個々の機械であっても、予期しない生産停止が発生すると、追加の労力、コストの増加、生産量の低下が生じます。機械とプラントの稼働率を最大限に高めるためには、データに基づいた継続的且つ最良の状態監視が不可欠です。
機械モニタリング
この場合の重要なユースケースは、機械の継続的なモニタリングです。ここでの目的は、電流、温度、振動などの関連データを用いて、進行中の動作の異常を早期に検出し、理想的にはこうした異常を分類して、起こり得るエラーを事前に検出できるようにすることです。これには摩耗や損傷の兆候が含まれることが多く、これらは機械学習ベースの分析を使用して早期かつ確実に検出されます。これにより、最小限のコストで最大限の稼働率を実現するために、サービスとメンテナンスを適切な時期に計画することができます。
プロセスモニタリング
もう1つの重要なユースケースは、プロセスの継続的なモニタリングです。ここでの目的は、プロセスパラメータからの逸脱を早期に発見し、必要に応じてプロセスに介入できるようにすることです。既存の制御ソリューションと通常利用可能なデータに基づいて、モデルベースの機械学習ソリューションを再度使用して異常を検出し、可能な限り詳細に分類します。ルールベースの自動化が限界に達すると、MLによって、これまで知られていなかったプロセスの状態に対する全く新しい洞察を取得できます。その結果、より早く、よりターゲットを絞った方法でプロセスに介入できるようになりますす。
機械やプラントの継続的な状態監視をベースに、プラントの稼働率を最大限に高めるという目標に注目した様々なユースケースが生じ、これが経済生産の鍵となります。最終的には、プラントの状態を継続的に把握することで、プロセスの責任者に対して最大限の安全性が確保されます。また、機械データのエラーや異常を早期に検出し、実際にシステムの故障や不具合が発生する前に必要な対策を講じることができます。
応用例の一つに、イントラロジスティックにおける高速コンベアベルトの自動監視があります。速度、負荷、運転時間、温度などの様々な影響因子に応じて、コンベアチェーン要素の伸びをモニタリングし、予測することが、一つのタスクです。その際、チェーンが損傷している箇所を早期に特定する必要があります。これにより、サービス技術者がシステムの状態を把握していることを説明または保証でき、システムの継続的なデータベースのモニタリングに移行できるようにもなります。自動モニタリングの具体的なメリットは、サービスとメンテナンスのコストの削減、システムの稼働率と生産性の向上です。例えば、新しいビジネスモデルとして、新規または長期サービスレベル契約(SLA)の形で稼働率を売り込むことが可能になります。結局のところ、このような IIoT サービスは、エンドユーザーにとって新たに認識可能な機能をもたらし、それに応じて顧客ロイヤルティを高めます。
もう一つの用途として、電気めっき生産ホールでのファンの自動監視があります。電気めっきでは、ガス抜きは生産上重要なプロセスです。例えば、酸水素ガスが生成されるため、臨界濃度で爆発の危険性が生じます。酸性物質によって、機器の腐食が生じる可能性もあります。また、労働安全衛生と従業員の健康面でも責任があります。タスクは、スマートセンサーと ML ベースのデータ分析を使用してファンを継続的に監視することです。そして、予防的なルールベースのメンテナンスからコンディションベースのメンテナンスへと移行していきます。これにより、予定外の生産ダウンタイムを最小限に抑え、メンテナンスコストを削減できます。利用されなくなった産業設備の活用に対応したこの優れたエンドツーエンドソリューションの第一のメリットは、継続的な自動状態監視です。これは、検査、メンテナンス、修理を削減、または最小限に抑えるための基本です。この具体的なケースとして、電気めっきの屋根の上で行うファンの毎月の点検を半年に一度の点検に切り替えることができました。計画外のダウンタイムが削減され、プラントの稼働率を高めることができました。具体的なメリットがあるIoTユースケース。
そのプロセスデータとML技術を用いた評価から、多くの場合、製造された製品の品質に関する結論を導き出すことが可能です。選択されたプロセスパラメータに基づいて、MLベースのパターンを認識し、特定のプロセス状態に割り当てることができます。これにより、公差範囲を監視することができ、例えば、公差が予測の時点で外れている、または外れそうなとき、早い段階で認識することができます。
スマートなデータ分析により、Grenzebach社は、革新的な摩擦攪拌溶接システムの品質保証と予知機械保全をリアルタイムで実現できます。このように、機械およびプラントエンジニアリングのスペシャリストは、24時間365日対応する製造を新たなレベルに引き上げることに貢献しています。
回転する摩擦ピンは、Grenzebachがアルミニウムやその合金などの軽量金属用に開発した革新的なシーム溶接プロセスである摩擦攪拌溶接(FSW)の中心的なツールです。摩擦と圧力により、ピンは金属を可鍛化するために必要なプロセス熱を発生させ、摩擦ピンの回転作用により接触点に沿って攪拌されます。溶接用ワイヤや不活性ガスを加える必要もなく、これによって長期的な安定性と歪みにくさを特徴とする強固な接合部が形成されます。この結果を得るには、摩擦ピンが期待どおりに動作する必要があります。金属を正確に変形させるためには、正確な引張力と加圧力が不可欠です。これまで、品質管理は、機械オペレータがFSWプロセス後に溶接部を目視で検査して行っていましたが、この作業は時間がかかり、上手く検査できるかどうかは、ユーザー個人のノウハウにも大きく依存していました。
溶接プロセス中のリアルタイムのモニタリング
技術開発者のDr Carlos Paiz Gaticaは、異常検出の仕組みについて、参照モデルと現在のプロセスを比較することで、リアルタイムで品質評価を行うことができる、と説明しています。インダストリー4.0のパイオニアとして、Grenzebachは今日、正確に予測できるインテリジェントなデータ分析プロセスを利用しています。このために、GrenzebachはワイドミュラーのカスタマイズされたIndustrial Analyticsソリューションを使用しています。
Grenzebachのニーズに合わせてカスタマイズされた当社の分析ソフトウェアでは、溶接プロセス中にセンサーで記録された力を理想的な参照データの記録と比較します。このシステムが定義されたパラメータからの逸脱を検出すると、機械オペレータに通知され、溶接プロセスに何か問題があることがすぐに分かります。そのため、各溶接部の手動による検査は不要になりました。
参照モデルを規定するためワイドミュラーはGrenzebach社のエンジニアと協力して、数百箇所の溶接部のデータセットを測定し、インテリジェントなデータ解析手法を使用して評価しました。Grenzebachのノウハウによって、分析の重要な要素が提供されました。ワイドミュラーのソフトウェアは、ある程度の確率で不具合を予測できるかもしれませんが、そのためには必ず事前に分類しておく必要があります。異常を実際に重要なエラーとして分類するべきかどうかを判断できるのは、Grenzebachだけです。
提供する製品の品質と稼働率
分析ソフトウェアは、溶接部の品質管理チェックを実行するだけでなく、製造された各部品のプロセスパラメータも記録し、完全なドキュメントを作成します。これは法的側面からだけでなく、トレーサビリティや再現性の面でも大きなメリットになります。また、溶接ピンの交換が推奨される場合には、このシステムがタイムリーに警告します。この情報をもとに、機械オペレータは、ダウンタイムを回避するようにメンテナンススケジュールを立てることができます。
「工具の破損によって生じる廃棄物を最小限に抑えることに加えて、特に機械やプラントエンジニアリングにおいて重要な要素は、機械の稼働率です」とKress氏は強調しています。
ハイテクのスペシャリストであるGrenzebach社は、そのビジネスモデルにおいて、今後さらにいくつかの利点を見出すことができます： 「まず、当社は、お客様に非常に正確で定量化可能な品質管理を提供するだけでなく、機器のダウンタイムの可能性を予測し、リソースとコストを削減することができます。同時に、データ駆動型サービスを導入し、製品の品質や機器の稼働率を効果的にアピールすることができます」と、Grenzebach社の FSWセールスマネージャーであるMichael Sieren氏は説明しています。
状態監視は、機械やシステムのサービスとメンテナンスを最適化するという具体的なメリットに直結します。将来的には、サービスとメンテナンスは予防的または事後的ではなくなりますが、コンディションに基づきます。機械メーカーとしては、機械の状態に関する早期情報に基づいた新しいサービスレベル契約(SLA)の提供、それに対応する迅速な応答時間の提供、故障が発生する前の予防サービスなど、新しいビジネスモデルを開発することができます。オペレータとしては、統合された分析機能を利用して、サービスとメンテナンスの必要性を早期に特定することができます。これにより、必要な作業を早期に計画し、予定外のダウンタイムを最小限に抑え、人件費を削減して、予備部品の管理を最適化することができます。
コンプレッサの製造元であるBoge社は、エラーや動作の異常が発生する前に発見する予知保全のためにワイドミュラーのソフトウェアを実装しています。
コンプレッサの予知保全を行うワイドミュラーとの共同プロジェクトは、2016年10月に開始されました。Boge社のターボ機械チームリーダーであるGeorg Jager氏、「当社はまず、ワイドミュラー社のソフトウェアが、関連する欠陥を検出するのに適しているかどうかについて、実現可能性調査を実施しました」と説明しています。「カスタマイズされた分析ソリューションのおかげで、異常な状態やエラーパターンが確実に検出されることが明らかになりました」と Jager氏は続けています。その前に、ワイドミュラーのスペシャリストは綿密なデータ分析を行いました。その結果に基づき、Boge社の新しいトップ製品である高速ターボコンプレッサ(HST)の要件に合わせた個別の分析ソリューションが構築されました。このタスクは、「コンプレッサの特定の損傷を予測するには、どのようなデータが必要か？」と明確に規定されています。
対象データの選択と評価
Boge社の高速ターボコンプレッサー(HST)は、完全にオイルフリーで動作し、オイルフリー圧縮空気の製造において新しい基準を打ち立てます。コンプレッサを制作するにあたって、運転とメンテナンスの面で最大限の効率化を図ることが目的でした。コンプレッサは、高エネルギー密度の永久磁石モーターで駆動します。BOGE社のHSTコンプレッサーの特殊機能は、10万回転を超える超高速方式の前提条件となるエアサポート式ドライブシャフトを内蔵していることです。このシャフトはチタン製の羽根車を駆動し、特殊なハウジング構造と組み合わせることで、圧縮空気を非常に効果的に生成することができます。データはすべてコンプレッサーに既に搭載されていた測定技術コンポーネントから得られたもので、センサー技術を後付けする必要はありません。
規定された値を評価できるように、ワイドミュラーのIndustrial Analyticsチームのデータサイエンティストは、統計的手法を用いてすべてのデータを調査し、実際のデータ品質を評価し、Boge社と共同でその妥当性を判断しました。この時点で、圧縮空気システムに関する具体的なノウハウが必要となり、評価には現場のすべての機械に基づく広範囲に及ぶ運用経験が必要でした。その後、ワイドミュラーの専門家がデータを根本的に整理し、最終的に残ったデータソースはかなり少なくなりました。チームはまた、測定値の関係性に関する経験を積む必要がありました。
評価の過程で、重要なのは個々の値ではなく、データパターンであることが明らかになりました。これにより、正常性を示す複雑なモデルデータが作成され、値が学習したモデルと何らかの形で異なっていれば、損傷事象を正確に予測できるようになりました。また、このシステムが継続的に学習していくことも重要です。新しいエラーメッセージが表示されるたびに、オペレータからのフィードバックに基づいて変化ていきます。この分析ソリューションは、未知の状況から学習するように設計されているため、コンプレッサの運用時間全体にわたって計算された予測はより正確になります。
正確に損傷を予測し、防止する
ユーザーは、機械に技術的な問題が発生するまでに何分または何時間かかるかといった情報を提供する非常に効果的なソフトウェアを利用できます。その後、コンプレッサを継続して使用することで、この値が耐えられるかどうかが判断されます。使用状況が変化し、機械の損傷を防ぐことができれば、表示される「残存寿命」が延長されます。
セレクトエアーで気楽に
いずれの場合も、ユーザーが適切なタイミングで対応し、サービス訪問またはメンテナンス間隔を調整すれば、技術に対する重大なダメージを防ぐことができます。圧縮空気のスペシャリストであるBOGE社のサービスパッケージ全体が「安全第一」の原則に基づいているため、これで全てが決まります。機械のライフサイクル中に停止する時間ができるだけ短くなるように、あらゆる努力が行われています。冗長システムへの投資はもはや必要ありません。BOGE社のGeorg Jager氏は、「この目標を達成するためには、革新的な措置を講じ、サービス分野で先駆的な取り組みを行っています」と説明しています。その結果生まれたのが、Bogeのセレクトエアーサービスコンセプです。これには、分析ソフトウェアに加えて、工場渡しのすべての機械に組み込まれている遠隔監視装置Boge airstatusと、「24時間リカバリー」が含まれています。このように、Boge社は、機械が停止した場合でも、遅くとも24時間後には運転を再開できることを保証しています。「予測保全を行うと、修理サービスの依頼をより早く計画できるため、ここでは重要です。機械の電源はメンテナンスの短期間だけオフに切り替えられるので、不必要に長いダウンタイムが生じることはありません。この技術が圧縮空気市場で普及し、新たなベンチマークを打ち立てることになると確信しています。
BOGE – コンプレッサーのマーケットリーダー
110年以上の経験を持つBoge Kompressoren Otto Boge GmbH & Co. KGは、ドイツで最も古いコンプレッサーと圧縮空気システムのメーカーの1つです。同社は、主に医療技術や食品・製薬業界で使用されるピストン、ネジ、スクロール、ターボコンプレッサを製造しています。また、自動車や機械製造の主要市場でも使用されています。
この国際的に活躍する家族経営企業は850人の従業員を擁し、そのうち約490人はビーレフェルトの本社に勤務し、世界120カ国以上に製品とシステムを供給しています。