制御弁の構成部品の故障を検出するための診断方法

专利摘要:
請求の範囲に記載の方法及びシステムはプロセス制御弁（１０）の構成部品の故障及び/又は劣化を特定する。このシステムは、異なるセンサの組み合わせを使用し、一様でない構成部品の完全性を計算するために必要なデータを提供する。警報が可能性のある構成部品の完全性の問題を示すために生成される。特に、当該システムは、アクチュエータのばね（３７）、空気管及びベローズ・シール（３６）における可能性ある劣化及び/又は故障を検出する。請求の範囲に記載のシステムは、より詳細な警報システムを提供するためにプロセス制御ネットワークに通信可能に接続される。さらに、追加の統計的方法が当該システムの検出精度を改善するために用いられる。
公开号:JP2011513832A
申请号:JP2010548754
申请日:2009-01-16
公开日:2011-04-28
发明作者:ガレン；デイル ウィルケ，
申请人:フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー；
IPC主号:G05D7-06

专利说明:

[0001] この特許は、一般的には、加工プラントにおける診断法及び保守、特に、加工プラント内の制御弁の故障を減らす又は防止する方法で加工プラント内に診断能力を提供することに関する。]
背景技術

[0002] 産業プロセスにおける制御弁の故障は、ほとんどの場合、プラントの操業に影響を与える。一般的に、制御弁の故障は、制御信号に対する制御弁の応答に影響を与える。特に、制御弁は制御信号に対する応答が悪化する又は遅延することとなり、これによりは、プロセスの変動を引き起こすような制御性能の低下をもたらし、プラントのオペレータに対する経費が高くつき、さらに悪い場合には、危険な状態へと導く。したがって、制御弁の悪化つまり劣化を早期に検出することによって、加工プラントの運転途絶を防止するように制御弁を規則的、定期的に保守することを可能とする。]
発明が解決しようとする課題

[0003] 制御弁の性能低下はいくつかの理由のために起こり得る。一般的に、構成部品の劣化が主な要因である。しかしながら、部品の劣化は、典型的には、制御弁が例えば構成部品の故障のために正常に機能しないところまで制御弁の働きが低下する際のみに検出され、この時点においては、保守点検を実施するには遅すぎる可能性がある。保守点検への取り組みの一つは、定期的に、制御弁の構成部品を物理的な検査に付することである。しかしながら、この選択肢は、制御弁を使用するプロセス制御ループが遮断され及び/又は制御弁が検査のために取り除かれ又は分解される必要があるため、費用がかかる。]
課題を解決するための手段

[0004] １つもしくは複数の開示した実施例によれば、特許請求された方法及びシステムによってプロセス制御弁の構成部品の故障又は劣化を特定する。ある実施例では、前記特許請求された方法及びシステムが、アクチュエータばね、空気管類及びベローズシールにおける劣化及び/又は故障を検出する。]
[0005] 一実施例では、空気式制御弁におけるアクチュエータばねの劣化又は故障が、アクチュエータの圧力とアクチュエータ・ロッドの移動とを監視することにより検出され得る。]
[0006] 一実施例では、制御弁におけるベローズの劣化又は故障が、ベローズ室の圧力と弁の運動とを監視することにより検出され得る。]
[0007] 一実施例では、アクチュエータにおける漏洩源が特定され得る。一実施例では、機器の管又はダイアフラムの一方における漏れが検出され得る。]
図面の簡単な説明

[0008] 制御弁を示す図である。
制御弁の断面図である。
直動型の弁の構造を示す図である。
逆方向稼働の弁の構造を示す図である。
ばねの劣化を決定するように設定された制御弁の実施例を示す図である。
ばねの劣化を検出するためのプロセスの例を示す図である。
制御弁内に取り付けられたベローズ・シールを示す図である。
ベローズの故障を検出するためのプロセスの例を示す図である。
空気式アクチュエータにおける漏れを特定するように適合された制御弁の実施例を示す図である。
アクチュエータ漏れの構成部品を特定するためのプロセスの例を示す図である。
ポジショナの排出口がアクチュエータの排出口に流体移動可能に接続された空気式アクチュエータの構造を示す図である。
変更を加えられた複動式ポジショナを使用する漏れ検出システムの実施例を示す図である。
検出アルゴリズムを実行するために使用可能な計算装置を示す図である。
検出モジュールの実施例を示す図である。
１つもしくは複数の制御弁及び検出モジュールを実装する加工プラントのプロセス制御システムを示す図である。]
実施例

[0009] 図１は、プロセス制御システム、例えば、加工プラントで使用され得る制御弁組立体１０を示す。制御弁組立体１０は弁１２と、アクチュエータ２２と、制御弁機器つまりポジショナ３４とを含む。弁１２は弁本体１４と、入口ポート１６と、出口ポート１８とを含み、また、アクチュエータ２２は弁帽２０と、空気式ダイアフラム・ケーシング４０とを含む。弁帽２０を経て弁棒３２を配置することが可能であり、該弁棒は弁１２を作動させるために用いることができる。ヨーク３０が弁帽２０に取り付けられ又は設けられてもよい。ヨーク３０は図１に示すように弁帽２０に接続されてもよいが、他の実施例では、ヨーク３０は弁本体１４の他の場所に据え付けられてもよい。ヨーク３０は、空気式ダイアフラム・ケーシング４０を弁本体１４に結合するために用いられてもよい。弁棒３２は、後述する弁棒組立体１５の一部を形成することができるものであって、空気式ダイアフラム・ケーシング４０から弁１２へと力を伝達するように適合することができ、これにより弁１２の動作を制御する。] 図１
[0010] 空気式ポジショナ３４はヨーク３０に取り付けてもよい。ポジショナ３４はアクチュエータ２２を制御するために用いてもよい。一般的に、ポジショナ３４のようなポジショナは電空のものからなり、また禁止態様下で制御弁組立体１０を動作させるためにプロセス制御ループ内で使用してもよい。すなわち、ポジショナ３４は、Ｉ/Ｐ（圧力に対する電流）回路（構成部品は図示せず）で電子入力信号を受け取ることにより、前記電子入力信号を空気出力信号に変換するように動作し、これがアクチュエータ２２を駆動する。この出力圧力信号は前記空気式ダイアフラム・ケーシングに直接付与されてもよく、次いで、前記電子入力信号に比例するように流動を制御すべく前記弁に前記空気信号を結合する。]
[0011] 図２は、図１に示す制御弁組立体１０の断面を示す。類似の部材が同様に表示されていることに留意されたい。図２は、入口ポート１６と、出口ポート１８と、入口ポート１６及び出口ポート１８間でこれらに連なる通路１１とを規定する弁本体１４を示す。通路１１が貫通する弁本体１４内に弁座１３を配置してもよい。弁棒組立体１５は、前記通路内に配置され弁座１３に対して移動可能である弁プラグ１７から構成されてもよく、これにより弁本体１４を経る流体流れを制御する。弁棒組立体１５は、さらに、弁プラグ１７に結合され弁帽２０内の孔１９（例えば、弁本体の開口）を経て伸びる弁棒３２を含む。弁棒組立体１５が上昇されて弁プラグ１７と弁座１３との間のポートが開くと、通路１１を経る流体の流れが増大する。弁棒組立体１５の下降は、前記ポートを閉じ、弁プラグ１７が弁座１３に完全に係合するまで（図２に示す）流体の流れを減少させ、これにより通路１１を経るさらなる流体の流れを阻止する。] 図１ 図２
[0012] 弁棒組立体１５は、該弁棒組立体を昇降動作させるためにアクチュエータ２２に連結させてもよい。アクチュエータ２２は、アクチュエータ・ロッド３５に連結されたダイアフラム３６を収容するダイアフラム・ケーシング４０を含む。ダイアフラム３６は、一組（１つもしくは複数）のアクチュエータばね３７により偏倚されてもよい。図２に示す実施例は、ダイアフラム３６がディスク３８とボルト３９とを介してアクチュエータ・ロッド３５に連結されてもよいことを示すが、この技術分野において公知の他の締結手段も同様に使用可能である。図２に示すように、弁棒３２は弁棒コネクタ３３によりアクチュエータ・ロッド３５に連結されてもよい。アクチュエータ２２は、アクチュエータ・ロッド３５を昇降させるように動作可能であり、その結果、弁棒組立体１５を昇降させる。アクチュエータ２２のダイアフラム・ケーシング４０はヨーク３０により弁本体１２の上方に担持されまた配置されてもよい。] 図２
[0013] アクチュエータ２２は、ポジショナ３４により制御される空気式アクチュエータであってもよい。ポジショナ３４は、流体源（図示せず）からの加圧気体を受け入れる流体圧力源入口ポート４２を有してもよい。ポジショナ３４は、アクチュエータ・ダイアフラム・ケーシング２２の入口ポート４４に流体移動可能に連結された出口ポート４３を有してもよい。前記アクチュエータ・ダイアフラム・ケーシングは、ダイアフラム・ケーシング４０の非加圧側に設けられた排出口４５を有してもよい。図２に示す実施例は、排出出口ポート４５がポジショナ３４に連結されてもよいことを示すが、出口４５が周囲の大気に開放するようにすることも一般的である場合がある。ポジショナ３４は、一般的に、加圧空気源（図示せず）のような加圧源からダイアフラム・ケーシング４０に付与される気体の総量及び時期を制御するように動作できる。気体が前記アクチュエータの入口ポート４４に付与されると、前記アクチュエータの室、例えば室４６内の圧力がアクチュエータ・ロッド３５に対して、付与圧力とアクチュエータ・ダイアフラム３６の有効面積とに比例する力を与える。したがって、ダイアフラム３６が変位すると、下方の室４７の容積が出口ポート４５を通る流体を調達し又は沈める場合がある。] 図２
[0014] 図２は複数のばね３７を用いる空気式アクチュエータの例を示すが、いくつかの空気式アクチュエータでは単一のばねのみが用いられることに注目すべきである。このような例が図３Ａ及び図３Ｂに示されている。図３Ａ及び図３Ｂにおいては、単一のばね４８及び４９が用いられ、それぞれ、ダイアフラム５１及び５３を偏倚させる。図３Ａは、ばね４８が押し下げ閉鎖構造弁のためのアクチュエータ・ロッド５５を偏倚させる直動型構造を示し、これに対して、図３Ｂは、ばね４９が押し下げ開放構造弁のためのアクチュエータ・ロッド５７を偏倚させる逆方向稼働構造を示す。] 図２ 図３Ａ 図３Ｂ
[0015] （異常な制御弁動作の検出）
ここに記載したシステムは、劣化状態にある複数の制御弁構成部品を特定することにより、弁の性能低下の原因を決定するのに役立つ。特に、不良状態にあるか又は予想の性能域外で動作する可能性のある制御弁構成部品を決定しかつ特定するため、種々のセンサ信号がここに記載のアルゴリズムと共に用いられてもよい。すなわち、前記システムは、前記制御弁が致命的に機能不全に陥る前に構成部品の劣化の早期検出を可能にすることができる。]
[0016] 一実施例では、本システムが、アクチュエータばね、空気管類及び/又はベローズ・シールのような構成部品に起因する制御弁の機能低下を監視する場合がある。制御弁においては、アクチュエータの応答が、前記アクチュエータを偏倚させるために用いられるアクチュエータばねの劣化により悪影響を受ける場合がある。前記ばねが劣化するにつれて、前記弁をその動作状態（開又は閉）に切り替えるための応答時間が遅延する可能性がある。アクチュエータの応答は、さらに、空気通路（例えば、空気の出口及び入口への管並びに該出口及び入口からの管）における漏れ、又はアクチュエータ・ダイアフラムの一部若しくは全部の故障により、影響を受ける可能性がある。加えて、制御弁の応答は、前記制御弁のプロセス環境を外部雰囲気（例えば、制御弁を取り巻く環境）から隔てるために使用されるベローズ・シールの劣化に悩まされる可能性がある。ここに記載の前記システムは、前記した構成部品のうちの１つもしくは複数の劣化を検出し又は予測するために用いてもよい。]
[0017] （アクチュエータばねの故障又は劣化の検出）
ばねの故障は、制御弁の応答時間の減少（すなわち停滞）を生じさせる一つの故障態様である。図３Ａ及び図３Ｂに示すようなアクチュエータにおける前記単一のばねの劣化は、故障を即時に引き起こす。多数ばねのアクチュエータでは、単一ばねの故障は制御弁の故障又は制御不能を即時に引き起こすことがない場合がある。しかしながら、多数ばねアクチュエータにおける単一のばねの故障でも、前記弁の動作範囲を制限し又は弁座に対する荷重を低減させ、これにより前記弁内での弁座漏れを増大させるアクチュエータの推力を減少させるアクチュエータの不均一荷重を生じさせる可能性がある。また、単一ばねの故障は、複数の他のばねが間もなく故障するかもしれないことを示す可能性がある。] 図３Ａ 図３Ｂ
[0018] 一般的に、ばねの悪化は、前記ばねの腐食又は酸化のようないくつかの要因、あるいは疲労のような構造的又は機械的な破壊のために起こる可能性がある。これらの状況のいずれかが、前記ばねが該ばねの他の物理的パラメータ間での弾性の減少を示すようにさせる可能性がある。]
[0019] 前記したように、アクチュエータばねの劣化検出システムは、ばねの劣化又は故障を予測又は検出するように実行することができ、その結果、予防策が採られ、保守費用及び高価につく操業停止を少なくする。前記ばね劣化検出システムは、既存のプロセス制御システムにおいて実施することができ、又は独立して機能する演算器として組み込むことができる。一般的に、前記ばね劣化検出システムが、演算器で動作するハードウエア又はソフトウエアとして実装され得る。]
[0020] 一実施例においては、アクチュエータばね定数の現在値を算出し及び監視することが、ばねの劣化を検出するために用いられ得る。この実施例では、ばね定数が算出され、また最初の又は指定のばね定数値と比較され得る。前記算出されたばね定数が、前記最初の又は指定された値から予め定められた閾値を超えるとき、ばねの劣化又は故障が検出され得る。他の実施例では、前記ばね定数値を算出するため、アクチュエータ圧力と弁移動とが監視されかつ測定され得る。次の式が、前記ばね定数値を算出するために用いられ得る。]
[0021] ΔＰＡ＝ΔＴＫa]
[0022] ここにおいて、ΔＴは弁の移動距離であり、ΔＰはアクチュエータに付与された圧力の変化であり、Ａは前記アクチュエータのダイアフラムについての有効ダイアフラム面積であり、また、Ｋaはばね定数である。]
[0023] 図４Ａは、アクチュエータにおけるばね劣化を決定するために使用され得る制御弁の一実施例を示す。図２及び図４Ａの共通の部品は同じように表示されている。図４Ａは、ポジション・センサ４０１が制御弁組立体１０の位置、運動及び/又は移動に関するデータを提供できることを示す。弁１２の移動は、アクチュエータ・ロッド３５の動作に基づく可能性がある。図２に示すように、アクチュエータ・ロッド３５が、弁棒３２と、弁棒コネクタ３３と、弁プラグ１７とに動作可能に連結され得る。したがって、この組の複数の構成部品のうちの任意の１つの移動の測定が、前記組の複数の構成部品のうちの任意の部材の移動を示し得る。] 図２ 図４Ａ
[0024] 圧力センサ４０３が、上方の圧力室４６に付与される圧力を示すデータを提供できる。]
[0025] 加えて、デバイス４０５が、移動センサ４０１又は圧力センサ４０３の一方又は双方からのセンサ・データを受け取るために用いられ得る。デバイス４０５は、さらに後述するように、ばねの故障を検出しかつ指示すべく一つのアルゴリズムを実行することができる。図４Ａに示すデバイス４０５はポジショナ３４から分離して示されているが、デバイス４０５はポジショナ３４の一部として実装されることが可能である。その実例は、例えば、ポジショナ３４がプロセッサ及びメモリを有するデジタル式ポジショナからなる場合である。] 図４Ａ
[0026] 図４Ｂは、アクチュエータばねの劣化を検出するためのプロセスの実施例を示す。ブロック４１０において、前記弁の移動（例えば、アクチュエータ・ロッド３５、コネクタ３３又は弁棒３２の移動）が検知され得る。一実施例では、前記弁の位置が定期的に標本抽出され、また、２つの標本抽出された位置間の差に基づいて移動が決定され得る。ブロック４１１において、付与された圧力が検知され得る。一実施例では、前記付与圧力を定期的に標本抽出し、２つの標本抽出された測定値間の差をとることにより、付与圧力の変化が検知され得る。一実施例では、前記位置及び付与圧力の標本抽出のための時期が合わされ得る。換言すると、位置及び付与圧力の双方の標本抽出が共通の期間にわたって同時になされ得る。] 図４Ｂ
[0027] ブロック４１３において、前記アクチュエータばねの現在のばね定数が決定され得る。例えば、特定の期間に、弁の移動距離が対応する圧力変化と共に測定され得る。一実施例では、第１の時期における前記弁の第１の位置を記録することができ、また、第２の時期における前記弁の第２の位置を記録することができ、ここにおいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の差が弁移動距離ΔＴとして算出され得る。前記弁移動の間、付与されたアクチュエータ圧力に対応する変化が起こり得る。このアクチュエータ圧力の変化は、前記弁が前記第１の位置にあるときの第１の時刻における前記アクチュエータ圧力を記録し、次いで前記弁が前記第２の位置に到達する第２の時刻における前記アクチュエータ圧力を記録することにより、測定され得る。次に、２つの圧力の測定値の差が圧力の変化ΔＰとして用いられ得る。]
[0028] ブロック４１４においては、算出された現在のばね定数値間の差が最初のばね定数値と比較され得る。前記現在及び最初のばね定数値が予め定められた閾値を超えて異なる場合は、ばねの故障又はばねの劣化の指示が発生され得る（４１５）。前記現在及び最初のばね定数値の差が前記閾値を超えない場合は、前記プロセスが繰り返され得る。前記最初のばね定数値は（例えば、製造業者が）提供することができ、あるいは、前記最初のばね定数を決定するためにブロック４１０−４１３が用いられ得る。]
[0029] 前記閾値は、前記アクチュエータばね又は複数のアクチュエータばねの耐用年数に基づくレベルに設定され得る。例えば、前記閾値は、１つ又は複数の交換ばねが予定に入れられ及び/又は組み込まれるまで前記ばねが前記弁を維持するのに有用な寿命を有するポイントまで前記ばねが劣化することを指示するレベルに設定され得る。]
[0030] 一実施例において、弁移動ΔＴは、一方向への前記弁の単一の連続した運動についてのみ算出され得る。換言すると、この実施例では、前記弁が第１の位置と第２の位置との間を移動する間に方向を変えることなしに連続的に前記第１の位置から前記第２の位置へ移動するとき、弁移動が移動距離とされるだけである。この実施例では、端点（例えば、そこでは弁移動が物理的に制限される）間の運動は、弁移動ΔＴに含まれ得ない。]
[0031] 一実施例において、前記アクチュエータは複数のばねを含む。これは図２に示されている。この例では、前記ばね定数は複数のばねの効果を代表するようにばね定数の総計とされ得る。この実施例では、前記閾値を適切に設定することにより、単一のばねの故障が検出され得る。特に、前記閾値は、前記ばねの数量と前記ばね定数の総計に対する各ばねの平均寄与とに基づき得る。例えば、前記複数のばねにおけるこれらのばねのうちの一つが取り除かれている場合は（例えば、完全な故障）、前記閾値は総ばね定数の差に対応するように設定される。他の例では、１つもしくは複数のばねが最低の機能まで劣化しているもののいずれのばねも完全な故障に至っていないとき、前記閾値は前記総ばね定数の差を反映するように設定され得る。一実施例において、前記閾値は、動作中の前記弁の摩擦とヒステリシスとを克服するのに必要とされるばねの数量に基づいて設定され得る。この実施例では、前記閾値は、弁の性能が低減又は低下する前に前記システムがばねの問題点を示すように設定され得る。] 図２
[0032] 一実施例において、前記閾値は次の式に基づいて設定される。




ここにおいて、ｎ＝ばねの総数であり、複数のばねでは、Ｋ１…Ｋｎで示される複数のばね定数が存在する。Ｋ１は、前記複数のばねのうちの第１のばねのばね定数を示す。]
[0033] （ベローズ・シールの劣化の検出）
図５Ａは、ベローズ・シールを使用する制御弁を示す。ベローズ５０１は、プロセス制御流体環境５０３から周囲プラント雰囲気５０５を隔てるための境界として用いてよい。例えば、ベローズ５０１は、有害又は有毒なプロセス制御アプリケーションにおいて必要とすることができ、ここにおいて、前記周囲プラント雰囲気からの有害な化学物質の封じ込めが必要とされる（例えば、労働安全危険局（ＯＳＨＡ）規制を参照）。] 図５Ａ
[0034] 一般的に、ベローズは、非常に薄い壁の管で形成された複数の深い襞を有し、また金属で製造される可撓性を有する１ピースの折り畳み可能で継ぎ目のない装置からなる。前記ベローズの襞の可撓性は、性質上、螺旋状の圧縮コイルばねの可撓性に似ている。制御弁の適用において、ベローズ５０１は、該ベローズの第１の端部５１４でベローズ・ガスケット５１１を用いて弁棒５０９の第１の部分５１３に固定されている。ベローズ５０１の第２の端部５１６は弁本体１４の一部５１８に固定されている。バルブ本体の一部５１８は弁帽２０の一部からなり得る。ベローズ５０１は前記制御弁内（例えば、５０３内）の制御流体を前記制御弁の外部の周囲雰囲気５０５から隔て、他方、弁棒５０９が多くの摩擦なしに自由に移動することを許す。ベローズの直径及び襞の数量は一般的には弁棒と弁帽室との間に適合するように定められるが、前記制御弁の装置及び型に応じて変わる。]
[0035] ベローズ５０１は、疲労（例えば、金属疲労）及び/又は腐食から、予測不可能で壊滅的な態様で壊れる。また、故障の可能性のため、充填部材５１５が補助的なシール構造として前記制御弁内に組み込まれ得る。ベローズにシールが施された弁は、通常、前記弁棒の頂部近傍にある弁棒５１７の第２の部分に追加の充填部材５１５又はシールを組み入れている。前記弁棒の第２の部分は弁本体の開口に関して移動可能である。充填物５１５は、ベローズ５０１が破れた場合に大気への弁棒５０９を通しての漏れに対する最後の防御として働き得る。]
[0036] 充填物５１５は、前記プロセスの流体と外部の雰囲気との間に追加の安全防御壁を提供するが、この充填物５１５は、実際に外部漏れが生じるまで、ベローズ・シールがいつ故障したかを検出することを困難にする可能性がある。一般的に、レベル及び流れの信号を示すために複数の圧力センサが用いられる。例えば、デジタル式ポジショナが、付与されたアクチュエータ圧力を検出すべく圧力センサに連結され得る。これらの圧力センサは、制御フィードバックを与えるように使用され得る。さらに、アクチュエータ・カップリング又は弁カップリングにおける低圧力を検出するため、制御弁内で複数の圧力トランスミッタが用いられ得る。しかしながら、この低圧力の測定値だけでは、ベローズの漏れと、弁の動きの影響又は前記ベローズの漏れと、制御弁の運動に影響を与える、前記充填物との間に閉じ込められた気体の温度の影響とを区別する情報を提供することができない。]
[0037] 図５Ａは、ベローズ・シールの劣化又は故障を検出するように適合された制御弁５０７を示す。特に、図５Ａは、充填物５１５とベローズ５０１との間の流体の圧力を検知できる圧力センサ５２０を示し、ここでは、ベローズ５０１と充填物５１５との間の空間が室５３０を形成し得る。第２のセンサ５３２が弁の移動を検知する。この実施例では、２つのセンサ（すなわち、ベローズ室圧力センサ５２０及び移動センサ５３２）がポジショナ５３４にセンサ測定値又はセンサ・データを与えることができる。次いで、ポジショナ５３４は、ベローズ故障の可能性を決定するために一つのアルゴリズム（さらに後述する）を適用することができる。いくつかのデジタル式ポジショナが弁移動（すなわち、ポジショナにより移動された距離又は異なる時刻における前記弁の位置）を検知するために既に適合されており、したがって、また、いくつかの実施例ではセンサ５３２がポジショナ５３４に組み入れられることに注目すべきである。] 図５Ａ
[0038] ベローズの故障は、次の条件が決定されたときに示される。]
[0039] （１）前記弁棒が進められ又は移動される間、室５３０内が一定圧力、又は
（２）前記弁棒の移動なしに室５３０の圧力の増大]
[0040] 上に記載された２つの検出条件は、理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴを用いて説明することができる。]
[0041] この適用において、Ｐは室Ａ内の圧力であってもよく、Ｖは室Ａの容積であってもよく、ｎは室Ａ内の気体のモル数であってもよく、Ｒは理想気体の定数であってもよく、また、Ｔは絶対温度であってもよい。一般的に、ベローズ５０１が機能しかつベローズ・ガスケット５１１がプロセス流体（例えば、前記制御弁のセクション５０３における流体）から室５３０を適切に密封する限り、室５３０の容積は弁の移動によってのみ影響を受ける。したがって、ベローズ５０９とベローズ・ガスケット５１１とに故障がなければ、圧力と移動とは反比例の状態にあるはずである。特に、圧力と移動とは、積ｎＲＴにより、反比例の状態にあるはずである。しかしながら、ベローズ５０９が漏れ又は破れると、室５３０の圧力と容積との関係が歪められる可能性がある。したがって、漏れ又は破れがあると、前記した条件が室５３０の圧力と容積との間の関係を示す可能性がある。]
[0042] 図５Ｂは、制御弁におけるベローズ又はベローズ・ガスケット又はシールの故障を検出するためのプロセス又はアルゴリズムの一例を示す。ブロック５４１において、弁棒の移動つまり運動が検知又は測定される。一実施例では、前記弁棒の位置が定期的に標本抽出され、２つの標本抽出された位置間の差に基づいて移動が決定され得る。ブロック５４２において、前記ベローズ室の圧力の変化が検知され得る。一実施例では、ベローズ室の圧力の変化が、前記室の圧力を定期的に標本抽出しかつ２つの標本抽出された測定値間の差を取ることにより検知され得る。一実施例では、前記弁棒の位置及び前記ベローズ室の圧力の標本抽出のための期間が同じにされ得る。換言すると、位置及び付与圧力の双方の標本抽出は、共通の期間にわたって同時にすることができる。] 図５Ｂ
[0043] ブロック５４３において、前記弁棒が移動しているかどうかを決定し得る。弁棒の移動がない場合は、ベローズ室の圧力変化５４４があるかどうかが決定され得る。一実施例では、圧力の変化が、前記弁棒が静止状態にあることが検知された期間と同じ期間内に決定され得る。弁棒の移動５４３がなく（すなわち、弁棒が静止状態にあった）かつ圧力変化がないときは、前記プロセスがブロック（５４１）から繰り返してもよい。弁棒がまだ静止状態（５４３）にあり、また、圧力変化があるときは、ベローズの故障の指示を生成することができる（５４６）。]
[0044] 弁棒が移動している場合（５４３）、ベローズ室内で対応する圧力変化があるかどうかが決定され得る（５４５）。５４５において、対応するベローズ室の圧力変化がある場合は、ブロック５４１において前記プロセスを繰り返してもよい。対応するベローズ室の圧力変化がない場合（５４５）、ベローズの故障の指示を生成することができる（５４６）。前記したように、条件付きのブロック５４５において対応する圧力変化があるかどうかを決定することは、前記弁の移動距離がベローズ室の圧力変化に反比例するかどうかを決定することを含み得る。ブロック５４５は、さらに、積ｎＲＴにより前記弁の移動距離がベローズ室の圧力変化に反比例するかどうかを決定することを含み得る。]
[0045] 一実施例では、任意のプロセスを次のように実行することができる。前記弁棒がブロック５４３においていくつかのサイクル間（例えば、ブロック５４３が弁棒の移動がないことを検出するいくつかの連続した時間の間）移動していない場合は、ブロック５４４がより長い時間にわたってベローズ室の圧力変化を監視することができる。この実施例では、室５３０におけるゆっくりとした圧力減少を監視することが、補助的な弁棒充填物の劣化又はベローズ・ガスケットにおける漏れを検出するために、用いることができる。ゆっくりした圧力減少が検出されると、充填物又はガスケットの故障指示が生成され得る。一実施例では、前記制御弁のプロセス（例えば、長い開又は閉の期間）の結果として、弁棒は静止状態にあり得る。一実施例では、室５３０の圧力低下があるかどうかを決定するために前記弁棒を一定期間意図的に止めてもよい。他の実施例では、ゆっくりした圧力減少の監視が、図５Ｂのプロセスと同時に実行される分離プロセスとして実行され得る。] 図５Ｂ
[0046] 図５Ｂは複数のブロックの特定の順序を示すが、これらのブロックは順次に配列し直され、この開示の範囲内にとどまることに注目すべきである。例えば、弁棒の移動を最初に確認することに代えて、前記ベローズ室内の圧力変化を最初に確認することができる。] 図５Ｂ
[0047] 図５Ａは、ポジショナ５３４がポジション・センサ５３２及び圧力センサ５２０から入力信号を受け取ることができることを示す。ポジショナ５３４は演算能力を有することができる。例えば、ポジショナはプロセッサとメモリとを有する演算装置（例えば、デジタル式ポジショナ）を含むことができ、図５Ｂに示すプロセスを実行するためのプログラム命令（例えば、メモリに記憶する）を実行するように適合され得る。図５Ａは、前記検出プロセス又はアルゴリズムがポジショナで実行され得ることを示すが、弁ポジショナから分離しかつ弁ポジショナとは異なる演算装置が２つのセンサ５２０及び５３２からのセンサ・データを収集しつまり受け取り、ベローズの故障を決定するためにここに記載した前記アルゴリズムを適用するように他の実施例において使用され得ることに注目すべきである。] 図５Ａ 図５Ｂ
[0048] 前記制御弁の本体内部の空洞５０３内の圧力の変化を単に測定する現今のシステムは、ベローズ又は充填物の故障を検出するための情報を提供できない。換言すると、現在のシステムは、誤った警告を発しやすい可能性がある。特に、圧力の変化（例えば、圧力低下）が弁棒の移動によるものであるのか、あるいは前記ベローズ室内（例えば、前記ベローズと前記充填物との間の）に閉じ込められた気体の温度変化の影響によるものであるのかを区別することが困難である。漏洩状態にない前記ベローズを通しての気体の透過は徐々に温度の上昇を引き起こし、誤った警告を与える可能性がある。同様に、前記制御弁の環境の周囲温度の上昇が誤った警告を与える可能性がある。]
[0049] 一実施例において、ベローズの漏れ又は故障が検出されると、保守が行われるまで前記制御弁の安全な動作を確保するために室Ａに不活性気体を吹き込むことができる。]
[0050] （空気管及びアクチュエータ・ダイアフラムの劣化の検出）
アクチュエータの漏れは制御弁の性能低下の一因であり、また２つの可能性ある漏洩領域は、空気式アクチュエータのための機器の空気管及び故障が起きたアクチュエータ・ダイアフラムにおける漏れ口である可能性がある。複数の圧力センサが空気式アクチュエータへの付与圧力を検出するために使用でき、また、前記圧力センサからのデータが異常な圧力作用（例えば、前記アクチュエータを経る過剰な気体流動）を示すことが可能で、これにより前記アクチュエータにおける漏れを指示する。しかしながら、このアクチュエータ漏れの原因及び場所は容易には特定するこができない。したがって、付与されたアクチュエータ圧力だけを監視することは、漏れやすいアクチュエータの構成部品を特定するための情報を提供できない。一実施例では、一つのアルゴリズムが、アクチュエータの構成部品の漏れによる制御弁の性能低下の原因を決定しかつ特定するために用いることができる。]
[0051] 図６Ａは、一組の空気式アクチュエータの構成部品における漏れ口を特定するように適合された制御弁の実施例を示す。ポジショナ３４は、該ポジショナを作動させまた検出アルゴリズムを実行するための演算装置（さらに後述する）を含むデジタル式ポジショナであり得る。図６Ａに示す実施例では、フロースイッチ９１をアクチュエータの排出口４５に設置し、かつポジショナ３４に配線することができる。この実施例では、アクチュエータの排出口４５をフロースイッチ９１の入口ポート９２に接続することができ、他方、フロースイッチ９１の出口ポート９３が周囲の大気に開放している。一般的に、フロースイッチは該フロースイッチの入口及び出口間の差圧を検知し、予め定められたフローレベルで電気的スイッチを作動させる。フロースイッチ９１は、市販のフロースイッチであってもよい。フロースイッチ９１は、動作に外部電源を必要としない受動素子であってもよい。] 図６Ａ
[0052] 一実施例では、フロースイッチ９１は、アクチュエータの排出口４５が気体を排出しているときを指示するため、アクチュエータの排出口４５に取り付けることができる。現今のデジタル式ポジショナにおいて、前記ポジショナは前記アクチュエータの室の圧力を監視するための診断法を含むことができる。例えば、前記したアクチュエータばねの例と同様、圧力センサが前記アクチュエータへの付与圧力を検知し、前記デジタル式ポジショナに測定値を提供することができる。前記したように、前記デジタル式ポジショナは、例えばアクチュエータの圧力低下が閾値を下回ったとき、何らかの漏れが存在することを検出することができる。しかしながら、おおまかなアクチュエータの圧力低下（例えば、前記ダイアフラム・ケーシングの室内の）を検知しただけでは、前記漏れの原因を特定するための情報を提供することができない。]
[0053] 図６Ａに示す装置を使用する一実施例では、前記漏れの原因を迅速に特定すべくあるアルゴリズムを用いることができる。図６Ｂは、漏れ検出アルゴリズム又はプロセスを示す。ブロック６００において、アクチュエータ圧力の低下がアクチュエータ漏れの指示を生成し得る。この漏れの指示が発せられ、受け取られ、又は気付かれると、前記ダイアフラムのフロースイッチが流れの状態を決定するためにポーリングを受ける可能性がある（６０１）。前記フロースイッチが、ブロック６０２において、気体が前記アクチュエータの排出口を通して排出されていることを示すときは、機器の管の漏れが存在する可能性がある。この状態が存在するとき、前記デジタル式ポジショナ又は検出装置が管の漏れの指示を生成することができる（６０３）。前記フロースイッチが、ブロック６０２において、気体が前記アクチュエータの排出口を通して排出されていないことを示す場合は、ブロック６０４が前記弁棒が運動しているか否かを決定できる。弁棒の運動は、存在する弁棒の移動により、又は前記弁及びアクチュエータ・ステムの位置/運動を検知する複数のポジション・センサにより決定され得る。弁棒の運動は、一般的に、排気の放出を生じさせる。したがって、前記弁棒が運動している場合は、前記漏れの原因を確定することができない。この場合には、前記プロセスは、フロースイッチ６０１に対するポーリングを再度行いまた前記プロセスの複数のブロックを繰り返すに先立ち、しばらくの間待つことができる（６０５）。前記フロースイッチがブロック６０２において排出を指示するときに６０４において前記弁棒が運動していないことが決定され場合、そのときにはダイアフラムの故障が存在する可能性がある。この場合には、故障のあるダイアフラムの指示又はダイアフラム故障の指示が生成され得る（６０６）。] 図６Ａ 図６Ｂ
[0054] 前記したように、前記フロースイッチは市販の受動フロースイッチであってもよい。例えば、前記フロースイッチは、GentechFCS-04又はMalema M-60/M064スイッチであってもよい。前記フロースイッチの異なる実施は、開いた又は閉じた排出口に対応する閉じたスイッチポジション又は開いたスイッチポジションを有することができる。上述の前記アルゴリズムは、前記スイッチの極性に適合するように適切に構成され得る。]
[0055] 一般的に、現今のばね及びダイアフラム・アクチュエータの様式は、前記アクチュエータの排出口側のばね及びダイアフラムに大気中腐食を負わせる可能性がある。この露出は前記ダイアフラムの寿命を短くし、また、海洋設備における塩分による又は一時的放出による大気中腐食は前記ばねの有効寿命を短くする。この問題に対する解決策は、図７に示すように、前記ポジショナの排出口を前記アクチュエータの排出口に接続することにある。図７は、ポジショナ３４の排出口５９がダイアフラム・ケーシング４０の排出口４５に流体移動可能に接続されていることを示す。この構成においては、ポジショナ３４がダイアフラム３６に圧力を付与しているとき、ダイアフラム３６及びダイアフラム・プレート３７の下方向への運動により、気体がアクチュエータの排出口４５から押し出される可能性がある。ポジショナ３４がアクチュエータ・ダイアフラム・ケーシング４０の室に排気すると、ダイアフラム３６が上方向に向けて（この構成において）運動し、放出された加圧空気がポジショナの排出口５９から、アクチュエータの排気口４５に接続された前記管に排出される。このように、アクチュエータ４９に流入する空気は、外部の大気ではなく、ポジショナの排出口５９からの最初の加圧空気である。その結果、前記ダイアフラムとばねとが最初に圧縮空気源からの圧縮空気に接し、この空気は、通常、潜在的に腐食性のある大気（例えば、湿気と塩分を運ぶ）ではなく、フィルタに通されまた乾燥されたものである。] 図７
[0056] 図８は、図７に示す原理に立脚する変更された複動式ポジショナ８３を使用する漏れ検出システムの実施例を示す。典型的な二重作動ポジショナ内に、２つの供給出口を前記アクチュエータに圧縮空気を供給するために設けることができ、ここにおいて、各供給出口はリレー８４のような指定の空気式リレーにより制御され得る。単一の圧縮空気供給のみを必要とするダイアフラム・アクチュエータ、例えば、アクチュエータ８５に前記二重作動ポジショナが設置されるときは、第２のリレーがフローメータ８６に置き換えられ得る。この場合、アクチュエータの排出口８７が、変更されたポジショナ８３に戻ってフロースイッチ８６に接続され得る。アクチュエータの排出口８７は、フロースイッチ８６を介してポジショナの排出口８８に接続され（内部接続通路は図示せず）、図７におけると同様の効果を生じさせることができる。このように、制御弁は、連結された排出口構成から腐食を防止するように前記した診断プロセスを実行するのに容易に適合され得る。したがって、ダイアフラム及びばね式アクチュエータへの組み込みのための二重動型ポジショナの変更は、ここに記載した診断様式の経済的な取り込みを提供し、またより魅力あるパッケージを提供することができる。さらに、現在ポジショナ８３自体の内部に配置されているフロースイッチ８６は、前記ポジショナの回路に容易に一体化され又は接続され得る。] 図７ 図８
[0057] 故障のある管又は故障のあるアクチュエータ・ダイアフラムの検出及び特定の利点は、一つの欠陥を他の欠陥から改善するためのコストの差にある。一般的に、管の漏れはこの分野では短期間内に、容易に入手可能である材料を使って簡単に改善することができ、また、前記弁が点検から除外され又はオフラインされることを必要としなくてもよい。例えば、場合によっては、前記改善は単に取付具の締め付けを含む可能性がある。他方、ダイアフラムの故障は、入手不可能である予備の部品を必要とし、また元通りにするのに著しく長い期間を要する可能性がある。さらに、ダイアフラムの故障は、前記アクチュエータが分解される間に前記制御弁がオフラインされることを必要とする可能性がある。]
[0058] （演算装置の実行）
前記プロセス又はアルゴリズムは、前記制御弁の動作の間に弁の構成部品の劣化を検出し及び/又は構成部品の故障を特定するための演算装置において実行され得る。前記劣化を検出するアルゴリズムは検出モジュールに組み込むことができる。検出モジュールという用語は、ここでは、センサ・データのようなデータを集め、また前記した欠陥又は故障事象のような事象を決定するためにこのデータについてのある処理を行う任意のタイプのブロック又はエレメントに言及するために使用されることに注目すべきである。結果として、この用語は、これらのエレメントが機能ブロックの形態であるかあるいは他の型のブロック、プログラム、ルーティン又はエレメントであるかを問わず、この機能を果たすソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア及び/又は他のエレメントに及ぶように意図されている。]
[0059] 図９は、検出アルゴリズムを実行するように使用され得る演算装置を示す。演算装置５０の複数の構成部品は処理装置５２と、システムメモリ５４と、さまざまなシステム部品を処理装置５２に接続するシステム・バス５６とを含むが、しかし、これらに限定されない。メモリ５４は、処理装置５２によりアクセス可能である任意の入手可能なメディアであってもよく、揮発性及び不揮発性の両メディア、取り外し可能及び取り外し不可能の両メディアを含む。ユーザは、キーボードやポインティング・デバイスのようなユーザ入力装置６６を介して演算装置５０にコマンド及び情報を入力することができる。これらの及び他の入力装置が、システム・バス５６に接続され得るユーザ入力インターフェース６０を介して、処理装置５２に接続され得る。また、モニタ又は他の型のディスプレイ装置が、ユーザ・インターフェース６０を介して、プロセッサ５２に接続さ得る。他のインターフェース及びバス構造もまた使用され得る。特に、複数の他のデバイス（例えば、複数のセンサ）からの複数の入力信号６２が入出力（Ｉ/Ｏ）インターフェース５８を介して演算装置５０に受け取られ、また、演算装置１２０からの出力信号６４が入出力（Ｉ/Ｏ）インターフェース５８により他の複数の装置に供給され得る。インターフェース５８及び６０は、システム・バス５６を介して、種々のデバイスをプロセッサ５２に接続する。] 図９
[0060] 図１０は、図９に示す演算装置５０に組み込まれた検出モジュール７０を示す。一実施例では、図１０に示された検出モジュール７０が、アクチュエータに付与された圧力の変化及び弁移動距離のような入力信号を受け取ることにより空気式制御弁におけるアクチュエータのばねの悪化を検出するためのアルゴリズムを実行するために、使用され得る。] 図１０ 図９
[0061] 論理ブロック７２が一組（すなわち、１つもしくは複数）のセンサ又は測定信号７４を受け取り、前記組のプロセス信号７４（例えば、差、平均等）のパラメータを算出することができる。算出された１つ又は複数のパラメータは、規則ブロック７８に含まれる規則に従って動作する検出ブロック７６により受け取られ得る。規則ブロック７８は、例えば、演算装置５０(図９)のメモリ５４の一部内に組み込まれており、さらに後述するように、劣化し又は故障を起こした構成部品を検出するためのアルゴリズムを規定することができる。] 図９
[0062] 一実施例では、第１の組の算出されたパラメータが被処理値ブロック８０に記憶され得る。前記被処理値は、例えば、演算装置５０により算出され、また定期的に更新され得る。例えば、一実施例では、前記被処理値は、論理ブロック７２であって第１の動作期間、典型的には前記プロセスの通常動作の間又は構成フェーズの間の期間の間に名目上又は通常の複数のパラメータを生成し又は獲得する論理ブロック７２により生成され得る。これらの名目上のパラメータは、次に、さらなる使用のために被処理値ブロック８０に被処理値として記憶され得る。この動作は、特定の動作条件のための被処理値８０の動的調整を可能にする。この状況では、複数のパラメータ（前記被処理値ために用いられ得る）は、前記プロセス又は動作状況に基づいてユーザが選択可能である期間中監視され得る。一実施例では、演算装置５０のような演算装置が前記被処理値を生成させ又は受け取り、あるいは前記被処理値を他のプロセス装置に伝達するように使用され得る。]
[0063] 規則ブロック７８は、前記した構成部品の故障を検出し又は特定するための規則を含むことができる。例えば、規則ブロック７８は、構成部品の故障を決定するための前記した１つもしくは複数のプロセスを実行するプログラム命令を含むことができる。検出ブロック７６は、故障の事象が検出されたときに警告８２を出力するようにプログラムすることができる。]
[0064] 一実施例では、統計的プロセス監視アプローチが、１つもしくは複数の前記した劣化検出アルゴリズムをさらに改善すべく実行され得る。例えば、前記ばねの故障検出アルゴリズムに適用されるときは、論理ブロック７２が、最初の設定又は獲得期間の間に所与のアクチュエータ・ロッドの移動距離（ΔＴ）のためのアクチュエータ圧力の変化（ΔＰ）の基準の平均（μ）及び基準の標準偏差（σ）を決定することができる。これらのパラメータは、「通常」の条件における前記プロセスの表現とみなすことができる。次いで、前記ベースラインの平均及びベースラインの標準偏差は、複数の処理値として（すなわち、ブロック８０を使用して）、メモリ５４に記憶され得る。監視フェーズの間、前記アルゴリズムを実行するモジュール７０が前記圧力変化の現在の値を取り、プロセス平均




と、弁移動における所与の変化のための前記圧力変化の標準偏差（Ｓ）と、を算出する（又は逆も同様）。]
[0065] 組み込まれたＳＰＭアルゴリズムを用いて、例えば、計算ブロック７６を介して、実際の又は現在の平均がある閾値を超えてベースラインの平均から異なるときにばねの劣化が検出ブロック７６で検出され、また、指示又は警告８２が出力され得る。例えば、現在の平均があるパーセントを超え、ベースラインの平均




を下回るときにばねの故障が検出され得る。]
[0066] 式中、αはユーザが定めるパーセント（例えば、５％）である。この式は、規則ブロック７８において１つもしくは複数の規則として表わされ得る。一実施例では、検出モジュール７０が検出閾値（例えば、ユーザにより定められたもの）のための入力信号を含み得る。この実施例では、前記検出閾値が被処理値として記憶され得る。]
[0067] 他の実施例では、前記閾値が前記獲得フェーズの間に観察された差異に基づいて設定され得る。例えば、ばねの故障は、




であるときに検出され得る。この場合、前記観察された差異は被処理値ブロック８０を介してメモリ５４に記憶され得る。したがって、この実施例では、前記検出閾値が自動的に決定され、手動設定の総数が低減され得る。前記観察され又は検出された差異に従って、３以外の標準偏差のための任意の他の乗数が使用されることに注目すべきである。また、前記差異変数は前記検出モジュールにより自動的に算出されるが、この変数は被処理変数としてユーザ設定可能のパラメータ入力信号であり得る（例えば、ユーザの入出力６６）。]
[0068] 他の実施例では、最初のばね定数が与えられ（例えば、特定の空気式制御弁について製造業者により与えられ）、この最初のばね定数は、ある一つの最初のばね定数を算出し又は検証することなしに、被処理値として記憶され得る。一実施例では、前記アルゴリズムのための予め定められた閾値は被処理値ブロック８０に記憶され得る。]
[0069] 同じような方法で、ＳＰＭが前記ベローズの漏れ検出アルゴリズムに適用することができ、ここにおいて、論理ブロック７２が、最初の期間に所与の弁棒の運動に関してベローズ室の圧力変化のベースラインの平均（μ）及びベースラインの標準偏差（σ）を決定することができる（又は、逆もまた同様）。監視フェーズの間に、前記アルゴリズムを実行する検出モジュール７０が前記圧力変化及び弁棒移動の現在値を取り、他方におけるある変化に対抗する一つの差異のプロセス平均




と、標準偏差（Ｓ）とを計算することができる。実際と予想の偏差の違いが閾値を超えるとき、ベローズ漏れの指示が生成され得る。]
[0070] （アクチュエータばねの劣化検出モジュールとともに用いられるプロセス制御システム）
一般的に、前記したような制御弁は、図１１に示すようなプロセス制御システムに実装され、かつプロセス制御システムにより制御され得る。前記アルゴリズムを含む検出モジュールが、図１１に示すプロセス制御システムの１つもしくは複数の構成部品に実装され得る。] 図１１
[0071] 図１１を特に参照すると、加工プラント２１０の一例は、１つもしくは複数の通信ネットワークを介して支援機器と共に互いに接続された、いくつかの制御及び保守システムを含むことができる。特に、図１１に示す加工プラント２１０は、１つもしくは複数のプロセス制御システム２１２及び２１４を含むことができる。プロセス制御システム２１２は、ＰＲＯＶＯＸ又はＲＳ３システム、あるいは、コントローラ２１２Ｂと、アナログおよびハイウエイ・アドレサブル・リモート・トランスミッタ（Highway Addressable Remote Transmitter (HART（登録商標）)フィールド・デバイス２１５のような種々のフィールド・デバイスに接続された複数の入出力（I/O）カード２１２Ｃとに接続されたオペレータ・インターフェース２１２Ａを含む任意の他の制御システムからなる場合がある。プロセス制御システム２１４は、分散型プロセス制御システムであってもよく、イーサネット（登録商標）・バスのようなバスを介して１つもしくは複数の分散型コントローラ２１４Ｂに接続された１つもしくは複数のオペレータ・インターフェース２１４Ａを含む。コントローラ２１４Ｂは、例えば、テキサス州オースチンのエマーソンプロセスマネージメント（Emerson Process Management）により販売されているDeltaV（商標）・コントローラ、又は他の所望の型のコントローラであってもよい。コントローラ２１４Ｂは、入出力装置を介して、例えば、HART又はFOUNDATION（商標）Fieldbusからなるフィールド・デバイス、又は例えば、PROFIBUS（商標）、WORLDFIP（商標）、Device-Net（商標）、ＡＳ−インターフェース及びＣＡＮプロトコルのいずれかを使用するフィールド・デバイスを含む他の任意のスマート若しくは非スマート型フィールド・デバイスのような１つもしくは複数のフィールド・デバイス２１６に接続されている。] 図１１
[0072] 一般的に、プロセス・コントローラ２１２Ｂ又は２１４Ｂのようなプロセス・コントローラは、プラント・ネットワーク・システムと通信し、前記プロセス・コントローラの管理下にある動作（例えば、フィールド・デバイスの動作）についての情報を提供し、また、プロセス・コントローラの動作の調整に使用される前記プラント・ネットワーク・システムからの設定点信号を受け取ることができる。周知のとおり、フィールド・デバイス２１５又は２１６は物理的なプロセス・パラメータを制御し（例えば、制御弁又は他の機構のアクチュエータとして）、又は物理的なプロセス・パラメータを測定することができる（例えば、センサとして）。前記フィールド・デバイスは、コントローラ２１２Ｂ又は２１４Ｂと通信し、プロセス制御信号を受け取り、又は物理的なプロセス・パラメータに関するデータを供給することができる。前記通信は、アナログ又はデジタルの信号を介して行われ得る。入出力装置２１２Ｃのような複数の入出力装置は、フィールド・デバイスから、プロセス・コントローラへの通信に関するメッセージを受け取ることができ、又はプロセス・コントローラからフィールド・デバイスに関するメッセージを受け取ることができる。オペレータ・インターフェース２１４Ａ（又は２１２Ａ又は２１８）は、例えば、制御最適化ツール、診断エキスパート、ニューラル・ネットワーク、チューナ等を含む前記プロセスの動作を制御するためのプロセス制御オペレータに利用可能であるツール２１７，２１９を記憶し、また実行することができる。]
[0073] 保守システムがプロセス制御システム２１２及び２１４、又は診断及び監視の活動を行う前記プロセス制御システムの個々の装置に接続される場合がある。例えば、保守コンピュータ２１８が、通信のために、また、場合によってはデバイス２１５の他の保守活動を再設定し、又はこれを行うために、任意の所望の通信回線又はネットワーク（無線又は携帯端末ネットワークを含む）を介してコントローラ２１２Ｂ及び/又はデバイス１５に接続される場合がある。同様に、保守用アプリケーションが、デバイス２１６の動作状態に関するデータ収集を含む、保守および機能の監視を行うための分散型プロセス制御システム２１４に関連する１つもしくは複数のユーザ・インターフェース２１４Ａに組み込まれまた該ユーザ・インターフェースにより実行され得る。]
[0074] ワークステーション２１２Ａ、２１４Ａ又は２１８のいずれかを代表できるコンピュータシステム又はワークステーション２７４は、一般的に、プロセッサ２７４Ａと、メモリ２７４Ｂと、ディスプレイ装置２７４Ｃとを含むことができる。ワークステーション２７４は、異常状況阻止システム２３５の少なくとも一部（異常状況阻止システムと称することがある）を実行し、また、特に、コンピュータシステム２７４は、ディスプレイ２７４Ｃ（又はプリンタのような任意の他のディスプレイ装置）を通してユーザに情報を提供するために構成アプリケーション２３８と故障検出システム（例えば、プロセッサ２７４Ａを使用して）とを記憶し（例えば、メモリ２７４Ｂを使用して）、かつ実行することができる。加えて、コンピュータシステム２７４は、警報又は警告アプリケーション２４３を実行することができる。もちろん、検出システム２３５、警報アプリケーション２４３及び/又は構成システム２３８は、同一の又は異なるソフトウエア・コンポーネントの一部として実行され得る。]
[0075] データベース２７８はコミュニケーション・バス２４５に接続され、構成情報ならびにオンラインプロセス変数データ、パラメータデータ、状況データ、および加工プラント２１０内のプロセス・コントローラ２１２Ｂ又は２１４Ｂ及びフィールド・デバイス２１５又は２１６に関連する他のデータとを収集し、かつ記憶するデータ史家として動作することができる。]
[0076] 一般的に言えば、異常状況阻止システム２３５は、加工プラント２１０内のフィールド・デバイス２１６，２１６、コントローラ２１２Ｂ，２１４Ｂ、並びにあらゆる他の所望のデバイスおよび装置に任意的に配置された検出モジュール、及び/又は、コンピュータシステム２７４内の故障検出システム２７４と通信することができ、これらの構成部品のそれぞれを構成し、これらが監視している前記デバイス又はサブシステムの動作に関する情報を受け取る。異常状況阻止システム２３５は配線で接続されたバス２４５を介してプラント２１０内のコンピュータ又はデバイスの少なくともいくつかのそれぞれに通信可能に接続され、あるいは代わりに、例えば、無線接続、ＯＰＣを使用する専用接続、データを収集するための携帯端末に依存するもの等の間欠的接続、を含む任意の他の所望の通信接続を介して接続され得る。同様に、異常状況阻止システム２３５は、加工プラント２１０内の前記フィールド・デバイス及び装置に関するデータを取得することができ、その取得は、このようなデータが例えば第三者サービスプロバイダにより収集されるようにローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、公衆接続、例えばインターネット、電話接続等（インターネット接続２４６として図１１に示されている）を介して行われる。さらに、異常状況阻止システム２３５は、例えば、イーサネット（登録商標）、モドバス（Modbus）、ＨＴＭＬ、ＸＭＬ、専有技術/プロトコル等を含む種々の技術及び/又はプロトコルを介して、プラント２１０内のコンピュータ/デバイスに通信可能に接続され得る。] 図１１
[0077] 加えて、フィールド・デバイス２１５及び２１６は、例えば、センサ、弁、トランスミッタ、ポジショナ等のような任意のタイプの装置であってもよく、また、任意の所望の開放された、専有の、又はその他の通信若しくはプログラミングのプロトコルに適合することができる。また、入出力デバイス２１２Ｃがフィールド・デバイス２１５により使用される所望のプロトコルに適合できることが理解されよう。]
[0078] １つもしくは複数のフィールド・デバイス２１５及び２１６のそれぞれは、異常な構成部品の検出のための検出アルゴリズムを実行するためのルーティンのようなルーティンを記憶するためのメモリ（図示せず）を含むことができ、これについては後述する。また、１つもしくは複数のフィールド・デバイス２１５及び２１６のそれぞれは、また、センサ・データ収集を実行するためのルーティン及び/又は構成部品の故障検出のためのルーティンのようなルーティンを実行するプロセッサ（図示せず）を含むことができる。センサ・データ収集及び/又は異常動作検出はソフトウエアによって必ずしも実行される必要がないことに注目すべきである。むしろ、この技術分野の当業者は、このようなシステムが、１つもしくは複数のフィールド・デバイス及び/又は他のデバイス内のソフトウエア、ファームウエア及び/又はハードウエアの任意の組み合わせにより実行され得ることを認めるであろう。]
[0079] 図１０に示す検出モジュール７０は全体として又は一部分としてフィールド・デバイス内に実装可能であり、次いで、前記フィールド・デバイスは前記したものに類似した空気式制御弁に接続され得る。一実施例では、前記検出モジュールは、プロセス・コントローラ２１２Ｂ又は２１４Ｂ、ワークステーション２７４（例えば、検出アプリケーション２４２を介して）、又は他のデバイス内に実装され得る。代わりに、検出モジュール７０の複数のプロセス・ブロックが全体としてフィールド・デバイス（例えば、２１５又は２１６）内に実装され得、又はフィールド・デバイスとプロセス・コントローラとの間で分配され得る。１つの特定の導入においては、検出モジュール７０が、例えば、前記したまたFOUNDATION（商標）フィールドバス・プロトコルを実行するプロセス制御システムにおいて使用される機能ブロックのような機能ブロックとして実装され得る。] 図１０
[0080] 構成部品の故障は異なるセンサの組み合わせ（前記したような）を用いて検出できるため、センサを有する図１１に示す任意のフィールド・デバイスを関連のあるパラメータ(例えば、圧力、移動、流れ等)を測定するのに用いることができる。しかしながら、そこには、内蔵の信号処理部（例えば、異常状況阻止を有するローズマウント（Rosemount）製３０５１Ｓ）を有するフィールド・デバイスを使用する利点がる可能性がある。特に、プロセス制御フィールド・デバイスは、ホスト・システム（例えば、プロセス・コントローラを介してフィールド・デバイスから測定値を収集するワークステーション）よりも早い速度で抽出されたデータへのアクセスを有するため、前記フィールド・デバイスにおいて算出されたセンサ・データがより正確であり得る。その結果、フィールド・デバイスに実装された前記検出装置は、一般的に、前記センサ・データが収集された前記デバイスの外部に配置されたブロックよりも、前記収集されたセンサ・データに関してより細粒の計算を決定することが可能である。したがって、場合によっては、故障のより迅速な検出が、内臓の信号処理を有するフィールド・デバイスを用いて達成され得る。] 図１１
[0081] ローズマウント製３０５１FOUNDATION（商標）フィールドバスからなるフィールド・デバイスが、統計的プロセス監視（ＳＰＭ）能力を有する先端的診断方法ブロック（Advanced Diagnostics Block(ADB)）を備えることに注目すべきである。このＳＰＭブロックはプロセス変数（例えば、特性図表）のベースライン平均及び標準偏差を獲得する能力を有することができ、獲得したプロセス変数と現在の平均及び標準偏差と比較し、これらのどちらかがユーザ指定の閾値を超えて変化するときにPlant Web（登録商標）警告を生成させることができる。前記フィールド・デバイスにおける前記ＳＰＭの機能性は、構成部品の故障を検出するためにここの記載に基づく検出モジュールとして動作するように構成されることが可能である。]
[0082] 前記警報/警告アプリケーション２４３は、プラント２１０の検出モジュール７０により生成された警報を管理し及び/又は送るように使用することができ、ここにおいて、検出モジュール７０は前記した１つ、もしくは複数のアルゴリズムを実行できる。この場合、劣化又は故障の事象が検出されると、意味のある警報が、運転を監視し、かつ維持する責任を有する個人又はグループ（例えば、オペレータ、エンジニア、保守管理者等）に提供され得る。誘導支援は、人がユーザ・インターフェース（例えば、前記プロセス制御システムに接続されたワークステーション２７４における）を通して状況を解決するのを手助けするために提供され得る。前記警報に応答してユーザに示される補正動作は、構成部品を修理し、又は前記制御弁の保守の予定を立てるべきことの指示を含むことができる。例えば、前記したアクチュエータ漏れの検出においては、前記アクチュエータの漏洩源（例えば、ダイアフラムの故障又は機器の管）の指示を受け取ると、ワークステーション２７４がユーザに管の漏れを改善するために取付具を締め付けるか又はアクチュエータ・ダイアフラムの交換の予定を立てるかの指示をするか又は提供することができる。]
[0083] 検出モジュール７０は、警報アプリケーション２４３及び/又は前記加工プラント内の他のシステムを介して、異常状況阻止システム２３５に情報を提供することができる。例えば、検出ブロック７６により生成された前記故障指示が、オペレータに不良状態を知らせるため、異常状況阻止システム２３５及び/又は前記警報/警告アプリケーション２４３に提供され得る。他の実施例では、（構成部品の故障が検出されたとき）オペレータがパラメータの値を見ることができるように、検出モジュール７０が異常状況阻止システム２３５に複数のパラメータの値を提供することができる。]
[0084] プロセス制御システムにおいては、検出モジュール７０（フィールド・デバイス又はプロセス・コントローラを介して実行される）が構成アプリケーション２３８と通信状態におかれてもよく、ユーザが検出モジュール７０を設定することを可能にする。例えば、検出モジュール７０の１つもしくは複数のブロックは、構成アプリケーション２３８を介して修正され得るユーザ設定可能のパラメータ（例えば、製造業者又はプラント・データベースにより提供される最初のアクチュエータのばね定数）を有することができる。]
[0085] 次の文章は、多くの異なる実施例の詳細な説明を示すが、前記説明の法律的範囲はこの特許の最後に明記された特許請求の範囲の言葉により規定されることと理解されるべきである。前記詳細な説明は、例としてのみ解釈されるべきであり、すべての可能性ある実施例を説明することは不可能ではないとしても非現実的であるから、すべての可能性ある実施例を説明しない。現在の技術又はこの特許の出願日後に開発された技術を用いて数多くの代わりの実施例が導入されるであろうが、それはなおも特許請求の範囲内に収まるものである。]

权利要求:

請求項1
空気式制御弁のアクチュエータにおけるばねの故障を検出する方法であって、動作の第１の期間内に、制御弁におけるアクチュエータの一組のばねの最初のばね定数値（Ｋinitial）を決定すること、前記アクチュエータに連結されたアクチュエータ・ロッドの移動距離（ΔＴ）を検知すること、前記アクチュエータに付与された圧力の変化（ΔＰ）であって、前記弁の移動（ΔＴ）に対応する付与圧力の変化（ΔＰ）を検知すること、前記検知された移動距離（ΔＴ）および対応する検知された圧力差（ΔＰ）に基づいて、前記制御弁の動作の第２の期間内に前記一組のアクチュエータ弁の現在のばね定数値（Ｋcurrent）を決定すること、及び前記現在のばね定数値（Ｋcurrent）が前記最初のばね定数値と予め定められた閾値を超えて異なる場合、ばねの故障の指示を生じさせることを含む、ばねの故障の検出方法。
請求項2
前記予め定められた閾値が式を用いて算出され、式中、ｎがばねの総数である、請求項１に記載の方法。
請求項3
前記現在のばね定数値を決定することが、式ΔＰＡ=ΔＴＫを用いて現在のばね定数値を算出することを含み、式中、Ａが前記アクチュエータのダイアフラムの有効面積である、請求項１に記載の方法。
請求項4
前記アクチュエータへの付与圧力の変化（ΔＰ）を検知することが、前記弁の第１の位置における最初の付与圧力を測定することと、前記弁の第２の位置における第２の付与圧力を測定することとを含み、さらに、前記移動距離が前記第１及び第２の位置間の距離である、請求項１に記載の方法。
請求項5
前記一組のばねが複数のばねを含み、また、前記最初及び現在のばね定数値が前記複数のばねのばね定数値の総計である、請求項１に記載の方法。
請求項6
前記移動距離（ΔＴ）を検知することと、前記付与圧力の変化（ΔＰ）を検知することとが、前記弁の動作中に行われる、請求項１に記載の方法。
請求項7
空気式制御弁のアクチュエータにおけるばねの故障を検出するための装置であって、前記制御弁内の空気式アクチュエータのダイアフラムに付与された圧力についてのデータを受け取るための第１の入力装置と、前記制御弁のアクチュエータ・ロッドの移動距離についてのデータを受け取るための第２の入力装置と、プロセッサ及び該プロセッサに動作可能に接続されたメモリであって、前記プロセッサが、前記圧力データ及び移動データに基づいてばね定数を算出し、前記センサ・データに基づいて前記空気式制御弁内におけるばね故障の事象を決定し、及びばね故障の事象が生じるときにその指示を生じさせるようにプログラムされているプロセッサ及びメモリとを含む、ばね故障の検出装置。
請求項8
ばね定数を決定することが、ΔＰＡ＝ΔＴＫaを用いてばね定数を算出することを含み、式中、Ｋaはばね定数、ΔＴは第１のロッド位置と第２のロッド位置との間の移動距離、ΔＰは圧力差、Ａは前記アクチュエータのダイアフラムについての有効ダイアフラム面積である、請求項７に記載の装置。
請求項9
前記メモリが、前記ばね定数の最初の値と閾値とを記憶している、請求項７に記載の装置。
請求項10
前記ばね故障の事象が、算出されたばね定数値が前記最初のばね定数値と前記閾値を超えて異なるときに決定される、請求項９に記載の装置。
請求項11
さらに、通信プロトコルを使用するプロセス制御ネットワークを通して前記指示を伝達することを含み、前記通信プロトコルが、ＨＡＲＴ又はFoundation（商標）フィールドバスの一方を含む、請求項７に記載の装置。
請求項12
空気式制御弁のアクチュエータにおけるばねの故障を検出するためのシステムであって、互いに通信可能に接続されたワークステーション、プロセス・コントローラ及び複数のフィールド・デバイスを含むプロセス制御システムと、アクチュエータ、アクチュエータ・ダイアフラム及び該アクチュエータ・ダイアフラムを偏倚させるためのアクチュエータばねを含み、少なくとも１つのフィールド・デバイスが前記ダイアフラムに付与された圧力を測定するように適合されかつ少なくとも１つのフィールド・デバイスが、前記アクチュエータ・ダイアフラムに連結されたアクチュエータ・ロッドの移動距離を測定するように適合されている制御弁と、測定されたアクチュエータ圧力及びアクチュエータ・ロッドの移動距離についてのデータを受け取り、記憶された最初のばね定数値にアクセスし、また、算出されたばね定数値及び前記最初のばね定数値間の差が閾値を超えるときに警告を出すように適合された検出装置とを含む、検出システム。
請求項13
制御弁におけるベローズの故障を検出するための方法であって、前記制御弁における弁棒の移動を検知すること、前記弁棒の第１の部分に取り付けられたベローズと前記弁棒の第２の部分に取り付けられた弁充填部材とにより形成されたベローズ室の内部の圧力を検知すること、及び前記ベローズ室の圧力の変化が前記弁棒の移動に対応しないときにベローズの故障の指示を生成させることを含む、検出方法。
請求項14
ベローズの故障の指示が、前記ベローズ室の圧力が前記弁棒の移動の間に実質的に一定に維持されるときに生成される、請求項１３に記載の方法。
請求項15
ベローズの故障の指示が、前記ベローズ室の圧力が前記弁棒の移動なしに増大するときに生成される、請求項１３に記載の方法。
請求項16
ベローズの故障の指示が、圧力の変化が前記弁棒の移動に反比例しないときに生成される、請求項１３に記載の方法。
請求項17
ベローズの故障の指示が、前記ベローズ室内の気体のモル数と前記ベローズ内の絶対圧力と理想気体定数Ｒとの積に等しい量により前記ベローズ室の圧力の変化が弁棒の移動に反比例しないときに生成される、請求項１３に記載の方法。
請求項18
さらに、前記ベローズ室の圧力が、前記弁棒が停止されている間ある期間にわたって減少するときに、ベローズ・ガスケット漏れ又は充填物漏れの指示を生成させることを含む、請求項１７に記載の方法。
請求項19
制御弁におけるベローズの故障を検出するための装置であって、弁本体の開口において該弁本体の表面を経て伸びる弁棒と、前記弁本体内で前記弁棒の第１の部分に固定された第１の端部を有し、また、前記弁本体の開口に固定された第２の端部を有するベローズであって、前記弁開口から前記弁本体の内部を遮断するベローズと、前記弁本体の開口と前記弁棒との周囲及びこれらの間に配置された充填部材と、前記ベローズと前記充填部材との間に形成されたベローズ室と、前記ベローズ室の圧力を検知するように設定された圧力センサと、前記弁棒の移動を検知するためのポジション・センサと、前記圧力センサと前記ポジション・センサとからのセンサ・データを受け取るためのデバイスであって、前記ベローズ室の圧力が前記弁棒の移動と共に変化しないときにベローズの故障の指示を生成するように適合されているデバイスとを含む、検出装置。
請求項20
前記デバイスが、さらに、前記弁棒が停止されている間ある期間にわたって前記ベローズ室の圧力が減少するときにベローズ・ガスケット漏れ又は充填物漏れの指示を生成するように適合されている、請求項１９に記載の装置。
請求項21
前記デバイスがデジタル式ポジショナからなる、請求項１９に記載の装置。
請求項22
前記デバイスが、プロセス制御ネットワークを通して前記指示を伝達するように適合されている、請求項１９に記載の装置。
請求項23
制御弁におけるベローズの故障を検出するためのシステムであって、前記制御弁が、弁本体と、前記弁本体の開口を経て伸びる弁棒と、前記弁本体の内部で前記弁棒の第１の部分に固定された第１の端部を有し、また、前記弁本体の開口に固定された第２の端部を有するベローズであって、前記弁開口から前記弁本体の内部を遮断するベローズと、前記弁本体の開口と前記弁棒との周囲及びこれらの間に配置された充填部材と、前記ベローズと前記充填部材との間に形成されたベローズ室とを含み、前記プロセス接制御システムが、ワークステーションと、プロセス・コントローラと、複数のフィールド・デバイスとを含み、前記ワークステーションと前記プロセス・コントローラと前記複数のフィールド・デバイスとが互いに通信可能に接続され、また、少なくとも１つのフィールド・デバイスが前記ベローズ室に付与された圧力を測定するように適合されかつ少なくとも１つのフィールド・デバイスが前記弁棒の移動を測定するように適合されており、また前記検出装置が、前記測定されたベローズ室の圧力及び前記弁棒の移動についてのデータを受け取り、また、前記ベローズ室の圧力が前記弁棒の移動に伴って変化しないときに警告を生成するように適合されている、検出システム。
請求項24
空気式制御弁のアクチュエータにおける漏洩源を決定するための方法であって、前記制御弁のアクチュエータに接続されたアクチュエータ・ロッドの移動を検知すること、前記アクチュエータの室に付与された圧力を検知すること、前記付与されたアクチュエータ圧力および前記アクチュエータ・ロッドの移動についてのセンサ・データに基づいてアクチュエータの気体漏れの存在を検出すること、気体漏れが検出された場合に、アクチュエータの排出口に接続されたフロースイッチが前記アクチュエータの排出口を経る排気の放出を指示するか否かを決定すること、前記フロースイッチが排気の放出を指示しない場合に、空気管の漏れの指示を生成させること、及び前記フロースイッチが排気の放出を指示しかつ前記制御弁が運動状態にあることが検知される場合に、アクチュエータ・ダイアフラムの故障の指示を生成させることを含む、決定方法。
請求項25
前記フロースイッチが排気ガスの放出を指示し、かつ前記制御弁が静止状態にあると検知された場合に、不確定の指示を生成させ、前記フロースイッチに再度ポーリングを行う前に一定の時間待機する、請求項２４に記載の方法。
請求項26
さらに、通信プロトコルを使用するプロセス制御ネットワーク全体を通して、前記空気管の漏れ又はダイアフラムの故障の指示の一方を伝達することを含む、請求項２４に記載の方法。
請求項27
プロセス制御弁におけるアクチュエータの漏洩源を特定するための装置であって、供給入口ポート及び排出口を有する空気式アクチュエータと、周囲の環境に開放する第１のポート及び前記アクチュエータの排出口に流体移動可能に接続された第２のポートを有するフロースイッチと、前記アクチュエータの室に付与された圧力を検知するように設定された圧力センサと、弁棒の移動を検知するためのポジション・センサと、前記フロースイッチ、前記圧力センサ及び前記ポジション・センサからのセンサ・データを受け取るためのデバイスであって、前記フロースイッチが排気の非放出を示す場合に空気管の漏れの指示を生成し、また前記フロースイッチが排気の放出を示しかつ前記制御弁が運動中であることが観察されるときにアクチュエータ・ダイアフラムの故障の指示を生成するデバイスとを含む、特定装置。
請求項28
前記デバイスがデジタル式ポジショナからなる、請求項２７に記載の装置。
請求項29
前記フロースイッチの第１のポートと前記ポジショナの排出口とが互いに流体移動可能に接続されている、請求項２８に記載の装置。
請求項30
前記フロースイッチが、動作のための動力源を必要としない受動素子からなる、請求項２７に記載の装置。
請求項31
空気式制御弁のアクチュエータにおけるばねの故障を検出するためのシステムであって、供給入口及び排出口を有する空気式アクチュエータを含む制御弁と、周囲の環境に開放する第１のポート及び前記アクチュエータの排出口に流体移動可能に接続された第２のポートを有するフロースイッチと、互いに通信可能に接続されたワークステーション、プロセス・コントローラ及び複数のフィールド・デバイスを含み、少なくとも１つのフィールド・デバイスが前記アクチュエータの排出口からの流体の流れを決定するために前記フロースイッチに接続され、少なくとも１つのフィールド・デバイスが前記アクチュエータの室に付与された圧力を測定するように適合され、また少なくとも１つのフィールド・デバイスが弁棒の移動距離を測定するように適合されているプロセス制御システムと、測定された流れ、前記アクチュエータの室の圧力及び前記弁棒の移動についてのセンサ・データを受け取るように適合された検出装置であって、さらに、前記アクチュエータの排出口から気体が排出されていないことが決定された場合に空気管の漏れの指示を生成しまた前記フロースイッチが排気の放出を示しかつ前記制御弁が静止状態にあることが観察された場合にアクチュエータ・ダイアフラムの故障の指示を生成するように適合されている検出装置とを含む、検出システム。