インダストリ4.0の工場や物流、データセンターにおけるマルチセンサによる資産監視のパフォーマンス改善方法

機械の振動や温度などのパラメータを監視することで、機械の性能や健康状態に関するリアルタイムのデータを提供することができ、メーカーは事前予防的なメンテナンスのスケジュールを立て、ダウンタイムを削減し、生産性を向上させるために必要なデータを得ることができます。

物流施設や輸送中の湿度や温度を監視することで、作業パフォーマンスを向上させ、ワクチンや生鮮食品のような商品を保護することができます。有線および無線接続の環境監視システムは、企業やクラウドデータセンターなど、さまざまなアプリケーションに対応しています。

振動の監視は、機械の潜在的な問題を事前に特定するのに有効です。国際標準化機構（ISO）10816は重要な参考資料となります。ポンプ、ファン、コンプレッサ、ギアボックス、ブロワ、乾燥機、プレス機、および 10～1000Hz の周波数範囲で動作する同様の機械に使用されるモータの振動シビリアティを評価するためのガイダンスを提供します。

この記事では、監視システムに対して有線接続と無線接続のどちらを選択するか、また、有線ネットワークと無線ネットワークの使用はどちらか一方を選択するのではなく、どちらか一方を選択することがいかに重要であるかを紹介します。続いて、ISO 10816で定義されている振動シビリアティの4つのクラスについて検討します。最後に、振動、温度、湿度、および代表的なアプリケーションを監視するための複数のセンサの使用など、有線と無線の両方の状態監視システムを実装するためのさまざまなオプションについて説明します。

Banner Engineeringは、EHMネットワークデータに簡単にアクセスできる機器ヘルスモニタリング（EHM）ゲートウェイの選択肢を提供しています。産業用EHMの設計者は、センサの読み取り値用のローカルディスプレイまたはオプションのクラウドダッシュボードを備えたSNAP ID有線ゲートウェイソリューションと、クラウドダッシュボード（図1）と直接接続するように設計されたCLOUD ID無線ゲートウェイのいずれかを選択できます。この2つの選択肢に共通する特徴は以下の通りです。

• EHMの運用を最適化するために、さまざまなセンサが選択可能
• 接続されたセンサの自動認識により、追加のプログラミングなしで迅速な導入が可能
• ダウンタイムを最小化し、生産性を最大化するために、機器の調整や必要なメンテナンスのスケジューリング設定に利用可能なセンサデータ
• 両システムによるクラウド接続サポート
• 設定済みのダッシュボードを利用でき、最適なデータ可視化のためにカスタマイズが可能

図1：BannerのSNAP ID有線（左）とCLOUD ID無線（右）のEHMゲートウェイには、いくつかの共通点があります。（画像提供：DigiKey）

EHMゲートウェイのコネクティビティの選択（有線または無線）

両者には共通する機能もありますが、有線EHMゲートウェイと無線EHMゲートウェイには本質的な違いがあります。AMG-SNAP-IDアセットモニタリングゲートウェイ（AMG）は、最大20個のセンサとコンバータの試運転、監視、アラームをサポートします。ModbusとBannerのSNAP SIGNAL接続をサポートし、個々のセンサやコンバータをスキャンし、モデル情報を自動検出します。ユーザーは、カスタムEHMソリューションを構築し、試運転するために、ModbusサーバID番号を変更し、割り当てることができます。接続されたデバイスをグループ化し、アラームに個別に閾値を割り当てることができます。アラームの状態は、タッチスクリーンと筐体上部のライトの色で確認できます。

クラウドへの直接アクセスが必要な場合、EHMシステム設計者はDXM1200-X2 IIoTゲートウェイを使用して、Bannerおよびサードパーティから最大200台のデバイスを接続し、パフォーマンスとマシンヘルスデータを配信することができます。センサノードを自動的に検出して接続し、データをBannerクラウドソフトウェアに配信することができます。開発者は、簡易なプログラミングツールか詳細設定が可能なプログラミングツールのどちらかを選ぶことができます。IIoTゲートウェイは、エッジで情報を処理し、Ethernetとセルラーネットワークの両方を経由して送信し、直感的なクラウドダッシュボードで世界中のどこからでも監視できます（図2）。

図2：無線（左）と有線（右）のIIoTセンサネットワークゲートウェイには、いくつかの共通機能があります。（画像提供：Banner Engineering）

有線および無線EHMアーキテクチャ

有線と無線のEHMアーキテクチャは、相互に相入れないなものではありません。有線システムは無線機能を持つこともできますし、無線アーキテクチャに有線接続機能を持つこともあります。

たとえば、基本的な有線EHMアーキテクチャには、4ポートのR50-4M125-M125Q-Pや、8ポートのR95-8M125-M125Q-Pのように、複数のセンサが接続された複数のジャンクションボックスを使用することができます。900MHzのR70SR9MQや、2.4GHzのR70SR2MQのようなBannerのSure Cross R70SRシリアルデータ無線は、追加のケーブル配線なしでネットワーク範囲を拡張することができます。これらの無線機能の特徴は以下の通りでです（図3）。

• RS-485シリアルインターフェース
• スター型およびツリー型のネットワークトポロジをサポート
• マルチホップによる自己修復、自動ルーティング無線周波数ネットワークをサポートし、ネットワーク範囲をさらに拡大
• 周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）技術により、信頼性の高いデータ配信を実現

図3：基本的な有線資産監視トポロジ（左）と無線接続されたリモートセンサクラスタの例（右）。（画像提供：DigiKey）

大規模な施設では、以下のような多数のシステムが広範囲に広がっている可能性があります。

• エアコンプレッサ
• ポンプシステム
• コンベヤシステム
• 多数のモータと機械
• ギアボックス
• 空気濾過システム
• 貯蔵タンクのレベル測定と監視

このような場合、有線と無線の技術を組み合わせることで、EHMシステムの性能を向上させることができます。上記のDXM1200-X2ワイヤレスIIoTゲートウェイには、Modbusの有線接続が含まれています。Ethernetが必要な場合、設計者はDXMR90-X1を利用することができます。DXMR90-4Kは、IO-Linkマスター/コントローラ機能を実装できます。Modbus、Ethernet、IO-Linkの選択に加えて、設計者はR709シリアルデータ無線機能を使って物理的に分散した資産に無線接続を提供することができます（図4）。

図4: IIoTワイヤレスゲートウェイ（左下）は、Modbus、イーサネット、IO-Link接続で利用できます。（画像提供：Banner Engineering）

ISO 10816 振動シビリアティ

ISO 10816はEHMシステムにとって重要な規格です。電気モータ、ポンプ、発電機などの機械の振動シビリアティを数値化します。この規格では、加速度、変位、振動速度の二乗平均平方根（rms）値を使用します。ISO 10816には、ピークツーピーク値に関する考慮事項も含まれています。振動シビリアティは、2つ以上のパラメータを測定したときに、実効値が最も大きくなります。この規格では、振動シビリアティを以下のような4つのレベルに分類しています。

• 通常、良好であることは、新しく導入された機械を示している。
• 正常な振動は、動作が正常であることを示している。
• 異常な振動は、動作を制限し、予防保守を計画する必要性を示している。
• 許容できない振動は、機械の損傷の可能性を示している。

図5：IEC 10816は振動シビリアティを4つのカテゴリーに分類しています。（画像提供：Banner Engineering）

振動と機械学習

「同一」の機械であっても、全く同じに作られてはいません。そこで登場するのが機械学習（ML）です。Banner Engineeringは、機械学習（ML）を利用して、各機械の振動に対する独自の基準動作値を設定する振動監視ソフトウェアパッケージ VIBE-IQ を提供しています。MLソフトウェアは、警告とアラームの閾値を自動的に設定します。複雑なEHMの計算や分析を自動化することができます。VIBE-IQの特徴には以下のようなものがあります。

• 実効速度（10～1,000 Hz）、実効高周波加速度（1,000～4,000 Hz）、温度を連続監視
• 稼働中のモータのみを監視
• リアルタイム監視だけでなく、トレンド分析にもデータを使用し、以下のような状況を特定
  • 位置合わせされていない、またはアンバランスなシステム
  • 部品の摩耗や緩み
  • ベアリングの過度の磨耗
  • 不適切な取り付けまたは駆動のモータ
  • 過温度状態
• ホストコントローラまたはクラウドにアラートを積極的に送信

振動と温度

機械に予防保全が必要であることを示す手がかりは、振動だけではありません。温度の上昇傾向は、EHMシステムに潜在的な問題を警告することもでき、特に温度の上昇が振動の増加と関係している場合はなおさらです。

この2つのパラメータを組み合わせることで、機器の状態をより完全に把握することができます。作業者にさまざまな状況を警告し、以下のような複数のメリットを提供することができます。

• 振動は、アライメントのずれ、アンバランス、ベアリングの摩耗など、機械的な問題を特定することができます。
• 温度の上昇は、巻線の過熱や潤滑の問題など、電気的な問題を特定することができます。
• 異常動作を検出する場合、帯域外振動と温度を相関させることで、考えられる原因を特定することができます。たとえば、振動パターンは根本的な原因を特定するのに役立ちます。
• 温度と振動の両方を監視することで、予防保全の計画を立てることができます。緩やかな温度上昇は、より早急な改善が求められる振動の増加に比べれば、必ずしも大きな問題ではありません。
• 問題になる前に潜在的な操作の制限を特定するために、センサデータを使用して長期的な資産の選択と利用を改善する方法を学習します。

温度と振動を監視する必要がある場合、EHMシステム設計者は、アルミニウム製ハウジングのQM30VT2センサ、またはステンレススチール製ハウジングのQM30VT2-SS-QPを使用することができます。両センサはRS-485経由でスレーブ機器としてModbus無線または任意のModbusネットワークに接続できます。小型のため、狭い場所にも設置可能です（図6）。その他の特長は次の通りです。

• 高精度温度および振動測定
• 温度測定範囲：-40°C～+105°C、分解能：1°C、精度：±3°C
• 最大4kHzの帯域幅で2軸の振動を検出、精度は25°Cで±10%、デフォルトのサンプリング周波数は20 kHz
• 振動波形から前処理した実効速度、実効高周波加速度、ピーク速度などを出力

図6：2軸振動＋温度センサをモータハウジングに直接取り付けることができます（右）。（画像提供：Banner Engineering）

振動スペクトルのバンディングは高度な能力です。広帯域の高速フーリエ変換（FFT）を分割して、10～1,000Hzおよび1,000～4,000Hzのスカラデータに加え、より狭い周波数帯域の実効速度または加速度データを得ることができます。ユーザーのニーズに応じて、帯域周波数は手動で入力することも、動的または静的な速度入力に基づいて自動的に生成することもできます。スペクトルバンド解析は、より具体的には回転機械の問題を診断するのに役立ちます。

温度と湿度

温度と湿度の監視は、データセンター、倉庫、クリーンルーム、冷蔵庫、冷却機などで重要な役割を果たします。DX80N9Q45THAのような温度、湿度センサは、以下のことに役立ちます。

• 生鮮食品やワクチンなど、温度と湿度を把握することが長期保存と腐敗防止に不可欠な商品の保存
• 過度の温度や湿度により正常な動作が妨げられたり、故障につながる可能性のあるデータセンター内のサーバやストレージデバイスなどの機器の保護
• 倉庫やその他の施設において、高湿度による高温化下により、涼しさを保てず熱中症になる可能性のある作業員の健康と安全の強化

温度測定範囲は-40°C～+85°Cで、分解能は0.1℃、精度は-40°C～0°Cで±0.6°C、0℃～+60°Cで±0.4°C、+60°C～+85°Cで±1.2°Cです。湿度センサは0%から100%RHまで測定でき、その精度は+25°Cで±2%、0°Cから+70°C、10%から90%RHで±3%、0°Cから+70°C、0%から10%または90%から100%RHで±7%です。

電源を入れると高速サンプルモードで動作し、2秒ごとにデータを送信します。5分後、ノードはデフォルトモードに入り、5分間隔でデータを送信します。サンプルレートは15分または64秒から選択可能です。

900MHz無線搭載モデルは、1W（30dBm）または250mW（24dB、ユーザー選択可能）で送信します。250mWモードは、レンジを狭めますが、短距離アプリケーションでのバッテリ寿命を向上させます。2.4GHzモデルの場合、送信電力は約65mW（18dBm）で、固定です。ストレージモードで動作している場合、バッテリの寿命を節約するために無線機能は、オフになります。

まとめ

インダストリ4.0工場における効果的なEHMシステムは、振動と温度を監視し、高レベルの稼働時間を確保するのに役立ちます。湿度および温度センサは、データセンターの運用パフォーマンスを向上させ、倉庫や物流業務においてワクチンや生鮮食品のような商品を保存することもできます。これらのシステムは、複数のパラメータを監視するために、有線または無線接続を使用することができます。