ISA100 Wireless 技術紹介配布資料.ppt [互換モード]

2014年7月4日(金)ISA100WCI 日本支部支部長長谷川敏

支部員中嶋信二、田邊悟、小田和則

ISA日本支部年次総会記念講演会

「工業用無線規格ISA100.11aとその実用」

• ISA100.11aはISA100委員会で標準化された工業用無線規格です。ISA100.11a規格に準拠したISA100 Wirelessネットワーク機器は、既に世界中の生産現場に導入され実用されています。

• 国内では相次ぐ産業事故や、エネルギー効率改善の要請から、産業プラントのプロセスや生産設備の監視強化が求められており、ISA100Wirelessなどの無線センサネットワークの利活用が期待されています。

• 本講演では、

工業用無線規格：ISA100.11aの最新標準化動向及び、その実用例を紹介します。

さらに、上述の国内の取り組むべき課題として挙げられるプラントの監視強化と保全業務効率改善に注目し、異なる保全関連機器を提供する専業ベンダが、なぜISA100 Wirelessを選択し、製品化を進めているのかを紹介いたします。

本日のお話し

22014/07/04: ISA日本支部年次総会記念講演会


目次

• ISA100WCIとは？

• なぜ無線？～国内生産現場での無線の価値～

• 工業無線技術の要件

• ISA100.11a規格の特徴

• 最新標準化動向

• 実際の生産現場での実用例

• なぜISA100 Wirelessなのか？– 振動センサ

– ガス検知器

– スチームトラップ



• ISA100 Wireless Compliance Institute (略してISA100WCI)ISA100 Wirelessを導入するユーザーや製品開発する

ベンダーを支援するための非営利組織であり、以下の

サービスを提供します。

– 技術的支援とツールの提供

– 相互運用性確保のための規格適合試験の実施と認証作業

– 市場認知度向上を目的とした普及、教育活動を実施

• ISA100WCIは、ISA100無線技術の実装と導入に必要な時間、コスト、リスクの低減をミッションとして上記支援活動を行っています。

ISA100WCIとは？



ISA標準化組織とISA100WCIの関係

5

ISA : International Society of Automation(国際計測制御学会）

ISA100 WCIISA100 Wireless Compliance Institute

(ASCI傘下のISA100無線技術認証団体)

ASCIAutomation Standards Compliance Institute

(ISAの非営利子会社)

SP 18Alarm

Management

SP 50Fieldbus

SP 84Safety

SP 99CyberSecurity

SP 100Wireless

Standard & Practice (標準化部門)

WG21People &Asset track

WG14Trust

Worthly

WG15BackboneBackhaul

WG18PowerSource

WG16Factory

Automation

WG17Zigbee

WG3ISA100.11a

SC12Convergence

SG19Nuclear

WG8Users

標準化実装技術開発・普及・認証

ISA100 WCI（Wireless Compliance Institute）はISA（国際計測制御学会）傘下の非営利コンソーシアムです。

2014/07/04: ISA日本支部年次総会記念講演会「工業用無線規格ISA100.11aとその実用」

WCI会員企業



なぜ無線?



高圧ガス事故集計データ

8

http://www.khk.or.jp/activities/incident_investigation/hpg_incident/pdf/jiko2512graph.pdf


9

http://www.khk.or.jp/activities/incident_investigation/hpg_incident/comb.html


無線計装の導入効果

10

• 初期導入コストの削減– ケーブル配線コストの削減

• ケーブル配線経路設計

• コンヂット配管

• ケーブル引き込み

• ジャンクションボックス

• マーシャリングボード

– 工期工程の短縮

• 運転コストの削減– 監視範囲の拡大

• 移動体設備への設置

– 現場点検作業の削減• 現場巡回点検、監視

• 安全・安定操業– 監視の強化

• 設備の状態監視

• 環境監視

プラントライフサイクルコストの削減


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無線計装によるプロセス監視と設備健全性診断

Gateway

機器管理制御・監視

タンク、塔ポンプ、回転機、バルブ配管、パイプライン

摩耗、腐食、固着、振動腐食、減肉、破断亀裂、漏洩、火災

タンク、熱交換器

プロセス：レベル、温度、圧力

診断解析

どんな無線ネットワークが求められているか？


12

計測展 2013 TOKYO WCIアンケート結果


ISA100.11a規格策定時のユーザーの要求

2. 無線通信の信頼性

10.マルチプロトコル

9.QOS(通信品質管理）8.グローバル

7.拡張性

6.多機能

5.マルチスピード

4.オープン

3.電力管理

11.コントロール対応

1.セキュリティ

工業用無線は、全ての要求を同時に満足する必要があります

出展： USA Department of Energy and ARC User survey

13

無線センシングの技術要件ユーザーの声


ISA100.11a 無線ネットワーク

セキュリティマネージャ

バックボーンルータ

ルータ

システムマネージャ

I/Oデバイス

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ゲートウェイ


ISA100.11a規格の特徴

1. ISA100は工業用の無線技術を体系的に扱っているファミリー規格

2. モニタリングからコントロールまでの幅広い用途に適用可能

3. 高いセキュリティ機能 (暗号化、認証による盗聴、改ざん、成りすまし防止）

4. 信頼性の高い無線ネットワーク(メッシュ、経路二重化、Chホッピング）

5. IPアドレッシング (将来性と拡張性のあるIPv6対応)

6. バックボーンルーティングによる拡張性と柔軟性を備えた無線ネットワーク

7. 非中継機能による低コスト機器の提供（バッテリー長寿命化）

8. マルチプロトコル対応 (FF, HART, Profibus, Modbus, OPC, etc)

9. WCIによる相互運用性の保証：マルチベンダー環境の実現

15

様々な現場ニーズを解決する優れた技術を備えています


どんな無線技術？

IEEE 802.15.4

・2.4GHz ISM帯(免許不要)

・電池駆動：3～10年動作

・伝送距離：100～600m（LOS)

・低伝送レート：250kbps



工業用無線の信頼性技術：メッシュ・ネットワーク

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障害物の回避：経路冗長化技術


工業用無線の信頼性技術：チャネル・ホッピング

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時間: 10msec/Div

送信電力mW

干渉の回避：通信周波数(Ch)変更技術


ISA100.11a の特徴的な信頼性技術

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二重化GatewayとDuocast


ISA100.11aの大規模ネットワーク

Process Overview Graphics Field

Control Station

Field Wireless ManagementStation

Field Wireless Access Point

2014/07/04: ISA日本支部年次総会記念講演会「工業用無線規格ISA100.11aとその実用」 20

ISA100.11aによる無線制御



実流水位レベルの無線制御デモPeer to Peer 通信とポジショナ内のPID機能ブロックで水位制御

22

@Hannover Fair 20132014/07/04: ISA日本支部年次総会記念講演会


工業用無線関連の標準化動向

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• IEC/TC65/SC65C （工業用ネットワークシステム）– IEC 62591: WG16 （WirelessHART） Ed2. 審議中

– IEC 62601: WG16 （WIA-PA: China） Ed2. 審議中

– IEC 62734: WG16 （ISA100.11a） CDV可決– WG17: Wireless Coexistence （共存管理）

• ISA100 委員会– ISA100.11a： Wireless systems for industrial automation：完了→ IEC審議中

– ISA100.15： Wireless Backhaul Backbone Network : 技術レポート発行完

– ISA100.18: Power Source– ISA100.20： Common Network Management– ISA100.1: ISA100 Road Map Study Group

• ETSI (欧州電気通信標準化機構)– ERM/TG11: EN 300 328 V.1.7.1 ⇒V1.8.1 (2015年1月施行開始)

Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz ISM band and using wide band modulation techniques：欧州における2.4GHz帯の無線通信機器に関する標準化


24

2014年 IEC規格承認の見込


FDIS投票

25http://www.isa100wci.org/Documents/ISA100‐Wireless‐Overview.aspx

実用例

防火用水タンクのレベル監視



27

回転機器の振動監視

実用例


28

危険ガス漏洩検知

実用例


なぜ、ISA100 Wirelessなのか？

～専業ベンダーの視点から～

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１．振動センサ

２．ガス検知器

３．スチームトラップ


30

１．振動センサ


状態監視装置DCS

モータポンプ

無線式振動計システム構成

数値データ

数値および波形データ

マネージャゲートウェイ

振動センサ


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取付・設置実績‐水平ポンプ振動センサ


33

取付・設置実績‐垂直ポンプ振動センサ


34

システム導入事例‐全体図

GW50‐60 m

80‐120 m

120‐200 m

振動センサ


35

システム導入事例‐特殊例振動センサ


36

事例紹介

• 試験導入した縦型ファンにて軸受故障が発生

• 軸受破損2週間前に兆候を検知

振動センサ


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事例トレンドデータ（エンベロープ処理済み）振動センサ


38

事例FFTトレンド振動センサ


39

事例スペクトラム振動センサ


40

破損軸受写真振動センサ




２．ガス検知器

ガス検知器の市場

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・石油精製プラントや半導体工場などで使用されています

・用途としてはガスの濃度測定をはじめ爆発事故、酸欠事故、中毒事故の防止など作業現場

における安全管理をサポートしています

ガス検知器


ガス検知器の特徴

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ガス検知部

表示、制御部

GAS

②ガス濃度を上位システムに知らせる

① ガスを検知

ガス検知器


44

ガス検知器の設置事例ガス検知器


なぜ、無線化なのか？（市場の期待）

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①省配線による工事費削減設備新設の配線工事や配線の老朽化による再工事の費用を削減できる

②災害発生後の復旧性ガス検知器のケーブルレス化により地震、津波等の災害発生後の復旧を迅速に行える

③設備メンテナンス時の安全管理強化設備メンテナンス時の爆発事故防止のため、一時的にガス検知器の台数を増やして安全管理を強化できる

ガス検知器


ガス検知器の技術的要求事項

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１．ガス検知の確実性（通信の信頼性）漏洩したガスをセンサで確実に検知し、上位システムに知らせることができるメインの通信経路で問題が生じた場合、別の経路で継続して通信ができること（冗長化）

２．警報遅れ（応答速度）警報設定値濃度の1.6倍のガス濃度にて30秒以内に警報を発信

※一般高圧ガス保安規則関係例示基準

ガス検知器


ISA100.11aによるソリューション

47

１．ガス検知の確実性（通信の信頼性）・Duo castによる冗長化・Primary、Secondary経路設定

Gateway、Backbone Routerを含めたシステム全体の冗長化が可能メイン経路に問題が発生しても通信を継続でき、信頼性を確保

ガス検知器


ISA100.11aによるソリューション

48

２．警報遅れ（応答速度）・スター接続による更新周期の高速化・アラート機能による即時通信・更新周期管理

要求時間内での情報伝達が可能また、明確な時間管理により通信状態をモニタリングできる

ガス検知器


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３．スチームトラップ


スチームトラップとその市場規模

50

スチームトラップとは？

「機器、配管などからドレンを自動的に排出する自力式のバルブの総称」（JIS B 0100 バルブ用語）

市場規模

国内石油精製プラントでは、約10,000台町のクリーニング屋でも数個

蒸気を使用するところでは必須のバルブ


スチームトラップ

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蒸気主管に設置されたトラップ（例）



なぜ無線化？

52

1. 個数が多い2. 不定期に不良になる

3. 詰まれば生産できず、漏れれば蒸気ロス

国内では、①信頼性の高い（省エネタイプで長寿命）トラップを採用②年1回の全数診断（改正省エネルギー法推奨）

海外では、①トラップの定期診断が定着していない②不良個所の特定が広大な敷地 or 厳しい天候であれば困難



スチームトラップのモニタリングに求められる技術的要件

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1. 設置台数が多いため（モニタリング対象が多いと）、AP/Gatewayの数も膨大になる

2. 工場全域に渡って設置されているため拡張性が重要

3. 通信距離の長さも重要

4. 地面に近いところに設置されるため、通信の信頼性向上や、耐薬品/堅牢な構造であることが望まれる

5. 着脱が容易なことが望ましい

（4、5共に周辺配管工事等で損傷のリスク大）



なぜISA100？

54

1. 自社開発の通信プロトコルでは、周辺機器の進化のスピードに対応できない

2. エンドのユーザの意向を仕様に反映している

3. 今後、AP/Gateway等のハード開発の加速が見込める

4. 海外でのニーズが高まると考えられる中、設置台数が多い石油精製・石油化学工場の新設は「アメリカ・中東で期待 → Foundation Fieldbus の採用」が増えることが予想される ; FFとの親和性 (Publish/Subscribe)



“Best in Class Solution”



ISA100 Wireless Solutions Summit 2008

http://www.isa100wci.org/



57

ご清聴ありがとうございました。

ISA100.11a – A framework for innovation本資料で使用されている会社名、商品名等は、各社の登録商標または商標です。


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