先進センサ技術：産業システムにおける機械健全性・資産監視の強化

遠隔地設備から得られる監視データは、あらゆる産業プロセスの機能維持に不可欠です。多くの場合、このデータはSCADA（監視制御データ収集）制御システムによって、イーサネットとTCP/IPネットワークを介してバス、スター、ツリー型トポロジーで処理されます。IIoT（産業用IoT）システムは、これらレガシーシステムを補完・置換し、ゲートウェイを経由してクラウドに接続される無線ノードネットワークを構築し、より複雑なデータ処理と分析を可能にします。有線・無線を問わず、これらプロセスで使用される基盤センサーが、プラント設備の評価・分析に必要なデータの基盤を提供します。

IIoTにおける機械健全性・資産監視アプリケーション

遠隔産業機械の健全性・資産監視アプリケーションは、多様な業種にまたがり、様々なセンサータイプと無線プロトコルを組み合わせて、リアルタイムまたは準リアルタイムのデータ伝送を実現します。従来のSCADAアーキテクチャでは、センサー/アクチュエーターノードが産業用I/Oモジュール（多くはPLCやRTU）に接続され、これらがHMI（ヒューマンマシンインターフェース）である監視コンピュータからのフィードバックに基づいてセンサーデータをやり取りします。

一方、産業用無線センサーネットワーク（IWSN）では、複数のセンサーノードがポイントツーマルチポイント（PtMP）トポロジーでゲートウェイに無線接続され、ライセンス帯/非ライセンス帯と特定の無線プロトコル（WirelessHARTなど業界特化型、セルラー系、Zigbeeなど商用プロトコル）を使用します。これによりSCADAで必要だった個別I/Oモジュールの配線をバイパスし、センサーノード→ゲートウェイ/基地局→クラウドベースプラットフォームという階層を簡素化し、より複雑な分析を実現します。

モーター/ドライブと資産監視への応用

IWSNの機械状態監視応用には、産業用位置決め装置、モーター/ドライブ、資産監視が含まれます。誘導モーターは精密CNC工作機械から大型クレーン、プーリー、コンベアベルトまで幅広く使用され、故障は機械精度低下や故障・工場停止を招き、貴重な稼働時間を損なうとともに修理コストを発生させます。モーターの一般的故障には、ロータバー亀裂、巻線短絡、エアギャップ変動、ベアリング故障などがあります。

振動解析と電流シグネチャ解析

加速度計は振動データ解析に最も多用されます。回転機械の多くの機械的故障は振動レベルの検出可能な増加をもたらすためです。追加測定手法としてモーター電流シグネチャ解析（MCSA）があり、モーターからの電流波形歪みから、ピーク振幅と発生周波数に基づき特定故障を推定します。これはクリップオン型電流トランス（CT）で実現されることが多いです。

多様なセンサーの活用

加速度計と電流センサーの他、温度、湿度、圧力、レベルセンサーもIWSNで頻繁に活用されます。資産監視では、化学・食品・医薬品混合タンクの充填レベル追跡が重要で、圧力センサーや液位センサーで計測します。空気/液体流量監視も圧力・液体センサーで可能です。水処理施設では、流入/流出ラインの圧力差でフィルター性能と目詰まりを監視します。

光学、電磁、レーダー、機械、超音波、音響など、同一センシング成果を得るための多様な基本原理が存在します。技術選択は価格、精度、フォームファクタ、設置/校正容易さ、応答速度、連続/離散監視のバランスで決まります。以下、IWSNでよく用いられるセンサーを概説します。

一般的センサー技術の概観

加速度計

機械設備の振動データ監視の要です。加速度、減速度、衝撃などのパラメータを電圧データから収集し、時域または周波数領域で振動診断に変換します。時域解析では、信号サンプルの収集・分布により機械挙動の経時変化を捉えます。単純な形では、機械ハウジングのRMS速度で「アラーム限界」を定義します（ISO 2372）。

時域解析は故障早期発見には不向きですが、過渡的・間欠的イベントの分類に優れます。周波数領域では、様々な故障がスペクトルパワーの明確な差異（様々な周波数での振動速度ピーク）として現れ、故障分離に優れます。時域は既知の問題や特定パターン検索に、周波数領域は広範な機械運転調査と故障特定に適しています。多軸加速度計は軸方向と半径方向の両方向データ収集が可能で特に価値があります。加速度計の基本原理には静電容量式、圧電式、圧電抵抗式があります。

最も一般的なのは静電容量式で、ばね支持されたプルーフマスが加速度ストレスでアンバランスになり、電極が静電容量変化として検出し加速度率と方向を導出します。圧電式もプルーフマスを用いますが、マスのシフトが圧電材料にせん断応力を生じ、直接電気出力に変換します。圧力・レベルセンサーと同様、圧電抵抗原理（プルーフマスと歪みゲージ）も利用可能です。

電流センサー

MCSA解析、スマートメータリング、電源アプリケーション（インバータ制御、UPS、溶接など）で用いられます。基本原理はオームの法則、ファラデーの法則、ファラデー効果、磁場検知の4つです。

抵抗シャント型はオームの法則を利用し、電流伝導体に直列に抵抗素子を配置し、電圧降下から電流を求めます。電流トランス（CT）はファラデーの誘導法則を利用し、高透磁率磁気コアに複数巻線を施し、一次巻線（電流伝導体）の磁束が二次巻線に比例電流を誘導します。ロゴスキーコイルは空気同様の透磁率コアを用い、誘導電圧が目的電流の時間微分に比例するため、二次巻線にオペアンプ積分回路を接続します。

ホール効果磁場センサーもオープンループ/クローズドループで活用されます。オープンループはCT同様の構造でコア隙間にホール素子を配置し、電流に比例する電圧を得ます（増幅必要）。クローズドループは補償コイル（二次巻線）で磁場を相殺し、ホール素子で磁場をゼロに保ち、出力抵抗電圧が電流に比例します。

圧力センサー

圧力センサー、圧力トランスデューサー、圧力トランスミッターを包括する用語です。一般に圧力センサーは10mV出力（10-20ft伝送可能）、トランスデューサーは0.5-4.5V出力（20ft以上伝送可能）、トランスミッターは4-20mA電流出力です。構成にはブリッジ型/圧電抵抗式、静電容量式、電磁式、圧電式、光学式などがあります。

最も一般的なブリッジ型/圧電抵抗式に焦点を当てます。材料変形時の抵抗変化が圧力に相関する圧電抵抗効果を利用します。計測ダイヤフラムの一方がガス/液体（油圧流体、水、油など）に面し「基準」圧力に、もう一方が高圧に曝され、ダイヤフラムが変形し、歪みゲージが圧力差を電気量に変換します。

歪みゲージは、加わる歪みに比例して抵抗変化する抵抗素子として機能します。スパッタ堆積製造の箔タイプ、または不純物拡散で作られるシリコンタイプ（半導体歪みゲージ）があります。箔ゲージは高圧耐性に優れ、半導体ゲージは高感度で低圧向けですが、温度影響を受けやすく動作温度範囲は箔ゲージより狭い傾向があります。

液位センサー

容器内の液体、粉体、粒状物（ペレット等）の量を検出します。圧力センサー同様、多様な方式があります。ここでは静水圧型ダイヤフラムベースセンサーに焦点を当てます。

静水圧液位センサーは、ブリッジ型圧力センサーと同じ圧電抵抗原理を利用します。タンク内液位上昇/低下がダイヤフラム内圧力変化と相関し、液深と高度に直線的関係を持ちます。液体静水圧(P)は液体比重(γ)と液高(h)の積に等しい（P=γ×h）。

結論

産業監視アプリケーションで使用される基盤センサ技術を理解することは、産業システムの設計・開発関係者にとって有益な洞察を与えます。各センサーは多様な基本原理を活用でき、それぞれにメリットと考慮点があります。これらセンサーから得られるデータの収集・配信は有線・無線どちらのバックボーンでも可能ですが、特にIIoTは将来の産業アプリケーション向けにより複雑なデータ分析の可能性を秘めています。

本記事はL-com（ノースアンドーバー、MA）プロダクトラインマネージャー、ティヌ・オザ氏によって執筆されました。詳細はこちら 。