JP5738711B2 - 回転機械状態監視装置、回転機械状態監視方法及び回転機械状態監視プログラム - Google Patents
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Description
ファン、ポンプなど、電動機を駆動源として回転駆動される回転機械は、広く一般に普及している。かかる回転機械においては、電動機をインバータ(Inverter)で駆動するケースが増えてきている。インバータは、直流電力から交流電力を電気的に生成する電源回路を持つ電力変換装置である。このインバータを用いると、商用電源により駆動する場合に比べて、電圧・周波数を変更したり、一定に保つことが容易に実現できる。このため、インバータを回転機械に組み込むことで、必要な回転数への制御が容易となり、高い省エネルギー効果が実現できる。
[概要]
ところで、近年では、ファン、ポンプなど回転機械の設備の延命化を目的として、振動法による状態監視を行うケースが増えてきている。振動法による状態監視とは、回転機械の本体と、その駆動源である電動機などの振動を計測し、それぞれの機械的異常の有無を、計測により得られた振動データから診断する手法である。
(1) 機器の異共振による異常振動
(2) 消耗部品(軸受、歯車など)の損傷等について、その固有振動数に応じた周波数成分毎の振動レベルの推移
振動の大きさ(振動レベル)を評価する物理量には、振動変位、振動速度、振動加速度の3種類がある。これら3種類のパラメータは、概ね以下のような周波数帯域の振動に対応すると考えることができる。
・振動変位 : 0〜 500[Hz]
・振動速度 : 0〜 1000[Hz]
・振動加速度 :1000〜20000[Hz]
このため、振動レベルを評価する値として、一般的には、低周波の場合は変位計や速度計の値、高周波の場合は加速度計の値が用いられている。
振動の解析方法としては、たとえば、上述の実効値、OA値を常に監視することにより、機械全体の状態変化を的確に把握する方法がある。また、あらかじめ軸受や歯車の共振周波数を求めておき、その周波数成分のパワースペクトルレベルを常に監視することにより、これら機器の損傷を把握する方法もある。つまり、実効値、OA値、パワースペクトルレベル等は、それぞれ目的が異なるが、回転機械の異常発生の有無を把握するために、重要なパラメータである。
警報値とは、回転機械の監視システムが、機器の損傷程度を判定するために設けられる値である。これは、監視システムが、機器の状態監視間隔、運用停止を決定するための振動レベルを指す。たとえば、監視システムが、オーバーホールなどの調整後に振動計測を行い、これを振動レベルの基準値(警報値)として、あらかじめ設定しておく。その後、運用年数の経過と共に、機械的なバランスの崩れ、消耗部品の損傷など、様々な要因により振動レベル(実効値、OA値)が上昇していく。監視システムは、この振動レベルの実測値と警報値とを比較し、その比較結果に応じて、損傷と判定できる場合には、警報を出力する。
(1) インバータにより駆動される回転機械の振動の計測値を記憶する計測値記憶部
(2) 計測値に基づいて、振動波形を求める振動解析部
(3) 振動波形から、インバータのキャリア信号の周波数成分を除去するフィルタ処理を行うフィルタ処理部
(4) フィルタ処理を行った振動波形に基づいて、振動レベルを判定する振動レベル判定部
(5) 振動波形に基づいて、キャリア信号のレベルを判定するキャリア信号レベル判定部
(6) 回転機械を複数の運転パターンで運転した場合において、キャリア信号レベルと振動レベルとを関連づけたテーブルを作成するテーブル作成部
本実施形態の全体構成を、図1の接続構成図、図2の機能ブロック図を参照して説明する。本実施形態の回転機械状態監視システム1は、回転制御装置3によって制御される回転機械2の振動を診断するシステムである。
[1.振動センサ]
振動センサ100としては、たとえば、振動加速度センサを適用可能である。この振動センサ100は、回転機械2における複数の測定ポイントに取り付けられている。この測定ポイントは、たとえば、電動機の軸受のハウジング部若しくはその近傍とすることが考えられる。ただし、測定ポイントの位置は、これには限定されず、回転機械2の容器、取付(設置、固定)具、配管、取付対象等、電動機の回転に起因する振動を検出可能な場所であればよい。測定ポイントの数、これに対応する振動センサ100の数も、特定数には限定されない。
振動計測装置200は、信号線を介して振動センサ100に接続されている。この振動計測装置200は、計測制御部210、記憶部220、入力部230、出力部240等を有している。
回転機械状態監視装置300は、解析診断部310、記憶部320、入力部330、出力部340等を有している。
解析診断部310は、(1)計測指示部311、(2)計測値受付部312、(3)解析部313、(4)キャリア信号抑制部314、(3)正規化処理部315、(5)診断部316等を有している。
計測指示部311は、計測条件設定部311a、運転パターン設定部311b、計測指示出力部311c等を有している。計測条件設定部311aは、振動計測装置200が計測する際の計測条件221を設定する処理部である。運転パターン設定部311bは、振動計測装置が計測する際の、回転機械2の運転パターン222を設定する処理部である。計測指示出力部311cは、振動計測装置200に対して、設定された計測条件221及び運転パターン222を含む計測指示を出力する処理部である。
計測値受付部312は、振動計測装置200から受信した計測値を受け付け、記憶部320に記憶する処理部である。
解析部313は、振動解析部313a、キャリア信号レベル判定部313b、振動レベル判定部313c等を有している。振動解析部313aは、計測値に基づいて周波数毎のレベルによる振動波形(たとえば、振動加速度波形)を求める処理部である。これは、上記のFET解析によるパワースペクトルレベルとすることができる。
キャリア信号抑制部314は、フィルタ設定部314a、フィルタ処理部314b等を有している。フィルタ設定部314aは、振動波形から、キャリア信号成分を取り除くためのフィルタを設定する処理部である。フィルタ処理部314bは、設定されたフィルタにより、キャリア信号に対応する帯域の成分を、振動波形から除去する処理部である。フィルタ処理部314bにおけるフィルタの遮断特性は、キャリア周波数に応じて、あらかじめ複数用意しておき、フィルタ設定部314aにより、適宜選択されるようにすることができる。
正規化処理部315は、テーブル作成部315a、警報値設定部315b等を有している。テーブル作成部315aは、各種の運転パターンで運転して得られた振動レベルと、その際のキャリア信号レベルとを関連付けたテーブルを作成する処理部である。警報値設定部315bは、キャリア信号レベルで振動レベルを正規化して、このレベルで警報値を設定する処理部である。このようなテーブル作成部315a及び警報値設定部315bによる処理を、より具体的に詳説する。
まず、図7に、回転機械2が有する電動機を、回転制御装置3に含まれるインバータ部により、負荷条件を変えて駆動した場合の振動加速度について、振動解析部313aが解析した振動波形の一例を示す。図7において、横軸は周波数(10kH〜14kH)、縦軸は振動レベルであり、無負荷の場合を実線、負荷有りの場合を点線で示している。無負荷の場合と負荷有りの場合とを比較すると、それぞれのピークに対応するキャリア信号の周波数帯域については、変化はない。しかし、キャリア信号レベル判定部313bが判定するキャリア信号のピークレベルは、負荷条件(負荷の有無)で大きく異なっていることがわかる。これは電動機側の負荷電流とインバータキャリア信号レベルが関係している。負荷増に応じて、キャリア信号レベルを上げて駆動する必要があるからである。
そして、電動機の場合、負荷増によりシャフトにかかる力が増えるため、それを支える軸受側の振動レベルも上がることは、容易に推察できる。図8に、負荷の有無に応じた共振部分の周波数レベルについて、振動解析部313aにより解析した結果の一例を示す。図8において、横軸は周波数(0kH〜10kH)、縦軸は振動レベルであり、無負荷の場合を実線、負荷有りの場合を点線で示している。図8から明らかなように、負荷増に応じて共振成分が増え、振動レベルは変動(増加)している。ここで、上記のように、負荷増に応じて、キャリア信号レベルは増大している。このため、図7に示したように、負荷増に応じて、振動解析部313aが解析する振動波形において、キャリア周波数成分のピークレベルも増大する。したがって、キャリア信号レベル判定部313bがキャリア周波数成分のピークレベルを判定することにより、振動レベルの中の負荷の変動分を推定するすることができる。
回転制御装置3のインバータ部が、回転機械2の電動機の回転数を変化させて運転する場合のキャリア周波数を設定した運転パターン222の一例を、図9に示す。図9において、横軸が時間、縦軸が回転数及びキャリア周波数であり、実線が回転数、点線がキャリア周波数を示している。インバータ本来の機能から、キャリア周波数の昇降に応じて、回転数も昇降する。キャリア周波数を変化させた場合、回転数は徐々に上昇若しくは下降する。一定のキャリア周波数を維持することにより、回転数を一定の値に安定させることができる。ただし、後述のように、同じ回転数でも、負荷パターンは変動する。また、任意の回転数で電動機を駆動し、負荷を変動させた場合に作成される振動レベルとキャリア信号レベルとの関係を模式的に示した一例を、図10に示す。図10は、横軸が、キャリア信号レベル判定部313bが判定したキャリア信号レベルであり、縦軸が、振動レベル判定部313cが判定した加速度OA値(振動レベル)である。この加速度OA値は、フィルタ処理部314bが、キャリア周波数成分を削除した値である。図10には、このようなキャリア信号レベルと加速度OA値から求めた近似曲線を実線で示している。近似曲線は、線形、対数、指数、累乗、多項式などより近似し易い曲線を用いればよい。
警報値は、回転数毎の振動レベルを基準として設定することが一般的である。しかしながら、この場合、運転負荷条件の変動によるばらつきが発生するため、設定された警報値が必ずしも適切ではない場合が生じていた。たとえば、警報値が変動の下側で設定されると、早くから警報を発生させてしまうことになる。また、警報値が変動の上側で設定されると、警報タイミングが遅れることになる。つまり警報値の設定において、負荷条件の変動を考慮できないということになる。
本実施形態においては、警報値設定部315bが、図10に示したような近似曲線から、負荷変動に応じた振動レベルの変動を考慮した警報値を設定する。たとえば、図10では、近似曲線の値をN1倍した値を注意領域とし、更にN2倍(N1<N2)した値を危険領域の警報値とする。注意領域未満の領域は正常領域であり、正常領域以上、危険領域未満の領域が、警報が不要な変動領域となる。本実施形態では、上記のような警報値の設定により、警報が不要な振動レベルの変動幅を考慮して、回転数毎にキャリア信号レベルで振動レベルを正規化している。このため、たとえば、図11の振動レベル(加速度レベル)の変動領域に示すように、回転数[rpm]毎に、負荷変動により生じる振動レベルの変動分を考慮して、警報値を設定することができる。上記のテーブル及び警報値は、記憶部320に記憶される。以上のように、警報値の設定処理を回転機械の初期条件として登録することにより、より正確な状態監視が可能になる。
診断部316は、異常判定部316a、警報出力部316b等を有している。異常判定部316aは、設定された警報値に基づいて、計測された振動レベルから、回転機械2の異常を判定する処理部である。たとえば、図11における変動領域から外れる値が検出された場合を、異常と判断することができる。なお、警報値は、上記のように、負荷条件の変動に起因する振動レベルの変動幅を考慮して設定されている。このため、異常判定部316aは、振動レベルが変動領域に収まっている場合、負荷条件の変動に起因する振動と判定することができる。また、振動レベルが変動領域から外れている場合、機械的変化(劣化、摩耗等)によるものと判定することができる。警報出力部316bは、異常と判定された場合に、警報を出力する処理部である。たとえば、異常を知らせる情報(たとえば、文字、画像、音声等)を、後述する出力部340若しくは通信ネットワークNに出力することができる。
記憶部320は、回転機械状態監視装置300において必要な情報を記憶する構成部である。この記憶部320は、計測条件記憶部321、運転パターン記憶部322、計測値記憶部323、解析結果記憶部324、テーブル記憶部325、警報値記憶部326、設定記憶部327等を有している。
入力部330は、回転機械状態監視装置300の処理に必要な情報の入力、処理の選択や指示を入力する構成部である。この入力部330としては、現在又は将来において利用可能なあらゆる入力装置を含むことは、入力部230と同様である。
出力部340は、測定結果、計測条件221、運転パターン222、テーブル、警報値、診断結果、異常発生等を、オペレータ等が認識可能となるように出力する構成部である。この出力部340としては、現在又は将来において利用可能なあらゆる出力装置を含むことは、出力部240と同様である。なお、上記のような情報を画面上に表示させる他、メールとして生成して送信する機能を持たせてもよい。たとえば、出力部が、異常発生をメールで配信してもよい。
以上のような本実施形態の作用を説明する。なお、以下に述べる各部の処理を、コンピュータ若しくは電子回路により実行する方法、各部の処理をコンピュータに実行させるプログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、実施形態の一態様である。
まず、テーブルの作成と警報値の設定について、図12のフローチャートを参照して説明する。計測条件設定部311aは、計測条件記憶部321に記憶された計測条件221に基づいて、計測条件221を設定する(ステップS01)。運転パターン設定部311bは、あらかじめ運転パターン記憶部322に記憶された運転パターン222に基づいて、初期の運転パターン222を設定する(ステップS02)。なお、入力部330からの入力に応じて、計測条件設定部311a及び運転パターン設定部311bが、計測条件221及び運転条件を設定してもよい。そして、計測指示出力部311cは、設定された計測条件221及び運転パターン222を含む計測指示を、振動計測装置200に出力する(ステップS03)。
次に、回転機械2の運転中における異常判定について、図13のフローチャートを参照して説明する。まず、回転制御装置3により、回転機械2が運転されると、振動センサ100により検知された振動信号が、計測部211により、計測値が計測される。ここで、テーブル及び警報値の設定のためではなく、実際の運用のための運転における計測値を、実測値とする。この実測値は、計測部211により、回転機械状態監視装置300に出力される。
以上のような本実施形態の効果は、以下の通りである。
振動波形に対して、フィルタ処理を用意することにより、キャリア信号が混在した振動波形であっても、その影響を抑制し、商用電源駆動時と同様の振動レベルによる診断を行うことができる。
本実施形態は上記の態様には限定されない。
(1)フィルタ設定部により選択されるフィルタ処理部として、テーブルにおけるキャリア信号レベル毎に、フィルタを用意してもよい。また、フィルタ設定部により設定するフィルタの遮断帯域については、フィルタ設定部が、キャリア周波数成分をその都度判定して決定してもよい。
(2)代表値としては、実効値の中央値又は平均値、オーバーオール値、ピーク値、絶対値平均値、その他の振動レベルを代表する値でも構わない。また、代表値として、たとえば、歪度、波形率、波高率などの兆候パラメータを用いてもよい。
(3)上記の態様では、テーブル及び警報値の設定にあたり、運転パターン、特に、回転数を変えた運転を行ったが、他の運転パターンを種々変更して運転を行ってもよい。また、計測条件を、種々変更して運転を行ってもよい。
2…回転機械
3…回転制御装置
100…振動センサ
210…計測制御部
211…計測部
212…計測指示部
213…計測指示受付部
230…入力部
240…出力部
300…回転機械状態監視装置
310…解析診断部
311…計測指示部
311a…計測条件設定部
311b…運転パターン設定部
311c…計測指示出力部
312…計測値受付部
313…解析部
313a…振動解析部
313b…キャリア信号レベル判定部
313c…振動レベル判定部
314…キャリア信号抑制部
314a…フィルタ設定部
314b…フィルタ処理部
315…正規化処理部
315a…テーブル作成部
315b…警報値設定部
316…診断部
316a…異常判定部
316a…警報出力部
321…計測条件記憶部
322…運転パターン記憶部
323…計測値記憶部
324…解析結果記憶部
325…テーブル記憶部
326…警報値記憶部
327…設定記憶部
230,330…入力部
240,340…出力部
Claims (6)
- インバータにより駆動される回転機械の振動の計測値を記憶する計測値記憶部と、
前記計測値に基づいて、振動波形を求める振動解析部と、
前記振動波形から、インバータのキャリア信号の周波数成分を除去するフィルタ処理を行うフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理を行った振動波形に基づいて、振動レベルを判定する振動レベル判定部と、
前記振動波形に基づいて、前記キャリア信号のレベルを判定するキャリア信号レベル判定部と、
前記回転機械を複数の運転パターンで運転した場合において、前記キャリア信号レベルと前記振動レベルとを関連づけたテーブルを作成するテーブル作成部と、
を有することを特徴とする回転機械状態監視装置。 - 前記テーブルにおける振動レベルに基づいて、前記回転機械の振動の異常を判定するための警報値を設定する警報値設定部を有することを特徴とする請求項1記載の回転機械状態監視装置。
- 前記警報値に基づいて、前記振動レベル判定部により判定された振動レベルが異常か否かを判定する異常判定部を有することを特徴する請求項2記載の回転機械状態監視装置。
- コンピュータ又は電子回路が、
インバータにより駆動される回転機械の振動の計測値を記憶する処理と、
前記計測値に基づいて、振動波形を求める処理と、
前記振動波形から、インバータのキャリア信号の周波数成分を除去するフィルタ処理と、
前記フィルタ処理を行った振動波形に基づいて、振動レベルを判定する処理と、
前記振動波形に基づいて、前記キャリア信号のレベルを判定する処理と、
前記回転機械を複数の運転パターンで運転した場合において、前記キャリア信号レベルと前記振動レベルとを関連づけたテーブルを作成する処理と、
を行うことを特徴とする回転機械状態監視方法。 - コンピュータに、
インバータにより駆動される回転機械の振動の計測値を記憶する処理と、
前記計測値に基づいて、振動波形を求める処理と、
前記振動波形から、インバータのキャリア信号の周波数成分を除去するフィルタ処理と、
前記フィルタ処理を行った振動波形に基づいて、振動レベルを判定する処理と、
前記振動波形に基づいて、前記キャリア信号のレベルを判定する処理と、
前記回転機械を複数の運転パターンで運転した場合において、前記キャリア信号レベルと前記振動レベルとを関連づけたテーブルを作成する処理と、
を実行させることを特徴とする回転機械状態監視プログラム。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の前記回転機械状態監視装置と、
前記回転機械状態監視装置に接続されるとともに、前記回転機械の振動を検知するセンサに接続された振動計測装置と、
を有することを特徴とする回転機械状態監視システム。
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