モーション/制御ソリューションで産業における効率性と持続可能性を推進

図1：大規模発電所における給水ポンプ。（画像提供：Shutterstock）

環境問題や持続可能なエレクトロニクスの必要性に直面する中で、世界中の産業が業務を最適化してカーボンフットプリントを最小限に抑えるソリューションを模索しています。業種を問わず、エネルギー使用量を減らし、廃棄物を最小限に抑え、生産量を最大化するためにプロセスを制御する必要があります。

モーション/制御製品は、電子アプリケーション内の機械要素の動き、速度、位置を管理するために協働します。これらの製品は、モーションのさまざまな側面に対して精密で効率的な、信頼性の高い制御を提供するように設計されており、機械や装置が最適な性能と最小限の誤差で機能を発揮できるようにします。

電子部品の世界的なディストリビュータであるDigiKeyは、複数のサプライヤが提供するモーション/制御製品を幅広く取り揃え、お客様の自動化システムの持続可能性と効率性の向上に貢献しています。

モーション/制御システムのコアコンポーネント

モーション/制御ソリューションの中核を成すのは電気モータで、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する主要な手段として機能します。アプリケーションで使用されるタイプはいくつかあり、それぞれに独自の特性と利点があります。たとえば、ACモータは耐久性、効率性、高速動作能力で知られており、産業機械、HVACシステムおよび、信頼性の高い長期的な性能が不可欠なその他のアプリーションに適しています。一方、DCモータはトルクと速度の制御に優れているため、ロボティクスや車載用システムのように精密な動きが必要なアプリケーションに適しています。ステッピングモータは高精度の位置決めを提供し、3Dプリンタ、CNC機械および、精密なインクリメンタルモーションが必要なその他のデバイスで使用されます。サーボモータは、その高速応答時間と高トルク出力により、航空宇宙システムのように迅速で正確な動きが必要なアプリケーションに採用されています。

モータの動作を効果的に制御・安定化するために、モーション/制御ソリューションはさまざまなドライブとコントローラに依存します。可変周波数ドライブ（VFD）は、ACモータの速度とトルクを管理するために使用され、スムーズで効率的な動作と省エネルギーを可能にします。サーボモータ専用に設計されたサーボドライブは、閉ループ制御を提供し、高精度な位置決めとモーションを可能にします。複数の軸のモーションを同時に処理できるモーションコントローラは、複雑なアプリケーションに採用され、スムーズで正確な動作を実現するために、さまざまなコンポーネントの動きを調整および同期します。

アクチュエータもまた、エネルギーをモーションに変換し、機械部品を動かす力を提供する責任があるため、モーション/制御システムにおいて重要な役割を果たします。油圧アクチュエータは、その高い力出力と高負荷への対応能力で知られており、建設機器や産業機械など、純粋な力が必要な分野で使用されます。空気圧アクチュエータは、圧縮空気に依存してモーションを生成し、高速応答時間を提供するもので、梱包ラインやアセンブリラインのように迅速な反復動作を伴うアプリケーションで使用されています。リニアタイプやロータリタイプを含む電動アクチュエータは、医療、自動車、航空宇宙機器などのアプリケーションで精密な制御を提供します。

図2：スマートファクトリにおけるロボットビジョンセンサカメラシステム。（画像提供：Shutterstock）

センサ、フィードバックデバイス、制御システム

モーション/制御システムが最高レベルの精度と信頼性で動作することを保証するために、センサとフィードバックデバイスを使用してモーションのさまざまな側面を監視・測定します。リニアポテンショメータや回転ポテンショメータなどの位置センサは、機械要素の正確な位置に関するリアルタイムデータを提供し、正確な位置決めとトラッキングを可能にします。インクリメンタルやアブソリュートなどのエンコーダは、回転シャフトの角度位置や速度を決定するために使用され、正確な速度制御や位置制御を可能にします。レゾルバもエンコーダと似ていますが、過酷な環境での使用を想定して設計されており、繊細なアプリケーションにおいて高い精度と信頼性を提供します。

これらすべてのコンポーネントを結びつけるのが、モーション/制御ソリューションの全体的な動作を指揮・管理する制御システムです。プログラマブルロジックコントローラ（PLC）は、制御とオートメーションのために設計された堅牢な産業用コンピュータで、ファクトリオートメーションやプロセス制御などのアプリケーションで複数の入出力信号を同時に処理します。PLCよりも高い柔軟性と処理能力を提供する産業用PCは、複雑な多軸システムでモーション制御アルゴリズムをシミュレーションするために、高度なモーション制御ソフトウェアと組み合わせて使用されることが多くあります。

産業用アプリケーションにおけるモーション/制御コンポーネント

モーション/制御ソリューションは、広範な産業プロセスにおける効率、精度、生産性の向上に不可欠です。たとえば、ロボットアームや工作機械などの装置を管理して、産業オペレーションを強化し、エラーを最小限に抑えます。自動車工場や倉庫では、モーション/制御システムが産業用ロボット、協働ロボット（コボット）、自律移動ロボット（AMR）の動きを調整し、ハンドリング、アセンブリ、検査などのタスクを実行します。同様に、産業用パッケージングアプリケーションでは、モーション/制御ソリューションがコンベヤシステム、選別機、自動保管/検索システム（AS/RS）を使用し、箱やパレットなどのアイテムをピッキングおよび搬送します。

医療分野では、モーション/制御システムによって医療の提供方法や研究の実施方法が形作られています。それらは、手術用ロボット、画像診断システム、実験室用計器などの医療機器や装置において、正確な位置決め、投薬、オートメーションを可能にします。たとえば、モーション/制御コンポーネントを搭載した手術用ロボットは、正確かつ最小限の侵襲で手術を行うことができるため、患者の回復期間を短縮し、全体的な転帰を改善することが可能になります。製薬研究所の自動液体処理システムも、モーション/制御システムを使用して試薬を正確に調剤・混合することで、創薬プロセスを合理化し、新しい治療法の開発を加速させます。

航空宇宙・防衛産業もまた、衛星測位、航空機制御システム、ミサイル誘導などのミッションクリティカルなアプリケーションにおいて、精密なモーション/制御ソリューションに依存しています。これらの分野では、意図したモーションや位置からわずかにずれただけでも、壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。モーション/制御技術は、これらのシステムが卓越した精度と信頼性で作動することを保証します。それにより、人工衛星が軌道を維持し、航空機が安全に飛行し、ミサイルが目標に到達することが可能になります。さらに、これらのソリューションは、新しい航空宇宙技術や防衛技術の開発やテストも可能にします。それにより、技術者は、複雑なシステムを現場に配備する前にシミュレーションし、検証することができます。

DigiKeyの複数サプライヤ戦略

DigiKeyは複数のサプライヤと提携することで、技術者やシステム設計者が幅広い製品を利用できるようにしています。この戦略により、製品の種類が増えるだけでなく、入手性が向上し、競争力のある価格設定が促進され、豊富な技術的専門知識へのアクセスが提供されます。DigiKeyの複数サプライヤアプローチの明確な利点の1つは、多数の産業要件に対応できることです。精密計測器用の小型ステッピングモータであれ、ヘビーデューティオートメーション用の高トルクサーボドライブであれ、DigiKeyの在庫からあらゆる用途のソリューションが提供されます。この多様性により、エンジニアは、システム全体の性能と効率を最適化できる、特定のニーズに最適な製品を見つけることができます。さらに、DigiKeyは複数のサプライヤから調達することで、サプライチェーンが寸断されるリスクを最小限に抑えています。あるメーカーで生産上の問題や遅延が発生した場合、他のサプライヤから代替製品を調達することで、顧客に対して信頼性の高い安定した供給を確保することができます。わずかなダウンタイムでもリソース、予算、オペレーションに大きな影響を与えかねない産業用施設では、この耐性がすべてを左右します。

業界をリードする高度なモーション/制御製品

DigiKeyとSchneider Electric、Siemens、Omronなどの大手メーカーとのパートナーシップは、当社の品質と技術革新への取り組みを示しています。これらの業界大手は、効率性と持続可能性を促進する高度な機能と技術を組み込んだ最先端のモーション/制御ソリューションで有名です。

Schneider ElectricのAltivar™ソフトスタータATS480（図3）は、これまでのスタート/ストップ性能をベースに、装置の寿命をさらに延ばし、厳しい環境でのアプリケーションの可用性を最大化します。Altivar 212 VSDは、HVACシステムのシステムインテグレータやエンドユーザーに最大限の使いやすさと安全性を提供し、エネルギーを節約して建物の快適性と管理を向上させます。同様に、ATV320 VFDは、安全性、信頼性、シンプルさを小型フォームファクタで提供し、設置の簡素化とスペースの有効利用を実現します。

図3：Schneider ElectricのAltivar™ソフトスタータATS480。（画像提供：Schneider Electric）

Schneider ElectricのEasy TeSys製品ラインには、最大ダイヤル設定の13倍の磁気保護を備えた手動モータスタータ、ネジクランプ端子接続を備えた熱過負荷リレーおよび、約100万回の電気動作寿命を提供する3極コンタクタがあります。これらのデバイスは、一般的なモータアプリケーションのスイッチングおよび保護用に設計されています。TeSys™ island通信モータスタータは、リボンケーブルのワンクリック接続で制御配線やPLC IOを排除し、産業用通信プロトコルを介してデータにアクセスできます。

SiemensのSINAMICS V20ドライブは、小型で堅牢、かつ頑丈な設計となっており、プロセス施設や製造施設におけるさまざまな基本的ドライブアプリケーションに最適です。また、SIRIUS 3RA23シリーズ 可逆コンタクタアセンブリは、主回路と制御回路の配線ミスを防止します。制御盤用SIRIUSコンタクタは、従来型とソリッドステートという操作メカニズムの選択肢を備えており、電気負荷を切り替えるための柔軟なオプションを提供します。

OmronのMX2シリーズ 可変周波数ドライブは、正確な動作、省エネルギー、フォールト保護を実現するVFD技術を採用し、高度なモータ制御と機械制御を提供します。MX2は高度な設計とアルゴリズムにより、ゼロ速度までのスムーズな制御と、開ループでのトルク制御機能を提供します。

図4：Schneider ElectricのTeSys熱過負荷リレー。（画像提供：Schneider Electric）

自動化された生産ラインにおける持続可能性の向上

モーション技術と制御技術が持続可能性に与える影響を説明するために、製造工場の自動化された生産ラインについて考えてみましょう。コンベヤの速度や包装機のモータの精密な制御から、ロボットアームの統合や安全システムの導入に至るまで、メーカーは以下のコンポーネントを使用することで、オペレーションの安全性と信頼性を確保しながら、エネルギー消費と無駄を最小限に抑えるという目標を達成することができます。

コンベヤシステム：自動化された生産ラインにおいて、製造工程の異なるステージ間で材料や製品を搬送する上で重要な役割を果たします。Schneider ElectricのAltivar 212 VSDまたはOmronのMX2シリーズ VFDを組み込むことで、コンベヤモータの速度を必要な生産速度に合わせて制御することができます。コンベヤを最適な速度で動作させることで、エネルギー消費が少なくなり、機械部品の摩耗や損傷も少なくなります。さらに、Schneider ElectricのAltivar™ソフトスタータATS480のようなソフトスタータを使用すると、コンベヤモータをスムーズに始動・停止できるため、機械的応力が軽減され、装置の寿命が延びます。

包装機：自動化された生産ラインの不可欠な部分であり、製品の包装、密閉、ラベリングを担当します。これらの機械は多くの場合、一貫性のある正確な包装を実現するために、モータ速度とトルクの精密な制御を必要とします。Schneider ElectricのATV320 VFDを統合することで、包装機のモータを高精度で制御し、システム全体の性能とエネルギー効率を高めることができます。

ロボットアーム：自動化された生産ラインにおいて、マテリアルハンドリング、アセンブリ、品質検査などの作業に広く使用されます。これらのツールは、正確かつ効率的にタスクを実行するために、複数軸のモーションを正確に制御する必要があります。Schneider ElectricのTeSys island通信モータスタータは、ロボットアームのモータを制御します。TeSys islandには複雑な配線やPLC IOが不要なため、ロボットアームの制御システムの迅速な設置や簡単な設定も可能です。内蔵のデジタルインターフェースとスマート構成ツールによって試運転と調整が簡素化され、通信プロトコルを介して重要なデータにアクセスする機能によって遠隔監視と予知保全が可能になります。

ポンプとファン：冷却システム、油圧パワーユニット、換気システムなど、自動化された生産ラインのさまざまな側面で重要になります。これらのコンポーネントの性能を最適化することで、エネルギー消費を抑え、稼働時間を最大化することができます。SiemensのSINAMICS V20ドライブは、小型の堅牢設計で、産業環境におけるポンプやファンの制御に適しています。SINAMICS V20ドライブは、PID制御、マルチポンプ制御、省エネモードなど、さまざまな機能を提供します。

安全システム：製造施設では、人員と装置の安全を確保することが最も重要です。安全定格のコンタクタアセンブリを使用することで、生産ラインで高い安全性を実現し、事故やダウンタイムのリスクを低減できます。SiemensのSIRIUS 3RA23シリーズ 可逆コンタクタアセンブリにより、モータ制御システムに安全機能を実装することができます。これらのアセンブリは、IEC 61508やISO 13849-1などの国際規格に準拠した機能安全システムにシームレスに統合できます。3RA23シリーズには機械的および電気的なインターロック機能が統合されているため、配線ミスを防ぎ、逆転モータ回路を安全に動作させることも可能です。

図5：デジタル工場生産のためのスマートな産業用ロボットアーム。（画像提供：Shutterstock）

まとめ

高度なモーション/制御ソリューションは、さまざまな産業において効率性と持続可能性の重要な原動力となっています。これらの技術を自動化された生産ラインに組み込むことで、メーカーは作業効率を改善し、エネルギー消費を削減し、材料の無駄を最小限に抑え、装置の寿命を延ばすことができます。DigiKeyは複数のサプライヤから製品を調達しているため、技術者や設計者は、エコフレンドリーでありながら高性能を実現するシステムを構築できます。DigiKeyは、技術者がアプリケーションに最適なモーション/制御製品を調査、比較、調達できるプラットフォームを提供しています。