品質4.0：ワイヤレスIoTセンサーネットワークが製造業をどのように変革しているか

品質管理はすべての業界で基本的ですが、製造では非常に重要です。不安定な市場の需要、高い材料費、製造コスト、そして最終製品のミッションクリティカルな性質により、製造業者は一流の品質と最小限の拒否率しか追求しません。モノのインターネット（IoT）が製造業全体で徐々に進歩を遂げている現在、品質管理は変革の機会がある分野です。

一目でわかる品質管理の課題

効果的な品質管理は、製品の品質に影響を与える多数の機械およびプロセスパラメータを常に監視および制御する機能に依存しています。製品の特性が一貫していて標準に達していることを確認するために、プロセスのドリフトや生産ラインのその他の変更が発生したときに、機器の再校正が常に実行されます。しかし、ツールシステムと製造プロセスの複雑さが増すにつれて、かさばる有線ネットワークの制限により、多くのプロセス変数が無人のままになっています。

有線通信は、高スループットで時間に敏感な自動化タスクには理想的ですが、テレメトリデータを大規模かつマシンレベルを超えてキャプチャするために必要な柔軟性と手頃な価格に欠けています。通常、環境条件などの要因は、品質のばらつきに大きな影響を与えるにもかかわらず、調査および管理されていないことがよくあります。たとえば、自動車製造では、室温が不利に低いと、3D印刷されたコンポーネントの冷却が速すぎて、品質が低下する可能性があります。

さらに、前世紀に設計された有線駆動の産業用システムの大部分は、工場のフロアを超えたデータ交換を目的としていません。これにより、本番環境の効率とスループットを向上させるために利用できないデータの切り離されたアイランドが作成されます。代わりに、プロセスの最適化と品質管理は、多くの場合、事後対応型の手動のポストプロダクション検査に依存しています。費用のかかる人間の介入に加えて、これは品質の大きな変動とそれに関連するコストをもたらしますが、品質の問題の根本的な原因を追跡することは困難です。

インダストリー4.0に参入：プロアクティブな品質管理

プロセスの可視性を改善するという差し迫った探求は、プロアクティブな品質管理のためのIoTとそれに対応するインダストリー4.0の大きな可能性を物語っています。

ワイヤレスIoTネットワークは、生産ラインに沿って多数のきめ細かい重要なデータポイントをキャプチャします。たとえば、圧力、振動、温度、湿度などです。数千のセンサーがオンサイトにインストールされている可能性があるため、データは10〜20秒ごとに収集され、オンプレミスかクラウドかに関係なく、ベースステーションを介してユーザーの好みのバックエンドシステムに送信されます。リモートIoTプラットフォームを使用して、すべてのセンサーデータが統合され、リアルタイムの監視、実用的な洞察、およびプロセスの自動化が実現します。実行中の機器やプロセスに仕様外の状態が発生した場合、アラートをすぐにトリガーできます。これにより、製造業者は自社の業務と製品の出力を前例のない方法で制御できます。 IoTデータは、事後対応型の実行終了時の品質検査に加えて、生産のピークスループットと再現性のプロセスのはるかに早い段階で欠陥を診断および防止するためのプロアクティブな品質保証アプローチを強化します。これはまた、コストと無駄の削減につながります。同時に、ベストプラクティスを達成および維持するための貴重な洞察を提供します。

プロアクティブな品質管理のための5つの主要なアプリケーション：

1。状態監視と予知保全

IoTセンサーは、業界全体の複合施設全体にわたる多数のマシンおよび機器の圧力、振動、温度、湿度、電圧などの主要なヘルスおよび運用メトリックをキャプチャして伝達します（状態監視）。これらの大規模なデータフローは、現在の生産プロセスと資産パフォーマンスの洞察に満ちた全体像を生成するだけでなく、分析モデルに電力を供給して、差し迫った問題を事前に予測し、需要ベースの検査と修理（予知保全）をスケジュールします。たとえば、ギアボックス内の湿度が高いと、回転部品の性能が低下し、腐食、製品品質の低下、さらには機械の故障が発生します。モーターとポンプの過度の振動は、取り付け不良、シャフトのミスアライメント、およびベアリングの摩耗の可能性を示唆しています。予知保全により、障害を事前に防ぐことができるため、資産の使用率を最大化し、ダウンタイムによるコストのかかる損失を減らすことができます。

2。環境モニタリング

周囲条件は、生産と品質管理において重要な役割を果たすことができます。温度、湿度、および空気の質を測定する環境センサーの助けを借りて、プラントオペレーターは、コマンドセンターから、工場全体のさまざまなプロセスに最適な環境をリモートで監視および制御できます。たとえば、理想的な気圧差を維持することで、製造エリアへのほこりの侵入を防ぎ、製薬およびマイクロエレクトロニクス産業での製品品質を確保します。自動車生産における接着および塗装プロセスは、最適な湿度レベルで改善できます。同様に、加工および保管施設の正確な温度監視により、食品業界での製品の安全性を確保できます。

3。資産の追跡と管理

ツール、機械、車両などの個々の資産に接続されたIoTセンサーは、現在の状態、およびそれらが使用されている場所と方法に関する詳細情報をキャプチャして報告します。クロスサイト資産の全体像をリアルタイムで把握することにより、オペレーターは、十分に活用されていない機器をすばやく特定し、差し迫った問題やボトルネックを診断し、ツールや部品を簡単に移動できます。最終的に、資産管理にIoTを適用することで、組織は、エラーが発生しやすい手動の記録や過剰な注文を排除しながら、保守活動と資産の耐用年数を最適化できます。

4。リモートパイプラインとタンクの監視

タンクとパイプラインは、多くのプロセス産業において重要な資産です。化学製品やガスのオーバーフローや漏れは、生産の損失につながるだけでなく、環境に深刻な損害を与え、公共の安全を脅かします。レベル、振動、流量、および圧力センサーを実装することで、企業は、24時間体制で広く分散されたタンクとパイプラインの構造的健全性を監視すると同時に、手動チェックを減らすことができます。災害につながる可能性のある流出、漏出、または破裂の可能性についてアラートが発行されます。生産性を向上させるためにタイムリーに補充するために、タンク内の低レベルの材料に関するアラートを発行することもできます。

5。施設管理

IoTにより、重要なプラント設備のデジタル化された管理と保護が可能になります。工場全体のIoT対応エレベータ、煙探知器、火災警報器、およびその他の施設リソースは、バッテリーの状態または「稼働中」のステータスに関するデータを定期的に送信できます。これにより、製造業者は時間のかかる手動検査を削減すると同時に、生産ラインを中断する可能性のある問題に迅速に対応することができます。

品質4.0の将来性のあるワイヤレス接続

ほとんどの産業環境ではデータ取得が固有の課題であるため、IoTの展開は、圧倒的に複雑で、費用がかかり、威圧的に見えることがよくあります。 2025年までにアクティブなIIoTデバイスは368億台になると予測されており、現在の177億台から増加しています。新しいIoTアプリケーションを活用しようとする企業が増えるにつれ、通信ネットワークが数千の接続されたエンドポイントに対応できるように拡張されるため、通信ネットワークの長期的な信頼性、統合性、および管理性を考慮することが重要です。現実には、すべては、適切なビジネスケースに適切なIoT接続を選択することに帰着します。

ワイヤレス計装は必ずしも製造に新しいものではありませんが、範囲、電力、統合の容易さに関する重要な要件により、実行可能なオプションが制限されます。たとえば、産業用監視アプリケーションでは、数千のセンサーから1日に数百万のメッセージを送信する必要があります。これには、総所有コストを急速に膨らませる可能性のある頻繁なバッテリーの交換と廃棄を回避するための、拡張性が高く電力効率の高いソリューションが必要です。同様に、広大で構造的に密集した産業施設には、長距離を移動して物理的な障害物を乗り越えることができる信頼性の高い無線通信が必要です。製造施設の従来の設計も課題を生み出します。ワイヤレスソリューションは、PLCなどのレガシー機器と統合して、データサイロを分解し、以前はアクセスできなかった情報へのアクセスを提供できる必要があります。

従来のワイヤレステクノロジーは、IoTセンサーネットワークの範囲、電力、およびコストの要件に対応できません。従来のセルラー接続（3G、LTEなど）とワイヤレスローカルエリアネットワーク（Wi-Fi）は、多数のセンサーデバイスから少量のデータを送信するにはコストがかかり、電力を大量に消費します。 Bluetooth、Zigbee、Z-Waveなどの他のソリューションでは、物理的な範囲が非常に制限されています。また、それらの多くはメッシュトポロジを使用してカバレッジを拡張していますが、マルチホップリレーは電力を消費し、複雑なネットワークの計画と管理を必要とします。そのため、メッシュネットワークはせいぜい中規模のアプリケーションに適しています。

低電力ワイドエリアネットワーク（LPWAN）は、これらの落とし穴を克服し、大規模なIoTネットワーク向けの効率的で手頃な価格の導入が容易なソリューションを提供するという点で独特です。 LPWANの魅力は、長距離と低消費電力という2つの特徴的な機能に由来しています。 Wi-FiとBluetoothはせいぜい数十メートルまたは数百メートルしか通信できませんが、LPWANは、農村部では最大15 km、都市部の構造的に密集した地域では最大5kmの信号を送信できます。さらに、軽量で電力が最適化されたプロトコルにより、トランシーバーのコストが削減されると同時に、センサーノードのバッテリー寿命が非常に長くなります。

ただし、サービス品質はLPWANテクノロジーによって異なることに注意することが重要です。これは主に2つの理由によるものです。ライセンスフリースペクトルでの操作と、単純な非同期通信（通常は純粋なALOHA）の使用です（ノードはチャネルにアクセスし、送信するデータがある場合は常にメッセージを送信します）。電力に大きなメリットをもたらす一方で、非同期ネットワークでの非協調送信は、パケットの衝突やデータ損失の可能性を大幅に高めます。ライセンスフリーのサブGHz帯域でのワイヤレスIoTの展開と無線トラフィックが急速に拡大するにつれて、レガシーLPWANには、同一チャネル干渉によって引き起こされる深刻なサービス品質（QoS）とスケーラビリティの課題が伴う可能性があります。同じ点で、標準化と信頼性の高いモビリティサポートは、見逃してはならない他の重要な要素です。

まとめ

隠れたパターンを特定し、将来の問題を予測し、使用量とコストを予測し、IoTセンサーデータから洞察を引き出す機能は、産業プロセスを永遠に再形成します。このセクターはしばらくの間通信技術を採用してきましたが、LPWANのような新しいワイヤレス接続は、はるかに多くのデータポイントをはるかに低い価格でオンラインにするのに役立っています。業界の課題が複雑化する中、IoTの実装は、品質管理と運用効率を次のレベルに引き上げ、競合他社のトップを維持するためのターニングポイントになる可能性があります。

この記事は、BehrTech（North York、ON、Canada）のチーフプロダクトオフィサーであるWolfgang Thiemeによって書かれました。詳細については、Thieme氏（wthieme @ behrtech.com）に問い合わせるか、ここにアクセスしてください 。