最先端の自動化技術でパワーアップ：持続可能な旅

コネクテッドセンサ、ロボティクス、適応型駆動などの高度なオートメーションのコンセプトは、省エネルギーで資源効率の高い生産の鍵です。システムインテグレータやプラントオペレータにとっては、持続可能性の観点からインフラやプロセスを最適化するための強力なテコとなります。

(画像提供：AzmanJaka via Getty Images）

エネルギー需要、原材料の使用、そして特に大都市圏では、必要な土地の広さが、工業生産の最も重要な要素となります。一方では、工場やプラントの経済効率を左右し、他方では、持続可能な操業に不可欠です。

世界の多くの地域では、従来の化石燃料の使用を制限し、再生可能な代替燃料に置き換えるために多大な努力が払われています。これまでの成功は、政治、産業界、民間部門の献身的な努力の賜物です。例えば、エネルギー革命の枠組みの中で再生可能エネルギーを一般的なエネルギー源に進化させることを目指しているドイツでは、エネルギー消費全体に占める再生可能エネルギーの割合は昨年48%強に達しました。連邦ネットワーク庁によると、製造業はエネルギー消費の4分の1以上を占めており、電力需要に占める割合もそれに匹敵します。化学と金属の生産と加工が主導部門です。

電気工学や機械工学、食品製造など、これらの産業やその他多くの製造業は、工場や工程の自動化の進歩によって支えられています。生産性とコストの最適化に加え、製品やプロセスの持続可能性の向上につながるパラメータにますます焦点が移っています。デジタル化とインダストリ4.0のコンセプトにより、エネルギー効率、資源の経済的利用、廃棄物の回避、可能な限り小さなカーボンフットプリントがますます目標とされています。

持続可能性のための最適化

オートメーション技術は、機械およびプラントエンジニアリングのシステムインテグレータや製造企業が、インフラ、プラント、プロセスを持続可能性の観点から最適化するために活用できる、さまざまなアプローチを提供します。センサを包括的に使用し、産業用モノのインターネット（IIoT）に統合することで、エネルギー消費、環境パラメータ、在庫を継続的に監視する幅広い可能性が生まれます。コネクテッドセンサの助けを借りて、製造企業は、例えば、商品の輸送をリアルタイムで追跡したり、充填レベルを監視したり、生産ラインの機械や工具の状態データを記録したりすることができます（図1）。

図1：機械の状態データを取得、分析することで、より持続可能なプロセスを実現できる可能性があります。（画像提供：Banner Engineering）

生産へのIIoTアプローチを総合的にサポートするセンサ製品ファミリの優れた例は、米国のサプライヤであるBanner Engineeringの Snap Signal製品ラインアップです。一般的に、ユーザーの課題は、まず関連データを特定し、次のステップで既存の機器からそれを抽出することです。ドライブの振動や温度など、さらなる変数を測定するために追加のセンサ技術を取り入れる必要性が確認された場合、既存の制御アーキテクチャに変更を加える必要はありません。また、通信を標準化し、すべてのセンサと制御データを共通のプロトコルに変換することも重要です。この目的のために、Snap Signal製品ライン（図2）は、スマートセンサ、信号コンバータ、コントローラ、信号アダプタ、ワイヤレス通信モジュール、およびオートメーションエンジニアがプラグアンドプレイでこれらのタスクを解決できる有線コネクティビティ技術を提供しています。

図2：生産へのIIoTアプローチをサポート。Snap Signalファミリのスマートセンサ、コンバータ、コントローラ。（画像提供：Banner Engineering）

このようなセンサデータの処理と分析（クラウドで集中的に、あるいは現場で直接実行される）は、プロセスのエラーや最適化の可能性、あるいはメンテナンスの必要性に関する結論を導き出すことを可能にします。こうすることで、エネルギー損失を減らし、資源の使用を最小限に抑えることができます。一方、予知保全は、サービス作業を事前に計画できるため、ダウンタイムが短縮され、エネルギーや材料の追加支出の回避に貢献します。

省エネ駆動技術

例えば、生産工場のエネルギー需要に関しては、駆動技術が大きな役割を果たします。例えば、高度な可変周波数ドライブ（VFD）を搭載した効率的なドライブシステムは、モータの回転数をシステムの真の要求に正確に一致させることができ、特に可変負荷アプリケーションにおいて電力消費を大幅に削減します。回生ドライブは、ブレーキエネルギーを回収して再利用することで、さらに消費を抑えることができます。インダストリ4.0の中核要素のひとつとされる生産工場のモジュール化とフレキシブル化の過程で、その重要性はますます高まっています。モジュール工場のコンセプトでは、無人搬送車（AGV）や移動支援ロボットが、ハンドリングや組み立てなどのサポート機能を担います。AGVや協働ロボットの移動距離が長いだけでなく、エネルギー使用が少なく、小さなエコフットプリントも保証するため、軽量および回復力が重要な特徴になります。

フランスのメーカー、 Schneider Electric は、コンパクトなVFD Altivar ATV320で、高効率ドライブ技術のこの市場セグメントに対応しています。0.18～15kWの三相同期および非同期モータを可変速度で制御するのに適しています。同サプライヤによると、アプリケーションの効率化をサポートするために設計された、統合された安全性と多数のすぐに使える機能を兼ね備えています。これらには、低速トルクと速度の精度、センサなしの磁束ベクトル制御を特徴とする高い動的応答、高速モータ用の拡張周波数範囲などが含まれています。ATV320（図3）は、多くの産業プロセスで典型的な汚染雰囲気に対する耐性が向上していることが重要な特徴で、保護等級IP20とIP6xの仕様を満たしています。VFDは、さまざまなシステム構成に完全に統合できるように設計されています。ModbusおよびCANopen接続用のRJ45コネクタを装備しています。その他の通信オプションには、Ethernet IP、Modbus TCP、Profinet、EtherCAT、DeviceNet、PowerLinkがあります。

図3: 三相同期および非同期モータを可変速度で制御するAltivar ATV 320 VFD。（画像提供：Schneider Electric）

よりスマートな制御

エネルギーと業界リソースの持続可能な利用を追求する上で、制御技術の最適化は避けて通れない道です。自動化プラントにおける生産データの収集、処理、分析に関しては、最先端のエッジコントローラが今日、重要な役割を果たしています。コンパクトで拡張性に優れ、産業用Ethernetで接続されたこれらのデバイスは、クラウドベースとローカルの両方のソリューションの実装に使用できます。診断とエネルギー管理のための専用機能は、オートメーションエンジニアが製造プロセスを分析し、ボトルネックを特定し、 Simatic S7-1200などの産業用コントローラに基づいた最適化対策を開始するのに役立ちます。高度な制御アルゴリズムと、統合された通信および安全機能が、正確なプロセス実行に対し決定的に重要な役割を果たしています。

図4：Siemensのベーシックコントローラを使用した製造データ分析に基づく効率的なプロセス実行は、クラウドとローカルの両方のソリューションが実装できます。（画像提供： Siemens）

精度による効率化

小型、軽量設計とインテリジェントな制御技術により、小型で機敏、そして非常に多用途なロボットは、製品リソースの持続可能な利用に大きな影響を与えます。ドイツのメーカー KUKA のAgilusファミリの堅牢で適応性の高い装置は、その顕著な例です（図5）。これらのロボットにはエネルギー供給装置が内蔵されており、クリーンルーム用、衛生上重要なアプリケーション用、爆発する可能性のある環境用など、いくつかのバリエーションがあります。人間とロボットの共同作業のために設計されたこのロボットは、非常に精密で反復精度の高いモーション制御により、非常に効率的なプロセスを実現します。例えば、機械加工工程における再加工の必要性や不合格品のレベルを最小限に抑えるのに理想的です。

図5：ロイトリンゲン大学（ドイツ）のプロジェクトにおけるKR Agilus。ここでは、学生たちが産業界のパートナーとともに、使い捨てプラスチック製カトラリーに代わる持続可能な代替品の開発に取り組んでいます。(画像提供：KUKA Deutschland）

このようなコンパクトで可変的なアシスタントの使用は、メーカーがさまざまな成功事例を記録しているように、中小企業にとっても理にかなっています[4]。ロイトリンゲン大学（ドイツ）の学生が、使い捨てプラスチック製カトラリーに代わる再利用可能なカトラリーを研究している大学プロジェクトもそのひとつです。ドイツの射出成形のエキスパートであるGindeleと、KUKAおよびそのシステムパートナーであるRobomotionがサポートしています。射出成形周辺のハンドリングはすべて、柔軟性の高いロボットセルでカバーされており、その中核となるのが、3Dプリンタで作られたグリッパを備えたAgilus小型ロボットです。

データシートによると、KUKA Agilus KR6 R900-2 6軸ロボットは、最大リーチ901mm、可搬重量6.7kgを特徴とし、ISO 9283に準拠した±0.02mmの姿勢再現性を達成しています。他の機械との連動によるハンドリングから、試験および測定技術、接着剤またはシーリング剤の塗布、組み立て、ピックアンドプレイス、梱包、試運転まで、さまざまな用途が考えられます。ロボットの設置面積は208mm x 208mm、重量は約54kg、IP56/67およびESD保護（静電気放電）に対応し、床置き、天井吊り、壁掛け、アングル取り付けに適しています。

デジタルモデル、材料、その他

ここで紹介したアプローチ以外にも、エンジニアは持続可能な材料や循環型経済技法、デジタル化の分野における最新動向を応用することで、さらなる最適化の可能性を活用することができます。循環型経済の目的は、廃棄物や残留物を避け、できるだけ多くの原材料、部品、梱包材をリサイクルし、再利用することです。その原則は、自動化プラントがより持続可能な操業をするために決定的に重要な貢献を行うことができます。

デジタルツインとデジタルシャドウのコンセプトは、リソースを大量に費やして実機やプラントでテストすることなく、最適化の可能性を特定するための有望なアプローチです。実際の製品、プラント、プロセス、そしてそれらのライフサイクルを包括的にデジタル表示することで、メンテナンス対策を開始したり、開発、生産、バリューチェーンの他のすべての段階との相関関係を確立したりすることができます。エンジニアはこのようにして、実際の物体やプロセスの挙動、機能性、品質を詳細にシミュレートし、たとえば物理的なプロトタイプが不要になるなど、その持続可能性を向上させることができます。

まとめ

オートメーションは、生産性とコストの面で、プロセスおよび生産技術に大きな利点をもたらします。そのため、経済的に極めて重要な要素です。しかしそれ以上に、先進的なオートメーションのコンセプトと製品は、産業プロセスの持続可能性を向上させる鍵でもあります。予知保全からモジュール工場そして人間とロボットの協働に至るまで、この記事は、厳選された事例とともに、さまざまな可能性について説明しています。