JP5295482B2 - 機械監視の方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に機械監視に関し、より具体的には、複数の機械を連続的に監視する方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知の機械監視システムは、例えば、モータ及びタービンのような駆動機械、あるいはポンプ、圧縮機、及びファンなどの機械従動構成要素を監視する。他の公知の監視システムは、例えば配管システムのようなプロセスのプロセスパラメータ、並びに機械振動、機械温度、及び機械オイル状態などの機械環境状態を監視する。一般的には、こうした監視システムは、例えば装置の特定の部品のような施設の一部だけに対して責任を有する相手先商標製品製造者（ＯＥＭ）によって提供され、従って、ＯＥＭは、当該ＯＥＭによって提供される装置に対する監視だけを提供することができる。しかしながら、発電プラント、製油所、工場などの工業施設、並びに病院、高層ビル、リゾート、及び遊園地などの商業施設では、多数の駆動機械及び従属的に相互接続された従動装置を利用して種々のプロセスシステムを形成する場合がある。設計者／技術者は、施設の所有者又はオペレータのためにこうした装置を統合することができる。異なるＯＥＭによって提供される監視システムは、例えば制御室及び／又は運転区域などの被監視装置から遠隔に位置する場所に配置される分散制御システム（ＤＣＳ）のような外部データ収集制御システムと通信することができる。
特開２００１−０２２４３０号公報

典型的には、機械監視システムは、運転指示及び制御の提供、及び／又は将来の異常事象の復元のための傾向管理又はデータロギング機能に対して主に焦点を合わせている。振動データのような有効なメンテナンス関係データを提供する機械監視システムは、相互接続されたシステム内で運転することができる他の構成要素から分離された個別の構成要素に対するデータ収集及び解析を制限する。例えば、監視システムは、モータ／ポンプ結合体の振動データを収集できるが、各個々の機械間の相互依存関係を無視して各機械を別々に解析する。この解析が、結合措置を接続された結合体として考慮する場合には、公知のシステムは、単に収集された振動パラメータとみなすだけであり、モータ／ポンプ結合体の特定の振動特性に対する外部要因又は発生源のどのような追加の解析も、トラブルシューティング又は予知保全活動を実行するプラントエンジニアによって手動で実施される。しかしながら、モータ／ポンプ結合体は、より大きなプロセスシステムの一部である可能性があり、この場合、他のモータ／ポンプ結合体及び／又は他の装置からの任意の数のプロセスパラメータが、モータ／ポンプ結合体の振動特性に寄与又は影響する可能性がある。

１つの様態では、各装置結合体が別の複数の装置結合体の少なくとも１つと双方向に動作可能な複数の装置結合体を有する施設を運転する方法及びシステムが提供される。本方法は、複数の装置結合体の各々において複数の計測されたプロセスパラメータをリアルタイムで受け取る段階と、複数の計測されたプロセスパラメータから少なくとも１つの導出量を決定する段階と、計測されたプロセスパラメータ及び導出量に基づいて装置運転に対する変更を勧告する段階とを含む。

別の様態では、互いに、及び個々の装置と双方向に動作可能な複数の装置結合体を有し、該装置結合体が選択されたプラント運転状態を維持するように運転されるプラントのための統合監視制御システムが提供される。本統合監視制御システムは、装置結合体に動作可能に結合され、プラントの運転を監視して装置結合体の状態を評価するプロセスパラメータを計測し、出力信号を監視制御システムに提供する複数のセンサと、データバスに通信可能に結合され、計測されたプロセスパラメータを受け取り、計測されたプロセスパラメータを使用してプロセスパラメータの値を計算するように構成された導出量層とを含む。本統合監視制御システムはまた、健全状態を決定するため、複数の装置結合体の少なくとも一部に関係する少なくとも１つのルールを含むルール集合層と、装置結合体の健全状態を軽減処置、メンテナンス処置、及び運転処置の内の少なくとも１つに関係付ける勧告層とを含む。

更に別の様態では、プラントを監視するためのコンピュータ可読媒体上に具現化されたコンピュータプログラムが提供される。本プラントは、互いに、及び個々の装置と双方向に動作可能な複数の装置結合体を含む。本プログラムは、装置結合体及び個々の装置と動作可能に結合されたセンサから複数のプロセスパラメータを受け取り、次に計測されたプロセスパラメータを使用してプロセスパラメータの値を導出し、計測されたプロセスパラメータ、導出量、複数の計測されたプロセスパラメータ、及び装置結合体に関係する導出量の内の各少なくとも１つに対するデータ解析を指示する複数の命令を含むルール集合から１つのルールを選定し、軽減処置、メンテナンス処置、運転処置の内の少なくとも１つを勧告する機能を有するコンピュータを制御するコードセグメントを含む。

図１は、工業プラント１０の例示的な装置レイアウトを示すブロック図である。工業プラント１０は、複数のポンプ、モータ、ファン、及びプロセス監視センサを含むことができ、該プロセス監視センサは、相互接続する配管を介して流体連通で結合され、１つ又はそれ以上のリモート入出力（Ｉ／Ｏ）モジュール及び相互接続ケーブル及び／又は無線通信を介して制御システムと通信で結合される。例示的な実施形態では、工業プラント１０は、基幹ネットワーク２２を備える分散制御システム（ＤＣＳ）２０を含む。基幹ネットワーク２２は、例えばツイストペアケーブル、シールド同軸ケーブル、又は光ファイバケーブルで製作された配線データ通信路とすることができ、あるいは少なくとも部分的には無線通信とすることができる。ＤＣＳ２０はまた、工業プラント１０又は遠隔の場所に配置された装置に基幹ネットワーク２２を介して通信可能に接続されるプロセッサ２４を含むことができる。基幹ネットワーク２２は、任意の数の機械を通信可能に接続することができる点を理解されたい。機械の一部分は、基幹ネットワーク２２に対して配線接続とすることができ、機械の他の部分は、ＤＣＳ２０に通信可能に結合されたベースステーション２６を介して無線で基幹ネットワーク２２に結合することができる。無線ベースステーション２６を用いて、工業プラント１０から遠隔配置されているが、工業プラント１０内の１つ又はそれ以上のシステムに依然として相互接続されている装置又はセンサを備えることなどにより、ＤＣＳ２０の有効通信範囲を拡大することができる。

ＤＣＳ２０は、複数の装置に関係する運転パラメータを受け取り且つ表示し、工業プラント１０の装置の運転制御に対する自動制御信号を生成し且つ手動制御入力を受け取るように構成することができる。例示的な実施形態では、ＤＣＳ２０は、プロセッサ２４を制御して、工業プラント機械のオンライン監視及び診断を可能にするＤＣＳ２０で受け取ったデータを解析するように構成されたソフトウエア命令セグメントを含むことができる。プロセスパラメータデータは、ポンプ及びモータ、関係するプロセスセンサ、並びに、例えば振動、地震、周囲温度及び周囲湿度センサを含む局所環境センサを含む各機械から収集することができる。データは、ローカル診断モジュール又はリモート入／出力モジュールによって前処理されるか、あるいは未処理の形式でＤＣＳ２０へ送ることができる。

具体的には、工業プラント１０は、例えば油圧カップリングのようなカップリング３６及び相互接続軸３８を介してモータ３４と連結されたポンプ３２を含む第１のプロセスシステム３０を含むことができる。ポンプ３２、モータ３４、及びカップリング３６からなる結合体は、個別の構成要素から構成されるが、該結合体の１つの構成要素の作動に影響を与える状態が結合体の他の構成要素の各々に影響を及ぼし得るように、単一のシステムとして作動できる。従って、結合体の１つの構成要素から収集された、構成要素の一部の故障又は構成要素の切迫した故障を示す状態監視データは、結合体の他の構成要素で感知することができ、構成要素の故障を確認し、及び／又は故障の発生源又は根本原因の確定を助けることができる。

ポンプ３２は、１つ又はそれ以上のバルブ４２を介して配管システム４０に接続することができる。バルブ４２は、例えば、限定ではないが、空気操作器、モータ操作器及びソレノイドなどのアクチュエータ４４を含むことができる。アクチュエータ４４は、遠隔操作及び位置指示のためにＤＣＳ２０に通信可能に結合することができる。例示的な実施形態では、配管システム４０は、圧力センサ４６、流量センサ４８、温度センサ５０、及び差圧（ＤＰ）センサ５２などのプロセスパラメータセンサを含むことができる。代替的実施形態では、配管システム４０は、濁度、塩分濃度、ｐＨ、比重、及び配管システム４０によって搬送される特定の流体に関係する他のセンサなどの別のセンサを含むことができる。センサ４６、４８、５０及び５２は、例えば前処理モジュール又はリモートＩ／Ｏラックなどのフィールドモジュール５４に通信可能に結合することができる。

モータ３４は、電気機械の運転状態の監視に利用可能な１つ又はそれ以上の複数のセンサ（図示せず）を含むことができる。このようなセンサは、例えば銅線又はケーブル、光ファイバケーブル、及び無線技術機器のような相互接続電線管５６を介してフィールドモジュール５４へ通信可能に結合することができる。

フィールドモジュール５４は、ネットワークセグメント５８を介してＤＣＳ２０と通信することができる。通信は、任意のネットワークプロトコルによるものとすることができ、前処理済データ及び生データを表すことができる。データは、リアルタイム環境で連続的にプロセッサ２４に送信され、又は、自動構成もしくはプロセッサ２４からのデータ要求に基づいて断続的に送信することができる。ＤＣＳ２０は、時間基準比較用のプロセス変数にタイムスタンプを付与するために基幹ネットワーク２２と通信するリアルタイムクロックを含む。

配管システム４０は、タンク６０のような他のプロセス構成要素を含むことができ、該タンクは、タンクレベルセンサ６２などのタンクに関係するプロセスパラメータの監視に利用可能な１つ又はそれ以上の複数のセンサを備えることができる。タンク６０は、ポンプ３２によって送り込まれる流体に対してサージ容積を提供ですることができ、及び／又はスキッド６４などの下流側構成要素のために負圧を提供することができる。スキッド６４は、ＯＥＭによって提供可能な組み立て式のプリパッケージ型の構成要素サブシステムとすることができる。スキッド６４は、第１のポンプ６６と第２のポンプ６８を含むことができる。例示的な実施形態では、第１のポンプは、ＤＣＳ２０によって制御可能なサーキットブレーカ（図示せず）を介して動力源（図示せず）に直接接続されるモータと結合される。第２のポンプ６８は、スキッドコントローラ７６からの命令に応答して、モータ７２の回転速度を制御する可変速度駆動装置（ＶＳＤ）を介して動力源に接続されるモータ７２と結合される。ポンプ６６及び６８、モータ７０及び７２、及びＶＳＤ７４の各々は、ポンプ／モータ／カップリング３２、３４及び３６結合体に関連して上記で説明したように、各タイプの装置のそれぞれの運転パラメータに関係する１つ又はそれ以上のセンサを含むことができる。スキッドコントローラ７６は、センサから信号を受け取り、スキッドコントローラ７６内に存在する所定のアルゴリズムに従ってデータを前処理又は後処理することなく信号をＤＣＳ２０に送信することができる。スキッドコントローラ７６はまた、ＤＣＳ２０へデータを送信することなく、ポンプ６６及び６８、モータ７０及び７２、並びにＶＳＤ７４の１つ又はそれ以上に対して信号を処理して制御信号を生成することができる。スキッドコントローラはまた、スキッド６４の運転をこれに従って修正するための命令をＤＣＳ２０から受け取ることができる。

第２の配管システム８０は、周囲空間８４から空気を受け入れ、炉８８などの構成要素にバルブ又はダンパ８６を介して空気を配向させるファン８２を含むことができる。ダンパ８６は、該ダンパ８６の開放位置及び閉鎖位置を検出する位置センサ９０及び９２を含むことができる。炉８８は、例えばモータアクチュエータ、油圧駆動ピストン式アクチュエータ、又は他のアクチュエータとすることができるアクチュエータ９６によって作動可能なダンパ９４を含むことができ、該アクチュエータ９６は、電線管（図示せず）を通じて送信される信号を介してＤＣＳ２０によって遠隔的に制御可能である。第２のファン９８は、炉８８で吸引を行い、炉８８から燃焼ガスを除去して煙突（図示せず）に燃焼ガスを配向し周囲空間８４へ排出することができる。ファン９８は、ファン９８とモータ１００との間に結合された軸１０２を介してモータ１００によって駆動することができる。モータ１００の回転速度は、基幹ネットワーク２２を介してＤＣＳ２０に通信可能に接続することができるＶＳＤ１０４によって制御可能である。ファン８２は、内燃エンジン、又は蒸気、水力、風力もしくはガスタービン、あるいは他の駆動装置などのエンジン１０６によってカップリング１０８を介して駆動することができ、該カップリング１０８は油圧又は他の動力変換装置とすることができる。構成要素の各々は、基幹ネットワーク２２を介してＤＣＳ２０に通信可能に接続することができ、又は無線ベースステーション２６に無線送受信器１０８を介してＤＣＳ２０と通信することができる種々のセンサ及び制御機構を含むことができる。

ＤＣＳ２０は、独立して工業プラント１０を制御するよう運転することができ、又は１つ又はそれ以上の他の制御システム１１０と通信可能に接続することができる。各制御システムは、相互に、及びネットワークセグメント１１２を介してＤＣＳ２０と通信することができ、又は、例えばスタートポロジ（図示せず）であるネットワークトポロジを介して通信することができる。

連続的統合機械監視システム（ＣＩＭＭＳ）１１４は、ＤＣＳ２０及び他の制御システム１１０と通信可能な個別のアドオンハードウエア装置とすることができる。ＣＩＭＭＳ１１４はまた、ＤＣＳ２０及び／又は１つ又はそれ以上の他の制御システム１１０上で実行するソフトウエアプログラムセグメントにおいて具現化することができる。従って、ＣＩＭＭＳ１１４は、ソフトウエアプログラムセグメントの一部が幾つかのプロセッサ上で同時に実行するような、分散方式で動作することができる。その結果、ＣＩＭＭＳ１１４は、ＤＣＳ２０及び他の制御システム１１０の動作に完全に統合することができる。ＣＩＭＭＳ１１４は、ＤＣＳ２０及び他の制御システム１１０によって受け取ったデータを解析して、工業プラント１０の全体の視点から、機械及び／又は機械を使用するプロセスの健全状態を判断する。ＣＩＭＭＳ１１４は、駆動機構及び従動構成要素の結合、並びに各結合に関係するプロセスパラメータを解析して、１つの機械の機械健全性の結果を結合体内の他の機械からの機械健全徴候及び関係プロセス又は環境データと関連付ける。ＣＩＭＭＳ１１４は、各機械で利用可能な種々のセンサからの直接計測値及び工業プラント１０内の全センサ又はその一部から導出された数量を使用する。ＣＩＭＭＳ１１４は、所定の解析ルールを使用して、１つの機械の故障及び差し迫った故障を求め、該故障及び差し迫った故障を求めるのに使用されるデータを結合体の他の構成要素の運転パラメータもしくはプロセスパラメータから導出された等価なデータと自動的にリアルタイムで関連付ける。ＣＩＭＭＳ１１４はまた、機械状態の傾向分析を実施し、ＣＩＭＭＳ１１４のユーザがＣＩＭＭＳ１１４によって提供される健全評価及び傾向情報を迅速に解釈できるように、データ及び／又は傾向を種々の形式で表示することを可能にする。

種々の機械の結合体は、一般的にモータ／ポンプ、モータ／ファン、又はエンジン／ファンとして示されるが、これらの結合体は単に例証に過ぎず、ＣＩＭＭＳは駆動／従動機械の任意の結合体を解析するよう構成されている。

図２は、ＣＩＭＭＳ１１４（図１に示す）を実装するプラント制御システム２００のネットワークアーキテクチャの例示的な実施形態のブロック図である。システム１０（図１に示す）の構成要素と同様のシステム２００での構成要素は、図１で使用された同一の参照番号を使用して図２で示される。例示的な実施形態では、システム２００は、サーバシステム２０２とクライアントシステム２０４とを含む。サーバシステム２０２は更に、データベースサーバ２０６、アプリケーションサーバ２０８、ウエブサーバ２１０、ＦＡＸサーバ２１２、ディレクトリサーバ２１４及びメールサーバ２１６を含む。サーバ２０６、２０８、２１０、２１２、２１４及び２１６の各々は、サーバシステム２０２上で実行するソフトウエアで具現化することができ、あるいは、サーバ２０６、２０８、２１０、２１２、２１４及び２１６の任意の組み合わせを単独で具現化するか、又はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）（図示せず）で結合された個別のサーバシステム上で組み合わせて具現化しても良い。ディスク記憶装置２２０は、サーバシステム２０２に結合される。加えて、システム管理者用ワークステーション、ユーザワークステーション、及び／又はスーパーバイザ用ワークステーションなどのワークステーション２２２は、ＬＡＮ２２４に結合される。代替として、ワークステーション２２２は、インターネットリンク２２６を使用してＬＡＮ２２４に結合され、又はイントラネットを介して接続される。

各ワークステーション２２２は、ウエブブラウザを有するパーソナルコンピュータとすることができる。ワークステーションで通常実施される機能はそれぞれのワークステーション２２２で実施されるように示されているが、このような機能は、ＬＡＮ２２４に結合された多数のパーソナルコンピュータの内の１つで実施することができる。ワークステーション２２２は、ＬＡＮ２２４へのアクセス権を有する個人によって実施可能な種々のタイプの機能に関する理解を単に容易にするために、個別の例示的機能に関係するものとして説明される。

サーバシステム２０２は、従業員２２８を含む種々の個人、及び例えばサービスプロバイダ２３０のような第三者に通信可能に接続されるよう構成される。例示的な実施形態では、通信は、インターネットを使用して実施されるように示されているが、しかしながら、任意の他のワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）タイプの通信が他の実施形態では利用可能であり、即ち、本システム及びプロセスはインターネットを使用して実施することに限定されない。

例示的な実施形態では、ワークステーション２３２を有する許可された任意の個人はＣＩＭＭＳ１１４にアクセスできる。クライアントシステムの少なくとも１つは、遠隔位置に配置された管理者用ワークステーション２３４を含むことができる。ワークステーション２２２は、ウエブブラウザを有するパーソナルコンピュータ上で具現化できる。ワークステーション２２２はまた、サーバシステム２０２と通信するよう構成される。更に、ＦＡＸサーバ２１２は、電話リンク（図示せず）を使用してクライアントシステム２３６を含む遠隔配置のクライアントシステムと通信する。ＦＡＸサーバ２１２は、クライアントシステム２２８、２３０及び２３４と同様に他のクライアントシステムと通信するよう構成される。

ＣＩＭＭＳ１１４のコンピュータモデル及び解析ツールは、以下により詳細に説明するように、サーバ２０２内に格納され、クライアントシステム２０４の任意の１つの要求者がアクセス可能である。１つの実施形態では、クライアントシステム２０４はウエブブラウザを含むコンピュータであり、サーバシステム２０２がインターネットを使用してクライアントシステム２０４にアクセスできるようになる。クライアントシステム２０４は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、又はワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ダイアルイン接続、ケーブルモデム及び専用の高速ＩＳＤＮ回線などのネットワークを含む多数のインターフェイスを介してインターネットに相互接続される。クライアントシステム２０４は、ウエブベース電話、個人用携帯端末（ＰＤＡ）、又はウエブベース接続機器を含む、インターネットに相互接続可能な任意の機器とすることができる。データベースサーバ２０６は、以下に詳細に説明するように工業プラント１０に関する情報を含むデータベース２４０に接続される。１つの実施形態では、集中データベース２４０は、サーバシステム２０２上に格納され、クライアントシステム２０４の１つを介してサーバシステム２０２上にログオンすることにより、クライアントシステム２０４の内の１つで潜在的ユーザがアクセス可能である。別の実施形態では、データベース２４０は、サーバシステム２０２から遠隔接続で格納され、集中化されていないものとすることができる。

他の工業プラントシステムは、ＬＡＮ２２４への独立した接続を介してサーバシステム２０２及び／又はクライアントシステム２０４にアクセス可能なデータを提供することができる。双方向電子技術マニュアルサーバ２４２は、各機械の構成に関係する機械データに対する要求を提供する。このようなデータには、ポンプ性能曲線、モータ定格馬力、絶縁等級、及びフレームサイズのような動作能力、及び寸法、ロータバー数又はインペラブレード数などの設計パラメータ、並びに、機械に対する現場変更、発見時及び事後アライメント計測値、及び機械をその元の設計状態に復元しない機械に対して行われた修理などの機械メンテナンス履歴が含まれる。加えて、サーバシステム２０２は、所定及び／又は選択可能な設定値をＤＣＳ２０へ送ることができる。このような設定値は、装置結合体に対する所定の制限に基づいて決定することができ、その能力を、機械履歴、発見時、及び／又は事後検査結果に基づいて制限する。他の規則決定もまた、ＤＣＳ２０へ送ることができる。

携帯型振動モニタ２４４は、直接あるいはワークステーション２２２又はクライアントシステム２０４内に含まれるポートなどのコンピュータ入力ポートを介して断続的にＬＡＮに結合することができる。典型的には振動データは、例えば毎月又は他の周期の周期的に所定の機械リストからデータを収集するある経路で収集される。振動データはまた、トラブルシューティング、メンテナンス、及び試運転活動と併せて収集することができる。このようなデータは、ＣＩＭＭＳ１１４のアルゴリズムに対して新しいベースラインを提供することができる。プロセスデータは、同様に１つのルート基準に対して、又は、トラブルシューティング、メンテナンス、及び試運転活動期間に収集することができる。特定のプロセスパラメータは常時計装することができず、特定のプロセスパラメータがＣＩＭＭＳ１１４へアクセス可能となるように、携帯型プロセスデータ収集器２４４を用いてプラント制御システム２００にダウンロード可能なプロセスパラメータデータを収集することができる。プロセス流体化学分析計及び汚染排出分析計などの他のプロセスパラメータデータは、複数のオンラインモニタ２４６を介してプラント制御システム２００に提供することができる。

種々の機械に供給されるか、工業プラント１０内の発電機によって発生される電力は、例えば、限定ではないが、各機械に関連する保護リレーのようなリレー２４６によって監視することができる。具体的には、このようなリレー２４６は、機械に給電するモータコントロールセンタ（ＭＣＣ）又はスイッチギヤ２５０における被監視装置から遠隔位置に配置される。リレー２４６に加えて、スイッチギヤ２５０はまた、監視制御及びデータ収集システム（ＳＣＡＤＡ）を含むことができ、該データ収集システム（ＳＣＡＤＡ）は、例えば、開閉所又は遠隔送電線遮断器及びラインパラメータなどの工業プラント１０に配置された電源又は給電システム（図示せず）機器の状態をＣＩＭＭＳ１１４に提供する。

図３は、ＣＩＭＭＳ１１４によって解析される複数の駆動／従動機械結合体の１つとすることができる、例示的なモータ／ポンプ結合体３００の斜視図である。ＣＩＭＭＳ１１４を用いて、ポンプ、タービン、ファン、ブロア、及び圧縮機を含む回転装置、変圧器及び触媒反応器などの非回転装置、又は他のタイプの装置を監視及び解析することができる点に留意されたい。ポンプ及びモータ結合体は、例証として示されている。ポンプ／モータ結合体３００は、モータ３０２及びポンプ３０４を含む。モータ３０２は、電動機、ディーゼルエンジン又はタービン、もしくは他の動力源とすることができる。モータ３０２は、カップリング３０６を介してポンプ３０４に運転可能に接続される。ポンプ３０４は、入口３０８及び出口３１０を含む。制御バルブ３１１は、ポンプ３０４の出口３１０から下流側に配置することができる。制御バルブ３１１は、ＤＣＳ２０から受け取った命令に応答して、選定された運転設計パラメータの範囲内でポンプ及びモータ結合体を運転することができる。また、制御バルブ３１１を用いて、ポンプ３０４を通過する流量を配管及びプロセスシステム要件を満足するよう制御する。信号をバルブ操作器３１３へ供給することによって制御バルブ３１１を閉じると、流れに対する流体抵抗が増大し、ポンプ３０４が高圧かつ低流量で運転される。同様に制御バルブ３１１を開けると、流体抵抗が減少し、流量速度が増大して圧力が相対的に低下するようになる。

ヘッドタンク（図示せず）は、ポンプ３０４の入口３０８から上流側に配置することができる。ヘッドタンクは、レベルセンサを含むことができ、ポンプ３０４に十分なヘッド圧力を与えて、ポンプ３０４内でキャビテーション状態が発生するのを回避できるようにする。プロセスセンサは、出口圧力センサ３１２を含むことができ、該出口圧力センサ３１２は、ポンプ出口圧力を測定するためにポンプ３０４の出口に近接して位置付けられる。プロセスセンサはまた、ポンプ３０４の下流側でのプロセス流体の流量を測定するためのフローメータ３１４と、プロセス流体の温度を測定するためにポンプ３０４の上流側又は下流側に近接して位置付けられる温度センサ３１６と、回転機械入口圧力を測定するためにポンプ入口３０８に近接して位置付けられる入口圧力センサ３１８と、バルブ位置センサ３２０とを含むことができる。

バルブ位置センサ３２０は、制御バルブ３１１に結合可能であり、電気信号をディジタル信号に変換するために入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置３２２と通信して、センサ信号を前処理し、及び／又は信号を生データとしてＤＣＳ２０に伝送する。バルブ位置センサ３２０は、制御バルブ３１１の位置を測定するのに使用され、バルブ位置センサ３２０は、ポンプ３０４を通過する流量を計算するための確認方法の入力を提供することができる。バルブ３１１を通過する流量は、制御バルブ３１１の位置、バルブ３１１両端の圧力降下、並びに既知の流体特性及びポンプの幾何形状、及び／又はポンプ３０４に提供されるポンプ性能曲線から計算することができる。流体特性、ポンプ幾何形状、及び／又はポンプ性能曲線は、例えば双方向電子技術マニュアルサーバ２４２上などのＣＩＭＭＳ１１４と関係するデータベース内に格納することができる。従って、バルブ３１１を通過する流量は、原データとして格納することができる。この情報は、ポンプ供給業者から提供されるポンプ性能曲線がない場合に、ベースラインヘッド対流量性能基準曲線の作成を可能にし、ポンプ３０４を監視するセンサの作動を確認する代替的方法を提供する。例えば、フローメータ３１４故障時には、該故障は、ポンプ３０４又は結合体３００の他の構成要素の故障よりもむしろ、フローメータ３１４に対して隔離することができる。

使用可能な追加のセンサは、限定ではないが、振動センサを含み、該振動センサは、加速度計で具現化することができ、他の振動センサは、ポンプの外側近接センサ３２６、ポンプの内側近接センサ３２８、Ｋｅｙｐｈａｓｏｒ（登録商標）３３０などの１回転当たり１事象を発生させる変換器、及びスラストセンサ３３２とすることができる。モータ３０２は、モータ３０２内の過熱及び／又は過負荷状態を測定するための巻線温度センサ３３４、及びモータベアリング３３８の作動状態を確認するためのベアリング温度センサ３３６を含むことができる。モータ３０２に供給される電気エネルギの電流及び電圧は、モータ３０２に給電するＭＣＣでローカル又は遠隔接続で監視することができ、あるいは、リレー２４６によって監視してもよい。

可変速度駆動装置（ＶＳＤ）３４０は、ケーブル３４２を介してモータ３０２に電気的に結合することができる。ＶＳＤ３４０はまた、ＤＣＳ２０に通信可能に結合して、モータ３０２の回転速度を変える命令を受け取って選択された流量及び圧力を提供することができる。

図４は、ＣＩＭＭＳ１１４（図１に示す）の例示的な実施形態を実装するためにＤＣＳ２０に使用可能なデータ制御構造４００のブロック図である。ＤＣＳ２０は、ＤＣＳ２０内部のプロセッサ２４上で実行するＣＩＭＭＳ１１４を含むことができる。代替的に、ＣＩＭＭＳ１１４は、コンピュータ、ワークステーション、及び／又はクライアントシステム処理機などのスタンドアロン処理プラットフォームとしてＤＣＳ２０から別個に動作することができる。

ＤＣＳ２０は、ＤＣＳ２０内部で種々の機能を実行する複数のハードウエア層４０２を含むことができる。例えば、通信層４０４は、基幹ネットワーク２２を介して複数の機器から情報を受け取ることができる。少なくとも幾つかの機器は、例えば、出口圧力センサ３１２、フローメータ３１４、温度センサ３１６、入口圧力センサ３１８、バルブ位置センサ３２０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）機器３２２、加速度計３２４、ポンプ外側近接センサ３２６、ポンプ内側近接センサ３２８、キーフェーザ３３０、スラストセンサ３３２、巻線温度センサ３３４、及び軸受温度センサ３３６などのプロセス監視機器である。加えて、他のモータ／ポンプ結合体、駆動／従動結合体、被監視電気設備、公害防止設備からのセンサ、及びプラント１０に関係する環境センサは、基幹ネットワーク２２を介して又は専用入力を介して直接的にＤＣＳ２０への通信を形成することができる。他の分散制御システム及びスキッドコントローラは、同様にＤＣＳ２０と通信することができる。

通信層４０４によって受け取られたデータは、データバス４０６に伝送される前に、通信層４０４によって前処理することができ、通信層４０４によって基幹ネットワーク２２に伝送されるデータは、通信層４０４に通信可に結合される機器によって使用される種々のプロトコルとの互換性に必要な後処理を行うことができる。ＤＣＳ２０は、データをデータバス４０６から受け取るように構成されたデータ処理層４０６を含むことができる。データ処理層４０６は、受け取ったデータ値を所定限界値と比較して、障害のある計器及びセンサを確認することができる。ＤＣＳ２０はまた、アーカイブ層４０８を含むことができ、ここでは、後続処理、傾向管理、時間基準解析、及びユーザによって選択可能な形式での出力機器への出力のためにデータを格納することができる。データ解析層４１０を用いて、通信層４０４を介して受け取ったデータを信号処理することができる。このような信号処理は、限定ではないが、平均、標準偏差、ピーク検出、相関、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、及び復調を含むことができる。特定の計算は、数学的アルゴリズム、論理ルールベース、及び／又は、ソフト計算とすることができ、該ソフト計算は、不正確さに対する許容誤差、扱い易さを達成するための不確実性及び部分的真理、ロバスト性、並びに低コストな問題解決を利用して、例えば計算及び決定からなる多次元連鎖を含むファジー論理及び／又はニューラルネットワークプロセスを含む。計算はまた、統計解析及びデータベース管理プロセスを含むことができる。幾つかのアルゴリズムでは、計算は入力パラメータに基づいて直接実施される。幾つかのアルゴリズムは、特定のアプリケーションに対して生成することができるデータ変換を使用するか、又は、例えば種々のタイプの信号解析のような標準的技術を使用することができる。また、特定の状態の診断に対するルールベース手法及び／又は信号解析で複雑なパターン認識に適用可能なニューラルネットワークに基づく複雑な計算などの人工知能に基づく計算を使用することができる。

データ解析層４１０は、ＤＣＳ２０で実行するソフトウエア、又はデータバス４０６に通信可能に結合された個別の解析器で具現化することができる。データ解析層４１０はまた、回路カード、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はアナログ又はディジタル論理回路などの１つ又はそれ以上のハードウエア解析器で具現化することができる。

ＣＩＭＭＳ１１４は、データバス４０６に通信可能に結合された複数のソフトウエア層４１４を含むことができる。ソフトウエア層は、例えばパラメータが計装されないことにより、直接計測することができないパラメータ値を計算するために、ＤＣＳハードウエア層４０２内で利用可能なデータを使用できる導出量層４１６を含むことができる。例えば、パイプ内で計装された点から遠隔位置の圧力損失は、圧力、流量、流体力学及び配管特性の既知の値に基づいて計算することができる。各導出量は、その特定の導出量を計算するために利用可能なデータ量に基づいて互いに異なるレベルの確実性を有する可能性があり、例えば、１つの導出量を計算するのに使用される圧力センサは、他の導出量を計算するのに使用される圧力センサと比べてより大きな精度又はより小さな精度を有する可能性がある。導出量層４１６は、複数の圧力センサを使用して単一の導出量を計算できる。導出量層４１６は、計測時に最高精度を示す圧力センサを使用して導出量を決定することができる。その後、異なる運転条件下では、導出量層４１６は、別の圧力センサを選択して導出量を計算することができる。あるいは、導出量層４１６は、両方の圧力センサを選択して導出量を計算することができるが、システムの運転条件に基づく計算に対する寄与度を各圧力センサに重み付けすることができる。導出量層４１６は、プラント１０の内部で計測される１つ又はそれ以上のパラメータと同一とすることができる、プラント１０での任意の所望のパラメータに対する導出量を計算することができる。

導出量層４１６はまた、プラント１０内の計測量に関係するデータからなる検証集合を計算できる。例えば導出量層４１６は、ハードウエア層４０２から受け取った計測されたプロセスパラメータを、計測された他のプロセスパラメータから導出された値及び／又は他の導出量と比較して、センサ及び／又はデータ処理機器の操作性及び／又は精度を確認することができる。例えば、ポンプから受け取った振動データは、１つ又はそれ以上の振動パラメータの著しい増大を示す場合がある。導出量層４１６は、限定ではないが、ポンプ流量、出口圧力、モータ電流、及び／又は工業プラントの他の計測されたパラメータなどの計測量及び／又は導出量を使用して、ポンプ振動に係る問題の性質を確認することができる。このような解析は、関係するモータ／ポンプ結合体の計測量、他システムの計測されたパラメータ、及び／又は導出量を使用してリアルタイムで実施される。ポンプ診断及び／又は状態評価に対して利用可能なデータを増加させるために更なる解析を開始することができる。例えば、導出量層４１６は、更なるデータ抽出のために受け取った振動データを振動解析器に伝送することができる。従って、関係するモータ／ポンプ結合体の計測量、他システムの計測されたパラメータ、及び／又は導出量と組み合わされた抽出データを用いて、ポンプの状態を決定することができる。

ルール集合層４１８は、工業プラント１０内の各装置結合体３００及び装置の個々の部品に対する所定のルールの集合を含む。このようなルール集合は、例えばモータ／ポンプ結合体のである所与のシナリオに対してデータを取り込み、所与の入力に基づいて性能又は欠陥を自動的に計算及び決定することができる。ルール集合は、機械に関して学習してきた知識領域に基づいてルールをグループ化したものであり、知識領域の専門家を必要とせずに、計算と解析の組み合わせを実施する。

勧告層４２０は、計測されたプロセスパラメータ、導出量、信号処理アルゴリズム、及び分析計出力を監視して、ルール集合にアクセスし、装置状態のトリガ点を決定する。トリガ点は、例えば携帯型データ収集器、あるいはＤＣＳ２０もしくはＣＩＭＭＳ１１４の内部に統合されていない装置から追加データを収集するように勧告するなどの措置を開始させるのに使用される。他の措置は、選択されると、故障を受けた装置の休止、代替流路の整列、及び故障を受けた装置に対して冗長な装置結合体の起動などの軽減段階を開始することができる命令スクリプトといった軽減処置の勧告を含むことができる。勧告層４２０は、故障を受けた装置結合体を、装置結合体のメンテナンス活動を行う状態にするように命令を開始できるメンテナンス処置を勧告することができる。加えて、勧告層４２０は、双方向オンライン技術マニュアルを使用して設計図面及びメンテナンス手順をメンテナンス処理中にメンテナンス要員に表示し、人手による収集データ及び検査結果を直ちに更新して、プラントエンジニア及び運転要員が直ちに利用できるようにすることができる。勧告層４２０は、人手により入力された収集データ及び検査結果を使用して、別の勧告を作成するためにルール集合層４１８からの他のルールを適用することができる。例えば、ポンプシャフト寸法のマイクロメータ読み値が基準パラメータを超えたことを示すと、ポンプを運転可能な状態へ戻すには、現場での簡単な修理ではなく、修理工場での再生が必要となる。勧告層４２０は、計測されたプロセスパラメータ、導出量、及びルール集合層４１８内に格納されたルールを評価した結果として運転処置を勧告することができる。運転処置は、寿命、平均故障間隔、及び／又は次回休止までの延長運転を延ばすことができる一連の段階を通じて運転要員を案内することができる。運転処置は、ルール集合４１８を使用して、運転サイクルの交替、運転限界の２次的限界への拡大、及び故障装置に応力を加えるルーチン処置の延期を勧告することができる。

表示層４２２は、モニタ、プリンタ、データファイル、及び／又は解析及び／又はポケットベル及び／又は電子メールクライアントへの転送用の他のソフトウエアモジュールに送ることができる表示出力を生成する。表示層４２２は、選択可能なユーザ入力に従って、表示出力をフォーマットすることができる。このような表示は、限定ではないが、現在値、棒グラフ、マシントレーン図、警報／システム事象リスト、傾向／多変数傾向グラフ、テーブル状リスト、時間基準、軌道／時間基準、軌道、シャフト平均中心線、スペクトル／フルスペクトル、ｘ−ｙプロット、ウォーターフォール／フルウォーターフォール、極／許容領域、ボード線図、カスケード／フルカスケード、往復圧縮機プロット、ロッド位置、圧縮機マップ、Ｐ−Ｖ図、ＬｏｇＰ−ＬｏｇＶ図、圧力対クランク角、極、及びフェーザプロットなどを含むことができる。

図５は、装置結合体３００（図３に示す）を監視するための例示的なデータフロー経路のデータフロー図である。駆動／従動結合体３００は、タービン、エンジン、及び／又はモータ３０２などの駆動機械と、発電機、圧縮機、及び／又はポンプ３０４などの従動機械とを含む。モータ３０２及びポンプ３０４は、一般的に、これらのそれぞれの軸によって可変速カップリング、変速機、ベルト＆プーリー構成、又は他のカップリング機器（図３に示す）を介して互いに連結される。モータ３０２及びポンプ３０４は、プロセス、環境、及び機械センサ（図３に示す）からなる一式によって監視することができる。これらのセンサからの出力は、種々のデータ収集機器によって、例えば限定ではないが、光ファイバケーブル５０２、ツイストペアケーブルなどの銅線ケーブル５０４、無線接続５０６、及びディジタルネットワークセグメント５０８といった１つ又はそれ以上のデータ伝送電線管を介して伝送することができる。１つ又はそれ以上のデータ収集機器５１０、５１２及び５１４は、センサから信号を受け取り、センサ出力を表すデータをＤＣＳ２０に伝送する前に、少なくとも信号の一部を前処理することができる。工業プラント１０内の複数の場所からのプロセスデータは、該プロセスデータをＤＣＳ２０に伝送する前に前処理することができる現場入力／出力（Ｉ／Ｏ）キャビネット５１６を使用して収集することができる。１つ又はそれ以上のデータベースは、例えば限定ではないが、機械の銘板データ、工業プラント及び構成要素設計データ、検査結果及び一時的運転制限を含む構成要素メンテナンス履歴、及び測定されたパラメータを使用して運転パラメータの導出を可能にする周期的に更新可能な他のデータといったオフラインデータ５１８を格納することができる。

ＤＣＳ２０は、工業プラント１０内に配置された装置、あるいは遠隔位置で工業プラント１０に関係する装置から計測されたパラメータを受け取り、工業プラント装置を修正する制御出力を生じる所定の論理を備えている。連続的統合機械監視システムＣＩＭＭＳ１１４は、ＤＣＳ２０と１つ又はそれ以上のネットワークセグメント５２０にわたり双方向に通信することができ、又はＤＣＳ２０に統合されてプロセッサ２４上で実行可能である。ＣＩＭＭＳ１１４は、ルール集合のデータベースを含み、該ルール集合は、計測されたパラメータと該計測されたパラメータ及びオフラインデータ５１８に基づく導出量とを使用して工業プラント装置を監視するように構成される。ルール集合は、ルール集合入力の解析を命令して解析結果をルール集合出力上に出すルールを含む。ルール集合は、モータ／ポンプ結合体などのプラント資産に特有のルールを含むことができ、又は、冷却水装置などの工業プラントシステムに特有のルールを含むことができる。ルール集合は、１つより多いプラント資産に適用可能であり、１つ又はそれ以上のアルゴリズム、信号処理技術、及び／又は波形解析パラメータを使用して、ルール集合の出力を入力パラメータに関係付けるよう作動させることができる。結合体３００などの特定のプラント資産への適用時には、ルール集合２８０のルールは、プラント装置、及び結合体３００と流体連通可能であるが遠隔位置にある駆動／従動結合体に対して測定されたパラメータ及び導出量を使用する。従って、他のプラント装置に関する導出量を用いて、結合体３００に関係する測定されたパラメータを確認することができ、例えば、パラメータを計測可能なセンサが存在しないか又はセンサ故障に起因して直接計測することができない結合体３００に関係するパラメータについての情報を提供することができる。

故障検出時及び／又は故障予測時には、ＣＩＭＭＳ１１４は、故障による影響を軽減する自動制御措置を開始させるように入力をＤＣＳ２０への入力を供給することができ、及び／又は、オペレータに故障の通知を提供してオペレータが取るべき措置に対する勧告を生成することができる。

技術的成果は、監視及び制御機能並びにエキスパートシステムによる解析を複数のデータ源で動作する決定システムに統合し、プロセスパラメータの導出量の代用によって装置結合体の健全状態の解析及びセンサの健全状態と精度の検証が可能となることである。本統合により、ルール集合は連続的に更新される同時発生データに基づく勧告を生成することによって監視、制御、解析、及びメンテナンスを管理して最良の決定がなされることを保証することができる。本ルール集合は、現場での実際の知見と勧告された処置との比較に基づいて更新される。

本発明を、工業プラントを参照して説明したが、多数の他の応用が企図される。本発明は、商業施設や、船舶、航空機及び列車などの移動体や、オフィスビル又はキャンパスビルだけでなく、製油所及びミッドストリーム液体施設、及び工場などの個別の製品を製造する施設といった施設を含む任意の制御システムに適用することができる。

上述のリアルタイム装置監視システムは、施設の運転及びメンテナンスを監視し管理するためのコスト効果があり信頼性の高いシステムである。より具体的には、本明細書で説明した方法及びシステムは、施設の機械の健全状態をリアルタイムで測定して、健全でない、すなわち故障した機械の影響を修正又は軽減する措置を勧告することを可能にする。その結果、本明細書で説明した方法及びシステムは、コスト効果があり信頼性のある方法で運転コストを低減することができる。

リアルタイム装置監視システムの例示的な実施形態を上記に詳細に説明した。本システムは本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、各システムの構成要素は本明細書で説明した他の構成要素から独立して別個に利用することができる。各システムの構成要素はまた、別のシステムの構成要素と結合して使用してもよい。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

工業プラントの例示的な装置レイアウトのブロック図。 図１に示す連続的統合機械監視システム（ＣＩＭＭＳ）を実装するプラント制御システムのネットワークアーキテクチャの例示的な実施形態のブロック図。 図１に示すＣＩＭＭＳによって解析される複数の駆動／従動機械結合体の１つとすることができる例示的なモータ／ポンプ結合体の斜視図。 図１に示すＣＩＭＭＳの例示的な実施形態を実装するためにＤＣＳに使用可能なデータ制御構造のブロック図。 図３に示す装置結合体を監視するための例示的なデータフロー経路のデータフロー図。

符号の説明

１０ 施設
６０ 装置の個々の部品
３００ 装置結合体

Claims (7)

1. 各々が少なくとも１つの他の装置結合体と流体連通可能な、少なくとも１つの駆動機械及び従動機械を含む複数の装置結合体を有する施設（１０）を運転する方法であって、
   前記複数の装置結合体（３００）の各々において複数の計測されたプロセスパラメータをリアルタイムで受け取る段階と、
   コンピュータを用い、前記複数の装置結合体のうち少なくとも第１の装置結合体に関連する少なくとも１つの計測されたプロセスパラメータと、前記複数の装置結合体のうち少なくとも第２の装置結合体に関連する少なくとも１つの測定されたプロセスパラメータとから、前記複数の装置結合体の少なくとも１つに関連し且つ前記計測されたプロセスパラメータと比較された少なくとも１つの導き出された量を算出し、少なくとも１つのセンサの動作性を確認する段階と、
   前記計測されたプロセスパラメータ及び前記少なくとも１つの導き出された量に基づいて装置運転に対する変更をオペレータに勧告する段階と、
   を含む方法。
2. 前記複数の計測されたプロセスパラメータを受け取る段階が、計測されたプロセスパラメータを断続的に受け取る段階を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記導き出された量を算出し、センサの動作性を確認する段階は、該少なくとも１つの導き出された量をリアルタイムで算出する段階を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの導き出された量を算出する段階が、
   前記少なくとも１つの導き出された量の各々に関係する計測されたプロセスパラメータを受け取る段階と、
   ルール集合からの少なくとも１つのルールを使用して前記少なくとも１つの導き出された量の各々を算出する段階と、
   を含む請求項１に記載の方法。
5. 前記計測されたプロセスパラメータ、前記少なくとも１つの導き出された量、前記装置結合体の設計仕様、前記装置結合体のメンテナンス履歴、及びエキスパートデータベースの内の少なくとも１つを使用して装置結合体に対するルール集合を生成する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
6. 遠隔入力／出力装置から計測された前記プロセスパラメータを前記コンピュータが受け取る、請求項１に記載の方法。
7. 携帯型データ収集器計測された前記プロセスパラメータを前記コンピュータが受け取る、請求項１に記載の方法。
   

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