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有線からワイヤレスに移行する動き

センサを有線からワイヤレスに移行するニーズを推進してきた状態監視業界の 4 つの主要な推進要因についてご覧ください。

はじめに

回転装置設備の状態監視は工場の信頼性と安全性を管理する手段で、何十年も実践されてきた実績があります。その中心にあるのは振動監視です。従来、振動センサは装置上に据え付けられて中央の機械保護システム (振動モニタなど) まで固定配線で接続されていました。この技術は信頼性が高いもののコストがかかり、通常は大型回転装置で使用されるものでした。すなわち、蒸気タービンや大型燃焼 (ガス) タービンなど、工場の操業に「極めて重要」と見なされている装置です。渦巻ポンプやコンプレッサなどの重要度の低い設備 (いわゆる周辺機器) に対してそのような状態監視システムを据え付けるビジネス モデルは利点が少なく、維持が困難でさえあります。しかし、場合によっては、そのような装置が使用できなくなることも安全性と信頼性の高い工場の操業にとって重大なことです。したがって、低コストで周辺機器を状態監視する必要性はやはり存在します。

業界の推進要因

ワイヤレス振動センサは 10 年以上もソリューションとして提案されてきました。 商用実装の多くは、さまざまな理由で成否の入り交じる結果になっています。 しかし、TE Connectivity (TE) は、技術と市場実勢が十分に収斂されてそのようなワイヤレス センサを導入できるようになってきていると感じています。 この市場空間を形成する推進要因は少なくとも 4 つあります:  

 
  • 推進要因 1: 工場作業者による低コストでのデータの需要
  • 推進要因 2: 絶え間ない電化によるバッテリー性能の劇的な改善
  • 推進要因 3: モノのインターネット (IoT) の台頭によるデジタル無線性能の改善
  • 推進要因 4: IoT デバイスのエッジ コンピューティングによるワイヤレス通信の大幅な強化
TE Connectivity (TE) の 8911 ワイヤレス加速度計

推進要因 1

工場作業者による低コストでのデータの需要

デジタル化が進む中で明白になってきた教訓の 1 つは、データの需要が満たされることは決してないということです。 ただし、このデータは低コストで供給されなければなりません。 工場設備の状態監視もまったく同じです。 

従来の据え付け方法では、装置に据え付けられたセンサに多芯シールド ケーブルを接続してそれを中央の機械保護装置まで戻す必要があります。総電路長は数百フィートになることもあります。これがセンサごとに必要です。センサが多い場合は数千フィートのケーブルが必要になります。さらに、通常、National Electrical Code® (米国電気規定) や現地工場の要件を満たすために装置のセンサから延びる最初の数十フィートに電線管を据え付けることが必要になります。残りの中央ステーションまでのケーブルは、一般に、束ねられて大型の電線管やケーブル トレイに収められます。これらすべてに多くの労力と材料が必要で、拡張も容易ではありません。

この問題は、ワイヤレス センサによって解決されます。ワイヤレス ゲートウェイは中央ステーションに固定配線で接続されます。しかし、ワイヤレス センサの多くは単一のゲートウェイで処理されるため、装置にケーブルや電線管は不要です。ゲートウェイから中央ステーションへの信号ケーブルは 1 つのセンサからのデータだけではなく複数のセンサからのデータを伝送します。このアーキテクチャは拡張が容易です。ゲートウェイは追加のワイヤレス センサを処理できるほか、2 倍または 3 倍の数のセンサに対応可能なゲートウェイを新しく据え付けることもできるからです。同じコストでこれを実現することは、従来の方法では不可能です。

推進要因 2

絶え間ない電化によるバッテリー性能の劇的な改善

ワイヤレス センサが想定どおりの性能を発揮するにはバッテリーが必要であることは明らかです。 ワイヤレス センサ利用の成否を左右する最大の要因はバッテリーの性能です。 残量の低下したバッテリーを何度も交換する必要があると、ワイヤレス センサを利用するビジネス モデルの経済性は漸減していきます。また、センサへの電力が途絶することによるデータ消失は言うまでもありません。

最近まで、バッテリー性能の技術改良はエレクトロニクスにおけるその他の性能改善に追いついていませんでした。しかし、輸送分野の電化 (電気自動車) とドローンの台頭によって、バッテリーの劇的なコスト低下と性能改善が進められました。現在でもワイヤレス用途で最適な技術かつ選択肢であるリチウム バッテリーの価格は、2010 年のキロワット時あたり約 1,200 ドルから 2018 年にはキロワット時あたり 175 ドルにまで大幅に低下しました。ガソリン自動車よりも電気自動車のほうが安価に利用できる日はそう遠くありません。長寿命バッテリーの普及によって、ワイヤレス センサを低コストで利用できるようになります。数か月ごとに交換しなければならなかったバッテリーが年に 1 回、さらには 2 年に 1 回未満の交換で済むようになると、ワイヤレス センサの運用は、一躍、有線センサに対してコスト競争力を持つようになります。

推進要因 3

モノのインターネット (IoT) の台頭によるデジタル無線の改善

何年も前に、Gordon Moore はデジタル機器の性能が約 18 か月ごとに倍になると予測しました。「ムーアの法則」として有名な予測です。 この予測は、手のひらの上やウェアラブル機器 (スマート ウォッチなど) で非常に大きな計算能力が実現されている現在に至るまで、有効性をほぼ保ってきました。 これによってエッジ コンピューティングが可能になってきています。すなわち、生データを中央ステーションに送り返して処理させるのではなく、ネットワークの終端 (ネットワークの「エッジ」) やその付近でデータを処理できるということです。

ワイヤレス振動センサにおけるエッジ コンピューティングのわかりやすい用途は、サンプリングされた振動波形の FFT (高速フーリエ変換) をセンサ自体が計算することでしょう。 従来のシステムでは生の振動波形が (アナログ信号として) 中央ステーションに送信されて FFT が計算されます。 エッジ コンピューティングでは、FFT をセンサ内で計算して処理済みのデータを送信することができます。 生の振動信号を送信するよりも帯域幅のオーバーヘッドとバッテリー電力の使用量が低減されます。 ただし、これは単純な例にすぎません。 最終的にははるかに多くのコンピューティングがセンサで行われる可能性があります。 適切なアルゴリズムがあれば、自身が据え付けられている装置のことや正常に動作しているかどうかをセンサが「知る」ことができるでしょう。 極めてスマートな状態監視振動センサを実現する要素はすでに揃っています。

推進要因 4

IoT デバイスのエッジ コンピューティングによるワイヤレス通信の大幅な強化

何年も前に、Gordon Moore はデジタル機器の性能が約 18 か月ごとに倍になると予測しました。「ムーアの法則」として有名な予測です。 この予測は、手のひらの上やウェアラブル機器 (スマート ウォッチなど) で非常に大きな計算能力が実現されている現在に至るまで、有効性をほぼ保ってきました。 これによってエッジ コンピューティングが可能になってきています。すなわち、生データを中央ステーションに送り返して処理させるのではなく、ネットワークの終端 (ネットワークの「エッジ」) やその付近でデータを処理できるということです。

ワイヤレス振動センサにおけるエッジ コンピューティングのわかりやすい用途は、サンプリングされた振動波形の FFT (高速フーリエ変換) をセンサ自体が計算することでしょう。 従来のシステムでは生の振動波形が (アナログ信号として) 中央ステーションに送信されて FFT が計算されます。 エッジ コンピューティングでは、FFT をセンサ内で計算して処理済みのデータを送信することができます。 生の振動信号を送信するよりも帯域幅のオーバーヘッドとバッテリー電力の使用量が低減されます。 ただし、これは単純な例にすぎません。 最終的にははるかに多くのコンピューティングがセンサで行われる可能性があります。 適切なアルゴリズムがあれば、自身が据え付けられている装置のことや正常に動作しているかどうかをセンサが「知る」ことができるでしょう。 極めてスマートな状態監視振動センサを実現する要素はすでに揃っています。

結論

TE は、これら市場の推進要因の登場を受けて、モデル 8911 ワイヤレス振動センサを発表します。8911 は、スケーラビリティの高いワイヤレス アーキテクチャによって装置の状態データに対する工場作業員の需要に応えます。8911 は、内蔵の LoRa™ 無線とワイヤレス ゲートウェイと通信する LoRaWANTM プロトコルを使用することでサンプリング レートに応じて最長 10 年のバッテリー寿命を実現します。8911 は複雑な工場環境にも据え付けることができ、信号の完全性の問題もほとんどありません。また、エッジ コンピューティング機能が処理された装置データの計算を行います。8911 ワイヤレス振動センサは、21 世紀の工場に必要となる状態監視センサです。

LoRaWAN は商標です。