(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を調節する調節弁の弁開度を調整するポジショナに搭載され、前記調節弁を故障予測対象としこの故障予測対象の故障予測を支援する故障予測支援装置であって、
統計データに基づいて作成された前記故障予測対象の使用時間と故障率との関係を示す曲線を故障予測曲線として記憶する故障予測曲線記憶手段と、
各種センサを介して取り込まれる前記故障予測対象の使用開始時の前記流体の圧力，前記流体の差圧，前記流体の温度，前記流体の圧力変動および前記流体のボイド率，スラリ濃度のうち、少なくとも何れか１つに応じて前記故障予測曲線を修正する故障予測曲線修正手段と、
前記修正された故障予測曲線における前記故障予測対象の現在位置を通知する現在位置通知手段と
を備えたことを特徴とする故障予測支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体の流量を調節する調節弁を故障予測対象とし、この故障予測対象の故障予測を支援する故障予測支援装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、化学プラントなどにおいては、調節弁に対してポジショナを設け、このポジショナによって調節弁の弁開度を調整し、調節弁を通過する流体の流量を制御するようにしている。この場合、ポジショナは、上位装置からの設定開度と調節弁からの実開度との偏差を求め、この偏差を零とするように駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号を空気圧信号に変換して調節弁に与える。
【０００３】
この種のプラントでは、調節弁の故障によるプラントの停止という最悪の事態を回避するために、現場での調節弁の定期的なチェック、保全を行っている。これにより、長期的な安定操業が可能とる。しかし、この方法では、異常が生じていない調節弁に対しても現場でのチェックを行うので、保全管理コストの増大を招く。
【０００４】
そこで、ポジショナを用いて調節弁の故障診断を行い、その故障診断結果を上位装置に送るということが行われている。すなわち、ポジショナに搭載されたＣＰＵ（中央演算処理装置）を用いて、調節弁の弁部の総動作距離や作動スピードの変異といった各種の弁パラメータを計測し、この計測データを上位装置へ送り、上位装置のモニタ画面にグラフなどにして表示するようにしている。この故障診断機能により、モニタ画面上で調節弁の故障予測を行うことができ、現場での調節弁の定期的なチェックを不要として、保全管理コストを低減することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した故障診断機能では、上位装置のモニタ画面に各種の弁パラメータの計測データがグラフなどにして表示されるだけであり、これらの計測データを総合的に判断し、独自の経験から調節弁の故障予測を行わなければならない。このため、高度な専門知識を有する経験の豊富な管理技術者やメーカからの派遣技術者に解析を依頼しなければならず、また時間もかかり、一般のオペレータでは調節弁の故障予測を行うことができなかった。
【０００６】
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、高度な専門知識や豊富な経験を有さない者でも、正確かつ短時間に故障予測を行うことが可能な故障予測支援装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、流体の流量を調節する調節弁の弁開度を調整するポジショナに搭載され、調節弁を故障予測対象としこの故障予測対象の故障予測を支援する故障予測支援装置であって、統計データに基づいて作成された故障予測対象の使用時間と故障率との関係を示す曲線を故障予測曲線として記憶する故障予測曲線記憶手段と、各種センサを介して取り込まれる故障予測対象の使用開始時の流体の圧力，流体の差圧，流体の温度，流体の圧力変動および流体のボイド率，スラリ濃度のうち、少なくとも何れか１つに応じて故障予測曲線を修正する故障予測曲線修正手段と、修正された故障予測曲線における故障予測対象の現在位置を通知する現在位置通知手段とを設けたものである。
この発明によれば、調節弁（故障予測対象）の統計データに基づいて予め作成記憶されている故障予測曲線（例えば、信頼性工学でいう「バスタブ曲線」：初期故障期間、偶発故障期間、摩耗故障期間に分けられるバスタブ形状に似た曲線）が、各種センサを介して取り込まれる調節弁の使用開始時の流体の圧力，流体の差圧，流体の温度，流体の圧力変動および流体の状況のうち、少なくとも何れか１つに応じて自動的に修正され、修正された故障予測曲線における調節弁の現在位置が、例えば偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点に対しての余寿命時間として通知される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る故障予測支援装置の一実施の形態を使用した流量制御システムのシステム構成図である。
【０００９】
同図において、１は化学プラントなどにおける流体輸送管路、２は流体輸送管路１の途中に設けられた調節弁、３は調節弁２に付設されたポジショナ、４は中央操作室に設けられた監視装置であり、ポジショナ３および監視装置４はフィールドバス５を介して相互に接続されている。
【００１０】
このシステムには、流体輸送管路１における流体の圧力を計測する圧力計６−１，６−２、流体輸送管路１における流体の温度を計測する温度計７−１，７−２、流体輸送管路１における流体の流量を計測する流量計８、流体輸送管路１の振動（配管振動）を計測する振動計９、調節弁２の周囲温度を計測する温度計１０などの各種センサが設けられており、これらのセンサはフィールドバス５を介して監視装置４およびポジショナ３と相互に接続されている。なお、１１はオペレータが携帯するハンドヘルドコンピュータであって、必要に応じてフィールドバス５に接続して用いられる。
【００１１】
図２はポジショナ３のブロック図である。ポジショナ３は、フィールドバスブロック３−１と、アイソレータ３−２と、コントロール部３−３と、電空変換部３−４と、弁開度検出器３−５とを備えている。コントロール部３−３は、ＣＰＵ３Ａと、記憶部３Ｂと、診断モジュール３Ｄと、Ａ／Ｄ変換器３Ｅと、電源部３Ｆと、通信インターフェイス３Ｇとを備えており、記憶部３Ｂ，診断モジュール３Ｄ，Ａ／Ｄ変換器３Ｅはバス３Ｃを介してＣＰＵ３Ａと接続されている。
【００１２】
このポジショナ３において、フィールドバスブロック３−１はフィールドバス５を介して供与される電源および信号を分離し、電源をコントロール部３−３へ与える一方、信号についてはアイソレータ３−２を介してコントロール部３−３へ送る。また、アイソレータ３−２を介するコントロール部３−３からの信号を、フィールドバス５を介して監視装置４へ送る。
【００１３】
コントロール部３−３において、電源部３Ｆはフィールドバスブロック３−１からの電源を所定の電圧値とし、コントロール部３−３内の各部に供給する。通信インターフェイス３Ｇは、アイソレータ３−２とＣＰＵ３Ａ，記憶部３Ｂおよび診断モジュール３Ｄとの間に設けられ、コントロール部３−３への信号の入力およびコントロール部３−３からの信号の出力を仲介する。
【００１４】
Ａ／Ｄ変換器３Ｅは、弁開度検出器３−５が検出する調節弁２の弁開度（実開度：アナログ値）をデジタル値に変換し、バス３Ｃを介してＣＰＵ３Ａへ送る。診断モジュール３Ｄは、調節弁２の弁部の総動作距離や作動スピードの変異といった各種の弁パラメータを計測し、その計測データを診断結果として定期的に通信インターフェイス３Ｇを介して監視装置４へ送る。
【００１５】
コントロール部３−３において、記憶部３Ｂには、ＣＰＵ３Ａが実行するプログラムの他、統計データに基づいて作成された調節弁２の使用時間と故障率との関係を示す曲線が故障予測曲線Ｓ０として格納されている。図３にこの故障予測曲線Ｓ０の一例を示す。この故障予測曲線Ｓ０は、初期故障期間Ｔ１、偶発故障期間Ｔ２、摩耗故障期間Ｔ３に分けられるバスタブ形状に似た曲線（信頼性工学でいう「バスタブ曲線」）であり、横軸を時間ｔ、縦軸を故障率ｐとして表されている。なお、この故障予測曲線Ｓ０において、初期故障期間Ｔ１と偶発故障期間Ｔ２との境界点をＡ点、偶発故障期間Ｔ２と摩耗故障期間Ｔ３との境界点をＢ点、初期故障期間Ｔ１のスタート点をＣ点、摩耗故障期間Ｔ３の終了点をＤ点とする。
【００１６】
信頼性工学において、故障の発生率は、初期故障期間、偶発故障期間、摩耗故障期間に大きく分けられ、初期故障期間では故障率が徐々に低下し、偶発故障期間では故障率が安定し、摩耗故障期間では故障率が徐々に上昇し、バスタブ形状に似た形状となる（文献１：「信頼性工学のはなし」、大村平著、（株）日科技連出版社、１９９５年３月１５日第４刷発行、２３頁〜３７頁）。そして、それぞれの期間において、設計、製作、施工、運転、環境などの因子が原因となって故障が引き起こされる。なお、故障率ｐは、ｐ＝（その時点で故障した個数）／（残っている個数）として表される。
【００１７】
本出願人は、現場での蓄積されたデータを分析し、調節弁２に起こる様々な状態に対し、どの因子のどような内容が相関するのかを調べ、統計データに基づいて調節弁２の使用時間と故障率との関係を示すバスタブ曲線を作成した。このバスタブ曲線には、単なる測定データだけでは知ることのできない現場での経験も暗黙知から形式知へ昇華され、反映されている。本実施の形態では、このようにして調節弁２に対して作成したバスタブ曲線を故障予測曲線Ｓ０としてポジショナ３の記憶部３Ｂ内に格納し、後述する故障予測支援プログラムの実行に際して使用するようにしている。また、この故障予測支援プログラムを実行することにより、ポジショナ３は故障予測支援装置として機能する。
【００１８】
〔ポジショナ３の基本動作：弁開度の調整〕
ＣＰＵ３Ａは、フィールドバス５を介する監視装置４からの調節弁２に対する設定開度と弁開度検出器３−５からのＡ／Ｄ変換器３Ｅを介する調節弁２の実開度との偏差を求め、この偏差を零とするように駆動制御信号を生成し、電空変換部３−４へ送る。電空変換部３−４は、ＣＰＵ３Ａからの駆動制御信号を空気圧信号に変換し、この空気圧信号を調節弁２に与える。これにより、調節弁２の実開度が設定開度となるように調整され、調節弁２を流れる流体の流量が所望の流量値に制御される。
【００１９】
なお、この基本動作中、診断モジュール３Ｄは、調節弁２の弁部の総動作距離や作動スピードの変異というような計測データを定期的に通信インターフェイス３Ｇを介して監視装置４へ送信する。この診断モジュール３Ｄからの計測データの送信周期は、初期故障期間Ｔ１においては短く、偶発故障期間Ｔ２においては長く、摩耗故障期間Ｔ３においては短くされる。また、偶発故障期間Ｔ２において、異常が生じたような場合、それまで長くされていた送信周期が短くされる。
【００２０】
〔ポジショナ３の故障予測支援動作：故障予測結果の通知〕
〔例１〕
図４に故障予測支援プログラムに従うＣＰＵ３Ａの処理動作の一例（例１）を示す。ＣＰＵ３Ａは、調節弁２が配置された流量制御システムの試運転の開始と同時に、すなわち調節弁２の使用開始と同時に、ソフトタイマをスタートし、調節弁２の使用時間ｔT の計時を開始する（ステップ４０１）。
【００２１】
そして、ＣＰＵ３Ａは、記憶部３Ｂに格納されている調節弁２の故障予測曲線（バスタブ曲線）Ｓ０を読み出し（ステップ４０２）、このバスタブ曲線Ｓ０における偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点（図３に示すＢ点）に達するまでの時間ｔｂと調節弁２の現在の使用時間ｔT との差ｔｘを求め、この差ｔｘをＢ点に対しての余寿命時間とする（ステップ４０３）。
【００２２】
そして、この求めたＢ点に対しての余寿命時間ｔｘを故障予測結果とし、通信インターフェイス３Ｇを介して監視装置４へ送る（ステップ４０４）。監視装置４は、ポジショナ３からのＢ点に対しての余寿命時間をｔｘ受信し、モニタ画面４−１上に表示する。ＣＰＵ３Ａはこのステップ４０２〜４０４の処理動作を定期的に繰り返す。
【００２３】
〔例２〕
図５に故障予測支援プログラムに従うＣＰＵ３Ａの処理動作の他の例（例２）を示す。ＣＰＵ３Ａは、調節弁２の使用開始と同時に、ソフトタイマをスタートし、調節弁２の使用時間ｔT の計時を開始するとともに（ステップ５０１）、記憶部３Ｂに格納されている調節弁２の故障予測曲線（バスタブ曲線）Ｓ０を読み出す（ステップ５０２）。
【００２４】
そして、この読み出したバスタブ曲線Ｓ０をその時の調節弁２の使用環境、すなわち圧力計６−１，６−２、温度計７−１，７−２、流量計８などの各種センサを介して取り込まれる使用時の運転条件〔例えば、流体圧力＆差圧，流体温度，圧力変動，流体状況（ボイド率、スラリ濃度など）〕、調節弁２の弁部の総動作距離や作動スピードの変異というようなバスタブ曲線の各期間における計測データの使用開始時の送信周期、使用開始時の保全計画などを考慮してバスタブ曲線Ｓ０を修正し、バスタブ曲線Ｓ１とする（ステップ５０３）。そして、この修正したバスタブ曲線Ｓ１を記憶部３Ｂに格納する（ステップ５０４）。
【００２５】
なお、ほとんどの場合、記憶部３Ｂに格納されるバスタブ曲線Ｓ１は、故障率が低下しかつＢ点が先に延びた曲線（図６参照）となる。すなわち、診断モジュール３Ｄからの計測データは、監視装置４のモニタ画面４−１上にグラフなどにして表示される。このモニタ画面４−１に表示される計測データでは、前述したように調節弁２の故障予測を簡単に行うことはできないが、異常状態は即座に知ることが可能である。したがって、この異常状態に対して適切な対応を施すことにより、故障率を下げたり、機能限界に到達してしまう時期をできるだけ先に延ばすことができる。また、調節弁２の故障率は、流体圧力や流体温度などの運転条件に大きく左右される。運転条件が厳しければ故障率は上がるし、運転条件が緩やかであれば故障率は下がる。また、寿命も長くなったり、短くなったりする。また、本願特有の故障予測支援機能によって表示される余寿命時間に基づいて保全計画をたてれば、故障率は下がり、寿命も延びる。この結果、ほとんどの場合、記憶部３Ｂに格納されるバスタブ曲線Ｓ１は、故障率が低下しかつＢ点が先に延びた曲線となる。
【００２６】
次に、ＣＰＵ３Ａは、記憶部３Ｂに格納されている修正されたバスタブ曲線Ｓ１を読み出し（ステップ５０５）、このバスタブ曲線Ｓ１における偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点（図６に示すＢ点）に達するまでの時間ｔｂと調節弁２の現在の使用時間ｔT との差ｔｘを求め、この差ｔｘをＢ点に対しての余寿命時間とする（ステップ５０６）。そして、この求めたＢ点に対しての余寿命時間ｔｘを故障予測結果とし、通信インターフェイス３Ｇを介して監視装置４へ送る（ステップ５０６）。監視装置４は、ポジショナ３からのＢ点に対しての余寿命時間ｔｘを受信し、モニタ画面４−１上に表示する。ＣＰＵ３Ａはこのステップ５０５〜５０７の処理動作を定期的に繰り返す。
【００２７】
〔例３〕
図７に故障予測支援プログラムに従う処理動作の別の例（例３）を示す。ＣＰＵ３Ａは、調節弁２の使用開始と同時に、ソフトタイマをスタートし、調節弁２の使用時間ｔT の計時を開始するとともに（ステップ７０１）、記憶部３Ｂに格納されている調節弁２の故障予測曲線（バスタブ曲線）Ｓ０を読み出す（ステップ７０２）。
【００２８】
そして、この読み出したバスタブ曲線Ｓ０を調節弁２の現在の使用状況、すなわち圧力計６−１，６−２、温度計７−１，７−２、流量計８などの各種センサを介して取り込まれる現在の運転条件〔例えば、流体圧力＆差圧，流体温度，圧力変動、流体状況（ボイド率、スラリ濃度など）〕、バルブ開度，入力信号，弁軸摺動距離，弁軸位置分布などの現在の弁パラメータ、調節弁２の弁部の総動作距離や作動スピードの変異というようなバスタブ曲線の各期間における計測データの現在の送信周期、現在の保全計画などを考慮してバスタブ曲線Ｓ０を修正し、バスタブ曲線Ｓ２とする（ステップ７０３）。
【００２９】
次に、ＣＰＵ３Ａは、このバスタブ曲線Ｓ２における偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点（図６に示すＢ点）に達するまでの時間ｔｂと調節弁２の現在の使用時間ｔT との差ｔｘを求め、この差ｔｘをＢ点に対しての余寿命時間とする（ステップ７０４）。そして、この求めたＢ点に対しての余寿命時間ｔｘを故障予測結果とし、通信インターフェイス３Ｇを介して監視装置４へ送る（ステップ７０５）。監視装置４は、ポジショナ３からのＢ点に対しての余寿命時間ｔｘを受信し、モニタ画面４−１上に表示する。ＣＰＵ３Ａはこのステップ７０２〜７０５の処理動作を定期的に繰り返す。
【００３０】
上述した例１〜例３の処理動作からも分かるように、本実施の形態では、バスタブ曲線Ｓ０（例１）やＳ１（例２），Ｓ２（例３）におけるＢ点に対しての余寿命時間ｔｘが故障予測結果として監視装置４に通知され、監視装置４のモニタ画面４−１上に表示されるので、高度な専門知識や豊富な経験を有さない者でも、この表示される余寿命時間ｔｘから正確かつ短時間に調節弁２の故障予測を行うことができるようになる。これにより、高度な専門知識を有する経験の豊富な管理技術者やメーカからの派遣技術者に解析を依頼しなくてもよくなり、一般のオペレータでも的確な保守計画を策定することが可能となる。
【００３１】
なお、上述した例１（例２，例３）では、ポジショナ３から監視装置４に対してＢ点に対しての余寿命時間ｔｘしか送らなかったが、余寿命時間ｔｘと合わせてバスタブ曲線Ｓ０（Ｓ１，Ｓ２）を送るようにし、バスタブ曲線Ｓ０（Ｓ１，Ｓ２）を表示するようにしてもよい。図８にこの場合の表示例を示す。この例では、△マークＰ１を指標として、バスタブ曲線Ｓ０（Ｓ１，Ｓ２）における調節弁２の現在位置を表示するようにしている。この場合、指標Ｐ１の位置と偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点Ｂとの時間差により、偶発故障期間と摩耗故障期間との境界点Ｂに対しての余寿命時間を知ることができる。
【００３２】
また、上述した実施の形態では、故障予測曲線をバスタブ曲線としたが、故障予測曲線はバスタブ曲線に限られるものでもない。例えば、図３におけるＣ点からＡ点までのラインを省略した曲線などとしてもい。
また、上述した実施の形態では、Ｂ点に対しての余寿命時間を表示させるようにしたが、Ｂ点に対しての余寿命時間が所定時間を超えた場合にブザーを鳴動させるようにしてもよい。
また、Ｂ点に対しての余寿命時間がマイナスとなった場合、すなわち使用時間ｔT がｔｂを超えた場合、ブザーを鳴動させ、摩耗故障期間に入ったことを知らせるようにしてもよい。
【００３３】
また、上述した実施の形態では、ポジショナ３と監視装置４との間の通信プロトコルをフィールドバス方式としているが、ハート（ＨＡＲＴ）やロン（ＬＯＮ）などの通信プロトコルとしてもよく、他にも種々の通信プロトコルを利用することができる。
また、Ｂ点に対する余寿命時間などを監視装置４のモニタ画面４−１に表示するようにしたが、ハンドヘルドコンピュータ１１のディスプレイ上に表示させるようにしてもよい。また、ポジショナ３に表示器を設け、この表示器のディスプレイ上に表示させるようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、バスタブ曲線などの曲線を故障予測曲線として使用し、この故障予測曲線における故障予測対象（調節弁）の使用開始時の流体の圧力，流体の差圧，流体の温度，流体の圧力変動および流体のボイド率，スラリ濃度のうち、少なくとも何れか１つに応じて修正し、この修正した故障予測曲線における故障予測対象の現在位置を通知するようにしたので、高度な専門知識や経験を有さない者でも、正確にかつ短時間で故障予測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る故障予測支援装置の一実施の形態を使用した流量制御システムのシステム構成図である。
【図２】  この流量制御システムにおけるポジショナのブロック図である。
【図３】  このポジショナの記憶部に格納される故障予測曲線（バスタブ曲線Ｓ０）の一例を示す図である。
【図４】  故障予測支援プログラムに従う処理動作の一例（例１）を示すフローチャートである。
【図５】  故障予測支援プログラムに従う処理動作の他の例（例２）を示すフローチャートである。
【図６】  図５に従う処理動作によって修正されたバスタブ曲線Ｓ１を修正前のバスタブ曲線Ｓ０と対比して示す図である。
【図７】  故障予測支援プログラムに従う処理動作の別の例（例３）を示すフローチャートである。
【図８】  バスタブ曲線およびこのバスタブ曲線における現在位置を示す指標の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１…流体輸送管路、２…調節弁、３…ポジショナ、３−１…フィールドバスブロック、３−２…アイソレータ、３−３…コントロール部、３−４…電空変換部、３−５…弁開度検出器、３Ａ…ＣＰＵ、３Ｂ…記憶部、３Ｃ…バス、３Ｄ…診断モジュール、３Ｅ…Ａ／Ｄ変換器、３Ｆ…電源部、３Ｇ…通信インターフェイス、４…監視装置、５…フィールドバス、Ｓ０…バスタブ曲線、Ｓ１，Ｓ２…修正されたバスタブ曲線、Ｔ１…初期故障期間、Ｔ２…偶発故障期間、Ｔ３…摩耗故障期間、Ｐ１…△マーク（指標）、ｔｘ…Ｂ点に対する余寿命時間。
【図１】
0004021634.tif 000002
【図２】
0004021634.tif 000003
【図３】
0004021634.tif 000004
【図４】
0004021634.tif 000005
【図５】
0004021634.tif 000006
【図６】
0004021634.tif 000007
【図７】
0004021634.tif 000008
【図８】
0004021634.tif 000009