JP6998781B2

JP6998781B2 - 故障診断システム

Info

Publication number: JP6998781B2
Application number: JP2018018329A
Authority: JP
Inventors: 幸太鈴木; 幹生小松
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: US20190242787A1; US11137321B2; CN110118932A; JP2019135467A; DE102019101184A1

Description

本発明は、故障診断システムに関する。

例えばモータ、ギヤモータ、ギヤボックスなどの機器の故障を検知するための故障診断システムが知られている。故障診断システムは、一般に、診断対象装置に配置されるセンサと、センサからの情報に基づいて診断対象装置に異常が発生しているか否かを判定する処理ユニットと、を備える。従来では、例えば特許文献１に記載されるような故障診断システムが提案されている。

特開２０１７－７５７９５号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、より利便性の高い故障診断システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の故障診断システムは、診断対象装置の診断対象情報を検知するセンサと、診断対象装置に異常が発生しているか否かの判定に使用する、診断対象情報に基づく判定値の種類を設定する設定手段と、設定手段により設定された種類の判定値に基づいて、診断対象装置に異常が発生しているか否かを判定する判定手段を有する診断ユニットと、を備える。診断ユニットは、判定手段による判定結果を第１外部装置に出力する第１出力手段と、設定手段により設定された種類の判定値に加えて、設定手段により設定されていない種類の判定値を第２外部装置に出力する第２出力手段と、を有する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、より利便性の高い故障診断システムを提供できる。

実施の形態に係る故障診断システムの構成を示す模式図である。診断設定画面を示す図である。図１の処理ユニットの機能および構成を示すブロック図である。図１の第２外部装置の機能および構成を示すブロック図である。診断結果画面を示す図である。診断トレンド画面を示す図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係る故障診断システム１０の構成を示す模式図である。故障診断システム１０は、ギヤモータ２で総称されるギヤモータ２ａ、２ｂ、２ｃの異常を検知し、その解析を支援する。なお、故障診断システム１０は、例えばモータ、ギヤボックス、エンジン、工作機械、成型機などのギヤモータ２以外の診断対象装置の異常を検知するのに用いられてもよい。

故障診断システム１０は、センサ１００で総称されるセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃと、処理ユニット（診断ユニット）２００と、第１外部装置３００と、第２外部装置４００と、を備える。

センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃはそれぞれ、ギヤモータ２ａ、２ｂ、２ｃに取り付けられ、処理ユニット２００と有線で接続される。センサ１００は、本実施の形態では振動センサであり、対応するギヤモータ２に生じている振動を検知し、振動の大きさを示す振動情報（診断対象情報）を生成して処理ユニット２００に送信する。なお図１では、各ギヤモータ２にセンサ１００が１つ取り付けられているが、各ギヤモータ２に取り付けられるセンサ１００の数は特に限定されない。あるギヤモータ２に取り付けられるセンサ１００の数と、それとは別のギヤモータ２に取り付けられるセンサ１００の数とが異なっていてもよい。また、ギヤモータ２におけるセンサ１００の取付位置は、異常検知に適した位置を実験やシミュレーション等により定めればよい。

第１外部装置３００は、処理ユニット２００の第１インタフェース部２０１（後述）に接続される外部装置である。第１外部装置３００は、例えばギヤモータ２を制御するための制御管理装置であり、ＰＬＣ（programmable logic controller）が例示される。

第２外部装置４００は、処理ユニット２００の第２インタフェース部２０２（後述）に接続される外部装置である。第２外部装置４００は、例えばＰＣなどの情報処理端末である。第２外部装置４００は、第１外部装置３００よりも多くの情報を扱うことができる。

処理ユニット２００は、各センサ１００から送られた振動情報に基づき、対応するギヤモータ２に異常が発生しているいか否かを判定する「診断処理」を繰り返し実行する。そして処理ユニット２００は、判定結果等を、第１外部装置３００や第２外部装置４００に送信する。ユーザは、第１外部装置３００や第２外部装置４００に送信された判定結果等を確認することにより、ギヤモータ２に異常が発生したことを知ることができる。

図２は、故障診断システム１０が提供する診断設定画面を示す。診断設定画面は、診断処理に関する設定情報（以下、「診断設定情報」と呼ぶ）を設定するための画面である。本実施の形態では、後述するように第２外部装置４００が診断設定画面を提供する。

表示ｃｈ欄５０２には、診断設定するセンサ１００が接続されているチャンネルが入力（選択）される。診断処理間隔欄５０４には、診断処理を実行する間隔が入力される。サンプリング周波数欄５０６には、処理ユニット２００がセンサ１００から送られてくる振動情報を取得する頻度が入力される。計測時間５０８には、１回の診断処理で処理ユニット２００が振動情報を取得する時間が入力される。言い換えると、計測時間５０８には、１回の診断処理にどれだけの時間分の振動情報を使用するかが入力される。

診断方法選択欄５１０には、診断方法が入力（選択）される。本実施の形態では、「なし」、「ピーク値診断」、「実効値診断」または「両方」を選択できる。ピーク値診断では、振動情報が示す振動のピーク値の大きさに基づき、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。なおピーク値は、計測時間内における振幅の最大値と最小値との距離をいう。実効値診断では、振動情報が示す振動の実効値の大きさに基づき、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。なお実効値は、計測時間内の振動の二乗平均をいう。

ピーク基準値欄５１２には、ピーク値の異常閾値および注意閾値（＜異常閾値）を決める基準となる値が入力される。ピーク基準値欄５１２には、例えばギヤモータ２に異常が発生していないときのピーク値（例えば所定回数の診断処理におけるピーク値の平均値）を設定すればよい。ピーク値の異常欄５１４、注意欄５１６には、ピーク値の異常閾値、注意閾値が、ピーク基準値に対する倍数で入力される。つまりピーク値の異常欄５１４、注意欄５１６には、ピーク値がピーク基準値の何倍以上になったら異常、注意とされるかが入力される。図２の例では、ピーク基準値欄５１２に１０．０（ｍ／Ｓ^２）、ピーク値の異常欄５１４に２．０（倍）、注意欄５１６に１．５（倍）が入力されている。したがって、ピーク値の異常閾値は２０．０（ｍ／Ｓ^２）、注意閾値は１５．０（ｍ／Ｓ^２）となる。

実効基準値欄５１８には、実効値の異常閾値および注意閾値（＜異常閾値）を決める基準となる値が入力される。実効基準値欄５１８には、例えばギヤモータ２に異常が発生していないときの実効値（例えば所定回数の診断処理における実効値の平均値）を設定すればよい。実効値の異常欄５２０、注意欄５２２には、実効値の異常閾値、注意閾値が、実効基準値に対する倍数で入力される。つまり実効値の異常欄５２０、注意欄５２２には、実効値が実効基準値の何倍以上になったら異常、注意とされるかが入力される。図２の例では、実効基準値欄５１８に０．８（ｍ／Ｓ^２）、実効値の異常欄５２０に２．０（倍）、注意欄５２２に１．５（倍）が入力されている。したがって、実効値の異常閾値は１．６（ｍ／Ｓ^２）、注意閾値は１．２（ｍ／Ｓ^２）となる。

図３は、処理ユニット２００の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。以降のブロック図についても同様である。

処理ユニット２００は、第１出力手段としての第１インタフェース部２０１と、第２出力手段としての第２インタフェース部２０２と、第３インタフェース部２０３と、診断処理を実行するデータ処理部２０６と、そのデータ処理のための各種データを記憶する記憶部２０８と、を含む。

第１インタフェース部２０１は、デジタルＩ／Ｏをもつ装置とデジタル信号レベルの通信を行うためのインタフェースである。第１インタフェース部２０１は、第１外部装置３０と接続されている。第２インタフェース部２０２は、ネットワーク通信を行うためのインタフェースであり、イーサネット（登録商標）アダプタや無線ＬＡＮアダプタが例示される。第２インタフェース部２０２は、第２外部装置４０と接続されている。第３インタフェース部２０３は、各センサ１００と通信を行うためのインタフェースである。

記憶部２０８は、設定情報保持部２２０を含む。設定情報保持部２２０は、チャンネルごとに、図２の各設定項目の設定値を保持する。

データ処理部２０６は、設定情報取得部２１０と、診断対象情報取得部２１２と、異常判定部２１４と、判定結果送信部２１６と、を含む。設定情報取得部２１０は、第２外部装置４００から送信される診断設定情報を取得して、設定情報保持部２２０に登録する。診断対象情報取得部２１２は、各センサ１００から、設定された診断処理間隔の度に、設定されたサンプリング周波数で、設定された計測時間の間、振動情報を取得する。

異常判定部２１４は、各センサ１００から取得した診断対象情報に基づき、対応するギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。
まず異常判定部２１４は、診断設定情報においてどの診断方法が選択されているかによらず、振動情報からピーク値と実効値の両方を特定する。つまり異常判定部２１４は、診断方法に「両方」が設定されている場合はもちろんこと、診断方法に「なし」、「ピーク値」または「実効値」が設定されている場合にも、振動情報からピーク値と実効値の両方を特定する。

次に異常判定部２１４は、診断設定情報に設定されている診断方法により、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。具体的には、以下の通りである。
異常判定部２１４は、診断方法に「なし」が設定されている場合、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かの判定を実行しない。
異常判定部２１４は、診断方法に「ピーク値」が設定されている場合、振動情報から特定されたピーク値の大きさが異常閾値を超えている場合にギヤモータ２に異常が発生していると判定する。
異常判定部２１４は、診断方法に「実効値」が設定されている場合、振動情報から特定された実効値の大きさが異常閾値を超えている場合にギヤモータ２に異常が発生していると判定する。
異常判定部２１４は、診断方法に「両方」が設定されている場合は、ピーク値、実効値が設定されている場合と同様にして、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。なお、この場合、ピーク値診断および実効値診断のうちの少なくとも一方の診断方法によりギヤモータ２に異常が発生していると判定された場合に異常ありとしてもよいし、両方の診断方法により異常が発生していると判定された場合にのみ異常ありとしてもよい。

以下、異常判定部２１４によって振動情報から特定されたピーク値および実効値を、「判定値」とよぶ。

判定結果送信部２１６は、異常判定部２１４による判定結果を第１インタフェース部２０１に出力する、すなわち第１外部装置３００に送信する。具体的には、判定結果送信部２１６は、診断方法に「なし」が設定されている場合は第１インタフェース部２０１に判定結果を出力せず、「ピーク値診断」が設定されている場合はピーク値診断による判定結果を、「実効値診断」が設定されている場合は実効値診断による判定結果を、「両方」が設定されている場合はピーク診断による判定結果と実効値診断による判定結果に基づく判定結果を、第１インタフェース部２０１に出力する。

また、判定結果送信部２１６は、設定されている診断方法の判定値に加えて、設定されていない診断方法の判定値を、それら判定値の基となった振動情報を検知したセンサ１００が接続されているチャンネルと、判定実施日時とともに第２インタフェース部２０２に出力する、すなわち第２外部装置４００に送信する。つまり判定結果送信部２１６は、診断設定情報においてどの診断方法が設定されているかによらず、ピーク値および実効値の両方を第２インタフェース部２０２に出力する。なお、判定結果送信部２１６は、ピーク値および実効値に加えてさらに判定結果も出力してもよい。したがって判定結果送信部２１６は、例えば診断方法に「なし」が設定されている場合でも、第２インタフェース部２０２にピーク値および実効値を出力する。

図４は、第２外部装置４００の機能および構成を示すブロック図である。第２外部装置４００は、第４インタフェース部４０２と、ユーザインタフェース部４０４と、データ処理部４０６と、記憶部４０８と、を含む。

第４インタフェース部４０２は、ネットワーク通信を行うためのインタフェースであり、イーサネット（登録商標）アダプタや無線ＬＡＮアダプタが例示される。第４インタフェース部４０２は、処理ユニット２００と接続されている。ユーザインタフェース部４０４は、ユーザによる操作入力を受け付け、またデータ処理部４０６からの指示に応じて各種画面を表示部に表示させる。

記憶部４０８は、判定値保持部４２０を含む。判定値保持部４２０は、判定値、チャンネルおよび判定日時を対応づけて保持する。

データ処理部４０６は、第４インタフェース部４０２およびユーザインタフェース部４０４から取得されたデータをもとにして各種のデータ処理を実行する。データ処理部４０６は、診断設定情報設定部４１０と、判定値取得部４１２と、表示制御部４１４と、を含む。

診断設定情報設定部４１０は、図２の診断設定画面において送信ボタン５２４が押されると、診断設定画面に入力された各設定項目の設定値を診断設定情報として設定する。具体的には、診断設定情報設定部４１０は、各設定項目の設定値を処理ユニット２００に送信し、設定情報保持部２２０に記録させる。また診断設定情報設定部４１０は、各設定項目の設定値を記憶部４０８にも記録する。

判定値取得部４１２は、処理ユニット２００から送信される判定値、チャンネルおよび判定日時を取得し、判定値保持部４２０に記録する。

表示制御部４１４は、ユーザによる所定の操作入力を受け付けると、表示部に各種画面を表示させる。表示制御部４１４は例えば、図２の診断設定画面、診断結果画面、診断トレンド画面を表示させる。

図５は、診断結果画面を示す。診断結果画面の左側には、各チャンネルに接続されているセンサ１００からの振動情報に基づくピーク値が棒グラフで表示される。具体的には、ピーク基準値を０％、異常値を１００％として、それらに対する比率でピーク値が表示される。診断結果画面の右側には、各チャンネルに接続されているセンサ１００からの振動情報に基づく実効値が棒グラフで表示される。具体的には、実効基準値を０％、異常値を１００％として、それらに対する比率で実効値が表示される。

また、診断結果画面において、いずれかのチャンネルピーク値の棒グラフにポインタ（マウスカーソル）を合わせるとそのチャンネルのピーク値が、いずれかのチャンネルの実効値の棒グラフにポインタを合わせるとそのチャンネルの実効値がポップアップ表示される。

図６は、診断トレンド画面を示す。表示ｃｈ欄５４０には、判定値のトレンドグラフ（時間経過）を表示させたいセンサ１００に対応するチャンネルを入力（選択）する。グラフ５４２には、選択されたチャンネルに対応するトレンドグラフが表示される。具体的には、表示制御部４１４が、判定値保持部４２０を参照して、表示ｃｈ欄５４０で選択されているチャンネルの判定値のうち、所定期間（例えば直近３０日間）の判定値を、トレンドグラフとしてグラフ５４２に表示させる。なお図６では、ピーク値のトレンドグラフを表示させているが、実効値のトレンドグラフも同様に表示させることができる。

以上のように構成された故障診断システム１０の動作を説明する。
ユーザは、図２の診断設定画面に診断設定情報を入力する。第２外部装置４００は、図２の各設定項目の設定値を診断設定情報として設定する。処理ユニット２００は、所定のスタート指示を受けると、各センサ１００から、診断設定情報で設定された診断処理間隔の度に、設定されたサンプリング周波数の頻度で、設定された計測時間、振動情報を取得する。そして処理ユニット２００は、取得した振動情報に基づき、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かを判定する。処理ユニット２００は、診断設定情報で設定された診断方法による判定結果を、第１インタフェース部２０１に出力して第１外部装置３００に送信する。第１外部装置３００は、判定結果を所定の方法でユーザに通知する。これにより、ユーザはギヤモータ２に異常が発生しているか否かを知ることができる。また、処理ユニット２００は、診断設定情報で設定された診断方法による判定値と、それに加えて診断設定情報で設定されていない診断方法による判定値とを、第２インタフェース部２０２に出力して第２外部装置４００に送信する。これにより、診断方法に「なし」、「ピーク値」または「実効値」が設定されていても、図５のごとくピーク値と実効値の両方を表示させることができる。また診断方法に「なし」または「実効値」が設定されていても、図６のごとくピーク値のトレンドグラフを表示させることができ、診断方法に「なし」または「ピーク値」が設定されていても実効値のトレンドグラフを表示させることができる。

以上説明した実施の形態に係る故障診断システム１０によれば、第１出力手段としての第１インタフェース部２０１には、診断設定情報で設定された診断方法による判定結果が出力される。これにより、ギヤモータ２に異常が発生しているいか否かを知ることができる。一方、第２出力手段としての第２インタフェース部２０２には、診断設定情報で設定された診断方法による判定値に加えて、診断設定情報で設定されていない診断方法による判定値も出力される。これにより、事前の設定内容にかかわらず、各種診断方法による判定値を取得でき、ギヤモータ２の状態をより詳細に確認することができる。つまり、実施の形態に係る故障診断システム１０によれば、利便性が向上する。

また、実施の形態に係る故障診断システム１０によれば、図５の診断結果画面において、各チャンネルの異常閾値の高さが合うように（すなわち１００％になるように）、判定値が比率で表示される。これにより、異常閾値を超えているものがあるかひと目で把握することが可能となる。また、各チャンネルに対応するギヤモータ２の状態を直感的に把握できる。

また、実施の形態に係る故障診断システム１０によれば、図５の診断結果画面において、ピーク値の棒グラフにポインタを合わせるとそのピーク値が、実効値の棒グラフにポインタを合わせるとその実効値がポップアップ表示される。これにより、ユーザはピーク値自体や実効値自体を手軽に確認できる。

以上、実施の形態に係る故障診断システムについて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。

（変形例１）
実施の形態では、第２外部装置４００が診断設定情報設定部４１０を備える場合について説明したが、これに限られず、例えば処理ユニット２００が診断設定情報設定部４１０を備えてもよい。この場合、処理ユニット２００が図２の診断設定画面を提供してもよい。また例えば、第１外部装置３００や第２外部装置４００以外の外部装置が診断設定情報設定部４１０を備えてもよい。この場合、その外部装置が図２の診断設定画面を提供してもよい。

（変形例２）
実施の形態では、処理ユニット２００は、各判定方法による判定値を第２インタフェース部２０２に出力する場合について説明したが、これに限られず、処理ユニット２００はさらに、振動情報自体を第２インタフェース部２０２を介して第２外部装置４００に出力してもよい。この場合、ユーザは、より詳細な解析が可能となる。

（変形例３）
実施の形態では、故障診断システム１０は、ギヤモータ２に生じている振動に基づいて、ギヤモータ２に異常が生じているか否か判定する場合について説明したが、これに限られず、種々の情報を使用できる。例えば、故障診断システム１０は、ギヤモータ２に生じている振動に代えて、あるいはギヤモータ２に生じている振動に加えて、ギヤモータ２のモータ電流、温度、潤滑油の鉄粉濃度の少なくとも１つに基づいて、ギヤモータ２に異常が生じているか否かを診断してもよい。すなわち、振動情報に代えて、または振動情報に加えて、モータ電流、温度、または潤滑油の鉄粉濃度に関する情報の少なくとも１つを診断対象情報としてもよい。ギヤモータ２以外の診断対象装置の場合も同様である。つまり、故障診断システム１０は、診断対象装置の異常を判断するのに適した診断対象情報を用いるようにすればよい。

（変形例４）
判定値は、ピーク値や実効値に限られず、異常の判定が可能なものであればよい。例えば、振動情報をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理して得られるものでもよい。

（変形例５）
診断方法に「なし」が設定されている場合、処理ユニット２００は、ギヤモータ２に異常が発生しているか否かの判定自体を行わなくてもよいし、判定は行うが、第１外部装置３００には出力しないようにしてもよい。

（変形例６）
実施の形態では、処理ユニット２００に３つのセンサ１００が接続されているが、１台の処理ユニット２００に接続されるセンサ１００の数は特に限定されない。例えば、１つや２つでもよいし、４つ以上でもよい。

上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

２ギヤモータ、１０故障診断システム、１００センサ、２００処理ユニット、３００第１外部装置、４００第２外部装置。

Claims

診断対象装置の診断対象情報を検知するセンサと、
前記診断対象情報に基づく複数種類の判定値のうちから、前記診断対象装置に異常が発生しているか否かの判定に使用する判定値の種類を設定する設定手段と、
前記設定手段による設定内容に関わらず、前記センサから取得した診断対象情報に基づいて、前記複数種類の判定値を特定する判定値特定部と、前記設定手段により設定された種類の判定値に基づいて、診断対象装置に異常が発生しているか否かを判定する判定手段を有する診断ユニットと、を備え、
前記診断ユニットは、前記判定手段による判定結果を前記診断処理ユニットとは別に設けられた第１外部装置に出力する第１出力手段と、前記設定手段による設定内容に関わらず、前記判定値特定部により特定された複数種類の判定値を前記診断処理ユニットおよび前記第１外部装置とは別に設けられた第２外部装置に出力する第２出力手段と、を有することを特徴とする故障診断システム。
前記診断対象装置は、ギヤモータであり、
前記第１外部装置は、前記ギヤモータを制御するための制御管理装置であることを特徴とする請求項１に記載の故障診断システム。
前記設定手段は、予め定められた計測時間内における前記診断対象情報の振幅の最大値と最小値の間の距離であるピーク値または前記計測時間内の前記診断対象情報の二乗平均である実効値を、前記判定値として設定可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の故障診断システム。
前記第２出力手段は、前記センサにより検知された診断対象情報自体を前記第２外部装置に出力することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の故障診断システム。
前記設定手段は診断なしの設定が可能であり、
前記診断ユニットは、診断なしが設定された場合、第１出力手段による出力は行わず、前記第２出力手段による出力を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の故障診断システム。