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ダウンタイムのリスクを軽減!Rockwell Automation社のIO-Linkセンサによる生産性向上の支援

産業IoT向け基盤として、Rockwell Automation社よりスマートセンサの提供が始まっています。Rockwell Automation and IO-Link

生産設備やプロセス産業では、長時間連続稼働やダウンタイム削減による効率性と、厳格な環境規制のための廃棄物削減の両方を同時に考える必要があります。このような課題の一部は、最先端の加工技術や機械の導入を通して解決を目指すことが可能ですが、これがより複雑になる場合が多く、また、効果的なインテグレーションを実現することが最重要事項となるため、これらの恩恵を最大限受けるためには、運転状況やプラントの状態をリアルタイムで把握する必要があります。

IIoT(Industrial Internet of Things)

IIoT and Rockwell Automation

製造業でのIoT (IIoT: Industrial Internet of Things) にはインテリジェンスが組み込まれ、さらにはコネクティビティがプラントレベルで統合されており、リアルタイムの状態把握も兼ねた稼働を可能にするプラットフォームを提供しています。コネクテッドエンタープライズ(The Connected Enterprise®)はこれをさらに進歩させ、プラントレベルのネットワークと企業ネットワークを融合し、人や技術、プロセスすべてをつなげることで、リアルタイムのセンサデータや各工程でのデータなど、IIoTにより提供されるデータに支えられ、オペレーショナルインテリジェンスや生産性についての考察することや、リスクマネジメントを可能にします。

しかし、提供される情報の質は最高でも、この情報を生成する際に使用したデータの質と同程度のものになります。さらに、かなりの投資が行われ、その投資に対するリターンを求めるとなれば、信頼性の向上とダウンタイムの縮小が絶対的に重要な要素となります。センサが頻繁に動作しているような過酷な環境や、その重要な機能を考えると、明らかに品質を保証するだけでは不十分です。センサは、予防保全やダウンタイムの最小化を可能にするために、保守手順を容易にするような機能を備えた上で、自らの状態を報告できなければなりません。

IO-Linkの利点

benefits of I0-Link

IO-Linkのセンサは、一番肝心な部分である生産工程の現場で、センサの種類とシリアル番号を識別し、設定パラメータを保持し、さらには診断行うことが可能なインテリジェンスを組み込むことで、産業に対しスマートな利点を提供します。これにより、光学センサの掃除といった、IO-Link装置のメンテナンスのタイミングを識別することが可能になります。つまり、生産工程への影響が最も少ないタイミングでメンテナンスを行うことができるのです。センサが破損し、交換が必要になった場合は、調整試験を行うよう促され、IO-Linkプロトコル経由で設定がダウンロードされるため、エラーの発生確率を最小限に抑えられます。また、制御装置がシリアル番号によって一意にセンサを識別するため、ケーブルの配線ミスから生じる問題も低減されます。

IO-Linkインターフェースとそのシステムは、IECによって標準化されており、従来の近接センサやスイッチ、その他のセンサとの後方互換性を提供しているため、移行が非常に簡単です。また、ケーブルの配線には一般的な、M5、M8、M12の産業用丸形コネクタを使用しています。

実際の製品

次に、一般的なIO-Linkセンサをいくつか見ていきましょう。ここでは、これらの製品が試運転や予防保全、保守を簡単にするための、共通した機能に注目します。例えば、現在地表示機能は大規模な設備において、それぞれのセンサを区別するのに役立ち、また、内部温度測定器は、特定の温度範囲から外れた環境で運転している場合に警告を発してくれます。

他にも、例えば42AFセンサには、反射光が不足してセンサが正常に機能していない可能性があることを示すために、低限界(Margin low)アラームのような、製品群によってそれぞれ特徴的な機能を備えています。

46CLR ColorSight

Rockwell 46CLR colorsigt sensor

この46CLR ColorSightはトゥルーカラーセンサであり、自動車や食品、飲料、医薬品、プラスチックなど、様々な業界で一般的にみられるセンシングの工程を行うために設計されたものです。このセンサには特許出願中の距離補正技術が採用されており、最大65 mmまでの範囲で安定した色検出が可能です。最大で7色、9段階の調節可能な公差レベルを保存可能で、最適な形でアプリケーションの柔軟性を高めることが可能です。また、映り込み抑制、小型のスポット径、長距離用のモデルも用意されています。

IO-Linkの機能とメリットは以下のようになります。

  • 7つのカラーチャネルに対しトリガーされることで、3つのディスクリート出力と、4つのバーチャル出力として、利用可能なそれぞれのカラーチャンネルを表示します。
  • 2つのデータ処理マップ
    データマップ0は、センサ自体に内部保存された、個別の色の状態を示し、データマップ1ではRGB + Iの情報を表示します。
    Red、Green、Blue、Intensityでは、赤、緑、青、強度の生データをプロセスデータマップとして出力します。
  • 信号強度はカラーターゲットによって反射された生の信号強度値を出力します。
  • 現在位置表示は、大型の機械の中からセンサを区別する必要がある場合に役立ちます。
  • 複数のプロファイルを設定、保存し、様々な機器構成に対応することが可能です。ここではセンサを一度に設定し、手動での操作なしで、即座に製品を変更することができます。
  • 内部温度は、センサの最低温度から最高温度の範囲内で作動しているかどうか判断する際に役立ちます。
  • カウンターはターゲットが検出された回数をカウントします。
  • タイマーは、ターゲットがその場にある時間とない時間を示し、システムの作動速度を特定する際に使用できます。
  • 平均化フィルターでは、測定値を安定させるためにセンサが取得するサンプルの数を変更します 。この平均化操作によって、測定値の一貫した表現を可能にしています。
  • ユーザーインターフェースロックは、不正なセンサ設定の変更を防止するためのものです。

42AF 長距離汎用センサ

Rockwell 42AF sensors

この42AF RightSight M30ファミリーは、コンパクトな新筐体でも長距離の検出範囲を実現し、ねじ式の30 mmノーズと18 mmベースが備わっていて、柔軟に、素早く設置を行えます。頑丈なIP67/IP69kの筐体は完全に密封されており、高圧、高温での洗浄を行うような厳しい産業環境でも耐えることができるよう設計されています。

状態と電源を表す超高輝度LEDは360度どこからでも見ることができ、設定や監視、トラブルシューティングを簡単にしています。また、背景抑制モード、背景反射モード、偏光再帰反射感知モード、透過光感知モードが提供されています。

IO-Linkの機能とメリットは以下のようになります。

  • 状態表示機能によって、ターゲットが検出されたことを示します。
  • 低マージンアラームは、ターゲットの信号がわずかで、感知不能に陥る可能性があることを示します。
  • 近接アラームは、しきい値周辺にターゲットがあることを警告します。
  • 信号強度では、ターゲットか反射板によって反射された生の信号強度値を出力します。
  • 現在位置表示は、大型の機械の中からセンサを区別する必要がある場合に役立ちます。
  • アライメントモードは、拡散、偏光の逆反射を応用することでセンサの位置決めを行う際に役立ちます。
  • 内部温度は、センサの最低温度から最高温度の範囲内で作動しているかどうか判断する際の判断材料となる、センサの内部温度を提供します。
  • カウンターはターゲットが検出された回数をカウントします。
  • 応答時間の調節機能は、オペレータが応答時間を、背景抑制、背景反射モデルで調整可能にすることで、より長い距離での検出が可能になります (タイム・オブ・フライト法)。
  • タイマーは、ターゲットがその場にある時間とない時間を示し、システムの作動速度を特定する際に使用できます。

871FM 小型フラットパック型センサ

Rockwell IO-Link

この871FMセンサは、従来の管状の近接センサでは対応できない場所で使用することが可能です。このセンサは、鉄や非鉄金属製の物体を触れずに同じ検出範囲で存在を認識するよう設計されています。871FMは汎用バージョンと頑丈な溶接バージョンが用意されており、その検出範囲は最大で10 mm(0.39 in.) です。

IO-Linkの機能とメリットは以下のようになります。

  • 状態表示機能によって、ターゲットが検出されたことを示します。
  • マージン状態表示機能では、ターゲットが指定された動作範囲を80%超えて検出されたことを示します。
  • タイマー機能は、有効になると、ON(トリガーされた時間)からOFF(ターゲットが範囲外に出た)までのセンサ出力時間を提供します。
  • スイッチングモードの極性によって、装置の出力タイプ(N.O.またはN.C.)を標準のIOモードで使用するために変更可能です。
  • 検出カウンターはスイッチング操作の回数を記録します。
  • 温度機能では、実際のセンサ内部温度を測定し、センサの動作寿命期間内で記録された最大の内部温度を特定します。
  • 信号強度は、センサが受けとる信号の品質情報を提供します。信号強度の値が高いほど、センサが受け取る信号が強くなります。
  • 近接アラームは、しきい値周辺にターゲットがあることを警告します。

接続インターフェース

Rockwell smart sensor architecture

ロックウェル(Rockwell)社は、上流から下流まで、コネクテッドエンタープライズソリューションのすべての部分を提供しています。一般的なハードウェアには、最低限必要なIO-Linkセンサとケーブルを含め、以下のものが例として挙げられます。

こちらの1734-AENTRはEthernet/IP接続を、1734-IOLは4チャネルのIO-LinkマスタをPLCプラットフォームに提供します。

IO-Linkがオープン標準であるため、EtoEの統合性や利便性、機能性が低下するものの、センサを他のベンダーが製造するPLCプラットフォームと接続し、使用することも可能です。

設定

Configure Rockwell sensors

このStudio 5000 Logix Designerソフトウェアは、PLCプラットフォームをPOINT I/OモジュールやI/O-Linkセンサと一緒にプログラムすることが可能です。つまり、ひっきりなしにツールを切り替えて、パラメータをコピー&ペーストする必要がないということです。PLCとIO-Linkマスタの基本設定が終わったら、それらのIO Device Description(IODD)ファイルを使用してセンサを登録できるようになります。デフォルトの状態では、Rockwell IO-Linkセンサ用のIODDは、Studio 5000アドオンプロファイル(AOP)ライブラリから提供されますが、必要に応じてIODDをRockwell社からダウンロードすることも可能です。

一度登録が済んだセンサはIO-Linkマスタに接続され、そのセンサのIO-LinkパラメータはStudio 5000から調べることが可能になります。この項目は5つのタブで整理され、例えば42AF長距離センサの場合は以下のような項目に分類されます。

  • 一般(Common)タブでは、センサの仕様やIO-link IODD情報についてといった、一般的な製品情報を表示します。
  • 観察(Observation)タブでは、センサのカタログ番号やシリーズ文字、現在の製品ファームウェアなどの基本情報、そしてハードウェアのバージョンを表示します。
  • 識別(Identification)タブでは、信号強度のON/OFF状態や、コントラスト、ゲインによる装置の状態監視パラメータを提供します。
  • パラメータ(Parameter)タブでは、42AFが提供するIO-Linkパラメータを表示し、それらの変更も可能です。
  • 診断(Diagnostic)タブでは、42AFで利用可能な様々なティーチ機能を提供します。

Diagnostic for Rockwell sensors

上の表は、診断(Diagnostic)タブを介してアクセス可能なパラメータです。例えば、装置の状態やエラーカウント、総作動時間、電源投入後からの作動時間などを確認することが可能です。

参考文献

この記事では、IO-Linkの利点からほんの一部と、代表的なセンサから提供される一部機能について紹介し、Studio Logix 5000の表面を少しだけ見てみました。以下のリンクから、これらの製品や、Rockwell社のコネクテッドエンタープライズについて、詳しくご覧ください。

DesignSparkスタッフより:
ここで特集した製品は、今後数週間のうちに行われるRSでの製品範囲更新の対象ですので、定期的に更新されていないかご確認ください。

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.

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