オートメーションエンジニアは、製造業者が供給または設置しているPLCを知っており、プラントや機械の規制と管理において長年にわたって実績のある機器ですが、デジタル化は十分でしょうか？ 開発者は、テストモードでアプリケーションを実行したり、新しい製造プロセスのアイデアを素早く試験したり、データを分析したりするために、ラズベリーパイを頻繁に使用しています。しかし、産業用途としてラズベリーパイはどれくらい適していますか？ハーティングのオープンコンピューティングシステムMICAは、ITとオートメーションの世界をより緊密に結びつける第3の選択肢と考えられます。
これらの製品はすべて業界での地位を有しており、異なるアプリケーションでそれぞれの利点があります。 ここでは、各テクノロジーの強みとそれらを産業環境でどのように使用できるか解説します。
PLC - リアルタイム性が求められるアプリケーション用のプログラマブルロジックコントローラ
PLCは産業界で40年以上の実績を有します。それはリレー制御に取って代わるものであり、プラントや機械を確実に稼動しなければならない業界で重要な寿命と信頼性を備えています。
PLCは業界で初めて、デジタル信号とアナログ信号の処理を可能にしました。そして外部レギュレータは不要になりました。 PLCを制御盤内に設置してスペースを節約することもできます。最近では、モバイルアプリケーションも市場で利用可能になってきました。 PLCの中核となるのは、機械制御です。たとえば、PLCがモータ制御または緊急停止を担っている場合、アクチュエータと共に動作します。それらはコントロール出力に接続されています。アクチュエータの例では、モータをオンにするためのコンタクト、油圧または圧縮空気用の電磁弁または駆動制御用のモジュールがあります。 PLCはフィールドバスを介してセンサとアクチュエータにリンクすることができます。
図1: Siemens Simatic S7-300, 出典: Wikipedia
PLCは上位レベルのシステムにデータを送信することもできますが、Web中心のプログラミング言語やオープンソースのアプリケーションでプログラミングを行うことはできません。EN 61131が基本となっており、これは、しばしばIT部門にとっては分かりづらいことが多く、主にプロセスエンジニアの領域です。ラズベリーパイまたはMICAなどの産業用コンピュータとは異なり、PLCはリアルタイムでデータを計算し、マシンに永続的に割り当てられます。
多くのユーザが毎日の作業中に経験する不利な点として、1つのコントローラ用に作成されたプログラムを変更せずに別のコントローラで実行できないことです。システムは柔軟性に欠けています。その他の課題としては、コントローラがフィールドバスを介して一緒にリンクされる際、アドレス方式が異なることです。ラズベリーパイに対し、PLCは産業用に適しています。実際、ここ数十年にわたる産業オートメーションの重要な役割を担ってきました。業界内では、PLCはいわゆるPCベース制御とは異なり以下の利点を有しています。マスタコンピュータによって制御され、無制限の記憶領域を提供し、高速です。しかし、リアルタイム機能は限られており、PCハードウェアは操作上安定していません。
PLCの強み
- PLCは、耐久性があり、安全であり、工業用に適しており、世界的な業界標準でリアルタイム機能を備えています。 これらの機能も価格に反映されます。
- PLCのさらなる利点には、長いライフサイクルとコンポーネントの長期供給があります。
- PLCは上位レベルのシステムにデータを提供することができますが、IT業界にとっては特別なプログラミング言語を使用しています。
- デジタル信号とアナログ信号を処理できます。
ラズベリーパイ – シングルボードコンピュータ
ラズベリーパイは、もともと学生のための学習ツール向けで、比較的新しいカテゴリの最も代表的なものです：できるだけ小さなスペースで特定のコンピューティングタスクに十分なハードウェアを提供する安価なシングルボードコンピュータです。 小型コンピュータ分野において、よく知られている名前には、Arduino、Banana Pi、BeagleBoneなどがあります。それらは実験や迅速な革新、ホビーのために使用されています。
図2: ラズベリーパイ 3 Model B; 出典: Wikipedia
マイクロソフト社とラズベリーパイ
ラズベリーパイには20種類以上のオペレーティングシステムがあります。 しかし、Linuxは多くのアプリケーションの基礎となっています。 しかし、マイクロソフト社はまた、同社のオペレーティングシステムがラズベリーパイ上にあることを望んでおり、ソフトウェアを売り込んでいます。インターネットには、ラズベリーパイユーザーが無償で提供するアプリケーションが多数あります。ラズベリーパイはまた、数多くのプログラミング言語（Python、Java、C、C ++など）をサポートしています。 ラズベリーパイとのOPC UA接続も可能です。
ラズベリーパイの最大の欠点はハードウェアです。ラズベリーパイは工業用アプリケーションの保護の基準を満たしていません。ラズベリーパイの最初のバージョンは、低価格のハードウェアで市場に登場しました。新バージョンはより優れていますが、ソケットコネクタ、ハウジング、回路基板の耐熱性、サプライチェーンの信頼性レベル、および産業用アプリケーションにおける信頼性は一般的に産業規格を満たしていません。それにもかかわらずラズベリーパイは試作の出発点となっています。
ラズベリーパイの強み
- ラズベリーパイは、プログラミングの世界への低価格のエントリー製品であり、産業用アプリケーションのテストにも使用できます。
- オープンなLinuxシステムは、OPC UA接続とWebテクノロジーまたはC ++の使用も可能にします。
- 近年、活発なコミュニティがインターネット上に登場し、無料のアドバイスやサポートを提供しています。ラズベリーパイは世界中で知られています。
- ラズベリーパイはWindowsをサポートしており、現在はBluetoothとWi-Fiインターフェースを備えています。
MICA - 産業標準のインテリジェント機器
MICAはModular Industry Computing Architectureの略で、低価格なラズベリーパイと業界標準のPLCの両方から距離を置いています。コンパクトな黒いボックスは、IP67とEN50155に対応し、これにより水や埃の侵入から保護され、また、4つの重要な産業機能を提供します。ITコマンドを機械コマンドに変換、データ収集、データ分析、そして企業内の上位レベルのソフトウェアシステムとの通信、たとえば、SAPからマシンに至るまでです。
オープンな Linux システム
MICAは、ハードウェアとソフトウェアの両方でモジュール構造になっています。ユーザは、EtherCAT、Profinet、EtherNet IPモジュールまたはRFIDボードを備えたモデルやUSBインターフェース付モデルをハードウェア保護規格に影響を与えることなく注文できます。ユーザは、例えば、これを使用してセンサシステムを接続し、フィールド内のデータを収集することができます。
図3: レールブラケット付きのMICA® Basicの展開モデル
データはMICAで直接処理することができ、この目的のために数々の無料のデータベースツールが利用できます。クラウドとの通信にはすでにMicrosoft Azure、IBM、SAP Hanaなどとの接続ツールを用意しています。
開発者は、ラズベリーパイのようなオープンなLinuxシステムを選択することで、産業系ユーザは、ウェブテクノロジー、Rなどのプログラミング言語、またはhadoopなどのデータベースシステムなど、樹脂射出成形機を難なくIT世界に接続することができます。さらなる利点としてLinuxは、IPアドレスのネットワーク構成または割り当てを簡素化します。
そして特に注目すべきは：MICAでは、HARTINGソフトウェアコンテナ、小さな仮想マシンを利用しており、それらは互いに独立して動作することができます。ベースとなるシステムは、コンテナの管理、認証、インストール、および更新を制御します。
MICAは、PythonやC++などのさまざまなプログラミング言語に対応していますが、業界の視点から重要です。当システムは、Industry 4.0 OPC UA標準プロトコルをサポートしています。これは、インダストリ4.0の世界におけるシステムの通信の面で重要なポイントです。同時に、幅広い言語がIT業界への迅速な導入を促し、新しいビジネスモデルの開発に役立ちます。
しかし、このコンテナコンセプトの真の魅力は、誰もが自分のコンテナを個別に作り、一緒に動作させることができるという事実です。
またコンテナは別の重大な作用を有しています。また、システムのセキュリティも向上します。セキュリティ - TPMチップ、SSLおよびVPNにより、安全なアクセスが保証されます。 MICAのおかげで、PLCでのデータ処理はほとんどなくなり、ITはマシンの制御を妨げずにマシンに直接ロードされます。しかし、工場をデジタル化することに対する熱心な取り組みはまだ広まっていません。製造担当者は、データの損失、生産の遅延、停電などのの懸念があります。
そのソリューションとして、MICAはオフラインでも実行でき、製造ネットワークに干渉する必要はなく、プロセスアーキテクチャはソフトウェアに影響されません。さらに、プログラミングインターフェイスは非常に簡単に設計され、最新のスマートフォンユーザインターフェイスの1つとなります。これのより従業員の間で受け入れやすくなり、結果はすぐに表れます。優れたユーザビリティとユーザエクスペリエンスは、将来のプロジェクトの成功のための決定的な要素になります。
MICAの強み
- MICAはすぐに設置・取り外し可能で、製造現場で幅広いタスクを実行することができます。制御盤は必要ありません。
- MICAは、長期間24時間365日使用するように設計されています。これは特に鉄道運行において重要です。経営者にとって重要なのは、MICAが確立された構造に干渉することはなく、必要に応じてSAPをマシンまでつなげることができる点です。
- HARTINGは、その産業や鉄道輸送用コネクタの経験により、EMC認定を取得し、IP67およびEN50155に準拠した、鉄道業界の高い基準を満たコンピューティング製品を開発しました。
- 同時に、HARTINGはMICAにRFID技術をもたらします。プラグおよび機器側コネクタは業界標準を満たし、世界中で認められています。
- HARTINGはLinuxを推進しています。 ラズベリーパイの場合と同様に、ITの専門家やITに関心のあるエンジニアにとって、アプリケーションプログラミングは簡単です。
- HARTINGはネットワークの重要性を認識しています。MICAの発表直後に、東ウェストファーレン地域では、アプリケーションを文書化し、パートナーと連携して新しいビジネスモデルを学習し開発する独自の開発者ネットワークが設立されました。 www.mica.network
まとめ
ドイツIndustry 4.0に密接に関連しているのは工場のデジタル化です。 しかし、全国的な議論は、特に初期には、重点をPLCのネットワーキングに置いていました。 生産プロセスのデジタル化は、新しい技術を使用して試してみることで、従業員の間で新しい知識を開発できるようになり、新しいビジネス領域を開発し、新しい方法で収益を上げることができます。そして実証済みのプロセスを可能にします。
データやデータ分析については、業界は依然として米国のB2C企業から多くのことを学ぶことができます。実現可能なすべてが合理的でも倫理的にも受け入れられるわけではありません。しかし、Googleや他の企業が採用している技術は、製造と自動化の世界を豊かにすることもできます。そこには、新しい考え方持つ従業員とラズベリーパイやMICAなどのオープンシステムをが必要です。
しかし、ラズベリーパイは机上に残るでしょう。それは常に最初のツール、テストベッドまたはトライアルバルーンのままです MICAはテストアプリケーション以上の実稼働を実現できます。より安全で産業用に適しており、単に迅速にネットワーク化できるだけでなく、接続された通信インターフェイスを使用してデータ分析を実行することもできます。この目的のために、機械を改造したり制御盤にに新しい制御装置を設置または配線する必要はありません。 PLCの新しいプログラミングも不要です。 MICAは、そのアプリ
ケーションにより機械に適応することができ、プログラムのモジュラーツールキットを装備することができます。これらのプログラムは、機械、列車、またはスイッチキャビネットの個々のタスクをネットワーク上でだけでなくオフラインでも実行します。
MICAユーザは、この小型の黒いコンピュータでPLCと同じ方法で機械を制御して制御回路を実行したいとは考えていません。代わりに、マシンを認識し、データを収集し、記録し、転送し、それを使用して意思決
定を行い、収益を上げることを望んでいます。これはまさにインダストリ4.0を表すもので、IT業界のアイデアを産業オートメーションと結びつけ、新しいビジネスモデルを開発するものとなります。