稼働中の使い慣れた製造機器にポン付けで完了!

電流をモニタリングして工場稼働率を「かんたんに見える化」するソリューション

IoTソリューション導入の第一歩   工場稼働率の見える化
1番の課題は「現在稼働中の設備をどうするか?

ドイツの「Industry 4.0」、日本の製造現場もIoT時代突入!

日本の製造現場もIoT時代突入!電流モニタシステムのご紹介

「Industry 4.0」ドイツが推進する製造業の高度化を目指す戦略的プロジェクトであり、 工業、特に製造業をデジタル化する事により、全ての機器がインターネットによってつながり、ビッグデータを駆使しながら、機械同士が連携して動く事はもとより、機械と人とが連携して動くことにより、製造現場が最適化され、製造コストを大幅に削減することを主眼に置いた取り組みです。

IoT (Internet of Things、モノのインターネット)」の時代。
日本の製造の現場にもIoT活用への期待が高まっています。
遠隔地から設備や機械の稼働状況、設置環境、利用状況、故障状況などを監視するのに最適な仕組みです。

一般に、製造現場のIoT導入には3つのフェーズがあると考えられています。

IoT導入への3フェーズ、電流モニタにより稼動状況の可視化
  1. 見える化 (Monitoring)
    • 製造機器から収集したデータ (ビッグデータ) を統計的手法により分析し、数値やグラフによって傾向や状態を視覚化します。
  2. 制御 (Control)
    • 「見える化」によって得られた分析結果をもとに、より効率的な動作をするように製造機器の制御を行います。
  3. 自動化 (Automation)
    • 「制御」を自動化し、効率化をシステム自身が自律的に行います。

製造現場へのIoT導入の第1フェーズ、製造機器の稼働状況を「見える化」すれば、工場内である機械だけ作業が詰まり、ほかの機械の遊休時間が長いと分かれば、作業を平準化するようなフローを導入することで「生産性の向上」ができます。また、作業の混み具合を営業の人間がクラウド経由で確認できれば、状況に応じた納期や値引きなどをクライアントに提案できるのではないでしょうか。

製造現場「見える化」導入のハードル

IoT 工場内の「見える化」を導入したいが・・・

製造現場にも非常に有益な「見える化」、最新の製造機器にはインターネット接続機能がすでに備わっていたり、現状の製造機器にオプション機能として追加できますが、いづれも導入には結構なコスト負担が必要です。

最新の製造機器を導入ともなれば、機器自体のオペレーションを再習得する時間も必要になります。
しかも、機器入れ換えなどの大がかりな設置には製造ラインを止める、設備不稼働時間が出来てしまい、手軽には導入できないハードルの高さがあります。

短期間で廉価に導入できるシステムが必要
低価格・性能が大幅に向上した「マイコンボード」がキー

Lazurite Sub-GHz

昨今「メイカーズの時代」ともいわれ、Aruduino (アルドゥイーノ) やRaspberry Pi (ラズベリーパイ)などの「初心者でも簡単に扱えるマイコンボード」の普及により、価格・性能が大幅に向上し、電子工作の枠を超えたシステムを廉価で簡単実現できるようになってきています。

ラピスセミコンダクターは、簡単に電子工作やIoTのプロトタイプが作れる、マイコンボード・周辺モジュール・開発環境などを含めた「Lazurite」を開発し、学生から企業の技術者まで幅広く活用していただいています。

そのような中で、工作機械の工場を「見える化」したいという依頼を受け、短期間で廉価に導入することのできる「Lazurite」を使用した工場見える化ソリューション、工作機械の稼働率モニタリングシステムをご説明します。

このシステムは日刊工業新聞社「機械技術」2017年 5月号 テクニカルレポートに掲載。

  工作機械の主軸モータの電流値を計測してIoTを実現  
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Lazurite Sub-GHzを使用した「工作機械の稼働率モニタリングシステム

電流モニタシステムで工作機械の稼働率を測定

工作機械の稼働率モニタリングシステムは
以下の4つで構成されています。

  1. センサノード
    • 主軸モータを流れる電流を無線で送信する電流測定器。
  2. ゲートウェイ
    • センサノードが送信する電流値をインターネット回線に乗せ換える中継器。
  3. クラウドサーバー
    • 送信されたデータの保存、グラフ化、アラートを送出。
  4. PCやタブレットPC
    • データを観覧する端末。

今回は、センサノード、ゲートウェイをLazurite、およびRaspberry Piという名称のマイコンボードを使用してシステムを開発しました。次に、今回開発したセンサノードと、ゲートウェイについて、その役割構成について紹介します。

Lazuriteなら使い慣れた工作機械にCTセンサをポン付け!
かんたんに、しかも最小コストで工場稼働率を「見える化

工作機械の「主軸モータ電流値を計測する」ことにより、稼働率をモニタリング

センサノードの役割り、電流モニタの仕組み

センサノードの役割

センサノードは工作機械に取り付けて主軸モーターに流れる電流を無線で送信する役割を有しています。使用した部品は下記3点。

  • CT (Current Transformer) センサ
    • 主軸モーターの電流によって発生する磁界を電流に変換。
  • Lazurite用 CTセンサシールド
    • CTセンサが出力する交流信号を実効値に変換。
  • Lazurite Sub-GHz (マイコンボード + 920MHz 無線シールド)
    • CTセンサシールドから取得した電流値を920MHz無線でゲートウェイに送信。
電流モニタ用センサとセンサノード

CTセンサは電流が流れると磁界が出来る特性を利用したセンサであり、電流を測定する部分がクリップ式になっているため、工作機械に改良を加えること無く、電流ケーブルに取り付けすることができます。

Lazurite用 CTセンサシールドは、CTセンサが出力する実効値に変換する回路です。 (実効値とは電流メータなどの計測器で測定したときに表示される値)。しかし、この回路は既存で使用できるものがなかったため新たに開発しました。

Lazurite Sub-GHzは、CTセンサで変換した電流値を920MHz無線で送信しています。今回、このセンサノードを5台の工作機械に設置して、稼働率のモニタリングを開始しました。

電流値をクラウドへ送信するためのゲートウェイ

ゲートウェイの役割

ゲートウェイとは複数のセンサノードが送信する電流センサの値を受信し、この値をサーバに送信する役目を担っています。920MHz無線は消費電力が低く、数100mの通信を実現する事が出来るためにセンサノードからデータを送信するのに適しているが、インターネットに直接つなげる事が出来ません。その役割をするのがゲートウェイです。
今回、このゲートウェイを以下の部品を使用して実現しました。また、ゲートウェイからインターネットサーバーにデータを送信する通信手段としては、NTTドコモの3G/LTE回線を使用。

  • Lazurite Sub-GHz (マイコンボード + 920MHz 無線シールド)
    • センサノードから送信された920MHz無線を受信。
  • ゲートウェイ(今回はOpen Blocks IoT EX1を使用)
    • 受信データをインターネットへ乗せる役割。
  • LTE回線 (LTEモジュール UM04-KO)
クラウドサービスを利用し、モニタリングした電流値を蓄積/表示用データ生成/通知

クラウドサービス / クラウドサーバー

クラウドサービスは、ゲートウェイから送信されてきたデータを保存するだけでなく、表示端末に見せるためのデータを作成したり、設定した条件に従い通知を行ったりする機能があります。
今回は、下記のクラウドサービスを使用。

  • クラウドサービス (Toami for DOCOMO)

稼働率モニタリングシステム導入後、作業者から管理者まで共通の認識を共有、第2フェーズの制御 (改善活動) につなぐ

電流モニタリングシステムの導入例

導入の結果、作業エリアのあらゆる場所からの送信データを、内壁で仕切られた事務エリア内のゲートウェイで安定して受信する事を確認しました。

本システムを実際に導入して稼働率の見える化が可能となりました。この結果、作業者から管理者まで共通の認識を持つことが出来るようになり、改善活動がやりやすくなったと依頼主からの報告。

また、開発に当たっては、オープンソースと呼ばれるインターネット上で公開されているソフトウエアや電子工作キットを活用することで、比較的短時間で簡単にシステムを実現することができました。

電流モニタリングシステムに使用した部品

電流モニタ実現への詳細はこちらから
電流モニタシステム構成部品 : Lazurite用 CTセンサシールド
Lazurite用 CTセンサシールド
電流モニタシステム構成部品 : CTセンサ
CT (Current Transformer) センサ
電流モニタシステム構成部品 : Open Blocks IoT EX1
ゲートウェイ
Open Blocks IoT EX1
電流モニタシステム構成部品 : LTEモジュール UM04-KO
LTEモジュール
UM04-KO
LTEモジュール UM04-KO
クラウドサービス
Toami for DOCOMO
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