JPWO2017145318A1 - 製造設備の異常診断装置 - Google Patents

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Abstract

製造設備の状態に関係なく製造設備の異常診断を行うことができる製造設備の異常診断装置を提供する。製造設備の異常診断装置は、製造設備の操業状態を捉えた特徴量の情報を記憶した特徴量記憶部と、前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを少なくとも含むデータを変換するデータ変換部と、前記データ変換部で変換されたデータを前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報に基づいて分析する特徴量分析部と、前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報と前記特徴量分析部により分析された結果の情報とに基づいてデータを復元するデータ復元部と、前記特徴量分析部により分析される際に用いたデータと前記データ復元部により復元されたデータとに基づいて異常度を演算する異常度演算部と、前記異常度演算部により演算された異常度に基づいて異常診断を行う異常診断部と、を備えた。

Description

この発明は、製造設備の異常診断装置に関する。
特許文献１は、製造設備の異常診断装置を開示する。当該異常診断装置は、製造設備の監視データと正常データとを比較することにより異常診断を行う。
日本特開２０１３−２１４２９２号公報
製造設備において様々な制御が混在する場合、製造設備の動作は複雑となる。このため、特許文献１に記載の異常診断装置は、製造設備が限られた状態でのデータを用いて異常診断を行う。
この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、製造設備の状態に関係なく製造設備の異常診断を行うことができる製造設備の異常診断装置を提供することである。
この発明に係る製造設備の異常診断装置は、製造設備の操業状態を捉えた特徴量の情報を記憶した特徴量記憶部と、前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを含むデータを変換するデータ変換部と、前記データ変換部で変換されたデータを前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報に基づいて分析する特徴量分析部と、前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報と前記特徴量分析部により分析された結果の情報とに基づいてデータを復元するデータ復元部と、前記特徴量分析部により分析される際に用いたデータと前記データ復元部により復元されたデータとに基づいて異常度を演算する異常度演算部と、前記異常度演算部により演算された異常度に基づいて異常診断を行う異常診断部と、を備えた。
この発明によれば、異常診断は、特徴量分析部により分析される際に用いられたデータとデータ復元部により復元されたデータとに基づいて演算された異常度に基づいて行われる。このため、製造設備の状態に関係なく製造設備の異常診断を行うことができる。
この発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置が適用された熱間薄板圧延ラインの構成図である。 この発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置による異常診断の方法を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置のハードウェア構成図である。 この発明の実施の形態２における製造設備の異常診断装置が適用された熱間薄板圧延ラインの構成図である。 この発明の実施の形態２における製造設備の異常診断装置による特徴量の抽出の一例を説明するための図である。
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置が適用された熱間薄板圧延ラインの構成図である。
図１において、熱間薄板圧延ライン１は、模式的に示される。例えば、熱間薄板圧延ライン１は、７台の圧延機１ａを備える。板厚計、形状計等のセンサを含む測定装置は、図示されない。材料は、図示の圧延方向に流れる。その結果、材料は、７台の圧延機１ａにより所望の厚さに圧延される。
データ収集装置２は、熱間薄板圧延ライン１の運転データまたは測定装置の測定データを含むデータを定期的または間欠的に収集する。例えば、データ収集装置２は、熱間薄板圧延ライン１の各装置に対する設定値のデータを収集する。例えば、データ収集装置２は、熱間薄板圧延ライン１の各装置に対する実績値のデータを収集する。例えば、データ収集装置２は、センサによる測定値のデータを収集する。例えば、データ収集装置２は、所望の製品を得るための制御システムによる操作量のデータを収集する。
異常診断装置３は、特徴量記憶部４とデータ変換部５と特徴量分析部６とデータ復元部７と異常度演算部８と異常診断部９とを備える。
特徴量記憶部４は、データ収集装置２により収集されたデータに基づいて製造設備の正常な操業状態を捉えた特徴量の情報を記憶する。特徴量は、事前に抽出される。例えば、特徴量は、主成分分析による方法により抽出される。主成分分析による方法によれば、主成分が特徴量として抽出される。例えば、特徴量は、スパースコーディングを利用した方法により抽出される。スパースコーディングを利用した方法によれば、基底の集合が特徴量として抽出される。
特徴量の抽出に用いられるデータ間においては、値の大きさがばらつく。ばらつきが大きいと、特徴量の抽出に偏りが発生する。このため、特徴量を抽出する前に、収集されたデータに対し、正規化処理が実施される。例えば、正規化処理は、特徴量の抽出に用いられるデータの平均値と標準偏差とに基づいて次の（１）式で表される。
Figure 2017145318
ただし、ｘ´ｉｋは、ｉ番目のデータのｋ個目の正規化後の値である。ｘｉｋは、ｉ番目のデータのｋ個目の正規化前の値である。ｘａｖｅｉは、ｉ番目のデータの平均値である。σｉは、ｉ番目のデータの標準偏差である。
なお、正規化処理は、データごとに値が大きく異なる場合に有効である。例えば、第１のデータが２．０、３．０等のオーダーであるのに対し第２のデータが数千のオーダーの場合、正規化処理を実施することは有効である。また、正規化処理は、（１）式を用いる方法以外の方法で実施されてもよい。さらに、正規化しなくても問題ない場合は、正規化処理を実施しなくてもよい。
また、正規化が実行される前に、ローパスフィルタ等を用いたフィルタ処理がなされることもある。この場合、ノイズが除去される。
例えば、特徴量は、熱間薄板圧延ライン１の運転状態に基づいて層別化される。例えば、特徴量は、圧延中と非圧延中とに層別化される。特徴量の情報は、熱間薄板圧延ライン１の運転状態の情報に対応付けて記憶される。
例えば、特徴量は、製造する製品に基づいて層別化される。例えば、特徴量は、圧延する材料の種類、サイズ等に基づいて層別化される。特徴量の情報は、製造する製品に関連した情報に対応付けて記憶される。
データ変換部５は、データ収集装置２から送られてくるデータを変換する。例えば、データ変換部５は、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報を抽出した際に用いられた平均値と標準偏差とに基づいてデータ収集装置２から送られてくるデータに正規化処理を施す。特徴量記憶部４において特徴量が層別化されている場合、データ変換部５は、特徴量記憶部４における層別化に対応した層別に得られた平均値と標準偏差とを用いる。データ変換部５においては、正規化が実行される前に、ローパスフィルタ等を用いたフィルタ処理がなされることもある。この場合、ノイズが除去される。なお、データ変換しなくても問題ない場合は、データは変換されない。
特徴量分析部６は、データ変換部５によりデータ変換されたデータを受け取る。特徴量分析部６は、データ変換部５によりデータ変換されたデータを特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報に基づいて分析する。当該分析は、特徴量を抽出した際と同様の方法で行われる。主成分分析により特徴量が抽出された場合、分析結果は、主成分により書き表したときの係数である。スパースコーディングにより特徴量が抽出された場合、分析結果は、スパース係数に対応する。特徴量記憶部４において特徴量の情報が層別化されている場合、層別に対応した特徴量において、分析が行われる。
データ復元部７は、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報と特徴量分析部６により分析された結果の情報とに基づいてデータを復元する。特徴量記憶部４において特徴量の情報が層別化されている場合、層別に対応した特徴量が用いられる。
異常度演算部８は、特徴量分析部６により分析される際に用いられたデータとデータ復元部７により復元されたデータとに基づいて異常度を演算する。例えば、各データの差の絶対値がそれぞれ異常度として演算される。例えば、各データの差の２乗が異常度として演算される。
異常診断部９は、異常度演算部８により演算された異常度に基づいて異常診断を行う。例えば、異常診断部９は、異常度演算部８により演算された異常度が予め設定された閾値を超えた際に異常が発生していると診断する。例えば、当該閾値は、事前に特徴量を抽出した際のデータを用いて上述した方法と同様に求められた復元データに基づいて設定される。例えば、当該閾値は、元データと復元データの差の最大値に設定される。例えば、当該閾値は、元のデータと復元データの差の９５％が範囲内となる値に設定される。これらの場合、異常度が当該閾値以内であれば、正常であるとみされる。
次に、図２を用いて、異常診断の方法を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置による異常診断の方法を説明するための図である。
図２の左側は、正常なデータのみの場合を示す。図２の左側に示すように、データが正常な場合，元データと復元データとは、ほぼ一致する。この場合、異常診断装置３は、正常と診断する。
図２の右側は、異常を加えたデータの場合を示す。図２の右側に示すように、異常な部分Ａにおいては、データが復元されない。このため、元データと復元データとの間には、差が生じる。この場合、異常診断装置３は、異常と診断する。
次に、図３を用いて、異常診断装置の動作を説明する。
図３はこの発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。
ステップＳ１において、データ変換部５は、データ収集装置２からのデータを正規化する。その後、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、特徴量分析部６は、データ変換部５により正規化されたデータを特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報に基づいて分析する。その後、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、データ復元部７は、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報と特徴量分析部６により分析された結果の情報とに基づいてデータを復元する。
その後、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、異常度演算部８は、特徴量分析部６により分析される際に用いられたデータとデータ復元部７により復元されたデータとに基づいて異常度を演算する。その後、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、異常診断部９は、異常度演算部８により演算された異常度に基づいて異常診断を行う。例えば、異常診断部９は、異常度演算部８により演算された異常度が予め設定された閾値を超えたか否かを判定する。
ステップＳ５で異常度演算部８により演算された異常度が予め設定された閾値を超えていない場合は、ステップＳ６に進む。ステップ６では、異常診断部９は、正常と診断する。その後、動作が終了する。
ステップＳ５で異常度演算部８により演算された異常度が予め設定された閾値を超えている場合は、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、異常診断部９は、異常と診断する。その後、動作が終了する。
以上で説明した実施の形態１によれば、異常診断は、特徴量分析部６により分析される際に用いられたデータとデータ復元部７により復元されたデータとに基づいて演算された異常度に基づいて行われる。このため、熱間薄板圧延ライン１の状態に関係なく熱間薄板圧延ライン１の異常診断を行うことができる。
また、特徴量分析部６は、データ変換部５により正規化されたデータに基づいて分析する。このため、データ間のばらつきが大きくても、熱間薄板圧延ライン１の異常診断を適切に行うことができる。
また、異常診断部９は、異常度演算部８により演算された異常度と予め設定された閾値との比較により異常診断を行う。この際、データの変動を考慮し、予め設定された期間内に予め設定された回数だけ予め設定された閾値を超えた場合に異常と診断してもよい。この場合、突発的に発生したデータによる誤診断を避けることができる。
また、特徴量の情報は、熱間薄板圧延ライン１の運転状態の情報に対応付けて記憶されることもある。この場合、熱間薄板圧延ライン１の異常診断の精度を高めることができる。
また、特徴量の情報は、製造する製品に関連した情報に対応付けて記憶されることもある。この場合、熱間薄板圧延ライン１の異常診断の精度を高めることができる。
なお、熱間薄板圧延ライン１の運転状態の情報と製造する製品に関連した情報とに対応付けて特徴量の情報を記憶してもよい。この場合、熱間薄板圧延ライン１の異常診断の精度をより高めることができる。
なお、熱間薄板圧延ライン１が異常と診断された場合、保守員にアラームを通知してもよい。この場合、保守員による常時監視が不要となる。その結果、保守員の負荷を軽減することができる。また、故障が発生する前に保守作業を行うことができる。このため、熱間薄板圧延ライン１の停止および重大故障を事前に防止することができる。その結果、安定した品質を確保することができる。
次に、図４を用いて、異常診断装置３の例を説明する。
図４はこの発明の実施の形態１における製造設備の異常診断装置のハードウェア構成図である。
異常診断装置３の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１０ａと少なくとも１つのメモリ１０ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア１１を備える。
処理回路が少なくとも１つのプロセッサ１０ａと少なくとも１つのメモリ１０ｂとを備える場合、異常診断装置３の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１０ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ１０ａは、少なくとも１つのメモリ１０ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、異常診断装置３の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１０ａは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１０ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。
処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア１１を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものである。例えば、異常診断装置３の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、異常診断装置３の各機能は、まとめて処理回路で実現される。
異常診断装置３の各機能について、一部を専用のハードウェア１１で実現し、他部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。例えば、特徴量記憶部４の機能については専用のハードウェア１１としての処理回路で実現し、特徴量記憶部４以外の機能については少なくとも１つのプロセッサ１０ａが少なくとも１つのメモリ１０ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することによって実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア１１、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、異常診断装置３の各機能を実現する。
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における製造設備の異常診断装置が適用された熱間薄板圧延ラインの構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には、同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
実施の形態２の異常診断装置３は、実施の形態１の異常診断装置３に特徴量抽出部１２と異常診断パラメータ決定部１３とを付加した異常診断装置である。
例えば、特徴量抽出部１２は、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報を定期的に更新する。例えば、特徴量抽出部１２は、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報を熱間薄板圧延ライン１の定期修理等のイベントごとに更新する。
特徴量抽出部１２は、特徴量記憶部４による特徴量の抽出方法と同様の方法で特徴量の情報を更新する。データ収集装置２にデータを蓄積する機能がある場合、特徴量抽出部１２は、データ収集装置２のデータを用いて特徴量の情報を更新する。データ収集装置２にデータを蓄積する機能がない場合、特徴量抽出部１２は、データ収集装置２からのデータを記憶して特徴量の情報を更新する。
特徴量抽出部１２は、異常診断部９から異常診断の結果の通知を受ける。特徴量抽出部１２は、異常診断部９により異常と診断されたデータを用いずに正常と診断されたデータを用いて特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報を更新する。
特徴量記憶部４において特徴量の情報が層別化されている場合、層別に対応した特徴量の更新が行われる。
異常診断パラメータ決定部１３は、特徴量の更新に用いられたデータと更新された特徴量の情報とを受け取る。異常診断パラメータ決定部１３は、特徴量の更新に用いられたデータと更新された特徴量の情報とに基づいて異常診断に用いられる閾値を決定する。異常診断パラメータ決定部１３は、異常診断部９に設定する閾値の決定方法と同様の方法を自動化した方法で閾値を決定する。異常診断パラメータ決定部１３は、当該閾値の情報を異常診断部９に通知する。
特徴量記憶部４において特徴量の情報が層別化されている場合、層別に対応した閾値が設定される。
次に、図６を用いて、異常診断装置による特徴量の抽出の一例を説明する。
図６はこの発明の実施の形態２における製造設備の異常診断装置による特徴量の抽出の一例を説明するための図である。
図６においては、運転状態は、「圧延中」と「非圧延中」で分類される。材料Ｂの圧延中において、異常と診断されたデータが存在する。この場合、材料Ｂの圧延中の期間のデータの全てが特徴量の更新に用いられない。
以上で説明した実施の形態２によれば、特徴量記憶部４に記憶された特徴量の情報が、更新される。また、データ変換部５がデータ変換に用いるパラメータも更新される。このため、熱間薄板圧延ライン１の経時変化に対応した異常診断を行うことができる。
また、特徴量の情報は、異常と診断されたデータを用いずに正常と診断されたデータを用いて更新される。このため、より適切な特徴量を設定することができる。
なお、実際の異常は異常と診断された以前から発生し始めていることもある。このため、該当データを含む前後一定期間のデータを特徴量の情報の更新に使用しないようにしてもよい。さらに、図６に示すように、運転状態の情報または製造する製品に関連した情報に基づいて、該当するデータを含む期間のデータの全てを特徴量の情報の更新に使用しないようにしてもよい。
また、異常診断部９で用いる閾値は、更新された特徴量の情報に基づいて決定される。このため、熱間薄板圧延ライン１の経時変化に対応した閾値を設定することができる。
なお、実施の形態１または実施の形態２の異常診断装置３を熱間薄板圧延ライン１とは異なる製造設備に適用してもよい。例えば、実施の形態１または実施の形態２の異常診断装置３を連続冷間圧延機に適用してもよい。例えば、実施の形態１または実施の形態２の異常診断装置３を焼鈍ラインに適用してもよい。例えば、実施の形態１または実施の形態２の異常診断装置３をメッキのプロセスラインに適用してもよい。
以上のように、この発明に係る製造設備の異常診断装置は、製造設備の状態に関係なく製造設備の異常診断を行うシステムに利用できる。
１ 熱間薄板圧延ライン、 １ａ 圧延機、 ２ データ収集装置、 ３ 異常診断装置、 ４ 特徴量記憶部、 ５ データ変換部、 ６ 特徴量分析部、 ７ データ復元部、 ８ 異常度演算部、 ９ 異常診断部、 １０ａ プロセッサ、 １０ｂ メモリ、 １１ ハードウェア、 １２ 特徴量抽出部、 １３ 異常診断パラメータ決定部

Claims (9)

  1. 製造設備の操業状態を捉えた特徴量の情報を記憶した特徴量記憶部と、
    前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを含むデータを変換するデータ変換部と、
    前記データ変換部で変換されたデータを前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報に基づいて分析する特徴量分析部と、
    前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報と前記特徴量分析部により分析された結果の情報とに基づいてデータを復元するデータ復元部と、
    前記特徴量分析部により分析される際に用いられたデータと前記データ復元部により復元されたデータとに基づいて異常度を演算する異常度演算部と、
    前記異常度演算部により演算された異常度に基づいて異常診断を行う異常診断部と、
    を備えた製造設備の異常診断装置。
  2. 前記データ変換部は、前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを含むデータを正規化する請求項１に記載の製造設備の異常診断装置。
  3. 前記異常診断部は、前記異常度演算部により演算された異常度が予め設定された期間内に予め設定された回数だけ予め設定された閾値を超えた場合に異常と診断する請求項１または請求項２に記載の製造設備の異常診断装置。
  4. 前記特徴量記憶部は、前記製造設備の運転状態の情報に対応付けて特徴量の情報を記憶した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の製造設備の異常診断装置。
  5. 前記特徴量記憶部は、製造する製品に関連した情報に対応付けて特徴量の情報を記憶した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の製造設備の異常診断装置。
  6. 前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを含むデータに基づいて前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報を更新する特徴量抽出部、
    を備えた請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の製造設備の異常診断装置。
  7. 前記特徴量抽出部は、前記異常診断部により異常と診断されたデータを用いずに正常と診断されたデータを用いて前記特徴量記憶部に記憶された特徴量の情報を更新する請求項６に記載の製造設備の異常診断装置。
  8. 前記特徴量抽出部は、前記製造設備の運転データまたは前記製造設備に設けられた測定装置の測定データを含むデータに基づいて前記データ変換部がデータの変換に用いるパラメータを更新する請求項６または請求項７に記載の製造設備の異常診断装置。
  9. 前記特徴量抽出部により更新された特徴量の情報に基づいて前記異常診断部で用いる閾値を決定する異常診断パラメータ決定部、
    を備えた請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の製造設備の異常診断装置。
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