JP5928776B2 - 機械監視システム - Google Patents

Description

本発明の分野は概して、機械状態の監視に関し、特に、機械について監視された状態を用いてその機械の残存寿命をほぼリアルタイムで監視する方法及びシステムに関する。

石油、ガス、及び発電等の、これらに限定されない少なくとも幾つかの既知のユーティリティ産業においては、ピーク需要期間は、主要な設備を最大能力で稼働させることにより、例えば１バレル当たりの原油価格及び／又は１キロワット時あたりの電気料金が比較的高い期間等、所与の市場の状態において利益を得ることが不可欠である。

入手可能なデータによると、設備が利用できない要因の１つは、定期メンテナンスによるダウンタイムである。多くの場合、このようなメンテナンスは、設備の状態によって必要なわけではなく、時間的要件によって規定されている。状態に基づくメンテナンスに移行することにより、付加価値の無い検査及びメンテナンスを無くすとまではいかなくても、低減することはできる。

米国特許第７３０５３３０号明細書

現在、設備の劣化程度に関してプラント技術者が検査前に入手可能な情報は殆ど無く、寿命を延長する余地も無い。固定間隔の検査スケジュールを適用する場合、寿命の劣化に関する情報を入手できるのは、検査実行後でしかない。寿命の延長に伴う利益を調べられるのも、次の検査の実行後でしかない。たとえ、２回の検査の間に寿命に関する劇的な変化があったとしても、この変化の目安は無い。残存寿命を特定してリスクを軽減するためのサイクル時間は、非常に長い。最も劣化した機械又は直ちに配慮を要する機械の特定は、困難である。また、フィルタの清掃や潤滑等の間欠的なメンテナンス行為の効果も、次の検査の時点まで確認又は追跡することができない。

一実施例において、機械監視システムは、機械の表面に取り付けられたハウジングと、機械の状態を示す機械のパラメータを監視して個別の出力信号を生成するように構成された複数のセンサと、ハウジング内に配置された、個別の出力信号を受信して個別の出力信号に基づいて補正済みの出力を生成するように構成されたボーティグモジュールと、を含む。機械監視システムは更に、ハウジング内に配置された、機械の構造に関する手動入力関数を格納するように構成された格納場所を含むメモリ装置と、ハウジング内に配置された、ボーティグモジュール及びメモリ装置に通信可能に結合された寿命計算器であって、補正済みの出力及び手動入力関数を使用して機械の残存寿命を判定するように構成された寿命計算器と、ハウジング内に配置された、機械の残存寿命を表示するように構成されたディスプレイと、を含む。

別の実施例において、機械の状態を監視する方法は、監視対象の機械に取り付けられた機械状態監視装置で複数のセンサ出力を受信するステップであって、センサ出力は、機械の少なくとも１つの部品の寿命に関連付け可能な機械のパラメータに関連付けられるステップと、機械状態監視装置内の格納場所から、格納場所に手動で格納された入力関数を受信するステップであって、この入力関数は機械の構造に関連しているステップと、を含む。本方法は更に、機械状態監視装置内に配置された寿命計算器により、受信した複数のセンサ出力及び受信した入力関数を使用して機械の残存寿命を定期的に判定するステップと、機械の判定された残存寿命を機械状態監視装置上に表示するステップとを含む。

更に別の実施例において、電気機械システムは、電気巻線と、電気巻線の近傍に配置された温度センサと、電気機械に結合された、温度センサに通信可能に結合された機械監視システムであって、メモリを有するプロセッサを含む機械監視システムと、を含む。プロセッサは、電気巻線の温度に関する信号を温度センサから受信し、メモリから電気機械の構造に関する情報を受信し、受信した信号及び受信した情報を使用して機械の残存寿命を判定し、残存寿命を機械監視システム上に表示するようにプログラムされる。

本発明の実施例による機械監視システムの概略ブロック図である。 図１に示す機械監視システムのデータフローのブロック図である。

図１及び図２は、本明細書に記述される方法及びシステムの実施例を示す。

下記の詳細な記述では、本発明の実施形態を限定目的ではなく例示目的において説明している。本発明は、産業、商業、住宅用途の機械残余寿命を監視する解析的且つ系統的な実施形態全般への適用が期待される。

本明細書で使用する、単数名詞で列挙された要素又はステップは、特に言及しない限り、複数の要素又はステップを排除しないものと理解されたい。また、本発明の「一実施形態」という表現は、列挙した特徴を含む更なる実施形態の存在を排除しないものとする。

本発明の実施例は、これに限定されないがモータのステータ巻線等の、機械部品の残存寿命をユーザーに通知する、機械上に取り付けられた寿命計算器を含む。この計算器は、あらゆるタイプの大型モータ及びあらゆる種別の巻線の絶縁に使用可能である。この計算器からの出力を使用して、メンテナンスを予防的にスケジューリングすることによって状態に基づく監視に移行できる。モータのコストの約６０％は巻線に起因する。モータ巻線の寿命を決定する要因は動作温度であり、大抵の場合、動作温度がその絶縁種別の定格動作温度を大幅に下回っているときは、寿命が長くなり、メンテナンスに伴う機能停止までの時間が長くなる。プログラミングされた機能とデータ記憶装置とディスプレイとを含むマイクロプロセッサベースのオンボード型の装置を使用した比較的新規な高速演算を使用して、計算を実行するとともに、データを格納及び表示する。

本発明の実施例を使用して解決される主要な課題の幾つかには、検査どうしの間に入手可能な、状態に関する情報が増加すること、利益が早期にわかること、設備の損失を早期検出によって最小限に抑えること、メンテナンスサイクル時間が低減すること、状態に基づく改善が促進されること、及び将来のメンテナンス事象の予測／優先順位付けが含まれる。

大きなリスクの可能性があるプラントの場所が特定され、限られた資源で最大限の動作上の利益を得る。機械の残存寿命の変化を継続的に追跡することにより、プラントのオペレータは、特定の場所に付随する潜在的なリスクを予測し、適切な措置を優先的に行うことができる。

図１は、本発明の実施例による機械監視システム１００の概略ブロック図である。この実施例において、機械監視システム１００は、これに限定されないが電気モータ等の機械１０６のケーシング１０４に結合されたハウジング１０２を含む。この実施例において、機械監視システム１００は、ケーシング１０４の半径方向外側の周表面１０８に結合される。様々なその他の実施例において、機械監視システム１００は、単一の筺体内で機械１０６に取り付けられている。機械監視システム１００は更に、機械１０６の状態及び／又は残存寿命を示す機械１０６のパラメータを監視するように構成された１つ又は複数のセンサ１１０も含む。この実施例において、センサ１１０は、個別のモータ巻線１１２の近傍に配置された温度センサを有する。この実施例において、巻線１１２どうしは、機械１０６を中心として周方向に約１２０°だけ離間しているため、センサ１１０どうしも、機械１０６を中心として周方向に約１２０°だけ離隔している。センサ１１０は、個別の管路を使用して、或いは無線で、機械監視システム１００に通信可能に結合される。機械１０６の状態に関する信号が、機械監視システム１００のプロセッサ１１４によって受信される。このプロセッサは、ボーティグモジュール１１６と、メモリ装置１１８と、寿命計算器１２０とを含む。

ボーティグモジュール１１６は、プロセッサ１１４の一部分として、ハードウェア或いはプロセッサ１１４上で実行されるソフトウェアとして実装可能であり、個別の出力信号を受信し、ｆａｉｌ状態ではないと判定された個別の出力信号に基づいて補正済みの出力を生成するように構成される。一実施例において、ボーティグモジュール１１６は、単純なボーティグ法を使用し、センサ１１０から受信されるその他の信号と比べて外れ値であると考えられる信号を切り捨てる。様々なその他の実施例においては、高度なセンサ状態アルゴリズムを使用してセンサ１１０の状態を判定し、プロセッサ１１４への入力データを検証する。

メモリ装置１１８は、機械の構造に関する手動入力関数を格納するように構成された格納場所を有する。このような手動入力関数には、材料、電気特性、回転速度、冷却システム能力、これに限定されないがロータ電流やステータ電流等の電気パラメータ、空隙サイズ、及び磁束密度に関する情報が含まれる。

寿命計算器１２０は、プロセッサ１１４の一部として、ハードウェア或いはプロセッサ１１４上で実行されるソフトウェアとして実装可能であり、ボーティグモジュール１１６及びメモリ装置１１８に通信可能に結合される。寿命計算器１２０は、補正済みの出力信号及び手動入力関数を使用して機械１０６の残存寿命を判定するように構成される。また、寿命計算器１２０は、生成された個別の出力信号の百分率値を判定するように、或いは所定時間にわたる生成された個別の出力信号の平均値の百分率値を判定するように構成される。寿命計算器１２０は、所定時間にわたる生成された個別の出力信号の平均値の百分率値を使用して残存寿命出力を決定するように構成される。様々な実施例において、寿命計算器１２０は、センサ１１０からの個別の出力信号又はボーティグモジュール１１６からの補正済みの出力が、所定の閾値範囲を超えていることを判定し、この超過を示す出力を生成するように構成される。更には、寿命計算器１２０は、外部のシステム又はディスプレイ１２２への将来的な出力のために、算出された出力を機械監視システム１００上において格納するように構成される。

この実施例において、機械監視システム１００は更に、機械監視システム１００の外部から見ることができる一体型のディスプレイ１２２も含む。様々な実施例において、ディスプレイ１２２は、着脱自在のカバーに覆われた状態で機械監視システム１００内に存在するか、或いは、その他の方法によって機械監視システム１００の外部の環境から保護される。

機械監視システム１００の動作のための電力は、これに限定されないが電池又はキャパシタ等の交換可能且つ／又は充電可能な電源１２４によって供給可能である。また、電源１２４は、巻線１１２の磁気的な相互作用を用いて電力を受け取るように構成された無線電源システム１２６又は変圧器システム１２８にも実装可能である。

また、機械監視システム１００は、プロセッサ１１４に通信可能に結合された出力接続部１３０も含む。

図２は、（図１に示される）機械監視システム１００のデータフローのブロック図である。この実施例において、機械監視システム１００は、機械１０６の１つ又は複数の動作パラメータを監視するように配置された複数のセンサから出力信号２０２を受信する。これらの動作パラメータは、出力信号２０２を解析することによって機械１０６の残存寿命を判定できるように選択される。出力信号２０２は、この実施例において、ボーティグ法を使用して検証される（２０４）。３つから２つを選ぶ単純なボーティグ法を使用して、更なる処理における使用に最適な２つの信号を３つの信号２０２から選択する。複数のセンサのうちの１つに障害が発生した場合は、他の２つのセンサが、検証済みの又は補正済みの出力信号２０６を引き続き供給する。補正済みの出力信号２０６を使用して百分率に基づくパラメータ出力２０８を生成し、これらのパラメータ出力を、構造の材料、電気特性、回転速度、冷却システム能力、これに限定されないがロータ電流やステータ電流等の電気パラメータ、空隙の大きさ、及び磁束密度に関する機械情報を含む手動入力関数２１０と組み合わせることにより、監視対象の部品の残存寿命を判定する（２１２）。監視対象の部品は、本例では電気機械のステータ巻線である。その他のパラメータを使用してその他の部品の寿命を判定してもよく、例えば振動パラメータを使用して、機械のベアリングの残存寿命を判定できる。手動入力関数２１０は、通常、機械１０６が新品のとき、及び機械が改修品の場合は手動入力関数２１０によって記述される機能のいずれかを変更するときに、機械監視システム１００に入力される。判定された残存寿命は、機械監視システム１００上に表示される（２１４）か、或いは、機械監視システム１００上に格納され、後でメンテナンス管理システム（図示せず）に出力される（２１６）。

本明細書で使用するプロセッサという用語は、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、及び本明細書に記載の機能を実行する能力を有する任意のその他の回路又はプロセッサを意味する。

本明細書で使用する「ソフトウェア」及び「ファームウェア」という用語は、相互交換可能であり、プロセッサ１１４による実行のために、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含むメモリ内に格納された任意のコンピュータプログラムを含む。なお、前述のメモリタイプは、あくまでも例示を目的とするものなので、コンピュータプログラムの格納に使用可能なメモリタイプを限定するものではない。

以上の記載から明らかなように、上述の本開示の実施例は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はこれらの任意の組合せ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング又はエンジニアリング技法を使用して実施可能である。この場合の技術的効果は、ほぼリアルタイムで個別の部品の動作データを局所的に監視し、機械の部品の残存寿命又は機械全体の複合的残存寿命を算出することであり、この残存寿命は、機械のデジタルディスプレイを使用して視認可能である。このような結果的に得られるコンピュータ可読コード手段を有するプログラムを１つ又は複数のコンピュータ可読媒体内で実施又はこれに備えることにより、本開示で論じた実施例によるコンピュータプログラムプロダクト、即ち製品を製造可能である。コンピュータ可読媒体は、これに限定されないが例えば固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）等の半導体メモリ、並びに／或いは、インターネットやその他の通信ネットワーク又はリンク等の任意の送受信媒体である。コンピュータコードを有する製品の製造及び／又は使用は、コードを１つの媒体から直接的に実行することにより、１つの媒体から別の媒体にコードを複写することにより、或いはコードをネットワーク上で伝送することにより可能である。

受信したセンサ出力及び受信した入力関数を使用して機械の残存寿命を定期的に判定する方法及びシステムの上述の実施例は、機械の状態を監視する費用効率に優れた信頼性の高い手段を提供する。具体的には、本明細書に記載の方法及びシステムにより、機械上で局所的に実施されるデータ収集及び計算の実行が容易になる。結果として、本明細書に記載の方法及びシステムにより、費用効率に優れた信頼性の高い早期検出と適時の定期メンテナンスのスケジューリングが容易になる。

本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びにこれに付随する任意の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は請求項に記載されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１００ オンボード機械監視システム
１０２ ハウジング
１０４ ケーシング
１０６ 機械
１０８ 半径方向外側の周表面
１１０ センサ
１１２ モータ巻線
１１４ プロセッサ
１１６ ボーティグモジュール
１１８ メモリ装置
１２０ 寿命計算器
１２２ 一体型ディスプレイ
１２４ 電源
１２６ 無線電源システム
１２８ 変圧器システム
１３０ 出力接続部
２０２ 出力信号
２０４ 検証済み
２０６ 補正済みの出力信号
２０８ 百分率に基づくパラメータ出力
２１０ 手動入力関数
２１２ 監視対象の部品の残存寿命を判定する
２１４ 判定された残存寿命を表示する
２１６ メンテナンス管理システムへ出力する

Claims (10)

1. 機械監視システム（１００）であって、
   機械（１０６）の表面（１０８）に取り付けられたハウジング（１０２）と、
   前記機械の状態を示す前記機械のパラメータを監視し、個別の出力信号（２０２）を生成するように構成された複数のセンサ（１１０）と、
   前記ハウジング内に配置された、前記個別の出力信号を受信し、前記個別の出力信号に基づいて補正済みの出力（２０６）を生成するように構成されたボーティグモジュール（１１６）と、
   前記ハウジング内に配置された、前記機械の構造に関する手動入力関数（２１０）を格納するように構成された格納場所を有するメモリ装置（１１８）と、
   前記ハウジング内に配置された、前記ボーティグモジュール及び前記メモリ装置に通信可能に結合された寿命計算器（１２０）であって、前記補正済みの出力及び前記手動入力関数を使用して前記機械の残存寿命を判定するように構成された寿命計算器と、
   前記ハウジング内に配置された、前記機械の前記残存寿命を表示する（２１４）ように構成されたディスプレイ（１２２）と、
   を有するシステム。
2. 前記機械（１０６）の前記状態は、前記機械（１０６）の残存寿命に関連付け可能である、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記複数のセンサ（１１０）が、前記機械（１０６）の温度を監視するように構成された、請求項１または２に記載のシステム（１００）。
4. 前記複数のセンサ（１１０）どうしが、約１２０度だけ周方向に離間している、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム（１００）。
5. 前記機械（１０６）の構造に関する前記手動入力関数（２１０）が、巻線の絶縁タイプ及び冷却システムのうち少なくとも一方を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム（１００）。
6. 前記寿命計算器（１２０）が、前記生成された個別の出力信号（２０２）の百分率値を判定するように構成された、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（１００）。
7. 前記寿命計算器（１２０）が、所定時間にわたる前記生成された個別の出力信号（２０２）の平均値の百分率値を判定するように構成された、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（１００）。
8. 前記寿命計算器（１２０）が、所定時間にわたる前記生成された個別の出力信号（２０２）の平均値の百分率値を使用して残存寿命出力を判定する（２１２）ように構成された、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム（１００）。
9. 前記寿命計算器（１２０）が、前記パラメータが所定の閾値範囲を超過したことを判定し、前記超過を示す出力を生成するように構成された、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム（１００）。
10. 前記寿命計算器（１２０）が、プロセッサ（１１４）を有し、前記寿命計算器が、前記システムの外部への将来の出力と前記システム上のディスプレイへの将来の出力のうち少なくとも一方のために、算出された出力を前記システム上に格納するように構成された、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム（１００）。