JP7110845B2 - 情報処理装置及び情報処理方法 - Google Patents

Description

本発明は情報処理装置及び情報処理方法に関する。

所定動作を行う可動装置の動作を監視することで当該可動装置の異常の有無を検出する装置が使用されている。特許文献１の引抜装置では、鋳片の、引抜き設定ストロークと引き抜き検出ストロークとの偏差の複数サイクル分の平均値及び標準偏差を求めて引抜装置の異常の有無を検出している。

特開平６‐２２６４０５号公報

速度制御で動作させる際の可動装置に入力する速度の指示値（目標値）と、実際に可動装置の可動部が可動した際の速度との間にはずれが生じる。特に、可動部の動作開始直後、及び、動作終了直前に、当該ずれは大きくなる。

このため可動装置に入力する指示値と、可動装置が実際に動作したときの出力値との比較に基づいて当該可動装置の異常の有無を検出すると、わずかな可動装置の異常に伴う変動に気付かない場合がある。本発明の一態様は、精度よく、可動装置の異常を検出することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面に係る情報処理装置は、可動装置に所定動作をさせるモータを、入力された指示値に基づいてドライバが回転させたときの当該モータの回転に伴う指標を経時的に取得する取得部と、前記取得部が取得した前記指標と、前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標の予想値との差分を経時的に演算する差分演算部と、前記差分の所定期間における特徴量を演算する特徴量演算部と、前記特徴量と閾値とを比較することで、前記可動装置の異常を検出する異常検出部とを備えている。このため、前記指示値と前記指標との差分に基づいて前記可動装置の異常を検出する場合と比べて、より小さな前記指標の変動を検出することができる。この結果、精度よく、前記可動装置の異常を検出することができる。

前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標に対応する予想値を予め記憶している記憶部を備えてもよい。

前記特徴量は、前記所定期間における、前記差分の絶対値の平均値であってもよい。これによれば、所定期間に渡って差分が累積されるため、予想値に対する小さなずれも検出することができる。それゆえ、精度よく、早期に前記可動装置の異常を検出することができる。

前記特徴量は、前記所定期間における前記差分の最大値と最小値との差分、又は、前記所定期間における前記差分の分散であってもよい。

前記モータの回転に伴う指標は、前記モータのトルクであってもよい。

前記モータの回転に伴う指標は、前記モータが回転する速度であってもよい。トルク及び速度は、可動装置が動いているときの指標であるので、可動装置の異常が値に反映されやすい。それゆえ、前記可動装置の異常の有無を早期に検出することができる。

本発明の一側面に係る情報処理方法は、可動装置に所定動作をさせるモータをドライバが指示値に基づいて回転させたときの当該モータの回転に伴う指標を経時的に取得する取得ステップと、前記取得ステップにて取得された前記指標と、前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標の予想値との差分を経時的に演算する差分演算ステップと、前記差分の所定期間における特徴量を演算する特徴量演算ステップと、前記特徴量と閾値とを比較することで、前記可動装置の異常を検出する異常検出ステップとを有する。

本発明の一態様によれば、精度よく、可動装置の異常を検出することができる。

実施形態１に係るＰＬＣの機能ブロックの一例を示す図である。 実施形態１に係るＰＬＣの適用場面の一例を模式的に表す図である。 実施形態１に係る、指示値、理想波形、計測値それぞれの波形を表す図である。 実施形態１に係る差分演算部が演算した、モータの回転に伴う出力値と、予想値との差分を表す波形である。 実施形態１に係るＰＬＣの処理の流れを表す図である。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。

§１ 適用例
図２を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図２は、実施形態１に係るＰＬＣ（programmable logic controller）５０の適用場面の一例を模式的に表す図である。本実施形態に係るＰＬＣ５０は、モータ３０の回転によって所定動作をする可動機構（可動部１３、ボールネジ１２）を含む可動装置１０の異常をリアルタイムで検出する、本発明の情報処理装置の一例である。

可動システム１は、可動装置１０と、モータ３０と、モータ３０の駆動を制御するドライバ４０と、ＰＬＣ５０とを備えている。可動システム１は、例えば、製品の製造工場において用いられる生産設備である。可動装置１０は、例えば、カップリング２０を介して接続されているモータ３０の回転が伝達されることによって、所定動作を行う装置である。可動装置１０は、モータ３０の回転が伝達されることで所定動作をする装置であればよく、例えば、製造工場において用いられる搬送装置等の各種装置であってもよいし、製造工場以外で用いられている各種のロボット等の装置であってもよい。

ＰＬＣ５０は、モータ３０の回転に伴う指標を経時的に取得し、当該指標の予想値と当該取得した指標との差分に基づいて可動装置１０の異常を検出する。予測値は、指示値（制御目標値）に基づいて予測されるものであり、指示値（制御目標値）とは異なる。予測値は、正常な可動装置１０における指標の計測値を表すもの（例えば平均値）である。なお、ＰＬＣ５０は、指標の予想値と当該指標との差分に基づいて可動装置１０の異常を検出する情報処理装置であればよく、当該情報処理装置としては、例えば、サーバ等であってもよい。指標の具体例は後述する。

§２ 構成例
図２を用いて、実施形態１に係る可動システム１の構成例について説明する。可動装置１０は、例えば、リニアガイドを有するベース１１と、ボールネジ１２と、可動部１３とを備えている。ボールネジ１２は、ベース１１の長軸方向に平行となるようにベース１１に搭載されている。可動部１３は、ボールネジ１２に搭載されている。ボールネジ１２の一方の端部は、カップリング２０を介してモータ３０の出力軸と接続されている。

モータ３０の出力軸の回転（単に、モータ３０の回転と称する）によってボールネジ１２が回転する。そして、可動部１３は、ボールネジ１２の回転に伴い、ボールネジ１２上であって、矢印Ａ１に示すように、ボールネジ１２に沿って動作する（すなわち移動する）。

可動装置１０は、例えば、可動部１３が、ボールネジ１２の一方の端部（モータ３０に近い側の端部）近傍から、他方の端部（モータ３０から遠い側の端部）近傍方向（往路方向）へ１サイクルの動作として移動したり、逆に、可動部１３が、ボールネジ１２の他方の端部近傍から、一方の端部近傍方向（復路方向）へ１サイクルの動作として移動したりする。この可動装置１０における所定動作とは、前記１サイクルの動作であってもよいし、前記１サイクルの動作を複数回含む複数サイクルの動作であってもよい。

本実施形態では、モータ３０はエンコーダ３５を備えているものとして説明する。エンコーダ３５は、モータ３０の回転方向及び回転角度を示す情報をパルス信号としてドライバ４０へ経時的に出力する。

なお、エンコーダ３５は、モータ３０とは別に設けられた外付けであってもよい。エンコーダ３５がモータ３０とは別に設けられている場合、例えば、当該エンコーダ３５は、ボールネジ１２の他方の端部（モータ３０から遠い側の端部）にカップリングを介して取り付けられる。そして、当該エンコーダ３５は、ボールネジ１２の回転方向及び回転角度を示す情報をパルス信号としてＰＬＣ５０へ経時的に出力する。

なお、モータ３０に内蔵されているエンコーダ３５又はモータ３０とは別に設けられた外付けのエンコーダ３５は、回転部分と、当該回転部分の回転方向及び回転角度をセンシングするセンシング部分と、が接触している接触式のエンコーダであってもよいし、回転部分とセンシング部分とが非接触である非接触式のエンコーダであってもよい。

例えば、ドライバ４０は、ＰＬＣ５０からの指示値（制御目標値）に基づいて、モータ３０の単位時間あたりの回転数が指示値（制御目標値）となるように、適切な値の電流及び電圧を生成し、当該生成した電流及び電圧をモータ３０に出力する。これにより、ドライバ４０は、モータ３０の回転を制御する。例えば、ドライバ４０は、モータ３０へ出力した電流及び電圧それぞれの電流値及び電圧値に基づいて、モータ３０の回転に伴う出力値であるトルク値を経時的に演算し、逐次、ＰＬＣ５０へ出力する。

ドライバ４０に入力されるＰＬＣ５０からの指示値（制御目標値）、ドライバ４０からモータ３０へ出力する電流値及び電圧値及び、当該電流値及び電圧値から演算されるトルク値は、モータ３０の回転に伴う指標のうち、モータ３０を制御するための制御値の一例である。

また、ドライバ４０は、モータ３０が備えるエンコーダ３５から取得するパルス信号に基づいて、モータ３０の回転に伴う出力値（計測値）である角速度値（換言するとモータ３０の回転の速度）を経時的に演算して、逐次、ＰＬＣ５０へ出力してもよい。

なお、例えば、可動部１３に加速度センサを取り付けておき、モータ３０の回転に伴って移動する可動部１３の加速度データを加速度センサが経時的に取得し、当該加速度センサが、加速度値を示す加速度データを、モータ３０の回転に伴う出力値として、逐次、ＰＬＣ５０へ出力するようにしてもよい。

なお、例えば、可動部１３に加速度センサを取り付けておき、モータ３０の回転に伴って移動する可動部１３の加速度データを加速度センサが経時的に取得し、当該加速度センサが、加速度値を示す加速度データを、モータ３０の回転に伴う出力値として、逐次、ＰＬＣ５０へ出力するようにしてもよい。また、例えば、可動部１３に位置センサを取り付けておき、モータ３０の回転に伴って移動する可動部１３の位置データを位置センサが経時的に取得し、当該位置センサが、可動部１３の位置を示す位置データを、モータ３０の回転に伴う出力値として、逐次、ＰＬＣ５０へ出力するようにしてもよい。

上述したような、モータ３０からドライバ４０へ出力されるパルス信号から演算されるモータ３０の回転の速度、又は別途設けられたセンサから得られる、加速度値、及び位置等は、モータ３０の回転に伴う指標のうち、モータ３０の回転に伴う出力値（計測値）の一例である。なお、モータ３０の回転に伴う出力値（計測値）は、モータ３０の回転に伴って計測して得られる値であればよい。

図１は、実施形態１に係るＰＬＣ５０の機能ブロックの一例を示す図である。ＰＬＣ５０は、指示部５１と、予想値演算部５２と、記憶部５３と、取得部５４と、差分演算部５５と、特徴量演算部５６と、異常検出部５７を備えている。以下、ＰＬＣ５０が備える各部について説明する。

図３は、実施形態１に係る、指示値、理想波形、計測値１・２それぞれの波形を表す図である。

指示部５１は、図３に示す指示値を、ドライバ４０に出力する。指示部５１がドライバ４０に出力する指示値とは、モータ３０の回転に伴う指標の目標値である。

モータ３０の回転に伴う指標は、ドライバ４０が指示値に基づいて生成する電流値及び電圧値（制御値）、当該電流値及び電圧値から演算されるトルク値（制御値）、モータ３０の回転に伴う出力値（計測値）を挙げることができる。モータ３０の回転に伴う出力値（計測値）は、例えば、エンコーダ３５から出力されるパルス信号が演算されるモータ３０の回転の速度、又は別途設けられたセンサから得られる、加速度値、位置等を挙げることができる。特に、トルク及び速度は、可動装置１０が動いているときの指標であるので、可動装置１０の異常が値に反映されやすい。それゆえ、可動装置１０の異常の有無を早期に検出することができる。

指示値がトルクの制御目標値の場合、ドライバ４０は、指示部５１から当該指示値を取得すると、モータ３０のトルクが当該指示値となるような値の電流及び電圧を生成し、当該生成した電流及び電圧によってモータ３０を回転させる。これにより、モータ３０は、トルクが当該指示値となるように回転する。また、指示値がモータ３０の回転する速度の目標値の場合、ドライバ４０は、指示部５１から当該指示値を取得すると、モータ３０の回転する速度が当該指示値となるような値の電流及び電圧を生成し、当該生成した電流及び電圧によってモータ３０を回転させる。これにより、モータ３０は、速度が当該指示値となるように回転する。また、指示値が可動部１３の速度の目標値の場合、ドライバ４０は、指示部５１から当該指示値を取得すると、可動部１３の速度が当該指示値となるような値の電流及び電圧を生成し、当該生成した電流及び電圧によってモータ３０を回転させる。これにより、モータ３０は、可動部１３の速度が当該指示値となるように回転する。

図３に示す例では、指示部５１がドライバ４０へ出力する指示値の波形は、モータ３０の回転する速度の目標値である場合の例を表している。また、図３に示す例では、指示値の波形は、加速時・等速時・減速時それぞれの切り換えがなだらかな波形ではなく、矩形形状の例を表している。また、図３に示す例では、可動部１３が１サイクル動作する際の指示値の波形を示している。

なお、本発明に係る情報処理装置がＰＬＣではなく、サーバである場合は、指示部５１を省略し、別途設けられるＰＬＣから指示値を取得するようにしてもよい。

予想値演算部５２は、指示部５１がドライバ４０へ出力する指示値に基づく、モータ３０の回転に伴う指標の予想値を生成し、当該予想値を記憶部５３に予め記憶しておく。予想値演算部５２は、指示部５１が出力する指示値と、当該指示値に対するモータ３０の回転に伴う指標との対応関係を表すデータベースを予め作成しておき、当該データベースを記憶部５３に記憶しておけばよい。また、予想値演算部５２は、指示部５１が出力する指示値と、当該指示値に対するモータ３０の回転に伴う指標との対応関係を表す伝達関数を予め作成しておき、当該伝達関数を記憶部５３に記憶しておいてもよい。

図３に示す例では、指示部５１が出力する指示値の波形に対応する予想値の波形である理想波形を表している。

図３に示すように、モータ３０の回転に伴う指標は、指示部５１が出力する指示値の波形に追従するような波形となるが、指示部５１が出力する指示値の波形と全く同じにはならず、多少のズレが生じる。特に、理想波形は、指示部５１が出力する指示値の波形の立ち上がり直後（すなわちモータ３０の停止状態から回転を開始した直後）、及び、指示部５１が出力する指示値の波形の立ち下がりから停止まで（すなわちモータ３０の減速状態から回転の停止まで）において、指示値の波形とのズレが大きくなる。

記憶部５３は、上述のように、指示値に対するモータ３０の回転に伴う指標の予想値を得るためのデータベース又は伝達関数が記憶されている。指示値の波形に対するモータ３０の回転に伴う出力値の予想値が波形として記憶部５３に記憶されていてもよい。なお、記憶部５３は、ＰＬＣ５０の外部に設けられてもよいし、ＰＬＣ５０に外付けで接続されてもよい。

取得部５４は、ドライバ４０が指示値に基づいて回転させたときのモータ３０の回転に伴う指標を、ドライバ４０から経時的に取得する。図３に示す例では、モータ３０の回転に伴う指標として、計測値１・計測値２に示すように、ドライバ４０から、モータ３０の回転する速度の計測値を２回取得している例を表している。モータ３０の回転する速度の計測値とは、例えば、ドライバ４０がエンコーダ３５から得たモータ３０の回転の速度である。図３の計測値１・計測値２に示すように、モータ３０の回転する速度の計測値の波形は、指示値の波形との差は大きいが、理想波形との差は小さく、理想波形に沿った形状をしている。

差分演算部５５は、指示部５１から取得した指示値に基づいて、当該指示値に基づくモータ３０の回転に伴う出力値の予想値を経時的に記憶部５３から取得する。そして、差分演算部５５は、取得部５４が取得したモータ３０の回転に伴う指標と、記憶部５３から取得した予想値との差分を経時的に演算する。

図４は、実施形態１に係る差分演算部５５が演算した、モータ３０の回転に伴う指標と、予想値との差分を表す波形である。図４では、図３に示した理想波形と計測値１との差分を差分１として表し、理想波形と計測値２との差分を差分２としてそれぞれ波形で表している。すなわち、差分１は、図３に示した理想波形に対する計測値１のズレを表しており、差分２は、図３に示した理想波形に対する計測値２のズレを表している。換言すると、差分１・差分２は、モータ３０の回転に伴う出力値の予想値に対する、実際のモータ３０の回転に伴う出力値とのズレを表している。なお、差分１・差分２のように、予想値に対する計測値の差分を乱れ成分と称する場合がある。

特徴量演算部５６は、モータ３０の回転に伴う出力値の予想値と、実際のモータ３０の回転に伴う指標との差分（乱れ成分）の所定期間における特徴量を演算する。例えば、特徴量演算部５６は、図４に示した１サイクルにおける差分１の特徴量、及び／または、図４に示した１サイクルにおける差分２の特徴量を演算する。この特徴量演算部５６が演算する特徴量とは、所定期間における差分の絶対値の平均値、所定期間における差分の最大値と最小値との差分、又は、所定期間における前記差分の分散等、所定期間における指標のバラツキ量である。

特に、特徴量として、所定期間における、差分１・２の絶対値の平均値を演算することで、所定期間に渡って差分が累積されるため、予測値に対する小さなずれも検出することができる。それゆえ、精度よく、早期に可動装置１０の異常を検出することができる。

なお所定期間とは、可動装置１０の整数倍サイクル（１又は複数サイクル）の期間であればよい。

異常検出部５７は、特徴量演算部５６が演算した特徴量を、閾値とを比較する。そして当該特徴量が閾値以上になると、異常検出部５７は、可動装置１０に異常が発生していることを検出する。そして、異常検出部５７は、可動装置１０に異常が発生していることを検出すると、ユーザに通知する処理を行う。

このようにＰＬＣ５０によると、差分演算部５５は、取得部５４が取得した指標と、記憶部５３が記憶する指示値に基づく予想値との差分とを経時的に演算する。そして、特徴量演算部５６は、当該差分の所定期間における特徴量を演算する。そして、異常検出部５７は、特徴量と閾値とを比較することで、可動装置１０の異常を検出する。このため、指示値と指標との差分に基づいて可動装置１０の異常を検出する場合と比べて、より小さな指標の変動を検出することができる。この結果、精度よく、可動装置１０の異常を検出することができる。

なお、ユーザに通知する処理とは、ユーザに通知するための種々の方法を含む。このユーザに通知する処理の例としては、可動システム１がディスプレイを備える場合は、ユーザに通知する画面をディスプレイに表示させたり、可動システム１がスピーカを備える場合は、ユーザに通知する音声をスピーカに出力させたりする処理を挙げることができる。または、このユーザに通知する処理として、例えば、ユーザが指定するアドレスにメールを送信することでユーザに通知したり、可動システム１がランプを備える場合は、当該ランプを点灯又は点滅させたりする処理等を挙げることもできる。

図５は、実施形態１に係るＰＬＣ５０の処理の流れを表す図である。まず、予想値演算部５２は、指示部５１がドライバ４０へ出力する指示値に基づく、モータ３０の回転に伴う指標の予想値を演算し、当該予想値の波形（理想波形）を記憶部５３に記憶する（ステップＳ１１）。次いで、指示部５１は、モータ３０の回転の速度が目標とする指示値を演算し、当該指示値をドライバ４０へ出力する（ステップＳ１２）。そして、ドライバ４０は、指示部５１が取得した指示値となるように、電圧及び電流を設定し（すなわちトルクを設定し）、モータ３０を回転させる。そして、取得部５４は、ドライバ４０からモータ３０の回転の速度（指標）を経時的に取得する（ステップＳ１３）。次いで、差分演算部５５は、記憶部５３を参照して指示部５１から得た指示値に基づく予想値（すなわち理想波形を取得し、取得部５４が取得したモータ３０の回転の速度（指標）との差分を経時的に演算する（ステップＳ１４）。そして、特徴量演算部５６は、差分演算部５５が演算する差分の所定時間毎の特徴量を演算する（ステップＳ１５）。次いで、異常検出部５７は、特徴量演算部５６が演算する特徴量を閾値と比較していき（ステップＳ１６）、閾値以上になると（ステップＳ１６のＹＥＳの場合）、ユーザへの通知処理を行う（ステップＳ１７）。

〔ソフトウェアによる実現例〕
ＰＬＣ５０の制御ブロック（特に指示部５１、予想値演算部５２、取得部５４、差分演算部５５、特徴量演算部５６及び異常検出部５７）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、ＰＬＣ５０は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 可動システム
１０ 可動装置
１１ ベース
１２ ボールネジ
１３ 可動部
２０ カップリング
３０ モータ
３５ エンコーダ
４０ ドライバ
５０ ＰＬＣ
５１ 指示部
５２ 予想値演算部
５３ 記憶部
５４ 取得部
５５ 差分演算部
５６ 特徴量演算部
５７ 異常検出部

Claims (6)

1. 可動装置に所定動作をさせるモータを、入力された指示値に基づいてドライバが回転させたときの当該モータの回転に伴う指標を経時的に取得する取得部と、
   前記取得部が取得した前記指標と、前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標の予想値との差分を経時的に演算する差分演算部と、
   前記差分の所定期間における特徴量を演算する特徴量演算部と、
   前記特徴量と閾値とを比較することで、前記可動装置の異常を検出する異常検出部と、
   前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う、前記指示値に対応する前記指標の前記予想値を得るための伝達関数を予め記憶している記憶部と、を備えている情報処理装置。
2. 前記特徴量は、前記所定期間における、前記差分の絶対値の平均値である請求項１に記載の情報処理装置。
3. 前記特徴量は、前記所定期間における前記差分の最大値と最小値との差分、又は、前記所定期間における前記差分の分散である請求項１に記載の情報処理装置。
4. 前記モータの回転に伴う指標は、前記モータのトルクであることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の情報処理装置。
5. 前記モータの回転に伴う指標は、前記モータが回転する速度であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の情報処理装置。
6. 可動装置に所定動作をさせるモータをドライバが指示値に基づいて回転させたときの当該モータの回転に伴う指標を経時的に取得する取得ステップと、
   伝達関数を用いて、前記指示値から、前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標の予想値を得るステップと、
   前記取得ステップにて取得された前記指標と、前記指示値に基づく前記モータの回転に伴う指標の前記予想値との差分を経時的に演算する差分演算ステップと、
   前記差分の所定期間における特徴量を演算する特徴量演算ステップと、
   前記特徴量と閾値とを比較することで、前記可動装置の異常を検出する異常検出ステップとを有する情報処理方法。

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