産業用ネットワークとは？
産業用ネットワークという用語は、産業オートメーション技術で使用される機器間の通信を指します。これは、主にプロセスオートメーションや生産オートメーションにおいて、機械やプラントを制御するためのデータや情報の転送と交換を伴います。したがって、産業用ネットワークはオートメーション化の成功の基礎となります。
デバイスは、標準化された産業用ネットワークを使用してネットワーク化され、有線または無線のいずれかになります。デジタル化が進むにつれ、高性能な通信システムが、インダストリー4.0やインダストリアルIoT(IIoT)といった応用分野の中枢神経になりつつあります。
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ケーブルとライン
コネクタ：
ネットワークおよび配電コンポーネント
LAPPは卓越性の象徴である
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LAPP によるデータ通信 - 未来への接続。
オートメーションとは？
DIN 19233は自動化を次のように定義しています：「人間が関与することなく、完全にまたは部分的に意図したとおりに動作するように装置を装備すること。」
しかし、これは具体的に何を意味するのでしょうか？生産施設を見てみよう。自動化生産では、これまで人間が行っていたすべての作業を機械が独立して行います。これには、加工、制御、工具やワークピースの取り扱い、機械的または電子的な品質監視が含まれています。
オートメーションは基本的に、個々の作業手順の自動化（プロシージャーオートメーション）、特定の生産工程の自動化（プロセスオートメーション）、製造工程全体の自動化（システムオートメーション）の3つに分けられます。
自律的な生産プロセスの実施には、技術的な設備が必要です。技術設備は、センサー/アクチュエータ、レギュレーション、制御、情報、通信、プロセス制御、および/またはロボット技術の分野から提供されます。
自動化の利点
このような条件下では、自動化は多くの利点をもたらします。これには以下が含まれています。
- 精神的にきつい仕事、単調な仕事、きつい仕事、危険な仕事、有害な仕事からの解放
- 生産性の向上
- 製品の品質向上
- 生産時間の短縮
- より資源効率の高い工場運営による環境ストレスの低減
- より柔軟な生産
- 精度の向上とエラーの回避
オートメーションピラミッド
オートメーションピラミッドは、自動化生産の一般的な通信構造を表し、工業生産のさまざまなITレベルを分類しています。
各レベルは、自動化された生産において独自のタスクを想定しており、現場レベルのセンサーなど、異なるシステムで構成されています。レベルの数は自動化プロセスによって異なります。個々のレベルは省略することも、グループ化することもできます。
各レベルの個々のシステムとレベル自体が互いに情報を交換します。あるレベル内での情報交換は水平的通信と呼ばれ、別々のレベル間での情報交換は垂直的通信と呼ばれます。
| N/A | レベル | 使用システム | 代表的なタスク |
|---|---|---|---|
| 1 | フィールドレベル | センサーとアクチュエータ | 生産データの収集/コマンドの実行 |
| 2 | 制御レベル | 制御コンピュータ/PLC | 生産工程の規制 |
| 3 | 会社レベル | ERPシステム | 大まかな生産計画と注文処理 |
現場レベルのセンサーやアクチュエータは、上位の制御レベルとのみ通信を行います。制御レベルのプログラマブルロジックコントローラ(PLC)は、企業レベルのERP（統合基幹業務システム）とデータを交換します。
オートメーションピラミッドの中では、レベルが高いほど、レイテンシ、つまりトランスミッターとレシーバと間のデータ伝送の遅延が大きくなります。その一方で、伝送されるデータ量は確実に増加しています。
| レベル | 計画の地平線 | データ量 | レイテンシー |
|---|---|---|---|
| 会社レベル | 月から年へ | メガバイト - ギガバイト | 2-20 s |
| 制御レベル | 数秒から数時間 | バイト - キロバイト | 0.2 s |
| フィールドレベル | ms | バイト | 0.002 s |
インダストリー4.0と産業用モノのインターネットは、古典的なオートメーションピラミッドに影響を与え、より相互接続性と柔軟性を必要とします。そのためには、ピラミッドに適応して大きく平らにする必要があります。
オートメーションシステムの構築
オートメーショシステムのセットアップに専念する前に、まず、すべてのオートメーションタスクの根底にある入出力モデルを見てみましょう。
物理的変数はセンサーによって記録され、入力信号として制御コンピューター（機能）に渡されます。信号を処理し、アクチュエータに出力信号を送ります。個々のコンポーネントは通信システムによって接続されています。
オートメーションシステムは、センサー（1）、アクチュエータ（2）、制御コンピュータ（4）、通信システム（3）で構成されています。
オートメーションシステムのコンポーネントの概要
センサーとは、アナログの物理的な値（機械的、化学的、熱的、磁気的、光学的な値）をとらえ、アナログまたはデジタルの電気信号に変換する測定プローブです。
「シンプルな」センサーはアナログ信号を生成するだけで、制御コンピューターと通信する前に、まず空間的に分離されたコンバータ（I/Oシステムなど）によってデジタル信号に変換されなければなりません。
「インテリジェントセンサー」とも呼ばれるスマートセンサーは、信号の準備と処理を完全に引き継ぎ、デジタル信号を発します。これにより、制御コンピューターとの直接通信が可能になります。
センサーは、信号の種類（アナログセンサー、デジタルセンサー）、測定原理（光学センサー、静電容量センサーなど）、使用目的（オートメーションエンジニアリングのセンサー、航空宇宙のセンサーなど）、測定値（力センサー、温度センサーなど）によって区別することができます。
アクチュエータの動作原理は、センサーの逆です。アクチュエータは、制御コンピューターからの電気信号を物理的変数に変換します。
アクチュエータは、電気パルスを圧力、音、温度、動き、その他の物理的変数に変換します。
変換プロセスによって、アクチュエータは電気機械アクチュエータ、電磁アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ、その他に分けられます。
制御コンピュータまたはプログラマブルロジックコントローラ(PLC)は、オートメーションシステム内のプロセスまたはサブプロセスを制御します。制御に必要なセンサーとアクチュエータは、プロセスのPLCに直接接続するか、バスシステムを介して接続できます。複数のサブプロセスを持つ大規模プラントでは、各サブプロセスに別々のPLCが使用され、それらは互いにネットワーク化されています。
リソースを調整するため、つまり、どの機械が現在どの注文を処理しているか、そしてまた利用できそうかを調整するため、PLCは企業レベルおよび運転管理レベルで調整します。
PLCは周期的に動作します。つまり、サイクルの最初にすべての入力の値を読み取り、保存されたプログラムを実行し、最後に出力を設定します。そしてまた新たなサイクルが始まり、プログラムに終わりはありません。
オートメーションシステムが機能するには、センサー、アクチュエータ、PLCを互いに接続する通信ネットワークが必要です。
産業用ネットワークは、いくつかのコンポーネントで構成されています。コンポーネントの選択は、使用目的やその他の要因によって異なります。
伝送技術はフィールドバスかイーサネットか？アプリケーションに適したネットワークトポロジーは？さらに、人身事故を避けるため、センサーを使用する従業員の保護機能なども考慮しなければなりません。通常運転、清掃、修理といった機械のさまざまな運転モードも、部品の選択に影響を与えます。
LAPPでは、センサー/アクチュエータおよび制御レベルから在庫管理システムまで、統合されたネットワーキングのための完全なケーブル配線および接続システムを提供します。
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- 光データ伝送用光ファイバケーブル - HITRONIC®ブランド製品
- データ伝送用データケーブルとフィールドバスコンポーネント - UNITRONIC®ブランド製品
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オートメーション技術における制御と規制
オートメーション技術において、制御と調節の概念は極めて重要です。
制御または制御技術に関して言えば、その目的は、指定された入力値に従って技術システムの出力値に影響を与えることです。ここにはフィードバックがありません。つまり、アクションの過程は自己完結的ではありません。
制御システムの例としては、ビルの暖房制御システムがあります。外気温センサーは、外気温に応じて部屋の暖房をオンにします。部屋の窓が開いているなどの外部からの影響は考慮されていません。
調整あるいは調節技術に関しては、外部干渉（干渉変数）の影響にもかかわらず技術システム内の物理的変数（調整変数）を一定に保つこと、あるいは特定の変数（指導変数）の時系列的経過を可能な限り正確に追跡することが目的です。制御回路は自己完結型、つまりフィードバックがあります。
オートメーション技術における規制の例としては、自動車の自動空調システムがあります。外部からの影響（太陽光など）にもかかわらず、車内温度を常に必要なレベルに保ちます。