May 12, 2025
化学産業では制御弁が広く使用されており、制御弁の振動について、よく理解されていない方もいらっしゃいます。
制御弁の振動とは、運転中に弁が急速に開閉する現象を指し、制御弁が意図したプロセス条件を維持するために適切な位置に安定していられないことを示しています。
この状態は、閉ループシステム内のプロセス変数を設定値の周りで変動させます。
持続的な弁の振動は、グランドシールの性能を損なうだけでなく、望ましい設定値からの大きな逸脱につながり、生産性と製品品質に影響を与える可能性があります。したがって、振動の問題を解決し、制御ループ全体の性能を向上させるために、振動の根本原因を正確に特定することが重要です。
この記事では、弁の振動を引き起こす可能性のあるさまざまな要因と、それらの診断方法について詳しく説明し、読者がこの一般的でありながら複雑な産業制御の課題をよりよく理解し、対処できるようにすることを目的としています。この情報を理解することで、エンジニアや技術者は、制御システムをより効果的に保守および最適化し、生産プロセスの円滑な運用を確保できます。
コントローラーモードを自動から手動に切り替え、通常の方法で応答を評価して、問題がループ内にあるかどうかを判断します。
振動が止まれば、ループに問題があります。これらの問題は通常、非線形プロセスで発生します。ヒステリシス効果により、「ハンチング」が発生することもあります。その結果、プロセスループは鈍く動作します。
コントローラーは、この機械的な問題を解決するように構成されていません。ループの問題によって引き起こされるスタック制御弁は、コントローラーを適切に調整することで解決できます。これがマニュアルに記載されていない場合は、プロセス変数の実際の違い、弁のサイズなど、他の原因が考えられます。
弁の制御性は、制御弁のサイズによって大きく影響を受けます。流量係数（Cvと略されます）は、600°Fで1 psiの圧力降下で完全に開いた弁を通過できる水の量です。
Cvは弁の設計によって決定され、一定に保たれます。同じサイズの制御弁でも、ボディスタイルや弁の内部構造が異なると、Cv値が異なる場合があります。制御弁のサイジングの問題は、総プロセスゲインが低いか非常に高い場合に明らかになります。制御弁のサイズは、将来の流量増加の必要性に基づいて選択されることが多く、その結果、選択された弁のサイズが現在のアプリケーション要件よりもわずかに大きくなり、制御精度に影響を与える可能性があります。
大きすぎる弁は、過度の開閉を引き起こし、固着、パッキンの損傷、および不正確な制御につながる可能性があります。逆に、小さすぎる弁は、適切な流量を維持するために大きな圧力降下を必要とし、必要な容量を欠いている可能性があり、ポンプ圧力を増加させ、キャビテーションのリスクを高めます。キャビテーションとフラッシングは、制御弁の内部部品に損傷を引き起こす主な問題であり、それが原因でプロセス制御が変動します。
プロセス変数を制御するために必要な平衡位置に制御弁アクチュエーターを維持するために、弁ポジショナーは空気圧を調整することによって実現されます。
空気の流れを制御するためのスプールがありますが、長期間の使用や空気中の塵粒子により、スプールが摩耗し、特定の場所に固着し、異常に高い空気圧が発生する可能性があります。空気圧が上昇すると、スプールは固着位置から解放され、オーバーシュートを引き起こし、弁の位置が不安定になり、弁の有効な制御が失われ、偏向が発生します。
弁ポジショナーは、周囲のプロセス タンクからの放射熱により高温にさらされる可能性があり、これもポジショナーが制御弁を停止させる要因となり、ポジショナーのシールと配管に損傷を与える可能性があります。ポジショナーは、フィードバック リンクを使用して弁の実際の位置を検出し、出力を調整します。
フィードバック リンクが故障した場合、たとえば流体による力や摩擦が原因で、弁が正しく動作しない可能性があります。最新のインテリジェント ポジショナーは、そのような偏差を認識する独自の機能を備えています。
弁が静摩擦（つまり、停止）に遭遇すると、特定の位置で移動を停止し、再起動には追加の力が必要になります。この現象の原因は、硬化したグランドパッキンまたはスプール内の粘性流動である可能性があります。
加えられた力が停止点を克服するのに十分な場合、弁はオーバーシュート位置に移動し、プロセス変数が設定値を超えます。この停止は、コントローラー出力とプロセス変数の関係を監視することで観察できます。
弁アクチュエーターは適切にサイズ設定し、グランドシールのトルクは許容範囲内に収まるようにして、停止を回避する必要があります。
さらに、スプールの内部の摩耗により、弁が停止し、弁が完全に閉まらない可能性があります。スプールの損傷は、制御弁が高動作範囲で制御を失う原因となる可能性があります。
制御弁では、グランドパッキンを使用して、プロセス媒体が弁本体から漏れるのを防ぎます。損傷すると、ボンネットで漏れが発生し、作業環境の安全を脅かす可能性があります。弁アクチュエーターの漏れも、弁の「ハンチング」につながるもう1つの要因です。
弁ステムは、最初に弁ポジショナーによって正確に位置決めされますが、漏れにより、ステムは移動し続け、ポジショナーに出力を繰り返し調整させ、ステム位置の無限の検索につながります。これは、定常状態制御信号下での制御弁の一般的なテーリング現象の1つです。
ループの問題やその他の影響により、制御弁が振動することがあります。コントローラーを手動モードに切り替え、振動が止まるかどうかを確認して、問題の発生源を特定します。振動が止まれば、問題はループ自体に起因するものであり、適切な調整で解決できます。
内部振動は、不適切な調整または機械の誤動作が原因である可能性があります。手動モードでも弁が異常な動作を示す場合、問題は弁アセンブリの損傷またはプロセスパラメータの変化に起因する可能性があります。
固着とポジショナーのオーバーシュートは、制御弁の固着の最も一般的な原因です。固着現象が存在する場合の弁の出力応答は、グラフによって明確に示されます。
制御弁の固着が、コントローラーの不適切な調整または制御弁自体の機械的故障によるものかどうかを判断するには、コントローラー出力を一時的にバイパスし、制御弁アクチュエーターに一定の圧力を供給し、出力応答を観察することをお勧めします。
リニアポテンショメーター（位置トランスミッター）はステムの動きを検出し、圧力トランスデューサー（スマートポジショナー）はポジショナーの出力圧力を測定するために使用されます。これらのセンサーをデータ収集システムに接続し、監視ソフトウェア（Labviewなど）を使用してこのデータを視覚化することにより、ステムの移動とコントローラー出力のグラフを生成できます。
マイクロコントローラーは、コントローラー設定値と圧力センサーからの入力信号を受信します。設定値からの圧力偏差が認められた場合、この偏差が5回以上発生すると、「ハンチング」動作と見なされます。この場合、コントローラーの出力は分離され、電流-圧力コンバーター（I-Pコンバーター）は、設定値に対応する圧力を自動的に生成し、それを制御弁ポジショナーに入力として提供します。数秒後に偏差を再度確認します。
偏差が減少していることが判明した場合、制御弁とその付属品に欠陥はありません。
したがって、コントローラー回路の特別な調整が必要です。ただし、弁にまだ欠陥がある場合は、内部部品が損傷しているか、グランドシールが原因で固着している可能性があります。デッドゾーンのあるグラフを使用すると、固着の正確な場所を簡単に見つけることができます。
持続的なビートがあるが、デッドゾーンの証拠がない場合、振動は、スプールなどのコンポーネントの損傷が原因で発生している可能性が最も高くなります。この方法は、トラッピング現象が制御範囲全体に存在するか、特定の動作間隔に限定されているかを判断するのにも役立ちます。
