(57)【要約】  制御弁の制御ループが、ニューマチック増幅器からの流出口圧力を制御パラメータとして用いて作動される。制御ループを圧力制御モードで作動させて、システムがカットオフ範囲で動作している場合でもまたは移動停止部に係合している場合でも、制御ループコンポーネントを診断することが可能となる。診断は、ポジショナに通常設けられている圧力センサおよび変位センサを用いて実行されうる。プロセッサが、これらのセンサからデータを受信して論理サブルーチンに従って故障信号を生成するように、プログラミングされうる。論理サブルーチンは、ニューマチック増幅器の流出口ポートを通って流れる制御流体の質量流量を計算し、他の制御パラメータと比較し、制御ループコンポーネントにおける漏洩および閉塞を検出することを含みうる。故障が検出されると、故障時点における制御ループの動作パラメータを特徴付けし、故障の根本原因の故障箇所が特定される。【選択図】  図１
2007534079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第一の制御チャンバを形成する気体駆動型アクチュエータに結合されたスロットル部材を有している制御弁の制御ループを作動させるための方法であって、
前記制御ループが、
制御流体の供給源と連通している流入口ポート、前記アクチュエータの前記第一の制御チャンバと連通している第一の流出口ポートおよび前記流入口ポートと前記第一の流出口ポートとの間の制御流体の流量を制御するための制御圧力信号に応答する制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
Ｉ／Ｐ駆動信号を受信し前記制御圧力信号を生成するように構成されているＩ／Ｐ変換器と、
を備えており、
前記方法が、
基準流出口圧力信号を格納することと、
前記基準流出口圧力信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を生成することと、
少なくとも前記ニューマチック増幅器の前記第一の流出口ポートから制御流体の圧力レベルの測定値を受信することと、
測定された前記圧力レベルを前記基準流出口圧力信号と比較し、誤差信号を生成することと、
前記誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正することと
を含む、方法。  
【請求項２】
前記基準流出口圧力信号が、前記スロットル部材の移動停止部との係合に応答して生成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記移動停止部が弁座を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記移動停止部が上側移動停止部を含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記基準流出口圧力信号が１００％近傍である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記基準流出口圧力信号が０％近傍である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記制御弁が、前記スロットル部材の位置を検出するように構成されている移動センサをさらに含み、前記基準流出口圧力信号が、該移動センサの故障に応答して生成される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記制御ループの少なくとも一つの制御パラメータに基づいて診断ルーチンを実行することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記診断ルーチンが、
前記流入口ポートの制御流体圧力に対応する流入口圧力値の測定値を受信することと、
前記第一の流出口ポートの制御流体圧力に対応する第一の流出口圧力値の測定値を受信することと、
前記制御流体弁組立体の位置に対応する制御流体弁組立体移動値の測定値を受信することと、
前記制御流体弁組立体移動値に基づいて第一の流出口ポート絞り面積を計算することと、
前記流入口圧力値、前記第一の流出口ポート圧力値および前記第一の流出口絞り面積に基づいて第一の流出口ポート質量流量を計算することと
を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記診断ルーチンが、
第一の質量流量変位を生成することと、
計算された前記第一の流出口ポート質量流量と前記第一の質量流量変位との比較に基づいて、故障状態を決定するために論理サブルーチンを適用することと
をさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記診断ルーチンが、
前記制御ループの前記少なくとも一つの制御パラメータの正常範囲を規定することと、
前記正常範囲の外側における前記制御パラメータの動作に対して故障信号を発生することと、
前記故障信号中の前記制御ループの動作パラメータを特徴付けして故障テンプレートを作成することと、
前記故障テンプレートを、特定のコンポーネントの故障に関連付けされ格納されている動作パラメータの集合と比較することと、
前記故障テンプレートと一致する一組の格納されている動作パラメータを有する少なくとも一つの特定のコンポーネントの故障を特定することと
を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記アクチュエータが、第二の制御チャンバをさらに形成し、前記ニューマチック増幅器が、前記アクチュエータの前記第二の制御チャンバに連通している第二の流出口ポートを備え、前記制御流体弁組立体が、前記流入口ポートから前記第二の流出口ポートへの流体の流量をさらに制御するように構成されており、前記方法が、
前記ニューマチック増幅器の前記第二の流出口ポートにおける制御流体の第二の流出口ポート圧力レベルの測定値を受信することと、
前記第二の流出口ポート圧力レベルを前記第一の流出口ポート圧力レベルと比較して圧力差の値を求めることと、
前記圧力差の値を前記基準流出口圧力信号と比較して前記誤差信号を生成することと
をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記診断ルーチンが、
前記流入口ポートにおける制御流体圧力に対応する流入口ポート圧力値の測定値を受信することと、
前記第一の流出口ポートにおける制御流体圧力に対応する第一の流出口ポート圧力値の測定値を受信することと、
前記第一の流出口ポートにおける制御流体圧力に対応する第二の流出口ポート圧力値の測定値を受信することと、
前記制御流体弁組立体の位置に対応する制御流体弁組立体移動値の測定値を受信することと、
前記制御流体弁組立体移動値に基づいて、第一の流出口ポート絞り面積および第二の流出口ポート絞り面積を計算することと、
前記流入口圧力値、前記第一の流出口ポート圧力値および前記第一の流出口ポート絞り面積に基づいて、第一の流出口ポート質量流量を計算することと、
前記流入口圧力値、前記第二の流出口ポート圧力値および前記第二の流出口ポート絞り面積に基づいて、第二の流出口ポート質量流量を計算することと
を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記診断ルーチンが、
少なくとも一つの第一の質量流量変位を受信することと、
計算された前記第一の流出口ポート質量流量および前記第二の流出口ポート質量流量のうちの少なくとも一つと前記第一の質量流量変位との比較に基づいて、故障状態を決定するために論理サブルーチンを適用することと
をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記アクチュエータが、第二の制御チャンバをさらに形成し、前記ニューマチック増幅器が、前記アクチュエータの前記第二の制御チャンバに連通している第二の流出口ポートを備え、前記制御流体弁組立体が、前記流入口ポートから前記第二の流出口ポートへの流体の流量をさらに制御するように構成されており、前記方法が、
前記ニューマチック増幅器の前記第二の流出口ポートにおける制御流体の第二の流出口ポート圧力レベルの測定値を受信することと、
前記第二の流出口ポート圧力レベルを前記第一の流出口ポート圧力レベルと比較して圧力差の値を求めることと、
前記圧力差の値を前記基準流出口圧力信号と比較して圧力差誤差信号を生成することと、
前記圧力差誤差信号に基づいて前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正することと
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記ニューマチック増幅器がスプール弁を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記ニューマチック増幅器がニューマチックリレイを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
移動制御モードまたは圧力制御モードで制御弁の制御ループを選択的に作動させる方法であって、
前記制御弁が、少なくとも第一の制御チャンバを形成する空気駆動型アクチュエータに結合されたスロットル部材を有し、
前記制御ループが、
制御流体の供給源と連通している流入口ポート、前記アクチュエータの前記第一の制御チャンバと連通している第一の流出口ポート、および前記流入口ポートと前記第一の流出口ポートとの間の制御流体の流量を制御するための制御圧力信号に応答する制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
Ｉ／Ｐ駆動信号を受信し前記制御圧力信号を生成するように構成されているＩ／Ｐ変換器と、を備えており、
前記方法が、
基準移動信号を格納し、該基準移動信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を生成し、スロットル部材の位置に対応するスロットル部材移動値の測定値を受信し、測定された前記スロットル部材移動値を前記基準移動信号と比較し、移動誤差信号を生成し、該誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正することにより、前記制御ループを移動制御モードで作動させることと、
基準流出口圧力信号を格納し、該基準流出口圧力信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を生成し、前記ニューマチック増幅器の前記第一の流出口ポートにおける制御流体の第一流出口ポート圧力レベルの測定値を受信し、測定された前記第一流出口ポート圧力レベルを前記基準流出口圧力信号と比較し、流出口圧力誤差信号を生成し、該流出口圧力誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正することにより、前記制御ループを圧力制御モードで作動させることと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記制御ループが前記移動制御モードで通常動作される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記制御ループが、前記スロットル部材の移動停止部との係合に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられる、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記移動停止部が弁座を含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記移動停止部が上側移動停止部を含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記制御ループが、１００％に近づく前記基準流出口圧力信号に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられる、請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記制御ループが、０％に近づく前記基準流出口圧力信号に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられる、請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記制御ループが、前記スロットル部材の移動値が不良の場合、前記圧力制御モードに切り換えられる、請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記制御ループの少なくとも一つの制御パラメータに基づいて診断ルーチンを実行することをさらに含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２７】
スロットル部材に結合されているとともに少なくとも第一の制御チャンバを有しているニューマチックアクチュエータを制御するように構成されているポジショナシステムであって、
流出口圧力設定値を受信しＩ／Ｐ駆動信号を生成するように構成されているプロセッサおよびメモリと、
前記プロセッサに作用可能に結合されているとともに前記Ｉ／Ｐ駆動信号に応答してニューマチック制御信号を生成するように構成されているＩ／Ｐ変換器と、
前記Ｉ／Ｐ変換器に作用可能に結合されているとともに、制御流体の供給源と連通している流入口ポート、前記アクチュエータの前記第一の制御チャンバと連通している第一の流出口ポートおよび前記ニューマチック制御信号に応答して前記流入口ポートから前記第一の流出口ポートへの制御流体の流量を制御するように構成されている制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
前記第一の流出口ポートの圧力レベルを検出し、第一の流出口ポート圧力信号を生成するように構成されているとともに、前記プロセッサに通信可能に結合されている第一の流出口ポート圧力センサとを備えており、
前記プロセッサが、前記第一の流出口ポート圧力信号を前記流出口圧力設定値と比較し、流出口圧力誤差信号を生成するように構成され、
前記プロセッサが、前記流出口圧力誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正するように構成されてなる、システム。
【請求項２８】
前記プロセッサが、前記ポジショナシステムの少なくとも一つの制御パラメータに基づいて診断を実行するように構成されているルーチンを備えてなる、請求項２７記載のシステム。
【請求項２９】
前記制御流体弁組立体の位置を検出するように構成されている変位センサと、流入口ポート圧力を検出するように構成されている前記流出口ポートと連通している流入口圧力センサとをさらに備えており、前記変位センサおよび前記流入口圧力センサが前記プロセッサと通信可能に結合されてなる、請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記診断ルーチンが、前記制御流体弁組立体の位置に基づいて第一の流出口ポート絞り面積を生成して、流入口ポート圧力、第一の流出口ポート圧力および第一の流出口絞り面積に基づいて、制御流体の第一の流出口ポート質量流量を計算するように構成されてなる、請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
前記診断ルーチンが、
前記少なくとも一つの制御パラメータの正常範囲を規定し、
前記正常範囲の外側における前記制御パラメータの動作に対して故障信号を発生し、
前記故障信号中の前記ポジショナシステムの動作パラメータを特徴付けして故障テンプレートを作成し、
前記故障テンプレートを、特定のコンポーネントの故障に関連付けされ格納されている動作パラメータの集合と比較し、
前記故障テンプレートと一致する一組の格納されている動作パラメータを有する少なくとも一つの特定のコンポーネントの故障を特定するように構成されてなる、請求項２８記載のシステム。
【請求項３２】
前記アクチュエータが第二の制御チャンバを備えており、前記ニューマチック増幅器が、前記アクチュエータの前記第二の制御チャンバと連通する第二の流出口ポートをさらに備えており、前記制御流体弁組立体が、前記流入口から前記第二の流出口への制御流体の流れを制御し、前記システムが、前記第二の流出口ポートにおける圧力レベルを検出して第二の流出口ポート圧力信号を生成するように構成されている第二の流出口圧力センサをさらに備えており、前記第二の流出口ポート圧力センサが、前記プロセッサと通信可能に結合されてなる、請求項２７記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサが、前記第一の流出口ポート圧力信号を前記第二の流出口ポート圧力信号と比較して流出口圧力差信号を生成し、該流出口圧力差信号を前記流出口圧力設定値と比較して前記流出口圧力差誤差信号を生成し、該流出口圧力差誤差信号に基づいて前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正するように構成されてなる、請求項３２記載のシステム。
【請求項３４】
スロットル部材に結合されているとともに少なくとも第一の制御チャンバを有しているニューマチックアクチュエータを制御するように構成されているポジショナシステムであって、
移動設定値および流出口圧力設定値を受信し、該移動設定値および該流出口圧力設定値のうちの少なくとも一つに基づいてＩ／Ｐ駆動信号を生成するように構成されているプロセッサおよびメモリと、
前記プロセッサに作用可能に結合されているとともに前記Ｉ／Ｐ駆動信号に応答してニューマチック制御信号を生成するＩ／Ｐ変換器と、
前記Ｉ／Ｐ変換器に作用可能に結合されているとともに、制御流体の供給源と連通している流入口ポート、前記アクチュエータの前記第一の制御チャンバと連通している第一の流出口ポートおよび前記ニューマチック制御信号に応答して前記流入口ポートから前記第一の流出口ポートへの制御流体の流量を制御する制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
前記第一の流出口ポートの圧力レベルを検出し第一の流出口ポート圧力信号を生成するように構成されているとともに、前記プロセッサに通信可能に結合されている第一の流出口ポート圧力センサと、
前記スロットル部材の位置を検出しスロットル部材位置信号を生成するように構成されているとともに、前記プロセッサに通信可能に結合されているスロットル部材移動センサとを備えており、
前記プロセッサが、前記スロットル部材位置信号が前記移動設定値と比較され移動誤差信号が生成され、前記Ｉ／Ｐ駆動信号が該移動誤差信号により修正される移動制御モードおよび前記第一の流出口ポート圧力信号が前記流出口圧力設定値と比較され流出口圧力誤差信号が生成され、前記Ｉ／Ｐ駆動信号が前記流出口圧力誤差信号により修正される圧力制御モードで動作するように構成されてなる、システム。
【請求項３５】
前記プロセッサが、前記移動制御モードで通常動作されるように構成されてなる、請求項３４記載のシステム。
【請求項３６】
前記プロセッサが、前記スロットル部材の移動停止部との係合に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられるように構成されてなる、請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
前記移動停止部が弁座を含んでなる、請求項３６記載のシステム。
【請求項３８】
前記移動停止部が上側移動停止部を含んでなる、請求項３６記載のシステム。
【請求項３９】
前記制御ループが、１００％に近づく前記基準流出口圧力信号に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられるように構成されてなる、請求項３５記載のシステム。
【請求項４０】
前記制御ループが、０％に近づく前記基準流出口圧力信号に応答して、前記圧力制御モードに切り換えられるように構成されてなる、請求項３５記載のシステム。
【請求項４１】
前記制御ループが、前記スロットル部材の移動信号が不良の場合、前記圧力制御モードに切り換えられるように構成されてなる、請求項３５記載のシステム。
【請求項４２】
前記プロセッサが、前記ポジショナシステムの少なくとも一つの制御パラメータに基づいて診断を実行するように構成されているルーチンを備えてなる、請求項３４記載のシステム。
【請求項４３】
空気駆動型アクチュエータに結合されたスロットル部材を有している制御弁の制御ループの故障を検出するための方法であって、
前記制御ループが、
アクチュエータに作用可能に結合されているとともに、該アクチュエータに向かう制御流体の流量を制御するための制御圧力信号に応答する制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
基準流出口圧力信号に基づくＩ／Ｐ駆動信号に応答して前記制御圧力信号を生成するＩ／Ｐ変換器と、
を備えており、
前記方法が、
前記制御ループの制御パラメータの正常範囲格納することと、
前記正常範囲の外側における前記制御パラメータの動作に対して故障信号を発生することと、
前記故障信号中の前記制御ループの動作パラメータを特徴付けして故障テンプレートを作成することと、
前記故障テンプレートを、特定のコンポーネントの故障に関連付けされ格納されている動作パラメータの集合と比較することと、
前記故障テンプレートと一致する一組の格納されている動作パラメータを有する少なくとも一つの特定のコンポーネントの故障を特定することと
を含む、方法。
【請求項４４】
前記ニューマチック増幅器がスプール弁を備え、前記制御パラメータが、スプール弁位置信号を含んでなる、請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記ニューマチック増幅器が、ビームを有するニューマチックリレイを備え、前記制御パラメータが、ビーム位置信号を含んでなる、請求項４３記載の方法。
【請求項４６】
前記制御パラメータがＩ／Ｐ駆動信号を含んでなる、請求項４３記載の方法。
【請求項４７】
前記動作パラメータを特徴付けすることが、
Ｉ／Ｐ駆動信号を高または低として特徴付けすることと、
流出口圧力誤差信号を高、略ゼロまたは低として特徴付けすることと、
制御流体弁組立体位置を大きく正、ゼロまたは大きく負として特徴付けすることとを含んでおり、
前記流出口誤差信号が、流出口圧力基準信号−測定された流出口圧力信号に等しい、請求項４３記載の方法。
【請求項４８】
高いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、高い流出口圧力誤差信号および大きく負である制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、制御流体弁組立体の詰まり、Ｉ／ＰＯ−リングの不良、ダイアフラムの故障、主オリフィスの詰まり、大気圧近傍の供給圧からなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項４９】
高いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、高い流出口圧力誤差信号および大きく正である制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、外部漏洩、ニューマチック増幅器ダイアフラムの故障および低供給圧からなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項５０】
高いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、略ゼロである流出口圧力誤差信号および大きく正である制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、外部漏洩およびニューマチック増幅器ダイアフラムの故障からなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項５１】
高いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、略ゼロである流出口圧力誤差信号およびゼロである制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、主オリフィスの部分的な詰まり、アーマチュア内の砂粒の存在、およびＩ／Ｐ校正のずれからなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項５２】
低いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、低い流出口圧力誤差信号および大きく正である制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、Ｉ／Ｐノズルの詰まり、Ｉ／Ｐ用アーマチュアのプレシング、Ｉ／Ｐの動作停止、制御流体弁組立体の故障および供給バイアスダイアフラムの故障からなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項５３】
低いＩ／Ｐ駆動信号の偏差、略ゼロである流出口圧力誤差信号およびゼロである制御流体弁組立体の位置を有する故障テンプレートが、Ｉ／Ｐ校正のずれおよびＩ／Ｐノズルの部分的詰まりからなる一群のコンポーネントの故障のうちの一つに帰属させられる、請求項４３記載の方法。
【請求項５４】
前記基準流出口圧力信号が、前記スロットル部材の移動停止部との係合に応答して生成される、請求項４３記載の方法。
【請求項５５】
前記移動停止部が弁座を含む、請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記移動停止部が上側移動停止部を含む、請求項５４記載の方法。
【請求項５７】
前記基準流出口圧力信号が１００％近傍である、請求項４３記載の方法。
【請求項５８】
前記基準流出口圧力信号が０％近傍である、請求項４３記載の方法。
【請求項５９】
前記制御弁が、前記スロットル部材の位置を検知するように構成されている移動センサをさらに備え、前記基準流出口圧力信号が、該移動センサの故障に応答して生成される、請求項４３記載の方法。
【請求項６０】
スロットル部材に結合されているとともに少なくとも第一の制御チャンバを有しているニューマチックアクチュエータを制御するように構成されているポジショナシステムであって、
流出口圧力設定値を受信しＩ／Ｐ駆動信号を生成するプロセッサおよびメモリと、
前記プロセッサに作用可能に結合されているとともに前記Ｉ／Ｐ駆動信号に応答してニューマチック制御信号を生成するＩ／Ｐ変換器と、
前記Ｉ／Ｐ変換器に作用可能に結合されているとともに、制御流体の供給源と連通している流入口ポート、前記アクチュエータの前記第一の制御チャンバと連通している第一の流出口ポートおよび前記ニューマチック制御信号に応答して前記流入口ポートから前記第一の流出口ポートへの制御流体の流量を制御するように構成されている制御流体弁組立体を有しているニューマチック増幅器と、
前記第一の流出口ポートの圧力レベルを検出し第一の流出口ポート圧力信号を生成するように構成されているとともに、前記プロセッサに通信可能に結合されている第一の流出口ポート圧力センサと、
前記プロセッサに通信可能に結合されているとともに前記ポジショナシステムの制御パラメータを検出するように構成されている第二のセンサと、
前記メモリに格納されているとともに、前記第一の流出口ポート圧力レベルおよび前記制御パラメータを含む一群のパラメータから選択される少なくとも一つの診断パラメータに基づく診断情報に対して実行されるように構成されている診断ルーチンとを備えており、
前記第一の流出口ポート圧力センサが前記プロセッサに通信可能に結合され、
前記プロセッサが、前記第一の流出口ポートの圧力信号を前記流出口圧力設定値と比較し流出口圧力誤差信号を生成するように構成され、
前記プロセッサが、前記流出口圧力誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正するように構成され、
また、前記プロセッサが、前記ス第一の流出口ポート圧力信号および前記流出口圧力設定値を比較し流出口圧力誤差信号を生成するようにさらに構成され、
前記プロセッサが、前記流出口圧力誤差信号に基づいて、前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正するように構成されてなる、システム。
【請求項６１】
前記診断ルーチンが、
前記診断パラメータの正常範囲を規定し、
前記正常範囲の外側における前記診断パラメータの動作に対して故障信号を発生し、
前記故障信号中の前記ポジショナシステムの選択された動作パラメータを特徴付けして故障テンプレートを作成し、
前記故障テンプレートを、特定のコンポーネントの故障に関連付けされ格納されている動作パラメータの集合と比較し、
前記故障テンプレートに対応する一組の格納されている動作パラメータを有する少なくとも一つの特定のコンポーネントの故障を特定するように構成されてなる、請求項６０記載のシステム。
【請求項６２】
前記制御流体弁組立体がスプール弁を備え、前記制御パラメータがスプール弁位置信号を含んでなる、請求項６１記載のシステム。
【請求項６３】
前記制御流体弁組立体が、ビームを有するニューマチックリレイを備え、前記制御パラメータがビーム位置信号を含んでなる、請求項６１記載のシステム。
【請求項６４】
前記制御パラメータがＩ／Ｐ駆動信号を含んでなる、請求項６１記載のシステム。
【請求項６５】
前記アクチュエータが第二の制御チャンバを備え、前記ニューマチック増幅器が、前記アクチュエータの前記第二の制御チャンバに連通する第二の流出口ポートをさらに備え、前記制御流体弁組立体が、前記流入口ポートから前記第二の流出口ポートへの制御流体の流れを制御するようにさらに構成され、前記システムが、前記第二の流出口ポートにおける圧力レベルを検出して第二の流出口ポート圧力信号を生成するように構成されている第二の流出口ポート圧力センサをさらに備え、該第二の流出口ポート圧力センサが、前記プロセッサに通信可能に結合されてなる、請求項６１記載のシステム。
【請求項６６】
前記プロセッサが、前記第一の流出口ポート圧力信号と前記第二の流出口ポート圧力信号とを比較し、流出口圧力差信号を生成し、該流出口圧力差信号を前記流出口圧力設定値と比較し、流出口圧力差誤差信号を生成し、該流出口圧力差誤差信号に基づいて前記Ｉ／Ｐ駆動信号を修正するように構成されてなる、請求項６５記載のシステム。
【請求項６７】
制御流体弁組立体の位置を検出するように構成されている変位センサをさらに備えており、前記診断ルーチンが、
Ｉ／Ｐ駆動信号偏差を、高いまたは低いとして特徴付けし、
前記流出口圧力差誤差信号を、高い、ゼロ、または低いとして特徴付けし、
前記制御流体弁組立体の位置を、大きく正、ゼロ、または大きく負として特徴付けするようにさらに構成されてなる、請求項６６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に制御弁に関するものであり、さらに詳細には、制御弁を制御するために制御ループを動作させ、制御ループのコンポーネントに対する診断を実行するための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００４年１月１３日に発行された米国特許第6,678,584号であって２００３年５月３日に出願された特許出願第10/139,008号の分割出願として２００３年８月２０日に出願された特許出願第10/644,207号の一部継続出願である。
【０００３】
制御弁は、パイプまたは導管を通って流れるプロセス流体を調整するために用いられる。典型的には、このような弁は、プロセス流体の流路に配置されるとともにアクチュエータに接続されるスロットル部材を備えている。さまざまなタイプのアクチュエータが知られているが、多くの制御弁は、ニューマチックアクチュエータを用いている。ニューマチックアクチュエータは、空気、天然ガスまたは他の加圧下の流体を用いてアクチュエータの位置を調整するようになっている。スプリングダイアフラム型アクチュエータでは、たとえば、バネがアクチュエータの一方の側に力を加え、流体の圧力がアクチュエータの他方の側で制御されることにより、スロットル部材の位置が調整されるようになっている。これに代えて、ピストン型アクチュエータが用いられても良い。ピストン型のアクチュエータでは、ピストンがアクチュエータハウジングを上側チャンバと下側チャンバとに分割し、両方のチャンバの流体圧力が制御されてアクチュエータを所望の位置に移動させるようになっている。いずれのタイプのニューマチックアクチュエータであっても、制御流体が大気中に僅かに放出される。
【０００４】
ポジショナは、内部サーボ制御により、ニューマチックアクチュエータの一方または両方のチャンバに対して加えられる流体圧力を管理する。典型的には、ポジショナは、プロセッサ・インターフェイス回路と、電流／圧力（Ｉ／Ｐ）変換器と、第二ステージニューマチック増幅器（すなわち、スプール弁またはニューマチックリレイ）と、弁開度フィードバックセンサとを備えている。一般的に、プロセッサは、インターフェイス回路からの入力信号、コマンド信号およびフィードバック信号を監視するようになっている。プロセッサ内にプログラミングされているサーボアクションは、Ｉ／Ｐ変換器へ送られる電子訂正信号を作成するようになっている。Ｉ／Ｐ変換器は、供給圧力に接続され、所望の制御流体圧力を、第二のステージニューマチック増幅器に伝える。次いで、ニューマチック制御信号は、制御流体を、第二のステージニューマチック増幅器を通過させ、アクチュエータのチャンバの方向に移送し、アクチュエータに動きを生じさせる。アクチュエータの動きにより、スロットル部材が動き、これによりプロセス流体の流れを制御するようになっている。したがって、ポジショナは、通常プロセスコントローラからのコマンド信号に対して応答し、参照信号を弁開度フィードバックと比較し、Ｉ／Ｐ変換器（および、第二のステージニューマチックス）を駆動し、弁を、参照信号に対応する位置の方向に移動させるようになっている。
【０００５】
プロセッサをベースにした制御装置の利用が盛んになるにつれて、ポジショナ内で使われるスプール弁が多く用いられるようになってきた。たとえば、ピストン型のアクチュエータに用いられる場合、スプール弁は、供給圧力を受けるための流入口ポートと、アクチュエータの第一のチャンバと連通している第一の流出口ポートと、第二のアクチュエータチャンバと連通している第二の流出口ポートとを備えている。プロセッサにフィードバックを提供するための圧力センサが流入口ポート、第一の流出口ポートおよび第二の流出口ポートの位置に設けられているスプール弁が知られている。これに加えて、従来のスプール弁は、スプール弁の位置を検出してフィードバック信号をプロセッサへ送信するための変位センサを備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のポジショナは、制御弁を劣化させまたは制御弁を動作不能にしうるさまざまな制御流体の漏洩または詰まりの恐れがあるコンポーネントを備えている。たとえば、Ｉ／Ｐ変換器は、供給圧力にシール状態で接続されている流入口を備えている。Ｉ／Ｐ変換器は主オリフィスを形成している絞り部と、制御流体をフラッパに案内するためのノズルとを備えている。さらに、Ｉ／Ｐ変換器は、制御流体をスプール弁に案内するためのシールされた流出口を備えている。Ｉ／Ｐ変換器は、周囲の空気がオイル、溶解物質、砂などで汚染されている場合がある。したがって、そのような空気が制御流体として用いられると、汚染物質が、部分的にまたは完全に、主オリフィスまたはノズルを詰まらせることがある。加えて、Ｉ／Ｐ変換器の流入口および流出口に設けられたシールが不良になる場合もある。
【０００７】
このような詰まりまたは漏洩により、制御弁の性能が徐々に劣化され効率が低下されるか、または、制御弁が完全に機能しなくなってしまう場合がある。いずれの場合であっても、ポジショナが故障の原因であることを割り出すのは困難なことであり、ましてや、ポジショナ内の故障箇所を割り出すことはなおさら困難なことである。
【０００８】
同様に、アクチュエータのハウジング内に漏洩が発生する場合もあれば、スプール弁とアクチュエータとの間のコネクタ内に詰まりが生じる場合もある。これらは、制御弁の性能を劣化させるかまたは交渉を引き起こす場合がある。たとえば、たとえば、上側アクチュエータチャンバまたは下側アクチュエータチャンバと大気との間に漏洩が発生する場合もあれば、ピストンリングが劣化して、一方のチャンバから他方のチャンバへ漏洩を引き起こす場合もある。これらの状況のいずれの場合であっても、プロセッサは、スロットル部材の与えられた位置に対する制御信号を調整しなければならない。制御媒体が天然ガスである場合には、漏洩の検出が特に重要となる。このような漏洩は、時間の経過に従って大きくなっていき、騒音のあるプラントの環境では、弁が動作不能になるまで気付かないでいる場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１には、アクチュエータ12と接続されたポジショナ14が模式的に示されている。このアクチュエータ12は、パイプ（図示せず）の如き導管を通って流れるプロセス流体の流量を制御する弁体10と機械的に結合されている。ポジショナ14は、メモリ20を有するプロセッサ18と、Ｉ／Ｐ変換器24と、（スプール弁26またはニューマチックリレイ200の如き）二次ニューマチックスと、制御流体弁組立品変位センサ84と、弁移動センサ68とを備えており、本明細書では、これらを総称して制御ループと呼ぶ。プロセスコントローラからの命令信号の如き基準信号は、ポジショナ14へ提供され、所望のアクチュエータ位置を表す。ポジショナ14は、基準信号を移動センサにより提供される実際のアクチュエータ位置と比較し、誤差信号をプロセッサ18へ送信する。次いで、このプロセッサは、この誤差信号と変位センサ84からのフィードバックとに基づいて、電子式Ｉ／Ｐ駆動信号を生成する。
【００１０】
図２にさらに詳細に示すようにアクチュエータ12はピストン60を備えており、このピストンによって、アクチュエータハウジング62が上側室56と下側室58とに分割される。上側室56は、上記のピストンを加圧するバネ64を備えている。ピストン62から弁体10までは弁棒66が延設されている。移動センサ68は、弁棒66の位置を検出すべく設けられており、フィードバックをプロセッサ18に提供する。
【００１１】
例示された実施例によると、Ｉ／Ｐ変換器24が信号増幅段階を供し、スプール弁26がニューマチック増幅段階を供している。Ｉ／Ｐ変換器24は、加圧下にある制御流体の供給源30と連通する流入口28を備えている。流入口28と制御流体供給源30との間の接続部は、Ｏ−リング32によりシーリングされてもよい。Ｉ／Ｐコネクタ24に配置された絞り34は、主オリフィス36を画定する。主オリフィス36の下流には、制御流体を可撓性フラッパ40の方向に導くためのノズル38が設けられている。例示の実施例では、ノズル38に対するフラッパ40の位置調整を行うために、ソレノイドコイル42が設けられている。これに代えて、上記のソレノイドコイルをベースにしたＩ／Ｐ変換器24が取り除かれて、フラッパ40が圧電性物質から形成されてもよいしまたは、その他公知のフラッパ構造が用いられてもよい。流出口44はダイアフラム45と連通している。流出口44とダイアフラム45との間の接続部はＯ−リング46によりシーリングされうる。Ｉ／Ｐ変換器24に流入する制御流体の供給圧を検出するためにセンサ85が設けられてもよい。
【００１２】
スプール弁26は、制御流体供給部源30から制御流体を受け入れる流入ポート50を備えている。アクチュエータ12の上側室および下側室56、58と連通する第一および第二の流出ポート52、54が設けられてもよい。流入ポート50と第一のおよび第二の流出ポート52、54との間の流体の流れを制御する弁部材70がスプール弁ハウジングのない部に配置されている。例示の実施例では、弁部材70は、第一のおよび第二のランド部74、76を坦持するロッド72を備えている。環状の弁室77が、スプール弁ハウジングに形成され、第一のおよび第二のランド部74、76を密に嵌合する寸法である。Ｉ／Ｐ変換器24からの圧力信号を受け取るダイアフラム45は、弁部材70の第一の端部に係合している。バネ82は、弁部材70の他の端部に係合し、弁部材70に付勢荷重を加えている。
【００１３】
動作において、Ｉ／Ｐ変換器24により調整される制御流体圧力がダイアフラム45に出力され、バネ82の付勢荷重に対して反対の方向に弁部材70に加重を加える。第一のおよび第二のディスク74、76の移動により、流入ポート50から第一の流出ポートおよび第二の流出ポート52、54のうちの一方への流体の流れを部分的にまたは完全に遮断される。したがって、弁部材70の位置により、制御流体が流れうる各流出ポート52、54に対する絞り面積が決定される。変位センサ84は、弁部材70の位置を検出し、プロセッサ18にフィードバックを供する。これに加えて、第一のおよび第二の流出口センサ86、88が、それぞれ対応して、第一のおよび第二の出力ポート52、54における制御流体圧レベルの検出のために設けられている。
【００１４】
図２は、フェイルクローズ型バネ作用を有する復動式ピストンアクチュエータを示しているが、いうまでもなく、他のタイプのニューマチックアクチュエータが用いられてもよい。他のアクチュエータの一例としては、フェイルオープン型バネ作用を有する復動式ピストンアクチュエータ、バネなし型復動式ピストンアクチュエータフェイルオープン型バネ作用またはフェイルクローズバネ作用を有する単動式スプリングダイアフラムアクチュエータ、または公知のそれに代わるアクチュエータが挙げられる。アクチュエータが単動式である場合、スプール弁26は、バネと反対側のアクチュエータ室と連通する単一の流出ポートを備えている。
【００１５】
さらに、ポジショナ14は、二次ニューマチックスに代わる手段を用いうる。スプール弁26に代えて、ポジショナは、たとえばニューマチックリレイを備えてもよい。図６には、Ｉ／Ｐ変換器24、弁体12、および加圧下の流体供給源30に取り付けられた復動ニューマチックリレイ200が示されている。このリレイ200は、供給圧プレナム202a、202bを備えている。プレナム202aは、アクチュエータ下側室に連通している第一の流出ポート204を備えており、プレナム202bは、アクチュエータ上側室56に連通している第二の流出ポート206を備えている。第一のポペット弁208は、第一の開口部204に着脱可能に係合するように位置づけされた端部210を有しており、第二のポペット弁212は、第二の開口部206に着脱可能に係合するよう位置づけされた端部を有している。ビーム216は、支点218を中心として回転するように支持されて、第一のポペット弁208の第二の端部に係合するように位置づけされた第一のオリフィス220と、第二のポペット弁212の第二の端部に係合するように位置づけされた第二のオリフィス224とを備えている。Ｉ／Ｐ変換器24からの出力が室228へ供され、第一の方向に（すなわち、図６の時計方向に）ビーム216を回転させ、参照圧力が参照室230に供され、前記の室228の力を相殺する。第一のポペット弁208は、アクチュエータ下側室58への制御流体の流量を制御し、第二のポペット弁212は、アクチュエータ上側室56への流量を制御する。
【００１６】
動作において、Ｉ／Ｐノズル圧力が上昇すると、ビーム216が、時計方向に回転し、第一のポペット弁208を右に移動させる。第一のポペット弁208の第二の端部222は、第一のオリフィス220を閉鎖し、大気中への流れを防止し、第一のポペット弁208の第一の端部210は、第一の流出ポート204を開き、供給圧下の制御流体を下側室58へ流す。同時に、第二のポペット弁212は、第二のオリフィス224を開き第二の流出ポート206を閉めることにより、上側室56から大気中へ制御流体を排出することを可能とする。Ｉ／Ｐノズル圧力が減少すると、これとは逆のことが起きる。いうまでもなく、第一のおよび第二のポペット弁208、212が第一のおよび第二の流出ポート204、206の方向におよびそれとは逆の方向に移動するにつれて、流出ポート204、206の絞り面積が変化する。したがって、ポペット弁208、212の位置ならびに第一のおよび第二の流出ポート204、206の絞り面積の推定にビーム216の位置が用いられうる。
【００１７】
ニューマチックリレイを備えたポジショナ200は、上記と同一のセンサを備えうる。したがって、第一および第二の流出口圧力センサ86、88は、上側アクチュエータ室および下側アクチュエータ室56、58への制御流体の圧力を検出すべく、それぞれ対応して、第一および第二の流出ポート52、54の近くに設置されている。流入口圧力センサ85は、流入ポート50に設置され、制御流体供給圧を検出し、アクチュエータ移動センサ68は、弁棒66の位置を測定するような場所に設けられている。さらに、変位センサ84は、ビーム216の位置を検出するような場所に設けられている。
【００１８】
上記のポジショナは当該通信技術分野において一般的に公知の技術である。しかしながら、今日まで、変位センサはフィードバックの提供に限られて用いられてきた。本発明の教示によると、変位センサは診断目的にも用いられうる。さらに、ポジショナにおいて起こりうるさまざまな故障状態を識別すべく、さまざまなセンサが用いられうる。また、これらのセンサは、制御流体の質量流量の計算にも用いられ、この質量流量は、故障の根本原因の特定を補助すべく用いられうる。このような診断用の計算および解析は、たとえばプロセッサ18およびメモリ20が診断ユニットとして機能するが如き、ポジショナ14に設けられた診断ユニットにより、またはポジショナ14に通信可能に接続された遠隔のホスト19において実行されうる。
【００１９】
アクチュエータ12に関しては、診断ユニットは、アクチュエータ室への制御流体の質量流量を推定するためにセンサからのフィードバックを用いる診断ルーチンを用いてプログラミングされうる。さらに、この診断ルーチンは、さらなるフィードバックパラメータの有無に関係なく、アクチュエータにおける漏洩または他の故障の特定に、計算された質量流量を用いうる。さらに詳細には、第一および第二の流出ポートを通過する制御流体の質量流量は以下の式を用いて近似されうる：
ｄｍ／ｄｔ＝ＫＹＡｇｃ（２ρ（ｐ１―ｐ２））１／２
ここで、ｄｍ／ｄｔは質量流量（ｌｂｍ／ｓ）であり、Ｋは排出係数であり、Ｙは膨張係数であり、Ａは絞り面積（ｆｔ２）であり、ｇｃは変換定数であり、ｐ１は上流側圧力（ｌｂｆ／ｆｔ２、ａｂｓ．）であり、ｐ２は下流側圧力（ｌｂｆ／ｆｔ２、ａｂｓ．）であり、ρは上流側流体密度（ｓｌｕｇ／ｆｔ３）である。
【００２０】
たとえば、第一の流出ポート52を通過する質量流量の計算には、上記の式に適切な係数および変数が挿入される。上流側圧力ｐ１は圧力センサ85により感知される流入口圧力であり、ｐ２は第一の流出ポート52においてセンサ86により検出される圧力である。この式を用いて供給質量流量および排出質量流量の両方を推定しうる。たとえば、スプール弁の変位が正である場合（すなわち、図２において右側）、ポート54は、下側アクチュエータ室に制御流体を供給し、それと同時に、ポート52は、上側アクチュエータ室から制御流体を排出する。ポート54の場合、スプール弁の変位が露出ポート領域の計算に用いられうるし、センサ85、88が上流側圧力および下流側圧力を提供しうる。ポート52の場合、スプール弁の変位が露出ポート領域の計算に用いられうるし、センサ85が上流側圧力を提供しうる。スプール弁が既知の圧力で大気中に排出するので、排出ポートにセンサを必要としない。さらに、制御弁への供給圧力は調整されていることが多いので、供給圧力センサを排除し、供給圧力を近似する固定値を上記の気体質量流量の式に代入してもよい。
【００２１】
制御流体が空気である場合、上記の式を以下の式のように変形してもよい：
ｄｍ／ｄｔ＝０．０４８ＫＹＡ（ｐ１（ｐ１−ｐ２））１／２
質量流量式は、天然ガスの如き他の流体の場合にも同様に変形されてもよい。さらに、オリフィスの質量流量を推定する上記の式以外にも、ＩＳＡ−５７５．０１−１９８５：サイジング制御弁用の流量計算式（Ｆｌｏｗ  Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ  Ｆｏｒ  Ｓｉｚｉｎｇ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅｓ）の記載されている計算式の如き標準流量計算式を用いてもよい。上記の計算式により得られる質量流量推定値は、ビットノイズを減衰すべくローパスデジタルフィルタを用いた場合にとくに、外部空気質量流量センサを用いて得られる測定結果とよく一致することが見出されている。したがって、診断ユニット18は、圧力センサ85、86、88および変位センサ84からのフィードバックを受信し、上記の計算式を用いて、第一および第二の流出ポート52、54を通過する質量流量を計算するようにプログラミングされうる。上記の計算式は、ランドを横切って流れる漏洩流量に対する補正のために修正されてもよいし、また、図６のニューマチックリレイ200の如き他の二次ニューマチックスの質量流量の計算に用いられてもよい。
【００２２】
診断ルーチンは、スプール弁とアクチュエータ12との間の漏洩または遮断を発見すべく、質量流量計算を用いうる。たとえば、スプリングダイアフラムアクチュエータでは、制御流体は、ネジと反対側の単一アクチュエータ室に供される。正常運転中、プロセッサ18は、スプール弁26からの制御流体の出力流量を制御し、アクチュエータ12および接続された絞りエレメントを駆動し、所定の設定値に移動させる。定常状態運転中は、少量の流体が大気中に漏れることがあり、少量の制御流体がスプール弁流出ポートを通って流れことになる。アクチュエータ室または、スプール弁流出ポートとアクチュエータとの間の接続部において漏洩が発生すると、アクチュエータ室内部の圧力が低下し、バネによりアクチュエータがその所定の位置から移動させられる。プロセス流体圧力および／またはアクチュエータ移動に関するフィードバックがプロセッサ18へ供され、このプロセッサ18は、Ｉ／Ｐ変換器24への駆動信号を変更し、アクチュエータへの制御流体流量を増加する。したがって、アクチュエータへの質量流量は、図３Ａに提供されたグラフに示されているように増加させられる。制御流体の将来の質量流量を推測することにより、診断ユニットは、アクチュエータへの制御流体流量の増加を検出するようにプログラミングされうる。さらに、診断ユニットは、診断ルーチンが故障信号を発生する最大制御流体流量を有するようにプログラミングされうる。正常な過渡変化により故障信号が生成される可能性を最小限に抑えるべくローパスフィルタがもうけられうる。
【００２３】
また、スプール弁の変位が上昇しているのに制御流体の流量が一定である場合、スプール弁とアクチュエータ12との間の気体管路の遮断であるとみなされうる。図３Ｂは、遮断状況を示しており、実践は質量流量を表しており、波線はスプールの変位を表している。同様に、スプールの変位は大きいが質量流量は比較的小さい場合、部分的遮断であるとみなされる。
【００２４】
ピストンアクチュエータにおける漏洩の検出はさらに複雑である。ピストンリングに漏洩が存在する場合または、アクチュエータ上のバイパス弁が開いたままになっている場合、バネのある側のアクチュエータ室、バネのない側のアクチュエータ室、またはこれらのアクチュエータ室の間において漏洩が発生しうる。しかしながら、スプリングダイアフラムアクチュエータに関しては、漏洩または閉塞の場所を探索し、定量するために、気体質量流量の偏差を用いることができる。
【００２５】
故障の特定を容易にするために、正常動作パラメータ値からの偏差が特定される。このようなパラメータの一つは、アクチュエータ室内の圧力であり、この圧力は、通常、供給圧力の約６０％〜８０％に維持される。アクチュエータ室における圧力の平均を取ることにより平均圧力または「クロスオーバ」圧力を求めうる。
【００２６】
バネに対向する室において大気中への漏洩が存在する場合、プロセッサ18は、スプール弁26を移動し、その室に対する補充気体を提供する。また、このことにより、バネの存在する側の室が減圧され、その結果、ピストン型アクチュエータは、スプリングダイアフラム型アクチュエータのように効果的に動作する。このような漏洩の場合における第一のおよび第二の流出ポート52、54における質量流量のプロファイルが図４Ａに示されている。まず、システムにおける正常の漏洩に起因する流出ポート52、54の両方における公称質量流量が示されている。時点Ａにおいて漏洩が発生すると、漏洩の発生した室への質量流量は、図４Ａの実線により示されるように、大気中に排出される気体の量と一致するように増加する。バネの存在する室の場合、図Ａの破線により示されているように、アクチュエータが新しい位置に移動する間、質量流は一時的にその室から出て行く方向であるが、その室が減圧されるので、最終的にゼロ近傍にまで戻る。さらに、アクチュエータのクロスオーバ圧力は、バネと反対側の室の圧力の約半分である。
【００２７】
アクチュエータのバネ側の室に漏洩が発生した場合、ポジショナ14は、補充気体を供給しない。というのは、補充気体を供給した場合、ポジショナはバネと反対側の室から気体を排出（そして、そこからの力を減少）させなければならないからである。したがって、プロセッサ18は、バネの存在する側の室が減圧されるのをそのままにし、反対側の室を調整することにより弁の制御を行う。定常状態では、バネ側の室への気体質量流量はほとんどゼロであり、バネと反対側の室からの気体質量流量はほとんどゼロであり、クロスオーバ圧力は、バネのない室の圧力の半分である。したがって、各ポートの質量流量のクロスオーバ圧力の減少を検出することにより、漏洩の存在および場所を特定しうる。
【００２８】
さらに、質量流量の計算は、ピストンリングにおける漏洩の如き、制御流体が一方のアクチュエータ室から他方のアクチュエータ室に流れるという漏洩を検出すべく診断ユニットにより用いられうる。このような漏洩は、各室が加圧されたまま留まるため、従来の測定技術を用いて検出することは困難である。たとえば、漏洩により、制御流体が下側室58から上側室56に流れるような場合、ポジショナ14は、補充制御流体を下側室58へ供給するようにスプールを移動させる。しかしながら、同時に、制御流体は、下側室58から上側室56へ流れてスプール弁26に戻ってくる。
【００２９】
図４Ｃには、ピストンリングからの漏洩の場合の各流出ポート52、54における流体流量のプロファイルを示すグラフが提供されており、第一の流出ポート52における流体流量が破線により表されており、第二の流出ポート54における流体流量が実線により表されている。まず、各ポートは、大気中に排出される公称流量を有している。ピストンリングにおいて漏洩が発生すると、第二の流出ポート54における質量流量が増加し、それと比例する量だけ、第一の流出ポート52における流体流量が減少する。流体の流れの方向を示さない従来の質量流量センサと異なり、質量流量の近似計算式から流れの方向が分かる。正の数はアクチュエータへの流体の流れを表し、負の数はアクチュエータからの流体の流れを表す。したがって、第一のおよび第二の流出ポート52、54における制御流体流量を監視することにより、プロセッサ18は、一方のポートにおける流体流量が正であり他方における流体流量が負である状況が持続していることを検出し、故障信号を生成しうる。
【００３０】
アクチュエータに対する制御流体の漏洩および閉塞の検出に加えて、スプール弁の圧力センサおよび変位センサは、スプール弁26の上流側に設けられたＩ／Ｐ変換器24の故障の検出に用いられうる。スプール弁26への制御流体の流れを攪乱または停止するさまざまな故障が、Ｉ／Ｐ変換器24において発生して、制御弁の動作を劣化させるかまたは動作不能状態にする。Ｉ／Ｐ変換器24のフラッパ40の如き特定のコンポーネントがサーボ制御に直接に適用可能でないので、これらのコンポーネントは通常監視されない。しかしながら、スプール弁26に設けられたセンサがＩ／Ｐ変換器のコンポーネントの内部状態の推測に用いられうることが分かってきた。
【００３１】
Ｉ／Ｐ変換器24において発生する特定の問題を処理するまえに、このＩ／Ｐ変換器に加圧下の制御流体を供給する制御流体供給源30が故障する場合があるので、Ｉ／Ｐ変換器24自体の他の問題を考える以前にこの故障に対処する必要があるということに留意すべきである。したがって、制御流体供給源30が圧力を損失したか否かを検出するために、流入口圧力センサ85により提供される信号を用いうる。
【００３２】
Ｉ／Ｐ変換器24内で発生しうる一つの故障は主オリフィス36の完全な詰まりである。主オリフィスが詰まった場合、ダイアフラム45に対する圧力が低下し、その結果、バネ82がスプール弁70をゼロ圧力（または負）の状態に移動させ、その分、アクチュエータを移動させる。プロセッサ18は、ノズル38を閉鎖するようにソレノイドコイル42への駆動信号を増大し、これにより、通常流出口44から排出される制御流体の圧力を上昇させる。そうでなければ、詰まった主オリフィス36は制御流体の流れを停止する。
【００３３】
また、フラッパ40上に無機物が堆積するかまたは他の汚染物質が堆積することでノズル38が完全に詰まると、故障が発生する。この場合、流出口44から制御流体の圧力は、供給圧力にまで上昇し、ゼロ位置から正の位置までスプール弁を移動させ、これにより、アクチュエータを移動させる。応答としては、プロセッサ18は、ノズル38を開放するようにＩ／Ｐ変換器24への駆動信号を減少させる。
【００３４】
これに代えて、主オリフィス部分的に詰まらせられうる。完全に詰まった主オリフィスと同様に、部分的に詰まると、プロセッサ18がノズル38への気体の減少を補完しようとするので、駆動信号が高い方に変位する。主オリフィスが部分的に詰まると、Ｉ／Ｐ信号の変化に応答して、スプール弁の移動が減速する。しかしながら、ダイアフラムを硬化させる外部温度の低下により、時定数が上昇する場合もある。いずれの場合であっても、Ｉ／Ｐ駆動信号が高くかつ全ての他の状態が正常に動作している場合は、主オリフィスが部分的に詰まっていると考えてもよい。
【００３５】
同様に、ノズル38が部分的に詰まる場合がある。ノズル38が部分的に詰まっても、Ｉ／Ｐ変換器の時定数が影響を受ける。上述のように、Ｉ／Ｐ変換器の時定数は、ダイアフラムの外部温度の変化によっても影響を受ける。したがって、全ての他の状態が正常であってＩ／Ｐ駆動信号が低い場合は、ノズルが部分的に詰まっていると考えてもよい。
【００３６】
流出口Ｏ−リング46の不良により故障がさらに発生する場合もある。流出口Ｏ−リング46における漏洩を補償すべく、プロセッサ18は、駆動信号を増大させるがＩ／Ｐ変換器の時定数は顕著な変化を受けない。したがって、流出口Ｏ−リング46が故障すると、主オリフィス36の詰まりと同様な様式で制御ループの動作が影響を受ける。
【００３７】
上述の詳細に記載した故障に加えて、Ｉ／Ｐ変換器において他の故障が発生する場合もある。たとえば、ソレノイドコイル42が故障する場合もあればフラッパ40が壊れる場合もある。特定の故障を識別することはできないこともあるが、各故障はＩ／Ｐ変換器への駆動信号の著しい偏差を監視することにより検出されうる。このことは、駆動信号に線形または非線型のデジタルフィルタをかけて高周波数成分を取り除き、正常動作状態からの偏差を調べることにより達成されうる。
【００３８】
Ｉ／Ｐ変換器24におけるさまざまな故障の特定および特徴付けを容易にすべく、ポジショナ14のプロセッサおよびメモリ20またはプロセッサおよびメモリを備えた遠隔ホスト19の如き診断ユニットが、ポジショナ14のさまざまなセンサにより測定されるパラメータに基づいて診断ルーチンを実行するようにプログラミングされうる。この診断ルーチンは、測定されたパラメータを特徴付けし故障テンプレートを作成する一または複数の論理サブルーチンを有しており、この故障テンプレートが、一または複数の故障の根本原因を特定すべく用いられうる。
【００３９】
故障は、特徴付けされるまえに検出されなければならない。診断ルーチンは、Ｉ／Ｐ駆動信号の持続する偏差を検出するようにプログラミングされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号は、ニューマチック増幅器の制御流体弁組立体スプール弁の中心をゼロ位置に合わせるために７０％に設定されうる。駆動信号の正常動作範囲は６０〜８０％で在りうる。したがって、診断ルーチンは、Ｉ／Ｐ駆動信号がこの正常動作範囲の外側に移動すると（すなわち、６０％未満になるかまたは８０％を超えると）故障信号を生成しうる。正常な過渡変動の除去には順序統計フィルタが用いられるため、Ｉ／Ｐ駆動信号がある持続期間正常範囲の外側に存在する場合にのみ故障信号が生成される。これに代えて、診断ユニットが、故障解析を行うために、制御流体弁組立体の正常位置からの大きなずれを監視するかまたは誤差信号（すなわち、弁棒の移動値、流出口ポート圧力または他の制御パラメータからの基準値の偏差）を監視するようにプログラミングされてもよい。いずれの場合であっても、いったん故障が検出されたならば、その故障の原因として供給源30を除外するために、供給源30の制御流体圧力を最初に検査すべきである。
【００４０】
いったん故障が検出されると、この故障は、制御ループ内における一般的または個別的な故障場所を決定すべく特徴付けされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号に偏差が検出されると、制御ループ全体にわたり追跡することによりその故障の場所を特定することができる。たとえば、弁棒移動基準信号を用いるポジショナシステムの主オリフィスが閉塞した場合、以下のように、制御ループが影響を受ける。主オリフィス36における流れが停止され、このことがスプール弁をそのゼロ圧力（負の）状態へ移動させ、次いで、このことがアクチュエータ室の圧力を減少させ、このことが絞りエレメントを移動させ、このことがプロセッサへ誤差信号を生成させる。このプロセッサは、故障を補償すべくＩ／Ｐ駆動信号を増大させる。
【００４１】
故障の場所を特定するために、この一連のイベントの跡をたどらなければならない。主オリフィスが完全に詰まった例の場合、解析は、正常動作範囲の上限を越えるＩ／Ｐ駆動信号（すなわち、正のＩ／Ｐ駆動信号の偏差）の検出から始まる。次いで、絞りエレメントの移動により生成される誤差が大きく正の側に存在することが特徴付けされ、実際のアクチュエータの移動が要求よりも少ないことを示す。次いで、第一の流入ポート52における圧力が第二の流出ポート54における圧力から差し引かれた流出ポート間の差圧が負であると特徴付けされうる。次いで、変位センサ84がスプール弁の位置に関するフィードバックを供給する。スプール弁の位置は閉塞に起因した制御流体圧力の低下のためゼロ位置から大きく負側であると特徴付けされうる。このようにして測定パラメータを特徴付けすることにより、故障のある種の根本原因が削除されうる。複数の根本原因が以上の特徴を有しうるが、主オリフィスの閉塞はそのうちの一つである。
【００４２】
同様に、図５に示されるように、決定樹を用いて全ての故障を記載しうる。図５では、測定変数は円により示されており、これらのパラメータの特徴付けされた値は円から出ている線上に示されており、コンポーネントの故障は正方形により示されている。三角形は、たとえば、大きな駆動信号と大きな負の誤差信号との組み合わせのようなありえない組み合わせの如き無効領域を表している。図５に示されている診断ルーチンは、ポジショナに通常設けられている既存のセンサに基づくものであるので、図５では、区別不可能な特定のコンポーネント故障は一緒にされている。これらの一緒にされたコンポーネント故障をさらに区別するためにさらなるセンサが用いられてもよい。コンポーネントの故障は、Ｉ／Ｐ駆動信号が逸脱するまで、決定樹をたどって下方に、段階的に発生する。この逸脱の根本原因は、決定樹をたどって逆方向に移動することにより特定されうる。図５およびそれに関連する記載では、基準信号が弁棒の移動に対して生成されていることが想定されている。いうまでもなく、基準信号が、ニューマチック増幅器によりアクチュエータに対して伝達される流体圧力の如き他の制御パラメータに対して関連付けされているシステムにおいも、同等の診断が実行されうる。
【００４３】
図５をさらに参照すると、測定値100において、診断ルーチンは、正常動作範囲から逸脱するＩ／Ｐ駆動信号を検出しうる。この駆動信号は、上記範囲を超えていれば高であるとして、また上記範囲未満であれば低であると特徴付けされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、格納されている診断ルーチンは決定樹を上方に進み、制御ループにおいて用いられている基準信号を特定する。この基準信号は、プロセスコントローラからポジショナに送信される命令信号でありうる。この実施形態では、Ｉ／Ｐ駆動信号は、この基準信号と移動フィードバックとの差の関数である。
【００４４】
Ｉ／Ｐ駆動信号が正常動作点を超えるまたはそれ未満でありうるシナリオは三つあるが、そのうちの二つは装置故障に起因するものではない。第一のシナリオとはコントローラが「カットオフ」の状態の場合である。カットオフは、基準信号がユーザ規定のしきい値を越える場合に発生する。高カットオフの場合、サーボコントローラは全てバイパスされ、１００％の駆動信号がＩ／Ｐに送信される。低カットオフの場合、サーボコントローラはバイパスされるが、０％の駆動信号がＩ／Ｐに送信される。図８には、カットオフの実現方法の一例を示す概略ブロック線図が示されている。高カットオフおよび低カットオフの両方は有効な動作領域であり、装置不良を示すものではない。図５のボックス103、131には、高カットオフと低カットオフとがそれぞれ対応して示されている。
【００４５】
第二のシナリオは、弁体が移動停止部に係合する場合である。弁体が停止部に到達した場合、移動フィードバックはアクティブな状態でなくなり、プロセスコントローラは実質的にオープンループの状態で動作する。この場合もやはり、正常な制御弁の挙動であり、装置不良を示すものではない。図５のボックス104、132で、高移動停止と低移動停止とがそれぞれ対応して示されている。
【００４６】
第三のシナリオは、装置故障により大誤差信号が引き起こされる場合である。大誤差信号の補償のために、それに応じて、Ｉ／Ｐ駆動信号が調整される。ひとたびカットオフと移動停止とが除かれたならば、解析は、図５に記載された決定樹に沿って進みうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号の場合、解析は決定樹を上方に進み、その一方、低Ｉ／Ｐ駆動信号の場合、解析は決定樹を下方に進む。
【００４７】
高いＩ／Ｐ駆動信号は、まず、105で誤差信号を特徴付けすることにより解析される。この誤差信号は、大きく正、ゼロ（ｎｕｌｌ）、または大きく負に分類されうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、大きく負の誤差信号を有することはできないので、図５の上方右側の枝は全ての結論が無効であることを示す。したがって、この誤差信号の特徴付け105から唯一可能な結論は、大きく正（すなわち、基準信号が実際の移動フィードバック信号よりも大きいこと）またはゼロでしかない。いずれの場合であっても、診断ルーチンは、次いで、106、107で示されているように、第一の流出ポート52における圧力を第二の流出ポート54における圧力から減算することにより第一のおよび第二の流出ポート52、54間の圧力差を特定するために進む。この圧力差は、供給圧力に近い負、略ゼロ（ｎｏｍｉｎａｌ）、または供給圧力に近い正であるとして特徴付けされる。負の圧力差は、第一の流出ポート52における圧力が第二の流出ポート54における圧力よりも大きいことを示す。正の圧力差はこれと反対である。略ゼロである圧力差は、アクチュエータ室が略平衡状態であることを示す。圧力差の特徴付け毎に、診断ルーチンは、108〜113で示されているように、スプール弁の位置を特定するように進む。このスプール弁の位置は、大きく正、ゼロ、または大きく負であると特徴付けされる。大きく正の位置は、ダイアフラム45がスプール弁を押し過ぎていることを示し、大きく負の位置は、それとは反対のことを示す。スプール弁は、それが正常動作範囲内に留まっている場合に、ゼロの位置に存在する。
【００４８】
スプール弁の位置が特徴付けされたならば、Ｉ／Ｐ駆動信号逸脱に対する一または複数の見込みのある根本原因が特定されうる。たとえば、スプール弁が詰まっている場合114、流出口Ｏ−リング46が故障している場合115、ダイアフラム45が故障している場合116、または主オリフィス36が完全に詰まっている場合117、診断ルーチンは、高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置が大きく負である故障、圧力差が負である故障、および誤差信号が大きく正である故障として特徴付けしうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、故障が、スプール弁位置が大きく正である、圧力差が略ゼロである、および誤差信号が大きく正であるとして特徴付けされた場合、この根本原因は、外部漏洩118、摩耗したスプール弁119、または低供給圧力120でありうる。高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置が大きく負であり、圧力差が略ゼロであり、誤差信号が大きく正である故障の場合、その根本原因は低い圧力供給121でありうる。
【００４９】
高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、誤差信号が大きく正であり、圧力差が正であり、スプール弁位置が大きく正である場合、その根本原因は、弁体が低位置で停止122、スプール弁とアクチュエータとの間の気体管路の閉塞123、またはインターロックがアクティブ状態124でありうる。
【００５０】
高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、故障が、スプール弁位置が大きく正であり、圧力差が略ゼロであり、誤差信号がゼロであるとして特徴付けされた場合、この根本原因は、外部漏洩125でありうる。また、高Ｉ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置がゼロであると特徴付けされ、圧力差が略ゼロであり、誤差信号がゼロであるとして特徴付けされた場合、この故障の根本原因は、主オリフィス36の部分的詰まり126、Ｉ／Ｐ用のフラッパまたはアーマチュアにおける砂粒の存在127、またはＩ／Ｐの校正ずれ128でありうる。
【００５１】
図５の下半分を説明すると、診断ルーチンは、低Ｉ／Ｐ駆動信号に対して同様のプロセスを実行する。低カットオフ131および低移動停止132を除外すると、解析は、133で誤差信号を特徴付けすることから進む。誤差信号の特徴付けは、上記の105における特徴付けと同等である。すなわち誤差信号は、大きく負、ゼロ、または大きく正である。低Ｉ／Ｐ駆動信号と大きく正の誤差信号との両方を有することはできないので、図５の下方左側部分に示されるように、その結論は全て無効であると示されている。誤差信号の特徴付けのあと、診断ルーチンは、134および135で、圧力差を特徴付けしうる。最後に、診断ルーチンは、136〜141で、スプール弁の位置を特徴付けしうる。
【００５２】
高駆動信号の逸脱と同様に、低駆動信号の逸脱の解析は一または複数の有力な根本原因の特定から進む。誤差信号が大きく負であり、圧力差が正であり、スプール弁位置が大きく正である場合、この故障の根本原因は、ノズル38の閉塞142、Ｉ／Ｐ用のフラッパまたはアーマチュアのプレシング143、Ｉ／Ｐの動作停止144、またはスプール弁の詰まり145でありうる。また、誤差信号が大きく負であり、圧力差が負であり、スプール弁位置が負である場合、この故障の根本原因は、弁体が高位置で停止146または気体管路の閉塞147でありうる。最後に、誤差信号がゼロであり、圧力差が略ゼロであり、スプール弁位置がゼロである場合、この故障の根本原因は、Ｉ／Ｐの校正ずれ148またはノズル38の部分詰まり149でありうる。
【００５３】
さらに、診断ルーチンは、深刻度に応じてコンポーネントの故障を分類し、予測診断を提供しうる。主オリフィス36またはノズル38の完全な詰まりの如き特定の根本原因は、プロセッサ18が訂正できない方法でスプール弁26にバイアスをかけうる。このような原因は、「レッドライト」と特徴付けされて適切に報告される場合がある。他の根本原因により、Ｉ／Ｐ信号が大きく逸脱させられることがある。たとえば、主オリフィス36が部分的に閉塞させられることがあり、この結果、ノズルへの流れの低下を補償すべくＩ／Ｐ信号がさらに強く駆動させられなければならない。しかしながら、誤差信号、アクチュエータ圧力、およびスプール弁位置はすべて正常に動作する。Ｉ／Ｐ信号の偏差をフィードバックループ内の他の変数と比較することにより、我々は、劣化を発見し、それか致命的な故障になるまえにそれにフラッグを立てることができる。これらの原因は「イエローライト」診断として分類されうる。
【００５４】
弁が弁座の如き移動停止部上の位置にある場合、弁とポジショナとに対して異なる試験が必要となる。たとえば、緊急停止（ＥＳＤ）弁は、配管の下流側で破裂が生じた場合にオイルまたは天然ガスの流れを停止するためなどに用いられる典型的なオン・オフ装置である。
【００５５】
したがって、ＥＳＤ弁は、ほとんどの場合上側移動停止部または開弁状態に留まったままでおり、断続的にのみ閉弁される。典型的なＥＳＤ装置に対する標準的な診断試験は、サーボに対する基準信号が所定の軌道に沿って移動させ、センサのデータが一組の予測データと比較される部分ストローク試験である。しかしながら、弁を移動停止部から実際に離すことなく弁ポジショナの如き装置を試験することが望ましい場合がある。上述のように、カットオフは、フル圧力をアクチュエータ12に加え、最大の弁座負荷、したがって最大シャットオフ機能を実現するために用いられている。
【００５６】
基準信号が０％または１００％に近づくとカットオフがアクティブな状態になる。このことは、ポジショナが飽和状態で動作されうることを意味する。したがって、制御ループがバイパスされ、１００％信号または０％信号がＩ／Ｐ変換器24に直接加えられる。このことにより、アクチュエータ12への出力圧力が、所望の出力状態に応じて、供給源または大気に加えられる。したがって、カットオフがアクティブな状態になると、Ｉ／Ｐ変換器24およびスプール弁26を飽和状態から空の状態にするのにさらなる時間が必要となるため、弁10を弁座から離すためにさらなる時間が必要となる場合がある。
【００５７】
Ｉ／Ｐ変換器24への駆動信号がもはやアクティブな状態ではない（すなわち、コマンド信号とフィードバック信号との間の差の変化量に応答している）ので、ポジショナ内の電空ステージおよび空気圧ステージが正しく動作しているか否かを判断することがさらに困難となる。
【００５８】
したがって、ある制御状態および制御装置の場合には、弁10が弁座の如き移動停止部上の位置にある場合には圧力制御モードでポジショナ14を稼働させることが望ましい場合がある。圧力制御モードでは、ポジショナ14は、図７のブロック線図に示されているようにクローズドループ制御モードで動作されうる。このモードでは、圧力設定値（位置設定値）を供給圧近傍または大気圧近傍（すなわち、１００％近傍または０％近傍）に選択することが可能となる。このようにすることにより、準最大弁座負荷が達成され、Ｉ／Ｐ変換器24およびスプール弁26またはリレイ200がから状態に維持され、よって、弁10が弁座からより迅速に離れることが可能となる。図７を参照すると、圧力制御モードで動作している場合、Ｉ／Ｐ駆動信号は、基準信号と測定圧力フィードバック信号との間の差の関数となりうる。たとえば、アクチュエータ圧力が、単動式アクチュエータに対する圧力フィードバック信号として用いられても良いし、ピストンの差圧が、複動式のアクチュエータに対する圧力フィードバック信号（誤差信号）として用いられても良い。いうまでもなく、弁が、圧力制御モードで連続的に動作されても良いし、移動制御モード（すなわち、アクチュエータ移動距離が制御パラメータとして用いられる）の如き他のモードで通常動作され、ある動作状態では、圧力制御モードに切り換えられても良い。
【００５９】
弁が弁座上の位置あるとき、Ｉ／Ｐ変換器24およびスプール弁26またはリレイ200をアクティブな状態かつ空状態にしておく他の利点としては、移動制御の診断を、Ｉ／Ｐ変換器24およびスプール弁26またはリレイ200の完全性を評価するために、スプール弁26またはリレイ200を通る空気質量流量を算出するために、および、ポジショナ14の性能の質を監視するために用いられうるということが挙げられる。したがって、弁10が移動停止部の位置にあるときに、ポジショナ14の利用可能性が評価されても良い。空気質量流量の計算方法が、単動式および複動式のアクチュエータに関して先に記載した方法と同一の方法であっても良い。図３Ａ〜図３Ｂおよび図４Ａから図４Ｃに関連して記載されたものと同様の空気質量流量に基づく診断が、圧力制御モードで動作している制御ループに対して実行されても良い。
【００６０】
上記の診断機能は、弁が、ほとんど常に弁座上に位置しており、たまに、移動させられるようなコンプレッサアンチサージおよびタービンバイパスの如き用途において非常に重要である。しかしながら、このような弁が必要な場合、その弁が設計通りに応答することが重要である。弁が弁座上に位置しかつポジショナ14が圧力制御モードで動作しているときに実行されうる移動停止部診断により、オペレータは、弁10が動作状態でなくても、ポジショナ14の機能性を評価することができる。
【００６１】
圧力制御を用いると、図９に示されている、図５に示されたものと同等の決定樹を用いて故障を詳細に記載することが可能となる。図９においては、図５の場合と同様に、測定変数が円により表現され、これらのパラメータの特性値が円から出ている線上に記載され、コンポーネント故障が四角により表現されている。三角形は、不可能なことと考えられるたとえば大きな駆動信号と大きな負の誤差信号との組み合わせの如き無効領域を表している。図９に示されている診断ルーチンは、ポジショナに通常備えられている既存のセンサに基づいており、したがって、区別できないコンポーネントの故障は、図９においてグループ分けされている。これらグループ分けされたコンポーネントの故障をさらに区別するため、さらなるセンサを用いうる。コンポーネントの故障は、Ｉ／Ｐ駆動信号が逸脱するまで、決定樹をたどって下方に、段階的に発生する。この逸脱の根本原因は、決定樹をたどって逆方向に移動することにより特定されうる。
【００６２】
さらに詳細には、測定300において、診断ルーチンは、図６に示されているリレイ200の如きリレイとともに用いられ、供給圧力の正常値７０％から逸脱するＩ／Ｐ駆動信号を検出しうる。この駆動信号は、７０％を超えていれば高であるとして、また７０％未満であれば低であると特徴付けされうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、格納されている診断ルーチンは、決定樹を上方に進み、制御ループにおいて用いられる基準信号を特定する。この基準信号は、プロセスコントローラからポジショナに送信される圧力コマンド信号でありうる。Ｉ／Ｐ駆動信号は、基準圧力信号と圧力フィードバック信号との差の関数となる。
【００６３】
高いＩ／Ｐ駆動信号は、まず、305で圧力誤差信号を特徴付けすることにより解析される。この圧力誤差信号は、正、略ゼロ、または負に分類されうる。Ｉ／Ｐ駆動信号が高である場合、負の誤差信号を有することはできないので、図９の上方右側の枝は全ての結論が無効であることを示す。したがって、この誤差信号の特徴付け（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｒｒｏｒ  ｓｉｇｎａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）305から唯一可能な結論は、正または略ゼロでしかない。いずれの場合であっても、診断ルーチンは、次いで、図９の306、307で示されているように、リレイの位置（ｒｅｌａｙ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）（たとえば、図６のニューマチックリレイ200の位置）を特定するように進む。このリレイの位置は、大きく正、ゼロまたは大きく負として特徴付けされる。
【００６４】
いったんリレイの位置が特徴付けされたならば、Ｉ／Ｐ駆動信号の逸脱に対する一または複数の可能性な根本原因が特定されうる。たとえば、主オリフィス36が詰まっている場合（ｐｒｉｍａｒｙ  ｏｒｉｆｉｃｅ  ｂｌｏｃｋｅｄ）310、供給圧力121が大気圧近傍である場合（ｓｕｐｐｌｙ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｎｅａｒ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）312、リレイが故障している場合（ｒｅｌａｙ  ｊａｍｍｅｄ）314、Ｉ／ＰＯ−リング46が故障している場合（Ｉ／Ｐ  Ｏ−ｒｉｎｇ  ｆａｉｌｅｄ）315またはチャンバに関連するリレイ装置ダイアフラムが故障している場合（ｒｅｌａｙ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｉｏｎ  ｄｉａｐｈｒａｇｍ  ｆａｉｌｅｄ）316、診断ルーチンは、高いＩ／Ｐ駆動信号に対して、スプール弁位置が大きく負である高い圧誤差信号を有する故障として特徴付けしうる。故障が、高いＩ／Ｐ駆動信号に対して、リレイ位置が大きく正であり、圧力誤差信号が高であるとして特徴付けされた場合、この根本原因は、外部漏洩（ｌａｒｇｅ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｌｅａｋ）318、第一のオリフィス220に関連するダイアフラムの故障（ｄｉａｐｈｒａｇｍ  ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｆｉｒｓｔ  ｏｒｉｆｉｃｅ  ｆａｉｌｅｄ）319または低い供給圧力（ｓｕｐｐｌｙ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｌｏｗ）320でありうる。
【００６５】
高いＩ／Ｐ駆動信号に対して、圧力誤差信号が略ゼロであり、圧力差が正であり、リレイ弁位置が大きく正である場合、その根本原因は、外部漏洩（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｌｅａｋ）322、第一のオリフィス220に関連するダイアフラムの故障（ｄｉａｐｈｒａｇｍ  ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｆｉｒｓｔ  ｏｒｉｆｉｃｅ  ｆａｉｌｅｄ）324でありうる。
【００６６】
高いＩ／Ｐ駆動信号に対して、リレイ位置がゼロ、圧力誤差信号が略ゼロであるとして特徴付けされた場合、この故障の根本原因は、主オリフィス36の部分的詰まり（ｐｒｉｍａｒｙ  ｏｒｉｆｉｃｅ  ｐａｒｔｉａｌｌｙ  ｐｌｕｇｇｅｄ）326、Ｉ／Ｐ用のフラッパもしくはアーマチュアにおける砂粒の存在（ｇｒｉｔ  ｉｎ  Ｉ／Ｐ  ａｒｍａｔｕｒｅ）327またはＩ／Ｐの校正ずれ（Ｉ／Ｐ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｓｈｉｆｔ）328でありうる。
【００６７】
図９の下半分を説明すると、診断ルーチンは、低いＩ／Ｐ駆動信号に対して同様のプロセスを実行しうる。解析は、333で圧力誤差信号（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｒｒｏｒ  ｓｉｇｎａｌ）を特徴付けすることから進む。誤差信号の特徴付けは、上記の305における特徴付けと同等である。すなわち圧力誤差信号は、低、略ゼロまたは高である。低いＩ／Ｐ駆動信号と高い圧力誤差信号との両方を有することはできないので、図９の下方右側部分340の結論が全て無効であると示されている。圧力誤差信号の特徴付けのあと、診断ルーチンは、336および338で、リレイの位置を特徴付けしうる（ｒｅｌａｙ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）。
【００６８】
高い駆動信号の逸脱と同様に、低い駆動信号の逸脱の解析は、一または複数の可能性のある根本原因の特定から進む。圧力誤差信号が低く、リレイの位置が大きく正である場合、この故障の根本原因は、ノズル38の閉塞（ｎｏｚｚｌｅ  ｂｌｏｃｋｅｄ）342、Ｉ／Ｐ用のフラッパまたはアーマチュアのプレシング（ｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉ／Ｐ  ｆｌａｐｐｅｒ  ｏｒ  ａｒｍａｔｕｒｅ）343、Ｉ／Ｐの動作停止（ｌａｔｃｈｅｄ  Ｉ／Ｐ）344、リレイの故障（ｒｅｌａｙ  ｊａｍｍｅｄ）345または基準チャンバ230に関連するダイアフラムの故障（ｄｉａｐｈｒａｇｍ  ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｃｈａｍｂｅｒ  ｆａｉｌｅｄ）346でありうる。最後に、圧力誤差信号が略ゼロであり、リレイ位置がゼロである場合、Ｉ／Ｐの校正ずれ（Ｉ／Ｐ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｓｈｉｆｔ）348またはノズル38の部分詰まり（ｎｏｚｚｌｅ  ｐａｒｔｉａｌｌｙ  ｐｌｕｇｇｅｄ）349でありうる。
【００６９】
所望ならば、図１０の決定樹に示されているように、さらなるアクチュエータ性能診断が、圧力制御モードにおいて、アクチュエータの位置センサフィードバックを用いて実行されても良い。たとえばフェイルクローズド式装置では、圧力制御が、略ゼロにおいて動作されているにもかかわらず弁10がコマンドされた位置に移動していない場合、405において、正のまたは負のアクチュエータ移動誤差として特徴付けされる（ａｃｔｕａｔｏｒ  ｔｒａｖｅｌ ｅｒｒｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）。アクチュエータ移動誤差が正である場合、可能なアクチュエータ故障は、弁の高位置での固着（ｖａｌｖｅｓｔｕｃｋ  ｈｉｇｈ）406、送気管の閉塞（ｂｌｏｃｋｅｄ  ａｉｒ  ｌｉｎｅ）408またはアクティブインターロック（ａｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）416である。アクチュエータ移動誤差が負である場合、可能なアクチュエータ故障は、弁の低位置での固着（ｖａｌｖｅｓｔｕｃｋ  ｌｏｗ）412、送気管の閉塞（ｂｌｏｃｋｅｄ  ａｉｒ  ｌｉｎｅ）414またはアクティブインターロック（ａｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）416である。
【００７０】
弁10が弁座上にある場合に圧力制御を用いることに加えて、移動センサ68が故障した場合に圧力制御を代替え装置として用いることができる。弁10のスロットル制御は、常に移動制御における場合いのように圧力制御の場合においても正確であるというわけではないが、弁10を動作状態にさせ続けプロセスを稼働させ続けるに当たって通常十分に良好である。また、移動制御に対して開発された診断を、ポジショナが圧力制御モードで動作している場合に適用することができる。
【００７１】
要約していえば、ポジショナの圧力制御診断の用途として二つの具体例が呈示され、両方の例において、診断がオンライン状態で用いられる動作範囲が拡大されている：弁が弁座上（または、上側移動停止部）にある間の圧力制御および移動センサが故障した場合のスロットル制御のバックアップとして圧力制御が用いられる場合。
【００７２】
診断ユニットが、好ましくはソフトウェアを用いて処理および診断を実行するものとして記載されているが、当該診断ユニットは、ＡＳＩＣなどの如き、任意のタイプのプロセッサを用いたハードウェア、ファームウェアなどを用いてもよい。いずれの場合であっても、メモリに格納されプロセッサにより実行されるルーチンには、ソフトウェアデバイスのみならずハードウェアデバイスおよびファームウェアデバイスが含まれる。たとえば、本明細書記載のエレメントは、標準型多目的ＣＰＵにより、あるいは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または所望ならば他のハーワイヤードデバイスの如き特別に設計されたハードウェアもしくはファームウェアにより実現されてもよいが、依然としてプロセッサにより実行されるルーチンでありうる。ソフトウェアにより実現する場合、このソフトウェアルーチンは、磁気ディスク、レーザディスク、光学式ディスク、または他の格納媒体の如き任意のコンピュータ読取り可能メモリ内、コンピュータまたはプロセッサのＲＡＭまたはＲＯＭ内、任意のデータベース内などに格納されうる。同様に、このソフトウェアは、たとえば、コンピュータ読み取り可能ディスクもしくは他の搬送可能なコンピュータ格納メカニズム、または電話回線、インターネットなどの如き通信チャネルを含む公知または所望の任意の搬送方法を介してユーザまたはプロセス制御プラントに搬送されうる（ここで、電話回線、インターネットなどの如き通信チャネルの利用は、搬送可能な格納媒体を介してこのソフトウェアを提供することと同一または互換性があると考えられる）。
【００７３】
以上の詳細な記載は、理解を明瞭にすることのみを意図し、本発明を不必要に限定することを意図したものではなく、本発明の精神および範疇から逸脱することなく、開示された実施例に変更を加えうることは当業者にとって明らかなことである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】制御弁用のアクチュエータに取り付けられたポジショナを示す略式ブロック線図である。
【図２】図１に示された一つの実施形態にかかるポジショナを示す拡大模式図である。
【図３Ａ】漏洩が発生しているスプリングダイアフラム型アクチュエータまたは閉塞されているスプリングダイアフラム型アクチュエータの制御流体質量流量の変位を示すグラフである。
【図３Ｂ】漏洩が発生しているスプリングダイアフラム型アクチュエータまたは閉塞されているスプリングダイアフラム型アクチュエータの制御流体質量流量の変位を示すグラフである。
【図４Ａ】第一の室、第二の室またはピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量の変位を示すグラフである。
【図４Ｂ】第一の室、第二の室またはピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量の変位を示すグラフである。
【図４Ｃ】第一の室、第二の室またはピストンリングにおいて制御流体の漏洩が発生しているピストン型アクチュエータの制御流体質量流量の変位を示すグラフである。
【図５】コンポーネントの故障の特徴付けおよび故障箇所の探索を行う論理サブルーチンを模式的に示す決定樹である。
【図６】図１に示されているポジショナの他の実施形態を示す模式図である。
【図７】圧力制御を用いたポジショナの動作を示す、図１と同様な略式ブロック線図である。
【図８】ポジショナにカットオフを実現しうる方法を示す、図１と同様な略式ブロック線図である。
【図９】圧力制御を用いて、コンポーネントの故障の特徴付けおよび故障箇所の探索を行う論理サブルーチンを模式的に示す決定樹である。
【図１０】弁開度センサと組み合わせて圧力制御を用いて、コンポーネントの故障の特徴付けおよび故障箇所の探索を行う論理サブルーチンを模式的に示す決定樹である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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