JP2005141439A - 運転監視システム及びセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】
運転監視システムにおいて、センサとデータ取得装置の間の配線を不要とするとともに、センサ部の電池を不要にする。
【解決手段】
運転監視システムは、対象機器に取り付けるセンサ１と、このセンサとの間で信号を授受する診断装置２１と、この診断装置に接続された上位計算機４０とを備える。センサは対象機器から放出されるエネルギを利用して発電する自己発電モジュール２と、発電した電力を蓄電する蓄電モジュール３と、対象機器の物理量を計測する計測手段４と、計測手段が計測した物理量の信号を蓄電モジュールに蓄電された電力を用いて演算する演算モジュール５と、演算結果を保持するメモリ６と、演算モジュールが演算した結果を無線発信する通信モジュール７とを有する。診断装置は、センサから送信されたデータを受信する通信モジュール２８と、受信データを保持するメモリ２４と、受信したデータを基準値と比較する演算モジュール２２とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は運転監視システム及びそれに用いるセンサに係り、特に、発電プラントや産業機械、車両などの遠隔運転を監視するのに好適な運転監視システム及びそれに用いるセンサに関する。

運転監視システムは多くの分野で利用されている。例えば、宇宙空間や真空環境等の極限環境ではスリップリングを使用している。この例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のスリップリングは、軸受部分に設けた移動式電気接点端子であり、固定子と回転軸に取り付けられた回転子とを有している。固定子と回転子の間にはブラシが取付けられており、電力を含む信号を送受する。

他の運転監視システムの例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の運転監視システムでは、テレメータを用いて被測定体から遠く離れた場所で測定データを受信し、この測定データをもとに被測定体の変位量を計測している。その際、タービンロータの複数の測定部位にリニアゲージが組み込まれた計測用無線データ通信機を設置し、無線式トリガースイッチで所望の順序でトリガーをかけ、送信された測定データをリアルタイムで読み取り、パソコンで演算処理している。

テレメータを用いる運転監視の他の例が、特許文献３に記載されている。この公報では、回転体を逐次停止することなく複数点の歪データを検出するために、歪データをマルチプレクサに集め、スイッチングコントローラで信号を選択し、テレメータでコンピュータに送信している。

監視装置に用いるセンサの例が、特許文献４に記載されている。この公報に記載のワイヤレスセンサは、複数のセンサモジュールが計測したデータを受信機に無線で送信する。その際、センサモジュールには固有の識別情報が付されている。信号を受信する管理装置は、信号に含まれる識別情報に基づいて検出して検出情報を分類保管している。

特開平１１−２１４１０８号公報

特開２００２−５６４６号公報 特開平８−２１０９２９号公報 特開２００３−５８９７６号公報

上記特許文献１に記載のスリップリングを運転監視システムに用いると、スリップリングは１接点当たり１個の電気信号しか伝えることができないので、測定点１点毎に配線が必要となる。この場合、測定点が増えると配線の取り回しが複雑になるとともに、１個の機器で計測できる点数が少ないという不具合を生じる。その結果、配線が傷ついたり劣化して、故障を発生するおそれがある。発電機器のように大型の機器では、測定位置と監視位置が離れているので配線取り回し距離が長くなり、配線自体がアンテナと作用してデータ計測時のノイズ源となるおそれがある。

特許文献２ないし特許文献４に記載のテレメータやワイヤレスセンサを用いた運転監視システムでは配線は不要となる。しかしながら、テレメータやワイヤレスセンサに電力を供給する電源として電池を使用しているので、電池の交換が必要であり長期間の計測に不向きである。また、電池の交換に手間を要する。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は運転監視システムにおいて、センサとデータ取得装置の間の配線を不要とするとともに、センサ部の電池を不要にすることにある。本発明の他の目的は、遠隔地から機器の運転監視を容易に行えるようにすることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、測定対象機器に取り付けられ物理量を測定するセンサと、このセンサとの間で信号を授受する診断装置と、診断装置に接続され診断装置が判断した結果を表示する表示手段を有する上位計算機とを備え、センサは取り付けられた測定対象機器から放出されるエネルギにより発電し、この発電した電力を用いて測定対象機器の物理量を測定するとともに診断装置との間で信号を授受するものである。

そしてこの特徴において好ましくは、診断装置は、自己発電能力を有する複数のセンサとの間で信号を授受するものであり、また好ましくは、センサはアンテナを有し、このアンテナから送信された信号を受信する自己発電能力を有する中継手段を介して診断装置とセンサとの間で信号授受するものである。

上記特徴において、測定対象がガスタービン発電プラントであり、センサをガスタービンの動翼に、中継手段をガスタービンの静止部に取り付けるようにしてもよく、測定対象が配管であり、センサを配管の外周部に取り付け、このセンサを配管内部を流れる作動流体の振動エネルギで発電するようにしてもよい。また、測定対象機器の起動時及び停止時にはセンサによる計測周期を短くし、定常運転時にはセンサによる計測周期を起動時及び停止時よりも長くし、定常運転時の計測していないときのセンサの発電量で起動時及び停止時の電力を賄うようにしてもよい。さらに、センサで発電した電力を蓄電する蓄電手段を有することが好ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、運転を監視する対象機器に取り付けられたセンサと、このセンサとの間で信号を授受する診断装置と、この診断装置に接続された上位計算機とを備え、前記センサは対象機器から放出されるエネルギを利用して発電する自己発電モジュールと、発電した電力を蓄電する蓄電モジュールと、対象機器の物理量を計測する計測手段と、計測手段が計測した物理量の信号を蓄電モジュールに蓄電された電力を用いて演算する第１の演算モジュールと、演算結果を保持するメモリと、第１の演算モジュールが演算した結果を無線発信するセンサ側通信モジュールとを有し、診断装置は、センサから送信されたデータを無線で受信する診断装置側通信モジュールと、受信データと予め定めた基準値とを保持するメモリと、受信したデータを基準値と比較する第２の演算モジュールとを有するものである。

そしてこの特徴において、センサを複数有し、この複数のセンサを１台の診断装置に有線または無線で接続し、センサの少なくとも１個が他のセンサからのデータを受信し、受信したデータをさらに他のセンサまたは診断装置に送信するようにしてもよい。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、運転を監視する対象機器に取り付けられるセンサであって、対象機器から放出されるエネルギを利用して発電する自己発電モジュールと、発電した電力を蓄電する蓄電モジュールと、対象機器の物理量を計測する計測手段と、計測手段が計測した物理量の信号を蓄電モジュールに蓄電された電力を用いて演算する演算モジュールと、演算結果を保持するメモリと、演算モジュールが演算した結果を無線発信する通信モジュールとを有し、演算モジュールは蓄電モジュールの蓄電量を計測し予めメモリに記憶された値と比較し、比較した結果に基づいて計測手段の計測開始時期と計測間隔と計測終了時とを判断し、メモリは予め基準となる蓄電量と計測開始時期と計測間隔と計測終了時期と、他のセンサまたは診断装置へデータを送信する基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを記憶しており、通信モジュールは他のセンサまたは診断装置へデータを送信するときはメモリに記憶された基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを用いて送信するものである。

この特徴において、メモリは、このメモリに記憶した基準となる蓄電量と計測開始時期と計測間隔と計測終了時期と、他のセンサまたは診断装置へデータを送信する基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを、診断装置から無線送信で更新可能であるのがよく、メモリには予め対象機器の計測基準となる物理量が記憶されており、センサが計測した対象機器の物理量と記憶された基準値とを比較し、その偏差が所定偏差以上であれば計測手段の計測間隔とデータ送信の送信間隔をそれ以前より短くするのがよい。

以下に詳述するように本発明によれば、運転監視システムに用いるセンサが発電能力を有するので、回転機械や配線が困難な機器においても多点同時計測が可能となり、利便性と信頼性が向上する。また、電池が不要なので、計測機器を小型化できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明に係る運転監視システムの一実施例のブロック図を示す。運転監視する対象の機器(被測定体)に取り付けるセンサ１は内部に、電源として作用する自己発電モジュール２、自己発電モジュール２で発電した電力を蓄える蓄電モジュール３、センサ機能を有する検出手段４、検出手段が検出したデータを演算する演算モジュール５、検出データや演算結果を記憶するメモリ６、検出データまたは演算結果を外部機器に送信する通信モジュール７、データの送受信のためのアンテナ８を有している。

自己発電モジュール２は、被測定体から放出される各種エネルギをエネルギ変換して発電しており、発電原理としては光発電や温度差発電、微小振動発電を利用する。大型の機器や戸外に置かれた機器等では、太陽電池による光発電を利用できる。光発電では、１ｃｍ^２当たり６〜１５０００μＷの電力を発電可能である。発熱体を有する機器では、ゼーベック効果を用いる温度差発電を利用できる。温度差発電では、２種の金属を接合し、各金属に異なる温度を供給している。温度差発電では、１ｃｍ^２当たり１０μＷの電力を発電できる。振動する機器では、これまであまり利用されていない振動エネルギを利用して発電することもできる。振動エネルギを利用する微小振動発電では、コンデンサが振動により容量変化するのを利用して発電している。微小振動発電では、１ｃｍ^２当たり１０〜８０μＷの電力を発電できる。

自己発電モジュール２が発電する電力量を、検出手段４が検出する物理量(被測定量)の計測間隔や通信モジュール７が通信する通信間隔が長くても、蓄電モジュール３の最大蓄電量以下に定める。検出手段４は、機器の健全性の指標となる物理量を計測する。この物理量としては、温度やひずみ、圧力、変位、加速度、流量、放射線量、ガス成分等を用いる。計測に要する電力を、蓄電モジュール３から供給する。計測したデータは、演算モジュール５からメモリ６に送信される。計測のタイミングは、演算モジュール５からの信号により決定される。

演算モジュール５は、センサ１内の各モジュール２、３、５、７を制御し、後述する演算を実行する。例えば、蓄電モジュール３に実際に蓄電されている蓄電量を予めメモリ６に記憶されている蓄電量と比較し、蓄電モジュール３に蓄電された蓄電量がデータの計測からメモリへの入力までに要する電力量を満足しないときには、計測しないように判断する。蓄電量が十分であれば、検出手段４が物理量を計測し、計測したデータを演算モジュール５が演算処理し、結果をメモリ６に保存するよう指令する。演算モジュール５は、通信タイミングも判断する。蓄電モジュール３に蓄電された電力量が、通信モジュール７からデータを無線通信するのに十分であればデータを送信し、蓄電量が少なければ通信しない。演算モジュール５では、メモリ６に予め記憶されている各種物理量についての運転中の基準値と、計測した物理量とを比較演算し、異常の有無を判断する。

センサ１からの情報を中継するために、中継センサ１１が設けられている。中継センサ８は、センサ１からの情報を演算処理して診断装置２１および上位計算機４０に送信する。中継センサ１１はセンサ１と同様の構成である。すなわち中継センサ１１は、中継センサに電力を供給する自己発電モジュール１２と、自己発電モジュール１２が発電した電力を蓄える蓄電モジュール１３と、蓄電量を検出する検出手段１４と、各種データを記憶するメモリ１３と、検出手段が検出した蓄電量をメモリに記憶された基準値と比較する演算モジュールと、センサ１から送信されたデータと上位計算機４０から送信されたデータとをアンテナ１８を介して受信し、上位計算機４０またはセンサ１に送信する通信モジュールとを有する。センサ１と診断装置２１の距離が遠くてセンサ１と診断装置２１間で直接通信が出来ないとき、または通信品質が良くないときに、中継センサ１１を用いる。センサ１と診断装置２１の距離が非常に遠いときは、センサ１と診断装置２１の間に複数の中継センサ１１を介在させる。

センサ１と中継センサ１１からアンテナ２７を介して送信されたデータを、データ処理するために診断装置２１が設けられている。診断装置２１は、各種演算および制御する演算モジュール２２と、演算モジュール２２の演算結果を中継センサ１１またはセンサ１に送信する通信モジュール２３と、各種データを記憶するメモリ２４と、演算結果または送信されたデータ等を表示する表示装置２５と、診断装置２１内の各モジュール２２〜２５に電力を供給する電源モジュール２６とを有する。

演算モジュール２２は、診断装置２１内の各モジュール２３、２４、２６を制御する。診断装置２１は、センサ１および中継センサ１１と異なり、電源モジュール２６を有する。自己発電モジュール２、１２の発電容量は小さく、これらと同様の自己発電モジュールを診断装置２１に用いると、電力不足が生じる。そこで本実施例では、最も遠隔側にあり商用電源を利用可能な診断装置２１に、商用電源８０に接続された電源モジュール２６を配置している。これにより、多くのセンサ１、１、…から受信したデータを演算処理できる。表示装置２５は、センサ１、１、…から送信されたデータや演算結果を表示する。上位計算機４０は、センサ１、中継センサ１１および診断装置２１を制御し、計測した物理量を演算処理する。

なお、上記実施例に記載の運転監視システムでは、センサ１が検出した物理量を演算処理して中継センサ１１へ、次いで診断装置２１とシリーズに無線接続しているが、１台の診断装置２１に対して、複数のセンサ１、１、…を接続した１対多点システムでもよい。

図２ないし図７を用いて、上記運転監視装置に用いるセンサの具体的例を説明する。図２に、微小振動発電型のセンサの発電原理を示す。発電装置４６は、可変コンデンサ５０と、このコンデンサに接続された第１のスイッチ５１ａとコンデンサ５３と、可変コンデンサ５０と第１のスイッチ５１ａを並列接続するコイル５２と接続線５４と、コンデンサ５３を接地する接地点５６ａと、第１のスイッチに接続された第２のスイッチ５１ｂと、第２のスイッチ５１ｂを接地する接地点５６ｂと、一方が電力取出し線５７に接続され、他方が可変コンデンサ５０とコンデンサ５３間に接続された整流充電器５５とを有する。

図２の右上部に詳細を示すように、可変コンデンサ５０は、振動子である電極５８と、段付き部を有する電極６１と、電極５８、６１を接続する板ばね５９とを有する。電極５８は振動により、電荷注入位置６０である下側と元の位置である上側間で揺れ動く。これにより、電極５８に電荷の注入と取出しが繰返される。取出された電荷は、整流充電器５５が整流して電力として取出される。このときの発電量は、振動の振幅と周波数にほぼ比例する。

図３を用いて、図１に示した運転監視システムに用いるセンサ１の他の例を説明する。このセンサは、温度差発電を利用する。２種類の導体７１と導体７２を、接点７３と接点７４で接続する。接点７３の温度がｔ１、接点７４の温度ｔ２である。これらの温度ｔ１、ｔ２が互いに異なると、導体７１と導体７２の間に起電力E１が生じ、導体７１、７２に電流が流れる。熱起電力の大きさは、２本の導体７１、７２の種類と両接点の温度によって定まる。

次に、実際の機器に上述したセンサのいずれかを取り付け、運転監視する様子を図４〜図６を用いて説明する。図４に、運転監視システムを回転機に適用した例を示す。回転機本体１０１は、ステータ１０２およびロータ１０３を有する。ロータ１０３を支持する軸受１０５がロータ１０３の両端部に配置されている。回転機には、圧縮機や発電機等の接続機器１０６が接続されている。

回転機１０１の回転軸１０４には、上記いずれかのセンサ１１１が取り付けられている。ロータ１０３にはセンサ１１４、１１６が、ステータ１０２には中継装置兼用のセンサ１１３、１１５が取り付けられている。回転軸１０４に取り付けたセンサ１１１と中継装置兼用のセンサ(中継センサ)１１３の情報は、診断装置１１２に無線で送信される。診断装置１１２は、上位計算機１１８に接続線１１７で接続されている。さらに、中継装置兼用のセンサ(中継センサ)１１５は診断装置を介することなく、直接上位計算機１１８に接続線１１７で接続されている。

本実施例では、３種類の運転監視システムが並存している。すなわち、（１）センサ１１１と、センサ１１１情報を無線で受信する診断装置１１２と、診断装置１１２の情報を有線１１７で受信する上位コンピュータ１１７を備えた運転監視システム、（２）ロータ１０３側のセンサ１１４と、センサ１１４の情報を無線で受信する中継センサ１１３と、中継センサ１１３の情報を無線で受信する診断装置１１２と、診断装置１１２の情報を有線１１７で受信する上位計算機１１７を備えた運転監視システム、（３）ロータ１０３に取り付けたセンサ１１６と、センサ１１６の情報を無線で受信する中継センサ１１５と、中継センサ１１５の情報を有線１１７で受信する上位計算機１１７を備えた運転監視システムである。

（１）のシステムでは、中継センサを省いている。これは、センサ１１１が露出している場合に好適である。(２)のシステムは、ロータ１０３内部のように、測定位置が機器の内部であって、センサ１１４の情報を直接外部に取り出すのが困難な場合に好適である。一旦中継センサ１１３にデータを送信し、中継センサ１１３から診断装置１１２に無線データ送信して、運転状態を監視する。（３）のシステムは、回転機１０１から上位計算機１１８まで接続線１１７を引くことが容易な場合に好適である。特に小型の機器の場合には、上位計算機が診断装置を兼ねることができ、装置全体の小型化が可能になる。なお本実施例では説明を容易にするため、３種類の運転換システムを並存させているがこれらは１種類のみでも使用できることは言うまでもない。また、センサと中継センサ、診断装置、上位コンピュータの組み合わせは、装置の規模や構成、要求される計測間隔などにより随時変更可能である。

図５〜図７に、配管に運転監視システムを適用した例を示す。配管部は、断面で示している。配管１３１外周の軸方向に沿って、センサ１３３と中継センサ１３４〜１３７を設置する。診断装置１３８も、配管１３１の外周部に設置する。診断装置１３８は接続線１３９を介して上位計算機１４０に接続されている。本実施例は、診断装置１３８と上位計算機が比較的近い位置にある場合、または障害物等により距離の長い無線通信が困難な場合に好適である。

診断装置１３８から離れた場所に位置するセンサ１３３で計測されたデータは多数の中継センサ１３４〜１３７を順次介して診断装置１３８に送信される。診断装置１３８に近ずくほど中継センサ１３７へのデータの無線送受信量が多くなる。そこで、データの計測周期および送信周期を、診断装置１３８に近い中継センサ１３７の発電電力量と運転監視システム１００の構成とから定める。

図６に、運転監視システムを配管に適用した他の例を示す。配管１３１外周の軸方向に沿って、多数のセンサ１４３〜１４８を設置する。各センサ１４３〜１４８で計測したデータを、各センサ１４３〜１４８から直接診断装置１４９に送信する。診断装置１４９は、接続線１５０を介して上位計算機１５１に接続されている。設置するセンサの数が多くデータ量が多過ぎて中継センサを使用できないときであって、センサからの有効無線通信範囲に診断装置を設置できる場合に好適である。なお、図５に示した方法と本図に示した方法を組み合わせてもよい。

図６に示した配管における運転監視システムにおけるセンサの具体的配置を、図７を用いて説明する。配管１４１の直管部１６２において、円周方向に９０度ずつ位置を変えてセンサ１６４〜１７１を設置する。配管１４１の内部には作動流体が流れており、この作動流体の流動により振動を発生する。この振動エネルギを利用する。配管１４１の外部にセンサを設置して、光発電を利用することもできる。センサ１６４〜１７１が計測したデータは、診断装置１５１に無線送信される。運転監視システムの運用中、センサ１６４〜１７１が振動や温度を監視したら、配管１４１の健全性評価指針となるき裂の発生や劣化状態を検出することができる。

発電用プラント２０１に遠隔運転監視システムを適用した例を、図８〜図１０を用いて説明する。図１０は、遠隔運転監視システムのブロック図である。プラント２０１は、圧縮機２０２、および燃焼器２０３、タービン２０４、発電機２０５、２０８、再熱熱交換器２０６、排熱タービン２０７、熱交換器２０９を有する。各機器２０２〜２０９の診断対象部品には、それぞれセンサ２０２ａ〜２０９ａが取り付けられている。各センサ２０２ａ〜２０９ａから無線通信が可能な範囲に、中継装置２０２ｂ〜２０９ｂが設置されている。中継装置２０２ｂ〜２０９ｂは、接続線２１０を介して上位計算機２１１に接続されている。

上位計算機２１１は、プラント側通信装置２１２、インターネットまたは専用線通信回線ネットワーク２１３、遠隔診断装置側通信装置２１４を介して機器管理装置２１５に接続されている。機器管理装置２１５は複数台の計算機を有する。図８に、その一例を示す。機器管理装置２１５は、解析サーバ２１６、ＷＷＷ（ワールド・ワイド・ウエブ）サーバ２１９、ＷＷＷブラウザ２２０、２２１とＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）２２２を有する。機器管理装置２１５は、クライアントサーバシステムを形成する。クライアントサーバシステムは複数の計算機を有し、サーバ機能とクライアント機能に分かれてネットワークシステムを構成する。

解析サーバ２１６内には損傷に関するデータベース２１７と損傷に関する知識ベース２１８が格納されている。図８では、機器管理装置２１５は解析サーバ２１６、ＷＷＷサーバ２１９、ＷＷＷブラウザ２２０、２２１の４台の計算機で構成しているが、接続する計算機の数は必要に応じて増減して良い。解析サーバ２１６、ＷＷＷサーバ２１９、ＷＷＷブラウザ２２１、２２２の設置場所は一個所にする必要はなく、例えば研究部所、保守保全（計画）部署、設計部署などに分散して設置してもよい。ガスタービン発電設備２０１の状態の正常、異常にかかわらず、運転監視装置２１１から送信された各種のセンサ情報と運転情報は、機器管理装置２１５内に設けられた解析サーバ２１７に送られ、解析サーバ２１７内のデータベース２１８に格納される。

ガスタービン機器２０１に取り付けたセンサ２０２ａ〜２０９ａの情報と運転情報、及び解析サーバ２１６内で解析処理された各種の情報は、機器管理装置１５に設けた計算機を用いて閲覧および検索、処理が可能となる。例えば、研究部所では解析サーバ２１６を用いて解析されたデータに基づいて、機器の診断結果を評価することができる。保守保全（計画）部署では、解析サーバ２１６を用いて解析されたデータに基づいて、対象とする機器の保守保全計画を立案することができる。設計部署では、解析サーバ１６を用いて解析されたデータを、機器の設計開発支援などに用いることができる。

解析サーバ２１６が運転監視装置２１１からの情報を受け取ると、解析サーバ２１６内の演算処理部がデータベース１７にアクセスし、機器の現在までの運転情報を呼び出す。また、解析サーバ２１６は、現在の運転情報とセンサ２０２ａ〜２０９ａの情報を用いてガスタービン発電設備１を構成する機器の損傷と寿命を診断する。なお、診断対象は１台のガスタービン発電設備に限るものではなく、ガスタービン発電設備２３を複数有する場合にも拡張可能である。

図８に示した運転監視システムに用いるセンサ２０４ａの詳細を、図９に示す。センサは、タービン２０４の動翼１８１に設置されている。タービン動翼１８１は、高速回転している。タービン２０４に流入した作動ガスは、タービン動翼１８１の圧力面と負圧面に分かれて流れる。その際に、動翼１８１は振動する。そこで、この振動エネルギをセンサ２０４ａの駆動力および動翼１８１の監視に利用する。なお、タービン動翼１８１の表面は一様温度では無く温度分布があるから、温度差発電を利用してもよい。

センサ１８２〜１８５は動翼１８１の表面に貼付されている。タービン動翼１８１の内部に冷却用空気の穴が１８６のように形成されているときは、センサ１８７〜１８７を冷却空気用穴１８６の表面に貼付することができる。タービン動翼１８１は図示しないケーシング内で回転しているので、中継装置２０４ｂを無線通信の可能なケーシング内に設置する。センサ１８２〜１８７を用いてタービン動翼１８１の振動、または温度やひずみを監視すれば、タービン動翼１８１の健全性評価指針となるき裂の発生や劣化状態を検出することができる。

図１０に、プラント２０１の運転モードとセンサ２０２ａ〜２０９ａの動作モードの関係を示す。プラント２０１は、起動と定常と遮断運転を頻繁に繰り返す。発電プラントの場合、原子力発電では定常運転が数ヶ月継続するが、火力発電では毎日、起動、定常、遮断を繰返す。プラント２０１が運転を休止している２５０ときには、データを計測する必要はない。起動運転２５１と遮断運転２５３時に、詳細なデータ計測が必要である。定常運転２５２であっても、定期的にデータを計測する必要がある。したがって、プラント２０１の運転モードに合わせて、センサ２０２ａ〜２０９ａの動作モードを決定する。

センサ２０２ａ〜２０９ａの電力には、被測定体のエネルギを自己発電して用いる。プラント２０１の運転中には被測定体の温度が上昇するので、プラント２０１の静止部には温度差発電を利用する。プラント２０１中の回転機の部分では、微小振動発電を利用する。このように設定した本実施例のプラント２０１では、センサ２０２ａ〜２０９ａの動作モードを、プラント２０１の運転モードに図１０に示したように対応付ける。

すなわち、プラント２０１の休止中２５０は、センサ２０２ａ〜２０９ａの動作も停止２５４する。プラント２０１が起動２５１するときまたは遮断２５３するときは、詳細なデータが必要となるので、センサ２０２ａ〜２０９ａを計測モード２５５に設定する。このときセンサ２０２ａ〜２０９ａが使用する電力量は、センサ２０２ａ〜２０９ａそれぞれの発電量を上回ってもよい。プラント２０１が定常運転２５２のときは、予め設定した間隔で計測し計測時以外は充電する計測・充電モードに、センサ２０２ａ〜２０９ａを設定する。この場合、データの定期的な計測は必要となるが、詳細な計測は不要である。そこで計測間隔を長くする。このときのセンサ２０２ａ〜２０９ａの使用電力量を、必ず各センサ２０２ａ〜２０９ａの発電量以下とする。

常にセンサ２０２ａ〜２０９ａが正常動作するためには、プラント２０１の定常運転２５２時にセンサ２０２ａ〜２０９ａが発電する発電量が、プラント２０１の起動２５１および遮断２５３におけるセンサ２０２ａ〜２０９ａの計測に必要な電力量と、定常運転２５２時におけるセンサ２０２ａ〜２０９ａの定期的な計測に必要な電力量と、センサ２０２ａ〜２０９ａと中継装置２０２ｂ〜２０９ｂとの間の通信に要する電力量との和以上でなければならない。したがって、センサ２０２ａ〜２０９ａのデータ計測周期と送信周期は、各センサ２０２ａ〜２０９ａの発電量から決定される。

図１１〜図１３に、センサの具体的な構成例を示す。図１１は、パッケージ型モジュール３０２を中心に、ほぼ点対称に形成したセンサの例である。センサ本体３０１の中心にパッケージ型モジュール３０２を配置し、その両側に歪ゲージ３０３を、歪ゲージ３０３の上下方向に隣り合って熱電対３０４を配置し、Ｌ字型に形成されたアンテナを一方の熱電対３０４に隣り合わせている。パッケージ型モジュール３０２は、自己発電モジュールと蓄電モジュールと演算モジュールとメモリと通信モジュールを組み合わせている。２本の熱電対３０４とパッケージ型モジュール３０２の間に温度差が生じると、温度差で発電する。歪ゲージ３０３は、２方向ゲージである。

図１２に、センサの他の構成例を示す。センサ３１０は、自己発電モジュール３１１と、蓄電モジュール３１２と、演算モジュール３１３と、メモリ３１４と、ひずみゲージ３１５と、通信モジュール３１６と、アンテナ３１７とを実装している。このセンサ３１０は、２方向の歪だけ計測する。図１３に、センサのさらに他の構成例を示す。センサ３２０は、自己発電モジュール３２１と、蓄電モジュール３２２と、演算モジュール３２３と、メモリ３２４と、ひずみゲージ３２５と、熱電対３２６、３２７と、通信モジュール３２８と、アンテナ３２９を実装している。このセンサ３２０は、２箇所の温度と１方向の歪を計測する。

図１１〜図１３に示したセンサ３０１、３１０、３２０を被測定体に取り付けるときは、被測定体の表面に接着する。図１１〜図１３に示したように、センサ３０１、３１０、３２０が備える部品の組み合わせは、計測対象機器や計測する物理量、計測する周期、センサの自己発電量、センサの設置場所、診断装置の設置場所、コストに応じて選定する。

図１４〜図１７に、上位計算機２１５の表示手段２１９に表示される各種データの例を示す。図１４は、設備運転モードと、この設備運転モードに対応付けた物理量Ａ，Ｂの計測結果を表したものである。表示画面３５０には、対象プラント２０１および対象機器３５２、対象部品３５３、現在日時３５４が表示されている。画面３５０上にはプラント２０１の運転時刻歴３５５に対するプラント２０１の出力３５６が表示されている。

画面３５０の下部には、センサ２０２ａ〜２０９ａが計測した物理量３５８、３５９、例えば、温度や歪が表示される。図１４に示すように、プラント２０１の起動時３６１と遮断時３６３には短い周期で物理量を計測し、定常時３６２には起動時および遮断時よりも長い周期で計測する。

図１５に、表示手段２１９に表示された機器の計測結果を、表形式で示す。対象プラント３６５について、現在日時３５４におけるプラント２０１の各部品の測定結果が以下の項目とともに表されている。項目は、機器または部品名３６７、センサ取付部位３６８、取付けたセンサ２０２ａ〜２０９ａの識別番号３６９、計測項目３７０、測定値３７１、単位３７２である。測定値である現在値３７１の部分をハイライト表示すると、遠隔監視者に異常の有無を容易に知らせることができる。

図１６に、センサ２０２ａ〜２０９ａの設定変更に使用する画面３７３を示す。この図１６の画面３７３から、各センサ２０２ａ〜２０９ａの設定を変更できる。センサ２０２ａ〜２０９ａ毎に計測項目３７０が定められており、運転モード３７８にしたがって計測周期３７９が設定される。センサ２０２ａ〜２０９ａの設定を変更するときは、図１６の画面３７３において、修正する運転モード３８１と修正する計測周期３８２とを、設定変更するセンサ３６９について入力する。予めプラント２０１の運転モード３７８が決められており、各センサ２０２ａ〜２０９ａの動作を変更させる必要が無いときは、この画面３７３をスキップする。なお、この画面３７３は、センサ２０２ａ〜２０９ａの初期設定にも利用できる。センサ２０２ａ〜２０９ａの初期設定には、記憶手段２１８に記憶したデータを用いてもよい。

図１７は、プラント２０１の異常判定に用いる表示画面３８４である。プラント２０１を安全に運転するために、プラント２０１の運転の許容範囲を表形式で示している。無線送信するデータ量を少なくするために、センサ２０１ａ〜２０９ａが計測した値の全てを無線送信せずに、許容範囲から外れたときのみ計測値を中継装置２０２ｂ〜２０９ｂまたは上位計算機２１５に直接送信する。あるいは測定した物理量が、前回測定値から所定量以上異なるときに送信する。

異常判定に用いるデータは、センサ３６９毎に定められる。設定項目は、計測項目３７０および運転モード３８９、基準値３９０、上限値３９１、下限値３９２である。プラント２０１が定常状態でないときは、固定値を基準値として採用することが困難であるから、参照欄３９３を設けて関数を設定している。なお本実施例では、計測項目３７０の上限値３９１と下限値３９２とを設定しているが、上限値３９１と下限値３９２の代わりに変動幅を設定してもよい。設定した値を、保存ボタン３８３で保存する。

本実施例によれば、プラント内の各機器に取り付けた複数のセンサが自己発電し、その発電した電力でセンサから中央監視手段にセンサが計測した物理量を送信するので、電源が不要なセンサを実現できる。また、センサと無線で送信できるので、配線を引き回す必要が無く、巨大プラントのような装置が込み入った状態にあるものでは、配線相互の誤配線や配線途中での断線等のおそれがない。

上記各実施例では、配管および発電プラントに監視システムを適用する場合を説明したが、発電プラント以外の機器でも、機器の運転モードに応じて、センサの発電能力を考慮してセンサのデータ計測周期および送信周期などの動作モードを決定するのが好ましい。

本発明に係る運転監視システムの一実施例の模式図。 微小振動発電の発電原理を説明する図。 温度差発電の発電原理を説明する図。 本発明に係る運転監視システムを用いたタービン発電の一実施例の模式図。 本発明に係る運転監視システムを用いた配管の一実施例の模式図。 本発明に係る運転監視システムを用いた配管の他の実施例の模式図。 図６に示した運転監視システムに用いるセンサの取り付け状態を説明する斜視図。 本発明に係る遠隔監視システムの他の実施例のブロック図。 図８に示した運転監視システムに用いるセンサの取り付け状態を説明する斜視図。 図８に示した運転監視システムに用いるセンサの動作を説明するタイムチャート。 図１に示した運転監視システムに用いるセンサの一実施例の正面図。 図１に示した運転監視システムに用いるセンサの他の実施例の正面図。 図１に示した運転監視システムに用いるセンサのさらに他の一実施例の正面図。 本発明に係る運転監視システムにおける表示画面例。 本発明に係る運転監視システムにおける表示画面例 本発明に係る運転監視システムにおける表示画面例。 本発明に係る運転監視システムにおける表示画面例。

符号の説明

１…センサ、２…自己発電モジュール、３…蓄電モジュール、４…検出手段、５…演算モジュール、６…メモリ、７…通信モジュール、８…アンテナ、１１…中継センサ、２１…診断装置、２２…演算モジュール、２３…通信モジュール、２４…メモリ、２５…表示装置、２６…電源モジュール、２７…アンテナ、３０…電源、４０…上位計算機、５０…可変コンデンサ、５１…スイッチ、５２…コイル、５３…コンデンサ、５４…接続線、５５…整流充電器、５６…接地、５７…電力取出し線、５８…電極、５９…板ばね、６０…電荷注入位置、６１…電極、７１、７２…導体、７３、７４…接点、１０１…回転機本体、１０２…ステータ、１０３…ロータ、１０４…回転軸、１０５…軸受、１０６…接続機器、１１１…センサ、１１２…診断装置、１１３…中継装置兼センサ、１１４…センサ、１１５…中継装置兼センサ、１１６…センサ、１１７…通信ケーブル、１１８…上位計算機、１３１…配管、１３２…流体、１３３…センサ、１３４〜１３８…中継装置兼センサ、１３９…通信ケーブル、１４０…上位計算機、１４１…配管、１４２…流体、１４３〜１４８…センサ、１４９…診断装置、１５０…通信ケーブル、１５１…上位計算機、１６４〜１７１…センサ、１８１…タービン翼、１８２、１８６…センサ、２０１…プラント、２０２…圧縮機、２０３…燃焼器、２０４…タービン、２１０…通信線、２１１…上位計算機、２１５…遠隔診断装置、３０１…センサ、３０２…パッケージ型モジュール、３０３…歪ゲージ、３０４…熱電対、３０５…アンテナ、３１０…センサ、３１１…自己発電モジュール、３１２…蓄電モジュール、３１３…演算モジュール、３１４…メモリ、３１５…歪ゲージ、３１６…通信モジュール、３１７…アンテナ、３２０…センサ、３２１…自己発電モジュール、３２２…蓄電モジュール、３２３…演算モジュール、３２４…メモリ、３２５…ひずみゲージ、３２６、３２７…熱電対、３２８…通信モジュール、３２９…アンテナ、３５０…画面、３５２…監視対象機器名、３５３…監視対象部品名、３５４…現在日時、３５６…プラント出力、３５８、３５９…計測データ、３６４…表示画面、３６７…監視対象機器・部品名、３６８…センサ取付部位、３６９…センサ番号、３７０…計測項目、３７１…現在値、３７２…単位、３７３…画面、３７８…運転モード、３７９…計測周期、３８１…修正運転モード、３８２…修正計測周期、３８３…保存ボタン、３８４…設定画面、３９０…基準値、３９１…上限値、３９２…下限値、３９３…参照値。

Claims (12)

1. 測定対象機器に取り付けられ物理量を測定するセンサと、このセンサとの間で信号を授受する診断装置と、診断装置に接続され診断装置が判断した結果を表示する表示手段を有する上位計算機とを備え、前記センサは取り付けられた測定対象機器から放出されるエネルギにより発電し、この発電した電力を用いて測定対象機器の物理量を測定するとともに診断装置との間で信号を授受することを特徴とする運転監視システム。
2. 前記診断装置は、自己発電能力を有する複数の前記センサとの間で信号を授受することを特徴とする請求項１に記載の運転監視システム。
3. 前記センサはアンテナを有し、このアンテナから送信された信号を受信する自己発電能力を有する中継手段を介して前記診断装置と前記センサとの間で信号授受することを特徴とする請求項１に記載の運転監視システム。
4. 測定対象がガスタービン発電プラントであり、前記センサをガスタービンの動翼に、前記中継手段をガスタービンの静止部に取り付けたことを特徴とする請求項４に記載の運転監視システム。
5. 測定対象が配管であり、前記センサは配管の外周部に取り付けられており、このセンサは配管内部を流れる作動流体の振動エネルギにより発電することを特徴とする請求項１に記載の運転監視システム。
6. 測定対象機器の起動時及び停止時には前記センサによる計測周期を短くし、定常運転時には前記センサによる計測周期を起動時及び停止時よりも長くし、定常運転時の計測していないときの前記センサの発電量で起動時及び停止時の電力を賄うことを特徴とする請求項１に記載の運転監視システム。
7. 前記センサがこのセンサで発電した電力を蓄電する蓄電手段を有することを特徴とする請求項６に記載の運転監視システム。
8. 運転を監視する対象機器に取り付けられたセンサと、このセンサとの間で信号を授受する診断装置と、この診断装置に接続された上位計算機とを備え、前記センサは対象機器から放出されるエネルギを利用して発電する自己発電モジュールと、発電した電力を蓄電する蓄電モジュールと、対象機器の物理量を計測する計測手段と、計測手段が計測した物理量の信号を前記蓄電モジュールに蓄電された電力を用いて演算する第１の演算モジュールと、演算結果を保持するメモリと、第１の演算モジュールが演算した結果を無線発信するセンサ側通信モジュールとを有し、前記診断装置は、センサから送信されたデータを無線で受信する診断装置側通信モジュールと、受信データと予め定めた基準値とを保持するメモリと、受信したデータを基準値と比較する第２の演算モジュールとを有することを特徴とする運転監視システム。
9. 前記センサを複数有し、この複数のセンサを１台の前記診断装置に有線または無線で接続し、前記センサの少なくとも１個が他のセンサからのデータを受信し、受信したデータをさらに他のセンサまたは診断装置に送信することを特徴とする請求項８に記載の運転監視システム。
10. 運転を監視する対象機器に取り付けられるセンサであって、対象機器から放出されるエネルギを利用して発電する自己発電モジュールと、発電した電力を蓄電する蓄電モジュールと、対象機器の物理量を計測する計測手段と、計測手段が計測した物理量の信号を前記蓄電モジュールに蓄電された電力を用いて演算する演算モジュールと、演算結果を保持するメモリと、演算モジュールが演算した結果を無線発信する通信モジュールとを有し、前記演算モジュールは蓄電モジュールの蓄電量を計測し予めメモリに記憶された値と比較し、比較した結果に基づいて前記計測手段の計測開始時期と計測間隔と計測終了時とを判断し、前記メモリは予め基準となる蓄電量と計測開始時期と計測間隔と計測終了時期と、他のセンサまたは診断装置へデータを送信する基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを記憶しており、前記通信モジュールは他のセンサまたは診断装置へデータを送信するときは前期メモリに記憶された基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを用いて送信することを特徴とするセンサ。
11. 前記メモリは、このメモリに記憶した基準となる蓄電量と計測開始時期と計測間隔と計測終了時期と、他のセンサまたは診断装置へデータを送信する基準となる送信開始時期と送信間隔と送信終了時期とを、診断装置から無線送信で更新可能であることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
12. 前記メモリには予め対象機器の計測基準となる物理量が記憶されており、前記センサが計測した対象機器の物理量と記憶された基準値とを比較し、その偏差が所定偏差以上であれば計測手段の計測間隔とデータ送信の送信間隔をそれ以前より短くすることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
    

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