特許 6784551 状態監視システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6784551

(24)【登録日】2020年10月27日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】状態監視システム

(51)【国際特許分類】

   G05B 23/02 20060101AFI20201102BHJP

【ＦＩ】

   G05B23/02 G

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-180062(P2016-180062)

(22)【出願日】2016年9月15日

(65)【公開番号】特開2018-45471(P2018-45471A)

(43)【公開日】2018年3月22日

【審査請求日】2019年3月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000153443

【氏名又は名称】株式会社 日立産業制御ソリューションズ

(73)【特許権者】

【識別番号】519135633

【氏名又は名称】公立大学法人大阪

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】和久井 一則

(72)【発明者】

【氏名】山内 良明

(72)【発明者】

【氏名】川合 忠雄

【審査官】 藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１６４７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９７５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００７８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６１３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３８９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−３０１３７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機器の稼動状態に対応して、機器の物理モデル上で異常挙動に起因する要素部をあらかじめモデル化した現象コンポーネントを記憶するデータベースと、
前記機器に取り付けたセンサからの状態データを取得する機器データ取得手段と、
前記機器の物理モデルからシミュレーションした解析結果を取得するモデル解析結果取得手段と、
前記状態データと前記解析結果とを比較する比較手段と、
前記物理モデルのパラメータを調整するパラメータ調整手段と、
前記現象コンポーネントを前記物理モデルに取り込む現象コンポーネント選択手段と、
前記比較手段の比較結果に基づき、前記現象コンポーネント選択手段に前記物理モデルに必要となる現象コンポーネントの選択を指示するとともに、前記選択された現象コンポーネントのパラメータの調整を前記パラメータ調整手段に指示する現象コンポーネント調整手段と、を有する
ことを特徴とする状態監視システム。

【請求項2】

前記現象コンポーネント調整手段は、前記比較手段の比較結果が、設定した閾値条件範囲になるまで、前記現象コンポーネント選択手段および前記現象コンポーネント調整手段への指示を繰り返す
ことを特徴とする請求項１に記載の状態監視システム。

【請求項3】

前記現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルで構成した
ことを特徴とする請求項１に記載の状態監視システム。

【請求項4】

前記現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルの直列構成、並列構成、あるいはその組み合わせの構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の状態監視システム。

【請求項5】

前記現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルで構成するとともにその周辺構造物となる構造モデルを備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の状態監視システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、機器の状態が変化した場合においても、機器の状態を適切にモデル化することができる状態監視システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、「機器要素を詳細動特性モデルのパラメータを用いて伝達関数モデルで表し、要素ブロックの入出力を伝達関数モデルで近似してモデル化する簡略モデル算出手段、実機のステップ応答波形から伝達関数のゲインや時定数などの値を算出する実績波形特徴抽出手段、簡略モデル算出手段で用いる伝達関数のゲインや時定数などの値とそれらを与える詳細動特性モデルのパラメータとその値および関係式、実績波形特徴抽出手段で算出した伝達関数のゲインや時定数などの値、簡略モデル伝達関数と手段で算出された伝達関数を一致させるためのパラメータの修正量を表示する手段よりなる。プラントシミュレータ動特性モデルパラメータのチューニングを、物理現象のモデル化に基づいた論理的に明確な方法で精度良く実施でき、プラントの制御系調整に要する時間を短縮できる。」と記載されている。

【0003】

また、非特許文献１によれば、「機器のシミュレーションに、物理モデルを用いることで、機器の構成パーツの故障原因を含むように詳細にモデル化することが可能となり、機器の故障診断や余寿命予測への活用ができる」ことが発表されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９−６４０７号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】川合忠雄、“機器に発生するトラブルの事前予測および余寿命診断への物理モデルの適用”、［online］、［平成28年6月1日検索］、インターネット〈URL：http://www.jsme.or.jp/conference/joutai/doc/kaisai/20121012/kawai.pdf〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

対象とする機器を物理モデル化したシミュレーション結果は、実際の現象を模擬することが難しく、その解析結果と機器の実稼働状態とを一致させることは多大な労力を要する。特許文献１では、予め構成しているプラントシミュレータによるパラメータをチューニングすることが記載されている。しかし、実稼働機器と同じ稼働状況をプラントシミュレータ構築時に発生しうる異常挙動などのデータを組み込むことは難しく、シミュレーション結果のさらなる向上が必要である。

【0007】

また、非特許文献１では、機器の構成パーツに故障原因を含んでモデル化することで、機器の状態を忠実に再現できることが記載されている。しかし、実際には機器の状態は日々変化しており、一度構築したモデルが、時間経過後に、機器の最新状態と一致していることはない。そのため、一度構築したモデルのパラメータ調整だけでは、最新状態の機器と同じ結果をシミュレートすることは困難である。

【0008】

本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、機器の状態が変化した場合においても、機器の状態を適切にモデル化することができる状態監視システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明の状態監視システムは、機器の稼動状態に対応して、機器の物理モデル上で異常挙動に起因する要素部をあらかじめモデル化した現象コンポーネントを記憶するデータベース（例えば、現象コンポーネント格納部８）と、機器に取り付けたセンサからの状態データを取得する機器データ取得手段と、機器の物理モデルからシミュレーションした解析結果を取得するモデル解析結果取得手段と、状態データと解析結果とを比較する比較手段と、物理モデルのパラメータを調整するパラメータ調整手段と、現象コンポーネントを物理モデルに取り込む現象コンポーネント選択手段と、比較手段の比較結果に基づき、現象コンポーネント選択手段に物理モデルに必要となる現象コンポーネントの選択を指示するとともに、選択された現象コンポーネントのパラメータの調整をパラメータ調整手段に指示する現象コンポーネント調整手段（例えば、現象コンポーネントコントロール手段４）と、を有することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、機器の状態が変化した場合においても、機器の状態を適切にモデル化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係る状態監視システムの全体構成を示す図である。

【図2】現象コンポーネントを現状の機器の状態にあった現象コンポーネントに置換した場合の状態監視システムの全体構成を示す図である。

【図3】本実施形態を説明するための実機の機器例を示す図である。

【図4】本実施形態の実機例のモデル化を示す図である。

【図5】本実施形態の現象コンポーネントを示す図であり、（ａ）は基本現象コンポーネント、（ｂ）〜（ｄ）は他の現象コンポーネントを示す図である。

【図6】本実施形態に係る状態監視システムの処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る状態監視システムの全体構成を示す図である。図２は、現象コンポーネントを現状の機器の状態にあった現象コンポーネントに置換した場合の状態監視システムの全体構成を示す図である。状態監視システム1は、一般的なＰＣ（Personal Computer）などローカル環境で実現する方法、クラウドのようなネットワーク経由で実現する方法、どちらでもよい。

【0013】

対象とする機器１０は、複数のパーツ１１，１２，１３で構成されている。該機器に対する物理モデル３０は、機器１０の構成要素に対応する物理モデルである基本現象コンポーネント３１，３２，３３を備えている。状態監視システム１は、機器データ取得手段２、比較手段３、現象コンポーネントコントロール手段４（現象コンポーネント調整手段）、モデル解析結果取得手段５、パラメータ調整手段６、現象コンポーネント選択手段７、現象コンポーネント格納部８（データベース）を有している。

【0014】

機器１０には、振動センサや加速度センサなどのセンサ２１，２２が取り付けられている。このセンサデータや機器出力を機器データ取得手段２が取得する。モデル解析結果取得手段５は、物理モデル３０を構成する現象コンポーネントの解析値や物理モデル３０の全体の出力解析値を取得する。比較手段３は、機器データ取得手段２及びモデル解析結果取得手段５が取得したデータを比較し、比較結果を現象コンポーネントコントロール手段４（現象コンポーネント調整手段）へ渡す。例えば回転部を備えた機器の場合、回転支持部となる軸受は、筐体となるハウジングの振動や、軸受け特有の摺動接触現象によるさまざまな振動などが発生する。特に摺動部は摩擦や磨耗、接触痕などによる物理的な振動現象を引き起こす。これらの現象を模擬した物理モデルを現象コンポーネントとする。

【0015】

現象コンポーネントコントロール手段４は、比較結果を振動振幅や周波数などの閾値条件などにより判定する。現象コンポーネント選択手段７は、現象コンポーネント格納部８より現象コンポーネント４１，４２を選択し、物理モデル３０上の対応する基本現象コンポーネント３１，３２と置き換える（図２参照）。パラメータ調整手段６は、現象コンポーネント４１，４２のパラメータを調整する。

【0016】

本実施形態では、機器データ取得手段２、モデル解析結果取得手段５で取得されたデータを比較手段３で比較し、その結果をもとに現象コンポーネントコントロール手段４が、現象コンポーネント選択手段７及びパラメータ調整手段６を用いて機器１０と物理モデル３０の稼働状態（先に述べた振動振幅や周波数など）がほぼ同様の現象と判断されるまで繰り返す。

【0017】

図３は、本実施形態を説明するための実機の機器例を示す図である。該機器は、モータ３００、軸受３０１ａ，３０１ｂ、回転子３０２、回転軸３０５で構成される。軸受３０１ａには、センサ２１が設置されている。

【0018】

図４は、本実施形態の実機例のモデル化を示す図である。図４は、図３に示す機器を物理モデル化したものであり、モータ３００に対応するモデルパーツ４００、軸受３０１ａ，３０１ｂに対応するモデルパーツ４０１ａ，４０１ｂ（総称する場合は、モデルパーツ４０１）、回転子３０２に対応するモデルパーツ４０２、回転軸３０５に対応するモデルパーツ４０５で構成される。

【0019】

図５は、本実施形態の現象コンポーネントを示す図であり、（ａ）は基本現象コンポーネント、（ｂ）〜（ｄ）は他の現象コンポーネントを示す図である。図５に示す現象コンポーネントは、現象コンポーネント格納部８に保持される現象コンポーネントの一例である。現象コンポーネントは、対応する機器のパーツで発生する可能性がある損傷などの現象ごとに複数用意することが望ましく、これは実験やシミュレーション、過去のデータベースにより構築する。

【0020】

現象コンポーネント５０１ａは、機器の軸受３０１ａ，３０１ｂに対応するものでハウジングの振動特性をモデル化したもので、パラメータとして弾性率（ばね定数）や減衰率などである。現象コンポーネント５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄは、現象コンポーネント５０１ａの他の例である。なお、現象コンポーネント５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄを総称する場合は、現象コンポーネント５０１という。

【0021】

現象コンポーネントは、これらの１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルとし、直列構成、並列構成あるいはその組み合わせの構成としてもよい。さらに軸受けの摺動特性を含めた該振動モデルとしてもよい。例えば、ボールベアリングではボール部の傷や磨耗痕による接触振動、滑り軸受けでは摩擦や磨耗痕による接触振動などを想定して、振動モデルを構成する。さらに、軸受け部に結合した軸部やその周辺構造物の弾性振動モードなどをあらかじめ振動モデルに組み込むなど、現象コンポーネントは、軸受け部のみだけでなく、周辺構造の影響をも盛り込んだ構造モデルを備えていてもよい。

【0022】

すなわち、現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルで構成してもよい。現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルの直列構成、並列構成、あるいはその組み合わせの構成としてもよい。現象コンポーネントは、１自由度系あるいはｎ自由度系の振動モデルで構成するとともにその周辺構造物となる構造モデルを備えていてもよい。

【0023】

図６は、本実施形態に係る状態監視システムの処理を示すフローチャートである。適宜図１、図２を参照する。現象コンポーネントコントロール手段４は、比較手段３の結果を判定する（ステップＳ１）。結果が比較条件を満たさない場合（ステップＳ１，不一致）、ステップＳ２に進み、結果が比較条件を満たす場合（ステップＳ１，一致）、処理を終了する。

【0024】

ステップＳ２で、現象コンポーネントコントロール手段４は、物理モデルに現象コンポーネントが適用されているか否かを判定する。現象コンポーネントが適用されていない場合（ステップＳ２，Ｎｏ）、現象コンポーネントコントロール手段４は、現象コンポーネント選択手段７に現象コンポーネントの選択の指示をし、現象コンポーネント選択手段７は、現象コンポーネント格納部８から現象コンポーネントを選択し（ステップＳ５）、物理モデル上の対象パーツ部に現象コンポーネントを組み込む。

【0025】

現象コンポーネントが適用されている場合（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、現象コンポーネントコントロール手段４は、該現象コンポーネントのパラメータが調整済みか否かを判定する（ステップＳ３）。パラメータが調整されていない場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、パラメータ調整手段６によりパラメータ調整（ステップＳ４）を実施する。該パラメータ調整後、機器データ取得手段２及びモデル解析結果取得手段５により取得されたデータの比較を比較手段３が実行する。

【0026】

ステップＳ３で、全てのパラメータ調整が実施されている場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、現象コンポーネントの適用漏れがないかを判定する（ステップＳ６）。適用漏れがある場合（ステップＳ６，Ｎｏ）、現象コンポーネント選択手段７により、現象コンポーネント４１，４２が選択され、物理モデル上の基本現象コンポーネント３１，３２（図１参照）を現象コンポーネント４１，４２（図２参照）に置換する。適用漏れがない場合（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、一連の処理を終了する。以下、各手段について詳細に説明する。

【0027】

（比較手段）
比較手段３は、図１に示すように、機器のパーツ１１に取付けられたセンサ２１のセンサデータと、該センサデータに対応する基本現象コンポーネント３１の解析結果を比較する。また、パーツ１３のセンサ２２のセンサデータと、基本現象コンポーネント３３の解析結果を比較する。また、機器１０の出力と物理モデル３０の解析出力結果を比較する。各センサ単位での比較だけでなく、センサや出力の組合せで比較してもよい。これは、機器の異常などは、センサ取付け箇所だけに影響を及ぼすのではなく、他の場所のセンサなどに影響を及ぼすからである。図２に示すように、現象コンポーネント４１で基本現象コンポーネント３１が置き換えられた場合は、現象コンポーネント４１の解析結果とセンサ２１を比較する。比較にあたっては、センサデータと解析出力結果の差が一定範囲内に収まるように設定してもよい。

【0028】

（現象コンポーネントコントロール手段）
現象コンポーネントコントロール手段４は、例えば、現象コンポーネント５０１が有する、パラメータ内輪や外輪の傷の大きさを調整する。調整方法は、該パラメータの取り得る範囲を順次変化させる。また、物理モデルに複数の現象コンポーネントが配置されていれば、それぞれのパラメータを変化させる。パラメータを変化させた場合は、各現象コンポーネントの解析結果と実機データの比較が比較手段３で実施され、収束条件に至るまで繰り返し実施する。

【0029】

（現象コンポーネント選択手段）
現象コンポーネント選択手段７は、現象コンポーネント格納部８から、センサ２１が対象としている機器のパーツ３０１に対応する現象コンポーネント５０１ａを優先選択し、モデルパーツ４０１と置き換える。現象コンポーネントコントロール手段４が再度現象コンポーネントを要求した場合は、例えば異なる現象コンポーネント５０１ｂを選択し、現象コンポーネント５０１ａと置き換える。機器における異常などは、１箇所のセンサ出力だけに現れるわけではなく、複数の箇所に現れることが多いため、現象コンポーネントは、該当箇所のみを適用するだけでなく、複数の組合せを実施するほうがよい。また、現象コンポーネントを選択する場合に、過去の事例などにより優先度をつけ優先度順に選択する方式やセンサデータから読み取れる事象に関連する現象コンポーネントを優先選択する方式をとることで、効率向上を図れる。

【0030】

（パラメータ調整手段）
パラメータ調整手段６は、例えば現象コンポーネント５０１が有する、パラメータ内輪や外輪の傷の大きさを調整する。調整方法は、該パラメータの取り得る範囲を順次変化させる。また、物理モデルに複数の現象コンポーネントが配置されていれば、それぞれのパラメータを変化させる。パラメータを変化させた場合は、各現象コンポーネントの解析結果と実機データの比較が比較手段３で実施され、収束条件に至るまで繰り返し実施する。パラメータの変化させる順序は、過去の実験や事例により優先度をつけて適用することで効率向上を図ることができる。

【0031】

なお、本実施形態は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0032】

また、前記の各構成は、それらの一部又は全部が、ハードウェアで構成されても、プロセッサでプログラムが実行されることにより実現されるように構成されてもよい。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【0033】

本実施形態の状態監視システム１は、機器の稼動状態に対応して、機器の物理モデル上で異常挙動に起因する要素部をあらかじめモデル化し、実稼働情報に基づいて、要素部モデルを適切に選択、シミュレーション上に組み込む機能を持たせた。これにより常に機器の実稼動状態に追従して、機器に発生しうる異常挙動を含むモデルを組み込んでシミュレーションすることができ、その結果をもとに該機器の状態監視を行うシステムの提供が可能となる。

【0034】

本実施形態によれば、対象とする機器の物理モデルを機器の稼働状態に応じた各センサ情報をもとに、機器の実挙動に対応した現象コンポーネントを前記物理モデルに組み込むことで、実稼動とよく一致するシミュレーションが可能となる。これにより、機器の状態監視を精度良く実現することができる。また、機器のモデルが、最新の機器状態と常に一致しているため、モデルのシミュレーションにより機器の故障予兆診断に活用することができる。

【符号の説明】

【0035】

１ 状態監視システム
２ 機器データ取得手段
３ 比較手段
４ 現象コンポーネントコントロール手段（現象コンポーネント調整手段）
５ モデル解析結果取得手段
６ パラメータ調整手段
７ 現象コンポーネント選択手段
８ 現象コンポーネント格納部（データベース）
１０ 機器
１１，１２，１３ パーツ
３０ 物理モデル
３１，３２，３３ 基本現象コンポーネント
４１，４２ 現象コンポーネント
３００ モータ
３０１ 軸受
３０２ 回転子
３０５ 回転軸
４００，４０１，４０２，４０５ モデルパーツ
５０１ 現象コンポーネント

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】