China Steel​社: NI​テクノロジ​を​用​い​た​状態​監視/​診断​システム​で​ダウン​タイム​を​回避

「迅速​かつ​便利​で​安定​した​システム​開発​を​行う​ため​の​ソフトウェア​と​ハードウェア​環境​は​欠く​こと​の​でき​ない​もの​ですが、​NI​に​は​それらの​すべて​が​あり​ます。」

― Dr.Zhizhong Wang​氏、​China Steel Corporation Iron and Steel​社、​R&D​部門

課題:

China Steel​社​の​施設​を​より​厳密​に​監視​する​こと​で、​コスト​の​かかる​装置​の​障害​と​ダウン​タイム​を​防ぐ。

ソリューション:

モノ​の​インターネット (IoT) を​使用​し​て​リアルタイム​で​リモート​に​施設​を​監視​し、​大量​の​データ​を​施設​管理​に​変換​し、​施設​の​異常​を​直ちに​検出​する、​問題​志向​の​スマート​な​解析​システム​を​開発​する。​また、​この​システム​によって​施設​全体​の​効率​向上、​エネルギー​の​節約、​炭素​排出​量​の​削減、​職場​の​安全​性​強化​を​実現​する​必要​が​ある。

作成​者:

Dr.Zhizhong Wang​氏 - China Steel Corporation Iron and Steel​社、​R&D​部門
​柯​忠和 專案​工程師 - 中國​鋼鐵​公司
​李​仙​家 工程師 - 中國​鋼鐵​公司
​林​智​賢 工程師 - 中​龍​鋼鐵​公司
​黃​永​立 工程師 - 中​龍​鋼鐵​公司
​陳​鴻​飛 課長 - 中​鴻​鋼鐵​公司
​林​銓​亮 技術​人員 - 中​鴻​鋼鐵​公司
​王​嘉勝 工程師 - 中​鴻​鋼鐵​公司

 

動機

China Steel Corporation (CSC) 社​は、​台湾​で​最大​の​統合​鉄鋼​メーカー​です。 当社​の​目標​は、​施設​の​メンテナンス​効率​や​管理​効率​を​強化​する​こと​です。​何より​も​まず、​この​目標​を​達成​する​ため​に​は、​機械​状態​監視 (MCM) デバイス​の​設置​コスト​と、​予期​しない​障害​によって​発生​する​損失​の​トレードオフ​を​理解​する​必要​が​あり​ます。​また、​自社​が​保有​する​装置​の​重要​な​部分​や、​メンテナンス​の​難易度​も​考慮​する​必要​が​ありま​した。​効果​的​な​MCM​を使用すれば、​メンテナンス​マネージャー​は​重要​な​装置​の​状態​を​リアルタイム​で​把握​でき​ます。​この​こと​は、​鉄鋼​メーカー​にとって​競争​上の​優位​となり​ます。

 

当社​が​最初​に​開発​した​施設​オンライン​監視​および​診断​システム (FOMOS) は、​1998​年​に​CSC​の​生産​ライン​に​設置​さ​れ​ま​した。​システム​は​圧延​装置​の​振動​など、​特定​の​問題​を​うまく​監視​する​こと​が​でき​ま​した​が、​数​年後、​システム​の​信頼​性​は​低下​しま​した。​私​たち​は、​ハードウェア​と​ソフトウェア​の​機能​が​限​ら​れ​て​いる​ことに​気​付き​ま​した。​処理​能力、​ワイヤレス​ネットワーク、​ソフトウェア​接続​に​最新​の​技術​を​活用​する、​スマート​で、​より​コネ​ク​テッド​な​システム​を​構築​できる​こと​は​認識​し​てい​ま​した。​MCM​システム​は​容易​に​開発​でき​て​も、​特定​の​課題​を​解決​する​の​は​困難​で​した。

 

課題

解決​すべ​き​最大​の​課題​は、​多数​の​FALSE​アラーム​を​発生​させる​こと​なく、​どの​よう​にし​て​早い​段階​で​設備​の​異常​を​検出​する​か​という​こと​で​した。​振動​は​相対​的​な​状態​インジケータ​で​あり、​システム​や​構造​の​動​剛性​や​伝達​性​の​影響​を​強​く​受ける​ため、​実際​の​状況​において​は、​同じ​場所​と​操作​状態​に​置​か​れ​た​同じ​2​つ​の​装置​でも、​数​年間​運用​した​後​の​振動​レベル​が​異なる​という​こと​は​よく​見​ら​れ​ます。​図​1​は、​通常​の​操作​ステータス​における、​まったく​同じ​2​つ​の​冷却​ファン​で、​この​現象​が​起​き​て​いる​こと​を​示し​てい​ます。​振動​信号​は、​異なる​信号​処理​や​アルゴリズム​によって​使用​さ​れる​情報 (摩耗、​不均衡、​ずれ、​衝撃​荷重、​および​ベアリング​の​障害​など) を​示す​重要​な​インジケータ​となり​ます。

 

 


 

従来​の​監視​および​診断​システム​では、​機械​操作​の​性質​に​関係​なく、​同じ​または​わずか​な​インジケータ​や​基準​を​使用​し​て、​さまざま​な​機械​の​状態​を​監視​および​診断​し​ます (図​2)。​そのため、​これらの​システム​では、​アラームが発信されなかったり、​誤​って​発信​さ​れる​こと​が​よく​ありま​した。​さらに​面倒​な​ことに、​監視​対象​の​装置​が​多様​で​あり (図​3)、​操作​レジーム​が​複雑​で、​さらに​統合​さ​れ​た​製鉄​所内​の​多く​の​処理​ライン​で​広範囲​に​使用​さ​れ​て​いる​ため、​わずか​数​人​の​診断​の​専門​家​で​目標​を​達成​する​こと​は​現実​的​では​ありま​せん。​この​よう​な​課題​を​考慮​した​結果、​MCM​システム​の​有効​性​と​効率​性​を​向上​させる​ため​に​は、​人工​知能​を​導入​する​こと​が​最適​だ​という​こと​が​わか​り​ま​した。

 

 

 

画期的​な​診断​テクノロジ

当社​の​新しい​オンライン​MCM​システム​で​ある​FOMOS-​AI​は、​従来​の​方法 (図​4) の​代わり​に​装置​の​動作​に​基​づ​い​た、​特許​取得​済み​の​セルフ​ラ​ー​ニ​ン​グ​システム​です。​振動​信号​から​有益​な​インジケータ​を​抽出​する​ため​に、​監視​対象​装置​の​操作​コンテキスト​を、​4​つ​の​異なる​パターン (速度​が​一定​で​負荷​が​安定​し​て​いる、​速度​が​一定​で​負荷​が​変動​する、​速度​と​負荷​が​変動​する、​一定​の​速度​と​異なる​負荷、​往復​運動) に​分類​しま​した。​データ​抽出​の​ため​の​解析​モジュール​は​6​つ​あり​ます (図​5)。

 

 

 

 

 

自己​診断​の​確度​を​向上​させる​ため、​複数​の​インタラクティブ​な​状態​信号​を​同時に​取得​する​こと​で、​各​モジュール​に​データ​を​統合​し​ます。​さらに、​施設​で​深刻​な​障害​が​発生​した​場合​に​は、​解析​モジュール​の​システム​インテリジェンス​や​障害​特定​機能​を​増やす​こと​が​でき​ます (図​6)。​これ​により、​大量​の​データ​を​取得​し​て​自動​変換​し、​状態​監視​および​予後​テクノロジ​用​の​アクション​可能​な​情報​が​得​ら​れ​ます。

 

システム​ソフトウェア​設計​機能

さまざま​な​障害​診断​アルゴリズム​や​障害​検出​アルゴリズム​を​実装​できる​よう、​FOMOS-​AI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​の​アーキテクチャ​は、​最大限​の​柔軟性​を​念頭​に​置​い​て​設計​さ​れ​ま​した。​LabVIEW​で​プログラミング​さ​れ​た​システム​ソ​オフト​ウェア​は、​診断​センター、​電子​メール​設定、​および​ベース​ライン​設定 (図​7) で​構成​さ​れ​てい​ます。

 

 

 

ハードウェア​は、​NI PXI​または​CompactDAQ​で​実装​でき​ます。​システム​に​は​次​の​よう​な​特長​が​あり​ます。

  • 必要​な​解析​モジュール​を​選択​すると​監視​と​診断​が​可能​に​なる、​柔軟​な​実装。
  • 蓄積​さ​れる​カスタマイズ​可能​な​診断​ルール​と、​モジュール​式​の​ソフトウェア​構造 (図​8)。
  • 摩耗​信号​処理​および​解析​機能 (図​9)。
  • 仮想​測定​ポイント。​1​台​の​物理​的​な​センサー​で​多数​の​仮想​的​な​ポイント​を通じて、​さまざま​な​計測​を​実行​でき​ます。
  • ベース​ライン​設定。​複数​の​インジケータ​を通じて​振動​信号​の​多様​な​変化​を​観察​する​こと​で​装置​の​状態​を​判断​でき​ます。​複数​次元​の​ベース​ライン​設定​と​アラーム​設定​は、​操作レジームと機械の動作に基づき、​統計​的​な​解析​や​専門​家​による​診断​を​使用​し​て​確立​さ​れ​てい​ます (図​10​および​11)。​図​12​は、​障害​の​ある​高速​機械​加工 (HSM) 仕​上​圧延​装置​の​メイン​モーター​冷却​ファン​を​示し​てい​ます。​この​ファン​では、​全体​的​な​トレンド​に​劣化​の​兆候​は​見​ら​れ​ま​せん​で​した​が、​7​月​初旬​に​高周波​帯域​幅​の​加速​の​上昇、​11​月​初旬​に​モーター​ベアリング​の​機能​的​障害​が​確認​さ​れ​ま​した。
  • 自動化​さ​れ​た​障害​の​符号​化​および​レポート。​アラー​ム​メッセージ​は、​あらかじめ​設定​さ​れ​た​メール​グループ​に、​会社​の​E​メール​システム​を通じて​毎日​報告​さ​れ​ます。

 

 

 

アプリケーション

FOMOS-​AI​は​装置​の​操作​レジーム​と​動的​な​挙動​に​応​じ​て、​特定​の​アルゴリズム​が​組み​込​まれ​た​独自​の​データ​収集​および​解析​モジュール​を​採用​し​ます。​その​結果、​早期​の​警告​や​正確​な​診断​だけ​で​なく、​より​コスト​効果​の​高い​メンテナンス​プロセス​を​実現​でき​ます。​当社​では​シャット​ダウン​の​頻度​が​減​り、​定期​メンテナンス​を​より​頻繁​に​実行​できる​よう​に​なり​ま​した。​この​こと​は、​設備​総合​効率 (OEE) にとって​有益​で​ある​こと​が​実証​さ​れ​てい​ます。​次​の​例​は、​圧延​装置​における​FOMOS AI​の​true​値​を​示し​てい​ます。

1. SSP​の​スライド​式​レール​の​摩耗

2004​年、​生産​性​を​高める​ため​に​HSM​に​SSP​を​導入​しま​した。​ただし、​鋼​スラブ​の​鍛造​では​大きな​衝撃​と​摩耗​が​生​じ、​早い​段階​で​施設​に​損傷​が​発生​する​可能性​が​あり​ます。​同様​の​SSP​によって、​メイン​ビーム​の​破損、​シンクロ​ナ​イザ​べ​アリング​の​焼き​付き、​同期​シャフト​の​ひび割れ​など​の​深刻​な​損傷​が​報告​さ​れ​ま​した。

FOMOS-​AI​が​初めて​実装​さ​れ​て​から​現在​に​至る​まで、​さまざま​な​障害​モード​が​予測​さ​れ​て​き​ま​した。​2010​年、​鍛造​処理​中​に​3​つ​の​スライド​式​レール​の​摩耗​が​検出​さ​れ​ま​した (図​13)。​この​障害​モード​は​スペクトル​解析 (図​14) と​現場​で​の​検査​で​確認​さ​れ​ま​した。​エンド​ユーザー​は​この​イベント​を​容易​に​追跡​し、​定期​メンテナンス​の​際​に、​部品​を​交換​する​タイミング​を​決定​しま​した (図​15)。​新しい​素材​で​作​ら​れ​た​スライド​式​レール​が​FOMOS-​AI​によってテストされ、​劣化​率​を​変化​さ​せ​ながら、​各​素材​の​パフォーマンス​を​判断​しま​した。​2010​年​8​月​に​新しい​スライド​式​レール​が​設置​さ​れ​て​から (図​16)、​衝突振動が軽減され、​SSP​全体​の​サービス​寿命​が​大幅​に​改善​さ​れ​ま​した。

 

 

 

2. スピンドル​と​ピストン​スタンド​の​間​の​ギア​カ​プ​リング​スプライン​の​フレッティング​摩耗

ギアカプリング​は、​仕​上​圧延​装置​の​ピニオンスタンド​と​UJ​スピンドル​の​間​の​接続​として​設計​さ​れ​てい​ます。​衝撃​と​高い​伝達​トル​ク​が​継続​的​に​発生​する​場合、​スプライン​間​の​隙間​が​大きい​と、​フレッティング​摩耗​が​急激​に​進む​可能性​が​あり​ます (図​17)。​スプライン​が​過度​に​摩耗​すると、​カ​プ​リング​スリーブ​が​破損​する​可能性​が​あり​ます。​その​結果、​膨大​な​生産​ロス​が​発生​し、​設備​の​修理​費用​が​高額​に​なり​ます。​この​障害​モード​は​FOMOS-​AI​の​振動​波形​と​STFT​解析​で​容易​に​認識​でき​ます。​必要​な​メンテナンス​の​リード​タイム​は​約​2​か​月​に​なり​ます。

 

 

 

結果

FOMOS-​AI​は、​従来型の振動基準にとらわれず、​さまざま​な​施設​で​不足​し​て​いる​知見​を​拡大​する​ため​に​新​しく​開発​さ​れ​た​診断​テクノロジ​です。​不明​な​障害​モード​を​トリガ​し、​インテリジェント​な​解析​モジュール、​セルフ​ラ​ー​ニ​ン​グ​アルゴリズム、​自動​符号​化​で​トレンド​を​確認​でき​ます。​NI​プラットフォーム​を​使用​する​こと​で、​経験​豊富​な​振動​の​専門​家​に​相談​し​なく​て​も、​FOMOS-​AI​を​容易​かつ​効果​的​に​カスタマイズ​し、​わか​り​にくい​障害​モード​を​検出​する​こと​が​でき​ます。

FOMOS-​AI​では、​CSC​で​使用​可能​な​多様​な​アプリケーション​により、​重要​な​装置​の​潜在​的​な​障害​を​視覚​化​できる​こと​が​実証​さ​れ​てい​ます (図​18)。​これ​により、​3.5​億​台湾​ドル​を​削減​でき​た​だけ​で​なく、​高い​OEE​と​卓越​した​予知​保全​により、​世界​鉄鋼​協会​から​優秀​賞​を​受賞​する​こと​が​でき​ま​した。

 

著者​情報:

Dr.Zhizhong Wang
China Steel Corporation Iron and Steel​社、​R&D​部門
​台湾
Kenny.expert@xwin.com.tw

図​1. ​ ​類似​した​場所​と​動作​状態​に​ある​同じ​2​つ​の​装置​が、​数​年間​運用​した​後で​異なる​振動​レベル​を​示し​て​いる。 ​
図​2. ​ ​振動​に関する​障害​に​共通​する、​監視​および​診断​の​技術​的​解析​手順。 ​
図​3. ​ ​施設​は​それぞれ​異なる。 ​
図​4. ​ ​FOMOS-​AI​システム​の​メイン​インタフェース。 ​
図​5. ​ ​FOMOS AI​ソフトウェア​アーキテクチャ​は​モジュール​式。 ​
図​6. ​ ​正確​な​診断​を​実現​する​摩耗​信号​解析​機能。 ​
図​7. ​ ​回転​率​が​固定​さ​れ​た​施設​の​ベース​ライン​および​アラー​ム​ダイ​ア​グラム。 ​
図​8. ​ ​回転​率​を​柔軟​に​設定​できる​施設​の​ベース​ライン​および​アラー​ム​ダイ​ア​グラム。 ​
図​9. ​ ​複数​次元​解析​によって​警告​の​効果​を​強化​できる。 ​
図​10. ​ ​スラブ​スライディング​プロセス (SSP) の​異常​振動​および​劣化​の​トレンド。 ​
図​11. ​ ​通常​の​振動​信号​と​異常​時​の​振動​信号​の​スペクトル。 ​
図​12. ​ ​SSP​同期​構造​と​ウェア​ラ​ブル​プレート​の​摩耗​の​図。 ​
図​13. ​ ​SSP​ウェア​ラ​ブル​プレート​の​摩耗​の​障害​の​符号​化​は​自動​で​行​われる。 ​
図​14. ​ ​新しい​ウェア​ラ​ブル​プレート​の​使用​前​と​使用​後​の​SSP​振動​トレンド​の​比較。 ​
図​15. ​ ​スプライン​カ​プ​リング​の​摩耗。 ​
図​16. ​ ​人工​知能​と​機械​学習​による​オンライン​監視​および​診断​システム​を​使用​し​て​いる、​CSC​の​生産​ライン​と​企業。 ​