JP7423922B2 - 異常検知装置、異常検知システム及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明はダイヤフラムポンプの異常を検知するための、異常検知装置、異常検知システム及び制御プログラムに関する。

流体を移送するためのポンプとして、ダイヤフラムポンプが知られている。ダイヤフラムポンプでは、ポンプ室の容積をダイヤフラムにより変動させることにより、被制御流体の吸入と吐出を行う。中でも、駆動源に圧縮空気（エア）を用いたエア駆動型のダイヤフラムポンプは動力用の電源が不要であり、様々な分野で広く用いられている。

エア駆動型のダイヤフラムポンプでは、ダイヤフラムにより隔てられたポンプ室とエア室が左右対称に、一対に設けられる。左右のダイヤフラムはセンタロッドで連結されて連動して動作し、左右のポンプ室での容積の拡大と縮小の動きが逆方向になる。切換え弁の作用により左右のエア室に互い違いに交互にエアの導入と排出がなされて、ダイヤフラムの変形が制御され、ダイヤフラムポンプの被制御流体の移送の動作が行われる。

特開２０１４－８８８４９号公報

左右のエア室は、センタロッドを収納する連結管で連結されつつ、センタロッドを周方向に囲むパッキンにより分離されている。センタロッドは、パッキンに対して摺動しながら、ダイヤフラムの変形を伴う左右への運動を繰り返すため、パッキンが経時的に劣化することは避けられない。

パッキンが劣化すると、左右のエア室の分離が不十分となり、圧力が加えられる側のエア室からエアが反対側のエア室に漏れ出る内部リークが発生する。すると、ダイヤフラムポンプの性能が低下し、更には動作不良を引き起こしてしまう。そのため、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおいて、内部リークを早期に検出できる技術の実現が期待される。

本発明の一態様は、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、内部リークが発生した場合に検出ができる異常検知装置を実現することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の構成を採用する。

本発明の一側面に係る異常検知装置は、エア駆動型のダイヤフラムポンプへの供給エア流量を計測する供給エア計測部からの、前記供給エア流量を示す供給エア流量信号を受信する受信部と、異常検知演算部と、を備え、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプの２つのエア室の間のリークを検知する構成を備える。

上記構成によれば、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、誤検知が少なく、リーク異常の検知ができる異常検知装置を実現できる。

上記一側面に係る異常検知装置において、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの設置条件下での前記供給エア流量の分布から算出された、前記供給エア流量毎の、当該供給エア流量が異常値である蓋然性を示すスコアに基づいて、前記リークの有無を判断する構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、ダイヤフラムポンプの型式や設置条件、あるいは流量センサである供給エア計測部の型式に依存することが少なく、柔軟にシステム構築が可能となる。

上記一側面に係る異常検知装置において、特徴量演算部を更に備え、前記特徴量演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量の区分時間内の統計量を演算し、前記異常検知演算部は、前記統計量から前記リークを検知する構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、ダイヤフラムポンプの動作に伴う供給エア流量の脈動に影響されにくい、供給エア流量の監視が可能となる。

上記一側面に係る異常検知装置において、前記統計量は、前記区分時間内の最大値、平均値、最小値のいずれかである構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、精度良くリーク異常の有無を判断することができる。

上記一側面に係る異常検知装置において、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプでの供給エアの外部へのリークを更に検知する構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、ダイヤフラムポンプの内部リークのみならず、外部リークも含めてリーク異常の検知を行うことが可能となる。

上記一側面に係る異常検知装置において、前記受信部は、前記ダイヤフラムポンプからの排出エア流量を計測する排出エア計測部からの、前記排出エア流量を示す排出エア流量信号を更に受信し、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記排出エア流量の大きさに基づいて、前記２つのエア室の間のリークと、前記供給エアの外部へのリークとを判別して検知する構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、ダイヤフラムポンプの内部リーク異常と外部リーク異常とを判別して検知を行うことが可能となる。

本発明の一側面に係る異常検知システムは、エア駆動型のダイヤフラムポンプへの供給エア流量を計測する供給エア計測部と、受信部と異常検知演算部とが設けられた異常検知装置と、を備え、前記受信部は、前記供給エア計測部から前記供給エア流量を示す供給エア流量信号を受信し、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量の大きさに基づいて、前記ダイヤフラムポンプの２つのエア室の間のリークを検知する構成を備える。

上記構成によれば、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、誤検知が少なく、リーク異常の検知ができる異常検知システムを実現できる。

上記一側面に係る異常検知システムにおいて、前記ダイヤフラムポンプからの排出エア流量を計測する排出エア計測部を更に備え、前記受信部は、前記排出エア計測部から前記排出エア流量を示す排出エア流量信号を更に受信し、前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量と前記排出エア流量とに基づいて、前記リークと、ダイヤフラムポンプにおける供給エアの外部へのリークとを判別して検知する構成を備えていてもよい。

上記構成によれば、ダイヤフラムポンプの内部リーク異常と外部リーク異常とを判別して検知を行うことが可能となる。

本発明の一側面に係る制御プログラムは、上記一側面に係る異常検知装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記受信部及び前記異常検知演算部としてコンピュータを機能させるための構成を備える。

上記構成によれば、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、誤検知が少なく、リーク異常の検知ができる異常検知装置を実現できる。

本発明の一側面に係る異常検知装置によれば、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、内部リークが発生した場合に検出ができる異常検知装置を実現することができる。

本発明の一側面に係る異常検知システムによれば、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークの発生を監視し、内部リークが発生した場合に検出ができる異常検知システムを実現することができる。

本発明の実施形態１に係る異常検知装置が適用された、ダイヤフラムポンプを含んだ全体の構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る異常検知装置を示すブロック図である。 本発明の実施形態１における供給エア流量信号の例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態１に係る異常検知装置が実行する特徴量算出処理を示すフローチャートである。 リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の測定結果を示すグラフである。 リーク量が異なる各状態における供給エア圧力信号の測定結果を示すグラフである。 リーク量が異なる各状態における被制御流体流量信号の測定結果を示すグラフである。 リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の標準偏差の結果を示すグラフである。 異なる供給エア圧力の場合に対して、内部リークの場合と外部リークの場合について、リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の測定結果の各グラフを示す図である。 本発明の実施形態１における機械学習処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態１における機械学習処理を説明するための概念図である。 本発明の実施形態１に係る異常検知装置が実行する監視処理を示すフローチャートである。 リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の測定結果のグラフを、内部リークの場合と外部リークの場合とで対比して示す図である。 リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の測定結果のグラフを、内部リークの場合と外部リークの場合とで対比して示す図である。 リーク量が異なる各状態における供給エア流量信号の測定結果のグラフを、内部リークの場合と外部リークの場合とで対比して示す図である。 本発明の実施形態２に係る異常検知装置が実行するリーク判別処理を示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）が説明される。

§１ 適用例
まず、本発明が適用される場面の一例が説明される。本実施形態に係る異常検知装置は、エア駆動型のダイヤフラムポンプに対して適用される。

本実施形態に係る異常検知装置は、エア駆動型のダイヤフラムポンプへの供給エア流量を計測する供給エア計測部からの、前記供給エア流量を示す供給エア流量信号を受信する受信部と、異常検知演算部とを備える。

前記異常検知演算部は、前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプの２つのエア室の間のリーク（内部リーク）を検知する構成を備えている。

本実施形態に係る異常検知装置は、上記構成を備えることにより、エア駆動型のダイヤフラムポンプにおける内部リークを正確に検知することが可能となる。

よって、当該ダイヤフラムポンプを用いた工程の管理者は、本実施形態に係る異常検知装置の利用により、ダイヤフラムポンプの動作不良による工程の不具合、不良、損害の発生を抑制することができるようになる。

§２ 構成例
以下に、図１～図１２を参照しつつ、本発明が適用される場面のより具体的な例が説明される。

（全体の構成）
図１は、実施形態１に係る異常検知装置１００と、異常検知装置１００により監視されるダイヤフラムポンプ２００とを含めた全体の構成を示す図である。ダイヤフラムポンプ２００は、外部からの圧縮空気（エア）の供給を受けて動作する、エア駆動型のダイヤフラムポンプである。

ダイヤフラムポンプ２００には、エアを導入するためのエア供給ライン３１０と、エアを排出するためのエア排出ライン３２０が接続されている。エア供給ライン３１０には、供給エアの流量を測定するための供給エア計測部３１１と、供給エアの圧力を測定するための圧力計測部３１２が設置されている。エア排出ライン３２０には排出エアの流量を測定するための排出エア計測部３２１が設置されている。

供給エア計測部３１１は、異常検知装置１００に対し供給エアの流量を示す供給エア流量信号Ｓｓを出力する。排出エア計測部３２１は、異常検知装置１００に対し排出エアの流量を示す排出エア流量信号Ｓｅを出力する。

異常検知装置１００、供給エア計測部３１１と排出エア計測部３２１とは、実施形態１に係る異常検知システム１０を構成する。なお排出エア計測部３２１及び排出エア流量信号Ｓｅは、実施形態１に係る異常検知システム１０あるいは異常検知装置１００においては必須ではなく、無くともよい。

ダイヤフラムポンプ２００が輸送する被制御流体を取り込むための吸入ライン４１０が、ダイヤフラムポンプ２００に接続されている。また、被制御流体を吐出するための吐出ライン４２０が、ダイヤフラムポンプ２００に接続されている。吐出ライン４２０には、被制御流体の流量を測定するための、被制御流体計測部４２１が設置されている。

（ダイヤフラムポンプの構成）
エア駆動型のダイヤフラムポンプ２００には、第１ダイヤフラム２１１により隔てられた第１ポンプ室２１０及び第１エア室２１２と、第２ダイヤフラム２２１により隔てられた第２ポンプ室２２０及び第２エア室２２２とが、左右対称に、一対に設けられている。

第１ダイヤフラム２１１と第２ダイヤフラム２２１とは、それぞれ中央部分がセンタロッド２３１で連結されている。第１エア室２１２と第２エア室２２２とは、内部にセンタロッド２３１を収納した連結管２３０で接続されつつ、センタロッド２３１を周方向に囲むパッキン２３２により分離されている。

ダイヤフラムポンプ２００へのエアの供給がなされると、切換え弁２４０を通じて、第１エア室２１２及び第２エア室２２２が、それぞれ交互にエア供給ライン３１０とエア排出ライン３２０とに接続されることとなる。

吸入ライン４１０はダイヤフラムポンプ２００内で分岐され、第１ポンプ室２１０と第２ポンプ室２２０とにそれぞれ逆止弁２０１を通じて接続されている。吐出ライン４２０はダイヤフラムポンプ２００内で分岐され、第１ポンプ室２１０と第２ポンプ室２２０とにそれぞれ逆止弁２０１を通じて接続されている。

以上のような構成のダイヤフラムポンプは公知の技術である。ダイヤフラムポンプ２００にエアが供給されると、切換え弁２４０の作用により第１エア室２１２と第２エア室２２２とにおいて、互い違いにエアの供給と排出が繰り返され、ダイヤフラムポンプ２００が動作する。その際、センタロッド２３１で連結されている第１ダイヤフラム２１１と第２ダイヤフラム２２１とは連動して変形する。センタロッド２３１はパッキンに対して摺動しつつ、軸方向の往復運動を繰り返す。

こうして、第１ポンプ室２１０と第２ポンプ室２２０とのそれぞれにおいて容積の拡大と縮小とが繰り返される。これに伴って、それぞれのポンプ室において被制御流体の吸入と吐出が繰り返され、ダイヤフラムポンプ２００による被制御流体の輸送が行われる。

（異常検知装置の構成）
図２は、実施形態１に係る異常検知装置１００の構成を示すブロック図である。異常検知装置１００は、受信部１０１、記録部１０２、通信部１０３、異常検知演算部１１０を備える。

受信部１０１は、供給エア計測部３１１が出力する供給エア流量信号Ｓｓを受信する通信インターフェースである。受信部１０１は、更に、排出エア計測部３２１が出力する排出エア流量信号Ｓｅを受信するものであってもよい。

記録部１０２は、種々の情報を記録するメモリである。実施形態１において少なくとも記録部１０２は供給エア流量信号Ｓｓを記録する。異常検知装置１００が排出エア流量信号Ｓｅをも受信する場合には、排出エア流量信号Ｓｅをも記録する構成であってもよい。

通信部１０３は、外部のコンピュータや制御機器との通信を行う通信インターフェースである。実施形態１において、通信部１０３には、第１コンピュータ５０１と、第２コンピュータ５０２が適宜のネットワークを介して接続されている。第１コンピュータ５０１は、異常検知装置１００を制御して、異常検知装置１００にリーク異常の判定基準を設定するためのコンピュータである。第２コンピュータ５０２は、リーク異常の発生を表示するためのコンピュータである。

異常検知演算部１１０は、受信部１０１が受信し、あるいは受信部１０１が受信して記録部１０２に記録された供給エア流量信号Ｓｓに基づいて、ダイヤフラムポンプの異常検知を実行する。異常検知演算部１１０には、前処理部１１１、特徴量演算部１１２、異常判定部１１３、判定基準管理部１１４の各機能ブロックが設けられている。これら各機能ブロックが実行する動作については後述される。

具体的に異常検知装置１００としては、生産現場におけるＦＡ（Factory Automation）において各種機器の制御やデータの収集を実行するプログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller：ＰＬＣ）であり得る。その場合、プログラマブルロジックコントローラは、異常検知装置１００の機能を実装する。

§３ 動作例
実施形態１に係る異常検知装置１００の動作が説明されるにあたり、まず、異常検知装置１００が、ダイヤフラムポンプ２００の内部リークを検知する原理について示される。

（供給エア流量信号）
図３は、供給エア計測部３１１が出力する、供給エア流量を示す供給エア流量信号Ｓｓを表したタイムチャート３Ａを示す。供給エア流量信号Ｓｓは、供給エア流量に対応する値（センサ出力）である。本明細書において以下では、煩雑さを避けるため、異常検知装置１００で取り扱う、供給エア流量を示す供給エア流量信号Ｓｓを、単に供給エア流量と記載する。また、排出エア流量についても同様である。

タイムチャート３Ａにおいて、縦軸は任意単位である。タイムチャート３Ａにおいて、エアのリークが無い状態Ｌ０、リーク量がＬ１からＬ４に向けて大きくなる、リークがある状態Ｌ１～Ｌ４の各状態における供給エア流量の波形が示されている。図３においてリークのある各状態Ｌ１～Ｌ４のリークは内部リークである。

図３にはまた、ダイヤフラムポンプ２００のオン／オフすなわち、ダイヤフラムポンプ２００へのエアの供給をオン／オフさせるためのポンプ制御信号がタイムチャート３Ｂとして示されている。図示されるように、ダイヤフラムポンプ２００がオンとされると、供給エアが流れ始めて供給エア流量が立ち上がり、オフとされると供給エア流量が低下して流れなくなる。ダイヤフラムポンプ２００がオンとされている際の、供給エア流量の脈動は、第１ダイヤフラム２１１、第２ダイヤフラム２２１の往復運動に伴うものである。

（特徴量算出処理）
ポンプ制御信号がオンの期間中、図３にグラフ３Ｃとして示される、所定の長さの区分時間を表すフレームの情報が、異常検知装置１００により生成される。図３の例においては、各時刻毎に、フレーム情報として、順次フレームＦ１からＦ１０が与えられている。異常検知装置１００では、フレーム情報を参照してフレーム毎に供給エア流量を代表する値としての特徴量が前処理において算出され、フレーム毎に異常か否かの判断が出力される。

図４は、前処理としてこのような特徴量を算出する特徴量算出処理を示すフローチャートである。異常検知装置１００は特徴量算出処理として、以下のステップＳ１１からステップＳ１４の処理を実行する。

ステップＳ１１：受信部１０１は、供給エア計測部から、時系列の供給エア流量信号Ｓｓを取得し、記録部１０２に信号データとして保存する。

ステップＳ１２：続いて前処理部１１１は、記録部１０２から、上記信号データを読み出す。前処理部１１１はポンプ制御信号が少なくともオンの際の上記信号データに、フレーム情報を付加して特徴量演算部１１２に出力する。

ステップＳ１３：続いて特徴量演算部１１２は、上記信号データをフレーム毎に区切り、特徴量を演算する。ここで特徴量は、供給エア流量信号Ｓｓのフレーム内の統計量であり、最大値、最小値、平均値のいずれかであり得る。

ステップＳ１４：続いて特徴量演算部１１２は、各フレーム毎の特徴量を出力する。

（検知原理、各種検出量との比較）
図５は、ダイヤフラムポンプ２００におけるリークの状態が変化したときの、供給エア流量（特徴量）を示す図である。各リークの状態Ｌ０～Ｌ４は図３に示されたものと同じである。図５においてリークのある各状態Ｌ１～Ｌ４のリークは内部リークである。

図５には、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４における供給エア流量（特徴量）の多数回の測定結果が示されている。ここで特徴量としては、フレーム内最大値が採用された。また、図５には、気温が１０℃、２５℃、４０℃の各条件における実験結果が同時に示されている。

図５から明らかなように、リーク量の増加に伴って、供給エア流量（特徴量）が増加しており、また各リークの状態Ｌ０～Ｌ４は、供給エア流量（特徴量）によって明確に識別されることが判明した。更に、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４において、気温の影響は小さいことが判明した。

図６は、ダイヤフラムポンプ２００におけるリークの状態が変化したときの、供給エア圧力（特徴量）を示す図である。各リークの状態Ｌ０～Ｌ４は図３に示されたものと同じである。図６においてリークのある各状態Ｌ１～Ｌ４のリークは内部リークである。図６には、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４において、多数回の供給エア圧力（特徴量）の測定結果が図示されている。

図６に示される供給エア圧力（特徴量）は、圧力計測部３１２で測定された圧力を、図４のフローチャートの特徴量算出処理と同様の処理によって算出された値である。ここで特徴量としては、図５の場合と同様にフレーム内最大値が採用された。また、図６には、気温が１０℃、２５℃、４０℃の各条件における実験結果が同時に示されている。

図６を図５と比較すれば明らかなように、検出量として供給エア圧力を用いた場合には、供給エア流量を用いる場合よりも、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４における特徴量のばらつきが大きいことが判明した。また、検出量として供給エア圧力を用いた場合には、供給エア流量を用いる場合よりも、検出結果に気温の影響を受けやすいことも判明した。

図７は、ダイヤフラムポンプ２００におけるリークの状態が変化したときの、被制御流体の流量（特徴量）を示す図である。各リークの状態Ｌ０～Ｌ４は図３に示されたものと同じである。図７においてリークのある各状態Ｌ１～Ｌ４のリークは内部リークである。図７には、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４において、多数回の被制御流体の流量（特徴量）の測定結果が図示されている。

図７に示される被制御流体の流量（特徴量）は、被制御流体計測部４２１で測定された被制御流体の流量を、図４のフローチャートの特徴量算出処理と同様の処理によって算出された値である。ここで特徴量としては、図５の場合と同様にフレーム内最大値が採用された。また、図７には、気温が１０℃、２５℃、４０℃の各条件における実験結果が同時に示されている。

図７を図５と比較すれば明らかなように、検出量として被制御流体の流量を用いた場合には、リークによる被制御流体の流量の変化量が小さいため、供給エア流量を用いる場合よりも、各リークの状態Ｌ０～Ｌ４における特徴量のばらつきが大きいことが判明した。また、検出量として被制御流体の流量を用いた場合には、供給エア流量を用いる場合よりも、検出結果に気温の影響を大きく受けやすいことも判明した。

以上のように、ダイヤフラムポンプ２００の内部リークの大きさに応じて、供給エア流量（特徴量）が明確に変わり、内部リークの有無の識別のための検出量として用いるのに適していることが分かった。また、内部リークの有無の識別のための検出量として、供給エア圧力や、被制御流体流量よりもばらつかず、更に気温による影響をはるかに受けにくいことが判明した。

（特徴量の検討）
上述のように、異常検知装置１００では、供給エア流量信号Ｓｓに対し、フレームに区切って特徴量を抽出する特徴的な前処理を実行する。図３に示されるように、ダイヤフラムポンプ２００の供給エア流量は、第１ダイヤフラム２１１、第２ダイヤフラム２２１の往復運動に連動して脈動する特徴的な波形を示す。そのため、脈動の周期よりも長い所定のフレーム（区分時間）に区切り、フレーム毎に１つの統計量を抽出する処理を施すことで、図５に示すような内部リークに応じた明確な信号を得ることができるのである。

フレームの長さは、上記脈動の周期に応じて適宜に選定すればよいが、例示として脈動の２～４周期分程度とすることが好ましい。時間としては、例えば０．５～２秒程度とすることが好ましい。

図５に示された実験結果においては、フレーム毎の統計量である特徴量として、フレーム中の供給エア流量の最大値が選択された。しかし、本発明者らの検討によれば、最小値を用いても、平均値を用いても、ほぼ同様の結果が得られることが判明した。しかし、平均値を算出する場合には異常検知装置１００での演算量が増大するため、最大値または最小値を選択することが好ましかった。

また最大値と最小値との差異についても詳細に比較した。ポンプ制御信号がオンになった直近のフレームにおいては、供給エア流量の立ち上がりが遅いことがあるため、最小値を選択すると、特徴量がオン状態が続いている場合の通常の範囲を逸脱しやすくなった。そのため最大値を選択することが最も好ましかった。しかし、ポンプ制御信号がオンになった直近のフレーム以外においては、特に最大値を選択しても、最小値を選択しても、検知の精度に違いは無かった。

また、特徴量演算部１１２が算出し得る統計量としては、他にも標準偏差値が考えられる。そこで、特徴量として標準偏差値を選択した場合について、更に検討を行った。

図８は、供給エア流量信号Ｓｓからの特徴量の抽出を、特徴量として標準偏差を選択して行った、図５に示された実験結果のプロットである。図８を図５と比較すれば明らかなように、特徴量として標準偏差を用いた場合には、最大値を用いる場合よりも、各リークの状態における特徴量のばらつきが大きいことが判明した。

以上の結果に示されたように、フレーム毎の統計量としての特徴量としては、最大値、最小値、平均値を採用すると検知の精度が良好であった。特に最大値、最小値を選択すると、特徴量演算部１１２での演算量が削減され、好ましかった。

（外部リークの検出）
上述のように、エア駆動型のダイヤフラムポンプ２００における独特の異常モードであり、しかも運転を継続するといずれかの時点で必ず発生する異常である内部リークの検知を主眼において、本発明者らは種々の検討を行った。その結果、供給エア流量に着目し、上記フレーム毎の特徴量を抽出する処理を行えば、内部リークの検知が精度よくできることを見出した。

そこで次に、本検知手法によって、内部リークに限らず、ダイヤフラムポンプ２００における供給エアの外部リークについても検知が行えるのではないかとの考えに基づいて、実験を行った。上述のように内部リークとは、センタロッドのパッキンの劣化等による２つのエア室間でのエアのリークである。ダイヤフラムポンプ２００における外部リークとは、ダイヤフラムポンプ２００に供給されたエアが、ダイヤフラムポンプ２００におけるいずれかの箇所で、本来閉塞されている部分（配管やエア室等）から外部（外気）に向けて漏れ出る状態をいう。

図９は、ダイヤフラムポンプ２００におけるリークの状態を変化させて、供給エア流量（特徴量）を多数測定した結果を、内部リークの場合と外部リークの場合とで比較した図である。各リークの状態Ｌ０～Ｌ４は図３に示されたものと同じである。ここで特徴量としては、フレーム内最大値が採用された。

図９の各グラフは箱ヒゲ図であり、リークが内部リークである場合（上段のグラフ９Ａ、９Ｃ、９Ｅ）と、外部リークである場合（下段のグラフ９Ｂ、９Ｄ、９Ｆ）を対比して示している。各グラフにおいて、気温が１０℃、２５℃、４０℃の各条件における実験結果が同時に示されている。

また、図９には、エアの供給圧力Ｐが、２００ｋＰａ（グラフ９Ａ、９Ｂ）、３００ｋＰａ（グラフ９Ｃ、９Ｄ）、４００ｋＰａ（グラフ９Ｅ、９Ｆ）である各場合についての結果が同時に示されている。

図９に示される様に、各供給圧力において、リークが内部リークであっても外部リークであっても、リークの有無により供給エア流量（特徴量）が区別可能に変化し、リーク異常の検知が可能であることが判明した。つまり、供給エア流量を監視することで、ダイヤフラムポンプにおける内部リークと外部リークとが合わせて検知できることが明らかになった。

なお、外部リークとして検出できるリークは、その検出原理からして、ダイヤフラムポンプ２００装置内における外気との間のリークに限られない。ダイヤフラムポンプ２００近傍のエア供給ライン３１０や、エア排出ライン３２０（ただし、供給エア計測部３１１下流から、排出エア計測部３２１上流間）においてリークがある場合であっても、同様に外部リークとして異常を検出し得る。

（機械学習処理）
図５等に示された様に、供給エア流量を監視すれば、リークが無い場合とリークが発生した場合とで、明確にその大きさが異なり、ダイヤフラムポンプ２００におけるリーク異常の発生が検知できることが明らかである。このように、異常検知装置１００は、供給エア流量の大きさ自体に基づいて、リーク異常を検出するものである。

しかし、ダイヤフラムポンプ２００が使用される外部条件は様々である。例えばエアの供給圧力Ｐは、ダイヤフラムポンプ２００が設置された工場の仕様等によって異なる。図９に示されるように、供給されるエアの圧力Ｐが異なれば、正常状態にある供給エア流量の大きさは変わってしまう。また、ダイヤフラムポンプのサイズや型式は様々であり、ダイヤフラムポンプ毎に、正常状態における供給エア流量の大きさは変わる。

従って、上述の原理に基づいてダイヤフラムポンプ２００でのエアのリーク異常を検知するには、ダイヤフラムポンプ２００が実際に使用されている現場において、使用条件に応じてリーク異常の判定基準を定める必要がある。そこで、本実施形態に係る異常検知装置１００では、現場における多数の実測データに基づいた機械学習処理によって、判定基準が定められる。

図１０は、このような機械学習処理を示すフローチャートである。機械学習処理を実施する際に、管理者は正常状態にあるダイヤフラムポンプ２００を運転する。第１コンピュータ５０１は以下のステップＳ２１からステップＳ２６で示される機械学習処理のフローを、異常検知装置１００と通信を行い異常検知装置に実行させる。第１コンピュータ５０１は、機械学習を実行し、またプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）であり得る異常検知装置１００と通信を行い、異常検知装置１００に特定の判定モデルを設定させる専用のプログラムを備えたコンピュータである。

ステップＳ２１：異常検知装置１００が特徴量算出処理（図４）を実行する。

ステップＳ２２：続いて異常検知装置１００は、特徴量演算部１１２からの出力である特徴量を特徴量データとして記録部１０２に記録する。

ステップＳ２３：続いて判定基準管理部１１４は、特徴量データのデータ数が所要数に達したか否かを判断する。所要数に達したと判断される場合（Ｓ２３でＹＥＳ）、ステップＳ２４に進み、それ以外の場合、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２４：第１コンピュータ５０１は特徴量データについて、供給エア流量（特徴量）を変数とする発生頻度分布を得る。これは正常に動作する状態のダイヤフラムポンプ２００に関して取得された供給エア流量（特徴量）のデータに基づいて算出された発生頻度分布である。このような発生頻度分布の例を図１１にグラフ１１Ａとして示す。

ステップＳ２５：続いて第１コンピュータ５０１は、上記の正常状態での発生頻度分布から、各供給エア流量（特徴量）について、ＡＩスコアを算出する。つまり、供給エア流量（特徴量）についての関数である、ＡＩスコアの算出式を決定する。ここでＡＩスコアは、供給エア流量が異常値（外れ値）であることの蓋然性を示す値（スコア）である。

図１１には、正常状態での発生頻度分布（グラフ１１Ａ）がＡＩスコア（グラフ１１Ｂ）に変換される概念が示されている。図１１に概念的に示されるように、発生頻度の高い特徴量の値については、異常値である蓋然性が低いとして、低いＡＩスコアとなる。発生頻度の低い特徴量の値については、異常値である蓋然性が高いとして、高いＡＩスコアとなる。

このように正常状態において取得した発生頻度分布から、異常値である蓋然性を示すスコアを算出する手法は公知の外れ値検知のアルゴリズムを用いることができる。具体例としては、アイソレーションフォレスト（Isolation Forest）やＬＯＦ（Local Outlier Factor）といった手法を用いることができる。

更に、第１コンピュータ５０１は、異常の判定基準となるＡＩスコアの閾値を決定する。閾値は、予め定められた規定値であってもよいし、ユーザにより選択される値であってもよい。図１１に示されるように、閾値とは、ＡＩスコアが閾値を超える場合に異常と判定し、ＡＩスコアが閾値以下である場合に正常と判定するような、異常の判定基準を定める値である。

ステップＳ２６：続いて第１コンピュータ５０１は、決定したＡＩスコアの算出式と閾値を、異常検知装置１００に転送する。ここで、ＡＩスコアの算出式は、供給エア流量（特徴量）の関数であるので、供給エア流量（特徴量）毎のＡＩスコアのデータのテーブルとして表現されてもよい。判定基準管理部１１４は、転送されたＡＩスコアの算出式と閾値を記録部１０２に記録し、管理する。

（監視処理）
本実施形態に係る異常検知装置１００は、上記機械学習処理により、ダイヤフラムポンプ２００が使用されている現場で取得したデータにより算定された判定基準に従って、ダイヤフラムポンプ２００の監視を実行する。

図１２は、異常検知装置１００が実行する監視処理を示すフローチャートである。異常検知装置１００は、監視を実行している期間中、図１２に示されるステップＳ３１からステップＳ３５のフローを繰り返し実行する。フローの繰り返しは、フレームと等しい期間毎に実行されるものであってもよい。

ステップＳ３１：異常検知装置１００は、特徴量算出処理（図４）を実行する。

ステップＳ３２：異常判定部１１３は、特徴量演算部１１２の出力した供給エア流量（特徴量）を取得する。異常判定部１１３は、判定基準管理部１１４の管理するＡＩスコアの算出式に従って、当該供給エア流量（特徴量）のＡＩスコアを演算する。

ステップＳ３３：異常判定部１１３は、演算したＡＩスコアが、判定基準管理部１１４の管理する閾値を超えているか否かにより、異常であるか正常であるかを判断する。超えていると判断される場合にはリーク異常であるとし（Ｓ３３でＹＥＳ）、ステップＳ３４に進む。それ以外の場合には正常であるとし（Ｓ３３でＮＯ）、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３４：異常判定部１１３は通信部１０３を通じて、第２コンピュータ５０２にダイヤフラムポンプ２００のリーク異常を通知する。第２コンピュータは適宜、当該リーク異常の報知を行う。

ステップＳ３５：記録部１０２は、異常判定の結果を記録する。

§４ 効果
実施形態１に係る異常検知装置１００あるいは異常検知システム１０によれば、ダイヤフラムポンプへの供給エア流量に基づいて、リーク異常の発生が検知される。従って、本発明者らにより実験的に明らかにされたように、誤検知が少なくリーク異常の発生を検出することができる。また、ダイヤフラムポンプにおける独特のリークモードである、内部リーク異常を検知することが可能である。更に、外部リーク異常をも合わせて検知することができる。

実施形態１に係る異常検知装置１００あるいは異常検知システム１０によれば、ダイヤフラムポンプへの供給エア流量により検知を行うため、ダイヤフラムポンプ内部に新たに検知のためのセンサ等を設ける必要は無い。ダイヤフラムポンプ自体の改造を要することがないため、既存のダイヤフラムポンプ設備に対しても容易に適用が可能である。

また、機械学習によって、供給エア流量信号Ｓｓに基づいたリーク異常の判定基準の設定は、ダイヤフラムポンプが実際に使用されている現場において、例えば工場からのエアの供給圧力などの使用条件に応じて定めることができる。よって、ダイヤフラムポンプの型式や使用条件、あるいは流量センサである供給エア計測部の型式に依存することが少なく、柔軟にシステム構築が可能となる。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２が、以下に説明される。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明は繰り返さえられない。

実施形態２に係る異常検知装置では、排出エア流量信号Ｓｅの監視も合わせて実行し、それを用いて内部リークと外部リークの判別を行う。

（判別の原理）
実施形態２に係る異常検知装置１００の動作について説明するにあたり、まず、異常検知装置１００が、ダイヤフラムポンプ２００の内部リークと外部リークとを判別して検知する原理について記述される。

図１３は、エア供給圧力Ｐが２００ｋＰａである場合において、リークが無い状態Ｌ０、リーク量がＬ１からＬ４にかけて大きくなる、リークがある状態Ｌ１～Ｌ４の各状態における、供給エア流量信号Ｓｓによる供給エア流量（特徴量）と、排出エア流量信号Ｓｅによる排出エア流量（特徴量）との関係を示す。図１３における上段のグラフ１３Ａは、内部リークの場合の結果であり、下段のグラフ１３Ｂは外部リークの場合の結果である。

供給エア流量（特徴量）について、内部リーク、外部リークいずれの場合であっても、リーク無しの状態Ｌ０時の流量（図１３において点線の四角枠内参照）は、リークありの状態Ｌ１～Ｌ４時の流量と異なり、リーク異常の発生を検知できることは、実施形態１において図９を用いて説明された通りである。

排出エア流量（特徴量）についても同様の測定を行った。するとグラフ１３Ａに示されるように、内部リークの場合には、排出エア流量（特徴量）は、リークの状態Ｌ０～Ｌ４に応じて、供給エア流量（特徴量）と同様の挙動を示した。しかし、外部リークの場合にリークありの状態Ｌ１～Ｌ４時の排出エア流量（特徴量）は、リーク無しの状態Ｌ０時と変わらない結果となった（図１３において点線の四角枠内参照）。

よって、排出エア流量についても、図１０のフローチャートに示された機械学習処理による判定基準を設定すれば、内部リークについては、供給エア流量による検知の場合と同様に、リーク異常の発生を検知できることとなる。一方、外部リークについては、リーク異常の発生の有無に係わらず、正常と判断されることとなる。

図１４、図１５は、それぞれエア供給圧力Ｐが３００ｋＰａ、４００ｋＰａである場合の、図１３と同様の実験結果を示す図である。いずれの場合においても、図１３と同様の結果が示されている。よって、上記結果は、エア供給圧力Ｐに係わらず成立する。

（判別動作）
実施形態２に係る異常検知装置１００では、ダイヤフラムポンプ２００が実際に使用されている現場において、図１０のフローチャートに示される機械学習処理に従って、供給エア流量、排出エア流量それぞれについて、リーク異常を検知する判定基準が予め定められる。

図１６は、実施形態２に係る異常検知装置１００の監視時の動作であるリーク判別処理を示すフローチャートである。実施形態２に係る異常検知装置１００は、監視時において、以下のステップＳ４１からステップＳ４８のフローを繰り返し実行する。

ステップＳ４１：異常検知装置１００は、供給エア流量について、リーク異常判定を実行する。

ステップＳ４２：続いて、供給エア流量に基づいたリーク異常判定の結果について、異常判定部１１３が異常と判断した場合、ステップＳ４４に進み、それ以外の場合、ステップＳ４３に進む。

ステップＳ４３：異常判定部１１３は、ダイヤフラムポンプ２００の状態が正常、すなわち内部リーク異常も外部リーク異常も発生していないと判断する。次にステップＳ４８に進む。

ステップＳ４４：異常検知装置１００は、排出エア流量について、リーク異常判定を実行する。

ステップＳ４５：続いて、排出エア流量に基づいたリーク異常判定の結果について、異常判定部１１３が異常と判断した場合、ステップＳ４７に進み、それ以外の場合、ステップＳ４６に進む。

ステップＳ４６：異常判定部１１３は、ダイヤフラムポンプ２００の状態が外部リーク異常であると判断する。なおここで、異常判定部１１３が通信部１０３を通じて、第２コンピュータ５０２にダイヤフラムポンプ２００の外部リーク異常を通知するように構成されていてもよい。次にステップＳ４８に進む。

ステップＳ４７：異常判定部１１３は、ダイヤフラムポンプ２００の状態が内部リーク異常であると判断する。なおここで、異常判定部１１３が通信部１０３を通じて、第２コンピュータ５０２にダイヤフラムポンプ２００の内部リーク異常を通知するように構成されていてもよい。次にステップＳ４８に進む。

ステップＳ４８：記録部１０２は、ダイヤフラムポンプ２００の状態についての判断結果を記録する。

（効果）
実施形態２に係る異常検知装置１００あるいは異常検知システム１０によれば、ダイヤフラムポンプへの供給エア流量に基づいて、リーク異常の発生が検知される。従って、本発明者らにより実験的に明らかにされたように、リーク異常の有無が精度よく、誤検知の発生が抑制されて、検出することができる。

またダイヤフラムポンプからの排出エア流量を併せて監視することで、ダイヤフラムポンプにおける独特のリークモードである、内部リーク異常を外部リーク異常と判別して検知することが可能である。従って管理者は、内部リーク異常が検知されれば、センタロッドのパッキンの交換のメンテナンス作業を実施するというように、異常に対する対応の判断をより的確に行うことができるようになる。

実施形態２に係る異常検知装置１００あるいは異常検知システム１０によれば、ダイヤフラムポンプへの供給エア流量及び排出エア流量により異常の検知を行うため、ダイヤフラムポンプ内部に新たに検知のためのセンサ等を設ける必要は無い。ダイヤフラムポンプ自体の改造を要することなく、既存のダイヤフラムポンプ設備に対しても容易に適用が可能である。

また、機械学習によって、リーク異常の判定基準の設定は、ダイヤフラムポンプが実際に使用されている現場において、使用条件に応じて定めることができる。よって、ダイヤフラムポンプの型式や使用条件、あるいは流量センサである供給エア計測部や排出エア計測部の型式に係わらず、柔軟にシステム構築が可能である。

〔ソフトウェアによる実現例〕
異常検知装置１００の機能ブロック（特に、異常検知演算部１１０）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、異常検知装置１００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）などを更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。

〔付記事項〕
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。

１０ 異常検知システム
１００ 異常検知装置
１０１ 受信部
１０２ 記録部
１０３ 通信部
１１０ 異常検知演算部
１１１ 前処理部
１１２ 特徴量演算部
１１３ 異常判定部
１１４ 判定基準管理部
２００ ダイヤフラムポンプ
２０１ 逆止弁
２１０ 第１ポンプ室
２１１ 第１ダイヤフラム
２１２ 第１エア室
２２０ 第２ポンプ室
２２１ 第２ダイヤフラム
２２２ 第２エア室
２３０ 連結管
２３１ センタロッド
２３２ パッキン
２４０ 切換え弁
３１０ エア供給ライン
３１１ 供給エア計測部
３１２ 圧力計測部
３２０ エア排出ライン
３２１ 排出エア計測部
４１０ 吸入ライン
４２０ 吐出ライン
４２１ 被制御流体計測部
５０１ 第１コンピュータ
５０２ 第２コンピュータ
Ｓｓ 供給エア流量信号
Ｓｅ 排出エア流量信号

Claims (9)

1. ダイヤフラムにより隔てられたポンプ室とエア室とを有する構造体が一対に設けられ、２つの前記ダイヤフラムを連結するロッドと、前記ロッドを収納しつつ２つの前記エア室を連結する連結管であって、前記ロッドを囲むパッキンを有することにより前記ロッドを可動としつつ２つの前記エア室を分離するように構成された連結管とが更に設けられたエア駆動型のダイヤフラムポンプへの供給エア流量を計測する供給エア計測部からの、前記供給エア流量を示す供給エア流量信号を受信する受信部と、
   異常検知演算部と、を備え、
   前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプの２つのエア室の間のリークを検知する、異常検知装置。
2. 前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの設置条件下での前記供給エア流量の分布から算出された、前記供給エア流量毎の、当該供給エア流量が異常値である蓋然性を示すスコアに基づいて、前記リークの有無を判断する、請求項１に記載の異常検知装置。
3. 特徴量演算部を更に備え、
   前記特徴量演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量の区分時間内の統計量を演算し、
   前記異常検知演算部は、
   前記統計量から前記リークを検知する、請求項１または２に記載の異常検知装置。
4. 前記統計量は、前記区分時間内の最大値、平均値、最小値のいずれかである、請求項３に記載の異常検知装置。
5. 前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプでの供給エアの外部へのリークを更に検知する、請求項１から４のいずれか１項に記載の異常検知装置。
6. 前記受信部は、
   前記ダイヤフラムポンプからの排出エア流量を計測する排出エア計測部からの、前記排出エア流量を示す排出エア流量信号を更に受信し、
   前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記排出エア流量の大きさに基づいて、前記２つのエア室の間のリークと、前記供給エアの外部へのリークとを判別して検知する、請求項５に記載の異常検知装置。
7. ダイヤフラムにより隔てられたポンプ室とエア室とを有する構造体が一対に設けられ、２つの前記ダイヤフラムを連結するロッドと、前記ロッドを収納しつつ２つの前記エア室を連結する連結管であって、前記ロッドを囲むパッキンを有することにより前記ロッドを可動としつつ２つの前記エア室を分離するように構成された連結管とが更に設けられたエア駆動型のダイヤフラムポンプへの供給エア流量を計測する供給エア計測部と、
   受信部と異常検知演算部とが設けられた異常検知装置と、を備え、
   前記受信部は、
   前記供給エア計測部から前記供給エア流量を示す供給エア流量信号を受信し、
   前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量に基づいて、前記ダイヤフラムポンプの２つのエア室の間のリークを検知する、異常検知システム。
8. 前記ダイヤフラムポンプからの排出エア流量を計測する排出エア計測部を更に備え、
   前記受信部は、
   前記排出エア計測部から前記排出エア流量を示す排出エア流量信号を更に受信し、
   前記異常検知演算部は、
   前記ダイヤフラムポンプの動作時における前記供給エア流量と前記排出エア流量とに基づいて、前記リークと、ダイヤフラムポンプにおける供給エアの外部へのリークとを判別して検知する、請求項７に記載の異常検知システム。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載の異常検知装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、
   前記受信部及び前記異常検知演算部としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。

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