JP2006215693A - 監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 被計測体の周りのスペースが制限されている箇所でも近接センサを容易に設置することができて、従来のケーブル敷設の手間と労力とを大幅に削減することが可能な監視システムを提供する。
【解決手段】 発電用タービンの回転軸４に近接配置されて当該回転軸４の変位を検出する近接センサ５と、この近接センサ５からの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量を抽出する信号処理部９とを備え、近接センサ５と信号処理部９とは互いに無線で接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば発電用タービンの回転軸などの被計測体の挙動を検出して、その挙動の適否を監視する監視システムに関する。

一般に、発電用タービンにおいて、ロータとステータとの間は１ｍｍ以下の極めて微小なラビリンスに設定されているので、両者が周囲温度などの影響を受けて接触する危険性の有無を常時監視しておく必要がある。

このため、従来の監視システムは、図９および図１０に示すように、発電室２内に配置された発電用タービンのロータ３の回転軸４から径方向に所定のギャップだけ離間させて近接センサ５が配置されている。また、この回転軸４の軸方向の変位量も調べるために、回転軸４にフランジ６を設けてこのフランジ６から所定のギャップだけ離間させて同様な近接センサ５が配置されている。そして、各近接センサ５の出力部は、発電室２とは別個に設置された電気室８内に設けられた信号処理部９に通信ケーブル２１を介して接続され、さらに信号処理部９は監視センタ１０に通信ケーブル２２を介して接続されている。また、各近接センサ５は、電源ケーブル２３およびドライバ２４を介して電気室８に接続されており、電気室８から各近接センサ５に動作用電力が供給されるようになっている。

これにより、各近接センサ５で回転軸４の変位が検出されると、その検出信号が通信ケーブル２１を介して信号処理部９に与えられる。信号処理部９は、各近接センサ５からの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量（例えば、回転軸４の径方向の変動幅や軸方向の変動幅などの情報）を抽出し、この抽出した情報を監視センタ１０に送って稼働状況を監視する。

また、従来技術では、各センサを通信ケーブルを介して無線ＬＡＮ装置に接続し、この無線ＬＡＮ装置を経由してコントローラに無線で送信するようにした装置や、また、各センサの検出出力を通信ケーブルを介して信号処理部に接続し、信号処理部で被計測体の挙動の特徴量を抽出した後、この抽出した情報をコントローラに無線で送信するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。

特開２００２−６９４１号公報 特開平８−１５２９１４号公報

図９および図１０に示したような従来の監視システムでは、各近接センサ５と信号処理部９との間を通信ケーブル２１や電源ケーブル２３で接続しているため、各ケーブル２１，２３の敷設に手間と費用がかかるだけでなく、近接センサ５を新たに追加する場合にもケーブル２１，２３の敷設が難しいという問題がある。しかも、近接センサ５の周りの設置スペースが制限されているような設置環境が悪い箇所では、ケーブル２１，２３の引き回しが極めて難しく敷設作業に多大な手間と労力を要する。

また、上記の特許文献１，２に記載されているような従来技術では、無線ＬＡＮ装置とコントローラとの間、あるいは信号処理部とコントローラとの間が無線で接続されているので、その間のケーブル敷設の手間と労力とを削減できるものの、センサと無線ＬＡＮ装置との間、あるいはセンサと信号処理部との間は、通信ケーブルや電源ケーブルで接続した構成であるため、センサの周りの設置スペースが制限されているような設置環境が悪い箇所ではケーブルの引き回しが極めて難しく、依然として敷設作業に多大な手間と労力を要している。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、被計測体の周りのスペースが制限されているような箇所でも近接センサを容易に設置することができて、従来のケーブル敷設の手間と労力とを大幅に削減でき、かつ、被計測体の挙動を確実に監視することが可能な監視システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にあっては、次の構成を採用している。
すなわち、本発明の監視システムは、被計測体に近接配置されて当該被計測体の変位を検出する近接センサと、この近接センサからの検出出力に基づいて被計測体の変位の特徴量を抽出する信号処理部とを備え、上記近接センサと上記信号処理部とは互いに無線で接続されていることを特徴としている。

本発明によれば、近接センサと信号処理部との間を通信ケーブルを使用することなく無線で接続しているため、近接センサの周りの設置スペースが制限されているような設置環境が悪い箇所でも、従来のようなケーブルの引き回しは不要なので、ケーブル敷設の手間と労力を削減することができる。しかも、被計測体の挙動を確実に監視することが可能となる。

以下、本発明を発電用タービンの回転軸の機械的な変位量を近接センサで検出して、その挙動を監視する監視システムに適用した場合の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における監視システムの全体を示す構成図、図２は同監視システムの近接センサおよび中継器の具体的構成を示すブロック図であり、図９および図１０に示した従来技術と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この監視システム１は、発電室２内に配置された発電用タービンのロータ３の回転軸４の径方向の変位を検出するために、回転軸４から径方向に所定のギャップ（距離）だけ離間させて近接センサ５が配置されている。また、この回転軸４の軸方向の変位量を調べるため、回転軸４にフランジ６を設けてこのフランジ６から所定のギャップだけ離間させて同様な近接センサ５が配置されている。

発電室２の外側には各近接センサ５に対応して中継器７が配置されている。また、発電室２と別個に設けられた電気室８の内部には、各近接センサ５からの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量を抽出する信号処理部９が設けられている。そして、各近接センサ５、中継器７、および信号処理部９の相互間は無線で接続されている。さらに、信号処理部９は監視センタ１０に通信ケーブル２２を介して接続されている。

上記の各近接センサ５は、磁気を利用して被計測体である回転軸４の変位を検出するもので、図示しない検出コイルや発振回路を有するセンサヘッド部５ａ、このセンサヘッド部５ａからの検出信号を増幅する増幅器５ｂ、増幅後の検出信号を中継器７に無線送信する通信部５ｃ、およびこれらの各部５ａ〜５ｃを動作させるためのバッテリからなる電源部５ｄを備えている。そして、センサヘッド部５ａからは、回転軸４との間のギャップの大きさに比例した電圧値（あるいは電流値）をもつ検出信号が得られるようになっている。なお、近接センサ５としてはこのような磁気を利用するものの外に、発光素子とＰＳＤ（位置検出素子）とを組み合わせて光学的に変位量を検出するものであってもよい。

中継器７は、近接センサ５から無線で送信されてくる信号を受信して、これを増幅した後に信号処理部９に無線で送信する通信部７ａ、および通信部７ａの動作電源となるバッテリからなる電源部７ｂを備えている。

上記構成において、各近接センサ５のセンサヘッド部５ａで回転軸４の変位が検出されると、その検出信号が増幅器５ｂで増幅された後、この検出信号が通信部５ｃから中継器７に向けて無線で送信される。中継器７の通信部７ａは、近接センサ５から無線で送信されてくる信号を受信すると、これを一旦増幅した後、信号処理部９に向けて無線で送信する。信号処理部９は、中継器７を介して送信されてくる各近接センサ５からの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量を抽出する。

例えば、回転軸４から所定のギャップ分だけ離間させて配置された近接センサ５の検出信号については、時間経過に伴って図３に示すような正弦波形を示すので、その回転軸の径方向の変動幅を示すピーク間の値ΔＰａを特徴量として抽出する。また、回転軸４のフランジ６から所定のギャップ分だけ離間させて配置された近接センサ５の検出信号については、時間経過に伴って図４に示すような波形を示すので、その軸方向の変動幅を示すピーク間の値ΔＰｂを特徴量として抽出する。そして、これらの抽出した特徴量ΔＰａ，ΔＰｂ，…を通信ケーブル２２を介して監視センタ１０に送る。監視センタ１０はこれらの特徴量ΔＰａ，ΔＰｂ，…に基づいて発電用タービンのロータ３などが適切に動作しているかといった稼働状況を監視する。

このように、この実施の形態１によれば、各近接センサ５と信号処理部９との間を従来のような通信ケーブルを使用することなく無線で接続しているため、各近接センサ５の周りの設置スペースが制限されているような設置環境が悪い箇所でも、ケーブルの引き回しが不要となる。このため、従来のようなケーブル敷設の手間と労力を削減することができる。また、ケーブルを使用しなくても、従来と同様、被計測体である回転軸４の変位を容易に計測して回転軸４の挙動を確実に監視することができる。

さらに、近接センサ５や中継器７には、動作用バッテリからなる電源部５ｄ，７ｂを設けているので、従来のように近接センサ５や中継器７に電源ケーブルを接続する必要がなく、この点でもケーブル敷設の手間と労力を削減することができる。

実施の形態２．
図５はこの実施の形態２における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２において、近接センサ５は、回転軸４の変位を検出するセンサヘッド部５ａと、このセンサヘッド部５ａからの検出信号を増幅する増幅器５ｂとが同じ半導体基板上に集積されて一体的に形成されている。

そして、この場合のセンサヘッド部５ａは、例えばリニアな検出出力が得られるホール素子で構成されており、また、増幅器５ｂは、センサヘッド部５ａで得られる検出信号の検出感度が小さ過ぎたり、検出信号が飽和したりすることなく、検出信号に対して所定の計測レンジが得られるように、検出信号のゲインを自動調整するＡＧＣ機能を備えている。

その他の構成は図１および図２に示した実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

ここで、近接センサ５は、被計測体（ここでは回転軸４）の変位量に応じて最適な計測レンジをもつものを選定使用する必要がある。すなわち、回転軸４の変位量が小さいのに計測レンジが小さい近接センサ５を使用した場合には検出信号の出力レベルが小さくて検出感度が悪くなる。逆に、回転軸４の変位量が大きいのに計測レンジが大きい近接センサ５を使用した場合には増幅後の検出信号が飽和してしまう。そのため、従来は、適切なレベルをもつ検出信号が得られるように、常に最適な計測レンジをもった近接センサ５を選定して使用する必要があり、余分な手間と労力とを要している。

これに対して、この実施の形態２における増幅器５ｂは、センサヘッド部５ａで得られる検出信号のゲインを自動調整するＡＧＣ機能を備えているので、回転軸４の変位幅が小さいのに計測レンジが小さい場合には、ゲインを増加して計測レンジを大きくする。例えば、図６において、回転軸４の変位幅がΔＰａ１と小さいのに、計測レンジがＲ１１と小さい場合には、ゲインをＧ１からＧ２に増加して計測レンジがＲ１２と大きくなるよう変更する。このため、検出感度が悪くなるのが防止される。これとは逆に、回転軸４の変位量が大きいのに計測レンジが大きいときには、ゲインを減少させて計測レンジを小さく設定する。例えば、図６において、回転軸４の変位幅がΔＰａ２と大きいのに、計測レンジがＲ２２と大きい場合には、ゲインをＧ２からＧ１に変更して計測レンジがＲ２１と小さくなるように変更する。このため、増幅後の検出信号が飽和するのが防止される。

このように、この実施の形態２では、増幅器５ｂがゲインを自動調整するＡＧＣ機能を備えているので、センサヘッド部５ａで得られる検出信号の検出感度が小さ過ぎて変位量を適切に検出できなかったり、検出感度が大き過ぎて検出信号が飽和するなどの不都合が生じることなく自動的に適切な計測レンジが設定される。このため、従来のように、最適な計測レンジをもつ近接センサ５を選定使用するために要した余分な手間と労力を削減することができる。

実施の形態３．
図７はこの実施の形態３における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３において、近接センサ５は、センサヘッド部５ａを移動させる圧電素子などで構成されるアクチュエータ５ｅと、センサヘッド部５ａから出力される検出信号を予め設定された基準値と比較して被計測体である回転軸４に対するセンサヘッド部５ａの位置がその検出特性に応じた適正なギャップ調整値になるようにアクチュエータ５ｅを駆動するギャップ調整部５ｆとを備えている。そして、センサヘッド部５ａとアクチュエータ５ｅとは互いに一体に接合されている。

その他の構成は図１および図２に示した実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

ここで、近接センサ５は、その検出特性に応じて被計測体（上記の例では回転軸４）との間に適切なギャップを設定する必要がある。例えば、ロータの回転軸４の径方向の変位を検出するための近接センサとしては、検出範囲が０〜２ｍｍ程度のものを使用する必要があるので、ギャップはその中央値の略１ｍｍに設定される。また、回転軸４の軸方向の変位を検出するための近接センサとしては、検出範囲が０〜４．５ｍｍ程度のものを使用する必要があるので、ギャップはその中央値の略２．７ｍｍに設定される。

したがって、従来は、近接センサ５を取り付ける際に、近接センサ５の検出特性に応じて適切なギャップが設定されるようにギャップ調整を繰り返し行うことが必要となっていた。その際のギャップ調整作業は、発電室２内の狭隘な環境の中での作業となるため、作業者に多大な手間と労力とを要している。

一方、この実施の形態３では、近接センサ５を回転軸４に対して近接配置した後、例えば電気室８の信号処理部９に設置された図示しない押しボタン等を操作してギャップ調整指令を送信する。この指令は、中継部７を介して近接センサ５の通信部５ｃに受信されるので、この指令に応じてギャップ調整部５ｆが起動される。

ギャップ調整部５ｆは、センサヘッド部５ａから出力される検出信号を予め設定された基準値と比較してセンサヘッド部５ａの位置がその検出特性に応じた適正なギャップ調整値になるようにアクチュエータ５ｅを駆動する。このため、アクチュエータ５ｅと一体化されたセンサヘッド部５ａも上下動し、適正なギャップ調整値になった時点で停止する。

このように、この実施の形態３では、近接センサ５の内部にアクチュエータ５ｅとギャップ調整部５ｆを設けることにより、近接センサ５自身がその検出特性に応じて回転軸４とのギャップが適正な値となるように自動調整するので、従来のようなギャップ調整の手間と労力とを削減することができる。

実施の形態４．
図８はこの実施の形態４における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態４において、近接センサ５は、被計測体（ここでは回転軸４）の変位を検出するセンサヘッド部５ａと共に、このセンサヘッド部５ａからの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量を抽出する信号処理部５ｇが内蔵されている。また、この信号処理部５ｇで抽出された特徴量を記憶するメモリ５ｈ、信号処理部５ｇで抽出された特徴量を基準値と比較して、その特徴量が正常か異常かを判定する判定部５ｉ、および信号処理部５ｇの出力と判定部５ｉの出力とを選択する切替スイッチ５ｊを備えている。

そして、電源部５ｄを除く各センサヘッド部５ａ、増幅器５ｂ、信号処理部５ｇ、メモリ５ｈ、判定部５ｉ、切替スイッチ５ｊ、通信部５ｃは、共に半導体基板の上に集積形成されるなどしてユニット化されている。なお、上記の切替スイッチ５ｊと通信部５ｃとが特許請求の範囲における送信手段に対応している。

また、この実施の形態４では、近接センサ５内にセンサヘッド部５ａと共に信号処理部５ｇが設けられているので、近接センサ５の出力は、中継器７を介して監視センタ１０に無線で送信されるようになっている。

その他の構成は図１および図２に示した実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

上記構成において、信号処理部５ｇは、センサヘッド部５ａからの検出出力に基づいて回転軸４の変位の特徴量（例えば、回転軸４の径方向の変動幅ΔＰａや軸方向の変動幅ΔＰｂなどの情報）を抽出する。この信号処理部５ｇで抽出された特徴量は、判定部５ｉに与えられるので、判定部５ｉは、この特徴量を予め設定されている基準値と比較して抽出された特徴量が正常か異常かを判定する。

判定部５ｉによって、特徴量が正常であると判定された場合、切替スイッチ５ｊは信号処理部５ｇの出力を選択しているので、信号処理部５ｇで得られた回転軸４の変位の特徴量の情報が通信部５ｃから中継器７を介してセンタ装置１０にそのまま無線で送信される。

一方、判定部５ｉによって、特徴量が異常であると判定された場合、判定部５ｉは判定異常信号を出力する。この判定異常信号によって信号処理部５ｇで得られた特徴量がメモリ５ｈに記憶されるとともに、切替スイッチ５ｇが判定部５ｉの出力を選択するので、判定部５ｉからの判定異常信号が通信部５ｃに送られる。通信部５ｃはこの判定異常信号に応じて警報信号を生成し、この警報信号が中継器７を介してセンタ装置１０に無線で送信される。

したがって、センタ装置１０は、近接センサ５からの警報信号を受信した場合には、ロータの回転軸４に何らかの異常が生じたものと判断して発電タービンを停止するなどの処置を講じることができる。また、その異常を検出した際の特徴量の情報は、近接センサ５内のメモリ５ｈに記憶されているので、その記憶内容を解析することで、その異常が生じた原因究明に役立てることができる。

なお、上記の実施の形態３，４において、近接センサ５を構成する増幅器５ｂは、実施の形態１の場合と同じ単なる増幅作用を行う構成としたが、これに限らず、例えば実施の形態２のようにＡＧＣ機能をもたせた構成として、常に適切な計測レンジが得られるようにゲインを自動調整できるようにしてもよい。また、実施の形態１〜４の各構成を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態１〜４で説明したような発電用タービンの回転軸の機械的な変位を検出して挙動を監視する監視システムに限定されるものではなく、各種プラントのプロセス機器を被計測体としてその変位量を近接センサで検出するような監視システムについても本発明を適用することが可能である。また、その場合の近接センサの検出対象は、機械的な変位量だけでなく、例えば振動周波数や回転数などを検出するものであってもよい。

本発明の実施の形態１における監視システムの全体を示す構成図である。 同監視システムの近接センサおよび中継器の具体的構成を示すブロック図である。 近接センサで得られる検出信号レベルの経時変化の一例を示す波形図である。 他の近接センサで得られる検出信号レベルの経時変化の一例を示す波形図である。 本発明の実施の形態２における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２において、センサヘッド部で得られる検出信号に対するゲインを自動調整して常に適切な計測レンジを確保する場合の動作説明図である。 本発明の実施の形態３における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４における監視システムに適用される近接センサの構成を示すブロック図である。 従来の監視システムの全体を示す構成図である。 図９に示した従来の監視システムにおいて、近接センサの配置状態の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 監視システム、２ 発電室、４ 回転軸（被計測体）、
５ 近接センサ、５ａ センサヘッド部、５ｂ 増幅器、
５ｃ 通信部、５ｄ 電源部、５ｅ アクチュエータ、
５ｆ ギャップ調整部、５ｇ 信号処理部、５ｈ メモリ、
５ｉ 判定部、５ｊ 切替スイッチ、８ 電気室、９ 信号処理部、
１０ 監視センタ。

Claims (5)

1. 被計測体に近接配置されて当該被計測体の挙動を検出する近接センサと、この近接センサからの検出出力に基づいて上記被計測体の挙動の特徴量を抽出する信号処理部とを備え、上記近接センサと上記信号処理部とは互いに無線で接続されていることを特徴とする監視システム。
2. 上記近接センサには、被計測体の挙動に伴って出力される検出信号に対して所定の計測レンジが得られるように、検出信号のゲインを自動調整するＡＧＣ機能を備えることを特徴とする請求項１記載の監視システム。
3. 上記近接センサは、上記被計測体の挙動を検出するセンサヘッド部と、このセンサヘッド部を移動させるアクチュエータと、上記センサヘッド部から出力される検出信号を予め設定された基準値と比較して被計測体に対するセンサヘッド部の位置が近接センサの検出特性に応じた適正なギャップ調整値になるように上記アクチュエータを駆動するギャップ調整部と、を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の監視システム。
4. 上記近接センサは、上記信号処理部から独立した電源を内蔵することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の監視システム。
5. 被計測体に近接配置されて被計測体の挙動を検出するセンサヘッド部と、このセンサヘッド部からの検出出力に基づいて被計測体の挙動の特徴量を抽出する信号処理部と、この信号処理部で抽出された特徴量を基準値と比較して、その特徴量が正常か異常かを判定する判定部と、この判定部の判定結果により特徴量が正常であると判定された場合にはこの特徴量の情報を、特徴量が異常と判定された場合には警報信号をそれぞれ外部機器に無線で送信する送信手段とを備え、上記センサヘッド部、信号処理部、判定部、および送信手段がユニット化されていることを特徴とする監視システム。
   

Images