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パナソニック、後付けセンサーとAIで設備の異状検知

パナソニックが設備診断用に独自開発した高調波センサー。電力線を挟み込むだけで設置できる(出所:パナソニック)
日経クロステック

パナソニックのインダストリアルソリューションズ社は8日、設備の異状を診断する「AI設備診断サービス」の提供を4月から始めると発表した。高調波センサーと人工知能(AI)を組み合わせて、ボールねじやベアリング、ギアといった機械要素部品の状態変化を測定して、故障の発生を事前に検出する。

「高調波センサーとAIの組み合わせによる設備診断システムは世界初」(同社)という。既存設備に後付けで導入でき、設備の改造も要らないのが特徴だ。

診断対象は、サーボモーターやインバーター駆動モーターで稼働する機械要素部品。モーターの電力線に取り付けた高調波センサーで、電流の高調波成分(電流の基本周波数の整数倍の周波数成分)を計測し、そのデータをクラウド上のAIで分析して正常時からの変化度を算出する。変化度がユーザーの設定した所定の値(しきい値)を超えるとアラートを発する仕組みだ。

正常時との違いを検出すると保守担当者らにアラートメール配信するなどして注意を促す。故障前に部品を交換できれば、ダウンタイムの削減や保守コストの低減が期待できる。現場に出向かなくても設備の状態が分かるので、新型コロナウイルス禍における保守作業のリモート化にも役立つとしている。

診断システムは、高調波センサーの他、信号をデジタル化する子機、子機の信号を集約してパソコンやクラウドに送信する親機などから成る。高調波センサーは、クランプ式の電流計と同様に電力線を挟み込んで取り付けるだけなので、導入に当たって設備の稼働を止めたり改造したりする必要がない。既存設備を後付けでネットにつながる「IoT」化できる。

制御盤内の配線に取り付けるので、対象設備に近づけなくても設置可能なのもレトロフィットIoTに向く。「防爆型の設備や高温環境に設置された設備など、改良やアクセスが難しい設備にも対応できる」(同社)

同社によると、ギアの摩耗などで正常状態から変化があると、電流の高調波成分の電流波形に変動が表れるという。「異状があると高調波成分が変動すること自体は知られていたが、工場設備用に汎用化したセンサーやサービスはこれまでなかった。設備診断に関する自社の知見を基に製品化した」(同社)。利用する高調波センサーは同社が独自開発したもので、設備診断用として高調波成分の計測に特化した。

部品に異状があると電流の高調波成分に変動が表れる(出所:パナソニック)

設備の予知保全システムの異状検出手段としては、振動センサーがよく利用されるが、監視対象外の周辺設備の振動や何かがぶつかった際の振動などの外乱による影響を受ける。周囲の振動に影響されずに安定して状態監視できるのも高調波センサーの利点だ。

必要な波形データだけを抽出して学習・分析

AIによる信号データの学習と分析に当たっては、設備の動作特性を踏まえて分析に必要な信号波形データだけを切り出して使う。学習と分析を効率化するためだ。

ユーザーはあらかじめ用意された複数の設備動作パターンの中から診断対象に近いものを選んでおく。システムはそれに応じて必要な波形データを抽出し、正常運転時のデータとして学習する。学習時間は数十分から最大でも数時間程度という。診断の際も同様に波形データを抽出し、正常時のデータからのかい離度合いを0~100の「変化度」として定量評価する。

既に半導体工場や飲料工場などがテストユーザーとして導入し実証試験を進めている。例えば、半導体工場ではウエハーの搬送ロボットを監視。変化度の急上昇が認められたため、モーター回りのモジュールを交換するとともに、交換したモジュールを調査したところグリス内からギアの成分とみられる鉄が検出された。ギアの摩耗によって故障する前に異状を捉えられたという。

搬送ロボットでの実証試験データ(出所:パナソニック)

飲料工場では製品の搬送コンベアの状態監視をテストした。導入後2カ月ほどして段階的に変化度が上昇し、最終的には急上昇してベアリングが破損した。「破損に至る経緯を把握できると分かった」(パナソニック)

価格は、監視対象の数によって変わるが12台のモーターを監視する場合で月額9万8000円から。

(日経クロステック/日経ものづくり 吉田勝)

[日経クロステック 2021年2月8日掲載]

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