ケーススタディ中小企業の環境におけるIIoTへの第一歩

IIoTやインダストリー4.0は、今日の業界のトレードショーやブログの記事に遍く登場するトピックです。多くの製品が、生産の流れやデータ、ERPなどのエンタープライズソフトウェアの垂直統合を実現することを約束しています。つまり、非常に複雑な製品を手に入れて、それに見合うだけの衝撃的な価格設定をするか、あるいは、IIoTが完全なクロスベンダー相互運用性を約束しているにもかかわらず、ベンダーロックに陥ってしまうか、特に生産機械ベンダーが自社の機器と組み合わせて販売するソフトウェアソリューションを検討する場合は、そのどちらかです。

リソースが限られていて、IT 部門が小規模または 1 人しかいない小規模企業にとっては、これはジレンマです。このような企業は、大企業との競争のために柔軟性に依存しているため、Industry 4.0のようなパラダイムを採用する必要がありますが、通常は巨額の投資と、一見すると計り知れないほどの技術的複雑さの壁が付きまといます。

このケーススタディでは、まず、機械データ通信用のコネクタがあらかじめ組み込まれているソフトウェア・インテグレーション・プラットフォームが、どのようにしてこれらの制限を克服できるかを紹介します。そして次に、産業用モノのインターネットへの道を歩み始めた小さな工場における、リアルタイムのマシンデータの最初の実用的なアプリケーションを紹介します。

お客様とご要望について

このお客様は、主にステンレス製のシートメタル製品を提供している中小企業のサプライヤーで、小ロットで複雑な製品ポートフォリオを持っています。

この分野で他のメーカーと競争していくためには、工場には技術的な進歩と生産工程の絶え間ない進化が必要です。そこでお客様は、最先端のロボットによるレーザー溶接を生産工程に導入し始めました。

プロセスそのものもさることながら、このようなロボット溶接ソリューションを生産計画に組み込み、コスト計算や品質管理などに必要なデータを取得することも課題の一つです。

お客様のIT環境

顧客のIT環境は自然に成長したものであり、それゆえに本質的に複雑です。その基盤には、レガシーERPシステムが使用されていますが、それはカスタムPHPウェブベースのアプリケーションや他のソフトウェア製品（CAD、レーザーネスティングソフトウェアのようなCAMなど）や顧客システムとの直接データ交換のためのインターフェイスによって拡張されています。これらすべてを、Windows/Linuxの混在したサーバー環境と、Active Directory内のほぼWindowsベースのクライアントプール内で実現しています。ファイルサービスは、主にWindowsの共有とDropboxをベースにしています。

一般的に、顧客の戦略は、使用するさまざまな技術（LAMPスタック、AD、Windows、O365、レガシーシステムなど）の量を減らすことで、ITインフラの複雑さを減らすことで、管理性を高め、エコシステム全体のメンテナンスコストを削減することです。

生産環境

生産機械は通常、使用期間が長いのが特徴です。そのため、すべての機械がインダストリー4.0アプリケーションに対応しているわけではなく、また、この分野の機能は非常に限られています。そこで、この記事では、ロボット溶接アプリケーションとその統合ニーズにのみ焦点を当てます。

この溶接システムは、固体レーザー光源、ロータリー・チルト・テーブル付きロボット、カメラシステム付き加工ヘッド、高出力レーザーアプリケーションに必要な保護セル、制御システム、補助システム（吸引、集塵、冷却）で構成される有名メーカーのターンキーソリューションです。

このシステムの各コンポーネントは、さまざまな標準産業用相互接続（デジタルIO、Profinet、EtherCat、標準イーサネット）を介して通信します。ベンダーの仕様では、1つの標準イーサネットインターフェースのみがお客様のネットワークインフラに公開されます。このインターフェースは、機械ベンダーのPLCシステム全体に接続されており、機械のデータおよび制御システムへのアクセスは非常に限られています。OPC UAインターフェイスには10個以下のデータポイントしかなく、これは機械のPLC上で機械ベンダーの生産計画ソフトウェアを使用している場合にのみ表示される。したがって、このインターフェイスは、私の顧客にとって現在はあまり役に立たないことがわかったが、状況は変わるかもしれない。

最初のステップ

最初のステップとして、機械の部品から直接データを取得することを目標としました。

クライアントは、今日のPLCや機械でますます一般的になっているOPC UA通信プロトコルを選択しました。この規格は、リアルタイム通信を確立するために使用することができ、したがって、現在、産業用フィールドバスシステムによって実装されている機能を置き換えることができるが、我々のシナリオでは、リアルタイム機能は必要ではない。私の顧客のアプリケーションにOPC UAスタックを直接統合するためのSDKが提供されていますが、通常は複雑であり、複雑さを軽減するという目的に反するものです。

そこでクライアントは、カスタムコーディングではなく、あらかじめOPC UAコネクタが組み込まれていて、使いやすいインターフェイスを持ち、ERPやCRM、様々な文書管理システムやデータベースなどのバックオフィスシステムに接続できる可能性があり、価格もリーズナブルな統合プラットフォームを選択しました。

これらのシステムを統合プラットフォームを介して直接制御することは、機械の安全性に必要なシングルポイントオブコントロールの原則に反する可能性があるため、目標としていません。

データポーリングの頻度

この工場では、新技術の適応過程にあるため、ロボット溶接システムはシングルシフトでしか稼働しておらず、勤務時間中も常時稼働しているわけではありません。そのため、この時点で取得したデータは有用であっても、将来の使用や予測のためには信頼性に欠ける可能性があります。これは、お客様が他の生産機械（レーザー切断機など）から取得したデータの経験に基づくものです。生産サイクルが終了したときに機械のオペレーターがいたかどうか、データ収集が開始されたときに機械のオペレーターがいたかどうかなど、特定の要因によって、一見精度の高いデータであっても誤った画像を描く可能性があり、生産プロセスの効率性を判断するためには必ずしも細かな粒度が必要ではないことが証明されたのです。

そのため、現在は30秒というかなり低いポーリング頻度でデータを取得しています。

この最初のステップでは、お客様はこれら3つの主要コンポーネントからデータをポーリングしたいと考えています。

レーザー光源を使用しています。

ロボットのPLCを使用しています。

カメラシステム。

しかし、現時点で接続できるのはレーザー光源だけです。ロボットのPLCにはOPC Classicインターフェースしかなく、Unified Architectureへの移行が難しいこと、カメラシステムは機械全体のPLCに接続されており、外部からのアクセスができないことなどが理由です。

レーザー光源用OPC UA

残るはレーザー光源です。幸いなことに、このシステムには最新のコントローラが搭載されており、洗練されたOPC UAインターフェイスが組み込まれています。このインターフェイスにはいくつかのレベルのアクセス権がありますが、そのレベルは、読み取り機能を制限した匿名アクセス、読み取り専用、読み取りと書き込みです。前述のように、機械の安全性の観点から、読み書き可能なアクセスは問題外であった。そのため、読み取り専用のアクセスを選択しました。

このインターフェイスは、豊富なデータを提供します。

レーザーシステムの全体的な状態

動作期間、使用電力、...

エラーとメンテナンスのメッセージ

この統合プラットフォームを使って、顧客はC#でWindowsサービスを開発し、データを定期的にポーリングして、将来使用するためにいくつかのSQLデータベーステーブルにコンパイルしました。このテーブルには、一般的なデータ、機器の使用状況、メンテナンス用のテーブル、レーザー光源で生成されるエラーメッセージなどの情報が含まれます。

この機械のデータをどう使うかが大きな課題です。

最初の貴重な洞察は、マシンのログメッセージの編集です。これまでのお客様の経験では、すべての機械が再起動してもログファイルを保持するとは限りませんでした。また、機械のオペレーターが故障やエラーを正確に上司に報告するとは限りません。そのため、重大な故障が発生した場合、必要以上に機械の停止時間が長くなってしまいます。この日、マシンが稼働していたかどうかは重要な問題です。

会社の技術管理者が簡単にアクセスできるように、このような日報はPDFファイルとして生成され、マシンベンダーへのサポートコールで開く必要がある場合に備えて、共有のDropboxに保存されています。

もちろん、これはOPC UAコネクタの膨大な機能の中でもごく限られたアプリケーションに過ぎない。お客様が開発している次のステップは

ロボットのPLCに接続し、生産サイクルの正確な開始/停止タイミングを得るために（可能でなければデジタルIOを介して）。

会社のタイムシートシステムと連動させることで、機械が実際に生産されている時間と、ティーチング（ロボットプログラミング）やロード/アンロード/メンテナンスに使われている時間をより正確に把握することができる。

カメラシステムへのアクセス：レーザー溶接は別の溶接工程であるため、私のクライアントの顧客は、実際の製品が納入される前に、この生産方法を認証する必要があります。溶接プロセスの完全なドキュメントが常に自動的に提供されれば、このようなプロセスははるかに簡単に達成されます。

さらに、計画的な複雑さと使用するサービスの削減により、Dropbox-SharedからOneDriveへの移行は、関係するすべてのクライアントに展開された後に差し迫っています。また、お客様は、予知保全のためのデータ分析の可能性にも興味を持っています。

結論

前述したように、このプロジェクトはまだ初期段階であり、完全に機能するIIoTソリューションになるまでにはまだ時間がかかります。統合全体をプログラミングするのではなく、あらかじめコネクタが組み込まれている統合プラットフォームを利用することで、別の接続スタック（OPC UAやDropbox APIなど）の詳細を知る必要がなくなりました。また、私の顧客にとっては、将来のアプリケーションのための集中的な通信スタックを提供してくれました。

リチャード・メイジャーについて

リヒャルト・マジェールは、中小企業向けの産業用ITおよびオートメーション技術を専門とするflupo Systemtechnik e.U.の創設者です。会社を設立する前は、高出力レーザーの研究開発機関で働いていた（レーザー技術、FEMシミュレーション、産業用ロボット、PLCプログラミング、産業用フィールドバスシステムなどの経験を積む）。また、中小企業環境でのソフトウェア開発（主に異なるソフトウェア製品間のインターフェースや生産計画アプリケーション）を中心に、一般的なIT分野で10年以上の経験を持つ。また、ウィーン大学で数学の修士号を取得しています。