スマートファクトリーとディスクリートの基礎

Oct 07, 2023

リサ・エイテル著 | 2023 年 1 月 6 日

スマートファクトリーとは、製造や生産のあらゆる側面をデジタル化し、デジタル化を可能にする施設です。 このような操作では、接続された機器やシステムを介してデータが継続的に記録され、そのデータが配布されてマシンが自己最適化ルーチンを実行できるようになります。 このようなプログラムは、施設が特定の最終製品の生産時間を計るのに役立つ可能性があります。 機械的な問題を積極的に防止します。 相互接続された製造タスクを合理化します。 スマート ファクトリーを構築するための包括的なアプローチでは、クラウド ツール、AI、IIoT、ビッグ データ分析を活用して、サプライ チェーンの予測を監視し、(適応性が高まる) 生産ラインの対応をトリガーします。

ここで、スマートファクトリー接続の詳細を見ていきましょう。 スマートファクトリー機能をサポートする産業用プロトコルは通常、物理コンポーネントの認証を必要とします。 詳細については、モーション コントロールのヒントの記事を参照してください。イーサネット、PoE、IO-Link、HIPERFACE、および単一ケーブル ソリューションのトレンド 。 CAT5e および CAT6、および Power over Ethernet (PoE) 接続は、自動化された機械やロボット工学においてますます一般的になってきています。 その他の地域では、柔軟な CAT5e および CAT6 ケーブルが CC-Link 産業用イーサネット (IE) ネットワークをサポートし、北米市場向けの UL 認証を取得したケーブルキャリアバンドルアセンブリで提供されます。

CC-Link IE Field 産業用ネットワークをサポートし、リアルタイムの機器制御のために 1 ミリ秒までのデータ交換を可能にする産業用コントローラーを検討してください。 このようなコントローラーの中には、リモート監視、エッジ コンピューティング、データ コンピューティング、ハードウェアとソフトウェアの統合のためにネットワークを利用するものもあります。 これらのコントローラーには Windows 10 IoT がインストールされているのが一般的ですが、データの処理と配布にはオペレーティング システム VxWorks やオープン プラットフォームの Edgecross も使用できます。 このような産業用コンピュータの中には、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI) としても機能するタッチスクリーンを備えているものもあります。

スマートファクトリーではデジタルツールを最大限に活用します。 画像: プッタパット ティプサナ

HIPERFACE DSL の主な利点は、モーターの電力と位置フィードバックを 1 本のケーブルでルーティングできること、つまり複雑さとコストを削減できることです。 さらに、スマート HIPERFACE DSL エンコーダには、モーター情報を保存するための内部メモリが含まれているため、最初の接続時にサーボドライブはこの情報をクエリして、モーターのコミッショニングを自動化することができます。

同様に、イーサネットまたはデジタル加入者線 (DSL) ケーブルに基づく単一ケーブル ソリューションは、リニア アクチュエータを組み込んだ機械を改善します。多くの場合、コントローラとアクチュエータを迅速かつシームレスに統合するために、さまざまなメーカーのアンプとの互換性が提供されます。

シングルケーブル IO-Link は産業用接続にも採用が増加しています。 一部のインテリジェントモーターサプライヤーは、分散型オートメーションコンセプト向けの接続可能なセンサーをサポートするために、IO-Link プライマリをコア製品に統合し始めています。 もちろん、産業用イーサネットまたはCANバス経由で通信できるモーターは、セカンダリとしてIO-Linkネットワークに接続する必要はありません。

IO-Link は、コンポーネント上の従来のアナログ コネクタをデジタル化して、双方向通信を実現し、コミッショニング時間を短縮することもできます。 マルチプロトコルのサポートとシリアル インターフェイスとの接続のために、制御側で IO-Link 接続を採用している企業があるのも不思議ではありません。

SCADA、MES、エンタープライズ リソース プランニング (ERP) アーキテクチャなど、IIoT 接続で利用されるさまざまなプロトコルと通信を考​​慮してください。 これらは、IT/OT (オペレーショナル テクノロジー) の統合に最も関係しており、多くの場合、エンタープライズ レベルのタスク、ゲートウェイ、および標準 Web ブラウザを介したシステム構成を可能にするその他の接続が含まれます。また、運用の調整や追加の管理アクションも含まれます。

スマート ファクトリーは、フィールドバス、有線イーサネット、ワイヤレス、クラウド接続を備えたコンポーネントと機器で占められています。

明確に言うと、包括的な SCADA インストールは (その複雑さとかなりのインストール要件にもかかわらず) ビッグデータのキャプチャと処理に優れています。 履歴データの保守と使用。 分析ルーチンの実行。 ただし、スマートファクトリー ソリューションを使用すると、リモート アクセス ネットワーク、エッジ コンピューティング システム、および関連するマシンの設定とデータに対する中央またはオンマシン (HMI) 制御のセットアップを迅速化できます。

多くの IIoT インストールで採用されているのは、データとイベント ログを MySQL および MS SQL データベース サーバーに同期できるようにするプログラミングである構造化照会言語 (SQL) です。 ここでの利点は、制御に依存する代替手段よりも簡単に実装できる IT 担当者のアクセスです。 これは、システムが Raspberry Pi などの基本的な制御を採用している場合でも、複雑な PC ベースの IoT データベース インターフェイス (通常は追加のハードウェアとソフトウェアが必要となる) を採用している場合でも当てはまります。

また、多角的な IIoT 設計アプローチ (ソフトウェア、ハードウェア、接続を含む) をサポートする方法として、インフラストラクチャ、プラットフォーム、およびサービスとしてのソフトウェア (それぞれ IaaS、PaaS、SaaS) またはクラウド サービスが大量に採用されています。 これらには、Alibaba Cloud、Tencent Cloud、Google Cloud、IBM Cloud、Oracle Cloud が含まれます。 ただし、米国では、現在マシン オートメーション向けの主要なパブリック (企業やマシン ネットワークではなくオフサイト) クラウド サービス プロバイダー 2 社が次のとおりです。

このようなクラウド サービスは主に、データベース (Amazon シンプル ストレージ サービスや S3 バケット、Amazon DynamoDB マネージド データベース サービスなどの製品を通じて)、オンラインおよびローカル アプリケーション、およびオンデマンドの計算能力の使用をサポートします。 後者に関連するのは、サービスのサーバー上で Python、Node.js、Java、および C# プログラミングを実行できる AWS Lambda サービスです。 HMI を使用すると、エンド ユーザーはこれらの IIoT 機能を最大限に活用できます。

三菱電機 MELFA ASSISTA Cobot は、簡単な制御、簡単なプログラミング、簡単な接続によりロボットの機能を拡張します。 ティーチングペンダントやロボットプログラミングの専門知識は不要です。

もちろん、クラウド サービスは他の機能も提供します。 IIoT への AWS および Azure の導入を推進している要因の 1 つは、より多くのエンジニアがこれらのプラットフォーム上に独自のインフラストラクチャを構築することに慣れてきたことです。 結局のところ、クラウドベースのデータ サービスでは、プロバイダーが IT タスクを実行するため、エンジニアは基盤となるハードウェアとソフトウェアに関する追加の設計作業から解放されます。 AWS と Azure では、データフローと通信を抽象化するソフトウェアの使用も許可されており、魅力的な GUI を備えた開発環境で一部の設計作業が簡素化され、エンジニアがプログラミングの細かい点に対処することから保護されます。

クラウド サービスは、オペレーティング システムやアプリケーションを実行する仮想マシンを使用した高度なエンジニアリングも促進し、設計エンジニアが制御を維持します。 さらに、クラウド サービスは、パブリッシュ/サブスクライブの原則を採用したプロトコル上のさまざまな通信サービスに対応でき、それらすべてのマスター サービスになります。 これにより、システムのセットアップ中に時間のかかるアドレス指定が不要になります。

このような機能はすべて、データの分類と抽出のための機械学習や、機械や生産の調整を促すための予測を行うなどの高度な機能を促進します。

関連する傾向として、サプライヤーが事前に厳選したクラウド ポータルの使用が増加しています。 これらのポータル (エンジニアが IIoT を始める簡単な方法を提供する) は、ユーザーのコントローラーやタッチスクリーン HMI に接続するオンライン サービスです。 その後、エンジニアはトレンドに合わせて HMI 画面とダッシュボードをカスタマイズし、クラウド ポータルから管理されるルール エンジンを使用して HMI 電子メール通知を設定できます。 関数のリストは続きます。 一部の取り決めでは、コンポーネントのソフトウェアをリモートで更新したり、コンポーネントの Web 視覚化をリモートで表示したりすることができます。

AWS GreenGrass Core 認定のタッチスクリーン HMI とコントローラーは基本的に AWS (AWS Lambda や Things Graph を含む) を利用して、接続されたエッジ デバイス (センサーやアクチュエーターなど) が生成したデータにローカルで動作できるようにし、データ管理、ストレージ、およびデータ管理にクラウドを使用します。分析。 AWS IoT Greengrass を使用すると、接続されたデバイスで Docker Inc のコンテナ化サービスの Docker コンテナを実行することもできます。

「私たちは、MachineMetrics が産業用ソフトウェアセグメントの AWS パートナーネットワークコンピテンシーパートナーのエリートプールに加わったことを誇りに思います。MachineMetrics は、Lambda や Kinesis などの高度な AWS サービスを使用して、その驚異的な成長をサポートするためのアーキテクチャを構築および拡張します。これにより、MachineMetrics は集中することができます」ストレージやデータベースの管理に時間を費やすのではなく、知的財産とジェネレーティブ デザインの構築に重点を置きながら、コンピューティングのコストを削減し、共同の顧客ベースに実行して提供するために必要な馬力を提供します」とグローバル セグメント リードの Josef Waltl 博士は述べています。アマゾン ウェブ サービスの産業用ソフトウェア向け。 このアプリケーションに関する記事はこちらをご覧ください。

産業用プログラミングのコンテキストでは、コンテナーは、アプリケーションのスタンドアロン実行に必要なコード、システム ツール、ランタイム、ライブラリ、および設定を保持する実行可能なソフトウェアの一部であることを思い出してください。 多くのマシン設計では、コンテナーは、インターネットに接続されていない場合でも、データを他のシステムと通信して同期したり、さまざまな予測を実行したりできるように設計されています。 コンテナ内でアプリケーションを構築する利点は次のとおりです。

一部の HMI および DIN レールに取り付け可能なコントローラーは Docker のインストールを受け入れます。実際、一部のサプライヤーは、これらの製品にサービスを拡張するために事前構築されたコンテナーを定期的にリリースしています。

HMI がクラウドに接続されている場所であればどこでも、何らかの IIoT 機能で動作し、企業分析や継続的な運用改善に情報を提供する可能性があります。 これは、1 台から数百台のマシンが関与する自動インストールにも当てはまります。 さまざまな形式のデータ通信やエッジ デバイスとの HMI 接続などの IIoT 機能をサポートするプロトコルには次のものがあります。

MQTT は、多くの IoT 接続構造の中核となるもので、センサーとモバイル デバイス間のスケーラブルな通信をサポートするプロトコルです。 MQTT に対する組み込みデバイスのサポートは、Amazon AWS IoT サービスに適用できるため便利です。 さらに、MQTT (AMQP と同様) は無駄がなく標準化されており、オンサイトおよびクラウド システムのフィールド デバイス データを処理するゲートウェイ HMI に MQTT を実装できます。 最大限の MQTT サポートを提供する HMI は、サードパーティ システムでエッジ処理されたデータをプロビジョニングするための付加価値サービスに接続され、クラウド サービスから実行されることを目的としています。 このような HMI は、MQTT パブリッシャー (およびブローカーにメッセージを送信)、サブスクライバー (およびブローカーからのメッセージの要求)、またはブローカー (およびパブリッシャーまたはサブスクライバーとのデータおよび接続の管理) として接続できます。

相互運用性標準 OPC UA も、コネクテッド HMI テクノロジーの可能性を最大限に活用するために不可欠です。 OPC UA の仕様定義にはパブリッシュ/サブスクライブ通信が含まれているため、クラウドへのデータ転送において MQTT の代替として機能できます。 モーション コントロールの分野では、分散オートメーションのためのベンダーに依存しないフィールドバスとして、時間依存ネットワーキング (TSN) によって補完された OPC UA の標準化された通信プロトコルを最も高く評価しています。 TSN を備えた OPC UA は、たとえば統合サーボモーターを採用したマシンのように、追加の PLC を不要にすることもできます。 結局のところ、これまで以上に多くのシステムが、リアルタイムで他のデバイスと通信しながらコマンドを処理し、タスク (モーションなど) を実行できるスマート モーターやその他のコンポーネントを組み込んだ分散アーキテクチャの恩恵を受けています。 場合によっては、後者には、軸のプロセス ロジックの一部 (および ERP システムやクラウドへの接続) を処理するためのエッジ ゲートウェイとして機能する HMI が含まれる場合があります。

多くの IIoT インストールで採用されているのは、前述した SQL です。 このリレーショナル データベース管理システムは無料のオープンソースで、広くサポートされています。 また、安全性も高いため、コントローラー HMI やパネル PC に安全に統合できます。 SQL の利点の 1 つは、制御に依存する (通常は追加のハードウェアとソフトウェアが必要となる) 代替方法よりも簡単に実装できる IT 担当者のアクセスです。 これは、Raspberry Pi のように単純なシステム制御にも、IoT データベース インターフェイスを備えた PAC のように複雑なシステム制御にも当てはまります。

IIoT アプリケーション用の Omron NX1 コントローラは、OPC UA および SQL 接続を提供します。

実際、SQL は、監視と分析を容易にするためにマシン データを収集および表示する一部のコントローラー HMI とも連携します。 たとえば、このような HMI を MySQL データベースに接続すると、データの収集、編成、および柔軟で信頼できるデータベースへの保存が可能になり、アクセスが容易になり、ビジネス運営が最適化されます。

一部のサプライヤー設計ソフトウェアは、エンジニアがスマート HMI 経由で MySQL を使用し、Excel スプレッドシートにデータ (および他の一般的なソフトウェアのファイルに表形式データ) を入力して、次のことを行うのに役立ちます。

その後、エンジニアは MySQL と MS Excel を使用してデータを収集、分析し、対応して、より多くの情報に基づいた意思決定と最適化された運用を実現できます。