空気圧アナログデジタル 適切なバルブポジショナーの選択

産業オートメーションの分野において、制御弁ポジショナーは作動システムの重要なコンポーネントとして機能し、その精度はプロセスの安定性と効率に直接影響します。正確な弁制御を可能にする中核要素として、ポジショナーの適切な選択と適用が最も重要です。市場には、空気圧式、アナログ（電気空気圧式）、デジタル弁ポジショナーなど、さまざまな種類がありますが、エンジニアはどのようにして情報に基づいた意思決定を行うべきでしょうか？この記事では、これら3つの主要なポジショナータイプについて、その技術的原理、適用シナリオ、比較優位性を詳細に分析し、専門的な選択ガイダンスを提供します。

制御弁ポジショナーの主な機能は、コントローラーからの設定信号に従って弁の位置を正確に調整し、プロセス変数（圧力、温度、流量など）を所望の値に維持することです。動作シーケンスは次のとおりです。

• 信号受信: ポジショナーは、目標弁位置を表す電気信号または空気圧信号を受信します。
• 位置フィードバック: 機械的リンケージ（リニア弁ステムまたはロータリー弁シャフトへの接続など）を介して、ポジショナーは実際の弁位置を継続的に監視します。これは、精密制御のための重要なフィードバックメカニズムです。
• 誤差比較: ポジショナーは、設定信号と実際の位置信号との偏差を計算します。
• 空気圧出力: 誤差の大きさや方向に基づいて、ポジショナーは空気圧アクチュエータへの空気圧を調整し、弁の調整を駆動します。
• 位置調整: 弁の動きはプロセス変数を変化させ、変数が目標値に達するまで閉ループ制御サイクルを作成します。

設置構成はアクチュエータの種類によって異なります。リニア制御弁は通常、ヨークアセンブリまたはトップケーシングにポジショナーを取り付け、ロータリー弁はアクチュエータステムと同軸に、上部または側面に配置します。適切な取り付けにより、ステムの移動距離（リニア）または回転角度（ロータリー）を正確に測定でき、ポジショナーはコントローラーの入力に従って弁の位置を調整します。

市場では、主に空気圧式、電気空気圧式（EP）、デジタル弁ポジショナーの3つのポジショナーカテゴリが特徴であり、それぞれ信号の種類、制御方法、および機能特性によって区別されます。

最も初期に開発されたタイプとして、空気圧ポジショナーはシンプルで信頼性の高いメカニズムを介して動作します。空気圧制御信号（通常は3〜15 psiまたは6〜30 psi）を受信し、正確なステム/シャフトの位置決めのために比例空気圧をアクチュエータに供給します。

動作原理: 内部のノズル-フラッパー機構は、入力圧力信号を背圧変動に変換し、空気圧リレーを駆動してアクチュエータ圧力を調整します。位置フィードバックは、カムまたはレバーシステムを介して行われます。

利点: シンプルな構造、高い信頼性、低コスト、非精密用途および爆発性環境への適合性。

制限事項: 中程度の精度、応答の遅さ、限られた高度な機能、リモート監視/診断機能なし。

アプリケーション: 高い精度が重要ではなく、防爆が必要な従来の石油化学システム。

「アナログポジショナー」と呼ばれることも多いEPモデルは、電気コントローラー信号（通常は4〜20mAまたは0〜10 VDC）を比例空気圧出力に変換します。

動作原理: コアI/P（電流-圧力）トランスデューサーは、電気入力を空気圧信号に変換し、増幅してアクチュエータを駆動します。フィードバックメカニズムは、カムまたはレバーを使用し、空気圧ポジショナーに似ています。

主要コンポーネント: I/Pトランスデューサー（力平衡型または可動コイル型）は、信号変換に電磁原理を利用します。

利点: 空気圧モデルと比較して、精度が向上し、応答が速い。優れたノイズ耐性により、より長い信号伝送距離が可能。

制限事項: 空気圧バージョンよりも複雑でコストがかかる。電源が必要。強いEMIの影響を受けやすい。

アプリケーション: 高精度とリモート自動化を必要とするプロセス（精密化学品、医薬品、食品/飲料製造など）。

これらの高度なポジショナーは、デジタル入力（HART、PROFIBUS、またはFoundation Fieldbusプロトコルによる4〜20mA）を受け入れ、機械的コンポーネントではなく、マイクロプロセッサを使用して信号処理と位置制御を行います。

動作原理: 統合されたマイクロプロセッサは、D/AおよびI/Pステージを介して空気圧出力に変換されたデジタル信号に対してPIDアルゴリズムを実行します。高解像度位置センサー（ポテンショメーター/ホール効果）がフィードバックを提供します。

スマート機能:

• 産業用プロトコルを介したリモート監視/構成
• 弁の健全性評価（移動、摩擦、漏れ）のための自己診断
• 最適化されたPIDパラメータの自動調整

利点: 究極の精度と速度。包括的な自動化統合。予測保全機能。

制限事項: 最も複雑でコストがかかる。安定した電源/ネットワークインフラストラクチャが必要。専門技術者が必要。

アプリケーション: ミッションクリティカルなプロセス（原子力、航空宇宙、大規模化学プラント）および完全自動化システム。

最適なポジショナーの選択には、多次元的な評価が必要です。

• 制御精度: 高精度ニーズにはデジタル/EP。基本的な制御には空気圧。
• 応答速度: 高速ダイナミクスにはデジタル/EP。
• 環境: 温度、湿度、腐食性、爆発のリスクを考慮してください。
• 通信: システム統合のためのプロトコル互換性（HART/PROFIBUS/Fieldbus）。
• メンテナンス: 限られた技術サポートには、よりシンプルな設計。
• 予算: 技術要件内でのコストパフォーマンスのバランス。

デジタルポジショナーは、この主要な精製プロセスにおいて、反応器の温度/圧力の正確な制御を可能にし、スマート機能を通じて収率と製品品質を最適化します。

EPポジショナーは、分離プロセスにおいて製品純度を維持し、エネルギー消費を削減します。

空気圧ポジショナーの信頼性と防爆性は、溶存酸素レベルの調整が必要な過酷な環境に適しています。

インダストリー4.0は、ポジショナーのイノベーションを以下のように推進しています。

• インテリジェンスの強化: 予測保全、適応制御、ワイヤレス接続
• システム統合: ポジショナー、アクチュエータ、センサーを組み合わせたスマート弁アセンブリ
• ネットワークの収束: 包括的なデータ共有のための産業用イーサネット統合
• 小型化: スペースが限られた設置のためのコンパクトな設計
• 持続可能性: 低電力電子機器とエアレス技術を備えた省エネ設計

制御弁ポジショナーは、正確な流量制御に不可欠です。選択には、技術要件、環境要因、経済的制約をバランスよく考慮する必要があります。空気圧モデルは基本的なアプリケーションに役立ち、EPポジショナーは中間的なニーズに対応し、デジタルソリューションは、重要な自動化システムで優れています。継続的な進歩は、進化する産業ニーズに対応するために、よりスマートで、より統合されたポジショナー技術を約束します。