(57)【要約】【課題】作業員の経験に依存することなく、自動弁の異常予兆を高い信頼性で診断する技術を提供する。【解決手段】自動弁の診断システム１０において、自動弁に装着したセンサ３３の測定データ２１を受信する受信部１６と、この自動弁３１の物理モデル３２から解析データ２２を求める方程式１１を登録する第１登録部１３ａと、正常動作している自動弁３１の測定データ２１に一致する解析データ２２を導く方程式１１の初期パラメータ１２を登録する第２登録部１３ｂと、更新パラメータ１４を方程式１１に代入して求めた解析データ２２を出力する解析部１８と、測定データ２１に解析データ２２が一致するように更新パラメータ１４を更新させるパラメータ更新部１７と、自動弁３１が開動作又は閉動作をする度に更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積する蓄積部２８と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動弁に装着したセンサの測定データを受信する受信部と、
前記自動弁の物理モデルから前記測定データに対応する解析データを解析的に求める方程式を登録する第１登録部と、
正常動作している前記自動弁の前記測定データに一致する前記解析データを導く前記方程式のパラメータを初期パラメータとして登録する第２登録部と、
パラメータを更新させた更新パラメータ又は前記初期パラメータを前記方程式に代入して求めた前記解析データを出力する解析部と、
開閉動作する前記自動弁から受信した前記測定データに前記解析データが一致するように、前記更新パラメータを更新させるパラメータ更新部と、
前記自動弁が開動作又は閉動作をする度に、更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積する蓄積部と、を備えることを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項２】
請求項１に記載の自動弁の診断システムにおいて、
前記開閉動作の開始点から終了点までの前記測定データのプロファイルと前記解析データのプロファイルと対比して両者の差異の有無を判定する判定部をさらに備え、
前記差異が有りと判定された場合に、前記パラメータの更新を実行することを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の自動弁の診断システムにおいて、
前記プロファイルにおいて指定される単数又は複数の特徴点において前記差異の有無を判定することを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自動弁の診断システムにおいて、
前記更新パラメータの時系列に基づいて前記異常箇所に起因して発生する前記自動弁の故障時期を推定する推定部をさらに備えることを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の自動弁の診断システムにおいて、
前記初期パラメータと前記更新パラメータとを対比して前記自動弁の異常箇所を特定する異常箇所特定部と、を備えることを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自動弁の診断システムにおいて、
前記センサは、弁棒に負荷される荷重を前記測定データとして出力するものであって、
前記方程式は、前記開閉動作する前記弁棒の運動方程式から前記解析データを解として求めるものであることを特徴とする自動弁の診断システム。
【請求項７】
自動弁に装着したセンサの測定データを受信するステップと、
前記自動弁の物理モデルから解析的に前記測定データに対応する解析データを求める方程式を登録するステップと、
正常動作している前記自動弁の前記測定データに一致する前記解析データを導く前記方程式のパラメータを初期パラメータとして登録するステップと、
パラメータを更新させた更新パラメータ又は前記初期パラメータを前記方程式に代入して求めた前記解析データを出力するステップと、
開閉動作する前記自動弁から受信した前記測定データに前記解析データが一致するように、前記更新パラメータを更新させるステップと、
前記自動弁が開動作又は閉動作をする度に、更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積するステップと、を含むことを特徴とする自動弁の診断方法。
【請求項８】
コンピュータに、
自動弁に装着したセンサの測定データを受信するステップ、
前記自動弁の物理モデルから解析的に前記測定データに対応する解析データを求める方程式を登録するステップ、
正常動作している前記自動弁の前記測定データに一致する前記解析データを導く前記方程式のパラメータを初期パラメータとして登録するステップ、
パラメータを更新させた更新パラメータ又は前記初期パラメータを前記方程式に代入して求めた前記解析データを出力するステップ、
開閉動作する前記自動弁から受信した前記測定データに前記解析データが一致するように、前記更新パラメータを更新させるステップ、
前記自動弁が開動作又は閉動作をする度に、更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積するステップ、を実行させることを特徴とする自動弁の診断プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、自動弁の異常予兆を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所のように多数の自動弁を構成に含む大規模プラントにおいては、状態基準保全は、時間基準保全と比べて無駄な保守を削減することができる。しかし、そのような大規模プラントでは、突発的な異常が発生する可能性があるため、その予兆を捉えた上での計画的な保守を立案することが求められる。
【０００３】
従来、弁装置の健全性の評価方法として、弁の駆動体周辺にひずみゲージ等のセンサを貼り付けてひずみやトルクを測定し、この測定値の時間変化から異常や劣化度合いを推定する方法が採用されている。このように取り付けたセンサの測定値の時間変化を観測することを通じて弁装置の状態監視をすることにより、その損傷や機能不良等の異常が発生する予兆を捉えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−６２２０８号公報
【特許文献２】特開２００１−１０８１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来技術においては、機器損傷の発生予兆の評価や異常の発生箇所の特定は、作業員の経験に大きく依存するために、判断を誤る可能性がある。また、軽微な状態変化に基づいて、損傷に至るまでの時間を予測することは困難である。
【０００６】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、作業員の経験に依存することなく、自動弁の異常予兆を高い信頼性で診断する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る自動弁の診断システムにおいて、自動弁に装着したセンサの測定データを受信する受信部と、前記自動弁の物理モデルから前記測定データに対応する解析データを解析的に求める方程式を登録する第１登録部と、正常動作している前記自動弁の前記測定データに一致する前記解析データを導く前記方程式のパラメータを初期パラメータとして登録する第２登録部と、パラメータを更新させた更新パラメータ又は前記初期パラメータを前記方程式に代入して求めた前記解析データを出力する解析部と、開閉動作する前記自動弁から受信した前記測定データに前記解析データが一致するように前記更新パラメータを更新させるパラメータ更新部と、前記自動弁が開動作又は閉動作をする度に更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積する蓄積部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態により、作業員の経験に依存することなく、自動弁の異常予兆を高い信頼性で診断する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る自動弁の診断システムのブロック図。
【図２】自動弁の実機とモデルとの対応関係を示す説明図。
【図３】（Ａ）自動弁が閉止動作（又は開放動作）を行った場合、弁棒に装着されたセンサが出力する荷重の測定データと方程式により求めた解析データとのプロファイルとを重ね合わせたグラフ、（Ｂ）パラメータを更新して一致判定がなされた測定データと解析データとのプロファイルを重ね合わせたグラフ。
【図４】自動弁の開閉動作時におけるパラメータの経時変化を示すグラフ。
【図５】実施形態に係る自動弁の診断方法及びその診断プログラムを説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る自動弁の診断システムのブロック図である。
図１に示すように、実施形態に係る自動弁の診断システム１０は、自動弁３１（図２）に装着したセンサ３３の測定データ２１を受信する受信部１６と、この自動弁３１の物理モデル３２（図２）から測定データ２１に対応する解析データ２２を解析的に求める方程式１１を登録する第１登録部１３ａと、正常動作している自動弁３１の測定データ２１に一致する解析データ２２を導く方程式１１のパラメータを初期パラメータ１２として登録する第２登録部１３ｂと、パラメータを更新させた更新パラメータ１４又は初期パラメータ１２を方程式１１に代入して求めた解析データ２２を出力する解析部１８と、開閉動作する自動弁３１から受信した測定データ２１に解析データ２２が一致するように更新パラメータ１４を更新させるパラメータ更新部１７と、自動弁３１が開動作又は閉動作をする度に更新されたパラメータを時間情報とともに蓄積する蓄積部２８と、を備えている。
【００１１】
図２に示すように自動弁３１は、液体や気体などの流体が通る系統に設けられ、流れの圧力・流量の制御を自動で行うものである。この自動弁３１は、外観視において、駆動部４０と、弁箱４１と、蓋４２とから構成されている。また、自動弁３１を構成する弁体４３、弁棒４６等の可動部材は、モデル３２に置き換えて、閉止／開放の動作に対する理想的な物理応答を定量的に解析することができる。モデル３２に含まれる情報としては、自動弁３１の構成部品の重量、慣性モーメント、寸法、弾性率等の物理量が挙げられる。
【００１２】
弁箱４１は、流体が通る流路４５が形成されるとともに、可動する弁体４３を弁座４２に当接させたり離間させたりすることにより、この流路４５の閉止／開放を行う。
蓋４２は、弁体４３を先端に固定させた弁棒４６をその長手方向に案内するための空間が形成されている。さらに蓋４２には、弁棒４６が摺接する部分に、その内部の密閉性を確保するためのグランドパッキン４７が設けられている。
【００１３】
駆動部４０は、モータの回転運動を、弁棒４６の直進運動に変換させる機構が設けられている。なお、モータの駆動電源が喪失した場合に備えて、弁の閉止／開放を人力で行うことができるハンドルが設けられている。なお、駆動部４０は、自動弁３１（電動弁）を電力駆動させるものを例示しているが、別供給の空気圧、油圧で自動弁３１を駆動させるものも含まれる。
【００１４】
また、自動弁３１は、弁箱４１に収納された円盤状の弁体４３が流路４５に対し直角に挿抜され、この流路４５の閉止／開放を行う仕切弁を例示しているが、特に限定はない。
例えば、弁箱内部の流路がＳ字となるように隔壁を設け、この隔壁に設けた弁座に弁体を押し付けたり離したりして閉止／開放を行う玉型弁であってもよい。また、球状・半球状・円筒状の弁体の回転によって流体を制御するボール弁や、弁箱内で円盤状の弁体の回転によって流体を制御するバタフライ弁である場合もある。
【００１５】
自動弁３１は、上述した構成要素が機械的に接触する部分の摩耗や腐食が、徐々に進行する。もしくは、弁棒４６の先端を締結しているステムナット４８が緩む場合もある。さらに弁棒４６と弁体４３との接続部において塑性変形が進行してこの接続部にアソビが生じる場合もある。
【００１６】
このため自動弁３１が動作する際に、これら構成要素に発生する応力を測定し、この測定応力の継続的変化を追跡していくことで、将来的に自動弁３１が損傷したり機能不良になったりすることの予兆を捉えることができる。
【００１７】
図３は、自動弁３１が閉動作（又は開動作）を行った場合にセンサ３３が出力する測定データ２１のプロファイルを示すグラフである。
この場合、センサ３３は、弁棒４６に設けられ、この弁棒４６に負荷される荷重を測定データ２１として出力するものである。しかし、センサ３３の取付け対象や、出力データの属性等は、特に限定はなく、取付け対象が弁棒４６以外の蓋４２や弁箱４１や駆動部４０であったり、出力データの属性が応力以外の歪や振動やトルクや加速度であったりする場合もある。
【００１８】
図１に戻って説明を続ける。
受信部１６は、自動弁３１に装着されたセンサ３３が出力した測定データ２１を受信するものである。このセンサ３３から受信部１６までに測定データ２１の伝送は、有線であっても無線であってもよい。またセンサ３３の出力信号が微弱なアナログ信号である場合は、いずれかの伝送経路において増幅してデジタル化された後に受信部１６で受信される。
【００１９】
第１登録部１３ａに登録されている方程式１１は、自動弁３１の開閉動作に伴い変位する弁棒４６等の可動部材を、モデル３２に置き換えて導いた運動方程式である。この運動方程式を解析的に解くことにより、センサ３３が出力した測定データ２１に対応する解析データ２２を導くことができる。
【００２０】
測定データ２１は、経時的な劣化に伴う自動弁３１の状態変化に応じて変化するが、解析データ２２は方程式１１に含まれるパラメータが更新されることでこの測定データ２１の変化に追従する。なお、この方程式１１に含まれるパラメータの種類は、単数に限定されず、複数である場合もある。
【００２１】
なお、モデル３２は、実施形態において例示される可動部材に対象が限定されることはない。自動弁３１の制御、電気、機械的な機能を発揮するものであって、センサ３３による測定データ２１の測定が可能であり、パラメータを用いた数値解析によりこの測定データ２１に対応する解析データ２２を求めることができるものであれば、物理モデルによる置き換えの対象になる。
【００２２】
さらに、この方程式１１は、ポンプ起動時、定常運転時、温度、弁を流れる流体の種類、圧力、流量等といったプラントの運転条件３５に応じて最適化したものを複数用意し、そのなかから選択する場合もある。もしくは、プラントの運転条件３５に応じて、方程式１１に含まれる係数が変更される場合もある。
【００２３】
第２登録部１３ｂに登録されている初期パラメータ１２は、方程式１１に代入されて、正常動作する自動弁３１のセンサ３３が出力する測定データ２１に一致する理想状態の解析データ２２を導くものである。この方程式１１に代入されるパラメータは、自動弁３１の構成部材の状態を反映するもので、例えば、摩擦抵抗係数、すべり抵抗係数、粘性抵抗係数、弾性係数等といった種々の属性に対応するものが挙げられる。また、このパラメータは、方程式１１に対して一つとは限らず、構成部材や属性毎に複数存在する場合がある。
【００２４】
解析部１８は、初期パラメータ１２又は更新パラメータ１４を方程式１１に代入して理想状態の解析データ２２を解析して出力する。自動弁３１がプラントに設置された初期段階においては、異常兆候が現れ無いので、センサ３３が出力する測定データ２１は、この理想状態の解析データ２２に一致している。しかし、時間の経過とともに自動弁３１に異常兆候が現れ始めると、理想状態の解析データ２２と測定データ２１との間に差異が生じてくる。
【００２５】
パラメータ更新部１７は、そのような差異を解消するように初期パラメータ１２を更新し、この更新パラメータ１４を代入して再解析した解析データ２２が、測定データ２１に一致するようにするものである。なお、解析データ２２と測定データ２１との一致／不一致の判定は、閾値等を用いて行われる。そして、更新部１７におけるパラメータの更新と解析部１８における再解析とは、この閾値判定が一致になるまで繰り返し行われる。
【００２６】
図３（Ａ）は自動弁が閉止動作（又は開放動作）を行った場合、弁棒４６に装着されたセンサ３３が出力する荷重の測定データ２１と方程式１１により解析された解析データ２２とのプロファイルとを重ね合わせたグラフである。図３（Ｂ）はパラメータを更新して一致判定がなされた測定データ２１と解析データ２２とのプロファイルを重ね合わせたグラフである。
【００２７】
差異判定部２３は、自動弁３１の開閉動作の開始点から終了点までの測定データ２１のプロファイルと解析データ２２のプロファイルと対比して両者の差異の有無を判定する機能を備えている。この差異判定部２３において、測定データ２１と解析データ２２との差異が有りと判定された場合に、更新部１７において初期パラメータ１２が更新されたり更新パラメータ１４がさらに更新されたりし、解析部１８において解析データ２２が再解析される。
【００２８】
そして、測定データ２１と解析データ２２との間に差異が無いと判定された場合は、更新パラメータ１４は、蓄積部２８に蓄積される。なおこの蓄積部２８には、自動弁３１が開動作及び閉動作をする度に、パラメータが、更新されたか否かにかかわらず、時間情報を付随させて蓄積されていく。
【００２９】
なお差異判定部２３における判定は、測定データ２１と解析データ２２のプロファイルにおいて異常挙動としての特徴が顕著に表れる単数又は複数の特徴点のみにおいて差異の有無を判定する場合もあるし、最大値のみで差異の有無を判定する場合もあるし、プロファイルの時間積分値で判定する場合もあり、特に限定されない。
【００３０】
図４は自動弁３１の開閉動作時におけるパラメータの経時変化を示すグラフである。このように、自動弁３１が開動作又は閉動作を実行する度に蓄積部２８に蓄積されたパラメータは、付随する時間情報に基づきプロットすると、経時的な単調変化が観測される。なお自動弁３１に異常が発生するパラメータの限界値は、これまでの運用実績に基づいて経験的又は理論的に得ることができる。
【００３１】
推定部２５（図１）は、更新パラメータ１４の時系列に基づいて異常箇所に起因して発生する自動弁３１の故障時期を推定する。すなわち、蓄積されている複数のパラメータの値と時間情報から近似関数を求め、パラメータの値を限界値まで外装したときに対応する時間が異常発生の推定時刻となる。そして、この推定時刻の結果は、出力部２７に出力される。
【００３２】
異常箇所特定部２４（図１）は、蓄積部２８に蓄積されている更新パラメータ１４と、登録部１３ｂに登録されている初期パラメータ１２と、を対比して自動弁３１の異常箇所を特定する。異常箇所特定部２４には、初期パラメータ１２に対する更新パラメータ１４の変化量又は変化率と異常箇所とを関係付けて予め作成されたデータテーブルが格納されている。
【００３３】
異常箇所特定部２４は、取得した初期パラメータ１２及び更新パラメータ１４を所定の計算式に当てはめて、得られた計算結果をデータテーブルで参照して対応する異常箇所を特定する。なお、異常箇所特定部２４における異常箇所の特定方法は、上述したようなデータテーブルを参照する方法に限定されることはなく、少なくとも更新パラメータ１４の値に基づいて行う方法であれば適宜採用される。そして、特定された異常箇所の結果は、出力部２７に出力される。
【００３４】
図５のフローチャートに基づいて自動弁３１の診断方法及びその診断プログラムを説明する（適宜図１参照）。
自動弁３１の運転条件３５、物理モデル３２の情報、方程式１１、初期パラメータ１２の登録を事前に行う（Ｓ１１）。自動弁３１の閉動作又は開動作が開始したところで（Ｓ１２ Ｎｏ，Ｙｅｓ）、自動弁３１に装着したセンサ３３の測定データ２１を受信する（Ｓ１３）。なお、この測定データ２１の受信は、少なくとも自動弁３１の閉開動作が終了するまで行われる（Ｓ１４ Ｎｏ）。
【００３５】
自動弁３１の閉開動作が終了したところで（Ｓ１４ Ｙｅｓ）、パラメータ（一回目は初期パラメータ）を方程式１１に代入して解析データ２２を求める（Ｓ１５）。ここで求めた解析データ２２と受信した測定データ２１を対比して両者の一致／不一致を判定する（Ｓ１６）。
【００３６】
このとき両者が不一致のときは（Ｓ１４ 不一致）、パラメータを更新し（Ｓ１７）、解析データ２２を再解析する（Ｓ１５）。そして両者が一致したときは（Ｓ１４ 一致）、パラメータを時間情報とともに蓄積部２８に蓄積する（Ｓ１８）。
【００３７】
このように、自動弁３１の閉開動作が繰り返されることにより（Ｓ１９ Ｎｏ）、複数のパラメータが時系列に蓄積され、異常兆候が認識されたときは（Ｓ１９ Ｙｅｓ）、異常箇所の特定を行うとともに（Ｓ２０）、異常発生時間を予測する（Ｓ２１）。そして、自動弁３１の診断が終了するまで上述した（Ｓ１２）から（Ｓ２１）までのルーチンを繰り返す（Ｓ２２ Ｎｏ ＹｅｓＥＮＤ）。
【００３８】
なお、この一連の診断の処理が終了したところで、モデル３２の最適化を行う場合がある。これにより、さらに精度の高い自動弁の診断が実現される。
【００３９】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の自動弁の診断システムによれば、自動弁の構成要素を物理モデルに置き換えて、その開閉動作を解析する方程式のパラメータを追跡することにより、作業員の経験に依存することなく、自動弁の異常予兆を高い信頼性で診断する技術が提供される。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００４１】
以上説明した自動弁の診断システムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
【００４２】
また自動弁の診断システムで実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る自動弁の診断システムで実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、自動弁の診断システムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…診断システム、１１…方程式、１２…初期パラメータ、１３ａ（１３）…第１登録部（登録部）、１３ｂ（１３）…第２登録部（登録部）、１４…更新パラメータ、１６…受信部、１７…更新部、１７…パラメータ更新部、１８…解析部、２１…測定データ、２２…解析データ、２３…差異判定部、２４…異常箇所特定部（特定部）、２５…故障時期推定部（推定部）、２７…結果出力部、２８…パラメータ蓄積部（蓄積部）、３１…自動弁、３２…モデル、３３…センサ、３５…運転条件、４０…駆動部、４１…弁箱、４２…弁座、４２…蓋、４３…弁体、４５…流路、４６…弁棒、４７…グランドパッキン、４８…ステムナット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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