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インダストリー4.0 - 次世代の産業革命

すべてが計画通りに稼動する製造設備。工程は確実に管理限度範囲内で流れ、ばらつきがなく、最終品はすべて同一。故障はゼロ、突発停止も全く発生しない。原材料の無駄がなく、日々の歩留まりは必ず所定通り、エネルギー費は最小限に抑えられている。その上、膨大な工程データを蓄積しているためつくり込みの段階で改善の機会を把握して優先的に対応可能。

製造の理想郷だと思われるかもしれませんが、インダストリー4.0により可能になれば近い将来に実現可能です。インダストリー4.0のコンセプトと製造業や加工業に従事する技術者にとっての意義を本白書の下記の項目でご紹介いたします。
  • インダストリー4.0の起源と意味
  • IIoTとM2M
  • 商工業用途
  • 現状
  • 課題と懸案事項

インダストリー4.0の起源と意味

蒸気機関の発展、電力化、コンピュータによるデータ処理や自動化と同じように契機となる変化が製造分野に訪れています。ドイツの有識者がこの変遷を新たな製造アプローチとしてインダストリー4.0と名付けました。

インダストリー4.0は現代のセンサーや通信の進歩を集約するものです。スマート・デバイスの開発・展開に向けた協調的なプログラムです。IoT(インターネット・オブ・シングズ)、IIoT(インダストリアル・インターネット・オブ・シングズ)、M2M(マシン・ツー・マシン)通信、IPv6、RFID、クラウド・コンピューティング、データ・マイニングなどのコンセプトを包含しています。

IIoTとM2M

イーサネット・ネットワーキングは広く普及していますが、プロセッサが縮小化され、コンピュータがデスクトップから工場現場や倉庫で利用されるようになり、現在ではセンサーやアクチュエーターに組み込まれるようになりました。こうしたデバイスに802.11 Wi-Fi、Bluetooth、ZigBeeといった通信機能を搭載することでメッセージの送受信が可能になります。アドインIPv6の採用により、使用可能なアドレス数が増え、接続した各デバイスに一意のアイデンティティーが与えられるようになります。これがIoTです。

歴史的に見ると、製造業や加工業に使用されているセンサーは温度、湿度、気圧などのデータを収集するのみで、PIDループで応答しプレゼンテーションはチャート式記録計で行われていました。アクチュエーターのデータ収集機能は主にエンコーダー出力のみで非常に限定的でした。IoTが黎明期を迎え、ネットワーク化された工業向けデバイスとしてIIoTが誕生し急速に発展しています。イーサネット系工業用プロトコルを利用してプロセス情報の送受信が行われます。

デバイス間で直接やり取りを行うことで制御室や監視コントローラが不要になり、ループ上から人の関与を排除することが次の論理ステップになります。これを「マシン・ツー・マシン」通信と呼びます。非中央管理型の自動化です。

商工業用途

ネットワーク化されたデバイスが消費者向けに普及し始めてから数年経ちます。ネスト・サーモスタットが初めて接続デバイスの一つとして登場した後、スマート・ベビー・モニター、アクセス・コントロール・システムやスマート機器も登場しました。例えば、心拍数や体温が変化するとアラームが作動して最寄りの救急医療施設の場所を通知したり、冷蔵庫の中の食品の消費期限を冷蔵庫に認識させることもできます。

製造業や加工業におけるIIoTへの期待が倍増:
  1. 状況に応じて自動制御として機能するセンサーやアクチュエーターがネットワーク化されて提供・販売されるようになります。ばらつきがなくなるため出力品質が向上し、無駄や廃却率の削減に伴い生産性が向上します。例えば、反射光レベルをモニタリングすることで印刷工程において材料のコーティング材の変化に対応することができます。また、投入材の水分量の変化に応じて加熱・乾燥時間を補正することも可能です。
  2. 特に一般的に普及している物的資産のモニタリング機能を強化することで、設備の物理的な「正常性」の信号を発信できるようになります。メンテナンス精度の向上、資産寿命の長期化、ROIの向上を実現した今、故障は過去のものです。例えば、圧力、温度、振動のモニタリングはポンプが行います。痕跡に変化が見つかると交換が必要な部品を瞬時に特定し、在庫の有無を確認し、在庫が欠品している場合は発注処理が行われます。生産管理システムと通信を行い、休止時間を計画し、業務開始時間に技術者への作業指示書が印刷されます。

現状

IIoT機能の一部はまだ研究段階ですがその多くは既に市場に投入されています。インテリジェンス機能や通信機能が内蔵されているデバイスは増え続けています。高精度の測定値が要求される場合でも温度測定用スマート・プローブで補正値を把握し、ロガーに直接つなぐことができます。データ・ロガーは温度や圧力などの特性を記録するたけでなく、イーサネットや無線で他のシステムに数値を送信することもできます。

課題と懸案事項

IIoTを検討する上で課題についても考慮に入れる必要があります。その一部をご紹介いたします。
  • 電源—24V電源を使用できない状況下での代替法として画期的なスタンバイ/ウェイク・オン・ラン機能を搭載した長寿命バッテリーを使用することで消費電力を抑えることができます。また、Wi-Fiのエネルギーのばらつきを抑えてバッテリー寿命の長期化を図ります。
  • 将来的にはエネルギー・ハーベスティング法によりデバイスの寿命が満了するまで「フリー」なエネルギー供給を実現します。
  • セキュリティ—工業向けスマート・デバイスの利用者が通信傍受のリスクを理解している中、適切なセーフガードや暗号化プロトコルの導入がメーカーに求められています。
  • データ保証—測定処理は自動的に再試行が行われ、フェイルセーフが設置され、ネットワーク障害が発生しやすい各所にローカル・データ・ロギングが設定されます。
  • 範囲—BluetoothやWi-Fi__33のプロトコルは範囲が限定されますが、デバイスの有効範囲が1000m(3280’)を超えるものもあります。壁などの障害物によってこの範囲は狭くなります。
  • データ転送速度—デバイスからサンプル・ベースで送信する際のデータ転送速度が問題となることはほとんどありません。ただし将来的に送信データ量が多くなると問題が生じる場合があります。データ量が増えた場合でも測定値の変化に応じてデータ送信速度が適応化されるためネットワークが混雑し難くなります。
  • データの妥当性—センサーの正常性と寿命をモニタリングして予知保全を推進します。
  • 耐ノイズ性。特にモーターなどのアークを発生させる電気機器はノイズが発生するとデータが喪失したり範囲が縮小したりする可能性があります。送受信機の設置場所を決める際にはこうした要因を考慮に入れる必要があります。
Barometric Pressure, Temperature, and Humidity Transmitters
イーサネット接続、気圧・温湿度ロガー/送信機

インダストリー 4.0技術は今ここに

IIoT(インダストリアル・インターネット・オブ・シングズ)やM2M(マシン・ツー・マシン)通信、IPv6を包含するインダストリー4.0は、現在開発中のセンサーや通信の進歩の集約化を目指しています。まだ多くの課題が残っていますが、IIoTコンセプトを採用しているデバイスは普及し始めています。ワイヤレス送受信機の他にイーサネット通信やウェブ・サーバー技術は、管理者であれば誰でもプロセス情報に遠隔操作でアクセスすることができます。これにより見える化を図り、高度なモニタリングや不具合発生時の対応の迅速化、製造・稼動時間や費用の無駄を省き、資産の稼動率が向上します。

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無線ロガー