産業オートメーションを躍進する最先端ワイヤレス技術に迫る
（出典：Natchooda/stock.adobe.com； AIで生成）
産業用オートメーションシステムは、その複雑さで知られています。センサ、アクチュエータ、制御システム、エンタープライズリソースプランニング、サプライチェーンソフトウェアなど、さまざまな要素が融合した産業用オートメーションは、本来はまったく異なるサブシステム間の連携に大きく依存しています。そのため、大量のデータを必要とするアプリケーションでは、コミュニケーションとネットワークがしばしばその実現要因となります。
有線システムは、その信頼性、決定性、およびレガシー機器との統合性により、さまざまな分野においてデフォルトの選択肢として、長年にわたり産業分野における通信のバックボーンとして機能してきました。しかし、産業のデジタル化に対する需要の高まりと、モビリティ、柔軟性、コストに関する新たな課題が相まって、ワイヤレス技術は今日のオートメーション戦略の最前線に押し出されています。5G、WirelessHART、LoRa®、Bluetooth®、Wi-Fi®、Zigbee®などのテクノロジーは、産業アプリケーションにおける人間中心、持続可能性、および回復力のある製造を重視するインダストリー 5.0 で、新しいアーキテクチャ、アプリケーション、およびパフォーマンスのベンチマークを実現しています。
このブログでは、ワイヤレス技術が、有線システムに伴う多くの制約を取り除くことで、産業オートメーションをどのように変革しているかを紹介いたします。
有線方式の欠点
従来の産業用システムでは、総システムコストの大部分を配線が占めていました。1つのセンサの価格は、その機能や仕様に応じて、数百ドルから数千ドルにも及ぶ場合があります。しかし、そのセンサの接続費用（溝掘り、導管の設置、人件費、耐障害対策など）は、センサの価格の数倍にも及ぶ場合があります。このような設置費用は、大規模な施設ではすぐに膨大になり、ワイヤ配線がセンサの広範な導入の大きな障害となっています。
コスト以外にも、有線システムはさまざまな物理的および環境的危険にさらされています。産業環境では、高温や腐食性物質によってケーブルが経年劣化します。また、火災や機器の衝突により有線接続が切断され、予期せぬダウンタイムや修理が発生する場合もあります。その結果、このような環境では、配線が損傷していないか、正常に機能しているかを確認するためのメンテナンスや点検を頻繁に行う必要があり、有線システムのコストがさらに増加します。
ワイヤレスが答えである理由
ワイヤレス通信は、有線システムに伴う多くの物理的および財政的な制約を解消します。
トレンチ工事、導管の設置、多大な労力を必要としないため、ワイヤレスセンサは、配線が現実的でない、あるいは危険な場所でも、施設全体に迅速に導入できます。この機能により、監視およびセンサインフラストラクチャの展開が迅速化され、設備投資の削減と洞察の獲得までの時間を短縮できます。物理的な配線を排除することで、メンテナンスのオーバーヘッドも最小限に抑えられ、ケーブルの損傷による通信障害のリスクも低減されます。
さらに重要なことは、ワイヤレスへの移行により、有線システムでは実現できないレベルの機動性と柔軟性がサポートされることです。現代の産業環境では、再構成可能な生産ライン、自律走行車、協働ロボット、移動資産追跡などがますます重要になっていますが、これらはすべて、移動や動的なレイアウトをサポートする通信ネットワークを必要とします。ワイヤレス技術は、固定ポイントに縛られることなく信頼性の高い接続を提供することで、これらのアプリケーションに必要なインフラストラクチャを実現します。その結果、ワイヤレスシステムは、有線システムよりも柔軟性が高く、将来にも対応しやすいものとなっています。
ユースケースに最適なワイヤレス技術およびプロトコルの選択
当然のことながら、単一のワイヤレスプロトコルや技術で産業用のすべてのユースケースに対応することはできません。その代わりに、エンジニアは、レイテンシ、消費電力、信頼性、データスループット、認証要件などのアプリケーションの要件に基づいて選択する必要があります。
5G
5Gは、製造分野における低遅延、高帯域幅、ミッションクリティカルなアプリケーションの有力候補として浮上しています。その決定論的な性能と、数千の同時接続をサポートする能力により、リアルタイムのロボット制御、工場内の自律走行車両、遅延に敏感な安全インターロックなどのアプリケーションに特に適しています。プライベート 5G ネットワークは、製造メーカーが公共の通信事業者に依存することなくサービス品質を最適化できるため、さらに高度な制御を実現します。
WirelessHART
WirelessHART は、その本質的な安全認証と実証済みの決定性により、製油所および化学処理分野における標準規格として引き続き採用されています。4,000 万台以上のデバイスが導入されている （有線） Highway Addressable Remote Transducer （HART） プロトコルのレガシーを基盤とする WirelessHART は、信頼性、安全性、および決定性に優れた通信を実現します。その価値は、その性能だけでなく、防爆エンクロージャとの互換性、および業界固有の安全認証への準拠にもあります。その予測可能性により、プロセス変数の測定や監視制御など、従来はワイヤで接続されていたタスクにも信頼して使用できます。
LoRa
長距離 (LoRa) 通信および同様の低電力広域ネットワーク（LPWAN）技術は、バッテリ寿命とコストが最優先される、長距離、低データレートのアプリケーションに対応しています。超低消費電力により、センサはバッテリ交換なしで何年も動作します。そのため、LoRa は、環境モニタリング、遠隔ユーティリティ管理、農業など、遠隔地や分散した資産に最適です。
Bluetooth
Bluetoothは、従来は消費者向けでしたが、スマートフォンやウェアラブル機器に広く普及していることから、医療や個人モニタリングの分野にも進出しています。その短距離通信と限られたスループットは、体領域ネットワークや局所的なデータ収集に最適です。このため、Bluetooth Low Energy などの低消費電力の Bluetooth が、資産追跡などの用途に広く使用されています。その他の産業用 Bluetooth の用途としては、機械に磁気的に取り付けられる振動センサに接続された、通常タブレット型のハンドヘルド試験装置による短期測定があります。
Wi-Fi
Wi-Fi は、高いデータスループットと幅広いデバイス互換性が求められる産業環境において広く使用されています。ビデオ監視、診断データの転送、ファームウェアのアップデートなど、帯域幅を大量に消費するアプリケーションに対応しています。5G や WirelessHART ほど決定的ではありませんが、Wi-Fi は制御された環境での重要度の低いタスクに適しています。その広範な普及と統合の容易さは、既存設備への後付けや施設全体のネットワーク構築に最適です。
Zigbee
Zigbee は、高密度センサが導入されている環境向けに設計された、低電力、短距離のメッシュネットワークプロトコルです。照明制御、HVAC モニタリング、その他の低帯域幅アプリケーションに最適です。そのメッシュトポロジーにより、屋内産業環境におけるカバレッジと冗長性が向上します。
ワイヤレス導入におけるリスクと課題
ワイヤレスの導入は、有線インフラストラクチャに比べてコストと効率面で多くのメリットがありますが、ワイヤレスへの移行には、それ特有のリスクも伴います。
信頼性は依然として最大の関心事です。最も堅牢なワイヤレスプロトコルでさえ、有線システムが提供する「6 9」（99.9999%）の信頼性には及ばない。5G や WirelessHART などのプロトコルは 4 9 に近づけることができますが、重要なアプリケーションでは小数点以下の桁が重要です。高信頼性システムでは、ワイヤレスの変動を補うために、冗長性やフォールバック機構を組み込むことがよくあります。
サイバーセキュリティも深刻化する問題です。デバイスの接続がますます進むにつれて、攻撃の対象となる領域も拡大しています。ワイヤレスセンサおよびコントローラには、稼働時間を損なうことなく、暗号化、認証、および更新メカニズムを組み込む必要があります。ファームウェアのアップデートおよびパッチ管理は、生産環境では特に慎重に行う必要があります。なぜなら、わずかな中断でもプロセスの逸脱や安全上のリスクを引き起こす可能性があるからです。
信号の整合性は、さらに複雑さを増します。金属製の筐体、鉄筋コンクリート、機器から発生する電磁干渉（EMI）などの物理的な障壁は、無線伝送を妨害する可能性があります。そのため、最適なアンテナの配置を決定し、影の領域を確認し、リピーターの使用計画を立てるためには、導入前の調査と無線周波数シミュレーションが必要です。
業務を中断しない展開戦略
ワイヤレスを採用することは、すでに機能しているものを排除することを意味するものではありません。導入が成功している例の多くは、既存のシステムを強化するハイブリッドアーキテクチャから始まっています。そのため、必要な制御には有線インフラストラクチャを維持し、柔軟性の確保、センサのカバー範囲の拡大、モビリティの追加のためにワイヤレスを導入すべきです。これにより、リスクを軽減しながら早期に価値を実現することができます。
ワイヤレス導入を成功させるその他の考慮事項は、次のとおりです。
- 導入前に現場調査を実施し、信号のカバー範囲をマッピングし、物理的な障害物を特定し、EMI の発生源を評価します。
- マルチプロトコル変換をサポートするゲートウェイを使用して、さまざまなデバイスやネットワークにわたるデータパイプラインを統合します。
- 成熟した業界標準に準拠したベンダーを選択し、独自のロックインを生み出すソリューションは避けてください。
- 設置、試運転、および継続的なメンテナンスに関するトレーニングに投資し、システムを効果的に管理およびトラブルシューティングするために必要なスキルを社内チームに身につけさせます。
まとめ
産業用途は変化しており、通信インフラもそれに伴って進化しています。最高レベルの決定性と信頼性には有線システムが必要ですが、ワイヤレス技術は、より優れた拡張性と柔軟性を実現する現実的な手段となっています。慎重な計画を立てれば、ワイヤレス技術を統合することで、産業オートメーションの接続性とモニタリングに新たな時代を切り開くことができます。