２の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とする。この構成において、第１のケースに収容されている第１の演算部から第２のケースに収容されている第２の演算部に対して出力信号が送られるが、この出力信号は第１の演算部を通すことにより、デジタル信号や強度の強いアナログ信号などノイズの影響を受け難い信号とすることが可能である。

なお、本発明の１構成例として、第１の演算部において、上位装置から送られてくる開度設定信号と弁開度検出部から送られてくる実開度信号とから制御信号を生成して第２の演算部に送るようにし、第２の演算部において、第１の演算部を介して送られてくる第１の圧力センサからの検出圧力信号と第２の圧力センサからの検出圧力信号とに基づいてバルブの診断を行うようにすることが考えられる。

また、本発明の１構成例として、第１の演算部において、上位装置から送られてくる開度設定信号と弁開度検出部から送られてくる実開度信号とから制御信号を生成して第２の演算部に送る一方、第２の演算部を介して送られてくる第２の圧力センサからの検出圧力信号と第１の圧力センサからの検出圧力信号とに基づいてバルブの診断を行うようにすることが考えられる。

また、本発明の１構成例として、第１の演算部において、上位装置から送られてくる開度設定信号と弁開度検出部から送られてくる実開度信号、および、第１の圧力センサからの検出圧力信号と第２の圧力センサからの検出圧力信号とから制御信号を生成して第２の演算部に送るようにすることが考えられる。

本発明において、第１の演算部と第２の演算部とは制御演算部を構成する演算部であり、制御演算部の機能を第１の演算部と第２の演算部とにどのように分担させるかは自由である。

本発明によれば、制御演算部を第１の演算部と第２の演算部とで構成し、第１の演算部と弁開度検出部と第１の圧力センサとを第１のケースに収容し、第２の演算部と電空変換部と空気回路部と第２の圧力センサとを第２のケースに収容し、第１のケースをバルブに組み付け、第２のケースをバルブから離間した位置に設置するようにしたので、第１のケースに収容されている第１の演算部から第２のケースに収容されている第２の演算部に対してデジタル信号や強度の強いアナログ信号などを出力信号として送るようにして、ノイズの影響を受け難くすることが可能となる。

本発明に係るポジショナの一実施の形態の要部を示す構成図である。圧力センサを搭載した従来のポジショナ（「一体型」のポジショナ、「従来の分離型」のポジショナ）と本発明に係るポジショナ（「演算・空気分離型」のポジショナ）の各種項目についての比較を示す図である。電空変換部からの空気回路部への入力空気圧Ｐｎを第２の圧力センサが検出する空気圧とした例を示す図である。従来の一体型のポジショナの構成を示す図である。圧力センサを搭載した従来の一体型のポジショナの構成例を示す図である。圧力センサを搭載した従来の分離型のポジショナの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るポジショナの一実施の形態の要部を示す構成図である。同図において、図６と同一符号は図６を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

本実施の形態のポジショナ２００（２００Ｄ）では、制御演算部１を第１の演算部１−１と第２の演算部１−２とで構成し、第１のケース１０−１に第１の演算部１−１と弁開度検出器（弁開度検出部）４と第１の圧力センサ５とを収容し、第２のケース１０−２に第２の演算部１−２と電空変換部２と空気回路部３と第２の圧力センサ６とを収容している。

また、第１の演算部１−１と弁開度検出器４と第１の圧力センサ５とを収容した第１のケース１０−１をバルブ３００に組み付け、第２の演算部１−２と電空変換部２と空気回路部３と第２の圧力センサ６とを収容した第２のケース１０−２をバルブ３００から離間した位置に設置している。

このポジショナ２００Ｄも図６に示したポジショナ２００Ｃと同じ分離型のポジショナとされているが、第１のケース１０−１には演算系統である第１の演算部１−１と弁開度検出器４と第１の圧力センサ５とを収容し、第２のケース１０−２には空気系統である第２の演算部１−２と電空変換部２と空気回路部３と第２の圧力センサ６とを収容し、演算系統と空気系統とを分離させている。

すなわち、このポジショナ２００Ｄでは、演算系統と空気系統とを切り離し、演算系統をバルブ３００に組み付け、空気系統をバルブ３００から離間した位置に設置している。なお、第１のケース１０−１と第２のケース１０−２とでは、それぞれ別の電源を各部に供給するようにしている。

また、このポジショナ２００Ｄでは、上位装置１００から送られてくる開度設定信号Ｘｓｐと弁開度検出器４から送られてくる実開度信号Ｘｐｖと第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１とを第１の演算部１−１への入力とし、第１の演算部１−１からの出力信号〔制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’（デジタル信号に変換された検出圧力信号Ｓ１）〕と第２の圧力センサ６からの検出圧力信号Ｓ２とを第２の演算部１−２への入力としている。

この場合、第１のケース１０−１側から第２のケース１０−２側へは、弁開度検出器４からの実開度信号Ｘｐｖや第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１ではなく、第１の演算部１−１からの出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）が送られる。すなわち、第１の演算部１−１から第２の演算部１−２にケーブル６を通して、第１の演算部１−１からの出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）が送られる。

このケーブル６を通して送られる出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）はデジタル信号であるので、すなわち制御信号ＭＶはＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）であり、検出圧力信号Ｓ１’はデジタル信号に変換された検出圧力信号Ｓ１であるので、ノイズの影響を受け難いものとなる。

なお、この例では、第１の演算部１−１からの出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）をケーブル６を通して第２の演算部１−２へ送るようにしているが、すなわち第１の演算部１−１からの出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）を有線で第２の演算部１−２へ送るようにしているが、無線で送るようにしてもよい。また、第１の演算部１−１からの出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）は、必ずしもデジタル信号でなくてもよく、強度の強いアナログ信号としてもよい。

第２の演算部１−２は、第１の演算部１−１から出力信号（制御信号ＭＶ＋検出圧力信号Ｓ１’）が送られてくると、制御信号ＭＶを電空変換部２へ送る一方、検出圧力信号Ｓ１’すなわちデジタル信号に変換された第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１と第２の圧力センサ６からの検出圧力信号Ｓ２とに基づいてバルブ３００の診断を行う。この例では、第１の圧力センサ５が検出する空気圧と第２の圧力センサ６が検出する空気圧との差から空気漏れの検知を行う。この第２の演算部１−２での診断結果は、ケーブル６を通して第１の演算部１−１へ送られ、第１演算部１−１から上位装置１００へと送られる。なお、第２の演算部１−２での診断結果をポジショナ２００Ｄにおいて表示するなどしてもよい。

このポジショナ２００Ｄでは他にも次のような効果が得られる。以下、このポジショナ２００Ｄを演算・空気系統分離型のポジショナと呼ぶ。
(１)弁開度検出器４と演算部１−１とを一体にすることで、ノイズの影響を受けやすい実開度信号Ｘｐｖの信号ラインを延長する必要がない。
(２)圧力センサ５と演算部１−１とを一体にすることで、ノイズの影響を受けやすい検出空気圧信号Ｓ１の信号ラインを延長する必要がない。
(３)微小変化を伝送しているラインへのノイズ試験の必要はなく、従来と同様の対策で対ノイズ性能が得られる。
(４)ノイズ試験項目削減による開発期間の短縮、および開発コストの削減ができる。
(５)弁開度検出器４と圧力センサ５と演算部１−１のみであれば、小型化は容易であり、従来の分離型と同様の耐振動性が得られる。
(６)弁開度検出器４と圧力センサ５と演算部１−１とが同じ場所にあるので、弁開度検出器４および圧力センサ５の温度補正が正確にできる。
(７)弁開度検出器４と圧力センサ５と演算部１−１のみを樹脂モールドすることで防爆構造にできる。
(８)演算部１−２と電空変換部２と空気回路部３と圧力センサ６とを安全区域に設置することで、この部分の防爆構造が不要となり、コストを削減できる。

図２に、従来の一体型のポジショナ２００Ｂ（図５）を「一体型」とし、従来の分離型のポジショナ２００Ｃ（図５）を「従来の分離型」とし、本実施の形態のポジショナ２００Ｄ（図１）を「演算・空気分離型」とした場合の各種項目についての比較を示す。

なお、上述した実施の形態では、第２の圧力センサ６によって空気回路部３からのバルブ３００への出力空気圧Ｐｏを検出するようにしたが、図３に示すように、電空変換部２からの空気回路部３への入力空気圧Ｐｎを検出するようにし、その検出した空気圧を検出空気圧信号Ｓ２として第２の演算部１−２へ送るようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、第２の演算部１−２において、第１の演算部１−１からの検出圧力信号Ｓ１’（デジタル信号に変換された検出圧力信号Ｓ１）と第２の圧力センサ６からの検出圧力信号Ｓ２とに基づいてバルブ３００の診断を行うようにしたが、第１の演算部１−１において、第２の演算部１−２からの検出圧力信号Ｓ２’（デジタル信号に変換された検出圧力信号Ｓ２）と第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１とに基づいてバルブ３００の診断を行うようにしてもよい。

また、第１の演算部１−１において、第１の圧力センサ５からの検出圧力信号Ｓ１と第２の演算部１−２からの検出圧力信号Ｓ２’とを制御信号ＭＶを求める際のＰＩＤ制御演算に反映させるようにして、高速制御を行わせるようにしてもよい。また、第２の演算部１−２において、開度設定信号Ｘｓｐと実開度信号Ｘｐｖとの偏差にＰＩＤ制御演算を施して制御信号ＭＶを求めるようにしたりしてもよく、制御演算部１の機能を第１の演算部−１と第２の演算部１−２とにどのように分担させるかは自由である。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…制御演算部、１−１…第１の演算部、１−２…第２の演算部、２…電空変換部、３…空気回路部、４…弁開度検出器（弁開度検出部）、５…第１の圧力センサ、６…第２の圧力センサ、１０−１…第１のケース、１０−２…第２のケース、１００…上位装置、２００（２００Ｄ）…ポジショナ、３００…バルブ。

Claims

上位装置から送られてくるバルブに対する開度設定信号と前記バルブの現在の開度を示す実開度信号とを入力とし、この開度設定信号と実開度信号とから制御信号を生成する制御演算部と、
前記制御演算部からの制御信号を空気圧に変換する電空変換部と、
前記電空変換部が変換した空気圧を入力空気圧とし、この入力空気圧を増幅して出力空気圧とし、この出力空気圧を前記バルブへ出力する空気回路部と、
前記バルブの現在の開度を検出し前記制御演算部への実開度信号とする弁開度検出部と備えたポジショナにおいて、
前記制御演算部を構成する第１の演算部および第２の演算部と、
前記バルブにおける前記空気回路部からの出力空気圧を検出する第１の圧力センサと、
前記空気回路部からの前記バルブへの出力空気圧または前記電空変換部からの前記空気回路部への入力空気圧を検出する第２の圧力センサと、
前記第１の演算部と前記弁開度検出部と前記第１の圧力センサとを収容する第１のケースと、
前記第２の演算部と前記電空変換部と前記空気回路部と前記第２の圧力センサとを収容する第２のケースとを備え、
前記第１のケースは前記バルブに組み付けられ、
前記第２のケースは前記バルブから離間した位置に設置され、
前記第１の演算部は、
前記上位装置から送られてくる開度設定信号と前記弁開度検出部から送られてくる実開度信号と前記第１の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とし、
前記第２の演算部は、
前記第１の演算部からの出力信号と前記第２の圧力センサからの検出圧力信号とを入力とする
ことを特徴とするポジショナ。
請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記第１の演算部は、
前記上位装置から送られてくる開度設定信号と前記弁開度検出部から送られてくる実開度信号とから前記制御信号を生成して前記第２の演算部に送り、
前記第２の演算部は、
前記第１の演算部を介して送られてくる前記第１の圧力センサからの検出圧力信号と前記第２の圧力センサからの検出圧力信号とに基づいて前記バルブの診断を行う
ことを特徴とするポジショナ。
請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記第１の演算部は、
前記上位装置から送られてくる開度設定信号と前記弁開度検出部から送られてくる実開度信号とから前記制御信号を生成して前記第２の演算部に送る一方、前記第２の演算部を介して送られてくる前記第２の圧力センサからの検出圧力信号と前記第１の圧力センサからの検出圧力信号とに基づいて前記バルブの診断を行う
ことを特徴とするポジショナ。
請求項１に記載されたポジショナにおいて、
前記第１の演算部は、
前記上位装置から送られてくる開度設定信号と前記弁開度検出部から送られてくる実開度信号、および、前記第１の圧力センサからの検出圧力信号と前記第２の圧力センサからの検出圧力信号とから前記制御信号を生成して前記第２の演算部に送る
ことを特徴とするポジショナ。