ワイヤレス監視による改善

モーター、ドライブ、およびその他の重要な電気機械設備の機械的故障は、生産停止の最も一般的な理由の1つです。幸いなことに、振動監視とデータ分析の最近の進歩により、故障前に問題を正確に検出できる状態監視システムが生まれ、コストのかかる機械のシャットダウンを減らし、生産量を最大化しています。

これらのシステムは監視対象の機器にインストールされ、通常、データ分析とアラーム通知のために中央コンピュータにネットワーク接続されます。マシンは、ネットワークインフラストラクチャが利用できない遠隔地にある場合や、有線ネットワーク接続が実用的でない移動プラットフォーム上にある場合があるため、ワイヤレス通信は、特定の状況でインストールコストの節約、迅速な展開、および信頼性の向上を提供するネットワークの代替手段です。 。

図1.直接シーケンス波形。

質問と懸念
多くの業界では、状態監視システムの購入は、単純な投資収益率（ROI）の計算で簡単に正当化されます。比較的わずかなコストで、重要なマシンに状態監視を後付けして、動作障害を減らすことができます。ただし、ネットワークインフラストラクチャが利用できない、または実用的でない場合は、追加のコストを考慮する必要があります。この追加費用には、光ファイバーケーブルの設置、コンジットエンジニアリング/設置、建物間のトレンチング、遠隔地の電話回線のリース、移動機器用のフェストゥーニングまたはスリップリングの設置が含まれます。これらの追加コストは、経営陣が受け入れる範囲を超えてROIを押し上げる可能性があります。

図2.802.11bダイレクトシーケンスチャネル。

監視対象のマシンが工場内のネットワークインフラストラクチャが利用できない遠隔地にある場合は、ケーブルを設置する必要があります。産業プラントでのケーブルの設置コストは、プラントのタイプと物理的構成によって大きく異なります。たとえば、研究によると、化学プラントでのケーブルの平均設置は1フィートあたり40ドル（1メートルあたり120ドル）ですが、原子力発電所でのケーブル設置は1フィートあたり2,000ドル（1メートルあたり6,000ドル）になる可能性があります。実際のケーブルコストは、既存のネットワークインフラストラクチャに対するマシンの場所、必要なケーブルのタイプ（光ファイバーなど）、コンジットエンジニアリング（必要な場合）、人件費率、およびトレンチングが必要かどうかによって異なります。

マシンが数マイル（キロメートル）以上離れた遠隔地にある場合は、通信用の電話回線をリースする必要があります。リースされた電話回線の費用には、通常、初期アクティベーション/インストール料金とサービスの速度に基づく月額料金が含まれます。振動監視は継続的であり、通常はデータ集約型であるため、電話回線サービスは継続的な監視に十分な速度をサポートする必要があります。ポンプ場などの遠隔地への電話回線サービスも、回線品質が悪いために通信障害が発生しやすく、信頼性が懸念される場合があります。ワイヤレスセルラーサービスは、リモートサイトのオプションである場合もありますが、サービスの可用性に左右され、速度が制限されます。セルラーデータのサブスクリプションコストも高額になる可能性があります。

図3.重複しない802.11bチャネル。

機械が移動プラットフォーム（天井クレーン、トランスファーカー、コンベヤーシステムなど）上にある場合、状態監視システムをプラントネットワークに接続することは特に困難です。プラットフォームが移動する速度と距離によっては、花綱などの従来のケーブル接続方法が可能な場合があります。ただし、花飾りは摩耗しやすく、ケーブルが破損する可能性があるため、それ自体が信頼性の問題になります。スピニングプラットフォームの場合、イーサネットをサポートするスリップリングが利用可能ですが、高価であり、定期的なメンテナンスが必要です。一部のマシンは非常に高速に移動するため、実用的な通信方法はワイヤレス無線周波数（RF）のみです。

ネットワーク状態監視システムの課題を考えると、ワイヤレス通信は設置コストを削減し（ROI時間を短縮）、電話回線を排除し、以前は実用的ではなかったマシンをリモートで監視します。ただし、ワイヤレステクノロジと機器は、産業用インストールのパフォーマンスと信頼性が大きく異なります。成功するワイヤレスネットワークを設計するには、現在のワイヤレスの使用法、RFパス、および産業プラントの環境上の課題を調べる必要があります。

図4.周波数ホッピングチャネル。

ワイヤレステクノロジー
ワイヤレスイーサネットへの最も一般的なアプローチは、スペクトラム拡散帯域でのRF送信です。世界的に、2.4ギガヘルツおよび5.8ギガヘルツ（GHz）帯域は、ほとんどの国でライセンスなしで使用できます。

スペクトラム拡散とは、文字通り、RFエネルギーをスペクトル全体（またはスペクトルの広い部分）に拡散することを意味します。この技術は、複数のRFシステムが存在するノイズの多い環境で動作するように設計されている間、比較的高速の通信を可能にします。 RFエネルギーを拡散する主な方法は、直接シーケンスと周波数ホッピングの2つです。どちらの方法にも、産業用無線通信には長所と短所があります。

直接シーケンスは、帯域内の広いチャネルを使用して、高度にエンコードされたビットパターンを同時に変調します（図1を参照）。

ワイドチャネルにより複雑な変調方式の送信が可能になるため、ダイレクトシーケンスは最速のスペクトラム拡散データレートを提供します。直交周波数分割多重方式（OFDM）は、高速データレートが可能な複雑な変調技術であり、IEEE標準802.11gで広く使用されており、最大54メガビット/秒（Mbps）のRFデータレートをサポートします。

直接シーケンスは、IEEE 802.11b、802.11g（両方とも2.4 GHz帯域で送信）、802.11a（5.8 GHz帯域で送信）を含む、今日一般的なすべてのオープンWi-Fi標準で使用されている方法です。広帯域変調は高速を提供しますが、複数のシステムが近接して動作している場合、RFシステムはノイズの問題を起こしやすくなります。たとえば、IEEE 802.11bには13の使用可能なチャネル（一部の国では11チャネルのみ）がありますが、重複しないチャネルは3つだけです（図2および3を参照）。

チャネルの重複とプラントでのWi-Fiシステムの人気により、帯域の過密とRF飽和により、ワイヤレスパフォーマンスが低下する可能性があります。周波数ホッピングは、優れたノイズ耐性技術を備えているため、産業用システムで非常に人気のある技術です。直接シーケンスとは異なり、周波数ホッピングはスペクトル内の多くの小さなチャネルを使用し、チャネルをチャネル間で急速に変更します（「ホップアラウンド」します（図4を参照）。エラー訂正技術を組み込むことにより、送信機は確認応答が受信されるまで異なるチャネルを使用してパケットを何度も送信するため、周波数ホッピングはデータ送信を成功させるための最良の機会を提供します。周波数ホッピングの欠点は、直接シーケンスよりも遅く、データ遅延が長くなることです。ほとんどの周波数ホッピングシステムは、1Mbps以下のRFデータレートに制限されています。ただし、データレートがアプリケーションに対して十分に高速である場合、特に将来的にRFシステムが追加される場合は、周波数ホッピングの信頼性を上回ることは困難です。

周波数ホッピングモデムは独自仕様です。つまり、各メーカーは独自の技術を使用しており、ベンダーXは通常ベンダーYと通信しません。これは商用システムにとっては不利になる可能性がありますが、セキュリティと分離という2つの理由から産業用システムにとって望ましい場合があります。無線情報技術システムから。周波数ホッピング技術はオープンスタンダードに基づいていないため、メーカーは独自の認証プロセスと高度な暗号化技術を使用できます。

WPAおよびWPA2標準を使用するWi-Fiシステムではセキュリティが大幅に向上していますが、ハッカーは引き続き穴を探します。現在、多くの産業用Wi-Fiメーカーは、SSIDビーコンを送信しないことでアクセスポイントを非表示にするオプションを備えています。この手法は、潜在的なハッカーからアクセスポイントを隠すのに効果的です。

周波数ホッピングにより、プラント管理者はIT部門とは別に独自のワイヤレスネットワークを運用することもできます。ワイヤレスネットワークアクセス、倉庫のバーコードシステム、およびビデオ監視のための802.11テクノロジの人気により、独自の周波数ホッピングシステムは、産業用システムに最適であり、部門の管理者間の平和を維持する可能性があります。

図5.ワイヤレス冷却塔のアプリケーション。

ワイヤレスおよび状態監視の統合
ほとんどの状態監視システムには、ネットワーク接続用のイーサネット通信オプションがあります。データレート（帯域幅）とデータ遅延という2つの考慮事項が守られている場合、イーサネットはワイヤレスに最も簡単に適応できるインターフェイスです。これらの考慮事項は、複数のリモートマシンを監視する場合に特に役立ちます。適切なデータレートを維持しながら、すべてのリモートサイトに効果的に到達するRFネットワークを設計することが重要です。リモートマシンの数が多い場合は、各システムのパフォーマンスを最大化するために、個別のRFシステムをインストールするのが最適な場合があります。機械の位置と建物の構造によってアンテナの配置が決まり、複数のRFシステムを検討するもう1つの理由になる場合があります。多くの産業用システムは、自己回復メッシュを作成しながら、RF信号の伝播を支援するパケットリピーティングもサポートしています。最後に、ワイヤレス機器を産業用に特別に設計することは非常に重要です。調べるべき主要な仕様は、RF電力出力（通常は高いほど良い）、動作温度、組み込みの診断、危険な認証（必要な場合）、そしておそらく最も重要なこととして、サポートスタッフの産業用ネットワークの知識のレベルです。

ワイヤレスアプリケーション
遠隔状態監視は、電気機械機械が生産に不可欠であるほぼすべての産業に利益をもたらす可能性があります。ワイヤレス状態監視が特に効果的ないくつかのアプリケーションには、廃水処理プラントのポンプ、石油/ガス掘削リグで使用されるドライブ、自動車プラントの組立ラインのドライブ、および溶銑工場の天井クレーンの監視が含まれます。

特に興味深いアプリケーションの1つは、発電所の冷却ファンの監視です。

石炭火力発電所は、冷却塔の基部にある冷却ファンを監視したいと考えていました。冷却ファンは、高温の蒸気が常に存在する非常に過酷な場所に取り付けられています。ファンが故障した場合、技術者がファンを修理できるようにタワーをシャットダウンする必要がありました。これにより、需要のピーク時に、プラントの出力が低下しました。状態監視システムを設置することにより、プラントはピーク時以外のシャットダウン時にファンの修理をスケジュールすることができます。

状態監視システムは、タワーにイーサネットネットワークインフラストラクチャがないことを除けば、比較的簡単にインストールできました。光ファイバケーブルを引っ張るコストは10万ドル以上と見積もられ、設置には6か月以上かかります。発電所はワイヤレスイーサネットを使用して調査し、ファイバーのごく一部しか費用がかからず、3週間以内に設置できることを発見しました。インストールはスムーズに進み、システムは5年以上にわたって確実に動作しています（図5を参照）。

まとめ
振動解析の進歩により、プラントの生産を大幅に改善できる最新の状態監視システムが実現しました。残念ながら、これらのデバイスのネットワーク化のコストは非常に高くなるか、実用的でない可能性があります。産業用ワイヤレステクノロジーは、有線ネットワークの代替手段を提供し、コストの削減と信頼性の向上につながります。ただし、システムを成功させるには、最高のテクノロジーとワイヤレスハードウェアを選択するように注意する必要があります。