JP2024002355A - 機器状態監視装置および機器状態監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置の容量を確保できる機器状態監視装置を提供する。【解決手段】自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段２２と、該信号収集手段２２で収集された信号のデータを記憶する記憶装置２４と、を備えた機器状態監視装置２０であって、機器状態監視装置２０は、記憶装置２４に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価するデータ評価手段（信号強度評価手段２５）と、記憶装置２４に記憶されたデータから無効データを削除するデータ削除手段２７と、を有する。機器状態監視装置２０は、通信ハブ３１を備えており、データ評価手段は、通信ハブ３１を経由した通信が途絶している場合に、記憶装置２４に記憶された信号の強度が前記無効データであるか否かを評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、自動運転機器に適用される機器状態監視装置および機器状態監視方法に関する。

自動で運転制御されるプラント機器のなかには、ほぼ無人状態で運用される設備が存在し、このような場合には、設備点検員に代わって機器の健全性を診断する計測装置の必要性が高い。

例えば、一般的な風力発電プラントにおいて、発電運転は自動制御されるため、運転員を兼ねた設備点検員が機械室内に留まって、機器の運転状態を確認することは少ない。このような場合、機器の健全性を評価する計測装置を取り付け、運転中の機器の状態を計測し、システムから離れた監視所に計測結果を伝送して、運転が正常に行われているかを監視することがある。

このような監視装置では、例えば回転軸を支持する転がり軸受の振動を計測し、転がり軸受が発生する特徴的な振動の周波数成分を分離抽出し、その時間変化を監視することにより、軸受の健全性を評価することができる。振動信号に含まれている特徴的な周波数成分を取り出すため、信号の採取は、例えば１０ｋＨｚなどの高速で数秒間、連続して実施する必要があり、あらかじめ設定された時間間隔でこのサイクルが繰り返されることが多い。

一方、対象設備は常時フル稼働しているとは限らない。例えば風力発電プラントは、風況によっては停止している場合があり、この間に取得された信号データは無効となる。信号データのサイズは比較的大きいため、無効なデータが計測装置の記憶領域や信号を伝送するネットワークの帯域を圧迫することがある。このような問題を解決する従来技術として、例えば、特許文献１に開示されている方法が知られている。

特許文献１は、計測部と、トリガ検出部と、制御部とを備え、制御部は、トリガ検出部によって検出されるトリガ用物理量の大きさに応じて設定される複数のトリガ条件のうち、所定のトリガ条件が満たされたときに計測部を非計測状態から計測状態に切り替えて計測処理を開始させる。さらに各トリガ条件の優先度を設定し、計測処理の実行中に、より優先度が高いトリガ条件が満たされた場合に、実行中の計測処理を中止させて他の処理を優先させることを特徴としている。

以上の構成により、所定のトリガ条件が満たされていない期間中は計測部を非計測状態に維持し、所定のトリガ条件が満たされたときに計測部を計測状態に切り替えて計測処理を行わせることができるので、計測部の稼働時間を短縮して省エネルギー化を図ることができるとしている。

特開２０１４－２０３３９７号公報

ところで、監視対象設備のなかには、運用開始後しばらくして、計測装置が取り付けられる場合がある。これは設備運用の経験を通じて、計測装置による状態監視が必要と認知されるに至った場合にみられる。この際には、計測装置が監視対象設備の制御系と密には結合できず、設備の運転状態が計測装置に伝達できないことがある。このような場合、先行技術のように、設備の運転状態に基づいた計測制御をおこなうことは困難である。一方、監視対象設備が隔地に置かれている場合には、厳しい周囲環境により通信が途絶することがあり、保存された計測データを外部に送出することができない場合には、記憶装置は容易にオーバーフローを生じる。このような際には、保存データ量の管理と縮減は一層、切実となる。

本発明の目的とするところは、計測装置が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置の容量を確保できる機器状態監視装置および機器状態監視方法を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明による機器状態監視装置は、自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段と、該信号収集手段で収集された信号のデータを記憶する記憶装置と、を備えた機器状態監視装置であって、前記機器状態監視装置は、前記記憶装置に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価する信号強度評価手段と、前記記憶装置に記憶されたデータから前記無効データを削除するデータ削除手段と、を有することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、計測装置が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置の容量を確保できる。

第１実施形態に係る機器状態監視装置の構成図である。 第１実施形態に係る機器状態監視装置の機能に関する説明図である。 第２実施形態に係る機器状態監視装置の構成図である。 第２実施形態に係る機器状態監視装置の機能に関する説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る機器状態監視装置の構成図である。本実施形態は、例えば風力発電システムのように自動運転されるプラント機械において、回転軸系に付随する軸受や歯車などの機械要素の状態監視用途に好適である。

機器状態監視装置２０は、信号センサ２１、信号収集手段２２、タイマ２３、記憶装置２４、信号強度評価手段２５（データ評価手段）、しきい値記憶手段２６、データ削除手段２７などを有している。信号センサ２１は、振動加速度センサ、ＡＥセンサなどを用いてもよい。なお、ＡＥ（Acoustic Emission）とは、材料が変形あるいは破壊する際に、内部に蓄えていた弾性エネルギーを音波（弾性波、ＡＥ波）として放出する現象である。ＡＥ波は主に超音波領域（数１０ｋＨｚ～数ＭＨｚ）の高い周波数成分を有する。

図１において、監視対象である転がり軸受１２は、回転軸１１を回転支持し、軸受ケーシング１３によって保持されている。軸受ケーシング１３の上には信号センサ２１が設置されており、信号収集手段２２に接続されている。信号収集手段２２にはタイマ２３と記憶装置２４とが接続されている。さらに記憶装置２４には信号強度評価手段２５と、データ削除手段２７とが接続されている。信号強度評価手段２５には、しきい値記憶手段２６が接続されている。機器状態監視装置２０は、通信ハブ３１を介して外部ネットワーク３２に接続されている。なお、通信ハブ３１は、機器状態監視装置２０に含んでいてもよい。

転がり軸受１２は、外輪１２１、転動体１２２（例えば、ボール、コロ）、内輪１２３を含んで構成されている。回転軸１１は、内輪１２３に嵌合され、軸受ケーシング１３は外輪１２１に嵌合されている。信号センサ２１は、軸受ケーシング１３の外面に、センサ治具を介して設置される。信号センサ２１は、外輪１２１または内輪１２３の軌道面に欠陥が生じ、その欠陥に転動体１２２が接触した際に発生する衝撃波を信号として検出する。なお、転がり軸受１２は、ニードルベアリングであってもよい。

以上のように構成された機器状態監視装置２０において、信号収集手段２２は、タイマ２３にあらかじめ設定された時間間隔に従って、転がり軸受１２が発生する振動信号を自動的に信号センサにて取得し、波形データとして記憶装置２４に記憶する。また信号収集手段２２は、定期的に波形データを、通信ハブ３１を介して風車サイト外に設置されている外部ネットワーク３２に接続された、図示しない監視所へと送出し、軸受の健全性に関する情報を提供する。

図２は、第１実施形態に係る機器状態監視装置２０の機能に関する説明図である。図２には、収集された波形データの集合４０と収集された波形データの信号の強度４１が示されている。収集された波形データの集合４０は、例えば、数秒間の波形データを１分毎に取得したデータである。収集された波形データの信号の強度４１は、例えば、波形データの実効値、最大値である。風力発電設備の場合、風速の大小により回転軸１１の回転速度が異なるため、波形データの実効値が大きく変化する。

収集された波形データの集合４０は、データが収集された順番に記憶装置２４内に保存されており、その信号の強度が信号強度評価手段２５（データ評価手段）により評価される。例えば、信号の強度が大きい高レベルの波形データ４２が評価され、対応した情報として、高レベル波形の信号の強度４３が生成される。同様に、信号の強度が小さい低レベルの波形データ４４が評価されると、対応した情報として、低レベル波形の信号の強度４５が生成される。信号の強度の大小は、しきい値記憶手段２６に記憶されたしきい値４６に基づき判定される。

信号の強度が小さい場合、当該データは対象設備が停止している状態、あるいは運転されていても負荷や回転速度が低く、分析するのに十分な信号強度を有していない状態で取得された可能性がある。このようなデータを、無効データとみなし、データ削除手段２７を用いて無効データを削除することで、記憶装置２４の容量を確保することができ、外部ネットワーク３２に送出するデータ量を減ずることができる。記憶装置２４内で低レベルの波形データが削除された場合、収集された波形データの集合は時系列で不連続となるが、それぞれの波形データには取得された際の時刻情報が付与されているため、採取されたタイミングが不明となることはない。

信号のデータは、たとえば、対象機械の回転速度が十分ではなかったり、停止したりしている場合にも、信号のデータは自動的に取得される。このようにして取得された信号データは、分析評価に適さないことがあり、これは、信号のデータの実効値や最大値、あるいは注目している機械装置特有の周波数成分を含むか否かなどで判断することができる。これらの判断基準を満たさない場合、当該データは機械装置の健全性を診断するうえで、実質的に無効データとなる。

風力発電所のような発電プラントは隔地に置かれることが多く、環境条件が厳しいため、時として外部ネットワーク３２との通信が途絶することがある。この際、収集された波形データは、通信が回復するまで記憶装置２４に保存しておく必要がある。このような場合、保存された波形データから無効データを選別して削除することは、通信途絶中にあっても自動運転される設備の稼働データを取得するうえで重要である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態を、図３および図４を用いて説明する。
図３は、第２実施形態に係る機器状態監視装置の構成図である。本実施形態は、複数の機器状態監視装置を備えて類似の現象を計測評価する場合、例えば風車ファーム５０において、複数の風車を複数の機器状態監視装置を用いて監視する場合などに好適である。

図３において、風車システム５３には機器状態監視装置５２と風車用通信ハブ５１が設置され、同様に風車システム５６には機器状態監視装置５５と風車用通信ハブ５４、風車システム５９には機器状態監視装置５８と風車用通信ハブ５７が設置されて、風車ファーム５０を構成している。

計測統括システム６０は、サーバ用通信ハブ６１と計測サーバ６２などを含んでおり、サーバ用通信ハブ６１は、外部ネットワーク３２に接続されている。計測システムは、計測サーバ６２、機器状態監視装置５２，５５，５８を含んで、計測システムを構成している。すなわち、それぞれの風車内で、機器状態監視装置と風車用通信ハブとは互いに通信線で接続されており、風車用通信ハブ同士は通信ケーブル６３で接続されている。さらに、通信ケーブル６３には、サーバ用通信ハブ６１を介して計測サーバ６２が接続されている。

以上のように構成された風車ファーム５０において、各風車の機器状態監視装置５２，５５，５８は独立して振動信号を収集し、図示しない記憶装置に波形データとして記憶する。また機器状態監視装置５２，５５，５８は、記憶された波形データを定期的に計測サーバ６２へと転送する。計測サーバ６２は保存された信号を分析し、各風車の健全性を波形データから推測するとともに、評価の結果を外部ネットワーク３２に接続された監視所へと伝送する。

図４は、第２実施形態に係る機器状態監視装置の機能に関する説明図である。図４には、風車システム５３，５６，５９から収集された波形データの信号の強度７１，７２，７３が示されている。風車システム５３において、ある時刻における信号の強度７４がしきい値７７よりも低く、風車システム５６において、同時刻の信号の強度７５がしきい値７８よりも低く、風車システム５９において、同時刻の信号の強度７６がしきい値７９よりも大きい場合の例として示されている。ちなみに、風車システム５３から収集されたのは、波形データの信号強度７１である。

図４の場合に、第１実施形態では、風車システム５３に設けられた機器状態監視装置の信号強度評価手段２５（図１参照）は、波形データの信号の強度７１における信号の強度７４のデータを無効のデータと判定する。風車システム５６に設けられた機器状態監視装置の信号強度評価手段２５は、波形データの信号の強度７２における信号の強度７５のデータを無効のデータと判定する。他方、風車システム５９に設けられた機器状態監視装置の信号強度評価手段２５は、波形データの信号の強度７３における信号の強度７６のデータを有効のデータと判定する。

これに対し、第２実施形態では、信号強度評価手段２５は、例えば、地勢的に近い機器状態監視装置の記憶装置に記憶されたデータを取得して、取得したデータの信号の強度と自身の記憶装置に記憶されたデータの信号の強度とを比較し、無効データか否かを評価する。

すなわち、風車システム５９の信号強度評価手段２５は、風車システム５３および風車システム５６からデータを取得して、取得したデータの信号の強度と自身の記憶装置に記憶されたデータの信号の強度とを比較し、無効データか否かを再評価する。風車システム５９の信号強度評価手段２５は、隣接する複数の風車システムのデータが無効と判定されているため、無効と判定した（多数決で判定）。

特に冬季などにおいて、風車ブレードに氷雪などが付着してこれが落下する際、機器状態監視装置５２，５５，５８において、信号の強度が高値として観測されることがある。一方、隣接する風車において風況に著しい差はないので、地勢的に近い風車の稼働状態と対比することで、稼働状態の推定精度を向上させることができる。または、風車システム５３の信号強度評価手段２５は、風車システム５６および風車システム５９からデータを取得し、隣接する風車システムのデータのうち1つが有効と判定されているため、自身の記憶装置に記憶されたデータを有効と判定してもよい。これにより個々の風車に発生した事象について、隣接する風車への影響を評価し得るデータを取得することができる。このような統括的な処理は、計測サーバ６２が実施してもよい。また、風車サイトによって、各風車におけるしきい値を書き換えてもよいが、各風車の機器状態監視装置が相互に通信することで、これを実現してもよい。

本実施形態の機器状態監視装置は、次の特徴を有する。
（１）自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段２２と、該信号収集手段２２で収集された信号のデータを記憶する記憶装置２４と、を備えた機器状態監視装置２０であって、機器状態監視装置２０は、記憶装置２４に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価するデータ評価手段と、記憶装置２４に記憶されたデータから無効データを削除するデータ削除手段２７と、を有する。これにより、信号収集手段２２が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、監視対象設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置２４の容量を確保できる。

（２）（１）において、機器状態監視装置２０は、さらに、信号強度を評価する際に用いるしきい値を記憶するしきい値記憶手段２６を有し、データ評価手段は、記憶装置２４に記憶されたデータの信号の強度がしきい値よりも小さいものを無効データとして評価する。これにより、機器状態監視装置２０は、信号の強度に基づいて、無効データを削除できる。

（３）（１）において、無効データを削除することにより、残されたデータ列の一部が不連続となる。

（４）（１）において、機器状態監視装置２０は、通信ハブ３１を備えており、データ評価手段は、通信ハブ３１を経由した通信が途絶している場合に、記憶装置２４に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価する。これにより、保存された波形データから無効データを選別して削除するため、通信途絶中にあっても自動運転される設備の記憶装置の記憶容量を確保することができる。

（５）（１）において、データ評価手段は、別途設けられた機器状態監視装置（例えば、機器状態監視装置５５）の記憶装置に記憶されたデータを取得して、取得したデータの信号の強度と自身の記憶装置に記憶されたデータの信号の強度とを比較し、無効データを検出する。これにより、自動運転される設備の記憶装置の記憶容量を確保することができる。

（６）（５）において、データ評価手段は、時刻に対応した風向、風速などの風況情報を取得し、風況情報に基づいて記憶装置に記憶されたデータを評価する。例えば、風車システムの風況情報は、後付けの機器状態監視装置でも入力することが容易であるため、データ評価手段は、風がないときのデータは無効データとして判断することができる。

（７）（１）において、データ評価手段は、無効データであるか否かを評価する際に、監視対象機器の稼働情報を使用しない。従来の機器状態監視装置にあっては、風車プラントの制御システムから、対象機器の運転速度や負荷率などの稼働情報を取得し、振動加速度などの信号データを取得するタイミングを把握することが可能である。一方、本発明による機器状態監視装置では、プラントの運用開始後しばらくして監視装置が取り付けられる場合がある。機器状態監視装置がプラントの制御システムに直結できない場合には、監視装置が稼働情報を直接取得することは困難となる。このため、稼働情報を取得できない場合においても、自動運転される設備の記憶装置の記憶容量を確保することができる。

本実施形態によれば、機器状態監視装置が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置の容量やデータ伝送ネットワークの帯域を無効データが圧迫しない。

（８）（１）においては、データ評価手段は、記憶装置２４に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価しているがこれに限定されるわけではない。すなわち、（１）において、データ評価手段は、無効データであるか否かを評価する際に、記憶装置２４に記憶されたデータが有効データであるか否かを評価し、有効データであると評価されなかったデータを無効データと評価してもよい。これにより、信号収集手段２２が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、監視対象設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置２４の容量を確保できる。

（９）自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段２２と、該信号収集手段２２で収集された信号のデータを記憶する記憶装置２４と、を備えた機器状態監視装置２０の機器状態監視方法であって、機器状態監視装置２０は、記憶装置２４に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価し、記憶装置２４に記憶されたデータから無効データを削除するとよい。これにより、信号収集手段２２が監視対象設備の制御系と直接には接続されておらず、監視対象設備の運転状態を把握できない状況にあっても、記憶装置２４の容量を確保できる。

１１ 回転軸
１２ 転がり軸受
１３ 軸受ケーシング
２０ 機器状態監視装置
２１ 信号センサ
２２ 信号収集手段
２３ タイマ
２４ 記憶装置
２５ 信号強度評価手段（データ評価手段）
２６ しきい値記憶手段
２７ データ削除手段
３１ 通信ハブ
３２ 外部ネットワーク
４０ 収集された波形データの集合
４１ 収集された波形データの信号の強度
４２，４４ 波形データ
４３，４５ 信号の強度
４６ しきい値
５０ 風車ファーム
５１，５４，５７ 風車用通信ハブ
５２，５５，５８ 機器状態監視装置
５３，５６，５９ 風車システム
６０ 計測統括システム
６１ サーバ用通信ハブ
６２ 計測サーバ
６３ 通信ケーブル
７１，７２，７３ 収集された波形データの信号の強度
７４，７５，７６ 信号の強度
７７，７８，７９ しきい値
１２１ 外輪
１２２ 転動体
１２３ 内輪

Claims (9)

1. 自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段と、該信号収集手段で収集された信号のデータを記憶する記憶装置と、を備えた機器状態監視装置であって、
   前記機器状態監視装置は、
   前記記憶装置に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価するデータ評価手段と、
   前記記憶装置に記憶されたデータから前記無効データを削除するデータ削除手段と、を有することを特徴とする機器状態監視装置。
2. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記機器状態監視装置は、さらに、信号の強度を評価する際に用いるしきい値を記憶するしきい値記憶手段を有し、
   前記データ評価手段は、前記記憶装置に記憶されたデータの信号の強度が前記しきい値よりも小さいものを前記無効データとして評価する、
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
3. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記無効データを削除することにより、残されたデータ列の一部が不連続となる
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
4. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記機器状態監視装置は、通信ハブを備えており、
   前記データ評価手段は、前記通信ハブを経由した通信が途絶している場合に、前記記憶装置に記憶された信号の強度が前記無効データであるか否かを評価する
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
5. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記データ評価手段は、別途設けられた機器状態監視装置の記憶装置に記憶されたデータを取得して、前記取得したデータの信号の強度と自身の記憶装置に記憶されたデータの信号の強度とを比較し、前記無効データを検出する
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
6. 請求項５に記載の機器状態監視装置であって、
   前記データ評価手段は、時刻に対応した風況情報を取得し、前記風況情報に基づいて前記記憶装置に記憶されたデータを評価する
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
7. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記データ評価手段は、前記無効データであるか否かを評価する際に、監視対象機器の稼働情報を使用しない
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
8. 請求項１に記載の機器状態監視装置であって、
   前記データ評価手段は、前記無効データであるか否かを評価する際に、前記記憶装置に記憶されたデータが有効データであるか否かを評価し、有効データであると評価されなかったデータを前記無効データと評価するものである
   ことを特徴とする機器状態監視装置。
9. 自動運転機器に設置された計測機器の信号を収集する信号収集手段と、該信号収集手段で収集された信号のデータを記憶する記憶装置と、を備えた機器状態監視装置の機器状態監視方法であって、
   前記機器状態監視装置は、
   前記記憶装置に記憶されたデータが無効データであるか否かを評価し、前記記憶装置に記憶されたデータから前記無効データを削除する
   ことを特徴とする機器状態監視方法。

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