特許 7528035 機械設備の振動監視装置

(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】

(24)【登録日】2024-07-26

(45)【発行日】2024-08-05

(54)【発明の名称】機械設備の振動監視装置

(51)【国際特許分類】

   G01H 1/00 20060101AFI20240729BHJP

   G08B 21/18 20060101ALI20240729BHJP

【ＦＩ】

G01H1/00 Z

G08B21/18

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021132140

(22)【出願日】2021-08-16

(65)【公開番号】P2023026787

(43)【公開日】2023-03-01

【審査請求日】2023-04-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000200334

【氏名又は名称】ＪＦＥプラントエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127845

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 壽彦

(72)【発明者】

【氏名】古志 英昭

【審査官】川野 汐音

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２９１０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／０４３５１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１２５８９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／２３０５２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１２５９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０８５１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２１５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０７１２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００

Ｇ０８Ｂ １９／００－２１／２４

Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械設備の振動を検出する振動センサから取得した振動波形に基づいて前記振動の異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報を報知する警報装置を制御する機械設備の振動監視装置であって、
前記振動センサから出力されるアナログの振動波形を入力し、エイリアシングフィルタ処理を含むノイズ除去処理を行う振動入力ユニットと、
該振動入力ユニットから振動波形の入力並びに警報装置の制御を行うＰＬＣとを備え、
該ＰＬＣは、振動診断を行うプログラムが設定されており、前記振動入力ユニットでノイズ除去されたアナログの振動波形を入力してデジタルの振動波形に変換し、該変換した振動波形のノイズ除去を行い、該ノイズ除去された振動波形に基づいて異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて前記警報装置を制御する機能を備えたことを特徴とする機械設備の振動監視装置。

【請求項2】

前記振動入力ユニットは、利得調整するアナログ回路を含むことを特徴とする請求項１記載の機械設備の振動監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転部を有する機械設備などに使用する機械設備の振動監視装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転部を有する機械設備においては、機械の異常を検知するため、回転部の駆動に伴う機械設備の振動を監視する場合がある。このような振動監視を行う振動監視装置は、回転部の近傍に設置される振動センサの出力信号をデータ処理・分析して異常振動の有無を判定する。上記のような振動監視装置の一例が、例えば特許文献１、２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５２９３３００号

【文献】特許第６２８３５９１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１、２のような従来の振動監視装置は、振動監視を行う専用機であるので、基本的に外部機器を制御する機能を有していない。そのため、振動に異常が有ると判定された際に、例えば異常を知らせるブザーや警告ランプやパソコンなどの外部機器を動作させようとする場合には、振動診断に基づいて外部機器を制御する制御装置を別途作成する必要があり、開発コストがかかる。

【0005】

一方で、外部機器を制御する汎用機としてＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）がある。例えば、ＰＬＣに振動診断を行うプログラムを設定し、入力機器として振動センサ、出力機器としてブザーや警告ランプなどの警報装置を接続すれば、振動センサの信号に基づいてＰＬＣが振動診断を行い、その診断結果に基づいて警報装置などを動作させることができる。
しかし、汎用機であるＰＬＣのみを用いた振動診断では、ＰＬＣ入力信号にサンプリング周波数の半分以上の高周波が含まれていると、実際の信号より低い周波数の信号として現れるエイリアシング（折り返し現象）が発生してしまう為、前述した専用機のような高精度の診断ができないという問題があった。

【0006】

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、低コストで、精度の高い振動診断ができ、振動診断の結果に基づいて警報装置などの外部機器を制御可能な機械設備の振動監視装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

発明者は、ＰＬＣによる振動診断において、専用機と同様の診断精度が得られれば、ＰＬＣの持っている機能を生かして他の機器との連携などが可能になるとの着想を得た。
本発明はかかる着想に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

【0008】

（１）本発明に係る機械設備の振動監視装置は、機械設備の振動を検出する振動センサから取得した振動波形に基づいて前記振動の異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報を報知する警報装置を制御するものであって、前記振動センサから出力されるアナログの振動波形を入力してノイズ除去を行う振動入力ユニットと、該振動入力ユニットでノイズ除去されたアナログの振動波形を入力してデジタルの振動波形に変換し、該変換した振動波形のノイズ除去を行い、該ノイズ除去された振動波形に基づいて異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて前記警報装置を制御するＰＬＣとを備えたことを特徴とするものである。

【0009】

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記振動入力ユニットは、利得調整するアナログ回路を含むことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る機械設備の振動監視装置においては、振動センサから出力されるアナログの振動波形を入力してノイズ除去を行う振動入力ユニットと、振動入力ユニットでノイズ除去されたアナログの振動波形を入力してデジタルの振動波形に変換し、該変換した振動波形のノイズ除去を行い、該ノイズ除去された振動波形に基づいて異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報装置を制御するＰＬＣとを備えたことにより、開発コストが安価で、振動診断の精度が高く、警報装置などの外部機器との連携を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態に係る機械設備の振動監視装置の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の一実施の形態に係る機械設備の振動監視装置１（以下、単に「振動監視装置１」という）は、振動センサ３から出力されるアナログの振動波形に基づいて振動の異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報装置７を制御するものであって、図１に示すように、振動センサ３から出力されるアナログの振動波形を入力してノイズ除去を行う振動入力ユニット５と、振動入力ユニット５でノイズ除去されたアナログの振動波形を入力して、異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報装置７を制御するＰＬＣ９とを備えている。ここに記すノイズ除去とは、必要な周波数を抽出することである。
振動監視装置１の各構成について以下詳細に説明する。なお下記においては、振動センサ３として、振動加速度のアナログ波形を出力する加速度センサを用いた場合を例に説明する。

【0013】

＜振動入力ユニット＞
振動入力ユニット５は、振動センサ３から出力されるアナログの振動加速度波形に対してノイズ除去などのアナログ信号処理を行い、該処理後の振動加速度波形をＰＬＣ９に入力するものである。また振動入力ユニット５は、振動センサ３に対する電源の供給を行うこともできる。

【0014】

振動加速度波形に対するアナログ信号処理は、振動入力ユニット５の振動波形処理部１１によって行われる。
振動波形処理部１１はアナログ回路から構成されるものであり、振動加速度波形に対し、ＡＣ結合(ＨＰＦ：ハイパスフィルタ)やエイリアシングフィルタ(ＬＰＦ：ローパスフィルタ)などの処理を行い、ノイズ成分を除去する。
このようにアナログ信号の振動加速度波形に対してノイズ除去を行うことにより、ＰＬＣ９のデジタル処理によるノイズ除去では対応できないノイズ成分を除去することができる。

【0015】

さらに、振動波形処理部１１は、利得(ゲイン)調整（振動波形の振幅にあわせて増幅）するアナログ回路を含んでいる。振動入力ユニット５においてアナログの振動加速度波形に利得調整を行うことで、ＰＬＣ９によるＡ／Ｄ変換の分解能をフルスケールで活用できるようになり好ましい。

【0016】

＜ＰＬＣ＞
ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）９は、振動入力ユニット５でノイズ除去されたアナログの振動波形（本例では振動加速度波形）を入力して、デジタルの振動波形に変換し、該変換した振動波形のノイズ除去を行い、該ノイズ除去された振動波形に基づいて異常の有無を判定し、該判定結果に基づいて警報装置７を制御するものであり、Ａ／Ｄ変換処理部１３と、積分処理部１５と、デジタルフィルタ処理部１７と、解析・演算処理部１９と、記憶部２１と、制御部２３と、通信部２５とを備えている。
各構成について以下詳細に説明する。

【0017】

≪Ａ／Ｄ変換処理部≫
Ａ／Ｄ変換処理部１３は、振動入力ユニット５から出力されるアナログの振動加速度波形をデジタルの振動加速度波形に変換するものである。前述したように、本実施の形態においては、振動入力ユニット５で振動加速度波形を利得調整（増幅）している為、Ａ／Ｄ変換処理部１３の分解能をフルスケールで活用でき、解析・演算処理部１９における演算の精度が向上する（詳しくは後述）。

【0018】

≪積分処理部≫
積分処理部１５は、Ａ／Ｄ変換処理部１３が生成した振動加速度波形に対して積分処理を行い、振動速度波形を生成するものである。
振動加速度波形から振動速度波形を生成することで、振動の状態を振動加速度と振動速度の両観点から解析することができる。これにより、回転部の破損及び潤滑不良など衝撃的な振動（加速度波形による判定が好適）や機械設備のガタ及びアンバランスなど動的な振動（速度波形による判定が好適）など、異なる挙動を示す異常振動も同時に判定できるようになり好ましい。

【0019】

≪デジタルフィルタ処理部≫
デジタルフィルタ処理部１７は、Ａ／Ｄ変換処理部１３が生成した振動加速度波形と、積分処理部１５が生成した振動速度波形に対し、デジタルフィルタ処理を行ってノイズ成分を除去するもので、デジタルフィルタ処理時間が振動測定時間の０．２５倍以下で終了（０．２５倍の具体例として、１点あたりの振動測定時間１．０秒間に対して、デジタルフィルタ処理時間は０．２５秒間）する機能を有し、係る機能は所定のプログラムを実行することで実現される。

【0020】

≪解析・演算処理部≫
解析・演算処理部１９は、デジタルフィルタ処理部１７によってノイズが除去された振動加速度波形と振動速度波形について、振動診断に必要な演算を実施し、異常の有無を判定するものである。なお、解析・演算処理部１９で振動診断される振動加速度波形と振動速度波形は記憶部２１に保存される。

【0021】

異常の有無を判定する方法は限定しないが、例えば、予め記憶部２１に通常時の振動波形（振動加速度波形及び振動速度波形）における最大値、実効値、波高率（以下、「レベル値」ともいう）などを振動解析パラメータとして保存しておき、該振動解析パラメータと診断対象のレベル値に基づいて異常の有無を判定すればよい。

【0022】

本実施の形態においては、振動センサ３から出力されるアナログの振動加速度波形に対しアナログ回路によるノイズ除去を行ってからＰＬＣ９に入力している為、従来のようにＰＬＣ９のデジタルフィルタ処理のみでノイズ除去していた場合と比べて、エイリアシングにより含まれるノイズ成分が除去される分だけ精度が向上する。
また、振動入力ユニット５の利得調整（増幅）によって、Ａ／Ｄ変換処理部１３の分解能をフルスケールで活用している為、例えば、絶対精度（Ａ／Ｄ変換分解能では無く、監視装置全体の誤差精度）で、振動加速度では0.05[m/s²]以下の単位(測定周波数範囲:1000～15000Hz）、振動速度では0.5[mm/s]以下の単位(測定周波数範囲:10～1000Hz）での高精度な演算が可能となる。
したがって、従来のＰＬＣによる振動診断よりも、信頼性の高い振動診断が可能である。

【0023】

≪記憶部≫
記憶部２１は、各種データを保存するものであり、上述した振動解析パラメータ、監視対象の各振動波形（振動加速度波形、振動速度波形）、監視対象の過去のレベル値、警報を報知した異常振動の履歴データなどが保存される。

【0024】

≪制御部≫
制御部２３は、解析・演算処理部１９の判定結果に基づいて警報装置７を制御するものである。
警報装置７としては、例えばブザーや回転ランプなどが挙げられる。
解析・演算処理部１９によって振動に異常が有ると判定された場合、制御部２３は、警報装置７を動作させて警報を報知する。
なお、制御部２３による制御は、ＰＬＣ９の外部機器である操作画面２７（タッチパネルなど）を介してオペレータが操作することもできる。

【0025】

≪通信部≫
通信部２５は、他の機器２９とネットワークを介してデータを送受信するものである。他の機器２９はネットワークと通信部２５を介してＰＬＣ９の記憶部２１に保存されたデータにアクセスできる。
これにより、ネットワーク上のパソコンから各振動波形をリアルタイムで監視することが可能である。さらに１台のパソコンで複数のＰＬＣから情報を取得することも可能である為、振動以外の操業情報も同時に監視できるようになり、設備の状態を効率的に監視できる。
また、他の機器２９（パソコンや他ＰＬＣなど）が記憶部２１から振動波形を取得して、さらに詳細な振動解析（周波数解析など）を行うことも可能である。

【0026】

上記のように本実施の形態によれば、振動センサ３から出力されるアナログの振動波形を、振動入力ユニット５を介してＰＬＣ９に入力することにより、ＰＬＣ９のデジタル信号処理では対応できないノイズ成分が除去され、かつ、ＰＬＣ９におけるＡ／Ｄ変換の分解能をフルスケールで活用できる為、ＰＬＣ９による振動診断の精度が向上する。

【0027】

また、汎用機であるＰＬＣ９が有する外部機器の制御機能や通信機能を利用することにより、警報装置７の制御やネットワークを介した他の機器２９との連携を低コストで実現できる。

【0028】

なお、前述したように本実施の形態では、振動センサ３として加速度センサを用いた場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、他の種類の振動センサを用いることもできる。例えば、振動センサ３として、振動速度のアナログ波形を出力する速度センサを用いてもよく、その場合には、Ａ／Ｄ変換処理部１３でデジタルの振動速度波形データを生成した後、該データに微分処理を行って振動加速度波形データを生成すればよい。

【符号の説明】

【0029】

１ 振動監視装置
３ 振動センサ
５ 振動入力ユニット
７ 警報装置
９ ＰＬＣ
１１ 振動波形処理部
１３ Ａ／Ｄ変換処理部
１５ 積分処理部
１７ デジタルフィルタ処理部
１９ 解析・演算処理部
２１ 記憶部
２３ 制御部
２５ 通信部
２７ 操作画面
２９ 他の機器

【図1】