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

概要

過酷​な​環境​で​信頼​性​の​高い​計測​を​実行​する​の​は、​困難​な​うえ​に​高​コスト​です。​極限​の​温度​範囲​や​危険​な​条件下​で​使用​する​監視・​制御​システム​を​構築​する​際​に​は、​いくつか​の​要素​を​検討​する​必要​が​あり​ます。​堅牢​な​アプリケーション​を​開発​する​にあたり​考慮​すべ​き​な​の​は、​温度、​衝撃​と​振動、​環境​認証、​そして​厳しい​環境​で​使用​する​ハードウェア​の​フォーム​ファクタ​など​です。

内容

温度

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。

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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。

耐​衝撃/​振動

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。

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​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。

環境​認証

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。

フォーム​ファクタ

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。

堅牢​な​システム​の​構築​に​向け​て​選択​すべ​き​ハードウェア

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

堅牢​性​に​優​れ​た​ハードウェア

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。