NI製品によって、実験設備の状態監視に使用するIoTシステムを構築

作成者:

幾田 直樹 - 株式会社SUBARU
小山 貴憲 - 株式会社SUBARU
大野 智紀 - 株式会社ペリテック

背景

SUBARUでは、ここ数年の間にハイブリッド車が製品ラインアップに加わるなど、開発する車の種類が増えてきた。それに伴い、性能試験の内容や計測方法の多様化が進んでいる。これらの多様化に対応するために、試験設備の新規導入はもちろんのこと、既存の設備についても、空調など付帯設備の更新が必要となる場合がある。

SUBARU 第二技術本部 パワーユニット研究実験第四部 パワーユニット実験設備課は、「このような試験を行いたい」というユーザからの要望を受けて、新規設備の導入を行う。また、既存の設備の保守などを実施する役割も担っている。これらの既存設備に対し、最新の通信インターフェースやソフトウェア・ハードウェアを追加することで有用な仕組みを構築したり、効率化を図ったり、働き方を改善したりするなどの後押しも行っている。

課題

自動車の心臓部とも言われるエンジンの開発工程では、さまざまな試験が行われる。そのための設備のひとつに、エンジンベンチが挙げられる。そこでは、エンジン単体にダイナモメータ（動力計）を接続し、回転数やトルクを計測する試験が行われる。

エンジンベンチでの試験には、ガソリンをはじめとした危険物を取り扱う性質上、程度の差こそあるものの火災のリスクが常に付きまとう。SUBARUでは、第一種危険物取扱所での災害を未然に防ぐため、温度センサによる火災報知設備や消火設備はもちろん、目に見えないCOの濃度を測定器で確認するなど、安全性の確保に向けた取り組みを従来から行っていた。しかし、自主保安は個別の試験室ごとに設けられており、統括的ではなかった。加えて、万が一火災報知設備が作動した場合には、社内だけではなく、近隣の住民にも多大な迷惑をかける可能性がある。そこで、所内すべてのエンジンベンチに、統括管理が可能な安全監視システムを導入しなければならないと考えた。

そのシステムには、火災報知が発報する前段で異常を検知し、人と設備の安全を確保する仕組みが求められた。

ソリューション/効果

図1に示したのは、システムの構成図である。図の白い枠内が、ダイナモメータ（動力計）が配備された実験室に相当する。黄色の網掛け部分は計測室と呼ばれ、ここに試験者が駐在している。実験室には、試験の対象となるエンジン（E/G）などがあり、その先にダイナモメータ（動力計）が接続されている。エンジンに対しては外部の燃料タンクから配管を介して給油が行われる。エンジンからの排気ガスは、建屋の空調で吸い上げて室外に排出される。

この実験室には、危険を多面的・総合的に検知するために、複数種類のセンサを配備する。まず、ガソリンが室内に漏れていないかどうかを検知するためのHC計や、排気ガスによるCOの充満を検知するためのCO計が必要である。次に、漏液センサによりガソリンやエンジンオイル、クーラント（冷却水）などが床面にこぼれていないかを測定する。熱電対で室内温度をモニタリングし、さらに炎センサも配備する。

これらのセンサ群からの信号は、図中に水色で示している「EDM（エンジンベンチ）安全監視中継制御盤」に集約される。この制御盤は各計測室に1台ずつ配備され、異常を検知した際には、計測室に駐在している試験者にパトライトとブザーで知らせ、さらに、事故を防止するため、ダイナモ用の操作盤に対してインターロック信号を送信する。この信号を受け取ったら、操作盤は2つの処理を行う。ひとつはエンジンベンチを安全に停止させる処理であり、もうひとつはガソリン供給のための燃料配管につけられた電磁弁を止める処理である。なお、センサで計測される現在値を確認し、しきい値を変更できるよう、各計測室にはタッチパネル型のモニタも配備される。

各実験棟には、実験室/計測室が約10部屋ずつ設けられている。そして、各実験棟の入り口には「実験棟安全監視用PC」が設けられ、どの部屋で異常が起きているのかを把握することができる。また、このPCには感震計（ビブコン）を接続し、震度5以上の揺れを検知した場合には、棟内のすべてのEDM（エンジンベンチ）安全監視システムよりインターロック信号が送信される。現在値の表示、データの一定期間保存により、後の解析に役立てる。CO濃度や温度履歴により試験条件と空調能力の相関を取ることなどが可能だ。さらに、実験棟安全監視用PCは社内ネットワークに接続され、各実験棟の状態が正常であるか否か、管理者他が居室にいても確認できるようにする。各人のPCから、Webブラウザを用いて図2のような画面を確認し、問題があれば現場に駆けつけるといった対応を図ることを可能とする。

上述した構想/方針を基に、具体的な設計/実装を担ったのがペリテックである。同社は計測・試験システムの開発に特化したシステムインテグレータであり、NIのプラチナアライアンスパートナーである。同社は、本システムシステムに要求される事項を整理し、実現方法の検討を進めていった。

まず、本システムはIoT（Internet of Things）を活用した非常に大規模なシステムとなること。次に、ハードウェアに堅牢性を有し、24時間365日の稼働に耐えられること。第三に、データの保存方法やUIなどの面で、ソフトウェアについては既製品では要件を満たせず、新規に構築する必要があること。さらに、仕様が随時ブラッシュアップされることも想定されたため、初期のハードウェア構成に縛られることなく、プログラムを更新するだけでスピーディに機能を改変できるような柔軟性も備えていること。

同社はNI製品をはじめとする様々な計測器を熟知しており、その中でこのようなニーズに最も見合うのはNI製品であると結論付けた。この結論に基づき、システムの構成要素をNI製品ベースで選定していった。まず、多種多様なセンサが接続されるEDM（エンジンベンチ）安全監視中継制御盤には、「CompactRIO」を使用することにした。計測室に駐在する試験者が使用するシステムの入出力装置として、NI製のタッチパネルを採用した。さらに、感震計の部分には「Single-Board RIO」を採用した（図3、図4）。センサとしては各メーカーの防爆仕様の製品を用いた。これらの要素を組み合わせて、安全性の確保を目的とした状態監視システムを構築した。このプロジェクトには2015年に着手した。構想段階を経て、2015年5月からペリテックが設計/実装を行い、同年10月にはシステムが完成していた。実装にかかった期間は約2ヵ月ほどである。システム開発環境「LabVIEW」を使用して、プラチナアライアンスパートナーであるペリテックが開発することで、このような短期間でのシステム実現が可能になったのである。また、今回のシステムの機能のひとつである、遠隔地からのモニタリングは、専用のソフトウェアをインストールすることなく、不特定多数の人が利用できるようにする必要があった。すなわち、社内ネットワークに接続されている任意のPC上で、ウェブブラウザを使ってURLを指定するだけで利用できるようにしなければならなかった。このようなウェブベースのアプリケーションに必要な機能も、LabVIEWではすべて標準関数として提供されている。そのため、LabVIEWという単一のプラットフォーム上ですべてのソフトウェアを構築することができた。

NI以外のベンダの製品を使ってシステムを構築することも、もちろん不可能ではなかった。しかし、NI製品を使用したほうがシステムをシンプルに構築できる。例えば、EDM（エンジンベンチ）安全監視中継制御盤では、CompactRIOを使ってデータ収集用のシステムを組み込み、その先には操作用のタッチパネルを直接接続している（図5）。仮にこの構成に他社製のPLC（Programmable Logic Controller）を使用したとすると、PLCにデータの表示や操作を行うためのPCを接続し、それをユーザが操作するといった形になる。システムの主要な構成要素をNIの製品で統一し、フロント機能をアライアンスパートナーであるペリテックに集約した点もメリットの1つである。さまざまなメーカーのハードウェアやソフトウェアを寄せ集めた構成だと、トラブルが発生したときに、エンドユーザが問題箇所の切り分けを行うか、あるいは構成要素を提供する全てのメーカーに対して調査を依頼するかの対応が必要となる。可能な限りシンプルな構成とすること、パーツベンダの数を少なく抑えること、フロント機能をひとつの企業に集約することで、MTTR（平均復旧時間）を最小限に抑えられると考えたのである。

今後の展開

開発したシステムは、60ヶ所以上の実験室/計測室に配備する予定である。現在は、そのうち半数ほどの作業が完了した段階にある。SUBARUは、現状こそエンジンベンチを主な設置対象としているが、無人運転、自動運転の進展に合わせ、すべての試験設備を導入対象とすることを考えている。SUBARUの構想をNIの製品とプラチナアライアンスパートナーの技術とで実現した本システムは、効率化と安全性の両立には欠かせない仕組みだ。安全を監視「し続ける」性質上、一度導入して稼働し始めた後も、そのクオリティを維持しながら稼働し続けることが重要である。また、運用する中で、構想時には想定しきれなかった、チャンネル拡張等の機能追加要望も発生しうる。その際には、システムを構成するNIのプラットフォームが有する柔軟性と、それを最大限活用できるアライアンスパートナーの技術があれば、将来にわたり新たな要望にも対応できるはずだ。

著者情報:

幾田 直樹
株式会社SUBARU
東京都三鷹市 181-8577
Japan
ikuta.naoki@subaru.co.jp