HART通信プロトコルとIndustrial Internet of Thingsのすべて
私たちは、自分たちの会社は、次々と生まれる革新的な技術とは無縁だと思いがちです。このような新しい技術を採用するかどうかについては、様々な懸念がありますが、その中の一つに、新しいものに対応するための工場の改修コストがあります。
一方で、多くの人は、新しいソリューションを適用する可能性について会話を始めることさえ嫌がります。しかし、あなたのように積極的な方もいるということです。そう、今、この記事を読んでいるあなたのことです。
新しいIndustrial Internet of Thingsにまだ疑問を持っていても、その利点をもっと知りたいと思っているはずですし、そのソリューションがどれだけ簡単で費用も手頃なものであるか、状況に応じて、自由にテストすることもできますよね？
今日はご一読いただき、ありがとうございます。ここでは、HART通信プロトコルがどのように意味のある情報を提供しているのか、また、IIoTクラウドコンピューティングを現場のHART機器と低コストで統合するための可能性について、一緒に考えてみたいと思います。
HARTフィールドデバイスとHARTインターフェースを使って工場を強化する方法をご説明いたします。
4-20mA/HART機器のある工場の一日
その日は雨が降っていました。オペレーターからの電話もあまりなく、とても静かに過ごせると思っていました。しかしそれは間違っていました。その日は、いろいろなことが起こり、すべてが同時にうまくいかない日でした。
私は以前、保全チームで働いていましたが、主に、校正や機器の洗浄、新設機器の取り付け、オペレーターとの打ち合わせなど、日々業務を行っていました。思い返すと、流量計は正しく計測できているので、問題はプロセス側に起因するということを証明しようと何度試みたことか。
時には、機器が動作しないという緊急連絡を受けることもあり、何が起こっているのかを早急に確認しなければならないこともありました。通常、保全チームは、すべてのバグやよくある問題を熟知しています。
雨が降っていたので、私は現場に行きたくありませんでした。さらに、私は何人かのインターンを連れていて、チームのほとんどはトレーニング中でした。その日のうちに、オペレーターからレベル測定に関する電話がかかってきました。
びしょ濡れになりながら様子を見に行く自分の姿が目に浮かびました。道具をそろえてから現場に向かいました。このレベル計LT-305は、もちろん私のいる場所からは離れた工場の端にありました。
途中、オペレーターから「計測データを使わずにマニュアルでプロセスを運転している」という連絡が届きました。
私はそれが緊急な状況であることを理解し、できるだけ早く現場へたどり着けるように懸命に努力しました。機器の前に到着したとき、最初の驚きは機器に表示操作部がなかったことです。オペレーターの説明によると、測定値がパンチングしていて、レベルが取得できないとのことでした。
何が起きているのかを知るために、ツールボックスにあるフィールドコンフィギュレータを使ってデバイスのデータを読み込んでみたところ、2つ目の驚きがありました。フィールドコンフィグレータのバッテリーが切れていて、デバイスに何か問題があるのか確認できなかったのです。
解決策としては、フィールドコンフィギュレータを少し充電して、現場に戻ることにしました。このあと何が起こったかはもうお分かりですよね？オペレーターは正確なレベル測定できないのでマニュアルで運転していたので、レベルが高すぎることに気づかず、あふれ防止のレベルスイッチが動作してプロセスを自動シャットダウンし、生産を停止させてしまったのです。
メンテナンスチームには土砂降りの雨の日のようでした。
HART通信プロトコルとは？
あなたは、上記と同じような状況に陥ったことがありますか？似たようなことはあったのではないでしょうか。このような問題は、フィールドからデバイスのデータを収集することで、すぐに解決できます。フィールド機器の4-20mA信号しか使っていなかったとしても、その機器にHART通信プロトコルが内蔵されていればいいのです。
HARTプロトコルは、私たちが知っているように新しいものではありませんが、さまざまな産業でこれらのデバイスが大量に設置されていますが、十分活用されている方はまだまだ少ないようです。HARTとは、Highway Addressable Remote Transducer Protocolの略で、1980年代半ばに開発されました。1986年にHART通信プロトコルは、それまでの企業独自のプロトコルからオープンなプロトコルになりました。
HARTプロトコルは、4-20mAに重畳して通信します。私やあなたよりも古いプロトコルですが、今でも信頼できる通信です。HARTプロトコルはBell-202で開発され、1200bpsの周波数変換式変調方式 (FSK)を使用して変調と復調を行います。
信号は1200Hzと2200Hzの2つの異なる周波数でできており、「1」と「0」を表しています。マスターは、4-20mAの信号を途切れさせることなくスレーブと通信することができます。
以上、HARTプロトコルについて説明しましたが、他にもHARTコマンドやHARTマルチドロップなど、別の機会に紹介したい内容があります。
HARTプロトコルと他のフィールドバスプロトコルの違いは何ですか？
HARTフィールドデバイスは、他のフィールドバスデバイスと同レベルのデータを提供できます。しかし、フィールドバス通信との違いは、フィールドバス通信ではサイクリックでデータを通信しているのに対し、HARTデバイスは、通信しない限りデータはすべてデバイスの中にあるという点です。
HART通信プロトコルを持つすべての機器は、PROFIBUSやFOUNDATION Fieldbus、その他のデジタル機器にもあるIDM（Intelligent Device Management）を実現します。HARTデバイスからすべての情報を読み取るデジタル通信はあまり一般的ではありません。しかし、貴重な情報を現場から読み取る方法は他にもあります。
HARTデバイスとフィールドバスデバイスの違いについての質問にお答えします。フィールドデバイスから得られる情報のレベルに違いはなく、すべてのソリューションはデバイスの健全性に関しても同じ重要なデータを提供します。
欠点としては、HARTデバイスが設置される標準的な計装方法では、制御システムは4-20mAしか読み取れず、フィールドバスを使用したフィールドネットワークとは異なることです。HART通信では、フィールドバスとは異なる手段で、現場からデータを取得し、Netilion Healthで使用するなど、関連する知見に役立てるための有線および無線の方法があります。
IIoTクラウドソリューションで使用できるHARTインターフェースの種類は？
記事の冒頭でお伝えしたレベル計と同じような状況を、あなたはすでに回避できると確信していると思います。私は、高額な投資や工場の改造をせずに、HARTフィールドデバイスからIDMデータを救出する2つの可能性をお伝えしたいと思います。
まず最初に言いたいのは、ワイヤレスはこの情報を収集する最も簡単な方法だということです。フィールドデバイスにWirelessHARTアダプタを追加すると、すべてのデータがWirelessHARTゲートウェイに転送されます。Endress+HauserのSWG70のようなWirelessHARTゲートウェイは、エッジデバイスに組み込まれ、IIoTクラウドコンピューティングにすべてのデータを提供することができます。
ワイヤレスはすでにさまざまな業界で実績のあるソリューションであり、エンドユーザーがさまざまな用途にワイヤレスを使用しているケースが見受けられます。私は "ワイヤレスは必需品 "と言いたいですね。つまり、WiFiがなければどんなに生活が不便になってしまうことか。
次に、もしあなたがまだワイヤレスに慣れていないのであれば、フィールドデバイスをIIoTクラウドに接続するための素晴らしい別の方法もあります。HARTゲートウェイは、4-20mAループからHART通信を取り出し、NetilionなどのIIoTプラットフォームに統合するための、簡単な方法のひとつです。
もちろん、数量や複雑さに応じて、HARTゲートウェイはワイヤレスソリューションよりも少し多めの投資となります。心に留めておくべきことは、この種のソリューションを工場に導入した場合の投資効果は、数ヶ月で回収できるということです。
例えば、工場にIIoTを導入するための優れた例として、イーサネットHARTゲートウェイ「SFG250」を挙げたいと思います。HART over Ethernetは、これらのデータを読み取るためのシンプルな方法の1つであり、頭を悩ませることはありません。
自分の工場にIIoTソリューションを導入すべきか？
私はこの質問に、「なぜそうしないのか」という別の質問で答えます。このように、Industrial Internet of Thingsは、あなたが頭の中で描いていたような遠い存在ではありません。IIoTサービスの優位性は明確で、工場に導入することで多くのメリットを得ることができます。
その一例として、IIoTによって工場の全体像を把握することができることをお伝えしたいと思います。
工場内の約30％のアセットがすでに陳腐化していることをご存知ですか？
IIoTサービスを利用すれば、自然な形でデバイスを手動で登録し、クラウド上にデジタルツインを作成したり、エッジデバイスを使って自動で登録することができます。
その後、分析機能にアクセスし、ダッシュボードやグラフを使って、デバイスの設置基盤に関するすべての情報を透明性のある方法で確認することができます。どのデバイスが利用できなくなったか、すべてのデバイスの概要、複雑さやメンテナンスの手間のレベルなど、さまざまな情報を得ることができます。
HART通信プロトコルによる診断情報監視のメリット
HART通信プロトコルとIIoTを利用したもう一つの強力な方法は、機器の健全性の監視です。例えば、Netilion Healthは、Endress+Hauserやサードパーティの機器に関する情報を提供する分かりやすいソリューションの1つです。
HARTゲートウェイを使ってワイヤレスにするか有線にするかを決めたら、それをEdgeデバイスに接続します。エッジデバイスは、クラウドソリューションと安全に通信し、どこにいてもすべてのデバイスの健全性の情報を提供します。
概要ページでは、NAMUR NE 107をベースにしたデバイスのすべての状態を端的に見ることができます。いずれかのデバイスが診断情報で故障を示している場合、デバイスから提供された情報にアクセスい、何が問題で、それを解決するための救済策を取得することができます。
さらに、デバイスの状態に関する履歴があり、イベントがいつ発生したのか、その間隔もわかるので、発生した状況が一目瞭然です。こんなに簡単だとは思わなかったでしょう？
さて、レベル測定と同じような状況は、どこにいても機器の状態を監視できる自己診断監視システムがあれば回避できることが明らかになりました。問題解決までの時間を短縮し、予定外のダウンタイムを回避してコストを削減できるかもしれません。
そうですね、シンプルですね。