2022年度第2回エンジニアリングの最新DXセミナー第2期

世界のバルブ産業界からDXに寄せる期待World Expectation on Industrial-Process Control Valves specified with DX

日本バルブ工業会IEC委員会
https://j-valve.or.jp/

委員長 奥津良之

R. OKUTSU All Rights Reserved1

日本バルブ工業会ご紹介
https://j-valve.or.jp
国内主要バルブ製造業者が参加して1954年設立
正会員113社 賛助会員65社 本部/機械振興会館（バルブ部会・自動弁部会・水栓部会の3部会構成）
バルブ工業の進歩発展に寄与すべく活動している

技術研修会・JIS・IEC・ISO規格への委員会参画、他 便覧出版・ダイバシティ・新技術研究支援など（＊バブル工業会あるいはパルプ工業会は間違い）
バルブとは流れの制御を現場で行う機械（閉止・密封・緊急開放・調節・方向変更）←POMPEII （イタリア古代都市）で使用されていた青銅製バルブ 紀元79年ベスビオ火山噴火で火山灰に埋没 18世紀半ばに発掘開始された。
バルブの根本原理は現在と変わっていない（京都市京セラ美術館にて2022年5月24日撮影）
たかがバルブ しかしバルブ やはりバルブ

バルブはインフラとして極めて重要！
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2自己紹介職歴

１９８５ 早大理工機械 助手（流体工学研究）
１９８６ 早大理工学研究所特別研究員＆山武ハネウエル
高速管内流れの研究
高圧調節弁・耐摩耗調節弁・高温調節弁の研究開発
液体・ガス・二相流れ
市場 石油化学・電力・LNGガス・石油精製・DHCビル等
２０００ 国際規格IEC/ISO/JISなどの委員会活動および技術者教育Jabee・学会など
２０２２ azbil退職
国士館大学客員講師

IEC/TC65/SC65B/WG9 Delegate 2000～
IEC/TC65/SC65B/JWG17 Delegate andConvenor 2011～2018
日本工学会フェロー・Jabeeフェロー等
日本バルブ工業会IEC委員会 委員長

R. OKUTSU All Rights Reserved3内容０．結論
１．調節弁とは？バルブとは？
２．調節弁とIEC国際規格・DX
３．現場の課題・難題
そして IEC CDDへの期待

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4

結論
調節弁技術標準化の活動を通じて得た知見

IEC CDDはバルブ産業の「根本中堂」となる
IEC CDD will be the ROOT of world valve industry

京都・比叡山延暦寺
根本中堂
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5１．調節弁とは？
バルブとは？

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6

石油掘削RIG
プラットフォーム

Valve & Control
Valve Images

偏芯ロータリー
プラグ調節弁

Deepwater Horizon offshore oil drilling platform

ポジショナー
発電所現場の一風景
石油化学コンビナート

ロケット推進装置
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7

計装機器として流体機械として制御の三要素 ①検出部 ②調節部 ③操作部
調節部

操作部

↓対象プロセス

検出部

調節弁の役割：プロセス状態量の調節を現場で担当する。
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8計装機器として流体機械として約10年前のイメージ図
FOUNDATION フィールドバスTM システム例
FOUNDATION フィールドバス信号で、バルブ・ポジショナ情報を収集する。

スマート・バルブ・ポジショナ

中央管理室で情報管理

HMI

簡単な故障診断･経過管理→

FB Controller

Ethernet

AVP3000 Alphaplus
FOUNDATION フィールドバス対応
AVP303/203形

プラント現場に配置された多種多数の調節弁と対話できる

Valstaff Fieldbus
Application（VMS103形）

Junction
Box

H1 Fieldbus

・・・
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Smart Linking Device
9
SLD100形

調節弁の構造と形式
本体部の形式例
・グローブ弁（玉形弁）

様々な付 ＋属品

操作部

本体部

単座弁 ケージ弁

複座弁・アングル弁・三方弁・偏心軸回転弁・バタフライ弁・ダイヤフラム弁（サンダース弁）
・セラミック弁
・ボール弁・ゲート弁（仕切り弁）

・その他の弁

R. OKUTSU All Rights Reserved10調節弁の選定 仕様決定
高温・極低温・超高圧・真空・腐食性・高レンジアビリティ・高速・緊急遮断・・・******お寿司屋さんのお好みメニュー/信頼できるソムリエ******

操作エネルギー、入力信号、必要出力、その他操作器の操作エネルギー

制御入力信号
附加動作要求

グランド
形式
材質

ガスケット
形式
材質

上蓋
上蓋形式
材料

弁本体
形式
接続口径・形式
圧力・温度定格
材料

トリム
流量特性
内弁形状
ポート径
材料

R. OKUTSU All Rights Reserved11調節弁の分類
コンタードプラグ弁
ケージ弁、多数形式
直動式

回転式

偏芯プラグ弁

Cited from Ref.(5) ISA
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12操作器の分類
空気式

電気式

油圧式

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Cited from Ref.(5) ISA

13

調節弁付属のアクセサリー類
ブースターリレー
ボリュームタンクI/P 変換器
リミットスイッチ
ロックアップ弁
ポジショナー

ハンドウィール

名板

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Cited from Ref.(5) ISA
14

２．調節弁とIEC国際規格・DX

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15Membership: P:26/O:15

TC 65
INDUSTRIAL-PROCESS MEASUREMENT,CONTROL AND AUTOMATIONADVISORY
GROUP 14Chairman: R. HEIDEL (DE)Secretary: B.DUMORTIER (FR)JWG14:Energy Efficiency(EEIA) new!
Convenor: G.HOERCHER (DE)23

２０１２年２月のIEC/TC６５組織
１０年前

WG15: Documents f.Process Industry
Convenor: S. SCHÜLER(DE) new! 10

P:25/O:13

851 Experts
39 Working Groups

SC 65BMEASUREMENT &CONTROL DEVICES

P:28/O:12

WG1: Terms & Definitions
Convenor: W.CRAEMER (DE)3
WG10: Net & Syst. Security
Convenor: T.PHINNEY (US)54
WG12: P&I P&ID PCE-CAE
Convenor: G.MAYR (DE)5JWG13: Safety requirements
Convenor: RJ.KRETSCHMANN(US) 24

124

SC 65ASYSTEM ASPECTS

Assist.Sec: J.HARMAN (US)

Chairman: R. KRETSCHMANN (US)Secretary: N.BRADFIELD (GB)

WG4: E.M.C. Requirements
Convenor: B.JAEKEL (DE)20
WG14: Funtional Safety Guide
Convenor: R.BELL (GB)16
WG15: Alarm systems
new!
Convenor: D.G.DUNN (US)16
MT61508-1/2 Maintenance
Convenor: R.BELL (GB)46

MT61508-3 Maintenance
Convenor: E.FERGUS (GB)43
MT61511 Fs for Process Ind.
Convenor: V.MAGGIOLI (US) 51
MT61512 Batch Control systems
Convenor: R.DWIGGINS (US)916

WG6: Testing & Evaluation
Convenor: D.FANTONI (IT)2213

SC 65CSC 65E

INDUSTRIAL NETWORKS

DEVICES AND
INTEGRATION IN
ENTERPRISE SYSTEMS

Chairman: A.C.CAPEL (CA)Secretary: V.DEMASSIEUX (FR)

Chairman: C.VERNEY (FR)Secretary: L.NEITZEL (US)Assistant Sec: C.ROBINSON (US)WG7: Programmable control sy.
Convenor:R.KRETSCHMANN(US)62

WG12: FS for fieldbus
Convenor: V.DEMASSIEUX (FR)34

WG9: Final Control Elements
Convenor: A.GLENN (US)14

WG13: Cyber Security
Convenor: T.PHINNEY (US)WG2: Prod. Prop. & Class
Convenor: P.ZGORZELSKI (DE) 10
WG3: Commissioning
Convenor: A.THEUER (DE)4

WG14: Analyzing Equipment
Convenor: J.TATERA (US)18

WG15: High Availability network
Convenor: G.HOERCHER (DE) 33

WG4: Field Device Tools
Convenor: C.DIEDRICH (DE)14

WG15: Function BlockWG16: WirelessConvenor: JD.DECOTIGNIE(CH)38

WG7: Function Block + EDDL
Convenor: C.DIEDRICH (DE)12

WG17: Wireless Coexistance
Convenor: L.WINKEL (DE)26

WG8: OPC - UA
Convenor: HP.OTTO (DE)16

MT9: Fieldbus Maintenance
Convenor: L.WINKEL (DE)53

WG9: Automation ML
Convenor: B.GRIMM (DE)new!
8

JWG10: Industrial Cabling
Convenor: F.RUSSO (IT)30

JWG5: Enterprise Control SI
Convenor: D.BRANDL (US)25

JWG6: Device Profile.
Convenor: HP.OTTO (DE)11

Convenor:J.CHRISTENSEN (US) 19

PT61207-7: Gas Analyzers
Convenor: J.WANG (CN)

4PT61987: List of properties newConvenor: P.ZGORZELSKI (DE)7
PT62492-2:Radiation thermom. new26

199

Convenor: M.GOTOH
4JWG14: EEIA
JWG 16:Pressure Measuring newConvenor: G.HOERCHER (DE) 23
Convenor: P.ZGORZELSKI(DE)9R. OKUTSU
All Rights Reserved

169

JWG 17:LOP new
Convenor: R.OKUTSU (JP)AHG 16: Human factors and FS
Convenor: M. SANDOM (GB)
9Numbers in red indicates seats

WG5: Temperature Sensor
Convenor: M.GOTOH (JP)

AG14:Chairmen´s AG new!

P:20/O:3 Convenor::NN

P:26/O:13

Chairman: W.HARTMANN (DE)Secretary: D.VASKO (US)WG16:Digital Factory new! Convenor::
U.DOEBRICH (DE)14824016

Status:2/1296

IEC/TC65/SC65B/WG9 Activity(1971- ) & JIS CV Standards(1995- )R. OKUTSU All Rights Reserved17調節弁の選定(3)IEC 60534-7 Data Sheet /Draft2010

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18

DX例

R. OKUTSU All Rights Reserved

19

DX例

調節弁/バルブ関係者が今後想定するDX/CPS
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20IEC – CDD～２０１６年以降
CDD: Common Data Dictionary

Ｔｒｅｅ構造のクラス・仕様分類/DLOP&OLOP分類
用語・定義の統一と単一検索コードの付与https://cdd.iec.ch/cdd/iec61987/iec61987.nsf/TreeFrameset?OpenFrameSet&ongletactif=5R. OKUTSU All Rights Reserved21

IEC/TC65/SC65B/JWG17(2011-2018)

バルブ産業DXへの布石

Title: List of Properties (LOP) for automated valves and process regulators (SC65B/WG9 and SC65E/WG2)
Scope: Generation of Operating Lists of Properties (OLOP) and Device Lists of Properties (DLOP) for
automated industrial valves (including control valves and process regulators) and their components aswell as characterization for their device family.
IS in 2015
IEC 61987-21 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 21: List of properties (LOP) of automated valves for electronic dataexchange – Generic structures
IEC 61987-22 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 22: Lists of properties (LOPs) of valve body assemblies forelectronic data exchange
IEC 61987-23 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 23: Lists of properties (LOPs) of actuators for electronic dataexchange
IEC 61987-24-1 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 24-1: Lists of properties (LOPs) of positioners and I/P converters
for electronic data exchange
IS in 2017
IEC 61987-24-2 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 24-2: List of properties (LOP) of valve/actuator accessories forelectronic data exchange
IEC 61987-24-3 Ed.1.0: Industrial-process measurement and control – Data structures and elements inprocess equipment catalogues – Part 24-3: List of properties (LOP) of flow modification accessories forelectronic data exchange

R. OKUTSU All Rights Reserved

22

３．現場の課題・難題
そしてIEC CDDへの期待．

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23

OLOP と DLOP が指定できれば ComputerReadableつまりDX可能で調節弁は現場で円滑に永く動作するのだろうか？
現場の調整？・流れの非定常性・干渉・経年メンテナンス・仕様変更・・・・STATICS（静力学）だ
けでなく Dynamics（動力学）の問題ほとんど
設計改善には現場データが大量に必要●多様な運転パターンのBIG DATA収集したい。

●予測式・予測手法の発展のためにもIEC CDDが貢献できる可能性がある。
R. OKUTSU All Rights Reserved

24計装機器として流体機械として液体ではキャビテーション問題→

高圧流体をスムーズに減圧することができるか？Energy Processor
ガス体では超音速流れ/衝撃波問題↓R. OKUTSU All Rights Reserved

25故障率曲線
Cited from WO/2003/023540 FAILURE PREDICTION SUPPORT DEVICE

故障率

WIPO : WORLD INTELLECTUAL PROPERTY ORGANIZATION

仕様ミス
寸法ミス
異音 振動・・・・・・

作動緊急停止
信号ミス
ステム破損
・・・・

パッキン外部漏洩
本体孔食
プラグ摩耗
・・・・

時間
初期故障モード
偶発故障モード
磨耗故障モード

R. OKUTSU All Rights Reserved26フィールドクレームと研究開発事例（A）
キャビテーション壊食の研究
日本機械学会論文集, 68-670, B編(2002-6), 1697-1705 (ref. 8)

12/21

EROSION OF PLUG AT WEIGHT LOSS OF M = 1000mg :Stainless Steel #316, P U = 20MP, P D = 0.1MPa,  = 0.006
High lift: Concentrated erosion
at seat joint taper

Low lift: Dispersed erosion
on beveled surface

Flow

C V = 0.9 / 15h
C V = 0.4 / 250h

C V = 0.75 / 25h
C V = 0.2 / 300h
( M = 25mg )C V = 0.6 / 40h

R. OKUTSU All Rights Reserved27

フィールドクレームと研究開発事例（C）
キャビテーション壊食 寿命予測式例
日本機械学会論文集, 68-670, B編(2002-6), 1697-1705 (ref. 8)

20/21

A SCHEME OF PREDICTING VALVE LIFE TIME
BASED ON SEAT-LEAKAGE
Suppose seat-leakage limit Q C asdesigned controllable minimum flow rate.

Note(a) M S , C S () and n1 :Assume leakage gap corresponding to Q C .
Replace erosion crater by a simplified profile.
Estimate volume V L and weight loss M L .
Estimate duration TS of Phase 1 by:
MCV 1 + (  ) L = 100%  2
M SS = C ( ) 
SCS (  ) ( C )TS1+   V L = 100% 
3Lift time T L is predicted by:
n1MMLL =  TL M S  TS n2

Data prepared for respective plugmaterials and flow pressure by fullopening test.
(b) n2 =2.6 :• n2 = 2.3 ~ 2.7,
Aluminum plate by cavitating jet.
(Lichtarowicz, 1979)(Shimizu, et. al., 1987)• n2 is insensitive to materials
through vibration test
(Hobbs, 1967)• n2 is insensitive to jet angle.
(Hilaris, et. al. 1967)

R. OKUTSU All Rights Reserved28

課題（１）多数・多仕様でモノが広域に設置されている。
（２）用語・データ管理・・・個別（各社バラバラ）（３）知見が各社Know howに集積されているものの体系化されていない。 なお膨大な研究データが必要である。
（４）CPS(Cyber-Physical System)ないしCPHS(CyberPhysical & Human System)にほど遠い状態にある。
克服への期待産業の根本辞書(「根本中堂」）となるCDDが整備されれば（１）技術データを同じ方式で集積できる。（可能性がある）（２）各プレーヤーの（電子情報的）連携が可能となる。
（３）然して CPSないしCPHSの高次元の実現に向かう。
R. OKUTSU All Rights Reserved29

結論
調節弁技術標準化の活動を通じて得た知見
技術は広めないと深くならない！

IEC CDDはバルブ産業の「根本中堂」となる
IEC CDD will be the ROOT of world valve industry

京都・比叡山延暦寺
根本中堂
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30

参照文献
１．山崎・奥津, 「バルブ技術者にとってのIoTと今後の課題、バルブ技報,
JVMA, Vol.35, No.1, P.68~84, 2020
２．奥津, 「工業プロセス用調節弁に関するIEC国際規格開発活動の経過と展望」, 工業加熱, Vol. 55, No.5, P.29~37, 2018
３．奥津・大田, 「IoT時代における産業用調節弁の現場と理論のGapと整合」, 計装, Vol. 61, No.7, P.33~39, 2018
４．池田・山崎, 「デジタルファクトリーとIEC SC65Eの電子情報統合化について」, 計測と制御,SICE, Vol. 51, No.5, P. 551~556, 2012
５．ISA Handbook of Control Valves, 2nd Edition, 1976
６．新版バルブ便覧 第2版, 日本バルブ工業会JVMA, 日本工業出版, 2021
７．H.D.Baumann, Control Valve Primer User’s Guide, ISA, 1991
８．湯沢・奥津・大田・他1, 「高圧調節弁プラグに生じるキャビテーション壊食の形成と進展」, 機論, 68-670, B編 , 2002-6, 1697-1705
R. OKUTSU All Rights Reserved31バルブの現在･過去＆未来期待
過去（昭和）

流体力学・・・実験および解析解、固有値

現在（平成）

バブル崩壊後の低成長時代に対応

計測技術の進展・・３次元非定常流れ補促
３次元ＮＳ数値流体力学・・・現象詳細把握
未来（令和～） 調節弁の原理･形態は向う５０年間不変
多数・多様な機器諸特性の明確化と保証。
IEC CDD 登録（誰がやるか？やってくれるのか？）

DX＊設計・メンテナンス・CPS/CPHS/AI・安全・SDGｓ
R. OKUTSU All Rights Reserved32