現在から未来への進化する、プロセスオートメーションI/Oのトレンド (Part 1)

2023年12月21日

本記事は月刊『計装』 2022年6月号　「監視制御システムの近未来展望～ DCS/SCADA，リモート IO特集」にも掲載されています。
計装22年6月号 (ice-keiso.co.jp)

1．はじめに

プロセス産業においてデジタル化によるデータの有効活用は、今後重要なトレンドであり段階を踏んで進んでいく。まずはEx エリアでのモジュラI/O 化、そしてEx エリアのフィールド機器へのEthernet 直接接続である。共に産業用Ethernet がEx エリアに進出し、配線・保守コストを削減し、柔軟性を高め、フィールド機器からより多くの情報を取得できる。

2．プロセスアプリケーション用モジュラI/O

簡単、堅牢、高可用性、ゾーン2 まで

デジタル化はプロセス産業にも進出し新たな可能性を引き出している。従来不使用だったデータが活用され始めている。フエニックス・コンタクト社の「Axioline P」I/O システムは、標準モジュールと本質安全防爆モジュールを備え、制御システムに迅速かつコスト効率良く情報伝達できる（写真1）。

ファクトリオートメーション（以下FA）分野用制御技術や部品のプロセスオートメーション（以下PA）での使用が増えている。最初はコンベヤシステムやボトリングプラントなど単純な作業を効率的かつコスト効率良く実行するものであった。重要な要件は、依然として分散型制御システム（DCS）と特殊なI/O が処理している。FA 分野由来の技術がプロセス技術に定着するにはさらなる要件を満たす必要があるからである。そのため当社は、PA の一般的条件と既存の自動化ソリューションのモジュール性を組み合わせたゾーン2 に設置可能な新しいI/O システムを導入した。

製薬、化学、食品、上下水道、石油・ガスなどPAのデジタル化には、最大限の信頼性と優れた可用性を含むユーザ要求を満たす必要がある。機器が1 万台を超える大規模構成対応、取り扱いの容易さ、運転中のトラブルのない介入、システムの柔軟性と冗長性が要求される。Ex エリア内でI/O 機器をEx i コンポーネントと共用できることも必要である。

使用技術変更の際は既存システムへの投資保護が必要となる。PROFIBUS PA など既存のフィールドバスシステムや、NAMUR センサやHART フィールド機器などプロセス固有なI/O 信号の継続使用は別として、ユーザは将来的にはEthernet-APL（ AdvancedPhysical Layer）、すなわちEx エリアに設置されたフィールド機器までの2 線式Ethernet 接続の使用を要求している。

APL についてはPart２、第3 章で詳しく説明する。

2.1 最大8つの PROFIBUS PA セグメントへの電源供給

当社は本要件や他の要件を満たすために、必要な機械的および電子的仕様を実現する関連機器用の新しいバックプレーンシステムを開発する必要があった。モジュール性は重要な役割を果たした。使用可能空間と本質安全性に関する規則を考慮し、配線コンセプトも検討し直した。既設プラントの移行や新設アプリケーションの設置に伴う一般的な条件も観察した。

新しいソリューションのAxioline P 高可用性リモートI/O システムは，Ethernet 上PROFINET *1) 経由で関連制御システムに接続し、PROFIBUS PA、HART、NAMUR 機器、シンプルI/O モジュールへのフィールド接続を自動的に確立する（写真2）。

写真2　「Axioline P」外観
Axioline P システムはPROFIBUS PA セグメントをPROFINET ネットワークに統合可能

Axioline P ステーションはPROFINET バスカプラ、デジタルおよびアナログI/O モジュール、PROFIBUS PA インタフェースで構成される。PROFIBUS PA インタフェースは基本機器と1，2 個のフィールドバス供給モジュールで構成される。最大8 つのPROFIBUS PA セグメントに1 つのハイパワートランクから電源供給可能である。PROFIBUS DP システムの仲介なしに既存のPROFIBUS PA セグメントをPROFINET へ変換できる。

注）
＊1）プロトコルの追加を予定。

2.2 HART フィールド機器とNAMUR センサの接続

NAMUR およびHART I/O には標準タイプと本質安全防爆タイプがある。ステーション内では標準タイプと本質安全防爆タイプを小さな仕切り板だけで相互分離できる。必要数、必要タイプの入出力モジュールでAxioline P ステーションは要件に柔軟に対応できる。4-20 mA のアナログ入力／出力とHART 通信によりHART フィールド機器と直接データ交換できる。

また、流量、圧力、充填レベルなど一般的な測定機器に加え電磁弁や多変数出力モジュールも接続可能である。基本データ（PV）に加え、機器メーカが提供する3つの変数にもアクセス可能である。SV，TV，QV は機器の履歴、使用状況、温度、稼働時間に関する情報を提供する。その他のHART データはHART コマンドを使って非周期的に取得できる。

単純な近接センサもプロセスアプリケーションで重要な役割を果たせる。たとえば、NAMUR センサはセンサへの信号経路上の短絡や断線を判断するために使用できる。当社はセンサ監視可能なデジタル入力モジュールを用意した。シンプルなI/O は、ゾーン2 でI/O 接続可能である。Ex ia に準拠した本質安全防爆型I/Oは、ゾーン0でI/O 接続できる。すべてのモジュールは広温度範囲－40℃～ 70℃で動作する。

2.3 配線工数の削減

新バックプレーンで最大8 つのPROFIBUS PA セグメントと様々なI/O モジュールをPROFINET バスカプラに接続可能である。モジュール用の電源供給経路も統合し、分配器ボックスや制御盤への設置配線工数を大幅に削減する。本質安全防爆の観点上、モジュール電源とI/O 信号間に必要な安全距離を確保できる。モジュール上部での電源配線が不要になり、空き空間を利用可能である（写真3）。

写真3　DIN レール取付けたバスベース経由で各I/O モジュールに電源供給し、ケーブル配線は不要

2.4 すべての関連市場に対する認証

高信頼性通信のためAxioline PシステムはPROFINETのS2 冗長をサポートしている。システム冗長の一部としてバスカプラにはPROFINET ポートが2 つあり、それぞれから別々のコントローラに接続される。通信接続は1 本または2 本のケーブルで確立する。一方の接続が切断してももう一方の接続に中断なしに引き継がれる。将来のリリースではR1 冗長が利用可能になる予定である。

ホットスワップ機能により高可用性も実現できる。ユーザは通信の中断なしに動作中にI/O モジュールを交換できる。ダイナミック・リコンフィギュレーション機能がそれを可能にする。後から新しいモジュールを追加しても問題は生じない。モジュールを取り外しても、バックプレーンコネクタの修復機能で動作は継続される。

この高可用性I/O システムは、全世界の爆発危険区域で使用可能である。北米市場ではUL Class 1/Division 2 に準拠し、その他の国ではIECEx およびATEX の認証を取得している。実績のあるAxioline 製品ファミリの一員としてAxioline P システムは、プロセス技術の多くの分野で革新的なソリューションを実現できる。

続く。。。 本記事の Part 2