スマートファクトリーでマシンデータを活用するには

すべての人にIoTを

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大多数の企業はIoTを知っていますが、今すぐ機械データから引き出せる価値を理解している企業は多くありません。それは、ショップフロアとビジネス環境の間のコミュニケーション能力の問題です。

"デジタルトランスフォーメーション」や「スマートファクトリー」という言葉が登場してからしばらく経ちますが、実際に適用しているのは先進的なメーカーだけです。機械と機械の間のコミュニケーションというアイデアは、当初は興奮と大きな期待をもたらしましたが、今では中規模や小規模の工場のオーナーたちは、「次は何をするのか?どうやってこの技術を工場に導入すればいいのか?"

Aruba Networks社の調査によると、98%以上のビジネス・リーダーがIoT(モノのインターネット)の概念を理解しているものの、多くの人が自分のビジネスにとってIoTが何を意味するのかを理解していません。その結果、IoTが適切に導入されなかったり、完全に変革するプロセスとしてではなく、基本的なレベルでしか利用されなかったりする。

しかし、IIoT(Industrial Internet of Things)の本質を理解している生産工場を見ると、それは現場とビジネス環境とのコミュニケーション能力に集約されます。具体的には、機器からバックオフィスの標準的なビジネスアプリケーションにマシンデータがどのように転送されるかということです。また、これらのデータからどのような結論を導き出し、それをどのように生産プロセスに反映させるかということも含まれます。全体として、デジタルトランスフォーメーションの成功は、機械からの数字を理解し、それを競争上の優位性に変えることができる組織の能力にかかっています。

ビジネスの新たな課題

有名な発明家であり、GMの研究責任者であったチャールズ・ケタリングは、"A problem well-stated is half-solved(よく言われた問題は半分しか解決されていない)"という言葉を残しています。スマートファクトリーへの曲がりくねった道は、企業にとっていくつかの新たな課題と既存の課題をもたらします。メーカーは、生産施設でデジタルビジネスモデルを実行する方法を理解する必要があります。

なぜスマートファクトリーが必要なのか?

まず第一に、機械は大量のデータを生成しますが、クラウドに数字を投げ込んだからといって、自動的に有益な情報が得られるわけではありません。コンテキストが必要なのです。

工場の設備は、生産工程に関する最も正確なリアルタイム情報を提供してくれますが、それを活用し、日々の仕事に生かすにはどうしたらよいでしょうか。

それはメンテナンスのことで、すべての部品が稼働しているかどうかを確認することでしょうか。それとも、多くの類似機器のデータを集約し、問題の初期兆候に基づいて、故障が発生する前に解決する、いわゆる予知保全になるのでしょうか?

また、MESやERPシステムに登録された機械からのレポートに基づいて、人間のオペレーターが意思決定を行うといった、生産現場のビジネス面にも影響を与えます。インダストリー4.0を導入するには、機器のアップグレードだけでなく、全体的な考え方のパラダイムシフトが必要です。

サイロを越えてつながる

工場が「モノの島」ではなく、「モノのインターネット」のコンセプトに沿って機能するためには、生産機械がお互いに、そして最終的にはエッジデバイスと対話する必要があります。多くのシステムが存在する中で、このような通信をどのように設定するかが問題となります。

現代の工場における課題の一つは、機械が個々の垂直サイロの中で通信し、デバイスからHMI/SCADAなどにデータを転送し、そこでオペレーターが生産の特定の部分を見張っていることが多いことです。経営者は以前から、生産設備を動かすシステムの中に貴重な情報が存在することを知っていましたが、それに直接アクセスすることはできませんでした。問題は、両方の世界が孤立して動作していることであり、両者の間にはほとんど何のつながりもありませんでした。しかし、データをブレンドして様々な部門に運ぶことを考えると、工場のデータ交換インフラの構築方法は異なるはずです。

ERPへのデータ移行

次に気になるのは、データの接続性です。生産工程のどこまでを見る必要があるのか。コントローラーだけなのか、それとも各センサーのデータが実際に必要なのか、など。これは、操作する情報量や、工場全体、個々の生産ライン、使用している特定のデバイスなど、設備のイメージに大きく影響します。

物理的な世界のデータをサイバーワールドに投入するには、アナリティクスの計画が必要です。データを利用するのはオペレーターなのか、それともサーバーが自動的にERPやMESシステムに集約した情報を送るのかを理解する必要があります。つまり、雪崩のように押し寄せてくるデータの中から、工場レベルでより良い分析と計画のためにどの数値を送るべきか、また、迅速な制御と意思決定のためにどのデータをローカルに残すべきか、ということです。

また、部門間や第三者とのデータ共有も重要な課題です。先進的な工場では、生産現場からの通知をもとに、ERPシステムが自動的に原材料を発注したり、メンテナンスサービスに点検の必要性を伝えたりすることができます。このような情報交換は、機械メーカーにとってもメリットがあります。各工場から届く自動報告書に基づいてメンテナンス計画を立て、事前に詳細な情報を代入し、より良いカスタマーサービスを提供することで、顧客を煩わしいダウンタイムから救うことができるのです。

マシンデータのセキュリティ

最後に、「スマートファクトリー」の究極の課題は、オープンなコミュニケーションのセキュリティを確保することです。Eclipse Foundationが発表した2019年のレポートによると、IoT開発者の関心事の中でセキュリティが第1位(31%)を占めており、接続性(21%)とデータ収集・分析(19%)は次の2位にとどまっています。ガートナー社の報告によると、IoTエンドポイント・セキュリティ・ソリューションへの支出は、2021年には$631Mに増加すると見込まれています。生産設備を世界に開放するには、それに応じた保護対策が必要です。

OPCからOPC統一アーキテクチャへ

1990年代後半から、生産オートメーションはOPCサーバーを中心に構築され、ハードウェアとソフトウェアが同じプロバイダーであるかどうかにかかわらず、デバイスから制御室のオペレーターのコンピュータへのデータ転送を可能にした。OPCプロトコルは、通信を標準化し、製造オートメーションのブレークスルーを予見させるものであった。OPCは、Windows OSの一部であるMicrosoft DCOM(Distributed Component Object Model)を応用したものである。2000年代初頭、このプロトコルによって産業オートメーションが開始され、工場はより安全で、より正確で、よりコスト効率の高い生産に移行することができた。実際、世界中の多くの生産工場では、今でもこの技術が活用されています。

しかし、このソフトウェアが市場に登場して間もなく、OPCプロトコルの欠点が明らかになった。まず、DCOMによってOPCはWindows OSにしか対応していない。次に、ソフトウェアの不具合を発見して修正することが困難であること、ウェブ上でのデータ交換が不可能であることなどが専門家から訴えられている。そして最後に、OPC技術は情報セキュリティの面で信頼できない。このため、業界からの複数の要望に応えて、OPC Foundationは新しい規格を作成した。OPC UAです。従来のバージョンをベースにしていますが、欠点はなく、マシン・ツー・マシンの通信と産業のデジタル・トランスフォーメーションのための全く新しいアプローチを提案しています。

その新機能は以下の通りです。

  • プラットフォームに依存しない。OPC UAは、マイクロソフト社のOLEやDCOM技術に依存していません。どのようなプラットフォームでも起動できます。Apple、Linux(JAVA)、Windows。
  • 複数のコンピュータ間でのデータ交換の設定が容易になります。DCOMではなく、一般的なデータ交換の標準規格を使用する。TCP/IP、HTTP(S)、SOAP。
  • データガバナンスとメンテナンスが容易になります。構造やモデルを使用し、データタグやポイントをグループ化したり、コンテキストを与えたりすることができます。これらにより、柔軟性が大幅に向上し、垂直方向のデータサイロだけでなく、部門間で工場をつなぐことが可能になります。
  • SCADAへの統合が容易。OPC UAサーバーは、機器に組み込まれているPLCの直接の部品とすることができます。OPC UAサーバーを購入して設定する必要はありません。
  • リソースの節約。OPC UAを使えば、施設内に設置され、システム間の翻訳を行う多くのPCは必要ありません。
  • データの暗号化OPC UAのセキュリティは、アプリケーション層とトランスポート層をカバーするマルチレイヤーコンセプトに基づいています。これには、認証と認可、暗号化、署名によるデータの完全性が含まれます。
  • 統合の柔軟性。UAのAPIは、いくつかのプログラミング言語で利用可能です。市販のSDKは、C、C++、Java、.NETで利用可能です。オープンソースのスタックは、少なくともC、C++、Java、Javascript(node)、Pythonで利用可能です。
  • 費用対効果、時間対効果。OPC UAコネクタを利用することで、リアルタイムのマシンデータをCRM、ERP、BI、Exchange、SharePointなどのドキュメント管理システムに統合し、生産計画やメンテナンスを改善し、生産効率を向上させることができます。
  • レガシーインフラへの接続OPCからOPC UAへの移行のためのメカニズムの可用性; OPC UAラッパー。

OPCユニファイド・アーキテクチャーは、企業と工場の境界を取り払う最初の通信プロトコルであるとメーカーは呼んでいる。しかし、実際には、生産現場と企業経営を支援するシステムをどのように接続すればよいのでしょうか。

CRM(Customer Relationship Management)、ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution System)、DMS(Document Management System)、BI(Business Intelligence)システム、倉庫管理システムなどは、企業経営を支援する最も一般的なソフトウェアです。規模の大小を問わず、多くの企業がこれらのアプリケーションをさまざまに組み合わせて使用していることから、工場の生活はこれらのシステムで計画、分析、予測、報告されていると考えてよいでしょう。完全に自動化されたスマートファクトリーとは、生産プロセスに関する正確な最新情報を、優先順位に応じて分析、インタイムアラート、メンテナンス通知などのために、これらのシステムでいつでも利用できることを意味します。

マシンデータをビジネスシステムに統合するには、2つの方法があります。1)OPC UA APIを利用したカスタム開発、2)マシンデータをERPやCRMシステムなどに連携させる既製のOPC UAコネクタを利用する、というものです。

私たちの意見では、カスタムプログラミングよりも2番目のシナリオの方が良いと思います。まず第一に、高価なプログラマーの労力に時間とお金を費やす必要がありません。第二に、更なるメンテナンスの世話をする必要がありません。構築済みのOPC UAコネクタは、通常、バグがなく、その日からすぐに使用できます。プログラミングのスキルは必要ですが、非常に基本的なものです。統合の原理を理解し、企業のマシンデータをビジネスシステムに接続するためのロジックを構築するには、2〜3時間が必要である。

デバイスからエンタープライズへ

なぜ、マシンデータをERP、CRM、MESに接続する必要があるのでしょうか?OPC-UAのスローガンは「デバイスからエンタープライズへ」ですが、この場合の「エンタープライズ」とは、インテリジェントな企業資源計画システムを意味します。

スマートな意思決定を行うために、インテリジェントなERPには、リアルタイムのIIoTデータとアナリティクスが必要です。これらは、企業を競合他社から差別化し、いわゆるスマートファクトリーを構成します。

ERP アプリケーションは、受注管理や処理、データ収集、企業の生産レベルでの計画、ビジネスプロセス全体の管理、他のシステムとの連携など、多くのタスクを実行するため、インテリジェントな ERP のタイムリーなパフォーマンスは多くの利点をもたらします。

プロセスを高速化し、手作業やエラーを減らし、ステップ間の移動を速くする必要がある場合、リアルタイムのデータを可能な限りソースに近いところで把握する必要がありますが、それは特定の生産ラインやデバイスであっても構いませんが、OPC UAを介したマシンデータのERPシステムへの統合は革命的です。

さらに、このような統合は、先に述べたカルチャーシフトにも役立ちます。従業員は、使い慣れたインターフェイス(さらにはモバイルフレンドリーであっても!)を介して提示される新しいテクノロジーをより積極的に採用するからです。ユーザーの採用を確実にすることはIIoTの大きな課題であり、ERP、CRM、MESなど、誰もが知っていて使っているシステムを介してデータを提示することで、インダストリー4.0への移行を加速させることができます。

IIoTスマートファクトリーのその他の構成要素は、予測分析、機械学習、ブロックチェーンのレポートシーリング、半自律的・自律的な判断と行動です。これらはすべて、複数のソースと膨大な量のコンテクスチュアルな高速データに基づいて材料を発注したり、出荷の判断をしたりするERPシステムの一部として、リアルタイムに分析・活用することができます。

結論

IIoTは、現代の工場にとってすでに需要なものに変わっています。競争に打ち勝つために、機械のデータを管理業務システムに接続することは、もはやオプションではありません。OPC UAはこの分野で良い仕事をしており、生産施設でのコミュニケーションをオープンにするための多くの機会とセキュリティ対策を提供していますので、接続されたスマートファクトリーのメリットを享受する時が来たと言えるでしょう。