スマート ファクトリーとディスクリート オートメーションの接続の基本

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。この操作では、接続されたデバイスやシステムを通じてデータを継続的に記録し、このデータを配布して、マシンが自己最適化プログラムを実行できるようにします。このようなプログラムは、工場が特定の最終製品の生産時間を短縮し、機械の問題を積極的に防止し、相互に関連する製造タスクを合理化するのに役立ちます。クラウド ツール、人工知能、産業用 IoT、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、生産ラインの対応をトリガーする、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は、ますます適応性が高まっています。

スマートファクトリー機能を支えるネットワーク

スマートファクトリー接続の具体的な内容を見ていきましょう。スマート ファクトリ機能をサポートする産業用プロトコルでは、多くの場合、物理コンポーネントの認証が必要になります。 CAT5e と CAT6、およびパワー オーバー イーサネット (PoE) 接続は、自動化された機械やロボットでますます一般的になってきています。さらに、柔軟な CAT5e および CAT6 ケーブルは CC-Link 産業用イーサネット (IE) ネットワークをサポートしており、UL 認証を取得したケーブル キャリア バンドル アセンブリが北米市場向けに提供されています。

CC-Link IE Field 産業用ネットワークをサポートし、リアルタイムのデバイス制御のために 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考えてみましょう。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通常、Windows 10 IoT がインストールされていますが、オペレーティング システム VxWorks とオープン プラットフォーム Edgecross を使用してデータを処理および配布することもできます。これらの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。

HIPERFACE DSL の主な利点は、モーターの電力と位置のフィードバックを 1 本のケーブルで配線できるため、複雑さとコストが軽減されることです。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、自動モーター デバッグを支援できます。

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 アクチュエータを含む機械を改善し、多くの場合、さまざまなメーカーのアンプとの互換性を提供して、コントローラがアクチュエータと通信できるようにし、アクチュエータを高速かつシームレスに統合します。 。

シングルケーブル IO-Link は産業用接続にも使用されることが増えています。一部のスマー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 エントリーレベルの製品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、補助デバイスとして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、双方向通信とコミッショニング時間を短縮することもできます。複数のプロトコルをサポートし、シリアル インターフェイスとインターフェイスするために、制御側で IO-Link 接続を使用する人がいるのも不思議ではありません。

スマート ファクトリー機能を提供するプロトコルとクラウド接続

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の産業用 IoT 接続で使用されるさまざまなプロトコルと通信について考えてみましょう。これらは、IT/OT (オペレーショナル テクノロジー) コンバージェンスに最も関係しており、通常はエンタープライズ レベルのタスク、ゲートウェイ、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、および運用調整やその他の管理操作が含まれます。

明確にしておきますが、包括的な SCADA インストールは、ビッグ データのキャプチャと処理、履歴データのメンテナンスと使用、分析ルーチンの実行に優れています。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の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 インストールで使用される構造化照会言語 (SQL) を使用すると、プログラミングでデータとイベント ログを MySQL および MS SQL データベース サーバーに同期できます。この利点は、IT スタッフのアクセスが、制御に依存する代替手段よりも実装しやすいことです。これは、システムが Raspberry Pi などの基本制御を利用する場合でも、追加のハードウェアやソフトウェアが必要となることが多い複雑な PC ベースの IoT データベース インターフェイスを利用する場合でも当てはまります。

さらに、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 サービスも、多面的な 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) をサポートするために頻繁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、今日のマシン オートメーションの主要なパブリック クラウド サービス プロバイダーは次の 2 社です。

• Amazon Web Services Inc. および AWS クラウド ソフトウェアおよびサービス
• Microsoft Azure IoT Edge クラウド ソフトウェアおよびサービス

このタイプのクラウド サービスは、主に次の使用をサポートします。データベース— — Amazon Simple Storage Service 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た、オンラインおよびオンプレミスのアプリケーションとオンデマンドのコンピューティング能力。後者に関連するのは AWS Lambda サービスで、Python、Node.js、Java、C# プログラミングをサービスのサーバー上で実行できるようになります。 HMI を使用すると、エンドユーザーはこれらの産業用 IoT 機能を最大限に活用できます。

もちろん、クラウド サービスには他の機能もあります。産業用 IoT 向けの AWS と Azure の推進の 1 つは、ますます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の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可能です。これにより、魅力的な GUI を備えた開発環境を通じて一部の設計作業が簡素化され、エンジニアはプログラミングの詳細を扱うことから解放されます。

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通じて高度なエンジニアリングも促進します。設計エンジニアはこれらの仮想マシンを制御できます。さらに重要なのは、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でさまざまな通信サービスに対応でき、これらすべてのサービスのマスター 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。

これらの機能はすべて、データを分類および抽出するための機械学習や、機械と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、ベンダーによる事前に厳選されたクラウド ポータルの使用が増加しています。これらのポータルは、ユーザー コントローラーとタッチスクリーン HMI を接続するオンライン サービスであり、エンジニアが IIoT を簡単に開始できる方法を提供します。エンジニアは、トレンドに基づいて HMI 画面とダッシュボードをカスタマイズし、クラウド ポータルで管理されるルール エンジンを使用して HMI 電子メール通知を構成できます。関数のリストは続きます。一部の構成では、コンポーネントのリモート ソフトウェア アップデートや、コンポーネントの Web 視覚化のリモート表示が可能になります。

AWS GreenGrass Core で認定されたタッチスクリーン HMI とコントローラーは、基本的に AWS Lambda や Things Graph などの AWS を利用して、センサーやアクチュエーターなどの接続されたエッジデバイスがローカルで生成したデータを処理し、データにクラウドを使用できるようにします。管理、保管、分析。 AWS IoT Greengrass を使用すると、接続されたデバイスは 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。

工業用プログラミングの文脈では、コンテナとは、アプリケーションを独立して実行するために必要なコード、システム ツール、ランタイム、ライブラリ、設定を含む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、他のシステムとデータを通信および同期したり、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。コンテナでアプリケーションを構築する利点は次のとおりです。

• デバイスへの展開が簡単
• ソフトウェアの移植性により、さまざまなプラットフォームでの使用が可能
• エンジニアにサンドボックスを提供することにより、 ' セキュリティ サービスを向上させるアプリケーション。

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 機能でエンタープライズ分析と継続的な運用改善のための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の場合に当てはまります。さまざまな形式のデータ通信やエッジ デバイスへの HMI 接続など、IIoT 機能をサポートするプロトコルには、次のものが含まれます。

オープン プラットフォーム コミュニケーション統合アーキテクチャ (OPC UA)

Representational State Transfer (REST) ) とそのアプリケーション プログラミング インターフェイス (API)
• アドバンスト メッセージ キュー プロトコル (AMQP)
• メッセージ キュー テレメトリ トランスポート (MQTT
• MQTT) は、数多くあるものの 1 つです。 IoT 接続ファブリックの中心となるのは、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 サービスに適用されるため便利です。さらに、MQTT (AMQP と同様) は合理化および標準化されており、MQTT はオンサイトおよびクラウド システムでフィールド デバイス データを処理するゲートウェイ HMI に実装できます。最大限の MQTT サポートを提供する HMI は、付加価値サービスに接続して、サードパーティ システムのエッジで処理されたデータを提供し、クラウド サービスを通じて実行する必要があります。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へのデータおよび接続の管理) として機能できます。

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には、相互運用性標準 OPC UA も不可欠です。 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、クラウドにデータを送信するための MQTT の代替として使用できます。モーション コントロールの分野では、OPC UA の標準化された通信プロトコルが最も重要視されており、分散型オートメーション用のベンダーに依存しないフィールドバスとして Time Sensitive Network (TSN) によって補完されています。 TSN を備えた OPC UA を使用すると、たとえば統合サーボ モーターを使用するマシンなどで、追加の PLC を不要にすることもできます。結局のところ、現在、他のデバイスとリアルタイムで通信しながらコマンドを処理し、モーションなどのタスク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含む分散アーキテクチャの恩恵をこれまで以上に多くのシステムが受けています。場合によっては、後者には、ERP システムやクラウドへの接続だけでなく、特定の軸のプロセス ロジックを処理するためのエッジ ゲートウェイとして HMI を含めることもできます。

HMI が MySQL データベース接続を使用する方法の例

前述の SQL は、多くの産業用 IoT 設備で使用されています。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。安全性も高いため、コントローラ HMI やパネル PC に安全に組み込むことができます。 SQL の利点の 1 つは、IT スタッフのアクセスが、制御に依存する代替手段 (追加のハードウェアとソフトウェアが必要になることが多い) よりも実装が簡単であることです。これは、Raspberry Pi のような単純なシステム制御であっても、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であっても当てはまります。

実際、SQL は一部のコントローラー HMI とも連携して、マシン データを収集して表示し、監視と分析を容易にします。たとえば、このような HMI を MySQL データベースに接続すると、データを柔軟で信頼できるデータベースに収集、整理、保存できるため、ビジネス オペレーションへのアクセスと最適化が容易になります。

一部のベンダー設計ソフトウェアは、エンジニアがスマート HMI を通じて MySQL を使用し、データを Excel スプレッドシート (または他の一般的に使用されるソフトウェアのファイル内の表形式データ) に配置して、次のことを行うのに役立ちます。

• HMI インターフェイスに情報を表示します。
• データとイベント ログをローカル ネットワーク上のリモート MySQL サーバーに同期します。
• サーバー上のデータを管理します。

これにより、エンジニアは次のことを行うことができます。 MySQL と MS Excel は、データを収集、分析し、対応して、より賢明な意思決定を行い、運用を最適化します。

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