特許 7589706 故障診断装置、故障診断プログラム、及び故障診断方法

(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】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】故障診断装置、故障診断プログラム、及び故障診断方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 23/02 20060101AFI20241119BHJP

【ＦＩ】

G05B23/02 302Y

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022057378

(22)【出願日】2022-03-30

(65)【公開番号】P2023149043

(43)【公開日】2023-10-13

【審査請求日】2023-04-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】横松 広太

(72)【発明者】

【氏名】河地 祐作

(72)【発明者】

【氏名】矢田 顕芳

(72)【発明者】

【氏名】津村 浩助

【審査官】大古 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１２８８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９９１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０９０７８１２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０８－２２１１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ ２３／００ －２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得する取得部と、
前記フィールド機器の電流出力と、前記フィールド機器の設置環境に関する情報を含む故障原因情報との対応関係を示す故障診断情報を記憶する記憶部と、
前記記憶部に前記取得した前記電流出力に対応する前記故障原因情報があるか否かを判断し、前記記憶部に前記電流出力に対応する複数の前記故障原因情報があると判断した場合、前記複数の前記故障原因情報のうち、前記設置環境に関する情報に対応する前記フィールド機器の部品の該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定する特定部と、
前記特定部が特定した前記故障原因情報をユーザに通知する通知部と、
を備える、
故障診断装置。

【請求項2】

前記取得部は、前記取得した前記電流出力に対応するパラメータを前記フィールド機器から取得し、
前記特定部は、前記故障診断情報に前記電流出力及び前記パラメータに対応する前記故障原因情報がある場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定する、
請求項１に記載の故障診断装置。

【請求項3】

前記故障診断情報は、
前記フィールド機器の故障注入試験の結果を含む、
請求項１又は２に記載の故障診断装置。

【請求項4】

前記故障診断情報は、
前記フィールド機器が故障した際にオペレータが特定した故障原因を含む、
請求項１又は２に記載の故障診断装置。

【請求項5】

前記故障診断情報は、
前記フィールド機器の設置環境に関する情報、又は前記フィールド機器の稼働時間に関する情報の少なくともいずれかを含む、
請求項１又は２に記載の故障診断装置。

【請求項6】

前記特定部は、
前記電流出力を入力データ及び前記故障原因情報を出力データとする、機械学習により生成された前記故障診断情報を表す故障原因診断モデルを用いて、前記フィールド機器の故障原因を特定する、
請求項１又は２に記載の故障診断装置。

【請求項7】

コンピュータに、
設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得し、
前記フィールド機器の電流出力と、前記フィールド機器の設置環境に関する情報を含む故障原因情報との対応関係を示す故障診断情報を記憶する記憶部に前記取得した前記電流出力に対応する前記故障原因情報があるか否かを判断し、前記記憶部に前記電流出力に対応する複数の前記故障原因情報があると判断した場合、前記複数の前記故障原因情報のうち、前記設置環境に関する情報に対応する前記フィールド機器の部品の該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定し、
特定した前記故障原因情報をユーザに通知する、
処理を実行させる、
故障診断プログラム。

【請求項8】

コンピュータが、
設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得し、
前記フィールド機器の電流出力と、前記フィールド機器の設置環境に関する情報を含む故障原因情報との対応関係を示す故障診断情報を記憶する記憶部に前記取得した前記電流出力に対応する複数の前記故障原因情報があるか否かを判断し、前記複数の前記故障原因情報のうち、前記設置環境に関する情報に対応する前記フィールド機器の部品の前記記憶部に前記電流出力に対応する故障原因情報があると判断した場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定し、
特定した前記故障原因情報をユーザに通知する、
処理を実行する、
故障診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、故障診断装置、故障診断プログラム、及び故障診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

各種プラントを含む設備では、流量計、温度センサ、バルブ、ヒータ等の各種フィールド機器が用いられている。近年では、プラント等において流量演算を正確に行うことができるフィールド機器も知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－２４２９１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記フィールド機器では、流量演算を正確に行うことができるが、フィールド機器の故障原因をユーザに通知することができない。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プラントを含む設備に設けられたフィールド機器の故障原因をユーザに通知することができる故障診断装置、故障診断プログラム、及び故障診断方法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】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る故障診断装置は、設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示すアラーム、又は前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得する取得部と、前記フィールド機器の故障診断に関する故障診断情報に、前記アラーム又は前記電流出力に対応する故障原因情報がある場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定する特定部と、前記特定部が特定した前記故障原因情報をユーザに通知する通知部と、を備える。

【0007】

また、本発明の一態様に係る故障診断装置は、前記取得部は、前記アラーム又は前記電流出力に対応するパラメータを前記フィールド機器から取得し、前記特定部は、前記故障診断情報に前記アラーム又は前記電流出力及び前記パラメータに対応する前記故障原因情報がある場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定する。

【0008】

また、本発明の一態様に係る故障診断装置は、前記故障診断情報は、前記フィールド機器の故障注入試験の結果を含む。

【0009】

また、本発明の一態様に係る故障診断装置は、前記故障診断情報は、前記フィールド機器が故障した際にオペレータが特定した故障原因を含む。

【0010】

また、本発明の一態様に係る故障診断装置は、前記故障診断情報は、前記フィールド機器の設置環境に関する情報、又は前記フィールド機器の稼働時間に関する情報の少なくともいずれかを含む。

【0011】

また、本発明の一態様に係る故障診断装置は、前記特定部は、前記アラーム又は前記電流出力を入力データ及び前記故障原因情報を出力データとする、機械学習により生成された前記故障診断情報を表す故障原因診断モデルを用いて、前記フィールド機器の故障原因を特定する。

【0012】

また、本発明の一態様に係る故障診断プログラムは、コンピュータに、設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示すアラーム、又は前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得し、前記フィールド機器の故障診断に関する故障診断情報に、前記アラーム又は前記電流出力に対応する故障原因情報がある場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定し、特定した前記故障原因情報をユーザに通知する、処理を実行させる。

【0013】

また、本発明の一態様に係る故障診断方法は、コンピュータが、設備に設けられたフィールド機器から、前記フィールド機器の異常を示すアラーム、又は前記フィールド機器の異常を示す電流出力を取得し、前記フィールド機器の故障診断に関する故障診断情報に、前記アラーム又は前記電流出力に対応する故障原因情報がある場合、該故障原因情報を前記フィールド機器の故障原因として特定し、特定した前記故障原因情報をユーザに通知する、処理を実行する。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、プラントを含む設備に設けられたフィールド機器の故障原因をユーザに通知することができる故障診断装置、故障診断プログラム、及び故障診断方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施の形態に係る故障診断装置の概略構成の例を示す図である。

【図2】ホストの例を示す図である。

【図3】故障診断情報の例を示す図である。

【図4】故障診断装置の動作の例を示すフローチャートである。

【図5】ホストのハードウェア構成の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

【0017】

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る故障診断装置の概略構成の例を示す図である。制御システム１００は、プラント等の制御に用いられる制御システムである。制御システム１００は、複数のフィールド機器１と、ホスト２と、サーバ３と、を備える。なお、例えばプラントには、化学プラント等がある。また、プラント以外の設備には、ビル等の空調設備等がある。

【0018】

フィールド機器１は、プラントを含む設備のさまざまな場所に設けられている。フィールド機器１は、無線通信及び／又は有線等によって、他のフィールド機器１、ホスト２、及びサーバ３と通信可能に構成される。そして、フィールド機器１は、ホスト２にアラーム、電流出力、各種パラメータ等を出力する。また、ホスト２、サーバ３の配置場所は、プラント内に限定されない。

【0019】

フィールド機器１は、例えば圧力センサ、温度センサ、流量センサ、ｐＨセンサ、速度センサ、加速度センサ等のセンサ機器、バルブ、ポンプ及びファン等の操作機器、ランプ及びスピーカ等の警報機器である。フィールド機器１は、これらに限られず、他のさまざまな設備に設けられた機器であってよい。また、制御システム１００に含まれるフィールド機器１の機器の数は特に限定されない。

【0020】

図２は、ホストの例を示す図である。ホスト２は、取得部１１と、特定部１２と、通知部１３と、記憶部１４と、を備える。

【0021】

取得部１１は、フィールド機器１から、フィールド機器１の異常を示すアラーム、又はフィールド機器１の異常を示す電流出力を取得する。例えば、異常を示す電流出力は、正常を示す電流出力値の範囲外の電流値である。また、取得部１１は、アラーム又は電流出力に対応するパラメータやアラーム又は電流出力に対応する異常動作をフィールド機器１から取得することもできる。

【0022】

特定部１２は、フィールド機器１の故障診断に関する故障診断情報１４ｂに、アラーム又は電流出力に対応する故障原因情報がある場合、その故障原因情報をフィールド機器１の故障原因として特定する。また、特定部１２は、故障診断情報１４ｂにアラーム又は電流出力及びパラメータに対応する故障原因情報がある場合、その故障原因情報をフィールド機器１の故障原因として特定してもよい。

【0023】

通知部１３は、特定部１２が特定した故障原因情報をユーザに通知する。また、通知部１３は、特定部１２が故障原因を特定できなかった場合、故障原因が特定できなかったことを故障原因情報としてユーザに通知する。

【0024】

記憶部１４は、各種データやホスト２において実行される処理に必要な種々の情報を記憶し、例えばメモリやハードディスクなどにより実現される。図２には、記憶部１４に記憶される情報の例として、故障診断プログラム１４ａ及び故障診断情報１４ｂが例示される。

【0025】

故障診断プログラム１４ａは、コンピュータにホスト２の処理を実行させるプログラム（ソフトウェア）である。

【0026】

故障診断情報１４ｂは、例えば安全度水準（ＳＩＬ：Safety Integrity Level）評価における故障注入試験（ＦＩＴ：Fault Injection Test）により生成される。故障注入試験は、フィールド機器１を構成する特定の部品を故障させた場合に、フィールド機器１が出力するアラーム又は電流出力や各種パラメータを計測する試験である。例えば、フィールド機器１を構成する抵抗をショートさせた場合に、フィールド機器１は、センサ検出値の異常を示すアラーム又は電流出力を出力する。このとき、フィールド機器１が出力する電流出力が異常を示し、センサ検出値に関連するパラメータの値が変化するとともに、センサ検出値が所定範囲を超える等の異常となる異常動作を示す。そして、これらのアラーム又は電流出力、パラメータ、及び異常動作と、フィールド機器１の故障原因として抵抗のショートとを関連付けて故障診断情報１４ｂとして記憶部１４に記憶する。その結果、取得部１１が抵抗のショートに紐づけられたアラーム又は電流出力を取得した場合、特定部１２は、このアラーム又は電流出力から故障原因が抵抗のショートであると特定することができる。なお、故障注入試験と同様の試験は、他の安全規格の試験にも適用されることもある。

【0027】

図３は、故障診断情報の例を示す図である。故障診断情報１４ｂは、例えばアラーム又は電流出力Ａ１、Ａ２、パラメータＢ１、Ｂ２、異常動作Ｃ１、Ｃ２、及び故障原因Ｄ１、Ｄ２を含む。上記故障注入試験の例で説明すると、フィールド機器１の部品Ｒｘｘｘｘをショートさせた場合の電圧値の異常を示すアラーム又は電流出力が「アラーム又は電流出力Ａ１」に対応し、このときのフィールド機器１が出力する電圧値が「パラメータＢ１」に対応し、このときの電圧値が所定範囲を超える等の異常動作が「異常動作Ｃ１」に対応し、このときの部品Ｒｘｘｘｘのショートが「故障原因Ｄ１」に対応する。この例では、取得部１１が、アラーム又は電流出力Ａ１を取得すると、特定部１２が、故障診断情報１４ｂに基づいて、アラーム又は電流出力Ａ１と故障原因Ｄ１とが対応することにより、故障原因が故障原因Ｄ１であることを特定し、通知部１３が、故障原因情報として、故障原因Ｄ１を通知する。具体的には、通知部１３は、故障原因Ｄ１に対応する部品Ｒｘｘｘｘのショートが故障原因であることをユーザに通知する。一方、取得部１１が、アラーム又は電流出力Ａ１、Ａ２とは異なる故障診断情報１４ｂには無いアラーム又は電流出力Ａ３を取得すると、特定部１２が、故障診断情報１４ｂに基づいて、故障原因が特定できないと判定し、通知部１３が、故障原因が特定できないことを通知する。なお、特定部１２は、アラーム又は電流出力のみを用いて故障原因を特定してもよいが、アラーム又は電流出力、パラメータ、及び異常動作のいずれか１つ、又は２つ以上の組み合わせを用いて故障原因を特定してもよい。

【0028】

また、故障診断情報１４ｂは、フィールド機器１が故障した際にプラントの管理者等のオペレータが特定した故障原因を含んでいてもよい。故障注入試験の結果にアラーム又は電流出力に対応する情報がない場合、オペレータが故障原因を特定し、故障原因をアラーム又は電流出力と関連付けて故障診断情報１４ｂとして記憶部１４に記憶する。その結果、取得部１１が再度このアラーム又は電流出力を取得した場合、特定部１２が故障原因を特定することができる。

【0029】

また、故障診断情報１４ｂは、フィールド機器１の設置環境に関する情報、又はフィールド機器１の稼働時間に関する情報を含んでいてもよい。

【0030】

フィールド機器１の設置環境に関する情報として、例えばフィールド機器１が設置される環境が振動の加わる環境であるという情報が故障診断情報１４ｂとして記憶部１４に記憶されている場合、特定部１２は、振動により故障しやすい部品の故障を優先的に故障原因として特定してもよい。具体的には、故障診断情報１４ｂとして、設置環境「振動が加わる環境」という情報が記憶されており、アラーム又は電流出力Ａ１１が取得されたとする。このとき、アラーム又は電流出力Ａ１１に、故障原因Ｄ１１及びＤ１２の２つが対応するものとする。故障原因Ｄ１１は、振動により故障しやすい部品ＲＡの故障に対応し、故障原因Ｄ１２は、振動と故障との相関がない部品ＲＢの故障に対応する。この場合、特定部１２は、フィールド機器１から取得した、アラーム又は電流出力Ａ１１、及び設置環境「振動が加わる環境」の情報から、故障原因Ｄ１１に対応する部品ＲＡの故障を故障原因として優先的に特定してもよい。

【0031】

フィールド機器１の稼働時間に関する情報が故障診断情報１４ｂとして記憶部１４に記憶されている場合、特定部１２は、稼働時間と部品の耐用年数との関係に基づいて故障原因を特定してもよい。具体的には、故障診断情報１４ｂとして、部品ＲＣの耐用年数が３年、部品ＲＤの耐用年数が１０年という情報が記憶されており、アラーム又は電流出力Ａ２１が取得されたとする。このとき、アラーム又は電流出力Ａ２１に、故障原因Ｄ２１及びＤ２２の２つが対応するものとする。故障原因Ｄ２１は、部品ＲＣの故障に対応し、故障原因Ｄ２２は、部品ＲＤの故障に対応する。この場合、特定部１２は、フィールド機器１から取得した機器の稼働時間情報において、稼働時間が３年以上かつ１０年より小さければ、部品ＲＣの故障に対応する故障原因Ｄ２１を故障原因として優先的に特定してもよい。また、同様の状況において、稼働時間が１０年以上であった場合、特定部１２は、故障原因が故障原因Ｄ２１又はＤ２２であると特定し、通知部１３は、故障原因が故障原因Ｄ２１又はＤ２２であることをユーザに通知してもよい。

【0032】

また、故障診断情報１４ｂは、故障注入試験の結果に限られず、開発中のソフトウェアの検証作業の結果や単一故障試験の結果等、各種検証作業の結果を含んでいてもよい。故障診断情報１４ｂが、各種検証作業の結果を含む場合、各種検証作業の結果である各種検証作業において出力されたアラーム又は電流出力とフィールド機器１が出力したアラーム又は電流出力とが対応するか否かを判定することにより、特定部１２が故障原因を特定することができる。

【0033】

次に、ホスト２が実行する処理（故障診断方法）について説明する。図４は、故障診断装置の動作の例を示すフローチャートである。まず、取得部１１は、フィールド機器１からアラーム又は電流出力を取得する（ステップＳ１）。

【0034】

さらに、取得部１１は、アラーム又は電流出力に対応するパラメータをフィールド機器１から取得する（ステップＳ２）。

【0035】

そして、特定部１２は、故障診断情報１４ｂにアラーム又は電流出力に対応する情報があるか否かを判定する（ステップＳ３）。なお、特定部１２は、故障診断情報１４ｂにアラーム又は電流出力及びパラメータに対応する情報があるか否かを判定してもよい。

【0036】

特定部１２が、故障診断情報１４ｂにアラーム又は電流出力に対応する情報があると判定した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、特定部１２は、その情報に紐づいた故障原因をフィールド機器１の故障原因に特定する。

【0037】

そして、通知部１３は、特定部１２が特定した故障原因を含む故障原因情報をユーザに通知する（ステップＳ４）。通知部１３は、例えばオペレータが監視する表示装置に故障原因を通知するメッセージを表示させることにより、故障原因情報をユーザに通知する。

【0038】

さらに、記憶部１４は、診断結果を記憶する（ステップＳ５）。

【0039】

ステップＳ３において、特定部１２が、故障診断情報１４ｂにアラーム又は電流出力に対応する情報がないと判定した場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、特定部１２は、故障原因が特定できないと判定する。

【0040】

そして、通知部１３は、特定部１２が故障原因を特定できないことを故障原因情報としてユーザに通知する（ステップＳ６）。通知部１３は、例えばオペレータが監視する表示装置に故障原因を特定できないことを通知するメッセージを表示させる。

【0041】

その後、記憶部１４は、診断結果を記憶する（ステップＳ５）。このとき、オペレータが故障原因を特定し、故障原因をアラーム又は電流出力と関連付けて故障診断情報１４ｂとして記憶部１４に書込む部（不図示）を介して記憶してもよい。故障診断情報１４ｂを更新することにより、取得部１１が再度このアラーム又は電流出力を取得した際に、特定部１２が故障原因を特定することができる。その結果、制御システム１００を稼働させることにより、故障診断情報１４ｂが蓄積され、故障原因を特定する精度を増大させることが可能となる。

【0042】

図５は、ホストのハードウェア構成の例を示す図である。例示されるハードウェア構成を備えるコンピュータ等が、これまで説明したホスト２として機能する。この例では、ホスト２は、バス等で相互に接続される通信装置２ａ、表示装置２ｂ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）２ｃ、メモリ２ｄ及びプロセッサ２ｅを備える。

【0043】

通信装置２ａは、ネットワークインタフェースカードなどであり、他の装置との通信を可能にする。表示装置２ｂは、例えばタッチパネルやディスプレイなどである。ＨＤＤ２ｃは、記憶部１４として機能し、例えば故障診断プログラム１４ａを記憶する。

【0044】

プロセッサ２ｅは、故障診断プログラム１４ａをＨＤＤ２ｃ等から読み出してメモリ２ｄに展開することで、コンピュータを、ホスト２として機能させる。機能は、これまで説明したような取得部１１の機能、特定部１２の機能及び通知部１３の機能を含む。

【0045】

故障診断プログラム１４ａは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、故障診断プログラム１４ａは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ（Magneto－Optical disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することができる。

【0046】

ホスト２以外の装置、例えばフィールド機器１、及びサーバ３等も、上述と同様のハードウェア構成を備えてよい。

【0047】

また、上述した実施の形態では、ホスト２が取得部１１、特定部１２、通知部１３、及び記憶部１４を備える例を説明したが、フィールド機器１又はサーバ３が取得部、特定部、通知部、及び記憶部を備えていてもよい。

【0048】

以上説明した実施の形態によれば、故障診断情報１４ｂに基づいて特定部１２が特定した故障原因をユーザに通知するため、ホスト２によりフィールド機器１の故障原因をユーザに通知することができる。

【0049】

なお、特定部１２は、故障診断情報１４ｂのうちアラーム又は電流出力、パラメータ、異常動作の少なくとも１つを説明変数、故障原因を目的変数とする機械学習により生成された故障原因診断モデルを用いて、フィールド機器１の故障原因を特定してもよい。この場合、特定部１２は、フィールド機器１から取得したアラーム又は電流出力、パラメータ、異常動作の少なくとも１つを入力データとして故障原因診断モデルに入力し、故障原因診断モデルの出力結果を用いて故障原因を特定する。したがって、ホスト２は、故障原因を特定する精度を向上させることができる。また、特定部１２は、故障原因診断モデルの出力結果により、アラーム又は電流出力やパラメータから各故障原因の尤度（確率）を取得できるので、尤度が閾値以上の故障原因をユーザに通知してもよい。特定部１２は、尤度が閾値以上の故障原因が複数ある場合、複数の故障原因とその尤度とをユーザに通知してもよい。なお、故障原因診断モデルには、ニューラルネットワークなどを採用することができる。

【符号の説明】

【0050】

１ フィールド機器
２ ホスト
３ サーバ
１１ 取得部
１２ 特定部
１３ 通知部
１４ 記憶部
１４ａ 故障診断プログラム
１４ｂ 故障診断情報
１００ 制御システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】