JP6514239B2 - 機械診断装置および機械診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械の異常を診断する機械診断装置および機械診断方法に関する。

発電用ガスタービンなど社会インフラ向け機械は、１日２４時間稼働することが要求されている。そのような機械の高い稼働率を維持するためには、計画外の稼働停止を防がねばならない。そのためには、保守のやり方を、従来の機械の稼働時間に基づいた定期保守から、機械の状態に基づいて予防保全を適切に行う状態監視保守への移行が必要である。

状態監視保守を実現するためには、機械に設けられた各種センサを介して収集されるセンサデータを定められた異常診断手順に従って分析し、機械の異常や故障の予兆を診断する機械診断装置の役割が重要となる。ここで、異常診断手順とは、１つ以上のセンサから取得されるデータを処理し、その処理結果に基づき機械の異常の予兆などを診断するコンピュータの処理フローをいう。

通常、このような診断の対象となる機械は、複数の運転モードを有している。そして、その機械に設けられたセンサから得られるセンサ値は、運転モード毎に異なっているのが一般的である。従って、機械診断装置の異常診断手順においては、機械の運転モードを考慮せざるを得ない。つまり、機械の運転モードを考慮しない異常診断手順は、診断結果の誤報や失報につながる。なお、誤報とは、機械の正常な状態を異常と診断したケースをいい、失報とは、機械の異常な状態を正常と診断したケースをいう。

従って、従来の機械診断装置でも機械の運転モードは考慮されている。例えば、特許文献１には、運転モードを考慮した機械診断装置の先行例として、「１つの部屋内等に設置される複数の機器からなる設備を構成する各機器の運転状態の相違１つずつを全て運転モードの相違としてとらえ、各運転モードごとに、逆フィルタ等の基準データを求めておき、異常の有無の判定を行なうにあたっては、そのときに得られた信号と、そのときの運転モードと同一の運転モードについて求めておいた基準データとに基づいて異常の有無の判定を行なう」設備診断装置が開示されている。

特開２００２−１８２７３６号公報

また、特許文献１の段落００５２には、「コード取得部３１２は、図１に示す制御用コンピュータ２０から、コンプレッサ室１０に設置される複数のコンプレッサ１２〜１７からなる診断対象設備の現在の運転モードを表わすコードを受け取るものである。」とも記載されている。これは、特許文献１に開示された設備診断装置では、その診断対象の設備（機械）の運転モードが当該設備（機械）の制御用コンピュータから供給されることを意味している（特許文献１の図１も参照）。

しかしながら、制御用コンピュータから設備（機械）の運転モードを取得するのは、例えば、既設の機械に新たに機械診断装置を付加するような場合、必ずしも容易とはいえない。とくに、新たに付加される機械診断装置のメーカと既設の機械の制御用コンピュータのメーカとが異なる場合には、その制御用コンピュータに運転モードを出力するための新たな信号線やプログラム追加することはほとんど困難といってよい。従って、新たに設けられる機械診断装置が既設の制御用コンピュータから運転モードを取得することは実質的に困難である。

以上のように、従来技術の機械（設備）診断装置は、実質的には既設の機械に適用困難という技術的問題が存在する。そこで、本発明の目的は、制御仕様が不明の既設の機械にも適用可能な機械診断装置および機械診断方法を提供することにある。

本発明に係る機械診断装置は、１つ以上の運転モードを有する機械に取り付けられたセンサによって計測される計測データに基づき前記機械の異常を診断する機械診断装置であって、前記機械の異常の部位および態様を表す異常モードと、前記機械の異常モードが発生し得る前記機械の運転モードと、前記機械の異常モードの診断に用いられる診断手順情報と、を予め対応付けて記憶した異常診断情報記憶部と、前記センサから、そのセンサによって計測される時系列の計測データを取得するセンサデータ取得部と、前記センサデータ取得部を介して過去に取得された少なくとも１つの前記時系列の計測データのうち、ユーザによって指定された範囲における振幅、周波数、前記振幅の変化量および前記周波数の変化量に基づき、前記機械の運転モードを定義する運転モードデータを作成し、記憶装置に格納する運転モードデータ作成部と、前記センサデータ取得部を介して前記時系列の計測データを取得したときには、その計測データの振幅および周波数の時系列データを、前記記憶装置に格納されている前記運転モードデータと比較することにより、前記機械の運転モードを特定する運転モード特定部と、前記異常診断情報記憶部を参照して、前記運転モード特定部で特定される運転モードに対応付けられている前記機械の全ての異常モードを求め、前記求めた全ての異常モードのそれぞれに対応付けられている前記診断手順情報を全て求め、前記求めた全ての診断手順情報に従って、前記センサデータ取得部を介して取得される前記時系列の計測データを処理し、前記機械の異常モードの発生の有無を診断する異常診断部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、制御仕様が不明の既設の機械にも適用可能な機械診断装置および機械診断方法が提供される。

本発明の実施形態において、機械、機械診断装置、保守員および管理者がする行為の例を示した図である。 本発明の実施形態に係る機械診断装置の機能的なブロック構成の例を示した図である。 センサデータ記憶部に記憶されるセンサデータの構成の例を示した図である。 運転モード記憶部に記憶される運転モードデータの構成の例を示した図である。 機械が電動機である場合の各運転モードにおける電流波形の例を示した図であり、（ａ）は、起動運転モードの電流波形の例、（ｂ）は、定常運転モードの電流波形の例、（ｃ）は、加速運転モードの電流波形の例である。 運転モードデータ作成部が実行する処理フローの例を示した図である。 運転モードデータ作成部での処理で表示される運転モード定義画面の例を示した図である。 運転モード特定部が実行する処理フローの例を示した図である。 異常モードデータ記憶部に記憶される異常モードデータの構成の例を示した図である。 診断手順情報記憶部に記憶される診断手順情報の構成の例を示した図である。 異常診断部が実行する異常診断処理の処理フローの例を示した図である。 異常診断部が表示装置に表示する診断結果表示画面の例を示した図である。 診断結果表示画面のサブ画面として表示される計測データ詳細表示画面の例を示した図である。 計測データ詳細表示画面のサブ画面として表示される周波数分析結果表示画面の例を示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態において、機械１、機械診断装置２、保守員３および管理者４がする行為の例を示した図である。機械１は、機械診断装置２による監視対象の装置であり、定期的に、または、機械診断装置２が異常ないし異常の予兆（以下、単に異常という）を検出したときには、保守員３による保守作業が行われる。機械１には、図示しない各種センサ（図２でいうセンサ１１）が搭載されており、各種センサにより計測された機械１の様々な計測データは、機械診断装置２へ向けて出力される。

機械診断装置２は、機械１から各種センサにより計測された計測データを収集し、集計するとともに、定期的に、所定の異常診断手順に従って機械１における異常の有無を診断し、その診断結果を管理者４に報知する。管理者４は、機械診断装置２からの診断結果の報知に基づき、機械１の異常または異常の原因（故障の内容）を知ったときには、現場の保守員３に対し、機械１の保守作業の実施を指示する。

図２は、本発明の実施形態に係る機械診断装置２の機能的なブロック構成の例を示した図である。図２に示すように、機械診断装置２は、センサデータ取得部２１、運転モード特定部２２、異常診断部２３、運転モードデータ作成部２４、ユーザＩＦ部２５、センサデータ記憶部３１、運転モードデータ記憶部３２、異常モードデータ記憶部３３、診断手順情報記憶部３４などを含んで構成される。

また、ハードウエアとしての機械診断装置２は、演算処理装置（マイクロプロセッサなど：図示省略）と、記憶装置（半導体メモリ、ハードディスク装置など：図示省略）と、入力装置４１（キーボード、マウスなど）と、表示装置４２（液晶表示装置など）と、を備えたいわゆるコンピュータによって構成される。

ここで、センサデータ取得部２１、運転モード特定部２２、異常診断部２３、運転モードデータ作成部２４およびユーザＩＦ部２５のそれぞれの機能は、前記の演算処理装置が記憶装置に記憶された所定のプログラムを実行することにより実現される。また、センサデータ記憶部３１、運転モードデータ記憶部３２、異常モードデータ記憶部３３および診断手順情報記憶部３４は、前記記憶装置の中に所定のデータが記憶されて構成される。

なお、本実施形態において機械診断装置２の診断対象となる機械１は、機械的な動作をすることにより所期の機能を実現する装置であればどのような装置であってもよい。ただし、本実施形態では、発明の内容を分かり易くするために、機械１は、例えば、電動機そのもの、あるいは、電動機とその電動機によって駆動される機構部を有する装置であるとする。電動機は、多くの生産設備に取り付けられる主幹部品であり、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。

機械１には、その動作状態を監視する目的で、１つまたは複数のセンサ１１が取り付けられている。機械１が電動機である場合、機械１には、例えば、電動機に入力される電流を計測する電流センサ、電動機の軸受などの振動を計測する１つ以上の振動センサ、軸受周辺の温度を計測する温度センサなどが取り付けられる。センサ１１は、予め定められた時間周期で電流、振動、温度などを計測し、その計測したデータを計測データとして機械診断装置２に供給する。

以下、機械診断装置２を構成するそれぞれのブロックについて、図２に加え、図３以降の図面を参照しながら詳しく説明する。ただし、ユーザＩＦ部２５については、詳細な説明を省略するが、ユーザＩＦ部２５は、異常診断部２３や運転モードデータ作成部２４での処理結果を表示装置４２に表示する制御や、その表示に必要なデータなどをキーボードなどの入力装置４１から取得する制御などを行うブロックである。

（センサデータの取得）
センサデータ取得部２１（図２参照）は、機械１に取り付けられたセンサ１１に有線または無線の通信システム（図示省略）を介して接続されている。そして、センサ１１によって計測され、センサ１１から供給される電流、温度、加速度などの計測データを受け取り、センサデータ記憶部３１に格納する。

図３は、センサデータ記憶部３１に記憶されるセンサデータ３１１の構成の例を示した図である。図３に示すように、センサデータ３１１は、機械１に取り付けられたそれぞれのセンサ１１で計測された計測データが計測時刻に対応付けられて構成される。

図３のセンサデータ３１１の例では、当該センサデータ３１１に含まれる計測データは、例えば、電動機に取り付けられた電流センサ、２つの振動センサおよび温度計によってそれぞれ計測される電流、加速度および温度であるとしている。また、この例では、すべての計測データが、０．１秒周期で計測されているが、それぞれの計測データの計測周期が互いに異なってもよい。例えば、電流は、０．１秒周期で計測され、振動は、０．０１秒周期で計測され、温度は、１秒周期で計測されるようなものであってもよい。

また、センサ１１が計測データを計測する周期は、センサ１１が計測データをセンサデータ取得部２１へ送信する周期と異なっていてもよい。例えば、センサ１１は、計測データを０．１秒周期で計測し、１秒分の計測データをまとめて１秒おきにセンサデータ取得部２１へ供給してもよい。

（運転モードの定義および特定）
図４は、運転モードデータ記憶部３２に記憶される運転モードデータ３２１の構成の例を示した図である。図４に示すように、運転モードデータ３２１は、「運転モード名称」、「時間」、「振幅」、「周波数」、「運転モードＩＤ」などの項目のデータによって構成される。ここで、「運転モード名称」は、機械１の運転時に現れる運転モードを識別する名称、「時間」は、当該運転モードの特定に必要な継続時間、「センサ」は、当該運転モードの特定に用いられる計測データの名称、「振幅」は、当該計測データの振幅値または振幅値の変化量、「周波数」は、当該計測データの周波数または周波数の変化量、「運転モードＩＤ」は、当該運転モードを識別する番号または記号である。

運転モードデータ３２１は、機械１の運転モードを定義するデータであり、運転モードデータ作成部２４（図２参照）で作成される。また、運転モードデータ３２１は、運転モード特定部２２が、センサデータ取得部２１で取得された計測データがいずれの運転モードに属するか、を特定するときに用いられる。

図４の例では、運転モードは、機械１（電動機）での電流の計測データによって特定されるとしている。そして、例えば、周波数５０Ｈｚの電流の振幅が１０秒の間に０Ａから１０Ａに上昇した場合、その運転モードを「起動運転モード」と定義する。また、周波数５０Ｈｚの電流が３秒間一定の振幅１０Ａを維持した場合、その運転モードを「定常運転モード」と定義する。また、一定の振幅１０Ａを有する電流の周波数が１０秒の間に５０Ｈｚから８０Ｈｚへ変化した場合、その運転モードを「加速運転モード」と定義する。

図５は、機械１が電動機である場合の各運転モードにおける電流波形の例を示した図であり、（ａ）は、起動運転モードの電流波形の例、（ｂ）は、定常運転モードの電流波形の例、（ｃ）は、加速運転モードの電流波形の例である。図５（ａ）に示すように、起動運転モードでは、電流の周波数は概ね一定であるが、電流の振幅は、０Ａから所定の電流値（例えば、１０Ａ）になるまで徐々に増加する。また、図５（ｂ）に示すように、定常運転モードでは、電流の計測値は、振幅、周波数ともに一定の値となる。これは、電動機が一定の回転数で定常的に稼働している状態を表している。また、図５（ｃ）に示すように、加速運転モードでは、電流の振幅は一定であるが、周波数は、例えば、５０Ｈｚから８０Ｈｚへと徐々に増加する。これは、電動機の回転数が徐々に増加している状態を表している。

なお、運転モードは、図４および図５に示した運転モードのほかにも、適宜、定義することができる。機械１が電動機の場合、さらに、減速運転モードや停止運転モードがあってもよい。また、定常運転モードにしても、周波数や振幅が互いに異なる第２、第３の定常運転モードがあってもよい。

また、運転モードは、複数の計測データの組み合わせによって定義されるものであってもよい。例えば、機械１に入力する電流に加え、機械１周辺の温度を用い、低温時の起動運転モード、常温時の起動運転モードなどを定義してもよい。ただし、温度など変動時間が非常に長い計測データについては、図４の運転モードデータ３２１でいう「振幅」は、その計測データそのもの（温度など）であるとする。また、「周波数」は、とくに値を定めず、単に一定であるとする。

以上、図４および図５に示した運転モードの例は、簡単な例であるが、一般には、運転モードの定義は、必ずしも誰にでもできるものではない。とくに、機械１の制御仕様が開示されていないような場合には、その機械１の動作や運転に精通した専門家でなければ、その運転モードを適切に定義することは困難である。そこで、本実施形態に係る機械診断装置２では、次に示すように、専門家の介入による運転モードの定義をサポートする仕組みが組み込まれている。

図６は、運転モードデータ作成部２４が実行する処理フローの例を示した図、図７は、運転モードデータ作成部２４での処理で表示される運転モード定義画面５０の例を示した図である。図６に示すように、運転モードデータ作成部２４は、まず、専門家が入力装置４１を介して入力するデータに基づき、運転モードの定義に用いるセンサ１１の計測データを選択する（ステップＳ１０）。この処理は、表示装置４２の表示画面（図示省略）に表示されたセンサ１１の計測データの名称一覧の中から、専門家が運転モードの定義に用いる計測データを選択するものであってもよく、または、専門家が入力装置４１（キーボードなど）を介して、直接、その計測データの名称などを入力するものであってもよい。なお、この選択では、一般には、複数の計測データの選択が可能であるとする。

次に、運転モードデータ作成部２４は、センサデータ記憶部３１から、前記選択した計測データについて過去に取得されたデータを読み出し、その計測データの時系列データ、その振幅および周波数の時系列変化を表示装置４２に表示する（ステップＳ１１）。ここで、振幅とは、センサデータの包絡線から得られる値、周波数とは、所定の時間に区分したセンサデータの周波数分析（周波数変換）により得られる周波数を意味する。

図７に示すように、例えば、運転モード定義画面５０には、選択された計測データである電流の時系列データ、その電流の振幅および周波数の時系列変化がグラフ表示される。なお、このグラフ表示では、時系列の計測データやその振幅および周波数を、適宜、時間軸をスクロール移動させて表示したり、時間軸を圧縮して表示したりすることが可能であるとする。

そこで、機械１の動作や運転に精通した専門家は、この運転モード定義画面５０を用いて機械１の運転モードを定義する。まず、専門家は、マウスカーソルなどの入力装置４１を介して、運転モード定義画面５０上で定義しようとする運転モードの範囲を定める切り出し情報を入力する。なお、図７の運転モード定義画面５０では、運転モードの切り出し情報は、破線の矩形５１で表わされている。

このとき、運転モードデータ作成部２４は、図６に示すように、運転モードの切り出し情報（矩形５１）が入力装置４１から入力されたか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、運転モードの切り出し情報（矩形５１）が入力された場合には（ステップＳ１２でＹｅｓ）、運転モードデータ作成部２４は、さらに、当該運転モードに付与すべき運転モードＩＤやその名称を入力する（ステップＳ１３）。

例えば、図７に示すように、運転モード定義画面５０において、運転モードの範囲を定める破線の矩形５１が入力されると、その運転モード定義画面５０には、運転モードＩＤの定義窓５２が併せて表示される。そして、その定義窓５２の中には、当該運転モードの運転モードＩＤを入力するための入力ボックス５２１や、運転モード名称を入力するための入力ボックス５２２などが表示される。従って、専門家は、この定義窓５２における入力ボックス５２１，５５５を介して当該運転モードの運転モードＩＤおよび運転モード名称を入力することができる。

続いて、運転モードデータ作成部２４は、ステップＳ１０で選択した運転モードの定義に用いる計測データの中から、その１つを選択する（ステップＳ１４）。そして、その選択した計測データについて、当該運転モードを切り出すための矩形５１に含まれる範囲における振幅、周波数およびその時間変化量を取得する（ステップＳ１５）。例えば、時刻０から１０秒間の起動運転モードでは、電流の振幅は、０Ａから１０Ａまで上昇し、周波数は５０Ｈｚで一定であるなどの情報を取得する。

次に、運転モードデータ作成部２４は、ステップＳ１４において、運転モードの定義に用いる計測データを全て選択したか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、全ての計測データを未だ選択していなかった場合には（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ１４およびステップＳ１５の処理を繰り返し実行する。一方、前記の計測データを全て選択していた場合には（ステップＳ１６でＹｅｓ）、運転モードデータ作成部２４は、ステップＳ１５で取得したそれぞれの計測データについての振幅、周波数およびその時間変化量をまとめ、当該運転モードに係る運転モードデータを作成する（ステップＳ１７）。そして、その作成した運転モードデータを運転モードデータ記憶部３２に格納し（ステップＳ１８）、ステップＳ１２以下の処理を再度実行する。

また、ステップＳ１２の判定で、運転モードの切り出し情報（矩形５１）が入力されず（ステップＳ１２でＮｏ）、さらに運転モード切り出しを終了する情報も入力されなかった場合には（ステップＳ１９でＮｏ）、運転モードデータ作成部２４は、ステップＳ１２の処理を再度実行する。一方、ステップＳ１２の判定で、運転モードの切り出し情報（矩形５１）が入力されず（ステップＳ１２でＮｏ）、代わりに運転モード切り出しを終了する情報が入力された場合には（ステップＳ１９でＹｅｓ）、運転モードデータ作成部２４は、図６の運転モードデータ作成処理を終了する。なお、図７の運転モード定義画面５０には、「終了」ボタン５３が設けられており、ここでは、「終了」ボタン５３がクリックされることをもって、運転モード切り出しを終了する情報が入力されたものとする。

以上の運転モードデータ作成部２４の処理により、運転モードデータ記憶部３２には、全ての運転モードに係る運転モードデータ、すなわち、運転モードデータ３２１（図４参照）が作成されたことになる。そして、この運転モードデータ３２１は、運転モード特定部２２が機械１の運転モードを特定するとき、それぞれの運転モードの基準データとして用いられる。

図８は、運転モード特定部２２が実行する処理フローの例を示した図である。図８に示すように、運転モード特定部２２は、まず、センサデータ取得部２１を介して入力されるセンサデータ３１１（図３参照）のうち、運転モードデータ３２１で運転モードの定義に用いるとしている計測データの時系列データを取得する（ステップＳ３１）。

次に、運転モード特定部２２は、前記取得した計測データの時系列データを、「振幅」および「周波数」の時系列データに変換する（ステップＳ３２）。なお、ここでいう「振幅」は、その変動周期が計測データの取得周期（サンプリング周期）に比べ非常に大きい場合には、計測データの時系列データそのものであってもよく、その場合は、「振幅」への変換は不要である。

次に、運転モード特定部２２は、運転モードデータ記憶部３２に記憶されている運転モードデータ３２１を参照し、その中から運転モードの定義データを１つの選択する（ステップＳ３３）。

次に、運転モード特定部２２は、ステップＳ３２で求めた計測データの「振幅」および「周波数」の時系列データを、ステップＳ３３で選択した運転モードの定義データ、より詳しくは、運転モードデータ３２１の「振幅」、「周波数」および「時間」の欄のデータ（図４参照）と比較する（ステップＳ３４）。そして、その比較の結果、両者が一致した場合には（ステップＳ３５でＹｅｓ）、運転モード特定部２２は、その一致した時間部分に対応するセンサデータ３１１が属する運転モードがステップＳ３３で選択した運転モードであると特定する（ステップＳ３６）。その結果、運転モードＩＤが取得されたこととなるので、図８の処理を終了する。なお、こうして取得された運転モードＩＤは、異常診断部２３へ供給される。

一方、ステップＳ３４の比較の結果、両者が一致していなかった場合には（ステップＳ３５でＮｏ）、運転モード特定部２２は、さらに、ステップＳ３３の判定で全ての運転モードの定義データを選択していたか否かを判定する（ステップＳ３７）。その判定の結果、未だ全ての運転モードの定義データを選択していなかった場合には（ステップＳ３７でＮｏ）、ステップＳ３３に戻って、ステップＳ３３以下の処理を繰り返して実行する。

また、ステップＳ３７の判定で、運転モードの定義データを全て選択していたと判定された場合には（ステップＳ３７でＹｅｓ）、運転モード特定部２２は、運転モードを特定せずに図８の処理を終了する。従って、この場合には、運転モードＩＤは取得されないので、後続の異常診断部２３での処理は行われない。

以上、図８を用いて示した処理は、所定の時間周期で次々に取得されるセンサデータ３１１が、運転モードデータ記憶部３２に記憶されているそれぞれの運転モードの定義データのいずれに一致するかを検索する処理に他ならない。

（機械１の異常診断）
異常診断部２３（図２参照）は、運転モード特定部２２から運転モードＩＤを受け取ると機械１の異常診断を行う。以下、図９〜図１３の図面を参照しつつ、異常診断部２３が行う異常診断の詳細について説明する。

図９は、異常モードデータ記憶部３３に記憶される異常モードデータ３３１の構成の例を示した図である。図８に示すように、異常モードデータ３３１は、「異常モード」それぞれに対し、「運転モードＩＤ」および「診断手順ＩＤ」が対応づけられて構成される。ここで、「異常モード」は、機械１において発生する異常または故障（以下、単に、異常という）を識別する情報であり、多くの場合、その異常の態様または発生部位を表す。また、「運転モードＩＤ」は、前記「異常モード」が発生し得る運転モードを示した情報である。また、「診断手順ＩＤ」は、前記「異常モード」を検出ための診断手順情報を識別する情報である。

図９の異常モードデータ３３１の例では、「異常モード」として電動機の軸受の内輪に傷が生じた「軸受内輪傷」、軸受の外輪に傷が生じた「軸受外輪傷」、電動機の固定子の絶縁体が劣化した「固定子絶縁体劣化」などが示されている。さらに、図９の例によれば、「軸受内輪傷」という異常モードは、「運転モードＩＤ」が「１」または「２」の運転モードで発生し、その異常は、「診断手順ＩＤ」が「１」の診断手順により検出されることなどが示されている。

なお、本実施形態では、以上のような異常モードデータ３３１は、機械１の動作や運転に精通した専門家が過去の異常診断の経験や結果に基づき、事前に用意したデータであるとする。また、「異常モード」は、図９の例に限定されるものではない。

図１０は、診断手順情報記憶部３４に記憶される診断手順情報３４１の構成の例を示した図である。図１０に示すように、診断手順情報記憶部３４には、通常、複数種類の診断手順情報３４１が記憶されており、それぞれの診断手順情報３４１は、「診断手順ＩＤ」、「センサ」、「前処理」、「アルゴリズム」、「後処理」などの情報を含んで構成されている。

ここで、「診断手順ＩＤ」は、診断手順情報記憶部３４内において、それぞれの診断手順情報３４１を識別する情報である。また、「センサ」は、当該診断手順で用いられる計測データの名称である。図１０の例では、当該診断手順では「振動Ａ」および「温度」が用いられることが示されている。

「前処理」は、診断アルゴリズムを適用する際に「センサ」で指定される計測データに対し施す処理を指定する情報である。「前処理」の例としては、ノイズ除去のためのフィルタリング処理、移動平均処理などがある。また、計測データが周期的なデータである場合には、周波数解析処理などを施すことができる。なお、図１０の例では、「前処理」として「振動Ａ」の計測データに周波数解析処理を施すことが示されている。

「アルゴリズム」は、当該診断手順で用いられる異常検出のアルゴリズムを特定する情報である。図１０の例では、「アルゴリズム」として、「Ｋ平均法」のクラスタ分析が用いられること、さらに、その付属情報として、そのクラスタ分析で用いられる「クラスタ情報がDatafile0」に格納されていることが示されている。なお、異常検出のアルゴリズムとしては、例えば、「主成分分析」などであってもよい。

「後処理」は、前記の異常検出のアルゴリズムが適用された後、機械１の異常を判定する処理で用いられる異常判定の条件などを特定する情報である。図１０の例では、「後処理」、すなわち、異常判定の条件として、異常度３以上が３秒以上継続することが示されている。

なお、クラスタ分析では、所定の時刻ごとに前記「センサ」で指定されるｎ個の計測データが取得されるので、そのｎ個の計測データを成分とするｎ次元ベクトル空間を想定する。そして、そのｎ次元ベクトル空間の中で、過去に取得された各時刻のｎ個の成分を有する計測データを用いて、クラスタ情報が作成される。すなわち、各時刻のｎ個の成分を有する計測データは、ｎ次元ベクトル空間の中で各クラスタに分けられる。本実施形態では、このようなクラスタ情報（例えば、Datafile0）は、機械１の運転モードごとに作成される。

そして、センサ１１で計測される計測データの中に、いずれのクラスタにも属さないような計測データがあった場合には、その計測データは異常、すなわち、機械１に異常または異常の兆候が現れたとみなされる。

クラスタ分析では、「異常度」は、前記のｎ次元ベクトル空間において、各時刻の計測データが表す位置とその位置に最も近いクラスタの中心との間のユークリッド距離として定義される。本実施形態では、異常度は「後処理」で計算され、異常度３以上が３秒以上継続した場合、機械１の異常とみなされる。

なお、本実施形態でいう計測データは、センサ１１から得られる実際の計測データだけでなく、その実際の計測データを「前処理」したデータであってもよい。例えば、ある計測データについて周波数解析の「前処理」を実施した場合には、その計測データの各周波数帯域のパワー値（スペクトル値）の時系列データもクラスタ分析対象の計測データとみなされる。

図１１は、異常診断部２３が実行する異常診断処理の処理フローの例を示した図である。図１１に示すように、異常診断部２３は、まず、運転モード特定部２２から供給される運転モードＩＤ取得する（ステップＳ４１）。例えば、運転モード特定部２２から供給される運転モードＩＤ「１」（起動運転モード：図４参照）を取得する。

次に、異常診断部２３は、異常モードデータ記憶部３３の異常モードデータ３３１を参照して、その「運転モードＩＤ」の欄に前記運転モードＩＤ（ステップＳ４１で取得した異常モードＩＤ）が含まれる行データの１つを選択する（ステップＳ４２）。図９の例では、異常診断部２３は、異常モードデータ３３１の「運転モードＩＤ」の欄に「１」が含まれる行の中から１行を選択して読み出す。例えば、１行目のデータ（異常モードが「軸受内輪傷」で診断手順ＩＤが「１」のデータ）を読み出す。

次に、異常診断部２３は、前記読み出した異常モードデータの中に含まれている診断手順ＩＤを抽出する（ステップＳ４３）。図９の異常モードデータ３３１の１行目のデータの場合、診断手順ＩＤが「１」が読み出され、また、その１行目のデータからは、診断手順ＩＤ「１」で指定される診断手順が、「軸受内輪傷」という異常モードの有無を診断する手順であることが分かる。

次に、異常診断部２３は、診断手順情報記憶部３４から前記診断手順ＩＤで指定される診断手順情報３４１を読み出し（ステップＳ４４）、さらに、センサデータ記憶部３１から前記診断手順情報３４１の「センサ」欄で指定されている診断対象の計測データを読み出す（ステップＳ４５）。図１０の診断手順情報３４１の例の場合、センサデータ記憶部３１から「振動Ａ」および「温度」の計測データが読み出される。

次に、異常診断部２３は、前記読み出した診断対象の計測データに対し、前記診断手順情報３４１で指定される「前処理」、「アルゴリズム」および「後処理」を施すことにより診断処理を実行する（ステップＳ４６）。例えば、図１０の診断手順の例では、異常診断部２３は、「振動Ａ」の計測データに対し「周波数解析」の前処理を施し、「振動Ａ」および「温度」の計測データに対し「Ｋ平均法」のクラスタ分析を実施する。そして、そのクラスタ分析の結果に基づき、異常度３以上が３秒以上継続するケースを異常として検出するという後処理を実施する。

次に、異常診断部２３は、異常モードデータ３３１から前記異常モードＩＤ（ステップＳ４１で取得した異常モードＩＤ）が含まれる行データを全て選択したか否かを判定する（ステップＳ４７）。なお、この判定は、ステップＳ４２の処理結果に対して行われる処理である。そこで、ステップＳ４７の判定で、前記異常モードＩＤが含まれる行データを全て選択していなかった場合には（ステップＳ４７でＮｏ）、異常診断部２３は、ステップＳ４２以下の処理を再度繰り返して実行する。

一方、ステップＳ４７の判定で、前記異常モードＩＤが含まれる行データを全て選択していた場合には（ステップＳ４７でＹｅｓ）、異常診断部２３は、ステップＳ４６の診断処理で得られた診断結果を表示装置４２に表示する（ステップＳ４８）。

図１２は、異常診断部２３が表示装置４２に表示する診断結果表示画面６０の例を示した図である。異常診断部２３は、図１１の異常診断処理における診断結果表示処理（ステップＳ４８）では、ステップＳ４６の診断処理で検出した異常を異常発生状況リスト６１として表示する。異常発生状況リスト６１は、異常の発生時刻と、異常モードと、運転モードと異常度とを含んで構成され、それぞれの行のデータは、異常が検出されるたびに表示される。

なお、図１２の例では、例えば、２０１４年９月２７日１５時０５分００秒に「軸受内輪傷」の異常モードが検出され、そのときの運転モードが「定常運転モード」であり、異常度が「１０」であったことが示されている。

また、診断結果表示画面６０には、「詳細表示」ボタン６２および「終了」ボタン６３が表示されており、「詳細表示」ボタン６２がクリックされたときには、次に図１３に示すような表示画面が表示される。一方、「終了」ボタン６３クリックされたときには、異常発生状況リスト６１が表示された診断結果表示画面６０を閉じる。

図１３は、診断結果表示画面６０のサブ画面として表示される計測データ詳細表示画面７０の例を示した図である。図１３に示すように、計測データ詳細表示画面７０には、時系列計測データ７１、「周波数表示」ボタン７２および「戻る」ボタン７３が表示される。ここで、時系列計測データ７１として表示される計測データとしては、異常の診断処理（図１１のステップＳ１４）で診断対象となった計測データに加えて、運転モードの特定に用いられた計測データを含むものとする。

ちなみに、図１３の例では、診断対象となった計測データとして、「振動Ａ」、「振動Ｂ」および「温度」の時系列計測データ７１が表示され、運転モードの特定に用いられた計測データとして、「電流」の時系列計測データ７１が表示されている。なお、このとき、時系列計測データ７１は、波形データで表示され、表示される時間範囲は、例えば、異常発生時刻７４を中心に、適宜、前後に伸縮可能であるとする。すなわち、計測データ詳細表示画面７０には、時系列計測データ７１を、例えば、異常発生時刻７４を中心に、前後１秒分表示することもでき、あるいは、５秒分表示することもできる。

さらに、ユーザは、計測データ詳細表示画面７０に表示された時系列計測データ７１を用いて、周波数分析対象の時間ウィンドウ７５を適宜設定することができる。このとき、ユーザがさらに「周波数表示」ボタン７２をクリックすると、表示装置４２には、時間ウィンドウ７５に含まれる時間範囲について、時系列計測データ７１に表示されている計測データの周波数分析が行われ、次の図１４に示すような周波数分析結果表示画面８０が表示される。また、このとき、「戻る」ボタン７３がクリックされると、図１３の計測データ詳細表示画面７０は閉じられ、上位の診断結果表示画面６０に戻る。

図１４は、計測データ詳細表示画面７０のサブ画面として表示される周波数分析結果表示画面８０の例を示した図である。図１４に示すように、周波数分析結果表示画面８０には、計測データ詳細表示画面７０に表示された時系列計測データ７１の全部またはその一部を対象に、前記時間ウィンドウ７５で指定された時間範囲についての周波数分析結果８１が表示される。このとき、周波数分析結果８１は、横軸に周波数、縦軸に所定の周波数帯域ごとのパワー値（スペクトル値）が表示される。

さらに、ここでは、ユーザの便宜のために、異常が検出された時系列データ７１および異常がない時系列データ７１それぞれについての周波数分析結果のデータが同時に表示されるものとしている。図１４では、異常が検出された時系列データ７１の周波数分析結果は、「異常データ」として実線で表示され、異常がない時系列データ７１の周波数分析結果は、「基準データ」として破線で表示されている。なお、このとき表示される基準データは、例えば、診断のクラスタ処理において当該異常データに最も近いとされるクラスタ内に含まれるデータから選ばれる。

また、図１４の例では、「電流」は、例えば、５０Ｈz近傍に安定したスペクトル値が現れているのに対し、「振動Ａ」および「振動Ｂ」は、ほぼ全周波数帯域にわたって異常データのスペクトル値が基準データよりも上がっていることが分かる。とくに「振動Ｂ」については、１５０Ｈｚ以上の周波数帯域で両者のスペクトル値に大きな相違があることが分かる。このようなスペクトル値の挙動の相違は、「振動Ａ」や「振動Ｂ」に何らかの異常があるために生じる。
従って、本実施形態では、ユーザは、診断処理で異常が検知された場合、周波数分析結果表示画面８０を表示させることにより、異常データが基準データと相違する周波数帯域の状況などを速やかに確認することができる。

なお、図１４では、周波数分析結果表示画面８０には、周波数分析結果８１は、時間ウィンドウ７５（図１３参照）で指定された１つの時間範囲についての周波数分析結果８１しか表示されていないが、所定の時間範囲ごと（例えば、１秒ごと）の複数の周波数分析結果を時系列的に表示されるものであってもよい。

また、周波数分析結果表示画面８０には、周波数分析結果８１とともに「戻る」ボタン８２が表示されており、この「戻る」ボタン８２がクリックされると、図１４の周波数分析結果表示画面８０は閉じられ、上位の計測データ詳細表示画面７０に戻る。

以上、詳しく説明したように、本実施形態に係る機械診断装置２は、まず、機械１の運転モードを特定した上で、その運転モードで生じ得る異常モードが実際に生じているか否かを、運転モードごとの計測データを用いたクラスタ分析などに基づき判定する。従って、本実施形態では、センサ１１からの計測データは、運転モードごとに別々に異常診断が行われるので、診断結果の誤報や失報を減少させることができる。

また、本実施形態では、機械診断装置２は、センサ１１から得られる計測データを用いて機械１の運転モードを特定する。そのため、機械診断装置２は、機械１の制御コンピュータなどから運転モードを識別する情報を取得する必要がない。よって、本実施形態は、制御仕様が不明の既設の機械１にも適用することができる。すなわち、本実施形態では、機械診断装置２を機械１の制御コンピュータに接続しなくても済む。

１ 機械
２ 機械診断装置
３ 保守員
４ 管理者
１１ センサ
２１ センサデータ取得部
２２ 運転モード特定部
２３ 異常診断部
２４ 運転モードデータ作成部
２５ ユーザＩＦ部
３１ センサデータ記憶部
３２ 運転モードデータ記憶部
３３ 異常モードデータ記憶部
３４ 診断手順情報記憶部
４１ 入力装置
４２ 表示装置
５０ 運転モード定義画面
６０ 診断結果表示画面
７０ 計測データ詳細表示画面
８０ 周波数分析結果表示画面

Claims (8)

1. １つ以上の運転モードを有する機械に取り付けられたセンサによって計測される計測データに基づき前記機械の異常を診断する機械診断装置であって、
   前記機械の異常の部位および態様を表す異常モードと、前記機械の異常モードが発生し得る前記機械の運転モードと、前記機械の異常モードの診断に用いられる診断手順情報と、を予め対応付けて記憶した異常診断情報記憶部と、
   前記センサから、そのセンサによって計測される時系列の計測データを取得するセンサデータ取得部と、
   前記センサデータ取得部を介して過去に取得された少なくとも１つの前記時系列の計測データのうち、ユーザによって指定された範囲における振幅、周波数、前記振幅の変化量および前記周波数の変化量に基づき、前記機械の運転モードを定義する運転モードデータを作成し、記憶装置に格納する運転モードデータ作成部と、
   前記センサデータ取得部を介して前記時系列の計測データを取得したときには、その計測データの振幅および周波数の時系列データを、前記記憶装置に格納されている前記運転モードデータと比較することにより、前記機械の運転モードを特定する運転モード特定部と、
   前記異常診断情報記憶部を参照して、前記運転モード特定部で特定される運転モードに対応付けられている前記機械の全ての異常モードを求め、前記求めた全ての異常モードのそれぞれに対応付けられている前記診断手順情報を全て求め、前記求めた全ての診断手順情報に従って、前記センサデータ取得部を介して取得される前記時系列の計測データを処理し、前記機械の異常モードの発生の有無を診断する異常診断部と、
   を備えること
   を特徴とする機械診断装置。
2. 前記運転モードデータ作成部は、
   前記運転モードデータを作成するときには、前記センサデータ取得部を介して過去に取得された前記時系列の計測データの振幅および周波数の時系列データを表示装置に表示するとともに、前記表示された振幅および周波数の時系列データに基づいてユーザが入力する、それぞれの運転モードを切り出す区分情報を読み込み、その読み込んだ区分情報で指定される時間区間の情報と、その時間区間に含まれる前記計測データの振幅および周波数の時系列データと、を用いて前記運転モードデータを作成すること
   を特徴とする請求項１に記載の機械診断装置。
3. 前記異常診断部は、
   前記機械の異常を検出したときには、その異常モードとその異常が検出された時点で前記運転モード特定部によって特定された前記機械の運転モードとを含んで構成された診断結果データを表示装置に表示すること
   を特徴とする請求項１に記載の機械診断装置。
4. 前記異常診断部は、
   前記表示装置に表示した１つ以上の診断結果データのうち１つの診断結果データを選択する入力を受け付けた場合には、前記異常が検出された時点を含む時間範囲について、前記センサデータ取得部で取得された前記時系列の計測データまたはその周波数分析結果をさらに表示すること
   を特徴とする請求項３に記載の機械診断装置。
5. １つ以上の運転モードを有する機械に取り付けられたセンサに接続され、前記センサによって計測される計測データに基づき前記機械の異常を診断するコンピュータが実行する機械診断方法であって、
   前記コンピュータは、
   前記機械の異常の部位および態様を表す異常モードと、前記機械の異常モードが発生し得る前記機械の運転モードと、前記機械の異常モードの診断に用いられる診断手順情報と、を予め対応付けて記憶した異常診断情報記憶部を備え、
   前記センサから、そのセンサによって計測される時系列の計測データを取得するセンサデータ取得処理と、
   前記センサデータ取得処理を介して過去に取得された少なくとも１つの前記時系列の計測データのうち、ユーザによって指定された範囲における振幅、周波数、前記振幅の変化量および前記周波数の変化量に基づき、前記機械の運転モードを定義する運転モードデータを作成し、記憶装置に格納する運転モードデータ作成処理と、
   前記センサデータ取得処理を介して前記時系列の計測データを取得したときには、その計測データの振幅および周波数の時系列データを、前記記憶装置に格納されている前記運転モードデータと比較することにより、前記機械の運転モードを特定する運転モード特定処理と、
   前記異常診断情報記憶部を参照して、前記運転モード特定処理で特定される運転モードに対応付けられている前記機械の全ての異常モードを求め、前記求めた全ての異常モードのそれぞれに対応付けられている前記診断手順情報を全て求め、前記求めた全ての診断手順情報に従って、前記センサデータ取得処理を介して取得される前記時系列の計測データを処理し、前記機械の異常モードの発生の有無を診断する異常診断処理と、
   を実行すること
   を特徴とする機械診断方法。
6. 前記コンピュータは、
   前記運転モードデータ作成処理において、前記運転モードデータを作成するときには、前記センサデータ取得処理を介して過去に取得された前記時系列の計測データの振幅および周波数の時系列データを表示装置に表示するとともに、前記表示された振幅および周波数の時系列データに基づいてユーザが入力する、それぞれの運転モードを切り出す区分情報を読み込み、その読み込んだ区分情報で指定される時間区間の情報と、その時間区間に含まれる前記計測データの振幅および周波数の時系列データと、を用いて前記運転モードデータを作成すること
   を特徴とする請求項５に記載の機械診断方法。
7. 前記コンピュータは、
   前記異常診断処理において、前記機械の異常を検出したときには、その異常モードとその異常が検出された時点で前記運転モード特定処理によって特定された前記機械の運転モードとを含んで構成された診断結果データを表示装置に表示すること
   を特徴とする請求項５に記載の機械診断方法。
8. 前記コンピュータは、
   前記異常診断処理において、前記表示装置に表示した１つ以上の診断結果データのうち１つの診断結果データを選択する入力を受け付けた場合には、前記異常が検出された時点を含む時間範囲について、前記センサデータ取得処理で取得された前記時系列の計測データまたはその周波数分析結果をさらに表示すること
   を特徴とする請求項７に記載の機械診断方法。

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