工場現場からクラウドまでのインテリジェントで自律的な接続。
モノのインターネット (IoT) は、ビジネスのやり方や企業の競争の仕方を完全に変革する態勢が整っています。おそらく、この革命の最大の影響は、エッジ分析を搭載したインテリジェントな分散自律制御システムを活用して、工場がスマート ファクトリーへと進化する産業用IoT (モノのインターネット) に及ぶでしょう。今日の標準的なクローズドループ制御システムは、人間のオペレーターよりもはるかに迅速かつ正確に応答するように設計されていますが、新しいエッジ分析とフォグコンピューティング対応の制御システムは、増加したセンサーを活用したビッグデータ分析を使用して傾向を把握し、ローカルおよびグローバルなプラント制御戦略の継続的な修正と最適化の変更を自律的に実装することで、生産効率を劇的に向上させ、効率を高め、運用コストを削減し、ダウンタイムを減らし、資産利用率を改善します。そして、この革命はおそらくあなたが思っているよりもはるかに進んでいます。
産業用IoTの簡単な紹介
産業用IoTは、さまざまな産業プロセスを管理するために、工場の現場で接続された電子センサーとアクチュエーターが設置され始めたときに始まりました。温度、圧力、輸送速度をリアルタイムで測定し、その情報を集中プロセス コントローラーに提供することで、運用効率、安全性、信頼性が大幅に向上しました。こうした初期の産業用IoT導入においては、接続性が主要な要素でした。
センサーとコントローラーの数が増えるにつれて、データの量も増加しました。このデータを保存しておけば傾向を明らかにできるため、大きな利点がありました。システム管理者はこれらの傾向を利用して、プロセスをさらに「微調整」し、効率を向上させたり、予定外のダウンタイムやシステム障害につながる可能性のある老朽化や摩耗の影響を特定したりすることができます。クラウドが発展するにつれて、膨大な量のデータを分析および保存するための便利なメカニズムが提供されました。管理者は複雑なデータ分析を使用して傾向を判断し、行動を起こすことができます。多くの場合、こうした分析とそれがもたらす効率性の利点は、産業プロセスの管理においてますます重要な要素となり、製造会社の主要な知的財産とみなされ、大きな競争上の優位性をもたらすことさえありました。このシナリオ全体は、センサーのコストが2倍以上削減され、近年のストレージ コストが急速に削減され、過去10年間で処理コストが最大60倍削減され、帯域幅コストが最大40倍削減されたことによって推進されました。
下の図は、接続された工場フロアをクラウドと統合し、関連するネットワーク インフラストラクチャとプロトコルを通常の工場要素にオーバーレイする方法を示しています。この図は、システムの「エッジ」にあるセンサーやセンサー融合システムからゲートウェイ、企業を経由してクラウドベースのストレージやデータセンターの処理にデータが流れる様子も示しています。データは逆方向にも流れるため、アクチュエータはプロセス制御アクティビティを変更するための適切なアクションを実行できます。(この構造は工場現場の例で使用されていますが、同様のアプローチはスマート ビルディング、エネルギー グリッド、さらには現代の病院などあらゆるものに使用できます)。
図1: インテリジェントな工場フロア向けの産業用IoT実装例の図解 (画像提供: Niladri Roy、Altera)
自律運転による効率性の向上
運用効率を向上できるルールベースのシステムを作成するために、何年、場合によっては何十年もの経験に基づいたスマートなデータ分析の重要性は、いくら強調してもし過ぎることはありません。ここで経験が本当に役に立ちます。残念ながら、人間のシステム管理者がエクスペリエンスの「制御ループ」にいる場合、センサー データの変化に迅速に対応する能力が犠牲になります。生成されるデータの量は、人間のオペレーターにとって圧倒的なものになる可能性があります。必要なのは、人間のシステムオペレーターよりも迅速かつ正確に動作する自律制御の形態です。おそらく、自律操作の概念と、それがどのようにIIoTベースの工場の効率を劇的に向上させることができるかは、例を挙げて説明するのが最もわかりやすいでしょう。資産監視はよく知られた概念であり、自律的な操作によって効率がどのように向上するかを示す良い例です。
資産監視
センサーは、工場の現場で行われるさまざまなプロセスを追跡できるだけでなく、製造プロセスで使用されている機器を監視することもできます。機械の摩耗は資産監視の重要な部分であり、単純なオンライン時間や処理された材料の量によって一次情報が得られます。 しかし、より重要なのは、出力の品質に関するデータの収集と、生産パラメータの変化に対する応答性です。モーターやポンプが関係する場合、熱、振動、さらには電磁束の測定により、傾向の把握や摩耗の予測に役立つデータが得られます。こうしたタイプの分析を、モーターやプロセス コントローラー内などのセンサーの近くに移動して、センサー フュージョン アルゴリズムを使用してデータ取得を組み合わせると、資産の自律制御を実装できます。このタイプのシステムでは、摩耗と疲労の情報を使用して制御アルゴリズムを変更し、これらの低レベルの決定を管理するための「中央制御」を必要とせずに、運用効率を向上させることができます。摩耗がさらに懸念されるようになると、おそらく事前に定義された「トリップ レベル」に達したときに、自律コントローラは予防措置のためにこれを中央制御に報告できます。
ただし、自律型コントローラーであっても、ビッグデータ分析に使用するために重要なセンシングデータをクラウドに提供します。工場全体または複数の工場で長期間にわたって測定を行うことで、摩耗とその相関関係、および起こりうる故障の予測に関する非常に貴重な洞察が得られます。この情報は、第三者が収集し、分析し、工場主に推奨事項や予測を提供することを奨励するのに十分な価値がある可能性があります。複数の工場や複数の種類の操作にわたってセンサー データが統合されると、ビッグ データ分析によって大量のデータをふるいにかけ、新しいモデルを作成できます。これらのモデルにより、新たなトリップポイントや、自律型コントローラーにプログラムされた新たな融合アルゴリズムが生まれ、効率がさらに向上する可能性があります。おそらく、これらの第三者は、アルゴリズムの改善によって得られた節約額の一部を受け取ることになるでしょう。
コンピューティングと接続性に対する要件の増加
上記のやや単純な例は、よりインテリジェントな産業用IoTシステムの可能性と、それがスマート ファクトリーにもたらす効率性と収益性の劇的な向上を示しています。こうしたタイプのシステムを効果的に実装するために必要な「ビッグデータ」を提供するために必要なセンサーとアクチュエータの数が増えると、より堅牢な計算および通信インフラストラクチャが必要になります。センサーとアクチュエータが増えると、データフローが増加し、高シード通信の必要性が高まります。これは、データ トラフィックをより高性能なネットワークに結合するために追加のデータ集約が必要になり、より多くの処理とストレージが必要になることも意味します。データ トラフィックの通信を安全にし、リモート更新をハッカーから保護することも、ますます重要な課題となっています。最後に、ワイヤレス センサー、リピーター、集約ノードの使用の増加も、計算機能と通信機能の向上のもう1つの理由です。
アルテラソリューション
産業用IoTの実装には、センサーとアクチュエータの導入で予想される劇的な成長をサポートするために必要なインテリジェントで自律的な通信システムを作成するために、高いコンピューティング能力と大幅に増加した通信帯域幅が必要になります。 これらの新しい機能は、スマート ファクトリーの設置に関連する標準的な「フットプリント」に必要な限られたボード スペースと低い電力予算に影響を与えることなく提供する必要があります。ボードスペースと電力の両方の厳しい予算内で計算能力の向上と帯域幅の改善が必要な場合、Alteraソリューションは大きな利点があります。
Altera Cyclone V SoCは、PLCボード全体で3W未満の電力を使用しながら、制御 (PLC)、HMI、ゲートウェイ、安全なクラウド接続を単一のデバイスで実行できるパフォーマンスと高速接続を備えています。Altera SoC FPGAは、並列処理を使用して高性能アルゴリズムとHMI機能をハードウェアに実装できるため、従来のプロセッサと比較して、はるかに高いパフォーマンスと低い電力バジェットを実現できます。Altera SoC FPGAは、既成の知的財産 (IP) コアとオンチップのハード プロセッサ システム (HPS) を使用して標準プロトコルを実行し、複数の産業用イーサネット プロトコル、さらにはバックボーン接続用の高性能インターフェイスを統合することもできます。下の図2は、Altera SoCに実装されたシングル チップPLCの詳細を示しています。
図2: シングルチップLPCを実装したAltera SoC
Altera MAX10不揮発性FPGAは外部構成メモリを必要としないため、ボードスペースを最小限に抑えて小型のI/Oモジュール アプリケーションに適合します。オンチップのユーザー フラッシュ メモリをコードまたはデータ ロギングのストレージに使用できる場合、ボード スペースをさらに削減できます。また、オンチップのアナログ - デジタル コンバータ (ADC) により、一般的な産業用アナログ インターフェイスで使用される外部デバイスが不要になることがよくあります。
Alteraソリューションの利点に関する追加の詳細については、この記事の最後に記載されている参考資料を参照してください。
実装を早めに開始する
Arrowは、実装を開始できるように、Altera開発キットと評価プラットフォームを幅広く提供しています。Arrowが提供するAlteraキットを表示するには、次のArrow Webページにアクセスしてください。
まとめ
産業用IoTスマート ファクトリー設備の継続的な構築には、センサーとアクチュエータの導入の増加に対応するために、インテリジェントで自律的な接続性と制御が必要になります。Alteraソリューションは、スマートなだけでなくインテリジェントなこの新しいクラスの工場システムを効率的に実装するために必要な計算パフォーマンス、高帯域幅、低消費電力、小さなボードスペースを提供します。
参考文献
詳細については こちらをご覧ください
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