JP6818024B2 - 回転機診断装置、回転機診断方法及び回転機診断プログラム - Google Patents

回転機診断装置、回転機診断方法及び回転機診断プログラム Download PDF

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Description

本発明は、回転機診断装置、回転機診断方法及び回転機診断プログラムに関する。
回転機の代表例として、動力源としての電動機、及び、電動機に対して供給される電力を発生させる発電機が存在する。回転機が大規模な生産設備等に組み込まれている場合、回転機が突然故障すると、大規模な修理作業及び置換作業を余儀なくされる。このことは、生産設備等の稼働率の低下、又は、生産計画等の見直しに繋がる。そこで、回転機が実際に故障を起こす前に、故障の予兆を検知するための予兆診断を実施することが肝要である。このような予兆診断には、回転機を一旦停止した状態で行うオフライン診断、及び、回転機が回転している状態で行うオンライン診断が存在する。
オフライン診断を行う場合、必然的に生産設備等の稼働率は低下する。また、回転機の劣化のうちには、回転している状態においてのみ顕在化するものもある。したがって近時は、オンライン診断に対するニーズがより大きい。本格的な故障に至る前において、回転機が発する予兆の信号は微弱である。その微弱な信号を的確に検知する様々な技術が普及している。特許文献1の機器診断装置は、多次元の正常データを示す点及び多次元の診断データを示す点を多次元空間内に配置し、それらの点の間の距離を算出する。そして、当該機器診断装置は、算出した距離の大きさに基づいて、診断データが異常であるか否かを判断する。
特開2005−241089号公報
回転機から測定される様々な種類のセンサ値が予兆診断に使用され得る。その例として、回転速度、振動数、電流、電圧、音等が挙げられる。さらに、センサによって直接測定されたセンサ値だけではなく、センサ値を加工(信号処理)した値も使用され得る。信号処理の一例として、フーリエ変換が挙げられる。加工前のセンサ値及び加工後(信号処理後)のセンサ値の種類は様々であるが、そのうち実際に予兆診断に使用されるセンサ値を “パラメータ”と呼ぶ。予兆診断の精度は、このパラメータの選択に大きく左右される。実際には診断結果(正常/異常)に殆ど寄与しないパラメータが存在する。そして、そのパラメータが診断結果に寄与するか否かは、回転機の環境及び機齢によっても変化する。
したがって予兆診断前に、診断結果に寄与するパラメータを客観的に選択するのは難しく、多くの現場では、経験豊かな技術者の知見に頼って、パラメータが選択されている。あるいは、教科書的な典型パラメータが、具体的な回転機の特性に関係なく一律的に選択されている。特許文献1もまた、技術者が自身の知見に頼ってパラメータの選択を行うことを前提としている。そこで本発明は、診断結果に寄与するパラメータを属人的な知見に頼ることなく、回転機の特性に応じて選択することを目的とする。
本発明の回転機診断装置は、回転機が正常な状態にあることが既知である時点以降、回転機の診断対象の時点以前の任意の時点であって、回転機の劣化がある程度進んでいる可能性が高い時点における回転機のセンサ値が、回転機が正常な状態にあることが既知である時点の基準値に比してどの程度乖離しているかを示す評価値を算出し、回転機の異常を診断するための複数のパラメータを、算出した評価値に基づきセンサ値のうちから、実際の診断に使用するセンサ値の組合せとして選択するパラメータ選択部と、選択した複数のパラメータを座標軸に有する多次元空間に、回転機が正常な状態にあることが既知である時点における、選択した複数のパラメータに対応するセンサ値を第1の図形で表し、回転機の診断対象の時点における、選択した複数のパラメータに対応するセンサ値を第2の図形で表し、表した第1の図形及び第2の図形の間の距離に基づき、回転機が異常である程度を示す異常値を出力する診断部と、を備えることを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、診断結果に寄与するパラメータを属人的な知見に頼ることなく、回転機の特性に応じて選択することができる。
回転機診断装置の構成及びセンサ配置を説明する図である。 (a)、(b)及び(c)は、センサ値に対する信号処理を説明する図である。 センサ値データベースの一例である。 処理手順のフローチャートである。 処理手順のステップS34の詳細のフローチャートである。 多次元空間における距離を説明する図である。 遺伝的アルゴリズムを説明する図である。 メイン画面の一例を示す図である。 (a)、(b)及び(c)は、個体の変化に伴う距離の変化を説明する図である。 異常値の検定結果の一例である。
以降、本発明を実施するための形態(「本実施形態」という)を、図等を参照しながら詳細に説明する。具体的には、回転機診断装置が電動機の予兆診断を行う例を説明する。
(回転機診断装置の構成)
図1に沿って、回転機診断装置の構成及びセンサ配置を説明する。回転機診断装置1は、一般的なコンピュータである。回転機診断装置1は、中央制御装置11、入力装置12、出力装置13、主記憶装置14、補助記憶装置15、及び、センサ接続インタフェース16を有する。これらはバスで接続されている。補助記憶装置15は、センサ値データベース31(詳細後記)を格納している。主記憶装置14におけるパラメータ選択部21、診断部22、及び、入出力処理部23は、プログラムである。以降の説明において、“○○部は”と動作主体を記した場合、それは、中央制御装置11が補助記憶装置15から○○部を読み出し、主記憶装置14にロードしたうえで○○部の機能(詳細後記)を実現することを意味する。
(センサの配置)
電源2は、回転機3に対し三相交流の電力を提供している。この電力の通り道となる給電線は、相ごとに3本存在し、それらは、給電線4a、4b及び4cである。本実施形態の回転機診断装置1のセンサ接続インタフェース16は、電流センサ5a、5b、5c及び5d、並びに、電圧センサ6a、6b及び6cと接続されている。電流センサ5a、5b及び5cのそれぞれは、給電線4a、4b及び4cを1本ずつ囲むように配置され、それぞれの相電流を測定している。電流センサ5dは、給電線4a、4b及び4cを囲むように配置され、零相電流を測定している。電流センサの種類としては、貫通型、クランプ型、分割型、光ファイバ型等が想定され得るが、これらに限定されない。
電圧センサ6a、6b及び6cは、例えば電圧プローブであって、それぞれ給電線4a、4b及び4cの電圧(電位)を検知し、低電圧の信号に変換したうえで回転機診断装置1に伝達する。回転機診断装置1は、受け取った信号に基づき給電線4a、4b及び4cの相電圧を算出する。なお、回転機3は、正常な状態にあることが既知である場合もあり、正常な状態にあるか否かが不明である場合もある。
(センサ値に対する信号処理)
図2(a)は、あるセンサ値の時系列の波形を示している。この波形の縦軸は、センサが直接測定したセンサ値であり、これを“処理前のセンサ値”と呼ぶ。処理前のセンサ値は、時点tにおいてp10となっている。回転機診断装置1は、この波形のうち、時点tを起点とするごく短い期間(図2(a)では0.04秒間)の部分を信号処理(フーリエ変換)する。フーリエ変換された波形の横軸は周波数である。縦軸(振幅スペクトラム)は、処理前のセンサ値がどのような物理量であるかによって異なるが、ここでは “処理後のセンサ値”と呼ぶ。一般に、処理後のセンサ値のうちどの値を使用するかについては様々な考え方がある。以降では、2つの例を説明する。
図2(b)においては、回転機診断装置1は、処理後のセンサ値のうち、ピーク値を取得する。処理後のセンサ値P11、P12及びP13は、ピーク値であり、それらのピーク値は、それぞれ、周波数f、f及びfに対応している。この場合、それぞれのピーク値に対応する周波数がどのような意味を有するのかは明確に判明していないこともある。どの周波数において処理後の信号値がピーク値となるかは、もとの波形次第である。よって、例えば時点tにおいて処理後のセンサ値がピーク値を示す周波数が、時点tにおいて処理後のセンサ値がピーク値を示す周波数と同じであるとは限らない。つまり、図2(b)のP11、P12及びP13における2つ目の添え字“1”、“2”及び“3”は、周波数が低い方からの順番を示している。
図2(c)においては、回転機診断装置1は、処理後のセンサ値のうち、特定の周波数に対応するものを取得する。例えば、周波数f、f及びfにおける処理後のセンサ値が、異常の検知のために決定的に重要であることが判明しているとする。すると、回転機診断装置1は、それぞれの時点において、周波数f、f及びfにおける処理後のセンサ値P11、P12及びP13を取得する。P11、P12及びP13は、必ずしもピーク値ではない。つまり、図2(c)のP11、P12及びP13における2つ目の添え字“1”、“2”及び“3”は、特定の周波数を示している。
(センサ値データベース)
図3に沿って、センサ値データベース31を説明する。センサ値データベース31においては、時点ID欄101に記憶された時点IDに関連付けて、時点欄102には時点が、摘要欄103には摘要が、センサ値1欄104には小欄104a、104b、104c、104d、・・・の各値が、センサ値2欄105には小欄105a、105b、105c、105d、・・・の各値が記憶されている。
時点ID欄101の時点IDは、時点を一意に特定する識別子である。
時点欄102の時点は、各センサがセンサ値を測定した年月日時分秒である。
摘要欄103の摘要は、回転機の運転履歴等の備忘情報である。
センサ値1欄104は、小欄として、処理前欄104a、処理後1欄104b、処理後2欄104c、処理後3欄104d、・・・を有する。いま、センサ値データベース31の1行目のレコードに注目する。処理前欄104aに記憶されている“p10”は、図2(a)の“p10”である。処理後1欄104bの“P11”は、図2(b)又は図2(c)の“P11”である。処理後2欄104cの“P12”は、図2(b)又は図2(c)の“P12”である。処理後3欄104dの“P13”は、図2(b)又は図2(c)の“P13”である。図2(b)又は図2(c)において、取得される処理後のセンサ値の数が増加すると、処理後4欄、処理後5、・・・が追加されることになる。2行目以降のレコードについても同様である。
センサ値2欄105については、センサ値1欄104の説明がそのまま当てはまる。センサ値データベース31は、センサの数だけ、センサ値1欄、センサ値2欄、センサ値3欄、・・・を有している。図1においては合計7個のセンサを記載した。この場合、センサ値データベース31は、センサ値1欄、センサ値2欄、センサ値3欄、・・・、センサ値7欄を有することになる。
センサ値データベース31は、回転機ごとに1つ存在し、1つのセンサ値データベース31が有するレコード(行)の数は、センサ値が測定された時点の数に等しい。
図3を全体的に見ると以下のことがわかる。
・2015年3月25日10時30分00秒、回転機3は、工場から出荷され運転を開始した。
・2015年8月25日15時00分00秒を最後に、回転機3は、一旦運転を停止した。これは、保守・点検を受けるためである。それまでの間に、通常運用のスケジュールに沿って運転を停止することは当然あるはずであるが、ここでは捨象する。
・2015年9月1日10時00分00秒、回転機3は、保守・点検が完了した状態で運転を再開した。
・2016年4月25日12時50分00秒、回転機3は、依然として運転中である。回転機診断装置1のユーザは、この時点において、回転機3を運転した状態で、回転機3を診断しようとしている。
(処理手順)
図4に沿って、処理手順を説明する。適宜のタイミングで、図8等を参照する。以降の処理が開始される前提として、補助記憶装置15は、センサ値データベース31を図3の状態で既に格納しているものとする。但し、処理後の各欄104b、104c、104d、・・・、105b、105c、105d、・・・は空欄であるものとする。
ステップS31において、回転機診断装置1の入出力処理部23は、メイン画面41(図8)を表示する。具体的には、第1に、入出力処理部23は、メイン画面41を出力装置13に表示する。
第2に、入出力処理部23は、ユーザが、正常データサンプリング期間欄42に正常データサンプリング期間(直ちに後記)を入力するのを受け付ける。
第3に、入出力処理部23は、ユーザが、診断対象期間(開始時点)欄44aに診断対象期間(直ちに後記)の開始時点を入力し、診断対象期間(終了時点)欄44bに診断対象期間の終了時点を入力するのを受け付ける。
第4に、入出力処理部23は、ユーザが、パラメータ選択基準期間欄43にパラメータ選択基準期間(直ちに後記)を入力するのを受け付ける。
(正常データサンプリング期間、診断対象期間、及び、パラメータ選択基準期間)
正常データサンプリング期間とは、診断対象の回転機(以降、“診断対象機”とも呼ぶ)が正常であることが既知である時点を含む期間である。例えば、診断対象機が工場から出荷された直後の時点は、正常データサンプリング期間に含まれる。
診断対象期間とは、診断対象機が運転開始された後充分な期間が経過し、診断対象機が正常状態にあるか否かについてユーザが確信を持てなくなった時点を含む期間である。現時点以外の過去の時点が、診断対象期間に含まれる(事後的診断)こともあり得る。
パラメータ選択基準期間とは、回転機が正常な状態にあることが既知である時点以降、診断対象の時点までの期間のうち、診断対象機の劣化がある程度進んでいる可能性が高い任意の時点を含む期間である。パラメータ選択基準期間に含まれる時点の例としては以下の時点が挙げられる。
・診断対象機が過去に故障した直前の時点
・診断対象機が過去に保守・点検を受けた直前の時点(例えば図3の時点t
・正常である状態から多少なりとも診断対象機の劣化が進んだ時点
ユーザは、正常データサンプリング期間として、当該期間に含まれる1つの時点を入力してもよい。診断対象期間及びパラメータ選択基準期間についても同様である。これらの場合、時間幅を考慮し、正常データサンプリング期間等を“正常データサンプリング時点”等と読み替える場合もある。これらの時間的な順序は、時間的に早い順に、正常データサンプリング時点、パラメータ選択基準時点、及び、診断対象時点である。
いま、ユーザは、以下の入力を行ったとして、以降の説明を続ける。
・正常データサンプリング期間として、図3の時点t、t及びt
・診断対象期間として、図3の時点tn−2、tn−1及びt
・パラメータ選択基準時点(偶々、期間ではない)として、図3の時点t
ステップS32において、回転機診断装置1のパラメータ選択部21は、診断対象機のパラメータ選択基準時点のセンサ値を取得する。具体的には、パラメータ選択部21は、センサ値データベース31のレコードのうち、パラメータ選択基準時点tのレコードのすべてのセンサ値を取得する。ユーザがパラメータ選択基準期間(時点)を入力しない場合(思いつかない場合)は、パラメータ選択部21は、診断対象機の劣化を模擬したデータを取得してもよい。
ステップS33において、パラメータ選択部21は、センサ値に対して信号処理を行う。具体的には、パラメータ選択部21は、ステップS32において取得したセンサ値に対して信号処理(フーリエ変換)を行う。いま、処理前のセンサ値として、p、q、r、v、wが存在したとする。すると、パラメータ選択部21は、ps0から、それに対する処理後のセンサ値として、Ps1、Ps2、Ps3、・・・を取得する。同様に、パラメータ選択部21は、qs0から、Qs1、Qs2、Qs3、・・・を取得し、rs0から、Rs1、Rs2、Rs3、・・・を取得し、vs0から、Vs1、Vs2、Vs3、・・・を取得し、ws0から、Ws1、Ws2、Ws3を取得することになる。なお、フーリエ変換は、ある微小な長さを有する期間の時系列の波形に対する信号処理である。よって、“ps0から、・・・を取得する”は、より正確には“ps0に対応する時点に続く微小な長さを有する期間についての波形から、・・・を取得する”の意味である(以下同様)。
ステップS34において、パラメータ選択部21は、パラメータの組合せを選択する。ステップS34の詳細は後記するが、結果としてパラメータ選択部21は、例えば3種類のパラメータPs1、Qs2及びRs3を選択したとする。
ステップS35において、回転機診断装置1の診断部22は、正常状態のパラメータの値を収集する。具体的には、第1に、診断部22は、センサ値データベース31の、正常データサンプリング期間に含まれる時点t、t及びtのレコードから、処理前のセンサ値p10、q10、r10、p20、q20、r20、p30、q30及びr30を取得する。これらは、ステップS34において選択されたPs1、Qs2及びRs3に対応している。
第2に、診断部22は、p10に対して信号処理(フーリエ変換)を行いP11を取得し、p20に対して信号処理を行いP21を取得し、p30に対して信号処理を行いP31を取得する。同様に、診断部22は、q10に対して信号処理を行いQ12を取得し、q20に対して信号処理を行いQ22を取得し、q30に対して信号処理を行いQ32を取得する。同様に、診断部22は、r10に対して信号処理を行いR13を取得し、r20に対して信号処理を行いR23を取得し、r30に対して信号処理を行いR33を取得する。
ステップS36において、診断部22は、正常状態を学習する。具体的には、第1に、診断部22は、多次元空間(図6参照)を設定する。多次元空間の次元数は、ステップS34において選択されたパラメータの種類の数(前記の例では“3”である)に等しい。
第2に、診断部22は、多次元空間のそれぞれの座標軸に、ステップS34において選択されたパラメータを割り当てる。前記の例では、診断部22は、3次元空間の第1の軸(図6のパラメータ1)にP$1を割り当て、第2の軸(図6のパラメータ2)にQ$2を割り当て、第3の軸(図6のパラメータ3)にR$3を割り当てることになる。なお、“$”は、ここでは捨象されている各時点を省略的に示している。
第3に、診断部22は、ステップS35の“第2”において取得した3種類のパラメータの値を同じ時点のもの同士で組み合わせることによって、3次元の座標値を生成する。ここで生成される座標値は、(P11, Q12, R13)、(P21, Q22, R23)及び(P31, Q32, R33)である。
第4に、診断部22は、ステップS36の“第3”において生成した座標値で示される点を3次元空間にドットする。
第5に、診断部22は、3個の点を含む球のうち半径が最小である球121(図6)の中心122(第1の図形)の座標値を求め、この座標値を“正常代表点”とする。
図6の球121に含まれる点120等の数は、正常データサンプリング期間に含まれる時点の数に等しい。前記の例では簡略化のため、その数を“3”としたが、通常はより大きな数である。
ステップS37において、診断部22は、診断対象のパラメータの値を収集する。具体的には、第1に、診断部22は、ステップS35の“第1”と同様の処理を行う。つまり、診断部22は、センサ値データベース31の、診断対象期間に含まれる時点tn−2、tn−1及びtのレコードから、処理前のセンサ値pn-2,0、qn-2,0、rn-2,0、pn-1,0、qn-1,0、rn-1,0、pn0、qn0及びrn0のセンサ値を取得する。これらは、ステップS34において選択されたPs1、Qs2及びRs3に対応している。
第2に、診断部22は、ステップS35の“第2”と同様の処理を行う。つまり、診断部22は、pn-2,0に対して信号処理(フーリエ変換)を行いPn-2,1を取得し、pn-1,0に対して信号処理を行いPn-1,1を取得し、pn0に対して信号処理を行いPn1を取得する。同様に、診断部22は、qn-2,0に対して信号処理を行いQn-2,2を取得し、qn-1,0に対して信号処理を行いQn-1,2を取得し、qn0に対して信号処理を行いQn2を取得する。同様に、診断部22は、rn-2,0に対して信号処理を行いRn-2,3を取得し、rn-1,0に対して信号処理を行いRn-1,3を取得し、rn0に対して信号処理を行いRn3を取得する。
ステップS38において、診断部22は、診断対象時点の座標値を生成する。具体的には、診断部22は、ステップS37の“第2”において取得した3種類のパラメータの値を同じ時点のもの同士で組み合わせることによって、3次元の座標値を生成する。ここで生成される座標値は、(Pn-2,1, Qn-2,2, Rn-2,3)、(Pn-1,1, Qn-1,2, Rn-1,3)及び(Pn1, Qn2, Rn3)である。
ステップS39において、診断部22は、距離を算出する。具体的には、診断部22は、ステップS38において生成した座標値を示す点を多次元空間内にドットし、その点(図6では“△”、第2の図形)と正常代表点122との間の距離を算出する。診断部22は、ステップS39の処理をステップS38において生成した座標値ごとに繰り返す。すると、診断対象時点ごとに距離が算出されることになる。
ステップS40において、診断部22は、診断結果を出力する。具体的には、第1に、診断部22は、ステップS39において算出した距離を所定の方法で異常値に換算する。所定の方法は、距離が大きくなるほどその異常値が大きくなるようなものであれば何でもよい。例えば、ある数を底とする距離の対数を異常値としてもよいし、距離の偏差値を異常値としてもよいし、距離そのものを異常値としてもよい。
第2に、診断部22は、縦軸を異常値とし、横軸を診断対象時点とする座標平面46(図8)に、異常値と診断対象時点との組合せを示す図形“□”を表示し、それらの間を連結する折れ線を表示する。前記の例では、診断対象時点は時点tn−2、tn−1及びtの3つであったので、“□”は3つ表示されることになる。しかしながら、診断対象時点の数がより多い場合は、座標平面46のように、例えば7つの“□”が表示される。それぞれの時点における異常値は、それぞれの診断対象時点におけるパラメータの値の組合せを示す点と、すべての診断対象時点に共通の正常代表点との間の距離に基づいている。したがって、座標平面46の折れ線は、時間の経過に従って、異常値が大きくなっていることを示している。なお、既存技術との比較を“検定”として後記する。
その後、処理手順を終了する。
(ステップS34の詳細)
ステップS33が終了した段階で、パラメータ選択部21は以下のパラメータの候補を取得している。
・センサ値ps0を信号処理したものとして、Ps1、Ps2、Ps3、・・・
・センサ値qs0を信号処理したものとして、Qs1、Qs2、Qs3、・・・
・センサ値rs0を信号処理したものとして、Rs1、Rs2、Rs3、・・・
・センサ値vs0を信号処理したものとして、Vs1、Vs2、Vs3、・・・
・センサ値ws0を信号処理したものとして、Ws1、Ws2、Ws3、・・・
これらのパラメータの候補PS1等のうちから、真にパラメータとして相応しいものを任意の数だけ選択する(絞り込む)ことが、ステップS34におけるパラメータ選択部21の処理である。簡単化のため、以降ではパラメータ選択部21が3つのパラメータに絞り込む例を説明する。なお、既存の技術においては、本実施形態のステップS31〜S34の処理が完全に欠落しており、ユーザの属人的な知見に基づき、パラメータが絞り込まれていた。
図5に沿って、処理手順のステップS34の詳細を説明する。以降では、遺伝的アルゴリズムの用語“個体”を本実施形態における“パラメータの候補の組合せ”の意味で使用する。
ステップS341において、パラメータ選択部21は、複数の個体を生成する。具体的には、パラメータ選択部21は、前記したパラメータの候補のうちの3つを無作為的に選択し、1つの個体を生成する。
前記のパラメータの候補は少なくとも15種類ある。しかしながら簡単化のために、パラメータの候補の数は15種類であると仮に決める。すると、15の候補から3つを選択して生成される個体の数は、15=455個である。これらの455個の個体の群を“現世代”と呼ぶ。
図7を参照すると、現世代は、枠61の中の個体51〜55で表されている。なお、455個の個体を記載すべきところ、紙面の都合で5個のみを記載した。
ステップS342において、パラメータ選択部21は、個体を評価する。具体的には、第1に、パラメータ選択部21は、ユーザがメイン画面41の評価関数欄45に示される評価関数のうちから任意の1つを選択するのを受け付ける。
第2に、パラメータ選択部21は、選択された評価関数を使用して個体のそれぞれについて評価値(直ちに後記)を算出する。
パラメータ選択部21は、評価関数として、例えば以下の評価関数をF、F、F及びFを用意している。いずれの評価関数F、F、F及びFも、1つの個体が有する3つのパラメータの候補の値を入力変数とし、評価値を出力変数とする。
(評価関数Fを使用する処理)
パラメータ選択部21は、3つのパラメータの候補の組合せを示す点を多次元空間内にドットし、その点と前記した正常代表点との距離を算出し、算出した距離を、前記した所定の方法で換算した値を評価値とする。当然のことながら、個体が入れ替わると、多次元空間のそれぞれの座標軸が示すパラメータも入れ替わる。すると、正常代表点の位置も、3つのパラメータの候補の組合せを示す点の位置も入れ替わる。
なお、評価関数Fの評価値は、前記した異常値と本質的に同じである。しかしながら、パラメータとしての相応しさを評価する評価関数の出力変数であることを明確にするため、評価値という語を使用している。
図9に沿って、ここで評価関数Fを使用して個体ごとに評価値を算出する例を説明する。図9(a)において、個体131が有するパラメータは、パラメータ4、パラメータ5及びパラメータ6であり、3次元空間のそれぞれの座標軸に対応している。そして個体131に対する評価値は、距離dに基づいて算出される。図9(b)において、個体132が有するパラメータは、パラメータ7、パラメータ8及びパラメータ9であり、3次元空間のそれぞれの座標軸に対応している。そして個体132に対する評価値は、距離dに基づいて算出される。図9(c)において、個体133が有するパラメータは、パラメータ10、パラメータ11及びパラメータ12であり、3次元空間のそれぞれの座標軸に対応している。そして個体133に対する評価値は、距離dに基づいて算出される。
図9(a)、図9(b)及び図9(c)を見ると、球の半径、正常代表点の位置、及び、個体“△”の位置が変化していることがわかる。また、d<d<dとなっていることもわかる。dが3つの距離のうちで最大であることは、パラメータ10、パラメータ11及びパラメータ12の組合せが、予兆診断に最も相応しい(劣化がパラメータの値の変化として大きく現れる)ことを意味する。
(評価関数Fを使用する処理)
パラメータ選択部21は、それぞれのパラメータの候補の正常データサンプリング期間におけるサンプル値を多数取得し、それらの平均値及び分散を算出しておく。そして、パラメータ選択部21は、算出した平均値及び分散に基づき、個体に含まれるパラメータの候補の値のそれぞれの偏差値を算出する。なお、ここでの偏差値は、前記の多次元空間内の距離についての偏差値とは異なり、あるパラメータの候補の値を1次元的に評価したものである。よって、ここでの偏差値を特に“1次元偏差値”と呼ぶ。
パラメータ選択部21は、これらの3つの1次元偏差値のうち最も大きいものを評価値とする。“大きいもの”と記載したが、パラメータによっては、劣化すると値が大きくなるものもあれば、その逆のものもある。このことは、後記する評価関数Fについても同様である。以降では、わかり易さのために、劣化が進むとパラメータの候補の値が大きくなる場合を代表的に記載する。
(評価関数Fを使用する処理)
パラメータ選択部21は、ユーザが、前記の1次元偏差値についての閾値をパラメータの候補ごとに設定するのを受け付けておく。そして、パラメータ選択部21は、パラメータの候補のそれぞれについて、その値がその閾値を超えたか否かを判断する。パラメータ選択部21は、閾値を超えたパラメータの候補の数をカウントし、全体に占める比率を算出する。パラメータの候補が3つある場合、評価値は、0%、33.3%、66.6%及び100%の4値しか取らないが、パラメータの候補の数が多くなれば評価値はより多くの値を取る。パラメータ選択部21は、このような比率を評価値とする。
(評価関数Fを使用する処理)
パラメータ選択部21は、それぞれのパラメータの候補の正常データサンプリング期間におけるサンプル値を多数取得し、前回保守・点検時点からの経過時間とそれらのサンプル値との回帰直線の傾き算出しておく。そして、パラメータ選択部21は、パラメータの候補のそれぞれについて、各成分の値を前回保守・点検時点からの経過時間で除算した値から、回帰直線の傾きを減算した結果である差分(線形関係からのずれ)を算出する。パラメータ選択部21は、これらの3つの差分のうち最も大きいものを評価値とする。
ステップS343において、パラメータ選択部21は、個体を淘汰する。具体的には、パラメータ選択部21は、現世代の個体の群のうちから、評価値が大きい順に2つの個体を残し、他の個体を削除する。図7において、枠62の中の個体51及び52が残された個体であり、個体53、54及び55が削除された個体である。
ステップS344において、パラメータ選択部21は、子の個体を生成する。具体的には、パラメータ選択部21は、以下の3種類の方法#1〜3で、残された2つの個体51及び52から所定の数の子の個体を生成する。このようにして生成された個体の群を“第2世代”と呼ぶ。さらに、個体51を親1と呼び、個体52を親2と呼ぶ。
(#1:交叉)
親1は、パラメータの候補のうちの一部をコピーして子に渡す。親2は、パラメータの候補のうち、親1が子に渡さなかった残りの部分をコピーして子に渡す。このようにして、親1及び親2は、所定の数の子(図7の枠63の中の個体56、57及び58)を生成する。親1及び親2は、自身のパラメータの候補の同じ部分を複数の子に渡すことはない。つまり、複数の子はそれぞれ異なる遺伝情報を有する。このことは#2についても同様である。
(#2:突然変異)
親1は、自身のパラメータの候補のうちの一部分(1つ又は2つが望ましい)を無作為的に他のパラメータの候補に置換したうえで、それを子とする。親1は、所定の数だけ子を生成する。親2についても同様である。
(#3:クローン)
親1は、自身のパラメータの候補をすべてコピーして子に渡す。親2についても同様である。
なお、パラメータ選択部21は、方法#1が発生する確率、方法#2が発生する確率、及び、方法#3が発生する確率の組合せをユーザが予め設定するのを受け付けておく。例えば、パラメータ選択部21は、(#1,#2,#3)=(60%,30%,10%)のような情報を受け付ける。そのうえで、パラメータ選択部21は、受け付けた確率に基づいて第2世代の子を生成する。
ステップS345において、パラメータ選択部21は、最終的な個体を選択する。具体的には、パラメータ選択部21は、第2世代、第3世代、・・・、についてステップS342〜S344の処理を繰り返し、所定の基準が満たされた段階で繰り返し処理を終了する。
なお、前記では、パラメータ選択部21は、遺伝的アルゴリズムを使用してパラメータの組合せを選択した。しかしながら、これはあくまでも一例であり、パラメータ選択部21は、直線探索法、ニュートン法等の手法を使用してもかまわない。
(繰り返し処理を終了する基準)
前記した所定の基準の例は以下の通りである。
♭1:所定の閾値より大きい評価値を有する個体が出現する。
♭2:各繰り返しループにおける評価値が所定の範囲内に収束する。
♭3:繰り返し処理の回数が所定の閾値に達する。
♭4:繰り返し処理の時間が所定の閾値に達する。
♭1又は♭2の場合、パラメータ選択部21は、繰り返し処理が終了した段階における世代のうちで、評価値が最も大きい個体を最終的に選択する。
♭3又は♭4の場合、パラメータ選択部21は、繰り返し処理が終了した段階における世代のうちで、評価値が所定の閾値に近いものを最終的に選択する。又は、パラメータ選択部21は、評価値についての閾値を再設定することをユーザに促す。
なお、ここで最終的に選択されたパラメータが、例えば前記したPs1、Qs2及びRs3である。
以上から明らかなように、最終的に生き残る個体は、充分に大きい評価値を有する。このことは、その個体には、劣化が進むと大きくその値が変化することになるセンサ値が含まれており、そのようなセンサ値は、パラメータとして相応しいことを意味する。なお、最終的に選択されたパラメータのなかに、処理前のセンサ値が含まれていてもよい。つまり、最終的に選択されたパラメータとして、ps0、Qs2及びRs3のような組合せも可能である。さらに、最終的に選択されたパラメータのなかに、1つのセンサに由来する複数の処理後のセンサ値が含まれていてもよい。つまり、最終的に選択されたパラメータとして、Ps1、Ps2及びRs3のような組合せも可能である。
(評価値の算出)
前記した評価関数F、F、F及びFは、あくまでも一例である。パラメータ選択部21は、パラメータの候補であるセンサ値が、正常データサンプリング時点の基準値(前記の例では“正常代表点”)に比してどの程度乖離しているかを示す指標として評価値を算出できればよい。
(パラメータ選択基準時点が複数あるケース)
前記では、パラメータ選択基準期間として1つの時点が入力される場合を説明したが、複数の時点が入力されてもよい。この場合、パラメータ選択部21は、評価値を時点ごとに算出することによって、最終的な個体を時点ごとに選択することになる。パラメータ選択部21は、このうち最も評価値が大きいものをさらに選択してもよい。また、パラメータ選択部21は、入力された複数の時点(例えば3つの時点ts−2、ts−1及びt)のパラメータの候補の値を平均したものを、評価関数の入力変数としてもよい。
(検定)
図10は、異常値の検定結果である。図10の座標平面は、図8の座標平面46と同じである。但し、縦軸の異常値を算出する際の正常代表点はある点(図10には記載していないが、例えば図3の時点t)に固定されているものとする。なお、7番目(最も右)の時点の直後に診断対象機は実際に故障している。なお、パラメータ選択基準時点は、図10では表現されていないが、例えば、左から4番目の診断対象時点に一致していてもよい。
本実施形態として前記したように、ステップS34において遺伝的アルゴリズムを行い、その後ステップS39において算出された距離に基き異常値を算出した結果が、折れ線グラフ71である。ここでは、異常値を算出する前提となる多次元空間の座標軸は、評価値が大きいものとして選択されたパラメータである。対照実験として、例えば、属人的な知見に基づいて決定したパラメータをそのまま使用し、その後ステップS39において算出された距離に基き異常値を求めた。その結果が、折れ線グラフ72である。このとき、使用されたパラメータは、本実施形態の“現世代”の個体に相当する。
折れ線グラフ72は殆ど水平に寝ている。一方、折れ線グラフ71は右上りになっている。このことから以下のことがわかる。
(1)パラメータを属人的な知見に基づいて選択した場合、異常値は低く、その水準は診断対象時点にほぼ無関係である。
(2)遺伝的アルゴリズムを行った場合は、(1)の場合に比して、異常値が大きくなる場合が多い。
(3)遺伝的アルゴリズムを行った場合は、診断対象時点が後の時点になるほど、異常値は高くなる。
(センサの数及びパラメータの数)
前記では、1つのセンサが1種類のセンサ値(相電流等)を時系列で取得する。さらに、1つの時点(正確にはわずかな長さの時間幅を有する時点)のセンサ値に対してフーリエ変換を行うことによって、1つの時点のセンサ値から、複数周波数に対応する複数のピーク値が導出され得る。これらのピーク値のそれぞれが、パラメータの候補となり得る。
したがって、使用されるセンサの数が増加すると、パラメータの候補の種類は、飛躍的に増加することになる。すると、例えば外部環境、運転モード等が変化しても、多くの候補のなかから、正常状態のデータに比して感度が大きい(劣化とともに大きく値が変化する)パラメータが自動的に選択されることになる。
(センサ値の種類等)
図1では、相電流、零相電流及び相電圧を測定するように電流センサ及び電圧センサが配置されている例を挙げた。しかしながら、センサの種類及び接続方法は、特に限定されることはなく、回転機3の特性を測定できるものであればなんでもよい。センサの種類としては他に、振動センサ、加速度センサ、磁界センサ等が挙げられる。給電線4aのコイルの巻き始めの位置及び巻き終わりの位置に電流センサを接続すると、その間の差分(給電線4aの漏れ電流)を測定できる。回転機3の結線方式がY結線である場合、結線箇所に電圧センサを接続すれば、中性点電圧を測定できる。
(信号処理の種類)
前記では、信号処理の例としてフーリエ変換を説明したが、信号処理はこれに限定されない。信号処理の他の例として、ウェーブレット変換、ラプラス変換、平滑化処理、ノイズ除去、データ間引き、周波数フィルタリング、実効値変換等が挙げられる。つまり、信号処理は、センサが測定するセンサ値を基にして他の値を加工できる処理であれば何でもよい。
(多次元空間内の距離)
前記では、診断部22は、診断対象時点のパラメータの値の組合せを示す点と正常代表点との間の距離を算出する際、正常状態の学習、及び、診断対象の状態の学習にクラスタ分析の手法を使用した。しかしながら、診断部22は、主成分分析、自己組織化マップ等、他の教師なし学習の手法を使用してもよい。ここで、“教師なし”とは、回転機3が異常であることが既知である時点のデータを使用することがない、との意味である。
(信号処理前後のセンサ値同士の演算:その1)
パラメータ選択部21は、信号処理後の複数のセンサ値同士を演算し、その結果をパラメータの候補としてもよい。例えば、ある時点の第1のセンサ値が給電線4aの漏れ電流pであり、当該時点の第2のセンサ値が給電線4aの相電圧qであるとする。パラメータ選択部21は、pをフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Pを取得し、qをフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Qを取得する。そして、パラメータ選択部21は、PをQで除算した値をパラメータの候補としてもよい。
(信号処理前後のセンサ値同士の演算:その2)
パラメータ選択部21は、信号処理前の複数のセンサ値同士を演算し、その結果を信号処理したものをパラメータの候補としてもよい。例えば、ある時点の第1のセンサ値が給電線4aの相電流pであり、当該時点の第2のセンサ値が給電線4bの相電流qであり、当該時点の第3のセンサ値が給電線4cの相電流rであるとする。パラメータ選択部21は、pにq及びrを加算し、加算結果をフーリエ変換することによって取得したある周波数におけるピーク値をパラメータの候補としてもよい。
(信号処理前後のセンサ値同士の演算:その3)
パラメータ選択部21は、前記した“その1”及び“その2”を組み合わせてもよい。例えば、ある時点の第1のセンサ値が給電線4aの相電流pであり、当該時点の第2のセンサ値が給電線4bの相電流qであり、当該時点の第3のセンサ値が給電線4cの相電流rであるとする。さらに、当該時点の第4のセンサ値が給電線4aの相電圧vであり、当該時点の第5のセンサ値が給電線4bの相電圧wであり、当該時点の第6のセンサ値が給電線4cの相電圧zであるとする。パラメータ選択部21は、pにq及びrを加算した結果をフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Pを取得し、さらに、vにw及びzを加算した結果をフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Qを取得する。そして、パラメータ選択部21は、PをQで除算した値をパラメータの候補としてもよい。
別の例として、ある時点の第1のセンサ値が給電線4aの漏れ電流pであり、当該時点の第2のセンサ値が給電線4aの相電圧qであり、当該時点の第3のセンサ値が中性点電圧rであるとする。パラメータ選択部21は、pをフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Pを取得する。また、パラメータ選択部21は、qにrを加算した結果をフーリエ変換することによってある周波数におけるピーク値Qを取得する。そして、パラメータ選択部21は、PをQで除算した値をパラメータの候補としてもよい。さらに、パラメータ選択部21は、それぞれの相について取得したP/Qの和をパラメータの候補としてもよい。
(回転機)
前記では、回転機が三相交流の電力を使用する電動機である例を説明した。しかしながらこれは、あくまでも例示である。回転機は、三相交流以外の電力を使用する電動機であってもよいし、発電機であってもよい。さらに、回転機は、電動機以外の、蒸気タービン、車軸、シャフト等の回転体であってもよい。
(本実施形態の効果)
本実施形態の回転機診断装置の効果は以下の通りである。
(1)回転機診断装置は、診断対象時点までの回転機のセンサ値を有効に活用し、複数の候補のうちから、診断結果に寄与するパラメータを確実に選択することができる。
(2)回転機診断装置は、センサ値を信号処理するので、センサ値そのものだけでは検知できない異常を検知できる。また、ある1つの時点のセンサ値がはずれ値又はノイズが入った値である場合であってもその影響を小さくすることができる。
(3)回転機診断装置は、フーリエ変換用の既存のアプリケーションを活用でき、特定の周波数に現れる異常を検知することができる。
(4)回転機診断装置は、クラスタ分析、主成分分析、及び、自己組織化マップのための既存のアプリケーションを活用できる。
(5)回転機診断装置は、相電流、零相電流、漏れ電流、相電圧、中性点電圧、振動等の、回転機が電動機である場合に一般的に取得されるセンサ値をそのまま活用できる。
(6)回転機診断装置は、遺伝的アルゴリズムを使用するので、処理の高速化、正確化を図ることができる。
(7)回転機診断装置は、評価値が所定の閾値に達するまで、遺伝的アルゴリズムの繰り返し処理を継続するので、選択されるパラメータの質が担保される。
(8)回転機診断装置は、繰り返し処理の回数が所定の閾値に達した場合は、繰り返し処理を終了するので、コンピュータ資源の無駄使いを回避できる。
なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、前記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウエアで実現してもよい。また、前記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウエアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、又は、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
1 回転機診断装置
2 電源
3 回転機
4a、4b、4c 給電線
5a、5b、5c、5d 電流センサ
6a、6b、6c 電圧センサ
11 中央制御装置
12 入力装置
13 出力装置
14 主記憶装置
15 補助記憶装置
16 センサ接続インタフェース
21 パラメータ選択部
22 診断部
23 入出力処理部
31 センサ値データベース
41 メイン画面

Claims (10)

  1. 回転機が正常な状態にあることが既知である時点以降、前記回転機の診断対象の時点以前の任意の時点であって、前記回転機の劣化がある程度進んでいる可能性が高い時点における回転機のセンサ値が、回転機が正常な状態にあることが既知である時点の基準値に比してどの程度乖離しているかを示す評価値を算出し、
    前記回転機の異常を診断するための複数のパラメータを、前記算出した評価値に基づき前記センサ値のうちから、実際の診断に使用するセンサ値の組合せとして選択するパラメータ選択部と、
    前記選択した複数のパラメータを座標軸に有する多次元空間に、前記回転機が正常な状態にあることが既知である時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第1の図形で表し、前記回転機の前記診断対象の時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第2の図形で表し、
    前記表した第1の図形及び第2の図形の間の距離に基づき、前記回転機が異常である程度を示す異常値を出力する診断部と、
    を備えることを特徴とする回転機診断装置。
  2. 前記センサ値は、
    信号処理された後のセンサ値を含み、
    前記任意の時点は、
    複数の時点であり、
    前記診断部は、
    複数の時点における前記センサ値を前記第1の図形で表すこと、
    を特徴とする請求項1に記載の回転機診断装置。
  3. 前記信号処理は、
    前記センサ値に対するフーリエ変換であること、
    を特徴とする請求項2に記載の回転機診断装置。
  4. 前記診断部は、
    クラスタ分析、主成分分析、及び、自己組織化マップのうちのいずれかの方法を使用して前記距離を算出すること、
    を特徴とする請求項3に記載の回転機診断装置。
  5. 前記回転機は、
    電動機であり、
    前記センサ値は、
    相電流、零相電流、漏れ電流、相電圧、中性点電圧、及び、振動のうち少なくとも1つを測定した値であること、
    を特徴とする請求項4に記載の回転機診断装置。
  6. 前記パラメータ選択部は、
    遺伝的アルゴリズムを使用することにより、複数のセンサ値の組合せの候補から、前記複数のパラメータを絞り込むこと、
    を特徴とする請求項5に記載の回転機診断装置。
  7. 前記パラメータ選択部は、
    前記算出した評価値が前記評価値の所定の閾値に達するまで、前記遺伝的アルゴリズムの繰り返し処理を継続すること、
    を特徴とする請求項6に記載の回転機診断装置。
  8. 前記パラメータ選択部は、
    前記繰り返し処理の回数が所定の閾値に達した場合は、前記繰り返し処理を終了し、
    前記複数のセンサ値の組合せのうち、前記算出した評価値が前記所定の閾値に近いものを前記複数のパラメータとして選択すること、又は、前記評価値の所定の閾値の再設定をユーザに促すこと、
    を特徴とする請求項7に記載の回転機診断装置。
  9. 回転機診断装置のパラメータ選択部は、
    回転機が正常な状態にあることが既知である時点以降、前記回転機の診断対象の時点以前の任意の時点であって、前記回転機の劣化がある程度進んでいる可能性が高い時点における回転機のセンサ値が、回転機が正常な状態にあることが既知である時点の基準値に比してどの程度乖離しているかを示す評価値を算出し、
    前記回転機の異常を診断するための複数のパラメータを、前記算出した評価値に基づき前記センサ値のうちから、実際の診断に使用するセンサ値の組合せとして選択し、
    前記回転機診断装置の診断部は、
    前記選択した複数のパラメータを座標軸に有する多次元空間に、前記回転機が正常な状態にあることが既知である時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第1の図形で表し、前記回転機の前記診断対象の時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第2の図形で表し、
    前記表した第1の図形及び第2の図形の間の距離に基づき、前記回転機が異常である程度を示す異常値を出力すること、
    を特徴とする回転機診断装置の回転機診断方法。
  10. 回転機診断装置のパラメータ選択部に対し、
    回転機が正常な状態にあることが既知である時点以降、前記回転機の診断対象の時点以前の任意の時点であって、前記回転機の劣化がある程度進んでいる可能性が高い時点における回転機のセンサ値が、回転機が正常な状態にあることが既知である時点の基準値に比してどの程度乖離しているかを示す評価値を算出し、
    前記回転機の異常を診断するための複数のパラメータを、前記算出した評価値に基づき前記センサ値のうちから、実際の診断に使用するセンサ値の組合せとして選択する処理を実行させ、
    前記回転機診断装置の診断部に対し、
    前記選択した複数のパラメータを座標軸に有する多次元空間に、前記回転機が正常な状態にあることが既知である時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第1の図形で表し、前記回転機の前記診断対象の時点における、前記選択した複数のパラメータに対応する前記センサ値を第2の図形で表し、
    前記表した第1の図形及び第2の図形の間の距離に基づき、前記回転機が異常である程度を示す異常値を出力する処理を実行させること、
    を特徴とする回転機診断装置を機能させるための回転機診断プログラム。
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