QC測定データを製造システムにシームレスに統合し、OEEを向上させる

IoTとインダストリー4.0が製造現場を変革

モノのインターネット（IoT）および第4次産業革命（インダストリー4.0）は、現代の製造業における不可欠なパラダイムとなり、メーカーの運営方法や計画に大きな影響を与えています。全体設備効率（OEE）の改善はIoTの重要な要件であり、OEEを最適化するには、品質検査室および製造現場から収集される測定・検査データを含め、組織全体で正確かつ最新のデータを把握することが必要です。

測定・検査データ収集のスピード・量・精度が鍵

測定・検査データの収集速度、量、精度を高めることは、効率改善と高品質な部品の安定生産に不可欠な強力な洞察をもたらします。品質管理のための精密測定データを取得・収集する上で、これらのメリットを得る最も確実な道は、ワイヤレスかつモバイルなデータ取得技術の活用です。

ワイヤレスデータ収集システムに求められる要件

ワイヤレスデータ収集システムは、モバイル対応であることに加え、堅牢な暗号化とセキュリティを備え、無制限の距離、ゲージ互換性、使いやすさ、自動化製造ラインへの実用的な統合など、多様なニーズに対応できる必要があります。優れたシステムは、生産性を劇的に向上させ、ヒューマンエラーを排除し、完全なドキュメンテーションを提供し、データ取得プロセスを自動化します。これらのメリットは、単一の作業者による使用から、全社統合型品質管理システムまで、あらゆる規模で享受できます。

正確・タイムリー・完全なデータが必要な理由

メーカーが正確でタイムリー、かつ完全な測定・検査データを収集する必要がある理由は多岐にわたります。OEE、リーン、シックスシグマの取り組みには、ベストプラクティスの品質管理を支える信頼できるデータが不可欠です。特に医療、バイオメディカル、航空宇宙、防衛などの業界では、法規制への準拠と、重要部品製造におけるトレーサビリティと信頼性の高いドキュメンテーションの提供が求められます。

従来のデータ収集システムの一般的な限界

ヒューマンエラーと遅延のリスク

作業者に主要な測定値を手動で記録させるシステムでは、1シフトで数十〜数百回にも及ぶ極めて精密な注意力が継続的に求められますが、これは現実的ではありません。また、従業員がデータを正しく理解・収集・転記するための十分な知識を持っていないケースもあります。桁の入れ違い、小数点の位置間違いなどが頻発し、測定記録のために生産作業を中断せざるを得ず、全体の生産性を低下させます。

デジタルセキュリティの課題

測定データの送信に暗号化されていないネットワークを使用すると、ハッカーが企業のデータへより広範囲にアクセスする足掛かりとなり得ます。適切なセキュリティ対策なしにデータを送信することは、深刻なセキュリティリスクをはらんでいます。

拡張性の欠如

ビジネスの成長と多様化に伴い、品質管理プロセスが1つの施設内や複数の拠点に分散することがあります。データ収集システムに拡張性がないと、別個のデータ収集プロセスの構築に多大な時間と手間がかかり、混乱、不正確さ、コミュニケーションの遅延を招きます。最悪の場合、製品の不合格、失敗、顧客との法的問題に発展する恐れがあります。

サンプリング戦略による不完全な分析

サンプリング戦略では、生産されるすべての部品を100%測定する場合に得られる完全な把握ができません。この手法は従来のQCプロセスで一般的ですが、生産公差のドリフトを予測・特定できないおそれがあります。また、医療や軍事など100%検査とトレーサビリティが必須の業界では、サンプリング自体が選択肢になりません。

不合格品増加のリスク

不合格品はコスト、時間、リソースの損失を意味します。100%測定による完全な洞察がないと、メーカーは追加コストを負担し、顧客との関係を損なうリスクがあります。特に厳格な基準準拠を求める顧客に不合格品が流出すれば、深刻かつ壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。

新世代システムがデータ収集を改善・近代化・効率化

基本原則は、メーカーがインダストリー4.0の要件を満たすために、大量の測定データを正確かつ一貫して取得できるようにすることです。今日のワイヤレス測定データ収集システムは、完全性、拡張性、セキュリティ、堅牢性を備え、インダストリー4.0に対応する必要があります。つまり、自動化、操作性、拡張性の合理化、強固なデータ暗号化と保護、無制限の距離と制約のない伝送という基本メリットを提供することです。その結果、生産性向上、エラー削減、完全なドキュメンテーション提供、自動化による信頼性の高いデータ取得プロセスが実現します。

最新のワイヤレスネットワーク技術（短波無線周波数を用いて携帯電話、コンピュータ、ワイヤレス電子機器を相互接続）を採用することで、より高速、より広い帯域、より長い通信距離、より高いデータスループットが可能になります。このようなシステムは、以下を含む幅広い重要なメリットを提供します。

自動化

作業者が繰り返し作業を中断して測定値を記録する場合、生産性は確実に低下します。また、手動データ収集プロセスは記録データベースにエラーを混入させ、精度を大きく損ない、欠陥を継続させる恐れがあります。最新の測定データ収集システムでは、ボタン一つで測定データを送信できるため、大幅な時間短縮が可能です。例えば、データを書き留めてからコンピュータに入力するよりも、ボタンを押す方が少なくとも4倍速いです。

品質管理測定データ収集プロセス全体で自動化が最大限に活用され、プロセス効率と取得測定値の精度が向上します。自動タイムスタンプ機能などにより、各データポイントに重要なコンテキストが付与され、トレーサビリティと品質管理・生産仕様への準拠に不可欠です。測定ツールへ受信確認メッセージを返す機能も有用です。

高速処理

より高いビットレートと50ミリ秒未満の超高速接続、超低遅延ネットワークを使用するシステムでは、フルキャパシティでも大量データを遅延なく処理できます。

操作性の向上

測定データ収集プロセスの導入は、複数のレベルで抵抗に遭うことがあります。経営層は新手法の具体的メリットに懐疑的になりがちです。現場オペレーターは未知への恐れや新プロセス習得への不安を抱くかもしれません。これらを解消するため、操作性の高さを最優先し、オペレーターが短期間で自信を持ってデータ収集プロセスを最適化できるようにします。例えば、モバイルアプリの採用により、ノートPCなどの大型ハードウェアを現場に持ち込む必要がなくなります。

汎用性

新しいネットワークトポロジー構造は、シンプルから複雑な状況まで多様に構成可能で、分散型リモートゲートウェイも活用できます。今日のシステムのモジュール構造により、新たなデータ収集システムを導入せずに、品質管理測定データ収集プロセスを容易に拡張・縮小できます。データは、内蔵無線送信機を備えたゲージや外付けエンドノードからゲートウェイへ送信され、Android™、iOS®モバイルプラットフォーム、Windows®ベースのコンピュータ（ノートPC、デスクトップ、シンクラIENT、サーバー）で動作します。リピータおよびブリッジコンポーネントは、PLCやその他の高速シリアル自動化装置に直接接続し、リアルタイムデータ収集やリモートマシン操作に利用できます。

ワイヤレス測定では、内蔵無線を備えた測定ツールを使用するとデータ収集が極めて効率的です。また、幅広い電子精密ツール・ゲージブランドと互換性があることも有利です。バックパック型無線機は機能を拡張し、目立たず、簡単に取り付け可能です。最新システムのユーザーは、従来の単一ゲートウェイシステムとは異なり、データ収集の中心または分散ポイントとして機能する複数のゲートウェイを利用できます。コンパクトなゲートウェイとリピータは手のひらサイズです。

さらに、データ収集の用途は非常に多岐にわたり、システムはそれらすべてをカバーできる汎用性を備える必要があります。最新の測定データ収集システムは、自動車、農業から、防衛、航空宇宙、医療、エネルギーなどの高度に規制された業界における全部品・コンポーネントの100%測定まで、ほぼすべてのユースケースに適応します。

拡張性

最新データ収集システムは、短距離の1〜数台の測定ツールから、大規模工場内で数百ヤード離れた多数の測定ツール、複数施設にわたる1マイル以上の距離まで、幅広いアプリケーションと距離で精密測定データを確実かつ正確に取得できるよう設計されています。測定データ収集要件の進化と成長に合わせ、距離の拡大とアプリケーション要件の増大に容易に対応できます。

最もシンプルな用途では、モバイルデバイス上で動作するワイヤレスアプリを備えた「ポータブルスキーム」が採用されます。このシンプルな構成では、内蔵無線を備えた1台のワイヤレス測定ツールが、モバイルデバイスへ最大30フィート（10メートル）データを送信します。モバイルデバイスによっては、5〜8台の測定ツールをモバイルアプリに接続し、同様に30フィートまで送信可能です。また、USBゲートウェイを備えたノートPCやPCへ、1台以上のワイヤレス測定ツールから30フィートまでデータを送信することも容易です（図1）。

「典型的なスキーム」では、メーカーがコンピュータまたはノートPC上で測定データ収集システムを稼働させ、最大200フィートの距離で20台の測定ツールをデータ収集プロセスに組み込みます。この構成では1台のUSBゲートウェイが含まれ、測定ツールのバックパック型エンドノードにより送信範囲が30フィートから200フィートに拡張されます（図2）。

「大規模工場スキーム」の例では、20台の測定ツールがブリッジとリモートゲートウェイを使用し、総データ送信範囲を数百フィート〜ヤードまで拡張します（図3）。「エンタープライズスキーム」では、リモートゲートウェイ、ブリッジ、必要に応じてリピータを追加することで、送信距離を1マイル以上に延ばし、100台以上の測定ツールを組み込めます。各リモートゲートウェイは20台の測定ツールをサポートします。さらに長距離が必要な場合は、ヤギ長距離アンテナを組み込むことも可能です（図4）。

堅牢なデータ暗号化と保護

軍事を含むすべてのメーカーにとってデータセキュリティは最優先事項です。品質管理測定データ自体がハッカーにとって特に価値あるものでなくても、サイバー犯罪者は品質管理データの送信に使用されるネットワークをスプーフィングし、より広範なデジタルインフラへのアクセスを試みる可能性があります。測定データ収集システムは、高セキュアなワイヤレスプラットフォームを特徴とする多様な対策でこの問題に対処します。送信データは多層的なアプローチで暗号化され、受動的・能動的を問わず、外部からのデータアクセスを完全に防止します。

さらに、モバイルアプリはスマートフォンやタブレットのOSに接続しないため、重要なポイントでの意図しないアクセスを制限します。優れたセキュリティの維持には、無線伝送における新たな脆弱性への継続的な対応が含まれます。測定データ収集システムのサプライヤーは、このペースを維持することに専念すべきです。

無制限の距離と制約のない伝送

リモートゲートウェイ、ブリッジ、リピータを活用することで、効率的かつ信頼性の高いデータ伝送フレームワークが構築されます。システム構成は、バックパック型または内蔵型無線とモバイルアプリを稼働させるモバイルデバイスという最小構成から、ブリッジ、ゲートウェイ、リピータを用いて大規模工場構成で伝送範囲を大幅に拡張するものまで多岐にわたります。

最新測定データ収集システムのソフトウェアアプリケーションは、ワイヤレスネットワークを使用して複数の測定ツールから情報を収集します。ワイヤレスネットワークは、測定ツールの内蔵ワイヤレス技術またはエンドノードに依存してデータを収集し、PCへリレーします。データ収集システムは、ネットワークコンポーネントへ信号を送信して伝送を検証し、データを要求することもできます。システムのハードウェアコンポーネントは、USBゲートウェイ、リモートゲートウェイ、ブリッジエクステンダー、エンドノードです。エンドノードは測定ツールに取り付ける無線送受信機です。USBゲートウェイはPCに接続する無線送受信機です。リモートゲートウェイはUSBゲートウェイと同等ですが、ブリッジエクステンダーを使用してリモートゲートウェイとPC間の信号を増幅することで、PCからの通信範囲を拡張します。リモートゲートウェイはUSBゲートウェイと同等の範囲を持ちますが、PCから非常に遠くに設置できます。

どのシステムアーキテクチャを採用しても、データ収集が必要なあらゆる操作ポイントから、信頼性が高く、正確で、高速な品質管理測定データの収集ソリューションが得られます。

実用性

充電式のエンドノードとワイヤレス測定ツールを使用すれば、電池交換と関連コストが不要になります。また、IP67レベルの保護を備えたエンドノードとワイヤレス測定ツールを採用すれば、過酷な現場環境でも使用可能です。既存のSPC、MRP、ERPプログラムの大半に適応できることも、測定データ収集システムの利点です。

その他の検討すべき詳細と機能

• ワイヤレス測定ツールのゲートウェイまたはモバイルデバイスからの動作距離：最大30フィート（10メートル）
• バックパック型エンドノードのゲートウェイからの動作距離：最大200フィート（61メートル）
• 1ゲートウェイシステムで最大20台の測定ツール（主にノギス、マイクロメータ、インジケータ）を処理
• 追加のリモートゲートウェイで、サポートされる測定ツールを20台単位で拡張可能。リピータで送信範囲をマイル単位まで延長可能
• エンドノード無線機は、メインシステムがダウンまたはビジー状態の場合、最大10件の測定値を保存可能
• リモートゲートウェイとブリッジ間のブロードキャスト範囲：最大2,000フィート（610メートル）
• 測定データ収集システムに搭載された仮想多重化機能により、多数の入力（ツールデータ）を単一の出力リソース（仮想COMポート）で共有。ツールデータを取り込み、SPCソフトウェアやその他のソフトウェアパッケージで処理するためにCOMポートへ送信
• リモートクライアントソフトウェア経由でLAN経由でデータ収集サーバーへリモートアクセス可能
• 多様な導入環境に対応するオプションアンテナタイプ

測定ワイヤレスデータ収集システムを選択する際、サプライヤーの知識、サービス、サポートが鍵となります。品質管理における深い経験と専門知識の組み合わせが、成功する導入を大きく後押しします。

本記事は、L.S. Starrett Company（マサチューセッツ州アソル）の研究開発ディレクター兼先端技術部門ジェネラルマネージャー、Jeff Wilkinson氏によって執筆されました。詳細についてはこちらをご覧ください。