JP2005049945A - 監視装置及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供する。
【解決手段】監視対象機器から時系列に入力される複数の状態信号を受信する手段と、この受信手段で受信した前記状態信号を所定の時間履歴データとして記憶する記憶手段と、前記履歴データを圧縮処理するデータ圧縮手段と、前記監視対象機器から故障信号を受信して所定の時間経過後、前記履歴データを再生して表示用トレンドデータを作成する手段とで構成し、前記記憶手段はｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されたメモリ領域を有し、ｎ番目のメモリ領域はｎ−１番目のメモリ領域に記憶した履歴データを、前記データ圧縮手段により圧縮した履歴データとして記憶させるようにする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視装置及びこれを用いた電力変換装置に係り、特に履歴データの記憶方式を改良した監視装置及びこれを用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラントで使用される電気機器のうち、例えば電動機制御装置のような電力変換装置は、機器の故障解析を行うために、電力変換装置を監視する監視装置に設けられる記憶部に電力変換装置の状態情報を履歴データとして記憶させていた。そして、機器の故障が発生した時、その記憶部に記憶された故障発生時点より時間的に前の履歴データを参照して故障の原因を特定することが行なわれていた。このために、履歴データを再生するいわゆるトレースバック機能を機器に付加し、故障が発生する前の関連各部のデータ、あるいは、これに加えて故障が発生した後の関連各部のデータの時間推移をトレンド表示させていた（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、製鉄プラントや製紙プラントで使用される従来の電動機制御装置の故障トレンド表示は以下の様になっている。
【０００４】
電動機制御装置は、商用電力を任意の電圧・周波数に変換するコンバータ／インバータと、このコンバータ／インバータを制御する制御回路とから構成されている。この制御回路は、通常、上位の運転操作または監視用のプロセスコントローラからの外部指令を受け、電動機の速度或いはトルクが所望の値となる様に制御している。この制御には電動機電圧、電流あるいは速度等の信号がフィードバック信号として用いられる構成となっている。
【０００５】
また、電動機制御装置は、トレースバック機能付の監視装置を有し、前述の外部指令等のシーケンス信号やフィードバック信号、或いは電動機制御装置内各部の電圧、電流等の状態信号を、一定のサンプリング間隔で履歴データとして内部メモリに所定の時間分記憶する構成となっている。そして、故障が発生した際には、その内部メモリに記憶した履歴データを再生し、トレンド情報として表示していた。
【０００６】
この従来方式においては、履歴データを記録するときのサンプリング間隔は、データの種類に応じて定めた一定の間隔となっていた。
【０００７】
【非特許文献１】
中村、阿部、宮崎「インテリジェント化が進むプラントドライブ装置」、東芝レビューＶｏｌ５５Ｎｏ７、２０００年７月１日、Ｐ２９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来の技術では、トレースバックに必要な履歴データは一定のサンプリング間隔で画一的に記録されているため、これを長時間記録しようとすると、時間に比例して内部メモリの容量を大きくする必要があった。
【０００９】
ところが、例えば電流値のように、故障発生時の近傍では短い時間間隔による信号変化の観測が必要であるが、部品劣化の影響チェックのため、長時間に渡る緩やかな信号変化も観測すべき状態信号がある。従来の技術では、記録のための内部メモリ容量が限られていた為、これらを両立することは困難であった。
【００１０】
本発明は、限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である監視装置は、監視対象機器から時系列に入力される複数の状態信号を受信する手段と、この受信手段で受信した前記状態信号を所定の時間履歴データとして記憶する記憶手段と、前記履歴データを圧縮処理するデータ圧縮手段と、前記監視対象機器から故障信号を受信して所定の時間経過後、前記履歴データを再生して表示用トレンドデータを作成する手段とから構成され、前記記憶手段はｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されたメモリ領域を有し、ｎ番目のメモリ領域はｎ−１番目のメモリ領域に記憶した履歴データを、前記データ圧縮手段により圧縮した履歴データとして記憶させるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、交流または直流を他の周波数または電圧に変換するコンバータ／インバータと、前記コンバータ／インバータを制御する制御手段と、前記コンバータ／インバータを監視する監視装置とから構成され、前記監視装置は、前記制御手段から時系列に入力される複数の状態信号を受信する手段と、この受信手段で受信した前記状態信号を所定の時間履歴データとして記憶する記憶手段と、前記履歴データを圧縮処理するデータ圧縮手段と、前記監視対象機器から故障信号を受信して所定の時間経過後、前記記憶部から前記履歴データを再生して表示用トレンドデータを作成する手段とを具備し、前記記憶手段はｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されたメモリ領域を有し、ｎ番目のメモリ領域はｎ−１番目のメモリ領域に記憶した履歴データを、前記データ圧縮手段により圧縮した履歴データとして記憶させるようにしたことを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、過去に遡るほど記録の時間間隔を間引くように構成したので、限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に本発明による監視装置及びこれを用いた電力変換装置の第１の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の監視装置及びこれを用いた電力変換装置のブロック構成図である。
【００１５】
電動機制御装置１は、商用電源を任意の電圧及び周波数に変換して交流電動機２を駆動する電力変換装置である。この電動機制御装置１は、電力変換の主回路を構成するコンバータ／インバータ３、このコンバータ／インバータ３の出力電圧及び周波数を制御するための制御回路４、及び監視装置５から構成されている。
【００１６】
制御回路４は、プラントを運転監視するためのプロセスコントローラ９から運転指令、速度指令およびトルク指令などの各指令を受けて、コンバータ／インバータ３の図示しないスイッチング素子のゲート制御を行い、交流電動機２の速度あるいはトルクを制御している。この制御を行うために制御回路４には、交流電動機２の速度検出器Ｓからのフィードバック信号や、コンバータ／インバータ３からの電圧信号や電流信号などの各部信号が供給されている。また制御回路４は、速度検出器Ｓからのフィードバック信号やコンバータ／インバータ３からの電圧信号や電流信号などの状態信号の異常値を検出すると、監視装置５に対し故障信号を出力する。
【００１７】
監視装置５は、入出力部６、プロセッサ７及び記憶部８から構成されている。入出力部６は、制御回路３及び外部のプロセスコントローラ９と監視装置５の間の入出力処理を行う。
【００１８】
制御回路４からは前記故障信号のほか、履歴データ記録用の状態信号が時系列に連続して入出力部６に入力されている。この信号は、前述した速度検出器Ｓからのフィードバック信号、コンバータ／インバータ３からの各部信号及びプロセスコントローラ９から得られる運転指令などである。これらの状態信号は、プロセッサ７のデータ記録処理機能により記憶部８の履歴データ用メモリ８１に記憶される。そしてプロセッサ７は、履歴データ用メモリ８１が書き込まれた履歴データで一杯になったとき、次の履歴データを最も古い履歴データに上書きするようなデータ記録処理を行う。従って、履歴データ用メモリ８１には常に一定時間分の履歴データが記憶された状態となっている。
【００１９】
更にプロセッサ７は、履歴データ用メモリ８１に履歴データがある一定の量だけ記録されると、これらのデータを読み出し、後述するような手法でデータ圧縮処理し、圧縮されたデータを履歴データ用メモリ８２に記憶させる。同様にして、履歴データ用メモリ８２に履歴データがある一定の量記録されると、このデータをプロセッサ７で読み出し、これをデータ圧縮処理し、圧縮されたデータを履歴データ用メモリ８３に記憶させる。履歴データ用メモリ８２、８３についても、履歴データ用メモリ８１と同様に、書き込まれた履歴データで一杯になったとき、最も古い履歴データに上書きするようなデータ記録処理が行われる。
【００２０】
尚、図１においては、履歴データ用メモリ領域が履歴データ用メモリ８１、８２及び８３と３領域ある場合を示しているが、４領域以上でも良く、また２領域でも良い。
【００２１】
監視装置５は、正常時には上記のような仕組みで一定のサンプリング間隔で記憶部８に履歴データを記録するが、同時に常に前記故障信号を監視する。そして故障が発生して所定の短い時間が経過した後、履歴データを再生してトレンドデータを作成し、これを入出力部６を介してプロセスコントローラ９に送信する。
【００２２】
以下に、前述したデータ圧縮処理の具体例について図２を参照して説明する。図２はデータ圧縮原理の説明図である。
【００２３】
履歴データ用メモリ８１は、ｎ個の履歴データを格納可能な容量を持つ。すなわち、データのサンプリング間隔をＴとすれば、履歴データ用メモリ８１のデータ記録可能時間はｎ×Ｔである。ここで、例えば、履歴データ用メモリ８１の６個の履歴データを、それらの平均値を演算するなどして圧縮処理し、この結果１個の履歴データとして履歴データ用メモリ８２に順次格納するようにすれば、履歴データ用メモリ８２のデータ記録可能時間は６×ｎ×Ｔと６倍の記録可能時間となる。更に同様にして履歴データ用メモリ８２の履歴データを６分の１に圧縮して履歴データ用メモリ８３に順次格納するようにすれば、履歴データ用メモリ８３のデータ記録可能時間は、６×６×ｎ×Ｔと履歴データ用メモリ８１に比べ３６倍となる。
【００２４】
以上説明したように本発明の第１の実施の形態によれば、例えば平均値演算によるデータ圧縮手法を用い、過去に遡るほどに記録の時間間隔を間引くことにより、限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【００２５】
尚、図１に示した構成では、入出力部６及びプロセッサ７は監視装置５の専用部分として説明したが、制御回路４の内部にも同一の機能を持つ入出力部及び演算部が使用される場合がある。この場合には入出力部６及びプロセッサ７は同一の機能を持つ制御回路４の内部の入出力部及び演算部で兼用する構成としても良い。
【００２６】
また、この第１の実施の形態で作成されたトレンドデータは、必ずしも外部伝送は行わず、自ら表示機能を持つように構成しても良い。
【００２７】
（第２の実施の形態）
以下に本発明の第２の実施の形態に係る監視装置について図３を参照して説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮動作の説明図である。
【００２８】
図３（ａ）は、３階層のリングバッファを用いたデータ圧縮システムの構成例を示している。リングバッファとは、メモリの終点が始点に繋がっている構造をいい、ここでは履歴データ記録用メモリそのものをリングバッファと呼称する。
【００２９】
電動機制御装置１の運転にともなう履歴データは最下段のリングバッファ８１Ａに、例えば１ミリ秒のサンプリング間隔で記録される。個々の履歴データをリングバッファのどのアドレスに記録したかについては、カウンター８１Ｂにより検出可能な構造となっている。いま運転が継続され、最下段のリングバッファ８１Ａへの履歴データの記録が一巡したとき、最下段の圧縮機構８１Ｃを使用して、リングバッファ８１Ａに記録されている履歴データ全体を圧縮して１つの値とし、２段目のリングバッファ８２Ａに記録する。ここでも圧縮した個々の履歴データをリングバッファ８２Ａのどのアドレスに記録したかは、カウンター８２Ｂにより検出が可能である。尚、圧縮の演算方式としては、例えば平均値演算を用いる。
【００３０】
更に運転が継続され、２段目のリングバッファ８２Ａへの圧縮した履歴データの記録が一巡したとき、２段目の圧縮機構８２Ｃを使用して、リングバッファ８２Ａに記録されている圧縮データを更に圧縮して１つの値とし、３段目のリングバッファ８３Ａに記録する。
【００３１】
以上のような構成にすると、各リングバッファの容量を履歴データ１００個分とし、最下段のリングバッファのサンプリング間隔を１ミリ秒とすれば、２段目のリングバッファのサンプリング間隔は１００ミリ秒間隔となり、３段目ではこれが１０秒間隔となる。このときのトレースバック波形の例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示したように、リングバッファ８１Ａの履歴データを再生したトレースバック波形は、短時間の詳細な履歴を示し、逆にリングバッファ８３Ａの２回のデータ圧縮を行った履歴データを再生したトレースバック波形は１０秒間隔の大まかなものとなる。
【００３２】
従って、例えば鉄鋼の圧延システムで使われる電動機制御装置に本発明を適用した場合を考えると、１ミリ秒間隔の領域では、半導体素子の電流変化などの細かな情報が得られ、１００ミリ秒間隔の領域では圧延パターンに関する情報が得られ、１０秒間隔の領域では過去の圧延回数に関する情報が得られる。
【００３３】
尚、カウンター８１Ｂ、８２Ｂ及び８３Ｂ、並びに圧縮機構８１Ｃ、８２Ｃの機能は、個別に設けたハードウエアで実現しても良いし、プロセッサ７の機能に含めても良い。圧縮演算はかなり大きなタスクとなるので、圧縮機構８１Ｃ、８２Ｃをプロセッサ７の機能に含める場合は、例えば、圧縮機構８１Ｃの圧縮演算と圧縮機構８２Ｃの圧縮演算のタイミングが同時にならないようにタイミング制御することが重要となる。このタイミング制御は、予め各リングバッファが満杯となるタイミングが分かっているので、圧縮のタイミングが重なると想定されたとき、何れの圧縮演算のタイミングを遅れさせるような簡単なもので良い。前述したようにプロセッサ７が制御回路４のプロセッサを兼ねている場合は尚更上記タイミング制御が重要となる。
【００３４】
以上説明したように、リングバッファを用いた構成とし、履歴データへの記録が一巡する毎にデータ圧縮を行うという比較的簡単な手法を用いて、限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
（第３の実施の形態）
以下に本発明の第３の実施の形態に係る監視装置について図４を参照して説明する。図４は、本発明の第３の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮演算動作の説明図である。
【００３６】
図４に示したように、圧縮の対象となる履歴データの中から、最大値と最小値を演算抽出し、これらのデータを圧縮値の付加情報として次段のメモリ領域に記録する。これにより、次段のメモリ領域は若干増えるが、例えば過電圧による絶縁破壊に関係する情報を、圧縮により埋没されること無く得ることが可能となる。尚、図４の圧縮値としては通常は平均値を用いるが、実効値を用いても良い。実効値を用いれば、圧縮後の値においても電動機制御装置１内の熱的なストレスに関する情報を得ることが可能となる。
【００３７】
更に、圧縮機構が行う圧縮演算に、座標変換を併用することも考えられる。例えば圧縮対象履歴データが単純な正弦波の交流値の場合、この平均値を計算すると、中心の値である零が解として得られるだけで意味が無い。そこで、例えばこの正弦波を振幅、周波数及び位相の情報に変換して圧縮する。これにより、圧縮後の値においても交流値の特徴を捉えることが可能となる。
【００３８】
また、圧縮機構が行う圧縮演算に、変化率計算を併用することも考えられる。例えば圧縮対象履歴データが鋸歯状波の場合、この平均値を演算により求めても意味が無いことが多い。一方、鋸歯状波の斜行部は変化率がほぼ一定となっているので、この変化率を予め定めたアルゴリズムによって計算した上で圧縮する。このようにすれば、例えば電動機制御装置１の制御回路４内のＣＰＵにおけるタスク実行回数のように、連続して値が上昇し最大値でオーバーラップするような波形であっても、その特徴を捉えて圧縮することが可能となる。
【００３９】
以上本発明の第３の実施の形態に係る監視装置によれば、圧縮対象履歴データの特徴に応じた圧縮演算を採用するので、効率的な監視装置を提供することができる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
以下に本発明の第４の実施の形態に係る監視装置について図５を参照して説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮処理動作の説明図である。
【００４１】
この第４の実施の形態では、図５に示したように、前段のリングバッファ８１Ａへの記録が一巡した時点のほかに、プロセッサ７からの圧縮機構８１Ｃへの圧縮指令により、任意の時点で圧縮機構８１Ｃを働かせて、次段への圧縮データの格納を行うことができるように構成する。これにより、複数個の状態信号の履歴データを並行して記録するときの圧縮処理の負荷分散が可能となる。例としてｎ個の状態信号の履歴データを並行記録する電動機制御装置１を考えると、全てのリングバッファの容量が同じなら、ｎ個のリングバッファが皆同時に記録が一巡する時点を迎える。これはすなわちｎ個分の圧縮処理が同時に起動されることを意味し、特に制御回路４内のＣＰＵがプロセッサ７を兼ねているような場合には電動機制御装置１の運転に支障をきたすほどの負荷となる場合が考えられる。
【００４２】
そこで、例えば各リングバッファへの履歴データの記録が最初の一週目を迎える以前に、それぞれ異なるタイミングで圧縮指令を発して、圧縮処理の起動タイミングを分散する。これにより、電動機制御装置１内のプロセッサ７或いは制御回路４内のＣＰＵへのデータ処理要求頻度を低く抑えることが可能となる。圧縮処理の対象となるデータ数は、カウンター８１Ｂより得ることができる。また、リングバッファへの記録が一巡したことを検出する位置を、圧縮指令を受け付けた時点のリングバッファ記録位置とすることにより、以後は初回と同じ上記分散処理の時間差を維持することができる。尚、本実施の形態では圧縮指令が出されるタイミングが状態信号の種類ごとに異なるので、記録された履歴データをトレースバック波形として再生表示する際には、この分散の時間差を考慮する必要がある。
【００４３】
このようにすれば、プロセッサ７或いは制御回路４内のＣＰＵの状態信号毎の圧縮演算処理のタイミングを分散できるので、効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、過去に遡るほど記録の時間間隔を間引くように構成したので、限られたメモリ容量で、故障発生時の近傍での短い時間間隔による記録と、長時間の緩やかな記録とを両立させる効率的な監視装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る監視装置及びこれを用いた電力変換装置のブロック構成図。
【図２】データ圧縮原理の説明図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮動作の説明図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮演算動作の説明図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る監視装置のデータ圧縮動作の説明図。
【符号の説明】
１ 電動機制御装置
２ 交流電動機
３ コンバータ／インバータ
４ 制御回路
５ 監視装置
６ 入出力部
７ プロセッサ
８ 記憶部
８１、８２、８３、８１Ａ、８２Ａ、８２Ｃ 履歴データ用メモリ
８１Ｂ、８２Ｂ、８３Ｂ カウンター
８１Ｃ、８２Ｃ、８３Ｃ 圧縮機構
９ プロセスコントローラ

Claims (10)

1. 監視対象機器から時系列に入力される複数の状態信号を受信する手段と、
   この受信手段で受信した前記状態信号を所定の時間履歴データとして記憶する記憶手段と、
   前記履歴データを圧縮処理するデータ圧縮手段と、
   前記監視対象機器から故障信号を受信して所定の時間経過後、前記履歴データを再生して表示用トレンドデータを作成する手段と
   から構成され、
   前記記憶手段はｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されたメモリ領域を有し、
   ｎ番目のメモリ領域はｎ−１番目のメモリ領域に記憶した履歴データを、前記データ圧縮手段により圧縮した履歴データとして記憶させるようにしたことを特徴とする監視装置。
2. 前記データ圧縮手段は、前記ｎ−１番目のメモリ領域の履歴データが所定の量記録される度に、この所定の量の履歴データを１個または複数個の履歴データに圧縮演算した結果を、前記ｎ番目のメモリ領域の履歴データとするようにしたことを特徴とする請求項１記載の監視装置。
3. 前記メモリ領域にリングバッファを適用したことを特徴とする請求項１記載の監視装置。
4. 前記圧縮演算は、前記所定の量の履歴データの平均値、最大値、最小値及び実効値の少なくとも１つを演算するようにしたことを特徴とする請求項２記載の監視装置。
5. 前記圧縮演算には、前記所定の量の履歴データの座標変換演算が含まれることを特徴とする請求項２記載の監視装置。
6. 前記座標変換演算は、前記所定の量の履歴データを交流情報データと見たときの振幅、周波数及び位相のすくなくとも１つを演算することを特徴とする請求項５記載の監視装置。
7. 前記座標変換演算には、前記所定の量の履歴データの変化率を演算することが含まれることを特徴とする請求項２記載の監視装置。
8. 前記データ圧縮手段は、前記複数のメモリ領域間のデータ圧縮処理が集中しないように、演算タイミングを分散させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の監視装置。
9. 前記データ圧縮手段は、前記複数の状態信号間のデータ圧縮処理が集中しないように、演算タイミングを分散させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の監視装置。
10. 交流または直流を他の周波数または電圧に変換するコンバータ／インバータと、
    前記コンバータ／インバータを制御する制御手段と、
    前記コンバータ／インバータを監視する監視装置と
    から構成され、
    前記監視装置は、前記制御手段から時系列に入力される複数の状態信号を受信する手段と、
    この受信手段で受信した前記状態信号を所定の時間履歴データとして記憶する記憶手段と、
    前記履歴データを圧縮処理するデータ圧縮手段と、
    前記監視対象機器から故障信号を受信して所定の時間経過後、前記履歴データを再生して、表示用トレンドデータを作成する手段と
    を具備し、
    前記記憶手段はｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されたメモリ領域を有し、
    ｎ番目のメモリ領域はｎ−１番目のメモリ領域に記憶した履歴データを、前記データ圧縮手段により圧縮した履歴データとして記憶させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。

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