(57)【要約】【課題】測定機器より出力される測定結果の信号を用い、その測定機器の状態を低コストで精度よく把握することができる異常診断方法及び装置を提供する。【解決手段】異常診断装置１３０は、ウェーブレット変換部１３１により、測定機器１００より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換し、分散処理部１３２−１〜１３２−ｎにより、第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、第１の周波数領域よりも大きな周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第２の分散値とを求め、異常判定部１３３により、第１の分散値と第２の分散値とを比較し、第１の分散値が第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する。【選択図】  図２
2004191209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換する第１のステップと、
第１の周期の第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、前記第１の周期よりも大きな第２の周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の前記所定時間間隔での第２の分散値を求める第２のステップと、
前記第１の分散値と前記第２の分散値とを比較し、前記第１の分散値が前記第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する第３のステップと
を有することを特徴とする異常診断方法。
【請求項２】
測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換するウェーブレット変換部と、
第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、前記第１の周波数領域よりも大きな周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の前記所定時間間隔での第２の分散値とを求める分散処理部と、
前記第１の分散値と前記第２の分散値とを比較し、前記第１の分散値が前記第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する異常判定部と
を有することを特徴とする異常診断装置。
【請求項３】
測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換する第１のステップと、
第１の周期の第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、前記第１の周期よりも大きな第２の周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の前記所定時間間隔での第２の分散値を求める第２のステップと、
前記第１の分散値と前記第２の分散値とを比較し、前記第１の分散値が前記第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する第３のステップと
を有するプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定機器より出力される測定信号のウェーブレット変換信号を用い、その測定機器の異常を検出する異常診断方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油化学プラントなどのプロセスの現場には、さまざまな液面計や流量計などの測定機器が設置されている。そして、それら測定機器は、各種プラントの状態を計測するだけではなく、その計測データから操作量を求めて対象プラントを制御するようにしているので、きわめて重要な役割を持っている。
【０００３】
これら測定機器が異常になった場合、その異常計測データをそのままプラントの制御に用いれば、プラントの安定性や安全性が保たれないことは明かである。
【０００４】
また、その測定機器の異常には、清掃によって機能が回復する汚れの堆積などによる性能の一時的変化や、実際に機器の劣化による性能の変化などがあり、それらの区別が難しい。
【０００５】
さらに、測定機器が異常になるまでには、異常となる予兆例えば信号出力の基底状態が所定の値からずれているなどが発生しているが、その異常となる前に早めに対処することが必要である。
【０００６】
そこで、一般には、測定機器はオペレータや監視員が監視し、異常と判断されたときには修理したり交換したりするなどにより、測定機器の異常発生に対処している。しかし、測定機器それぞれは耐用年数も異なり、また同じ機器であっても個体差があり、加えて設置機器の数も非常に多い。このため、いつ異常が発生したり故障するかがわからないそれらの測定機器に対して、常に監視，保守体制をとることは、製造コストの上昇を招くなど種々の面で望ましくない。
【０００７】
そのため、これまで、それら測定機器から出力されるプロセス信号をフーリエ変換することにより各信号成分を分析し、故障や劣化などの検出しようとする試みがなされてきた。しかし、フーリエ変換により得られた各周波数成分ごとのデータでは、時間に関する情報がなくなっているので、それら各周波数成分ごとのデータを逆フーリエ変換して時間に関する情報を再現して用いるようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１４６６３６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、それらの情報の中より、例えば汚れによる一時的な測定結果の変化と、機器自身の劣化による測定結果の変化とを区別して抽出することが容易ではなかった。また、フーリエ変換などによる手法では、上述したように逆フーリエ変換が必要であったり、全ての周波数帯域について検査することになるため、１つの機器に対する検証に時間がかかる。
【００１０】
これらのことを、例えばコンピュータで処理させようとすれば、全ての機器の検査に対応するためには、高度な処理能力を備えたものを用いなければならず、そのようなコンピュータは高額であり、プロセスの監視のために非常に多くのコストがかかってしまう。
【００１１】
これに対し、特許文献１に記載した方法が提案されているが、測定機器や測定条件によっては十分な精度で異常を診断することが困難な場合があった。
【００１２】
本発明の目的は、測定機器より出力される測定結果の信号を用い、その測定機器の状態を低コストで精度よく把握することができる異常診断方法及び装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による異常診断方法は、測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換する第１のステップと、第１の周期の第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、前記第１の周期よりも大きな第２の周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の前記所定時間間隔での第２の分散値を求める第２のステップと、前記第１の分散値と前記第２の分散値とを比較し、前記第１の分散値が前記第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する第３のステップとを有することを特徴とする。このように構成したので、測定機器より出力される時系列信号そのままではとらえることができない、定常的な振動状態とは異なった振動状態を異常と判定することができる。
【００１４】
上述した異常診断方法において、前記第２の周波数領域の前記第２の周期が、前記第１の周波数領域の前記第１の周期のほぼ２倍となるようにしてもよい。これにより、測定機器の異常をより的確に判定することができる。
【００１５】
上述した異常診断方法において、前記第１の周波数領域の前記第１の周期が、前記測定機器の測定周期からその２倍の範囲内であるようにしてもよい。これにより、測定機器の測定に適合した異常判定を行うことができる。
【００１６】
また、本発明による異常診断装置は、測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換するウェーブレット変換部と、第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、前記第１の周波数領域よりも大きな周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の前記所定時間間隔での第２の分散値とを求める分散処理部と、前記第１の分散値と前記第２の分散値とを比較し、前記第１の分散値が前記第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する異常判定部とを有することを特徴とする。このように構成したので、測定機器より出力される時系列信号そのままではとらえることができない、定常的な振動状態とは異なった振動状態が異常と判定される。
【００１７】
上述した異常診断装置において、前記第２の周波数領域の前記第２の周期が、前記第１の周波数領域の前記第１の周期のほぼ２倍となるようにしてもよい。これにより、測定機器の異常をより的確に判定することができる。
【００１８】
上述した異常診断装置において、前記第１の周波数領域の前記第１の周期が、前記測定機器の測定周期からその２倍の範囲内であるようにしてもよい。これにより、測定機器の測定に適合した異常判定を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による異常診断装置について図１乃至図４を参照して説明する。
【００２０】
石油化学プラントなどでは、例えば、精製前の原油を貯蔵するタンクにおける貯蔵量を把握するために、浮式の液面計を用いるようにしている。あるタンクでは、中間製品が所定流量で流入し、次工程に所定流量で流出している。そして、タンク内の中間製品の液面高さが所定の値となるように、その流入量と流出量とを制御している。
【００２１】
浮式の液面計の構造について図１を用いて説明する。液面計１００は、図１に示すように、軸受部１０１にトルクチューブ１０２が固定され、そのトルクチューブ１０２の先端にはトルクチューブ１０２を軸として回転可能にレバー１０３が固定され、そのレバー１０３先端に筒状の浮子１０４が固定されている。レバー１０３が取り付けられたトルクチューブ１０２先端部には、ロッド１０５が固定され、そのロッド１０５の一端は、トルクチューブ１０２内を貫通して軸受部１０１の反対側に突き出ている。
【００２２】
レバー１０３のトルクチューブ１０２を軸とした回転は、そのロッド１０５の回転としてロッド１０５の一端で検出される。例えば、ロッド１０５の先端にひずみゲージ１０６を取り付ければ、レバー１０３のトルクチューブ１０２を軸とした回転が、ひずみゲージ１０６の電気出力の変化となって検出される。すなわち、浮子１０４の液面変化による上下動が、ひずみゲージ１０６の電気出力の変化となって検出される。そして、浮子１０４側とひずみゲージ１０６側とは軸受部１０１を介して完全に分離することができるので、トルクチューブ１０２やレバー１０３および浮子１０４に、例えばステンレス鋼などの耐腐食性を有する材料を用いれば、腐食性のある液体であっても、この液面計１００はその液面検出に用いることができる。
【００２３】
次に、液面計１００の異常を診断する異常診断装置１３０について、図２を用いて説明する。
【００２４】
図２に示すように、液面計１００によりタンク１１０内の中間製品１１１の液面を測定し、制御部１２０では、その測定した液面が所定の範囲に入るように、タンク１１０への流入量とタンク１１０からの流出量とを制御している。
【００２５】
例えば、制御部１２０は、タンク１１０へ中間製品１１１が流入してくる流入パイプ１１２の流入バルブ１１３の開度と、タンク１１０から中間製品１１１が流出していく流出パイプ１１４の流出バルブ１１５の開度とを、液面計１００からの信号により制御している。そして、本実施形態では、液面計１００から出力されている測定信号を、異常診断装置１３０で診断して異常を検出する。
【００２６】
異常診断装置１３０では、まず、入力された時系列信号である測定信号をウェーブレット変換部１３１でウェーブレット変換する。
【００２７】
次に、第１分散処理部１３２−１、第２分散処理部１３２−２、…、第ｎ分散処理部１３２−ｎでは、そのウェーブレット変換して得られたウェーブレット変換信号を、ｎ個の周波数領域に区切り、それぞれの周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間、例えば、２４時間の区間における分散値を求める。
【００２８】
本実施形態では、液面計１００により１分毎に液面を測定しており、液面計１００からは１分毎に測定信号が出力される。第１分散処理部１３２−１では、１〜２分周期の第１の周波数領域での２４時間区間における分散である第１の分散値Ｗ１を求め、第２分散処理部１３２−２では、２〜４分周期の第２の周波数領域での２４時間区間における分散である第２の分散値Ｗ２を求め、…、第ｎ分散処理部１３２−ｎでは、ｐ〜ｑ分周期の第ｎの周波数領域での２４時間区間における分散である第ｎの分散値Ｗｎを求める。
【００２９】
ここで、分散値Ｖとは、所定時間区間（２４時間）内のウェーブレット変換信号のバラツキの度合いを示すものである。例えば、ｎ個の変量をｘ１、ｘ２、…、ｘｎとしたとき、次式
分散値Ｖ＝（１／ｎ）Σ（ｘｉ−平均値）２＝（１／ｎ）Σｘｉ２−平均値２
で求めてもよいし、所定時間区間（２４時間）内における最大値（又はその８０％値）と最小値（又はその８０％値）の差を求め、それを分散値Ｖとしてもよい。
【００３０】
異常判定部１３３では、第１分散処理部１３２−１、第２分散処理部１３２−２、…、第ｎ分散処理部１３２−ｎにより得られた分散値Ｗ１、Ｗ２、…、Ｗｎに基づいて測定信号の異常を判断して検出する。
【００３１】
入力部１３４は、ウェーブレット変換部１３１に展開回数を設定したり、第１分散処理部１３２−１、第２分散処理部１３２−２、…、第ｎ分散処理部１３２−ｎでの周波数領域を設定したり、異常判定部１３３での判断基準を設定したりする。
【００３２】
表示部１３５は、第１分散処理部１３２−１、第２分散処理部１３２−２、…、第ｎ分散処理部１３２−ｎによる分散値Ｗ１、Ｗ２、…、Ｗｎの変化を表示したり、異常判定部１３３による判定結果を表示したりする。
【００３３】
次に、本実施形態による異常判定部１３３での判定条件を定めるために、複数の液面計１００について長期間にわたって分散値Ｗ１、Ｗ２、…、Ｗｎを求めた。その結果を図３に示す。複数の液面計１００に対する分散値Ｗ１の平均を実線で、複数の液面計１００に対する分散値Ｗ２の平均を波線で示す。分散値Ｗ３、…、Ｗｎについては図示を省略した。測定開始から１０週目から１９週目の間に、複数の液面計１００のトルクチューブ１０２を一斉に交換した。
【００３４】
図３から次の点がわかった。
（１）トルクチューブ交換前には大きかった分散値Ｗ１、Ｗ２が、トルクチューブ交換後は急激に低くなり安定する。
（２）トルクチューブ交換前の５週間位前から分散値Ｗ１、Ｗ２（特に分散値Ｗ１）が０．１を越えている。
（３）図４に示すように、トルクチューブ交換前後により、分散値Ｗ１と分散値Ｗ２との大小関係が反転する。すなわち、トルクチューブ交換前は、分散値Ｗ１＜分散値Ｗ２、又は、分散値Ｗ１＝分散値Ｗ２であったが、トルクチューブ交換後は、分散値Ｗ１＞分散値Ｗ２となる。
【００３５】
これは、液面計１００のトルクチューブ１０２が劣化したり、浮子１０３に汚れが付着したりして異常が発生すると、液面変動の際にスムーズに変化せず、細かく振動しながら変化し、実際の液面の変動の周期よりも短い周期で測定値が変動するためにであると推測される。
【００３６】
この結果、本実施形態では、異常判定部１３３の判定基準として次のものを採用した。
（１）第１分散処理部１３２−１による、１〜２分周期の第１の周波数領域での第１の分散値Ｗ１と、第２分散処理部１３２−２による、２〜４分周期の第２の周波数領域での第２の分散値Ｗ２とを比較し、次式、
第１の分散値Ｗ１＞第２の分散値Ｗ２
が成立したときに、液面計１００に異常（例えばトルクチューブ１０２の劣化）が発生したと判断する。
（２）第１分散処理部１３２−１による、１〜２分周期の第１の周波数領域での第１の分散値Ｗ１が、実験的に定めた所定値、例えば、０．１より大きくなったときに、液面計１００に異常（例えばトルクチューブ１０２の劣化）が発生したと判断する。
【００３７】
上述した判定基準に基づいて、異常判定部１３３により異常と判定されると、表示部１３５に異常が発生した旨の表示を行い、オペレータに知らせる。これにより、オペレータは液面計１００の点検を行うように手配する。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、液面計が出力している測定信号を用い、トルクチューブが劣化したり、浮子に汚れが付着したりしたことによる液面計の異常を確実に精度よく把握することができる。
【００３９】
本発明の他の実施形態による異常診断装置について図５を用いて説明する。
【００４０】
上述した実施形態による異常診断装置では、ウェーブレット変換部と分散処理部および異常判定部を備えるようにしたが、本実施形態では、これらの動作をＣＰＵを有するコンピュータ装置により行うようにする。
【００４１】
コンピュータ装置は、図５に示すように、入力した測定信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部５０１と、コンピュータ装置全体を制御するＣＰＵ５０２と、プログラムやデータ等を一時的に記憶するメモリ５０３と、外部記憶装置５０４と、操作信号等を入力するためのキーボード５０５と、情報を表示するモニタ５０６とが、バスライン５０２ａを介して接続されている。
【００４２】
入力された時系列信号をアナログ・デジタル変換部５０１によりデジタル信号に変換し、この変換した信号をＣＰＵ５０２により処理する。コンピュータ装置のＣＰＵ５０２は、メモリ５０３に格納されたプログラムにしたがって、測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換する第１のステップを実行し、第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、第１の周波数領域よりも大きな周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第２の分散値とを求める第２のステップを実行し、第１の分散値と第２の分散値とを比較し、第１の分散値が第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定する第３のステップを実行する。異常が発生した場合には、その旨をモニタ５０６に表示する。
【００４３】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、浮子を用いた液面計を例にとり説明したが、これに限るものではなく、他の様々な測定機器の異常検出、特に、機械的可動部を有する測定機器の以上検出に用いることができる。
【００４４】
また、異常判定部では、上述した判定条件に限らず、他の条件により判定するようにしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、測定機器より出力される時系列の測定信号をウェーブレット変換して時間と周波数との関係を示すウェーブレット変換信号に変換し、第１の周期の第１の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第１の分散値と、第１の周期よりも大きな第２の周期の第２の周波数領域におけるウェーブレット変換信号の所定時間間隔での第２の分散値を求め、第１の分散値と第２の分散値とを比較し、第１の分散値が第２の分散値よりも大きくなったときに異常と判定するようにしたので、測定機器より出力される時系列信号そのままではとらえることができない、定常的な振動状態とは異なった振動状態を異常と判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による異常診断装置により診断される液面計の構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による異常診断装置の構成を示す図である。
【図３】複数の液面計に対する分散値Ｗ１、Ｗ２の平均値の時間的な変動を示すグラフである。
【図４】トルクチューブ交換前後における液面計に対する分散値Ｗ１、Ｗ２の大小関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態による異常診断装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００…液面計
１０１…軸受部
１０２…トルクチューブ
１０３…レバー
１０４…浮子
１０５…ロッド
１０６…ひずみゲージ
１１０…タンク
１１１…中間製品
１１２…流入パイプ
１１３…流入バルブ
１１４…流出パイプ
１１５…流出バルブ
１２０…制御部
１３０…異常診断装置
１３１…ウェーブレット変換部
１３２…分散処理部
１３３…異常判定部
１３４…入力部
１３５…表示部
５０１…Ａ／Ｄ変換部
５０２…ＣＰＵ
５０２ａ…バスライン
５０３…メモリ
５０４…外部記憶装置
５０５…キーボード
５０６…モニタ
【図１】
2004191209.tif 000003
【図２】
2004191209.tif 000004
【図３】
2004191209.tif 000005
【図４】
2004191209.tif 000006
【図５】
2004191209.tif 000007