JP7073057B2 - 異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮装置などの流体機械の異常を監視する異常診断装置に係わる。

従来から、流体機械は幅広い産業で用いられており、異常の予兆現象である異常振動を検知し、流体機械を停止させる技術が知られている。

流体機械の応用製品の一つである空気調和機の異常監視装置が特許文献１に開示されている。

特許文献１の[００２７]乃至[００２９]には、「…以上に説明したように本実施例の空気調和機は筐体２と、この筐体２に設けられた送風装置１０と、この送風装置１０の振動を検知する振動検知手段（振動センサ１０３）と、送風装置１０は、ファン１００と、ファン１００を回転軸を介して駆動するモータ１０１と、を有する。また冷媒を圧縮する圧縮機３００の制御を含めた空気調和機１全体を制御する制御装置（製品制御基板５００）とは別に設けられ、振動検知手段（振動センサ１０３）からの出力に基づいて送風装置１０の異常を診断する異常診断装置（異常検知用制御モジュール５０１）を備える。そして、異常診断装置（異常検知用制御モジュール５０１）は、送風装置１０の異常を検知した際に、制御装置（製品制御基板５００）へ通知を行い、該制御装置（製品制御基板５００）は異常診断装置（異常検知用制御モジュール５０１）からの通知があった場合に送風装置１０の運転を停止させるものである。
更に本実施例では、異常検知用制御モジュール５０１上に、ディップスイッチ、ロータリースイッチ等による感度調整用スイッチ６０１が設けられている。振動センサ１０３はセンサ取り付け位置の振動量を検出しているため、製品の運転仕様や構造、センサ取り付け位置等により検出量が違ってくる。つまり適用製品には、ビル用、店舗用、設備用、冷凍機、チラー等、多種多様な製品形態があり、夫々に構造が異なったり、送風機の種類や回転数が異なり、発生する振動の大きさも異なるため、異常と判断するための閾値も本来は異なる。
図６に示した異常検知装置のように製品毎に専用設計するのであれば異常判定の閾値を調整すればよいが、本実施例では、様々な機種に適用できるように異常検知部分をモジュール化したものである。この場合には、感度調整機能を備えることにより、汎用性を高めておくのが望ましい。つまり、製品やユーザーの設置状況等にあわせて、閾値を調整できる機能を設けることで、適用可能な範囲が広がり、汎用性が高まる。このような構成とすることで、安価でかつ効率的に送風機の異常検知機能を拡張することができる空気調和機の室外機を提供できる。 」と記載されている。

特開２０１４－２１１１４３号公報

特許文献１のような、機種毎にスイッチによる異常振動閾値の調整を行うことは煩雑であり、スイッチの組み合わせだけでは調整できる異常振動閾値の調整代は小さい。そのため異常検知精度を容易に向上できているとはいえない。

また、産業用の流体機械の場合、過酷な設置環境（例、環境温度）に配置されることも多く、出荷前に調整した異常振動閾値では、装置自体に異常がなくても、設置環境により異常振動閾値を超えて異常検出してしまうことがある。したがって、設置環境で、異常検知閾値の調整が可能な監視装置があれば、誤検出回数を減らすことができる。

本発明の目的は、流体機械の異常検知精度が高い異常診断装置を提供することにある。

本発明は、上記課題に対して、異常診断装置の異常振動閾値を自動調整する機能を付加するものである。

本発明によれば、流体機械の異常検知精度が高い異常診断装置を提供することができる。

実施例１における流体機械の監視システム構成図である。 実施例１における流体機械に用いる異常診断装置の回路構成例である。 実施例１における流体機械に用いる異常診断装置の制御の流れを示す図である。 実施例１における流体機械の正常時の振動波形と運転状態を示す図である。 実施例２における流体機械に用いる異常診断装置の回路構成例である。 実施例２における流体機械の正常時の振動波形と振動の信号波形および運転状態を示す図である。

本発明は、異常診断装置に対して異常振動閾値を自動調整する機能を付加するものであり、ほとんどの場合、異常検知精度を容易に向上させることができた。

ただ中には、自動調整前よりも誤検出が増える場合もあった。これは、産業用流体機械は設置環境や運転状況によって大きな振動が発生するからである。すなわち、産業用流体機械は、流体機械駆動部（例、モータ）や流体機械本体（例えば圧縮機）の周期的な微小振動（回転数に応じた周波数の微小振動）が発生するが、アンロード運転時、起動／停止時など、負荷が大きく変動する場合には、ロード運転モードの定常運転時よりも大きな振動または小さな振動が発生する。具体的には、圧縮機の機能消失や機構部の異常による駆動手段のロックなどの機構的な異常が発生した場合と同レベルの振動（数倍乃至１０倍）が生じる。

そこで、異常検知閾値調整に適する運転状態か否かを判定する機能を流体機械の異常診断装置に設け、異常振動閾値の調整に適しない状態（例えば、周期的な微小振動状態）の場合、異常振動閾値の調整を行わず、異常振動閾値の調整に適する状態になってから異常振動閾値の調整を行う機能を設けることにした。

以下、本発明の実施例について図面を用いて以下説明する。

図１は本実施例の流体機械の監視システム構成図である。

流体機械の監視システムは、電源１、電磁開閉器２、サーマルリレー３、モータ４、圧縮機本体５、制御装置６、タンク１０、圧力センサ１１、逆止弁１２、バルブ１３及び異常診断装置１４を有する。

電源１から供給される交流電力は、電磁開閉器２とサーマルリレー３を介してモータ４に供給され、圧縮機本体５が該モータ４によって駆動される。

制御装置６は、遮断回路７、マイコン８、記憶回路９を有する。

マイコン８は、圧力センサ１１および異常診断装置１４からの信号を受信する機能と、記憶回路９の情報の記録、読み取りを行う機能を有する。

さらに、マイコン８は、圧力センサ１１から得られた圧力の情報を演算し、所望の圧力になるように遮断回路７を制御することで、モータ４の回転を間接的に制御して、流体機械の運転と停止を制御している。

圧縮機本体５の近傍に配置された異常診断装置１４は、圧縮機本体５（またはモータ４）の異常振動を監視しており、異常振動の発生の有無を知らせる信号をマイコン８に送信する。

マイコン８は、異常振動の発生を知らせる信号を受信すると、遮断回路７を制御することによって、圧縮機流本体（またはモータ）を停止させる。

該圧縮機本体５から吐出された圧縮空気は、一時貯留タンク１０で一時的に貯留される。

この一時貯留タンク１０には、タンク内圧力を測定する圧力センサ１１が付されている。

圧力センサ１１は圧力値を測定し、圧力の情報をマイコン８に送信している。

さらに、この一時貯留タンク１０から出される圧縮流体は、逆止弁１２、バルブ１３を介して外部へ供給される。

図２に、異常診断装置１４の回路構成図を示す。

異常診断装置１４は、圧電素子１０１、増幅回路１０２、フィルタ１０３、包絡線検波１０４、ＡＤ変換器１０５付きマイコン１０８、記憶回路１０９、信号出力回路１０７を有する。

圧電素子１０１は、モータ４または圧縮機本体５の近傍に配置され、流体機械の振動を測定するセンサであり、測定した振動値を信号で出力する。

増幅回路１０２は、圧電素子１０１の出力信号を信号処理用に増幅する。

増幅回路１０２で増幅された信号は、フィルタ１０３に接続され、異常振動検知に必要な周波数成分のみを通過させる。

フィルタ１０３から出力された信号は、振幅信号を保持する包絡線検波回路１０４を介してマイコン１０８に内蔵されたＡ／Ｄ変換器１０５に入力される。

記憶回路１０９は、流体機械の正常時の振動振幅値、異常振動閾値、および異常振動閾値の調整が行われた日時を含む調整履歴が格納されている。この調整履歴の情報の日時はすでに実施されたか否かを示すデータに代えてもよい。

次に、異常診断装置１４の制御の流れについて図３に示す。異常診断装置１４はモータ４の運転・停止に関係なく、異常診断装置１４への通電開始とともに動作を開始し、記憶回路１０９に記録された調整履歴を読込む。

続くステップ２では、調整履歴から自動調整済みか否かを「ＹＥＳ（調整済）」「ＮＯ（未調整）」を判定し、「ＮＯ」と判定した場合、続けて異常振動閾値の調整を実施する。なお、本実施例では自動調整済か否かのみを判定したが、一定期間を過ぎた実施日時は削除する機能を付加したり、実施日時と現在日時を比較することにより所定期間内に自動調整されたかを判断することにより、自動で再調整させる機能に変更することも本発明の範疇である。このような機能とすることで、定期的な再調整が可能になるので、流体機械の経年変化を反映した高精度な調整が可能となる。

また、上記機能を用いて、流体機械や異常診断装置に表示パネルを設けて、そこに再調整の要否を表示させたり、再調整「要」の警告音を発生させたりすることで、ステップ３以降の再調整を促すことも本発明の範疇である。

ステップ３では、Ａ／Ｄ変換器１０５によって電気信号をデジタル信号に変換して読込む。

続くステップ４では（１）調整可能な状態か、（２）調整不可能な状態か、のどちらの状態に流体機械（モータ４または圧縮機本体５）があるか判定する。本実施例では、上記（１）の調整可能な状態を、周期的な微小運動が生じる状態とする。そして、本実施例では、装置構成を簡単にするため、流体機械振動を入力に用いて調整可能な状態であるか否かを判定する。

このため、ステップ５で、第０電圧値Ｖ０（例えばＶ０＝０Ｖ）から第１電圧値Ｖ１（上限値、例えば通常発生しうる振動の電圧の＋２０％程度）を超えたときに、モータの運転開始時（流体機械の起動時）であるため、調整不可能な状態であると判断すると共に、ステップ３に戻って引き続き振動の信号を監視する。この運転開始時以降に振動の信号が第１電圧値Ｖ１以下となる定常運転の振動信号に収束するまでの間、つまり起動動作が完了するまではステップ６において起動時であると判定しステップ３へ戻り引き続き振動の信号を監視する。一方、起動時と判定されないときには、起動状態が終わり、定常運転状態になったと判定し、ステップ７へ移行する。

ここで、流体機械の圧縮機５がアンローダ式である場合、アンロード運転はロード運転に比べて振動が小さい。このため、より精度を高める場合には、アンロード運転を定常状態に含めずに振動の信号がＶ２より小さい場合にはアンロード運転中で調整不可能な状態であると判定し、振動の信号がＶ１からＶ２までの範囲内になった場合には、調整可能な状態になったと判断するようにする。このように、下限値を設けることも本発明の範疇である。

ステップ７では運転時の振動信号を取得し、ステップ８において通常振動値の演算を実施する。このステップ８の演算では、記憶回路１０９の定常状態時の振動の最大値を記録または更新を行う。ここで、振動の信号には流体機械の外部からの衝撃や電気的ノイズなどにより異常値が入力されることもあるから、異常値カットや最大値の時間平均化などの処理により、異常な入力信号の除去を実施することが望ましい。ステップ８では振動の最大値が一定期間更新されなくなった場合には、通常振動値の最大値が演算できたと判断し、次のステップ９へ移行する。

ステップ９ではステップ８で得られた通常振動の最大値から異常振動の判定基準となる異常振動閾値の演算を行う。ここで、流体機械に異常が発生した場合、通常の振動に比べて数倍～数十倍の異常振動が発生する。そのため、異常振動閾値は振動のレベルと破損度合や流体機械の破損による他の設備や生産への影響度を考慮しながら、最大負荷での動作状態を推定し、定常状態の通常振動の数倍（たとえば３～５倍）に冤罪、設定し、ステップ１０にて記憶回路１０９に新たな異常振動閾値として記憶する。

最後にステップ１１においてステップ１でも使用された記憶回路１０９の調整履歴の情報を更新し、ステップ１２に移行して流体機械の異常監視を実施する。

これにより、流体装置の振動のみを測定することにより、運転状態の判定と定常状態の振動値の測定および異常判定閾値の調整と異常判定ができる。

かくして、本実施の形態によれば、異常診断装置１４は振動検知する圧電素子１０１によって検出された定常状態の振動検出信号の値に基づいて、異常判定の閾値の設定ができるから、流体機械（流体機械駆動部であるモータ４または流体機械本体である圧縮機５）に異常があると判定した場合には、流体機械の運転を速やかに停止することができる。

したがって異常振動の閾値設定のために例えばディップスイッチやロータリースイッチおよびシリアル通信機能（通信用のコネクタや回路）のような周辺機器が不要となり、低廉な異常診断装置１４を提供することができる。また、検知器の寸法が大きくなり、閾値の書き込みに要する作業工数も減らすことができる。

また、本実施例では異常診断装置１４から異常信号を制御装置６に出力し、間接的に流体機械を停止させる例について説明したが、電源からの電力をそのままモータ４に供給するような安価な流体機械に対しても、直接電磁開閉器３を操作することにより、異常診断装置１４を適用することができる。このため、モータ４や流体機械等の構造変更や改修が殆ど要らないため、既存の圧縮装置に対しても本実施の形態による異常診断装置１４を容易に追加することができる。

さらに、本実施例では定常状態時の振動最大値から異常振動の判定閾値を決定する構成としたが、これに加えて非定常状態の振動値の２つの値から判定閾値を決定する構成としてもよい

次に図５に第２の実施例の回路構成例を示す。本実施の形態の特徴は、２系統の包絡線検波回路１０４および１０６からの信号をＡ／Ｄ変換器１０５で読込む構成としたことにある。なお、第２の実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

異常診断装置５４は、第１の実施の形態による異常診断装置１４ほぼ同様に構成されている。このため、異常診断装置５４は、第１の実施の形態と同様に、図３に示す流体機械の振動値の演算と異常判定閾値の演算処理を実行する。

ただし、異常診断装置５４はフィルタ１０３にてノイズ除去された気体流体の振動信号を時定数の異なる包絡線検波回路の一方１０４の時間変化量を演算し、運転状態を推定する目的として使用し、包絡線検波回路１０６を実際の振動信号の演算用として計測する。

図６に実施例２における流体機械の正常時の振動波形と振動の信号波形および運転状態を示す。具体的には、流体機械を起動したときに、包絡線検波信号１の前回の値との差分である検波信号変化量を演算し、前記検波信号変化量（差分）が所定値以上であった場合には、運転モードの変更で再調整不可能な状態であると判定し、再調整可能となるまで再調整は行わない。ここで運転モードの変更状態とは、流体機械の停止から定常運転の変更、ロード運転からアンロード運転への変更、定常運転から停止への変更など、ロード運転でない運転モードへの変更またはロード運転への変更中の状態をさす。

次に流体機械が前記切り替え状態から所定時間経過し、定常運転の状態に近づくにつれて、検波１信号変化量は徐々に減少し、発生頻度も減少してゆく。したがって、前記検波１信号変化量が所定の値（たとえば５０ｍＶ）以下となり、所定時間経過した場合には定常運転へ移行したと判断し、包絡線検波信号２を用いて流体機械の振動値の演算と異常判定閾値の演算処理ならびに異常監視を実施する。

かくして、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施の形態では、時定数の短い包絡線検波２信号から振動を演算することにより、より正確な振動値が演算できるようになる。

また前記各実施の形態では信号のフィルタ１０３や包絡線検波回路１０４および１０６をハードウェアにて実現した構成としているが、たとえばＡ／Ｄ変換器１０５で読込んだデジタル信号に対しソフトウェアでフィルタや包絡線検波の機能を実現してもよい。

１…電源、２…電磁開閉装置、３…サーマルリレー、４…モータ、５…流体機械、６…制御装置、８…マイコン、１０…タンク、１１…圧力計、１２…逆止弁、１３…バルブ、１４、５４…異常診断装置、１０１…振動検知手段、１０２…信号増幅回路、１０３…フィルタ、１０４…包絡線検波回路、１０５…Ａ／Ｄ変換器、１０６…包絡線検波回路、１０８…マイコン、１０９…記憶回路

Claims (6)

1. 流体機械の振動の測定振動値から異常を診断する異常診断装置において、
   前記異常診断装置は、
   前記測定振動値に基づいて、定常運転状態になったかを判定し、
   前記定常運転状態ではないと判定する場合には前記振動の信号を監視し、
   前記定常運転状態であると判定する場合には、
   定常運転時の前記振動の信号を取得し、通常振動値の演算をし、異常振動閾値の演算をすることを特徴とする異常診断装置。
2. 請求項１において、
   起動動作が完了するまでの起動時は前記定常運転状態ではないと判定することを特徴とする異常診断装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記流体機械の圧縮機がアンローダ式である場合は、アンロード運転は前記定常運転状態ではないと判定することを特徴とする異常診断装置。
4. 請求項１において、
   時定数の異なる第１の包絡線検波回路と第２の包絡線検波回路を有し、
   前記第１の包絡線検波回路からの信号から前記定常運転状態であるかを判定し、
   前記定常運転状態であると判定した場合には、前記第２の包絡線検波回路から前記通常振動値の演算をし、前記異常振動閾値の演算をすることを特徴とした異常診断装置。
5. 請求項１または請求項４において、
   前記通常振動値の演算は、定常状態時の前記振動の最大値を求める演算であることを特徴とした異常診断装置。
6. 請求項５において、
   前記通常振動値の演算は、異常値カットもしくは最大値の時間平均化の処理を含むことを特徴とした異常診断装置。

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