IoT でご安全に!! ~ISA100 Wireless で変わる現場のリスク管理 ~ 工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 2016 年 12 月 9 日 ( 金 ) ISA100WCI 支部長長谷川敏
IoT モノのインターネット の時代がやってくる IoTは 情報の収集 蓄積 解析 反映 応用のあらゆる面において革新をもたらすことか ら ビッグデータの活用を具現化するとともに 各産業のビジネスや産業構造そのも のを大きく変革する可能性を秘めている 総務省 経済効果 2020年時点で約33兆円と推定 IoTで社会の課題を解決 出典 平成28年版情報通信白書 総務省 2016年12月9日 工業用無線規格ISA100 Wirelessユーザセミナ 2
今日の素材産業の課題は 保安力の強化 産業安全と事故防止 製造設備の高経年化 現場設備の故障 漏洩事故の多発 技術伝承の問題 現場保安力の強化 プラントの状態把握 現場の監視強化 計装系の可観測性の向上 ヒヤリハットの防止 トラブルの先回り 現場作業支援強化 地震等への対処 計器室内での 対応 操作の意思決定 に十分な情報が得られること 2016年12月9日 工業用無線規格ISA100 Wirelessユーザセミナ 3
IoTでご安全に!! ISA100 Wirelessで現場の見える化とリスク管理 高経年化設備の保安 IoT ビッグデータ導入 工場のスマート化 標準化技術 製品群 無線センサネットワーク IEC 62734 - 高信頼ネットワーク - 強固なセキュリティ - ネットワーク拡張性 - 時間確定応答 - IPベース - マルチプロトコル対応 ソリューション 経済価値 温度センサ リモート常時監視 安全操業 圧力センサ ガス漏れ検知 環境保全 レベルセンサ 機器の予兆診断 保全コスト削減 ガス検知器 配管つまり診断 工事コスト削減 振動センサ 蒸気漏れ診断 危険作業削減 スチームトラップ監視 腐食検知 生産効率向上 経済産業省の商務流通保安グループ 緊急遮断弁操作 予知保全 製品品質向上 腐食センサ エネルギー監視 自主保安力向上 2016年12月9日 工業用無線規格ISA100 Wirelessユーザセミナ 4 バルブ開度計 IoT ビッグデータ等を活用した 産業保安のスマート化
産業分野における IoT の応用と期待効果 IoT 関連技術 部品の小型軽量化機器のインテリジェント化無線センサネットワーククラウドコンピューティングビッグデータ解析人工知能 (AI) スマート端末拡張現実 (AR) 素材産業への応用 操業効率向上 -エネルギー管理 - 設備管理 保全管理 - 予知診断 : 設備保全 - 故障の特定 : トラブルシュート 安全管理 - 計装系の可観測性強化 - 危険ガス漏れ検知 期待効果 生産性の向上 - 運転効率の最大化 - 保全効率の向上 運転 保全コスト削減 - 現場巡回作業の低減 - 運転コストの低減 プラントの安全操業 - 現場保安力の強化 - 計画外シャットダウンの防止 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 5
産業保安に適用する IoT 用無線の要件 産業保安の管理対象 運転管理 : プロセスの状態監視 適応先 : 温度 / 圧力 / 流量 / レベル /etc. 特徴 : 定周期データ更新 ミッションクリティカル 設備管理 : 予知 予防保全 適用先 : 振動 / 腐食 / スチームトラップ / 温度 /etc. 特徴 : 広域監視 大量データ 多点データ 保安管理 : 災害防止 災害拡大の抑制 適用先 : ガス検知 / 地震 津波警報 / 緊急遮断弁操作 特徴 : 法令遵守 高速応答 時間確定型通信 無線センサネットワークの要件 信頼性の高い無線通信 信頼性と堅牢性の確保 高信頼無線技術 / フォールト トレラントシステム プラント全体をカバー 大規模ネットワークの実現 長距離通信 / 拡張性と柔軟性を備えたネットワーク 緊急動作用の高速応答 時間確定型応答の実現 低伝送遅延 / 高速更新周期 産業保安用途の IoT は ミッションクリティカルな監視 安全用途と大量 多点データを扱う設備診断の要件を同時に満足するための高い信頼性と柔軟性を備えた無線システムが求められます 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 6
ISA100 Wireless (IEC 62734) 標準化技術 ユーザと一緒に作った 高い信頼性 と 柔軟性 を備えた無線通信規格 ユーザーの声 オートメーションベンダ ソリューション提供 標準仕様開発 デバイスの相互運用性確保の認証試験実施マルチベンダ無線ネットワーク環境を提供 実装 応用開発 ISA100.11a は ユーザーのためにグローバルのエキスパートが協力して開発した規格 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 7
無線計装システムにおける ISA100 の構成例 インターネット インフォメーションネットワーク HMI 無線マネジメントツール コントロールネットワーク DCS L3SW ゲートウェイ フィールドネットワーク アクセスポイント FF-H1 HART 4-20mA ISA100 Wireless 無線計器 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 8
なぜ IoT に ISA100 Wireless? 大規模ネットワーク対応 Wi-Fi, Bluetooth, ISA100 Wireless の比較 Wi-Fi (IEEE 802.11b) Bluetooth (IEEE 802.15.1) 周波数 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz バッテリ寿命 Hours Days Years ISA100 Wireless (IEEE 802.15.4) ノード数 / アクセスポイント 32 7 65,535 (16bit) 通信距離 ~100m ~10m ~600m ( 標準アンテナ ) 通信距離延長ローミング可能不可可能 通信スピード 11Mbps 1Mbps 250kbps トポロジースタースタースター メッシュ ハイブリッド セキュリティ ( 暗号方式 ) SSID, WEP 64bit, 128bit AES-128 冗長化 ( 経路 /GW) なしなしあり 衝突回避方法 CSMA (Listen Before Talk) Ver. 1.1: FHSS Ver. 1.2: AFH TDMA (Backchannel) CSMA (LBT) 使用用途 無線 LAN モバイル カメラ バックボーン ウェアラブル端末 音声通話 センサーネットワーク プロセス 設備監視 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 9
ISA100 Wireless の特徴 項目 ISA100 Wireless (IEC 62734 規格 ) の特徴と仕様 規格の特徴電波ネットワークセキュリティアプリケーション 工業用無線システム ユーザとベンダが一緒に開発した仕様 ISA100WCI による相互運用性確保 IEEE 802.15.4 規格準拠 2.4GHz 帯 伝搬距離 : 約 600m( 見通し距離 ) IPv6 アドレス (IP ベース技術 ) メッシュ / スター / ハイブリッド チャネルホッピング (Black-listing) TDMA /CSMA 通信モード バックボーンネットワーク アクセスポイント二重化 (Duocast) 暗号化 (AES128 ブロック暗号方式 ) Join key, Network ID, Master key 定期的な暗号鍵更新の仕組み プロセス監視 設備監視用途に加え ガス検知器 (SIL2 認証 ) などの安全監視 用途にも適用されている コンセンサスベースのデジュール国際標準規格 ユーザの要件を満足した規格 マルチベンダ環境の提供 グローバルで使用可能 長距離通信のため中継器台数を削減可能 将来性 ( IoT Ready) ネットワーク構成の柔軟性 Wi-Fi との共存管理が可能 時間確定型通信 / 大量データ伝送 大規模ネットワークに対応可能な拡張性 高い信頼性と可用性 高い秘匿性でデータを保護 ( 傍受防止 ) デバイス認証で NW 侵入防止 ( 改ざん防止 ) 強固なセキュリティ 多用なアプリケーションに対応 既存有線プロトコルのデータ伝送も可能 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 10
信頼性向上のしくみ :Duocast と再送 ( リトライ ) Duocast とは 無線計器が 2 台のアクセスポイントに同時にデータを送信する二重化の仕組み Duocast の論理的な PER( パケットエラー率 ) : PER = PER-a * PER-b アクセスポイント 1 Path-A - PER-a: 通信路 (Path-A) のパケットエラー率 - PER-b: 通信路 (Path-B) のパケットエラー率 Ack 1 送信パケット TX Packet Ack 2 アクセスポイント 2 Path-B 例 : 通信路 A と B のパケットエラーを 15% と想定する Path-A: PER-a = 15% Path-B: PER-b = 15% Duocast の場合の論理的な PER は PER = PER-a * PER-b = 15% * 15 % = 2.25% 無線伝送器 アクセスポイント 1 アクセスポイント 2 無線伝送器 2 回の再送を考慮した場合の PER は PER = PERrty0 * PERrty1 * PERrty2 = 2.25% * 2.25% * 2.25% = 0.0015625% Duocast と 2 回の再送を考慮した場合 信頼性 = 99.9984% 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 11
dustrial wireless router deliver market leading ort Nivis ISA100.11a or e same platform. From elps customers unlock ial network at a lower sed or legacy wired bilities to make it the nd manage standards sure and ATEX Zone 2 an be mounted directly ovides customers with and comprehensive evice type, EUI-64 ID, マルチベンダソリューション 製品群 １つのネットワークで多様な機器をつなげる ゲートウェイ (GW) 温度 腐食 Yokogawa, Honeywell Yokogawa, Honeywell Cosasco, Honeywell アクセスポイント (AP) 圧力/ 流量 スチームトラップ Yokogawa, Honeywell Yokogawa, Honeywell Spirax Sarco, Bitherm, Armstrong, TLV 一体型GW/AP レベル 振動 Yokogawa, Honeywell, VersaRouter 900 Nivis, Apprion, Nexcom Datasheet Yokogawa (Adapter), Honeywell GE, SKF, Honeywell, Yokogawa (Adapter) GW/AP + レコーダ DI/DO, AI, パルス ガス検知 Yokogawa Yokogawa, Honeywell アダプタ (HART, etc.) バルブ開度 ポジショナ Yokogawa, Honeywell Eltav, Flowserve, Honeywell The VR900 with the MCS allows the administrator to configure alerts, set advanced parameters, update devices and router firmware, run and view command logs, and review network health status. Administrators can even add their own custom sensor icons! Technical Features cont. Electrical & Mechanical Specs Detail Input Voltage 24VDC Power consumption ~8.5W Power over Ethernet (POE) 24V Dimensions 12.4 x 11.54 x 2.95 (L x W x H) Enclosure /Dust & Water NEMA 4x and IP67 Temperature Range -40 +60C Relative Humidity Maximum 95% Certifications Detail GasSecure, Scott Safety, New Cosmos, Riken Keiki ph Yokogawa (Adapter), Honeywell 2016年12月9日 工業用無線規格ISA100 Wirelessユーザセミナ 12
ISA100 Wireless の適用事例 ソリューション プロセス監視 ( 計装系の可観測性強化 : 現場保安力 生産効率向上 ) 温度 圧力 レベル 流量 ph 他 設備状態監視 ( 故障予知診断 : 保全効率向上 計画外シャットダウン防止 ) 振動診断 スチームトラップ診断 腐食 他 安全管理 警報 ( 健康 安全 環境保全 : 安心 安全 安定操業 ) ガス漏えい検知 津波警報 緊急遮断弁操作 他 熱交換器の温度監視 回転機の振動診断 可燃性ガス漏れ検知 13 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 13
現場保安のための無線技術の適用例 予知 予防保全 プロセスの状態監視 : 温度 / 圧力 / 流量 / レベル / etc. 製造設備の状態監視 : 振動 / 腐食 / スチームトラップ / 温度 /etc. 災害回避 / 災害拡大の抑制 警報 アラーム : ガス漏えい検知 / 津波警報 / セーフティシャワー動作検知 緊急遮断 : 緊急遮断弁の遠隔操作 作業員の安全確保 サイト内の作業員の追尾 / 避難場所への誘導 / etc. 近年注目されている応用分野 火災 爆発事故 津波災害 浮き屋根式タンクの火災 プラント内の広域 全域監視 予兆監視と警報 安全側にバルブを遠隔操作 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 14
ISA100 Wireless 準拠のガス検知器 GasSecure/A Dräger Company ドレーゲルジャパン ( 株 ) 新コスモス電機 ( 株 ) 理研計器 ( 株 ) 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 15
津波検知システム システムの特徴 レベル計 +ISA100 Wireless アダプタ (4-20mA or HART) 長距離通信 :600m 中継不要で制御室に警報信号を通知 ( 高速応答 ) Duocast による通信の冗長化 ( 高い信頼性 ) アクセスポイント 無線アダプタ 計器室 レベルメータ 防波堤 潮位 Tide Level 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 16
浮き屋根式タンク 防火システム 電磁弁の遠隔操作 電磁弁内蔵DI/Oボックス 制御ステーション ISA100 Wireless Limit SW出力 開閉 Gateway Access Point DI/DO システムの特徴 バルブ操作までの高速応答 バルブ開度リードバック ステータスの監視 バッテリ寿命 10年 データ更新周期 4秒 消防危第14号 に対応 要約 浮き屋根式タンクの屋根上に地震などで 漏れ出した貯蔵物が 雨水排水管を通じて流出す ることを防止する弁を自動 又は遠隔操作で閉鎖で きることと その予備動力源を定める Air出力 開閉 Limit SW 大地震発生による 浮き屋根式タンクの 火災防止のために ドレイン弁を安全側に 遠隔操作 2016年12月9日 工業用無線規格ISA100 Wirelessユーザセミナ 17
投資 投資と回収 初期導入 計測器単体の価格は無線機器の方が高額であり GW/PLC 等のインフラデバイスが必要となるが 有線機器のケーブル敷設コストと比較すると低価格となる 工事コスト 計測器設置が必要なのは有線でも無線でも同様 有線の場合にはケーブルおよび関連設備の敷設のための工事期間が必要となる ランニングコスト 無線の場合には電池交換が発生するが 頻度は少ない 巡回点検と比較してランニングコストが安い 2015 年 9 月 ISA100Wireless ユーザセミナ @ 名古屋富士石油 ( 株 ) 中田様 プラントテストによる無線計装の有効性 信頼性の評価 回収 工事コスト削減 経済価値 配線設計 配線材料費 工事費の削減 工期工程の削減 高所作業の削減による産業事故の防止 安全操業 現場設備 プロセスの監視強化による保安力強化 生産性 稼働率向上 現場設備の運転状態の管理強化による安定操業 保全コストの削減 予兆診断による 計画外シャットダウンの削減 メンテナンスの平準化と計画的保全 出典 :Power plant wireless economics 101 環境保全 https://www.isa.org/standards-and-publications/isa-publications/intechmagazine/2008/december/cover-story-power-plant-wireless-economics-101/ 環境法規制の遵守と企業の社会的責任 (CSR) 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 18
まとめ 次のステップは? 1) さらに理解を深める 2) 実際に使ってみる 3) 応用先と効果の検討 ISA100WCI では ISA100 Wireless に関する個別の説明会やデモなどを行っています ISA100WCI にお気軽にお問い合わせください http://www.isa100wci.org/ja-jp/ IoT でご安全に!! 安全 =リスクが許容範囲内リスク原因の管理ができるリスクの見える化 : プラントの状態把握 IoT ビッグデータ導入 ( 保安力の強化 ) 信頼性と柔軟性のある無線ネットワーク ISA100 Wireless 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 19
ご清聴ありがとうございました ISA100.11a A framework for innovation 本文中の名称は 各社 各協会または標準化団体の商標または登録商標である 2016 年 12 月 9 日工業用無線規格 ISA100 Wireless ユーザセミナ 20