DXへの取り組みのためのマシンコントロールとコネクテッドマシン

Nov 21, 2023

リサ・エイテル著 | 2023 年 1 月 6 日

新型コロナウイルス感染症のパンデミックは、世界中の何万もの企業の運営方法を永久に変えました。 また、自動化とデジタルトランスフォーメーション（DX）の取り組みを閲覧する人の数も変化しました。 後者は、企業がオフィス従業員のリモートワークの恒久化を目指す場合に役立つことが証明されています。 操作をオンからアイドル状態に切り替えたり、アイドル状態に戻したりする動作をより機敏に切り替えます。 より便利な方法で工場現場での社会的距離を確保できるようにする。 そして、長引くサプライチェーンの問題に継続的に適応します。 DX プログラムは、ビジネス慣行におけるこれらの変化やその他の変化を巧みに促進します。

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DX 機能の中核となるのは、遠隔地から発信されたコマンドを受け入れるスマート マシンです。 必要に応じて（ソフトウェアやAI主導の環境マッピングを使用して）再構成を簡素化します。 機械的およびプログラミングの問題を自己診断します。 実際、これらの特性が、スマート マシンと単なる自動化されたマシンを区別するものです。 これは、機器が従来の固定機械、再構成可能なモジュール、産業用ロボットのいずれであっても当てはまります。 このようなスマートマシンのタスクを満たす協働型産業用ロボット (コボット) のプログラミングは特に簡単です。

スマートマシン通信により、データの抽出とその後の分析が簡素化されます。これは、工場管理者の多大な注意を必要とする従来の SCADA システムとは大きく対照的です。

コアスマートマシン機能が主にディスクリートオートメーション用にローカライズされるハードウェアには、産業用コントローラー、HMI、モータードライブが含まれます。 これらのコンポーネントのインテリジェント バージョンには、接続されたシステム独自のデータ要件をサポートするためのオンボード診断機能とフィードバック処理機能が含まれています。 好例: 一部のインバータには、動作設定における腐食または粉塵の状態を検出するセンサーが組み込まれています。 ファンの状態を追跡するための冷却ファンフィードバック配線。 幅広い IIoT および AI 通信を促進する回路およびファームウェアを備えた接続ポート。

設計エンジニアがスマート マシンに関して抱く当然の懸念の 1 つは、サイバー セキュリティです。 結局のところ、接続はハッキング、ウイルス プラント、妨害行為、データ侵害の手段として機能する可能性があります。 幸いなことに、スマート マシン コンポーネントにセキュリティを組み込むための標準とソリューションが豊富にあります。 米国では、国立標準技術研究所 (NIST) 情報技術研究所応用サイバーセキュリティ部門、国土安全保障省の国家サイバーセキュリティおよび通信統合センター、産業制御システムサイバー緊急対応チーム (ICS-CERT) が、産業システムへの不正アクセスのリスクを軽減します。 次に、サプライヤーは、悪意のある攻撃者によって引き起こされる予期せぬデータのダウンロードや異常なマシン動作を検出するための監視ツール (および多くの場合はサブスクリプション サービス) をエンド ユーザーに提供します。

皮肉なことに、接続されていない機器や、接続が不十分または不完全なスマート マシンが最も脆弱になる可能性があります。 そのようなマシンでは、即時の隔離が必要な新たな問題や進行中の問題を可視化できないためです。 サイバーセキュリティ障害によって最も影響を受ける機器は、監視されていない状態で稼働している機器、または定期的なセキュリティ更新プログラムを受信するための接続が不足している機器です。

無線通信プロトコルとセンサーは、コスト効率がますます高まっているため、現在、特に機械監視において、スマートファクトリー IIoT 接続の重要な形式となっています。 ワイヤレス技術は、アクセスできない機器や遠隔地にある機器の障害をできるだけ早く検出することが重要な場合に最も正当化されます。 1 つの注意点は、低速機器ではこの機能を提供するために特殊なワイヤレス センサーが必要になる場合があることです。 無線ベースの状態監視機能は、施設に特定のタスクを実行するための 2 台目の機器がない場合など、稼働中の機器が故障することが許容できない場合にも正当化されます。 ここでの注意点は、実用的なアイテムを抽出するには、他のスマートファクトリー要素 (集計システムや分析システムなど) が適切に配置されている必要があるということです。

スマート ファクトリー機能にワイヤレス センシングを付与することが適切かどうかは、データを収集する必要がある頻度によって部分的に決まります。 ワイヤレス センサーはバッテリー電源で動作するか、エネルギーを収集する方法により、測定値の収集と送信は断続的にのみ可能です。 そのため、ポンプなど定常状態で連続運転する装置に最適です。 とはいえ、簡単な分析で周波数と分解能が仕様内であることを確認できるため、可変速軸上のモーターを監視することは可能です。 動作振動の変化による機械の故障を監視するためにワイヤレス センサーを使用する場合、適切な周波数範囲を監視できなければなりません。

ワイヤレス ソリューションを適切に導入すると、マシンの監視以上のメリットが得られます。 これらの機能には、エンタープライズ システムとのスマート ファクトリー接続や、マシン機能へのオンザフライ変更のための運用フィードバック (カスタマイズ可能な製品の出力も含む) が含まれます。

これらの機能を備えたワイヤレス製品は、多くの場合、さまざまな規格と互換性があります。 産業用 PC にリモート接続を提供するワイヤレス ネットワーク USB スティックを検討してください。 一部には、WLAN および 4G/3G/2G モバイル通信のオプションが含まれています。 このスティックは、移動ロボットや無人搬送車 (AGV)、および中央コントローラーまたは監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムとの無線通信を必要とするその他のタイプの機器で動作します。 ユーザーは、イベントの頻度に関する情報を含む実際のアプリケーション データに基づいて、ドライブベースの診断を監視して、より適切な予防保守を行うこともできます。

近年、HMI、接続性、コントローラー機能が統合され、高度な自動化とエンタープライズレベルの運用がサポートされています。

農業、建設、遊園地施設の移動機械は、多くのスマートファクトリー構造を借用して、かつては 1 人以上のオペレーターが必要だった設計に自律機能を与えています。 このような環境では、今日の既製のオートメーション コントローラーを使用して、人員を保護し、既存のコンピューター システムと通信するために必要なワイヤレスおよび安全技術を提供できます。

5G は、特にキャンパス ネットワークとして実現される生産グリッドに必要な帯域幅と安定性を備えているため、クラウド接続の恩恵を受ける可能性のある製造業務にとって有望です。 しかし、通常はすべてのマシン インフラストラクチャでネットワーク接続が利用できるため、5G ベースの産業用ネットワーキングがすぐには普及すると予想していない人もいます。 それでもコンポーネントやシステムのサプライヤーは、産業現場での 5G の到来に備えて準備を進めています。 実際、5G テクノロジーの導入を促進する人々は、拡張現実、仮想デザイン、AI の同時拡大を予測しています。 速度が飛躍的に向上するため、多くの人は、産業用 4G システムで現在可能である速度よりも最大 10 倍高速な処理時間を期待しています。 実際、ワイヤレス 5G テクノロジーは、複雑なプロセスに対する外部サーバーによるリアルタイム制御をサポートし、たとえば 3D プリンティングなどの複雑なプロセスを実行できます。

産業用イーサネットベースのプロトコルは、自動化された設備におけるデータのメッセージングにおいて従来のフィールドバスを追い越し続けています…そして実際、イーサネットベースのプロトコルは現在、産業用ネットワークの 40% 以上で採用されています。 一部のフィールドバスは、非決定的なレガシー イーサネット製品よりも信頼性が高いことは事実ですが、イーサネットの速度が先を行っています。 より具体的には、一部の古いバス システムは、リアルタイム機能がなくデータ レートが 1 ～ 20 Mbit しかないため、少なくとも 100 Mbit のレートを持つイーサネット ベースのオプションに徐々に市場シェアを奪われています。 もちろん、バス プロトコルは多くの単純な産業タスクには十分であるため、今後数十年にわたって使用され続けるでしょう。

イーサネットのデータレートは、リアルタイムでのデータの追跡と処理をサポートします。 さらに、さまざまな物理層を必要とするフィールドバスやデバイス ネットワークとは異なり、イーサネットは 1 つの物理層で動作します。そして現在、前述のパワー オーバー イーサネット (PoE) により、設計エンジニアはその単一の物理層をさらに活用できるようになります。 特に IIoT とモーション コントロールの交差点では、PoE 接続がリードします。 PoE 接続からモーターに電力を供給するのに十分なエネルギーを得るのは困難でした…しかし、産業用イーサネット スイッチにおける高出力の IEEE 標準の急速な採用が、ここでの拡大を支えています。 たとえば、802.3at 規格は、接続されたデバイスに 25 W の電力を供給します。これは、NEMA-14 ステップ モーターをフルパワーで動作させるのに十分です。 このような構成用の一部の統合モーターは、2 本の標準イーサネット ケーブル (RJ45 または X コード M12) のいずれかを介して電力と通信を受け入れ、Modbus TCP や EtherNet/IP などの一般的なネットワーク プロトコルをサポートします。 実際、イーサネットベースの接続は多くの場合、EtherNet/IP の形式になります。 このアプリケーション層プロトコルにより、コントロールと I/O 間の通信が可能になります。 特定の適応により、同期かつ決定論的な多軸モーション制御が可能になります。

モノのインターネットは一般消費者向けデバイスに最もよく知られていますが、IIoT は巨大です。 アプリケーションの大部分はビジネス、工場、医療現場にあり、約 6 兆ドルの IoT 市場の 3 分の 1 以上が製造業です。

ここに示されています: LAPP の ETHERLINE ACCESS PROFINET スイッチは、Web インターフェイス経由で設定可能です。 長距離にわたって高い伝送速度が必要な場合に役立ち、RJ45 ポートのほか、光ファイバー ケーブルや高速ギガビット イーサネット用のスモール フォーム ファクター プラガブル (SFP) ポートも備えています。 光ファイバーの光信号を 100 Mbit/秒または 1 Gbit/秒のシングルモードまたはマルチモード伝送用の電気信号に変換するものもあります。 それ以外の場合、このラインの ETHERLINE ACCESS U04TP01T スイッチ (ニア フィールド デバイスの取り付け用に耐久性が高い) には、Power over Ethernet (PoE) を備えた 4 つの RJ45 ポートと、高速イーサネット用の 1 つのポートがあります。 これらのサービスの詳細については、こちらをご覧ください。

また、ドライブ、モーション コントローラー、センサー、I/O、モーター、その他のアクチュエーターを接続するために産業用イーサネット ケーブルを使用するシリアル リアルタイム コミュニケーション システム (SERCOS) III も劇的に採用されています。 SERCOS III を使用すると、確定的な双方向のリアルタイムモーションおよび制御通信が可能になります。 イーサネットの利点を活用するさらに他のプロトコルには、制御自動化テクノロジー用イーサネット (EtherCAT)、PROFINET、CC-Link などがあります。