最新のオートメーションシステムの構築 ～ 最適なコントローラと開発環境 ～

プロセスオートメーション（PA）やファクトリーオートメーション（FA）においても、効率化やダウンタイムの削減、および生産性の向上が強く求められている。このような改善を行うには、正確な情報の収集・処理・管理をタイムリーに行うなど、情報システムの開発が非常に重要で、メーカもそれを強く認識している。しかし、プラントで採用されているソフトウェア/ハードウェアの多様化や既存システムからの制約などにより、情報システムの開発は複雑さを増している。このような中、生産工程に高度な計測・解析・制御機能を追加し、既存システムを最適化することが強く要求されている。さらに最近では、生産性と同時に品質や安全性の向上も求められているのが、現状である。このような状況に対応するべく、これらの要求を満たすコントローラや、エンジニアリング、そしてメンテナンスの簡略化を実現するための開発環境について考えたいと思う。

オートメーションの現状と課題

現在、ディスクリートはもちろん、プロセス制御でも汎用のPCテクノロジを利用したアプリケーション開発やシステム構築が行われている。コスト削減や品質向上と同時に要求される高い信頼性や安全性には、PLCとPCテクノロジを最大限に活用することで対応してきた。しかし、最近では、より高い操作性や機能性に加え、メンテナンス性や将来的な拡張性までもが求められている。そのため、PLCを使用した既存のシステムにコントローラの追加や生産管理システムとの統合が必要となってくる。さらにそこには、コンローラの基本性能だけではなく、様々な通信に対応したオープンネットワーク機能や優れたヒューマンマシンインターフェイス（HMI）も必要となってくる。

これらの課題を解決するためには、より高度な演算処理能力や高速アナログ I/O 機能に加え、大容量のデータロギング機能やより優れた制御機能を持つデバイスの必要性が依然として高まっている。ナショナルインスツルメンツでは、このような厳しい市場のニーズに対応するため、次世代型オートメーションコントローラとして、プログラマブルオートメーションコントローラ（PAC）と呼ばれる新しい工業用の汎用統合型コントローラを提供している。

NIが提供する次世代工業用プラットフォーム ：PAC

PAC と従来の PLC との違いは、ソフトウェア実行モデルを比較すると明らかである。通称シーケンサと呼ばれる PLC では、リレー制御をシーケンス（順に）処理するが、PAC では高度なハードウェアアーキテクチャとグラフィカル開発環境 「NI LabVIEW」 を使用して、複数のタスクを同時に処理できる。

今日の制御プロセスでは、単純なアナログ入出力やリアルタイムでの解析/表示処理に加え、ループ制御や高解像度の画像処理、そして高速・高精度の多軸モーションコントロールまで、あらゆる信号やデータを利用する必要がある。さらに、高い品質や生産性が要求されるものづくりの現場では、リアルタイムでのマシン状態監視/制御や複雑な演算処理・制御機能が必要となる。そしてそこには、高速アナログデータ集録や高度解析/処理アルゴリズムを持った確定的な実行が求められる。このため、複雑な制御タスクやそれらの並列実行処理、さらにはより高度な処理能力や複雑なデータ集録/処理アーキテクチャが必要となってくる。

このような条件の一部を満たすハイエンド PLC もいくつかはある。しかし、浮動小数点プロセッサや信号を効率的に処理するための十分なメモリ容量を搭載していないなど、リソース不足のものが多い。その一方、PC の最新テクノロジを応用した PAC ではこれらの機能が標準装備されているため、汎用のコントローラとリアルタイム OS を統合し、高性能オートメーションに適したコスト効率の高いプラットフォームの構築が可能となる。

写真1　NI が提供する PAC ハードウェア

また多くの PLC では、ディスクリートロジックに必要な演算能力と低コストの固定小数点プロセッサを採用している。このプロセッサは、PID 制御のようにシンプルな処理タスクには対応できるが、毎秒数百のビデオフレームの解析や高速フーリエ変換の計算、次数解析ルーチンの実行、およびモデルフリー適応制御など、高度制御アルゴリズムの実行にはかなり高レベルの処理が必要となる。PAC では、そのような高度な演算に対応できる高い処理能力を持つ Pentium クラスの浮動小数点プロセッサを採用しているため、高速な PID ループ制御や多軸モーションシステムによる複雑な軌跡の制御、および画像処理との統合などにも対応できる。

図１：PAC の適用範囲（PC の機能性や PLC の信頼性を搭載）

「NI LabVIEW」 を使用した最新のオートメーションシステム

NI LabVIEW は、グラフィカル開発環境で、リアルタイム解析、監視、高度制御、予知保全などのアプリケーションにおいて、PC 技術や組込み技術を導入することにより、IEC 61131-3ベースの PLC の機能を高めることができる。既存の PLC システムに LabVIEW を活用することで、スループットや稼働時間、および収益性を大幅に向上させることができる。最新バージョンの NI LabVIEW 8.20では、高度解析・制御に対応した新機能が追加され、分散システム管理機能の向上している。さらに、HMI（ヒューマンマシンインタフェース）の新しいターゲットが追加されているため、LabVIEW の工業分野における計測機能をさらに拡充している。例えば、最新の FPGA ターゲットツールと、ハードウェアベースの高性能マシン監視・保護システムを実装することができる。また、新しい「タッチパネルモジュール」を使用することで、Windows CE ベースの HMI の構築を簡略化することができる。さらに、多チャンネルシステムの場合には、「データロギング/監視制御（DSC）モジュール」を用いることで、最大2,500チャンネルまで自動で構成可能となる。さらに、分散システム用途向けに、高度なイーサネット通信機能に加え、Modbus や OPC などを標準サポートしているため、様々な外部機器との通信が可能となる。このため、既存システムとの統合など、システムを最大限に活用することができる。

このように、高度な計測や FPGA ベースの高度解析・制御や既存システムとの通信、および HMI などを実行する工業用システムを単一のソフトウェアで設計、実装することができるのである。

A) 様々なセンサからの計測や高速サンプリングに対応

熱電対、歪みゲージ、IEPE 加速度計、ブリッジセンサ、クワドラチャエンコーダなどから計測を行う場合、「NI CompactDAQ」 は信頼性が高く、とても使いやすいデータ収集プラットフォームとなる。LabVIEW を使用すると、プラグインボード、USB デバイス、およびイーサネットベースのシステムなどからの信号集録や生成が容易に行える。このような I/O 機能に加え、特殊データタイプや計測解析関数を備えているため、物理センサから必要なデータをすばやく、しかも容易に取り込める設計になっている。画像入力においても、多数のカメラをサポートし、画像入力やリアルタイムでの解析が可能なソフトウェアライブラリを利用することができる。また、LabVIEW は、NI CompactDAQ や 「NI CompactRIO （小型計測・制御システム）」など、様々なハードウェアに対応しているので、条件付き計測やインテリジェント計測を行うこともできる。

写真2. NI CompactDAQ （左上） と NI CompactRIO （右下）

また、多工業用アプリケーションでは、振動/電力特性アプリケーションの高速サンプリング計測への対応を求められることも多い。収集したデータは、回転する機械の状態の監視や保守スケジュールの決定、またはモータの損耗の確認や制御アルゴリズムの調整などに使用される。LabVIEW は毎秒数百万サンプルのレートで高確度な計測を実行し、そのデータを直接制御システムに転送後、すぐに処理を行うことができる。

B) 計測データを利用した振動監視と予知保全

予知保全と機械状態監視は、あらゆるオートメーションシステムにおいて、最大限の稼働時間を確保する上で非常に重要な部分である。LabVIEW のアドオンソフトウェアである、「音響/振動解析ツールキット」や「次数解析ツールキット」を使用することで、LabVIEW の汎用的な計測解析関数に振動解析や機械の回転系などのアプリケーションに適した解析や表示機能を追加することができる。これらのツールキットを使用すると、実際に故障する前にベアリング交換などの予知保全に活用できるなど、次の様々な解析・処理・制御が可能となる。

振動レベルの計算（RMS、ピーク、波高因子）、加速度、速度、変位の統合、次数トラッキング、次数抽出、次数スペクトル計算などのオンライン次数解析の実行、デジタル/アナログタコメータ信号の処理、時間データやパワースペクトルに対するリミットテストの適用、スペクトルマップ、カラーマップ、ウォーターフォールプロット、多重座標、ボード線図、極座標、軌道座標、タイムベースプロット、軸の中心線座標、キャンベル（強度）プロットなど

図2. LabVIEW で振動監視の加速度計データを解析

また、「NI LabVIEW FPGA モジュール」を使用すると、フィルタ、アラーム、そして計測などの新しい監視用の関数が追加されるため、FPGA ベースの機械監視システムを構築できる。「NI CompactRIO」 の小型で堅牢な設計と FPGA の信頼性、そして LabVIEW の操作性を融合させることで、高機能な監視・制御システムを工業用マシンに組込むことができる。

C) 高度なデータロギング

LabVIEW には、データロギングやアラーム管理、およびリアルタイム/履歴トレンド用の組込みユーティリティが搭載されている。NI のデータ集録製品や LabVIEW の Real-Time ターゲットとなる、「NI Compact FieldPoint」 や NI CompactRIO、もしくは他社の PLC などのいずれかを使用してデータ集録を行う場合でも、「NI LabVIEW DSC モジュール」を使用することで使用するハードウェアとチャンネルを設定するだけで、自動的にデータ集録を行える。履歴データ情報は、SQL 92/ODBC 2.5準拠のデータベースへの記録が可能で、標準のデータ抽出ツールを用い、企業内の他部署でもその情報を活用できる。また、ネットワーク接続されている任意のPCやサーバなどにデータを保存できるため、全てのアプリケーションに対するデータベースホストとして1台のマシン、もしくはネットワーク接続されている複数のマシンにデータを分散して保存できる。これらのデータロギングアプリケーションの開発はウィザード形式で行えるため、ほとんどプログラミングすることなく構築可能である。また、データは CSV、Excel、XML 形式で保存でき、後で容易にオフライン解析も行える。

D) 計測データを利用し統計的工程制御

「SPC （統計的工程制御）ツールキット」の関数を使用して、パレートチャートによるリアルタイム稼動状態の解析を行い、ダウンタイムの主な原因を絞り込むことができる。パレートカウンタは、ソートされていない原因のリスト、もしくはそれぞれの発生回数を記載した原因リストを発生回数の多い順に並べ替えて、各原因についてパレート統計値を計算する。そうして得られた一連のパレート値によって、2つのパレートチャートと関連する凡例が作成される。1つは各原因の発生頻度を表した棒グラフで、もう1つは各原因が占めるパーセンテージを表示できる。凡例は、順位によって付けられた原因コードの一覧となっている。例えば、マシンが費やした時間の中で 「HELD」 状態が最も長い場合、そのような長時間マシンが保留になっている原因をチェックすることができる。その原因は、一貫性のない原料やオペレータのエラーによると考えられる。総時間に占める PRODUCING 状態の割合が高いほど、マシンが効率的に稼動しているということになる。

図3. LabVIEW のパレートチャート

E) PLC などの他のコントローラやデバイス間でのデータ共有

プロセス計測器、PLC、スマートセンサ、およびシングルループコントローラなどのデバイスとの通信においても、LabVIEW は使いやすく信頼性の高いうえ、様々なツールを利用できる。LabVIEW 8から OPC データアクセス3.0にも対応し、他のコントローラやオートメーションデバイスとの間で情報のやり取りができるようになった。これは OPC 規格に最近追加されたもので、プロセス制御を行うハードウェアやソフトウェアからリアルタイムデータにアクセスする際の性能と信頼性向上に役立つ。また、LabVIEW に対応した Modbus ライブラリが搭載されているため、任意のイーサネット/シリアルポートを Modbus TCP 、または Modbus シリアルマスタ/スレーブとして使用できる。このライブラリを通信ゲートウェイとともに使用することで、工業用ネットワーク上にある既存の機器を LabVIEW アプリケーションに容易に組込める。通信ゲートウェイは、DeviceNet、ControlNet、EthernetIP、PROFIBUS、および PROFINET を始めとする多様なネットワークに対応している。

F) グラフィカルユーザインターフェイス（GUI）

LabVIEW には、グラフ・チャート・ノブ・ダイアル・温度計など、高度なユーザインタフェースを開発するためのオブジェクトが多数搭載されている。そのため、リモート監視/制御用の HMI アプリケーションを容易に構築できる。制御器パレットからオブジェクトをドラッグ＆ドロップするだけで、対話式に動作やデザインをカスタマイズできる。作成したユーザインタフェースアプリケーションは、PC、タッチパネル、パネル PC、およびWeb ブラウザにも実装することができる。LabVIEW　8.20では、この機能がさらに強化され、Web にパブリッシュされたアプリケーションやVI （プログラム）を同時に複数のクライアントが制御できるようになっている。LabVIEW では、データを様々な形式で表示できるので、LabVIEW　8.20の3D ピクチャ制御器を使用し、実環境のオブジェクトによく似た3D 画像を容易に作成・インポート・制御することができる。

タッチパネルモジュールでは、ハンドヘルドデバイスと通信するための新しいシェア変数機能と併せて使用することで、Windows CE ベースのHMI を計測・制御システムにすばやく追加できる。シェア変数を使用すると、組込マシン制御/監視システムによく使用されているカスタムオペレータインタフェース上に、リアルタイムコントローラコードからの値を直接表示できる。そのため、現場の監視アプリケーションに使用するハンドヘルドシステムの開発をさらに容易に行える。

図4. LabVIEW を使用したユーザインタフェースの開発

G) アラーム・ロギング・スケーリング・レポート生成

LabVIEW では、アプリケーションにアラーム・スケーリング・ロギングなどの機能をグラフィッカル形式で追加できる。温度が指定値を超えた場合には、アラームにて警告、そして不具合の原因となっているデータやイベントを記録できる。そして、値を実環境単位に変換し、わかりやすいレポートを作成することもできる。また、電話番号をプログラムによりダイアルすることや、不具合が生じたときにショートメールを PDA から直接送信することもできる。多チャンネルシステムの場合は、LabVIEW 8.20からデータロギング/監視制御モジュールに搭載されている、チャンネル構成ツールを使用することで、最大2,500 チャンネルをダイナミックに定義したり、そのような多くのチャンネルからデータをログしたりすることも可能である。さらに、Microsoft Office 用の 「NI LabVIEW　レポート生成ツールキット」 では、LabVIEW で Microsoft Word/Excel 形式のレポートを作成/編集できる。生産性の向上を図るために、製造テスト結果を要約、プロセス統計を取る場合などに使用し、高品質なカスタムレポートを短時間で生成できる。また、新しい Microsoft Office Report Express VI （サンプルプログラム） を使用し、さらに短時間でカスタムレポートを作成することも可能である。

H) エンタープライズ/データベースコネクティビティ

大手企業では最近、部品や資材は、必要な時のみ生産ラインに届く、というような体制をとっている。このような技術を導入するには、在庫管理を行うシステムと、現場で製品を製造するマシンとを緊密に統合させる必要がある。ここで使用されるマシンにとって、SQL を介して Oracle などのデータベースとの通信ができることは、非常に重要なポイントとなる。最新のシステムでは、装置/企業ネットワーク間通信に XML を使用している。また、これらのマシンは、通常のオペレーションから逸脱したとしても、それに対し迅速に対応する必要がある。例えば、欠陥が見つかったときに、関係する社員に対して E メールやショートメールを送る場合もあれば、是正措置が必要となったときに Web ブラウザや PDA でリモート制御を行う場合も考えられる。

装置/企業ネットワーク間通信を導入するには、OPC、ActiveX、.NET などのオープン規格を採用して、C＃ や Java などのテキストベースツールや LabVIEW を利用することができる。LabVIEW に搭載されたクラスブラウザ機能により、ActiveX や.NET などのオブジェクトライブラリを選択することができる。そのオブジェクトライブラリ内では、クラスやプロパティ、およびメソッドを表示できる。SPC （統計的工程制御）やデータベース接続、そしてインターネット接続に役立つ LabVIEW ツールキットを使用することで、オラクルや Microsoft Access、Microsoft SQL サーバ、dBASE など、広く採用されているデータベースとの接続が可能となる。

I) 高度アルゴリズムとカスタムモーションコントロール

LabVIEW を使用すると、シンプルな PID 制御から高度なダイナミック制御システムまで、あらゆる制御システムを開発できるため、ソフトウェア開発の方法を変えずに適切なハードウェアや制御技術を選ぶことができる。特に、最新バージョンの LabVIEW　8.20では、PID 制御ループの実行速度が大幅に向上している。
また、他のソフトウェアでアルゴリズムを作成した場合でも、LabVIEW 8.20対応の 「シミュレーションインタフェースツールキット 3.0」 を使用して、The MathWorks, Inc. Simulink® 環境で開発したモデルを LabVIEW に統合し、リアルタイム制御プロトタイプや HIL（hardware-in-the-loop）アプリケーションに使用できる。さらに、新しい外部モデルインタフェースを使用すると、他社のプラントモデルの値を 「LabVIEW シミュレーションモジュール」で使用することができる。LabVIEW を使用すると、高度制御アルゴリズムを PC や、NIの工業用プラットフォームの PXI、CompactRIO などの LabVIEW リアルタイムターゲットに実装できる。さらに、「LabVIEW 組込みシステム開発モジュール」を使用して32ビットマイクロプロセッサに基づいたカスタムボード設計に直接実装することもできる。

また、NI SoftMotion テクノロジを使用することで、カスタムモーションコントローラを作成し、性能と柔軟性をさらに高めることもできる。例えば、軌道生成やカスタムアルゴリズムなど多彩なモーションコントロール関数を組み込むことができる。特定のアプリケーションにおいて、材質や特性などの条件を評価し、価格や性能のニーズに応じて、任意のハードウェアプラットフォームに組込むことが可能となる。

J) FPGA ベースの制御による高いスループットと信頼性

「NI LabVIEW　FPGA モジュール」を使用すると、カスタム計測・制御アルゴリズムを作成できる。そのため、リミット/近接センサ検出や機械状態監視などタイムクリティカルな関数をハードウェアに組込める。制御コードは半導体で直接実行するため、カスタム通信プロトコルや、デジタル制御ループなら最大で1　MHz、アナログ制御ループなら200　kHz　の高速制御ループを組込んだアプリケーションを短時間で作成できる。
LabVIEW 8.20では、工業用コンピュータ、FPGA、カスタム設計などを使用した制御システムのプロトタイプの作成と実装が、全て単一のLabVIEW グラフィカルプログラミングで可能となる。新機能の LabVIEW FPGA ウィザードを使用すると、FPGA I/O とタイミングコードが自動生成されるので、FPGA ハードウェアに制御ロジックを直接組込むことができ、高い性能と信頼性を実現できる。このウィザードにより、制御システムのロジックに専念することができ、カスタム計測アプリケーションを開発するために必要な I/O やタイミングコードを自動的に生成することも可能である。

図5. LabVIEW　FPGA ウィザード

まとめ

ナショナルインスツルメンツは、ものづくりにおけるテスト・計測などの分野において、製品の品質向上や市場投入までの期間の短縮、開発工程の大幅な効率化を実現してきた。前述のように、LabVIEW を使用することで、高度な計測機能を備えた、高機能なリアルタイム監視/制御システムを構築することができる。LabVIEW は、NI の PAC デバイスと併せて使用することで、最新のオートメーションに必要なより高い操作性や機能性に加え、メンテナンス性や拡張性を実現する。様々な通信に対応し、デバイス、そして生産管理システムとのシームレスな統合が可能となり、既存のオートメーションシステムの最適化を実現することができるのである。

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