JP2001142529A - 振動監視方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明では、監視対象の振動発生要因となる特
性の不安定さを比較的簡単な方法で計測する方法、およ
び装置の提供を課題とする。 【解決手段】タービン・発電機１０の監視のための振動
信号を、振動計測装置２０に導き、その振動信号により
振動監視装置３０や、不安定振動監視装置５０で異常を
監視し、異常診断・表示装置４０で診断を行う構成と
し、不安定振動を専用に監視する。 【効果】これにより、従来の振動振幅の監視では、回転
周波数成分の振動振幅の変動に隠れていた異常兆候の検
出が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラントの機器や系
統の監視装置に関わり、特に不安定振動の兆候監視に好
適な方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の振動を監視する装置においては、
特開平１０−３３３７４２号に見られるように、振動振
幅の瞬時値だけでの監視では判別できないような異常に
ついても、診断が出来るように種々改良が加えられてい
る。このため、従来の機器の損傷を防止するための監視
が、最近では振動が成長する前に異常を検出して、事前
に対策することも可能な状況となりつつある。しかし、
回転機で発生するオイルホイップ等に見られる振動系の
不安定性に起因する振動の前兆は、必ずしも振幅の変化
だけでは判断できないことが多い。例えば、回転機械の
短期的なわずかのアライメント変化でも振動振幅の変化
の可能性は有る。当然、振動振幅にわずかの兆候があっ
たらば、周波数分析や振動位相の確認をすれば、対応は
可能である。ところが、振動監視点数が多く、かつ兆候
の検出感度を高くすると、多数チャンネルの振動信号を
ひんぱんに記録する必要が出てくるため、多チャンネル
大容量の信号収録装置が必要となり、コスト高となる可
能性がある。

【０００３】回転体の軸振動の周波数成分は、通常回転
周波数成分が支配しており、振動振幅の変化は主にこの
回転周波数成分の変化に起因することが多い。いっぽ
う、不安定振動は、回転周波数以外であることがほとん
どであり、この識別に関し、従来技術で必ずしも詳細な
説明がされていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明では、
監視対象の振動発生要因となる特性の不安定さを比較的
簡単な方法で計測する方法、および装置を提供すること
が目的である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、監視
対象の不安定さを信号の位相空間軌道であらわすことを
特徴とする。位相空間軌道（文献「カオス応用戦略：19
93.5.10 オーム社発行」）は、監視対象の不安定さを示
すパターンである。監視信号を位相空間にプロットし
て、その位相空間軌道のパターンを監視することで不安
定性の監視を行う。具体的には、位相空間軌道のパター
ンを定量化し、これを安定性を示す指標として用いて、
不安定性の監視を行う。

【０００６】位相空間軌道は、後述するように、信号の
各時刻の値に応じて、平面上にプロットした点のあつま
りである。信号に不安定性を示す兆候がない場合、位相
空間の各所にプロットされる。一方、不安定性をあらわ
す兆候がある場合、円環もしくは楕円環状の領域にプロ
ットとされることになる。このため、信号に不安定性の
兆候が現れない場合は、位相空間軌道は軌道中心まで広
い範囲でプロット点が有り、不安定性が現れると、軌道
中心はプロット点が少なくなる。この位相空間軌道のパ
ターンの違いを用いて、監視対象の不安定性を判断す
る。

【０００７】上記のパターンの違いを判別するため、位
相空間軌道を定量化し、これを安定性をあらわす指標に
用いる。定量化するため、本発明においては、位相空間
軌道を変換して、軌道中心からの距離に応じてプロット
し直し、２つもしくはそれ以上の領域に分けて、その領
域間のプロット点数の比率により、不安定性を判断する
ようにした。これにより、簡単に位相空間軌道のパター
ンの違いが識別可能になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一の実施例につ
いて説明する。

【０００９】図１は、本発明の音響監視方法および装置
をタービン・発電機の振動監視に適用した例である。

【００１０】図１において、軸振動計を備えたタービン
・発電機１０からの振動信号は、振動計測装置２０に導
かれ、ディジタル信号に変換された振動信号は、振動監
視装置３０および不安定振動監視装置５０に導かれる。
振動計測装置２０には、回転基準信号も入力され、次数
比分析等や位相基準として用いられる。また、振動監視
装置３０にはプロセス信号が入力され、振動変化と運転
状態変化とが対応づけられるようになっている。振動監
視装置３０は、一般的なプラント監視に用いられている
ものであり、振動信号の振幅、振動周波数分布の一定時
刻毎の解析や異常判定等を実施する。振動監視装置３０
の出力は、振動診断・表示装置４０に入力される。不安
定振動監視装置５０の出力もまた、振動診断・表示装置
４０に入力される。振動監視装置３０は、振動振幅、振
動周波数等の変化から異常を検出し、これを受けて、振
動診断・表示装置４０では、異常原因推定や、推定のた
めの詳細解析等を実施する機能を有する。また、不安定
振動監視装置５０で異常検出された場合、これを受け
て、振動診断・表示装置４０では、異常原因推定や、推
定のための詳細解析等を実施する機能を有する。

【００１１】監視対象が不安定であると言うことは、わ
ずかの外力でも振動が発生するということである。いっ
ぽう、回転機の加振力はほとんどが回転周波数によるも
のであるため、他の周波数成分の振動は現れにくい。し
かし、回転数の変化時や、何らかの外力が加わる場合、
この外力は回転数以外の周波数成分も含む。監視対象に
不安定な特性があれば、わずかの加振力でもその周波数
域の振動成分が選択的に大きくなる。このため、通常の
運転状態で、不安定さを監視し、不安定な特性がさらに
不安定さを増していくかどうかを知ることができれば、
あらかじめ計画して停止して修理することも可能であ
る。このような観点から、不安定振動監視装置５０が設
置されているので、本実施例においては、不安定さを連
続的にモニタできる構成としてある。

【００１２】本発明の不安定振動監視装置５０の動作を
図２に示すフローチャートで説明する。また、各処理の
具体的な内容は、図３から図１０を用いて説明する。

【００１３】図２で示すように、不安定振動監視装置５
０は、振動信号のフィルタリング、位相空間軌道作成、
軌道の傾き算出、座標変換、円環変換、軌道再配列、領
域比率算出、領域比率のファイリング、領域比率としき
い値の比較、しきい値超過の場合は異常を振動診断・表
示装置４０に知らせるという手順の処理を行う。図２の
フローチャートは、入力信号である振動信号から位相空
間軌道と呼ばれるパターンを作成し、最終的にはそのパ
ターンを領域比率という一つの値で代表させてしまう信
号処理手順である。

【００１４】フィルタリングは、振動信号から注目周波
数領域の信号のみを抽出するための処理である。通常、
振動信号は回転周波数成分が支配的であるため、回転周
波数成分を除くことで、結果的に注目周波数域を通過さ
せることにしている。

【００１５】次は、位相空間軌道の作成処理について、
図３と図４を用いて説明する。今、フィルタリング後の
振動信号が、図３で示すような正弦波信号であるとす
る。この信号の位相空間軌道は図４のようになる。信号
のＮ番目のサンプリング値を横軸に、縦軸にＮ＋１番目
のサンプリング値のレベルを取り、その交点にプロット
した結果である。ここでは、ＮとＮ＋１でプロットして
いるが、例えばＮとＮ＋２、ＮとＮ＋３でも、もしくは
それ以上離れていても良い。また、縦軸と横軸の入れ換
えも結果に大きな影響を与えない。この、位相空間軌道
のパターンは信号の周波数と、サンプリング周波数であ
る程度変化する。よって、注目する周波数帯域とサンプ
リング周波数は適切に選択の必要が有る。

【００１６】図４からわかるように、楕円軌道の中心領
域はプロットされていない点があることがわかる。上述
したように、注目する周波数帯域とサンプリング周波数
により、このプロット点のない領域や軌道は変わる。そ
こでこのパターンを正弦波では円になるように変換し
て、信号周波数やサンプリング周波数に強く依存しない
パターンを得る。

【００１７】軌道の傾きの算出は、座標変換時の回転角
度を知るために行う。つまり、軌道の傾きを知り、長軸
の中心をＸ軸に並行になるように座標変換する。この
際、軌道の傾きは、一般的な回帰分析で求めている。な
お、この傾きは、信号の周波数とサンプリング周波数で
ある程度決まるため、常に傾きが同じとなる場合もあ
る。この場合は、軌道の傾きの算出は不要である。

【００１８】傾きを求めて、長軸をＸ軸と並行にした結
果を図５に示す。扁平となっていることがわかる。前述
したように、サンプリング周波数との関連で扁平さは決
まる。

【００１９】このまま、軌道パターンを定量化するよう
にすると、サンプリング周波数等の影響が定量化した安
定性指標に強く現れることになるので、以下では、縦軸
に係数を乗じて真円に近くなるように変換する。

【００２０】図２のフローチャートで円環変換と呼ぶ処
理は、具体的には、縦軸と横軸の大きさを合わせる処理
である。図６のパターンは、円環変換の結果であり、Ｘ
軸およびＹ軸の最小値および最大値を±１となるように
係数を乗じてある。係数の値は、図５で示したパターン
の最小値および最大値から決定する。円環変換に際し、
統計で言うところのはずれ値があると、後述の領域比率
自体が意味のないものになる可能性がある。そのため、
はずれ値が生じるような可能性が有る場合は、はずれ値
の除去が必要である。

【００２１】人間であれば、図６のようなパターンから
直接、信号の不安定性の判断は出来る。しかし、機械で
自動的に判断するにはまだ難しい。

【００２２】次に、軌道再配列処理について説明する。
図６のパターンを基に、プロット点の原点からの距離を
各点毎に求める。具体的には、プロット点のＸ座標とＹ
座標を用い、（Ｘ²＋Ｙ²）の平方根として求めることが
できる。この結果を、頻度分布表現したのが図７であ
る。信号が正弦波の場合、プロット点が原点から離れて
密集しているさまがわかる。

【００２３】図２のフローチャートで示した領域比率
は、図７から算出する。つまり、プロット点の原点から
の距離最大の点から原点までの距離を２等分し、原点に
近い側のプロット点の総数を分子とし、遠い側のプロッ
ト点の総数を分母とする。これにより、領域比率は、位
相空間軌道が円環に近ければ０に近くなり、そうでなけ
れば、より大きな値となっていくことがわかることがわ
かる。なお、領域分割に際し、３等分して原点側の領域
のプロット総数を分子とし、原点から遠い側のプロット
総数を分母とした場合でも、同種の情報が得られる。

【００２４】ここでは、軌道再配列処理に引き続き領域
比率の算出を行う。目的は、あくまでも位相空間軌道パ
ターンの定量化である。この観点からすれば、図６の円
環変換後のデータから、直接プロット点の原点からの距
離の平均値を求めることも可能であり、平均距離が原点
から遠い場合に不安定振動と判断することも可能であ
る。この場合、軌道再配列処理は不要となる。

【００２５】正弦波の場合と対比するため、領域比率が
大きくなる場合について説明する。

【００２６】図８はランダム雑音の時間変化である。こ
の場合の位相空間軌道は、図９に示すように、位相空間
全体にくまなくプロット点が存在することになる。図１
０に軌道再配列後の頻度分布を示す。図１０から、信号
が正弦波では領域比率は０であったが、ランダム雑音で
は大きな値となることがわかる。

【００２７】図２で示した信号処理手順においては、領
域比率を求めたら、あとで詳細に検討できるように、そ
れを時系列状にファイルに収納しておく。

【００２８】次に領域比率をあらかじめ設定したしきい
値と比較し、正常範囲を逸脱したら異常と判定し、振動
診断・表示部４０に異常である旨の信号を送る。

【００２９】異常診断・表示部４０では、異常発生によ
り、診断の実施、データのファイリング、異常の標示等
を実施することになる。

【００３０】以上示したように、本発明の不安定な振動
兆候を監視する振動監視装置により、回転周波数成分の
変動の影響を受けずに不安定な振動兆候の監視が可能と
なる。なお、振動の安定性を示す指標である領域比率
は、監視信号毎に連続的に算出されることになるので、
どの振動測定点に現れる不安定兆候も捉えられるように
してある。

【００３１】実験的に適用した場合、安定性指標である
領域比率は、正常の場合１前後の値をとって推移し、不
安定振動が発生した場合は、不安定振動の大きさにもよ
るが、０に近づいていく。不安定振動が消滅すれば、ま
た、１に近づく。但し、１は理論値ではないので、雑音
の特性によってはさらに大きな値となることもある。

【００３２】上記の処理においては、振動信号を一定時
間毎にサンプリングし、サンプリング数があらかじめ設
定した数に達したら領域比率を算出し、またサンプリン
グを開始する。これにより、時々刻々の領域比率の変化
を算出できるため、抜けのない監視が可能である。抜け
のない監視をするためには、今までサンプリングしたデ
ータの一部に、新たにサンプリングしたデータを加え
て、移動平均的に１点毎に領域比率を算出することも可
能である。

【００３３】本発明特有の効果として、以下の点があげ
られる。

【００３４】（１）不安定振動の監視を通常は膨大なデ
ータを扱う回転体振動監視に適用することで、不安定性
の監視を連続的に実施出来るため、領域比率に時間的な
抜けがないという点で監視結果の信頼性を高められ、振
動監視装置の性能向上の効果が有る。

【００３５】（２）振動信号の回転周波数成分をあらか
じめ除去したのちの信号について不安定性の指標である
領域比率を演算するようにしているため、振動信号に支
配的な回転周波数成分の変動に不感とできるため、不安
定性指標の算出精度が向上でき、振動監視装置の性能向
上に効果が有る。

【００３６】（３）直接、不安定性を監視する構成とす
ることで不安定性の増加の確認が不要となるため、従
来、確認に必要であった高速・大容量データ収集装置が
不要となり、振動監視装置全体のコスト低下が可能とな
るので、経済性向上効果が有る。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
振動信号の位相空間軌道パターンを、信号の位相空間軌
道作成、座標変換、円環変換、軌道再配列、領域比率算
出の手順により定量化することで、回転周波数成分の振
幅変動の効果を受けず、振動の不安定さを直接監視でき
るので、振動監視装置の性能向上効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音響監視法及び装置をタービン・発電
機の振動監視システムに適用した例を示す図。

【図２】本発明の振動監視装置の機能である安定性指標
の算出の手順を示すフローチャート。

【図３】振動信号の例を示す図。

【図４】図３の波形から出来る位相空間軌道を示す図。

【図５】位相空間軌道を座標変換した場合の軌道を示す
図。

【図６】軌道の鉛管補正結果を示す図。

【図７】軌道再配列した場合のプロット位置の頻度分布
図。

【図８】ランダム雑音波形図。

【図９】ランダム雑音波形の位相空間軌道を示す図。

【図１０】図９の軌道を再配列して頻度分布で表した
図。

【符号の説明】

１０…タービン・発電機、２０…振動計測装置、３０…
振動監視装置、４０…振動診断・表示装置、５０…不安
定振動監視装置。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 監視対象の振動信号を検出するステップ
   と、検出振動信号の位相空間軌道作成ステップと、軌道
   を円環軌道に変換するステップと、円環軌道から安定性
   指標を算出するステップと、安定性指標とあらかじめ定
   めたしきい値とを比較して不安定であるかどうかを判定
   するステップからなる振動監視方法。
2. 【請求項２】 監視対象の振動信号を検出するステップ
   と、検出振動信号の位相空間軌道作成ステップと、軌道
   を円環軌道に変換するステップと、円環軌道のプロット
   点の距離の平均値を安定性指標として算出するステップ
   と、安定性指標とあらかじめ定めたしきい値とを比較し
   て不安定であるかどうかを判定するステップからなる振
   動監視方法。
3. 【請求項３】 監視対象の振動信号を検出するステップ
   と、検出振動信号の位相空間軌道作成ステップと、軌道
   を円環軌道に変換するステップと、軌道原点からの距離
   を基に軌道の再配列をするステップと、軌道原点からの
   距離を２分割して、分割した領域ごとのプロット点の総
   和の比率である領域比率を安定性指標としてを算出する
   ステップと、安定性指標とあらかじめ定めたしきい値と
   を比較して不安定であるかどうかを判定するステップか
   らなる振動監視方法。
4. 【請求項４】 監視対象の振動を検出する振動検出手段
   と、検出した振動信号の位相空間軌道を作成する位相空
   間軌道作成手段と、位相空間軌道を円環軌道に変換する
   ための円環軌道変換手段と、円環軌道から安定性指標を
   算出する手段と、安定性指標とあらかじめ設定したしき
   い値を比較することで安定化不安定化を判断する手段か
   らなる振動監視装置。
5. 【請求項５】 請求項４の振動監視装置において、安定
   性指標を算出する手段が円環軌道のプロット点の距離の
   平均値を求める手段であることを特徴とする振動監視装
   置。
6. 【請求項６】 請求項４の振動監視装置において、安定
   性指標を算出する手段が円環軌道の軌道原点からの距離
   を基に軌道の再配列をする軌道再配列手段と、軌道原点
   からの距離を２分割して、分割した領域ごとのプロット
   点の総和の比率である領域比率を安定性指標としてを算
   出する手段からなることを特徴とする振動監視装置。
7. 【請求項７】 監視対象の振動を検出する振動検出手段
   と、検出した振動信号の振幅、位相、周波数とプラント
   の運転状態を考慮して振動の異常の有無を監視する異常
   監視手段と、あらかじめ定められた情報を用いて異常要
   因の推定および表示を行う振動診断・表示手段からなる
   振動監視システムに、請求項４の振動特性の不安定性を
   監視する振動監視手段を付加したことを特徴とする振動
   監視システム。