適切なハードウェアを選んで堅牢なアプリケーションのシステムコストを削減

堅牢なアプリケーションは極度の温度範囲でのテストに使用することも多く、ハードウェアの制約となることがあります。例えば低温始動エンジンテストでは、使用するテストセルは-40℃まで低下することがあり、温度、圧力、その他様々な計測の連続データ集録が必要です。そのような条件に対応していないハードウェアを過酷な環境に設置すると、ハードウェア内部の部品が誤作動し、正確でないデータが得られたりハードウェアが損傷したりします。

図1. テストセルは、極限温度でのテストを含む様々なテストをエンジンに対して行います。

ハードウェアがそのような極限温度範囲に対応するには2つの方法があります。1つ目の方法は、ハードウェアを外部ケースに格納して保護する方法です。ハードウェアをどちら側の極限温度範囲で使用するかにより、ケース内に発熱体または冷却体を組み込んで、コンポーネントを動作範囲内に維持する必要があります。また、環境からの遮蔽の使用や、熱を反射するケースの色についても考慮するといいかもしれません。ケースの設計に際して考慮すべきあらゆる項目を考えると、コストと時間がかかってしまう可能性があります。

もう1つの方法として、極限の温度条件に耐えうる設計のハードウェアを選ぶこともできます。NIでは、それらの範囲で内部の部品が正しく動作するよう設計されたシャーシを開発することで、極限温度範囲に対応できるハードウェアを提供しています。選択した部品が仕様内で動作することを確認するため、ケースは大量のサーマルテスト/検証にかけられます。またこのテストにより、ハードウェアが温度範囲内の動作における国際規格に準拠します。

堅牢なアプリケーションを開発するにあたって考慮すべきもう1つの点が、テストの衝撃/振動仕様とそれに耐える設計の構築です。バケットホイール掘削機の電力伝送システムのメインギアボックス監視から、フォーミュラSAEレースカー内部でのアナログ/デジタル計測まで、あらゆるアプリケーションで、テストハードウェアにて誘発される衝撃と振動の値を考慮することが必要です。高い値の衝撃や振動が生じる過酷な環境にハードウェアを設置し、それらの値に対処できない場合、ハードウェア部品が損傷を受け、修理や交換に多額の費用がかかる可能性があります。

図2. この高振動アプリケーションは、KWK-1500s掘削機のバケットホイールのメインギアボックスを監視しています。

過酷な環境向けのテストセットアップを設計する際も、いくつかのオプションを比較する必要があります。振動対応のケースは、ハードウェア内の部品が特定の衝撃・振動仕様内で動作するように設計できます。1つの方法として、環境内で生じる振動からハードウェアを隔離する手段をケース内に構築するという方法があります。ただしこの方法は、難しいのに加え、環境がとらえる振動・衝撃値内でハードウェアが正しく動作するようにするには、何度もテストする必要があります。

もう1つの方法として、そのような仕様に対応できるハードウェアを選択することもできます。振動の影響に耐えることのできるハードウェアを設計する方法はいくつかあります。例えば、内部部品の内部振動絶縁機能を組み込むことで、仕様内での動作が可能となります。NIでは、50 gの衝撃と5 gの振動に耐えられる仕様のハードウェアを提供しています。ハードウェアを開発したら、全ての国際規格に完全準拠し、堅牢な衝撃・振動仕様での使用に製品が認証されるようにするためには、固い面に設置します。Cシリーズ製品を各種提供するNIは、極限レベルの衝撃・振動が生じた際にも正しく動作できるよう、必要なテストを全て実施しています。

図3. この振動テストではCompactDAQプラットフォームを使用しています。

温度範囲と衝撃・振動仕様は、堅牢なアプリケーションを開発するにあたって対処すべて重要な仕様ですが、それらのテストを実施する環境についても考える必要があります。この環境が異常動作状態時に爆発性のガスや蒸気などが存在する危険な場所であるなら特にそうです。危険な場所の例としては、化学工場や製油所などがあります。そのような危険な場所で使用するアプリケーションのテストセットアップを開発する際には、正しい認証を得ておくことがプロセスの重要部分です。

危険な場所で使用する製品については、その場所が属する地域に応じて、UL Hazardous LocationsまたはEuropean Union Hazardous Locationsが順守すべき規格となります（HazLocと総称されます）。どちらも、爆発性の雰囲気が存在するかもしれない危険な場所で使用される製品に対する認証規格です。前者のUL規格は、複数のクラス（Class）とディビジョン（Division）に分類されています。クラスは危険な場所の種類を表し、ディビジョンは状態を表します。クラスは、爆発性の雰囲気が存在する場所に関する指標であり、ガスまたは蒸気が存在する場所がクラス1、粉塵が存在する場所がクラス2、繊維、浮遊物が存在する場所がクラス3です。一方のディビジョンは、これらの物質が正常動作時に存在するディビジョン1と、異常動作時に存在するディビジョン2に分けられています。

一般的には、そうした過酷な環境において、ある試験装置が使用可能であることを保証するには、その装置全体に対してすべての認証試験を実施する必要があります。全てのハードウェアを試験するには多大な費用と労力がかかりますが、そうした環境で稼働する製品については必須の作業となります。

図4. このパイプラインテストには、危険な場所の認証が必要です。

過酷な環境で稼働するアプリケーションを対象とした一般的な認証に、Lloyd's Register Type Approval（以下、ロイド規格）があります。この認証は、製品が国内/国外の規格に準拠していることを証明するための第三機関による評価であり、メーカーの製造品質システムを実証するものです。ロイド規格は、海洋/海上アプリケーション、工場/加工、情報技術部門などで使用する製品に適用されます。製品が海洋環境に関する適切な安全基準を満たすことに加えて、製品の性能が海洋環境の条件下で維持されることを保証します。

この認証を取得するには、ハードウェアに対して、第三者機関が実施する評価プロセスのすべてを適用する必要があります。まず第三者機関は、ハードウェアの設計全体に対する検証を行い、具体的な仕様や規約に準拠していることを確認します。それに続いて、立ち会い検査と試験を実施します。その際には担当者が派遣され、詳細な検査と検証が行われます。全てが承認されれば、そのハードウェアにおいてロイド規格の認証マークを使用することが許可されます。このハードウェア認証プロセスは、多大な労力と費用を要するものですが、ロイド規格の認証を得るには必須です。

NIは、各種の国際規格に準拠し、業界の様々な環境認証を取得済みの多様なハードウェアを提供しています。各製品に対しては、お客様のアプリケーションが認証を得るために必要となる厳格な試験が既に実施されています。各ハードウェアは、危険な場所で使用できることや、海洋環境の条件下でも使用できることを証明する様々な認証を取得しています。

過酷な環境で稼働するアプリケーション向けのハードウェアを選択する際には、フォームファクタも重要な検討項目です。沖合にある石油掘削装置のデッキ上や、砂漠の真ん中といった要件の厳しい環境で使用するハードウェアを決定する際には、テストシステムの設置面積が重要な要素となります。ハードウェアが過酷な環境に耐えられない材質で製造されており、保護用の筐体が必要になる場合、それによってシステムの設置面積が大幅に大きくなる可能性があります。設置面積が大きすぎる場合には、試験を実施できる場所が限定されるかもしれません。また、分散型のリモートアプリケーションでは、ハードウェアのサイズをできる限り小さく抑える必要があります。

図5. エンジン用のテストセルも、設置面積が小さく、堅牢性が高いハードウェアが求められるアプリケーションの一例です。

ハードウェアの冷却方法についても検討する必要があります。その方法はいくつかありますが、主なものとしては受動冷却と能動冷却の2つがあります。受動冷却の場合、可動部品が不要なので堅牢性がより高くなります。ハードウェアの試験を行う際、ファンなどの可動部品で適切に冷却を行う必要がある場合には、試験を実施できる場所が限られる可能性があります。能動的に冷却するデバイスの場合、エネルギー消費量の高い機械部品が含まれることになります。それらについても、動作可能な温度範囲や動作時の耐衝撃性・耐振動性といった堅牢性に関する項目を検討する必要があります。

アプリケーションが稼働する環境の種類と、その環境における外的要因が装置に与える影響について把握する必要があります。それにより、システム用の筐体を開発するか、それとも堅牢性に優れたハードウェアを選択するかが決まります。CompactDAQやCompactRIOといったNIの製品ラインを採用すれば、ハードウェアが過酷な環境における厳しい要件を満たすことを保証するための煩雑な作業や試験は既に行われていることになります。

過酷な環境で稼働するアプリケーションにおいて、NIのどの製品ラインを採用するかは、そのアプリケーションの性質によって決まります。例えば、様々な測定値を監視するのか、監視に加えて高度な制御を行うのかといったことです。アプリケーションにおいて、監視用に波形データをストリーミングしたり、後処理のために保存したりといった作業を簡単に行いたいのであれば、CompactDAQを選択するとよいでしょう。一方、組込みのFPGAを、何らかの処理を実行するために使用したり、制御システムのコントローラとして使用したりといった柔軟性が必要な場合には、CompactRIOが最適です。

CompactDAQは、信号調整機能や多様なI/Oオプションを備えるミックスド計測用のモジュール式プラットフォームです。不要な機能に費用を支払うことなく、過酷な環境で稼働するアプリケーション向けに最適化され、時間の経過とともに変化する要件に対応可能な柔軟性を備えたシステムを構築することができます。CompactDAQとCシリーズの全てのモジュールは、A380の鋳造アルミニウムで製造されているため、堅牢性に優れています。動作温度範囲は－20～55℃で、最大30 Gの衝撃に耐えることができます。また、堅牢性に優れたCompactDAQシャーシ/コントローラ、cDAQ-9188XT、cDAQ-9134、cDAQ-9135は、－40～70℃の動作温度範囲に対応し、最大50 Gの衝撃に耐えることが可能です。堅牢性と柔軟性に優れたCompactDAQを使用すれば、システムを再構成することができます。そのため、テストの実施場所を変える場合でもテストシステム1台を移動させるだけで済み、場所に応じて異なる装置を購入する必要がありません。 CompactDAQシャーシ内で使用されるCシリーズI/Oモジュールも同様に堅牢性に優れており、シャーシに取り付ける際にはバネ式ラッチでしっかりと固定されます。 耐衝撃性・耐振動性についても、CompactDAQシステムにモジュールを取り付けた状態でテストされているため、特定の状況でモジュールが外れたりする心配はありません。堅牢バージョンのCompactDAQシステムについても厳格な試験が実施されており、ULとEU（欧州連合）のHazLocの認証を取得しています。CompactDAQの堅牢性に優れた機能により、テストを短時間で開始することができます。実地試験に向けた計測器のセットアップ時間が短縮されるのは大きなメリットと言えます。

図6. cDAQ-9188XTは、 －40～70℃の温度範囲、50 Gの耐衝撃性、5 Gの耐振動性に対応するCompactDAQファミリ製品で、任意の場所における任意の計測を可能にします。

CompactRIOは、小型で堅牢性に優れ、ホットスワップ対応の工業用I/Oモジュールを採用したオープンな組込アーキテクチャで、LabVIEW再構成可能I/O（RIO）アーキテクチャがベースになっています。サイズ、重さ、I/Oのチャンネル密度は、多くの組込みアプリケーションにおいて設計上の重要な条件となります。CompactRIOは、小型で卓越した性能を備えるFPGAを活用することにより、コンパクトなサイズで堅牢性に優れたシステムを実現し、比類のない制御・集録機能を提供します。厳しい工業規格に準拠しており、過酷な産業環境での利用が可能です。-40～70°C（-40～158°F)の温度範囲、50 gの耐衝撃性、そして多くの国際安全基準、電磁両立性、環境認証/評価に適合しています。

図7. 卓越した堅牢性に加えて高いレベルの性能と柔軟性を備えるCompactRIOシステム

要件の厳しい過酷な環境で使用するシステムを、外的要因からの影響に耐えられるように設計・構築する方法はいくつか存在します。検討が必要になる重要な項目としては、その環境における温度範囲、ハードウェアに求められる耐衝撃性・耐振動性、取得すべき環境認証、システム全体として求められるフォームファクタや機能の種類などがあります。厳しい要件に耐えられるシステムを構築する際に、CompactDAQやCompactRIOのような堅牢性に優れたハードウェアを使用すれば、時間と手間を省くことができます。システムが環境規格に準拠するか、厳しい要件に耐えられるように設計した筐体内でハードウェアが正常に動作するかといったことを確認するために、改めて試験を実施する必要がなくなるからです。

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