設備の増設・立上げをもっと柔軟に！ モジュール式プラントと分散型制御の設計ポイント

Your Global Automation Partner モジュール式プラン トの概念 分散型自動化が物流と機械工学にもたらす 機会 Whitepaper | 200901

目次 縦型ピラミッドに代わるネットワーク 3 ネットワーク資産 3 未来の工場 4 集中型か分散型か 4 判断基準 4 前提条件 5 先駆的な産業 6 モジュール化 – ハードウェアからソフトウェアへ 6 分散型ハードウェア 6 1つの技術、複数の言語 7 ソフトウェアの重要性 11 標準化に向けて：OPC UA、自動化ML、MTP、およびPackML 13 切り替えを行う4つの理由 15 試運転の高速化と市場投入期間の短縮 15 柔軟性の向上 16 プラントの可用性の向上 16 コストの削減 17 展望 17 WP 09/2020 | 2

このホワイトペーパーでは、スマートファクトリでネットワーク化された自動化 システムの必須前提条件としての分散型機械要素について説明します。モジュ ール式プラント設計と併せて、デジタルデータの分散処理により、柔軟性が向上 し、機械や最終製品の市場投入までの時間が大幅に短縮される理由について も説明します。次のページでは、プラントの分散化の判断基準を説明し、モジュ ール分散型機械およびプラントを実装するためのハードウェアおよびソフトウェ アソリューションの概要について説明します。 縦型ピラミッドに代わるネットワーク ますます複雑になる産業生産プロセスの構造化に対して、従来の自動 化ピラミッドは長年にわたって役立つガイダンスを提供しました。用語 や詳細な情報に関して必ずしも合意が得られていませんが、すべての類 似モデルでは、1つの共通点として、個々のレベルは階層構造です。企業 の戦略や管理レベルは上位にありますが、フィールドレベル、または最 近の出版物では、製品や生産プロセスなどもピラミッドの一番低いレベ ルに示されています。ERP、MES、SCADA、SPSなどのさまざまなシステム （タスクを含む）は、これらのレベル内に配置できます。 ■ 構造はハードウェアに基づいている ■ すべてのシステムの機能はハードウェアに依存している 縦型工業生産：自動化ピラミッドは、個々 ■ コミュニケーションはレベルから次のレベルで実行される のレベルでのデータの収集と処理に関す るプロセスを表します。このモデルは70 年代と80年代のCIMピラミッドに基づい ています。 ネットワーク資産 数年前から、専門家は従来の自動化ピラミッドが崩れていくのを見てき ました。彼らは特に、個々のシステムノードの機能的能力とレベル間の コミュニケーション関係について言及しています。例えば、フィールドバ スモジュールが、最初にコントローラで処理せずにERPシステムでデー タレコードと情報を直接比較する場合、従来の一連のレベルはスキップ されます。同様に、剛体ピラミッドモデルは、単純な制御機能を自律的に 実行するI/Oモジュールの位置とタスクを記述することに適していませ ん。センサとクラウド間の双方向通信は、関係の変化とレベルの境界の 縮小を提示する第三のユースケースになります。 現在、論理レベルを持つ階層構造は、機械やコンポーネントなどの分散 運用され、システム全体でネットワーク化されている資産によって補完 されています。製品関連領域の自動化ノードは、生産制御システムで以 ピラミッドモデルのレベル構造は、透過性 が高くなります。ネットワーク化された資 前に行われたタスクを実行し、前処理データ（エッジ分析）をバックボー 産間でのデータ交換は、トップダウン方式 ンに送信します。エッジとクラウドの間に新しい境界が現れています。 に基づいて行われることがほぼなくなっ ています。 WP 09/2020 | 3

未来の工場 未来のスマートファクトリモデルを通して、将来の自動化アーキテクチャ の可能性を垣間見ることができます。研究開発は、例えば商品自体がそ の個々の生産プロセスを決定したり、システムが自動的に商品を新しく 注文したりするといったやり方で、プロセスに関与するすべての機械、スト レージシステム、および運用リソースをネットワーク化するという目標を 追求します。これを実行するには、インテリジェントなモジュール式ユニッ トが、ITと物理世界の相互作用において、分散型の決定を行うことができ る必要があります。サイバー物理システムかInternet of Things（モノの インターネット）かどうかに関係なく、このような緊密なメッシュネットワ ークにより、確立された通信階層が解体される可能性があります。 サイバー物理システムのコンポーネン ■ 機能はネットワーク全体に分散される トは、自律的に動作し、プロセス関連の データを相互に交換できます。 ■ 参加者はすべてのレベルでコミュニケーションする ■ 製品はネットワークの一部である 集中型か分散型か 前の章では、従来の自動化ピラミッドと柔軟なネットワークアーキテクチャを比 較することで、2つの極端な例を説明しています。1つは、制御システムに制御、監 視、評価インテリジェンスが設けられており、階層関係に従ってサブタスクを割 り当てる集中型自動化概念です。もう1つは、インテリジェンスがネットワーク全 体に分散され、機能ユニットがフィールドレベルで独立して意思決定を行う、分 散型制御システムです。ただし、プラントプロセスが複雑でハイブリッド形式が 必要な場合が多いため、これらの説明はモデルとしてのみ検討する必要があり ます。可能であれば、特定のプロセスは分散型概念に従うことができますが、そ れでも一元的に監視されます。同様に、複雑な論理演算の中には集中管理機能 を必要とするものがあり、システム内の他のタスクは完全に自給自足できます。 自動化構造を集中型または分散型にする方法は、個人の考えに依存するので はなく、問題のアプリケーションでの特定の要件、または問題のアプリケーショ ンでの直接的な利点に依存します。 判断基準 LauberとG ö hner[1]は、自動化構造の3通りの分割について、「可能な限り分 散化、必要に応じて集中化」と結論付けています。 1. 技術プロセス：プロセスはスタンドアロンユニットか、または複数のサブプロ セスで構成されているか？ 2. ローカル構造：自動化デバイスは、集中的に配置されているか（制御室な ど）、または現場でプロセスの近くに分散されているか？ 3. 効果的な構造：サブプロセスの自動化機能は、集中的かつ連続的に制御さ れているか、または（マイクロ）PLCなどの分散型デバイスによって制御され ているか？ WP 09/2020 | 4

この区別は、既存の機械やプラントシステムを評価する場合に特に役立ちます。 新しい自動化概念の計画または改良の計画が開始すると、すぐに他の多くの評 価要素が投資判断に組み込まれます。 What level of resilience is required by safety-related applications How user-friendly must with regard to precautions such interfaces be with regard to as emergency interventions or process control, transparency, automatic machine shutdowns? error localization and changes? How time-critically are How quickly do errors need to be automation processes localized and corrected? And how Usability Safety coordinated and what data often is machine maintenance volumes must be processed required? by higher-level systems? [2] Transmission Availability rates Business What are the requirements for Reliability aspects the overall operation of an automation system in the event What investments are involved of hardware and software System in hardware, software, cabling failures or faults? exibility and maintenance? How expandable and future-pro- of must the automation structure be when changes are made to the overall system? [2] 前提条件 プラントインフラストラクチャの特定の前提条件により、分散型自動化概念の実 装を簡素化できます。重要な要素の1つは通信技術の産業用イーサネットです。 これにより、システム内が完全にネットワーキング化され、ITと運用技術（OT）の 統合が促進されます。これは、製造およびビジネスレベルの情報を共有ネットワ ークで処理できることを意味します。 スマートマシンおよびプラントプロセスの前提条件は、デジタルデータ処理で す。ここでは、システム内でセンサとアクチュエータのレベルまで、エンドツーエ ンドで双方向の情報フローを確保する必要があります。ここでの主要な技術は、 ユニバーサルIO-Linkインターフェースと、NFC、Bluetooth、RFIDなどの技術を 使用した非接触データ伝送があります。これにより、読み取り/書き込みヘッドと タグが情報を交換します。 もう1つの重要な点は、標準化です。第3章では、モジュール化と分散化がどの程 度相互依存しているかについて説明します。こういった意味では、モジュール式 概念のコスト効率や分散型コンポーネントの統合には、データ交換用にメーカ ーやプラットフォームに依存しない通信規格や標準化形式が不可欠であること は明白です。確立されたプロトコルやOPC UAやAutomationMLなどの開発に より、機械を既存のインターフェースに統合することを大幅に簡素化できます。 WP 09/2020 | 5

先駆的な産業 分散型（部分的）アプリケーションへの移行へのスピードは、個々の業界で早ま っています。例えば物流では、特に材料や商品の内部フローを制御するために、 モジュール式機械への依存が増えています。これは、コンベアシステムの統合や 試運転を加速することや、倉庫管理を拡張できるようにするという目的と密接 に関係しています。同様に、多くの製薬会社やバイオテクノロジー会社は、より 迅速に運用を開始し、業界での利益をダイレクトに増加できるため、分散型プラ ント構造への投資を増やしています。機械の新たな設置や変換も迅速かつ簡単 に実行する必要があります。分散型アプローチの追求に力を入れている他の企 業は、例えば包装業界や木工業界で見ることができます。 モジュール化 – ハードウェアからソフトウェアへ 分散型自動化の場合、モジュール性が重要な役割を果たしています。モジュー ル式機械工学の核となる考え方は、複雑なプラントを個々のセグメントに分割 することです。ビルディングブロックの原理と同様に、モジュールを個別に、かつ 柔軟に組み合わせることができなければなりません。この目的のために、モジュ ールは可能な限り分散的かつ自律的に順番に動作できる必要があります。これ は、自動化ハードウェアだけでなく、ソフトウェアや通信規格も考慮することが いかに重要であるかを示しています。 分散型ハードウェア 一貫したモジュール化を実行するには、さまざまな制御機能を機械モジュール に再配置する必要があります。これらのタスクは、コンパクトなPLCまたは内蔵 ロジックコントローラを備えたI/Oシステムから実行できます。次のオプションを 使用して、アプリケーションの管理環境にハードウェアをインストールすること ができます。 ■ 現場の制御キャビネット：保護等級IP20のI/Oモジュールおよびコントローラ は、機械環境の制御ボックスまたはキャビネットに収容できます。ここでの主 な目的は、このようなコンパクト型の制御キャビネットのサイズをさらに小さく し、とりわけ設置されているデバイスのインテリジェンスを高めることです。 ■ IP67のI/Oシステム：保護等級IP67のI/Oシステムは、制御ボックスに自動化 コンポーネントを収容しない場合の理想的なソリューションです。これにより、 現場に直接設置できます。 ■ IP67のブロックモジュール：保護等級IP67のコンパクト型I/Oモジュールまた はコントローラは、小型のモジュール式機械に適した省スペースソリューショ ンです。また、機械の設置面積を削減することもでき、コストと設置時間にプラ スの影響を与えます。 WP 09/2020 | 6

モジュール式機械の概念に適したハードウェア：IP67保護機能により、コンパクト型制御キャビネッ トに収容することも、現場に直接設置することも可能なI/Oシステムおよびコントローラ。 1つの技術、複数の言語 第2章で説明したように、産業用イーサネットを介した通信は、プラント全体を ネットワーク化し、大量のデータを転送するための重要な要素になります。従来 のフィールドバスシステムとは異なり、一般的なTCP/IPプロトコルと組み合わ せて、リアルタイムデータとITデータの両方を共有メディア経由で送信できるた め、自動化レベルに沿った縦型統合が可能です。 しかし、オフィス用イーサネットから業界標準のイーサネットへのさらなる開発 の過程で、主要なコントローラメーカーが導入したさまざまなタイプのイーサネ ットは、モジュール式機械工学の課題を表しています。これまで、イーサネットは 産業用通信システム間で統一性を確立することができませんでした。競合する プロトコル標準の唯一の共通要素は、伝送技術（物理層）とバスアクセスプロト コル（データリンク層）です。この数十年で、多数のプロトコルが登場しました。そ れぞれ特定の用途において利点がありますが、そのすべてをここに記載できる わけではありません。例えば広く使用されている産業用イーサネットプロトコル は、次のとおりです。 WP 09/2020 | 7

■ EtherNet/IP：Rockwell AutomationとOpen DeviceNet Vendor Association（ODVA）によって開発されました。IEC 61158に従って標準化さ れ、米国市場で大きなシェアを獲得しています。 ■ Profinet：SiemensとProfibus User Organization（PNO）によって開発され ました。IEC 61158およびIEC 61784に従って標準化されています。ヨーロッパ および中東で普及しており、アジアで広く使用されています。 ■ Modbus TCP：1979年にGould-Modicon（現在はSchneider Electric）によ って開発されたオープンModbusプロトコルに基づいています。業界標準とみ なされており、IEC 61158規格の一部を構成しています。 ■ EtherCAT：Beckhoff AutomationとEtherCAT Technology Group（ETG）に よって開発されました。IEC 61158およびIEC 61784で公開され、ISO 15745-4 で標準化されています。 さまざまなメーカーのプラント部品で構成された生産チェーンは、製造におけ る標準です。中小企業では、供給ユニットを選択する際に他の選択肢がないこ とがよくありますが、大企業はその国際的構造のため、異なる制御メーカーの 機械で構成される製造ラインでの製造が必要な場合もあります。これとは対照 的に、一部の大企業の厳格な要件により、小規模なサプライヤが必要な通信機 能を備えた自社の機械を提供する必要があるという問題も生じています。モジ ュール式ユニットの統合と運用を簡素化するには、次のようにいくつかの方法 があります。 ■ プロトコルコンバータ：フィールドバスインターフェース（ゲートウェイとも言 う）は、2つの異なるネットワーク間でデータを交換するために使用されます。 通常、これらのコンバータはDINレールに取り付ける必要があり、多くの場合、 接続するプロトコルを事前に選択する必要があります。特にモジュール式プラ ントの概念の場合、対照的に推奨されるプロトコルコンバータとは、保護クラ スIP67、複数のネットワークとの組み込み互換性、およびネットワーク内の各 マスタに適応する機能を持つコンバータです。 ■ プロトコル適応型I/O技術：複数のイーサネットプロトコルをサポートするコ ンパクト型のコントローラとI/Oモジュールにより、異なるシステム環境に（分 散型）機械モジュールを取り付けることができます。Pharma-Skidsなどのプ ラントモジュールのメーカーにとって、お客様の施設に問題なく自社の機械を 設置できる可能性が高くなります。 マルチプロトコルイーサネット 1つのデバイス、3つのプロトコル：Turckのイ ーサネット対応ハードウェアは、マルチプロト コル技術を備えています。つまり、電源投入時 にデバイスは、要素の再接続や交換は行わず に、ネットワークで使用されているイーサネッ トプロトコルに合わせて自動的に調整されま す。Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCPプロト コルに対応しています。 WP 09/2020 | 8

画像の説明：異なるイーサネットプロトコルを使用する生産チェーンは、モジュールメーカーとユー ザーにとって課題です。プロトコルコンバータと「多言語」フィールドバス技術が解決します。 機械のすぐ近くにある安全技術 ここ数年、コンパクト型I/Oやコントローラの安全機能を周辺機器に移動する必 要性も高まっています。その原因の１つとして、特定のプラント領域（ライトバリ ア、非常停止ボタン、保護ドアなど）で多数の安全関連信号が存在することが挙 げられます。これらの信号は、モジュール式構造では機械で直接収集されるの が理想的です。この場合、リアルタイム伝送の要件が大きな役割を果たします。 中央安全コントローラを使用するアプリケーションでは、センサからコントロー ラへのデータ転送、処理、および返信には一定のランタイムが必要なため、バス サイクル時間を考慮して応答時間が長くなることを想定する必要があります。 具体的には、危険の発生源と保護装置との距離をさらに離して、機械が直ちに シャットダウンすることで従業員を保護できるようにすることです。試運転も検 討対象の1つです。分散型I/Oモジュールの場合、機械メーカーは完全なアプリ ケーションで事前に安全機能をテストできます。これにより、お客様の施設での 設置が容易になり、規格で求められる機械のライフサイクル全体を通じて機能 安全が確保されます。 分散型安全概念は、制御機能が中央に配置されているか、I/Oモジュールの周 辺機器に移動されているかという点で区別できます。 WP 09/2020 | 9

■ 分散型配線 – 集中型管理 保護クラスIP67のI/Oモジュールは、現場で直接安全信号を収集し、それらの 信号を安全フィールドバスまたはセキュアイーサネットプロトコルを介して安 全コントローラに送信します。ただし、安全機能の集中管理により、バスサイク ル時間と連結メッセージを考慮することで応答時間がより長くなる可能性が あります。 分散型I/Oモジュールは、安全アプリケーションを自律的に制御してテストを実行できます。その後、 稼働中に中央安全コントローラが引き継ぐことができます。 WP 09/2020 | 10

■ 分散型配線 – 分散型管理 個々のメーカーの安全なIP67 I/Oモジュールは、現場のモジュールで安全機 能を直接制御することもできます。この機械レベルのバージョンでは、サイク ル時間が大幅に短縮されます。分散型安全機能であるにもかかわらず、モジ ュールは、例えばここで上位レベルのコントローラと通信して診断データを送 信することもできます。 安全アプリケーションを分散的に制御する安全モジュールにより、サイクル時間を非常に短縮でき ます。これにより、特に多くの安全関連信号を処理する必要がある場合に設計が簡素化されます。 ソフトウェアの重要性 Industry 4.0をめぐる開発の過程で、自動化技術向けのソフトウェアの重要性 は着実に高まっています。これは、分散型モジュールを使用したプラント設計で は、ソフトウェア側のエンジニアリング部門で現場へのインテリジェンスの移転 をマッピングする必要があることを意味します。ソフトウェアは、1カ所に集中さ せるのではなく、フィールドバスデバイスの性能を最大限に発揮したり、試運転 を高速化したり、コンピューティング能力を適切な場所で使用したりすることに も役立ちます。中央機械コントローラは特定のコアタスクに割り当てることがで き、制御に関連しないデータは適切なシステムに直接送信できます。 WP 09/2020 | 11

分散型インテリジェンス 自動化インテリジェンスを個々のプラントモジュー ルまたはローカルに設置されているフィールドバス デバイスに分散すると、上位レベルのシステムでデ ータトラフィックを削減できます。これは、特に短い サイクル時間を必要とするアプリケーションで役立 ちます。例えばイントラロジスティクスにおいて、2つ の搬送ボックスが接近しすぎる直前にコンベアベ ルトを停止する必要がある場合、即座に判断して信 号を送信する必要があります。参加者が複数で中央 ロジック内蔵の分散型I/Oモジュールは、ローラーコンベアの駆 PLCが1つしかないネットワークでは、パッケージ間 動を制御します。これは、コンテナが密集したり、誤って制御され の距離を長くしたり、コンベアの速度を遅くしたりし たりする可能性がある、複数の参加者がいる大規模なコンベア なければならない場合があります。代わりに、モジ システムで特に役立ちます。 ュール内で事前にデータをフィルタリングし、対象 を定めた上位レベルのコントローラとの通信をコス ト効率よくマッピングできます。 一部のアプリケーションでは、RFIDタグ、タイマー、 信号ライトの相互作用など比較的複雑でない独立 したプロセスをPLCで制御する必要はありません。 代わりに、論理関数を備えたI/Oモジュールは、この タスクをオンサイトで実行できます。これは、I/Oモジ ュールの性能を最大限に活用し、ユーザーにプログ ラミング環境を提供するソフトウェアソリューション の重要性を示しています。モジュールは、自律的に 管理しているにもかかわらず、特定の範囲の収集デ ータを制御システムに送信することもできます。こ RFID読み取り/書き込みヘッドがケーブルスタンドのタグを読み れにより、例えばどのタグがいつどこで記録された 取り、インターフェースでタイマーを起動させます。フィールドバ のかを追跡できます。 スモジュールは、時間記録と連動してLEDディスプレイを個別に 制御します。 モジュール間通信 自律システムとして、機械モジュールは隣接するモ ジュールの入力を処理し、それらから次のアクショ ARGEEが現場にロジックを導入 ンを決定できます。これを実行するには、モジュール ARGEEプログラミング環境では、追加コストな の複雑さに応じて、論理関数を搭載したI/Oコンポ しでTurckのブロックI/Oモジュールをフィールド ーネントまたはフィールドコントローラを使用しま ロジックコントローラとして使用することもでき す。隣接するモジュールに必要な情報のみが、2つの るため、ロジックを現場にもたらします。インタ 機械モジュール間のインターフェースで転送されま ーフェースはHTML5とJavaScriptに基づいてい す。 ます。これにより、デバイスに追加機能を統合で きます。これには、if/thenリンク、カウンタ機能、 またはタイマーが含まれます。分散型ロジック により、アプリケーションで直接、高速応答が可 能になります。 WP 09/2020 | 12

Codesys Codesys開発システム（IEC-61131-3）プログラミングツールは、世界中で何万 人ものユーザーが使用している自動化アプリケーションを構成するためのソリ ューションです。自動化では、オープンソースソフトウェアは多くの制御技術プロ バイダによって標準化された方法で使用されています。これにより、独立したオ ートメーション企業は、制御プラットフォームを迅速に市場に投入し、お客様の 既存のネットワークに統合できます。また、ProfinetやEtherNet/IPなどの標準 化プロトコルを直接統合することで、メーカー依存のコントローラとのネットワ ーキング（必要なデータ交換を含む）も可能になり、既存の自動化システムに加 えて分散型資産を作成し、実行中のプロセスへの影響を最小限に抑えることが できます。 分散型安全インテリジェンス メーカーのソフトウェアを使用して、分散型ベースで安全関連機能をI/O安全シ ステムにインストールできます。これにより、IP67 I/Oモジュール内の安全アプリ ケーションを事前設定できるため、例えばソフトウェアが最初に論理エラーの設 定を確認できます。分散型安全ロジックは、非常に迅速に危険を排除し、すべて の情報を標準コントローラに送信します。または、安全I/Oとして上位レベルの 安全コントローラに統合することもできます。 標準化に向けて：OPC UA、AutomationML、MTP、およびPackML 産業用自動化ソフトウェアの関連性が高まると、インターフェースの互換性に関 する問題が生じます。メーカー固有のエンジニアリングツールを使用すると、プ ラント内でシステム障害が発生した場合、機械モジュールの統合が困難になり ます。これは、接続性と通信の両方に影響します。柔軟でオープンな自動化構造 には、間違いなく標準化が必要です。つまりメーカーは、統一された言語、また は標準化された言語ルールによる機械のデバイスパラメータを後で顧客システ ムの独自の形式に変換できるよう、それらを保存できる機会が与えられる必要 があります。 WP 09/2020 | 13

標準化においては、次の2つの開発が卓越しています。 ■ OPC UA：OPC UAはOpen Platform Communications Unified Architec- tureという名前が示すように、アーキテクチャとしてはプロトコルという程 ではありません。クロスプラットフォームおよびクロスメーカーの一連の規格 （IEC 62541）は、機械間通信（M2M）およびクラウドとの縦型通信の規格とし てますます確立されています。最初の要件は、インターネットプロトコルに基 づいたネットワークです。最終的に、「Companion仕様」は標準化と相互運用 性には決定的なものです。これらの情報モデルは、機械が特定の情報を提供 する形式を指定します。通常、このような仕様は、特定の産業または機械タイ プの作業グループによって作成されます。 ■ AutomationML：自動化マークアップ言語は、エンジニアリングデータを 交換するためのXMLベースのオープンデータ形式です。AMLは一種のデー タコンテナとして、異種エンジニアリングツール環境に関係なくツールを結 合できます。CAEX（Computer Aided Engineering Exchange）、PLCopen XML、Colladaで構成され、属性だけでなく形状やキネマティクス形式なども 転送できます。IEC 62714 AutomationMLシリーズの規格も最初から、相乗効 果を生み出すためにOPC UAと合わせて議論されました。Companion Spe- cification AutomationML for OPC UAは2016年から存在しています。OPC UAは交換の実行方法を定義し、AMLは機器としてコンテンツを提供します。 一番早い業界では、OPC UAとAutomationMLの利点、または両方の開発の組 み合わせをすでに活用しています。例として、プロセス産業でのモジュールタイ プパッケージ（MTP）の開発や、包装機の統合を容易にするように設計された Packaging Machine Language（PackML）があります。 ■ モジュールタイプパッケージ：製品ライフサイクルの短縮と新製品の迅速な市 場投入という観点から、プロセス産業はモジュール式プラントコンポーネント を簡素に統合することで、加工工場の柔軟性を推進しています。Wago、ドレス デン工科大学、ハンブルクに拠点を置くHelmut Schmidt大学の協力の一環 として開発されたDIMA法（モジュール式システムの分散型インテリジェンス） に基づいて、NamurとZVEIのメンバーは2015年にモジュールタイプパッケー ジ（MTP）と呼ばれるメーカーに左右されないデータコンテナの開発に着手 しました。MTPはAutomationMLに基づいており、オフィスのIT環境ではプリ ンタドライバと比較されることがあります。メーカーは、MTPコンテナを使用し てエンジニアリングソフトウェアのプロセスモジュールから特定のデータ、情 報、およびサービスをエクスポートできます。MTPコンテナは、後でメーカーに 依存しない形式で制御システムのエンジニアリングシステムに読み込まれま す。これにより、特に食品、医薬品、ファインケミカル産業のプラントで、プロセ スエンジニアリングモジュールの迅速な統合が容易になります。 WP 09/2020 | 14

■ Packaging Machine Language：国際通信規格PackMLは、International Society of Automation（ISA）とOrganization for Machine Automation and Contro（l OMAC）の協力により誕生しました。包装業界に集中すること で、機械メーカーとユーザーは多くの点で標準化の利点を利用できるはずで す。これは、機能的な相互運用性と製造ライン内のさまざまな機械のユーザ ーインターフェースの両方に関連しています。例えばPackMLを使用すると、 プラントモジュールは標準化された言語で動作状態を送信できます。これに より、通信は機械間（M2M）で整合されるだけでなく、機械レベルと上位レベ ルのシステム間でも縦型方向に整合されます。2018年現在、企業はOPC UA PackML Companion仕様も使用して、両方の標準の長所を組み合わせるこ とができるようになりました。 切り替えを行う4つの理由 モジュール性と機械の分散型自動化インテリジェンスに関する産業プラントの 具体的な設計は、常に極めて特殊な考慮事項より重要視する必要があります。 これらについては、第2章で説明しています。モジュール式分散型機械の概念に 対する戦略的方向性を支持する4つの根拠があります。 1. 試運転の高速化と市場投入期間の短縮 2. 柔軟性の向上 3. プラントの可用性の向上 4. コストの削減 試運転の高速化と市場投入期間の短縮 企業は、新しいプラントの設置または既存のプラントの拡張という2つのプロセ スが加速されると、製品開発から市場投入までの時間を大幅に短縮できます。 ■ 制御キャビネットから離れる：ここで、コントローラとI/ Oシステムが保護クラスIP67に対応するよう設計され ている場合、自動化インテリジェンスを機械のすぐ近く に配置しなおすことが特に有益です。つまり、ユーザー は制御キャビネット内にあるフィールドバス技術に依 存しなくなるか、依存していても、それらに対する依存 度を減らすことができるということです。また、通信や 電源の配線コストを削減したり、プラグイン接続技術 により素早く間違うことなく配線したりできます。 ■ 事前テスト：分散型制御システムにより、納品前に個々 医薬品有効成分などの製品を大規模に迅速に生産するため のモジュールを完全にテストできます。これにより、エ に、プラントメーカーがモジュール式生産炉に依存する度合 ンドユーザーの試運転時間が短縮され、設置および試 いが高まっています。 運転における時間のかかるトラブルシューティングが 不要になります。 ■ モジュールの原理：モジュール式機械は、さまざまな方法で組み立てることが でき、相互に通信し、制御システムに接続する前であってもテストできるため、 スピードが重視される試運転において重要な利点をもたらします。 ■ エンジニアリング：機械全体がモジュール式設計のため、個々の機械モジュー ルは、最初は相互に無関係に設計したりパラメータを設定したりできます。こ れにより、機械的および電気的計画の点においてモジュールごとの作業が簡 素化されます。 WP 09/2020 | 15

■ アジャイルなハードウェアおよびソフトウェア開発：分散型機械構造により、機 械全体を完全に組み立てることなく、非常に早期の開発段階でハードウェア とソフトウェアのテストを実施できます。これにより、最初のテスト結果をモジ ュールレベルで開発プロセスに組み込み、例えば機械用に個別にカスタマイ ズされたソフトウェアソリューションを作成できます。 柔軟性の向上 モノリシックシステムと比較して、分散制御モジュールはプロセスやフォーマット の変更時に高い柔軟性を実現します。ここではモジュールの原理も使用されて いますが、メーカーとユーザーは次の2つの可能性から利益を得ます。 ■ 構成せずに交換：故障したユニットを交換する場合は、 現場で最小限の構成を行うか、全く構成する必要はあ りません。代わりに、交換は高度に自動化されていま す。新しいモジュールの起動時に、すべてのコンポーネ ントのパラメータが自動的にインポートされます。 ■ 購入せずにレンタル：モジュール式機械は、企業がプラ ントやサービスを購入せずに、レンタルするだけのビジ ネスモデルを可能にします。また、お客様にこのような 機器を提供する企業は、必要に応じて他の場所や新し 機械モジュールは、個々のプラント設計に対するお客様の要 いレイアウトで機器を迅速に構築する能力が求められ 件を満たすだけでなく、簡単に交換することもできます。これ ます。ここで、プラグインベースの接続技術の利点を利 は、ハードウェアとソフトウェアがプラグアンドプレイ対応の 用できます。 場合に特に当てはまります。 プラントの可用性の向上 交換時に柔軟かつ素早く対応できることは、何年にもわたる信頼性あるプラン トの操業と効果的な使用に貢献します。さらに、モジュールアプリケーション全 体の工場出荷試験（FAT）を実施することで、プラント内での故障リスクを最小限 に抑えることができます。分散型構造には、さらに次のような利点があります。 ■ 局所機能の維持：ケーブルの切断など、プラントで予期 しない問題が発生した場合、分散型インテリジェンス を持つユニットは、プロセスを独立して開始したり維持 したりできます。例えば、安全アプリケーションの場合、 安全I/Oモジュールは影響を受けないサブエリアの安 全機能を引き続き保証するということです。 ■ 対象を定めた状態監視：ネットワーク化されたモジュ ールは、状態監視と予測メンテナンスのカギになりま す。これにより、個々の機械コンポーネントの異常を早 期に検出し、それらを修正したり、故障個所を迅速に特 安全モジュールは、プラントでプロセス関連のすべての安全 定したりできる可能性が高まります。この目的のため 機能を直接チェックします。上位レベルのシステムに障害が に、ユーザーはクラウドなどの上位レベルシステムでデ 発生した場合、影響を受けないサブエリアで引き続き操業す ータ集約を使用したり、代わりに現場の分散型デバイ る可能性が高くなります。 スのメモリを読み出したりできます。 WP 09/2020 | 16

コストの削減 上記の3つの利点は、コストに直接影響を与えます。例えば、ハードウェアの面で は、これはキャビネットの組み立てや配線に関するコストの削減、および単純な プラント適応に関連しているため、新規購入する必要がなくなります。試運転が 簡単になると作業時間にプラスの効果がある一方、ダウンタイムが短縮される と他の修理コストが削減されます。 展望 分散化は、自動化システムの近代化に向けた次のステップです。分散型資産と 既存のインフラストラクチャをネットワーク化することで、機械やプラントをより 効率的に運用するための柔軟性ある新モデルが生み出されます。Industry 4.0 の過程において、機械とプロセスのデジタル化は、周辺機器へのインテリジェ ンスの拡大につながります。「サイバー物理システム」は重要なマイルストーン です。少なくともこの時点で、接続されているすべての要素が通信可能になりま す。これにより、独立して決定を行い、データを相互に交換して分析することで、 進行中のプロセスのサブプロセスを最適化できます。 フィールドテスト済みおよび多言語対応 Turckは、その役割としてスマートセンサ技術と 処理データを個別に制御できるフィールドロジッ 分散型自動化概念の専門家として、インテリジェ クコントローラとなります。さらに、Turckのファク ントな機械ソリューションを用意しています。ま トリオートメーションのI/O全シリーズとプロセス た、IP67等級の堅牢なI/Oソリューションだけでな 産業のexcom I/Oシステムは、マルチプロトコル く、センサからクラウドへで関連する生産データを 技術（Profinet、Modbus TCP、EtherNet/IP）で 確実に取得、処理、転送する使いやすいソフトウェ も利用できます。 アとサービスも提供します。 分散型安全ソリューション 包括的なIP67ポートフォリオ 安全関連アプリケーションの場合、ユーザーは Turckのフィールドバスプログラムには、保護クラ Turckの安全ブロックI/Oモジュールを、必要に応 スIP67を備えたさまざまなブロックI/Oモジュー じて、完全安全モデルまたは標準入出力と安全入 ルとI/Oシステムが用意されています。過酷な環境 出力の両方を備えたハイブリッドバージョンから での使用に耐え得る小型I/Oモジュールとコント 選択できます。ProfisafeまたはCIP Safety用のモ ローラは、ガラス繊維による強化樹脂製ハウジン ジュールは、安全入出力信号を現場から安全コン グと金属製コネクタを装備しており、完全にポッテ トローラに直接送信します。あるいは、モジュール ィングされ、振動や衝撃に対する耐性を備えてい は現場で分散型安全コントローラとして使用する ます。ARGEEプログラミング環境を使用すること こともできます。 で、ブロックI/Oデバイスは、アプリケーションと前 WP 09/2020 | 17

著者 | Sai Seidel-Sridhavan、Turck製品マーケティングマネージャー 参考資料/画像 ■ [1] Cf. Lauber, Rudolf / Göhner, Peter (2013): Prozessautomatisierung 1. Automatisierungssysteme und -strukturen, Computer- und Bus- systeme für die Anlagen- und Produktautomatisierung, Echtzeitpro- grammierung und Echtzeitbetriebssysteme, Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik (3. Auflage). Berlin, Heidelberg, New York (Sprin- ger-Verlag), p. 85-92. ■ [2] Own figure, cf. Fleischer, Heidi / Thurow, Kerstin (2019): Automati- onslösungen in der analytischen Messtechnik. Theorie, Konzepte und Anwendungen. Weinheim (Wiley VCH Verlag GmbH), p. 80. ■ 「Module Type Package」のロゴ： NAMUR - Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie e.V. ■ 「AutomationML」のロゴ： AutomationML e.V. ■ 「Packaging Machine Language」のロゴ： OMAC – The Organization for Machine Automation and Control. http://omac.org/workgroups/ packaging-workgroup/ 詳細情報 概要： On Course for Success with Decentralized Automation 技術ページ：モジュール式機械 技術ページ：機械安全 技術ページ：マルチプロトコルイーサネット 技術ページ：フィールドロジックコントローラ お問い合わせ Hans Turck GmbH & Co. KG|45466 Mülheim an der Ruhr, Germany T +49 208 4952-0|F +49 208 4952-264|contact@turck.com Over 30 subsidiaries and 60 representatives worldwide! Whitepaper | 09/2020 #turck | www.turck.com