(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサからのデータを一時的に格納する記憶装置を有し、記憶装置に格納した時系列データを周期的にウェーブレット変換することにより時間的に連続なウェーブレット変換を行う装置において、ウェーブレット変換を行う時系列データは、前回、ウェーブレット変換を行った時系列データとの間に、重複を有するとともに、記憶装置から時系列データを取り出し、ウェーブレット変換を行う際には、取り出した時系列データと前回取り出した時系列データとの間に、解析する周波数により決定される時間分の重複をもつことを特徴とするウェーブレット変換装置。
【請求項２】
センサからのデータを一時的に格納する記憶装置を有し、記憶装置に格納した時系列データを周期的にウェーブレット変換することにより時間的に連続なウェーブレット変換を行う装置において、ウェーブレット変換を行う時系列データは、前回、ウェーブレット変換を行った時系列データとの間に、重複を有するとともに、センサからのデータを一時的に格納する記憶装置を複数有し、それぞれの記憶装置に格納するデータは、解析周波数により決定される時間分の重複を有することを特徴とするウェーブレット変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラントにてオンラインで計測した信号をウェーブレット変換することにより、プラント構成機器の状態を監視する装置に係り、特に、信号を時間的に連続して監視することが可能な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラント機器、特にポンプやタービンのような回転機械の状態をオンラインで監視することを目的として、機器に取り付けた振動センサを用いて計測した振動データを周波数解析することにより、機器の異常を検知し、さらに、異常原因を特定することが行われている。回転機械の振動は、発生異常に応じた変化傾向を示す。例えば、回転部の一部欠損のようなアンバランスが発生した場合、振動データの周波数解析結果は、回転数に対応する周波数（回転周波数）の振幅値が大きくなる。このような特性から、各周波数の振幅値に対してしきい値判定を実施することにより異常を検知することができる。さらに、振幅が異常値を示す周波数の情報を基に異常原因を特定することができる。
【０００３】
従来、周波数解析には、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）が多く用いられていた。
【０００４】
ＦＦＴによる解析結果の例を図７に示す。図では、（ａ）に示す振動データに対するＦＦＴによる解析結果を（ｂ）に示している。ＦＦＴによる解析結果は、横軸が周波数、縦軸が振幅となる。ＦＦＴを用いることにより、振動データに含まれる各周波数成分の平均値を取り出すことができる。つまり、図の例では、振動データ１０秒間についての平均となる。
【０００５】
ＦＦＴでは、突発的に変化する異常を検知しにくいという欠点がある。これは、ＦＦＴにより得られる周波数ごとの振幅値が、振動データの時間について平均した値となるためである。したがって、異常による変化が振動データの時間に対し、ごく一部の短時間しか影響しないのであれば、平均処理のため解析結果の変化はわずかになる。
【０００６】
上記のようなＦＦＴの欠点を補うために、近年、時間ー周波数解析が可能なウェーブレット変換が用いられるようになってきた。ウェーブレット変換による解析結果の例を図８に示す。図のように、ウェーブレット変換により、周波数ごとの振幅値の時間変化の情報を得ることができる。このため、突発的な異常の検知、または、周波数特性が時間的に変化する傾向の把握が容易に行える。
【０００７】
ウェーブレット変換は、式１で表される。
【０００８】
【数１】
0003630041.tif 000002
【０００９】
ここで、ｆはウェーブレット変換される被変換関数、つまり振動データである。
【００１０】
ｇはウェーブレットの基底関数である。ａは周期、つまり、周波数の逆数を表すパラメータである。また、ｂは時間を表すパラメータである。Ｓ（ａ、ｂ）は、ある時刻ｂにおける周期ａ（周波数１／ａ）に対応する振幅値を表す。基底関数は、時間方向に対して０に減衰するような波形が使われる。したがって、上式では積分範囲を時間に対して無限大にしているが、実際の計算では、式２のように積分範囲を有限にして計算を行う。
【００１１】
【数２】
0003630041.tif 000003
【００１２】
この式で、ｎは積分範囲を決定するパラメータである。
【００１３】
ウェーブレット変換の原理を図９に示す。ウェーブレット変換は、振動データと基底関数を掛け合わせ、それを積分することにより変換を行う。パラメータａを小さくすれば、基底関数は時間方向に縮小した形となり、高周波の解析となる。
【００１４】
一方、ａを大きくすれば、低周波の解となる。また、パラメータｂは、基底関数を時間方向に移動させる働きをする。このように、パラメータａ、ｂをそれぞれ解析周波数、解析時間に応じた値に設定することで、振動データの時間ー周波数解析を行える。
【００１５】
ウェーブレット変換による時間ー周波数解析において、時間の基準は基底関数の中心である。つまり、図のように、時刻０．０秒の周波数情報を得るには、基底関数の中心が０．０秒に位置するようにパラメータｂを設定する。このため、時刻０．０秒から１．０秒までのウェーブレット変換結果を得るには、振動データは時刻０．０秒から１．０秒のデータに加え、その前後のデータも必要となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ウェーブレット変換を用いて、プラント機器の計測信号をオンラインで監視する場合、図１０に示すように振動データを一定時間ごとに区切り、それぞれの振動データごとに変換処理を行っていた。しかし、上記のように振動データの端部に対しての解析ができないため、得られるウェーブレット変換結果には、時間的にデータの欠落部分が生じていた。プラント機器をオンラインで監視する場合、異常検知の精度を上げるには、ウェーブレット変換結果を時間的に連続に監視する必要がある。間欠的な監視では、突発的な異常を見落とす可能性があるためである。これは、プラント運転の安全性、信頼性の低下をもたらす。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を鑑み、本発明になる装置では、図１１に示すように振動データを一定時間ごとに区切り、各ステップごとの振動データを作成する際に、前ステップでの解析に使用した振動データと重複する部分を持たせる。このような処理に基づき作成した振動データそれぞれに対し、ウェーブレット変換を実施することにより、時間的に連続な変換結果を得ることができる。したがって、短時間しか持続しない突発的な異常を見落とす可能性がなくなり、異常検知の精度を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施例になる装置の構成を示した図である。１は、本実施例になる装置において監視の対象とする水車発電機である。２は、水車発電機の振動を測定する振動センサである。３は、水車発電機の回転数を測定する回転数センサである。４は、本発明になるプラント機器監視装置である。５は、プラント機器監視装置の解析結果を表示するための表示装置である。
【００２０】
次に、プラント機器監視装置４の内部構成について説明する。４１は、振動センサ２の出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器である。同様に、４２は、回転数センサ３のためのＡ／Ｄ変換器である。４３は、Ａ／Ｄ変換器４１が出力する振動センサ２の計測値を取り込み、後述のデータ記憶部４３へ値を格納するデータ取込部である。４４は、振動データを時系列に一時的に記憶するデータ記憶部である。４５は、データ記憶部４４において、最新値が格納された振動データの記憶場所を示すポインタである。４６は、データ記憶部４４から振動データを取り出し、後述のウェーブレット処理部４７へ出力するデータ取出部である。４７は、データ取出部４６から送られた振動データに対し、ウェーブレット変換処理を行うウェーブレット処理部である。４８は、ウェーブレット処理部４７が出力したウェーブレット変換結果を基に異常の検知を行う異常判定処理部である。４９は、データ取出部４６の出力である振動データ、ウェーブレット処理部４７の出力であるウェーブレット変換結果、異常判定処理部４８の出力である異常判定結果を格納する結果格納部である。５０は、結果格納部４９に格納した各種データの表示装置５への表示処理を行う表示制御部である。
【００２１】
以下、本実施例になる装置の処理の流れを説明する。水車発電機１の振動を測定するために設置された振動センサ２は、振動の変位をアナログの電気信号で出力する。Ａ／Ｄ変換器４１は、振動センサ２が出力した電気信号をオンラインで取り込み、これをデジタル値に変換する。デジタル値に変換するときのサンプリング時間は、あらかじめ設定しておく。データ取込部４３は、Ａ／Ｄ変換器４１が出力した振動センサ２の計測値をデータ記憶部４４に格納する。図２にデータ記憶部４４の構成を示した。データ記憶部４４には、振動センサ２の計測値が時間順に格納される。ただし、データ記憶部４４が一度に格納できる計測値の個数は有限である。このため、データ取込部４３は最も古い値を上書きする形式で計測値を格納する。図の例では、データＤ（０）が最新値を示し、Ｄ（−１）が１ステップ前のデータ、Ｄ（−２）が２ステップ前のデータを示している。この例では、ｎステップ前のデータＤ（−ｎ）まで、合計ｎ＋１個のデータを格納している。図の４５は最新値を示すポインタである。ポインタが指し示す格納場所の右側が最も古い値になる。だたし、ポインタ４５の示す場所がデータ記憶部４４の右端であれば、左端に最も古い値が格納されている。データ取込部４３は、データ記憶部４４にデータを格納する際、ポインタ４５を見ることにより最新値が格納されている場所を把握し、その右側にデータを格納する。以上の処理により、最も古い値を上書きする形式でデータを格納できる。
【００２２】
データ取出部４６は、データ記憶部４４からデータを取り出す際に、まず、ポインタ４５により最新値の格納場所を認識する。次に、最新値からあらかじめ設定された時間までのデータを取り出す。データのサンプリング時間は固定であるので、常に一定個数のデータを取り出すことになる。以下に、取り出すデータの時間の決定方法を説明する。
【００２３】
本実施例になる装置では、ウェーブレット処理部４７におけるウェーブレット変換処理、及び、異常判定処理部４８における変換結果に対しての異常判定処理は一連の動作とし、これを周期的に行う。この周期をＴ秒とすると、データ取出部４６は、式３で表される時間分のデータをデータ記憶部４４から取り出す。この処理はＴ秒ごとに周期的に行う。
【００２４】
【数３】
0003630041.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｆは、ウェーブレット変換により解析する周波数の下限値である。この値は固定値として、データ取出部４６、及びウェーブレット処理部４７にあらかじめ設定しておく。ｎは、前記の式２で示したウェーブレット変換の積分範囲を決定するパラメータである。式３で表すように、データの取り出し周期はＴ秒であるが、取り出すデータの時間はＴ秒よりも長い。また、データ記憶部４４に格納する振動データのサンプリング時間をΔｔとすると、取り出すデータの個数Ｎは式４で表される。
【００２６】
【数４】
0003630041.tif 000005
【００２７】
データ取出部４６は、Ｎ個のデータをデータ記憶部４４から取り出し、これをウェーブレット処理部４７に出力する。
【００２８】
ウェーブレット処理部４７は、データ取出部４６から送られた振動データに対し、ウェーブレット変換を行う。データ取出部４６から送られた振動データは式３で表されるＴ’秒間であるが、この振動データに対するウェーブレット変換結果はＴ秒間のデータとなる。これは、前述したように、ウェーブレット変換では入力データの端部が解析できないためである。ウェーブレット処理部４７は、ウェーブレット変換結果を異常判定処理部４８に出力する。
【００２９】
異常判定処理部４８は、取り込んだウェーブレット変換結果に対して、正常／異常の判別を行う。この処理の概要を図３に示した。まず、取り込んだウェーブレット変換結果から特定の周波数の振幅値を取り出す。次に、取り出した振幅値のデータに対して統計処理を行い、平均値、標準偏差、最大値を求める。これらの統計量に対してしきい値判定を行い、正常範囲にあるかを判定する。しきい値は、あらかじめ異常判定処理部４８に格納しておく。また、ウェーブレット変換結果から振幅値を取り出す周波数については、Ａ／Ｄ変換器４２を通して取り込んだ水車発電機１の回転数に基づいて決定する。例えば、回転機械において異常による影響が表れやすい回転周波数や、その２倍成分を取り出し周波数として使用する。以上のごとく求めた各統計量の中で異常値があった場合には、その旨を結果格納部４９に出力する。
【００３０】
結果格納部４９では、異常判定処理部４８が出力した異常判定結果に加えて、データ取出部４６が出力した振動データ、ウェーブレット処理部４７が出力したウェーブレット変換結果も併せて格納する。ただし、振動データ、及びウェーブレット変換結果については、あらかじめ決められた時間だけ保存し、それより時間が経過すればデータを消去していく。異常判定結果の格納については、異常を検知した時刻と異常値を示した統計量の種類、及びその周波数を記述する。
【００３１】
表示制御部５０は、結果格納部４９に格納された振動データ、ウェーブレット変換結果、及び異常判定結果を取り込み、表示装置５に表示する。図４は、表示装置５の表示画面の例である。表示装置には、異常判定結果を判定時刻と併せて表示すると共に、振動データ、及びウェーブレット変換結果の現在値を表示する。
【００３２】
この表示画面により、プラント機器が正常な状態にあるかを確認することができる。
【００３３】
以上に説明したように、本実施例になる装置では、プラント機器で計測した信号をオンラインで取り込み、そのウェーブレット変換結果を基に異常判定処理を行う装置において、時間的に連続なウェーブレット変換結果を得ることができる。これにより、間欠的なウェーブレット変換結果しか得られない従来の装置に比べ、突発的で短時間しか持続しない異常を見落とすことがなくなり、異常検知の精度が向上する。また、時間的に連続なウェーブレット変換結果がオンラインで得られることから、振動の周波数特性が時間的に変化している場合でも、この特徴を詳細に知ることができる。これにより、機器で発生している異常の影響を正確に把握することができるため、機器動作の継続／停止を的確に判断することができる。
【００３４】
次に本発明の第二実施例になる装置について説明する。図５は、第二実施例になる装置の構成を示す図である。この装置において、第一実施例となる点は、第１データ記憶部５１と第２データ記憶部５２の二つの記憶部が設置されている点、データ制御部５３が追加されている点、及びデータ取込部４３とデータ取出部４６における処理内容である。以下に第一実施例との相違点のみを説明する。
【００３５】
第一実施例におけるデータ記憶部４４が、本実施例になる装置では、二つの記憶部、すなわち第１データ記憶部５１と第２データ記憶部５２から構成されている。これらのデータ記憶部への振動データの格納形式を図６に示す。図に示したように、第１データ記憶部５１と第２データ記憶部５２は、互い違いに振動データを格納する。ただし、二つのデータ記憶部が格納する振動データには重複部分を設ける。これは、第一実施例になる装置と同様に、ウェーブレット変換が解析できない入力データの端部を補うためである。各データ記憶部が格納する振動データの時間は、第１実施例における式３と同様であり、このうち、重複時間は、ｎ／Ｆとなる。ここで、ｎはウェーブレット変換の積分範囲を決定するパラメータ、Ｆはウェーブレット変換により解析する周波数の下限値である。ただし、ウェーブレット変換、及び、その異常判定処理はＴ秒周期で行うとする。
【００３６】
データ取込部４３は、Ａ／Ｄ変換器４１から受け取った振動データを第１データ記憶部５１または第２データ記憶部５２に格納する。このとき、第１データ記憶部５１と第２データ記憶部のどちらにデータを格納するかは、データ制御部５３が決定する。データ制御部５３は、前述した格納方式にしたがって振動データを第１データ記憶部５１と第２データ記憶部５２に振り分けていく。ただし、振動データの重複部については、第１データ記憶部５１と第２データ記憶部５２の両方に同じデータを格納する。データ制御部５３は、一方のデータ記憶部に式３で表される時間分のデータを格納すると、データ取出部４６に対してデータの取り出しを命令する。データ取出部４６は、この命令を受け取ると、データ制御部５３が指定したデータ記憶部のデータを取り出し、これをウェーブレット処理部４７へ出力する。
【００３７】
以上に説明したように、本実施例になる装置では、二つのデータ記憶部から構成されており、それらに交互に振動データを記憶する。ただし、二つのデータ記憶部に格納するデータには重複部分を設ける。これにより、プラントでオンラインで計測した信号に対して時間的に連続なウェーブレット変換結果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施例になる装置では、二つのデータ記憶部から構成されているが、これは、二つ以上の構成でも同様の処理で実現できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明により、ウェーブレット変換を用いて、プラント機器の計測信号をオンラインで監視する場合、時間的に連続なウェーブレット変換結果を得ることができる。したがって、短時間しか持続しない突発的な異常を見落とす可能性がなくなり、異常検知の精度を向上できる。これにより、プラントの安全性、運転信頼性の向上という効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例になる装置の構成を示す図である。
【図２】データ記憶部の構成を示す図である。
【図３】異常判定部における異常判定処理の流れを示す図である。
【図４】表示画面の例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例になる装置の構成を示す図である。
【図６】第１データ記憶部、第２データ記憶部へのデータの格納方式を示す図である。
【図７】ＦＦＴによる解析結果の例を示す図である。
【図８】ウェーブレット変換による解析結果の例を示す図である。
【図９】ウェーブレット変換の原理を示す図である。
【図１０】従来技術におけるウェーブレット変換によるプラント監視の処理内容を示す図である。
【図１１】本発明におけるウェーブレット変換によるプラント監視の処理内容を示す図である。
【符号の説明】
１…水車発電機、２…振動センサ、３…回転数センサ、４…プラント機器監視装置、５…表示装置、４１…Ａ／Ｄ変換器、４２…Ａ／Ｄ変換器、４３…データ取込部、４４…データ記憶部、４５…ポインタ、４６…データ取出部、４７…ウェーブレット処理部、４８…異常判定処理部、４９…結果格納部、５０…表示制御部、５１…第１データ記憶部、５２…第２データ記憶部、５３…データ制御部。
【図１】
0003630041.tif 000006
【図２】
0003630041.tif 000007
【図３】
0003630041.tif 000008
【図４】
0003630041.tif 000009
【図５】
0003630041.tif 000010
【図６】
0003630041.tif 000011
【図７】
0003630041.tif 000012
【図８】
0003630041.tif 000013
【図９】
0003630041.tif 000014
【図１０】
0003630041.tif 000015
【図１１】
0003630041.tif 000016