この記事では、測定と制御プロセス ループのアーキテクチャ、特性、コンポーネントの概要について説明します。
アーキテクチャ
このアーキテクチャの Visio ファイルをダウンロードします。
測定と制御ループの対象は、センサー、アクチュエータ、コントローラーで構成される単一のデバイス抽象化です。 これらのループは、より大きなコンテキストで動作する分析と最適化ループおよび監視と管理ループと統合される場合があります。
特性
測定と制御ループには、次の特性があります。
- デバイスの近くで実行されるか、デバイス内に埋め込まれます。
- IoT のシナリオに応じたサイクル時間があり、時間的制約のあるネットワーク環境では数ミリ秒の場合があります。
- 設定ポイントの構成、最後の既知のセンサー測定値、各測定の小さな時系列履歴に応じて、入力測定値が取得されます。
- 監視と管理ループからコマンドを受け取って設定ポイントの構成を調整し、アクチュエータを制御するための命令コマンドを調整します。
- 設定ポイントの構成の近くにデバイスの状態を維持するため、アクチュエータ コマンドを実装します。
- 低サイクル時間と動作の自律性を確保するため、外部システムには依存しません。
- 監督システムによって使用されるテレメトリを生成する場合があります。
- センサーのメトリックとアクチュエータのコマンドについては、Modbus、RS485、EtherCAT、SERCOS などのフィールド バス プロトコルを使用します。
- HTTP、MQTT、AMQP などの IoT Hub プロトコルを通して、監視と管理ループなどの監督システムと統合される場合があります。
コンポーネント
IoT の "モノ" (デバイス) は、センサー、アクチュエータ、コントローラーで構成されています。 3 つのコンポーネントすべてが連携して動作し、デバイスが想定どおりの環境内で動作することが保証されます。 デバイスの例としては、風力タービン、洗濯機、洗車機、ガス貯蔵タンクなどがあります。 設定ポイントの例としては、風力タービンの安全な RPM、ガス タンクの安全な温度と圧力、スマート ドア ロックの自動ロック解除に対する安全な距離などがあります。
センサーにより、現在のデバイスの状態が継続的に測定されて、コントローラーに報告されます。 測定の例としては、天然ガス貯蔵タンクの温度と圧力、スマート ホームの温度と湿度、風力タービンのローターの RPM と発電率などがあります。 センサーのサンプリング レートは、デバイスの機能によって異なります。 大きなガス タンクのような変化の遅いデバイスでは、低頻度のサンプリングが必要であるのに対し、風力タービンのような変化の速いデバイスでは、高頻度のサンプリングが必要です。
アクチュエータは、デバイスの状態に影響を与える物理コンポーネントです。 例としては、天然ガス タンクの注入バルブ、風力タービンのローターの速度を下げるブレーキ、所有者が離れたらロックされるスマート フロント ドア ロックなどがあります。 アクチュエータは、センサーの測定値と外部刺激に基づいて、コントローラーにより駆動されます。 一部の検出専用デバイスにはアクチュエータがないため、ループのその部分は不要です。
制御ロジックにより、デバイスの状態が許容範囲内に維持されます。 現在の状態は、センサーの測定値から計算されます。 現在の状態が望ましい状態から逸脱している場合、コントローラーによりアクチュエータにコマンドが送信されることで是正措置が実行されます。 是正措置の例としては、天然ガス タンクのバルブの閉鎖、家のヒーターの起動、風力タービンのローターに対するブレーキの作動などがあります。 コントローラーでは、テレメトリを送信したり、必要に応じて監視と管理ループから外部コマンドを受け取ったりすることもできます。
シナリオの詳細
モノのインターネットの "測定と制御ループ" により、リアルタイムのクローズド ループ制御プロセスを通じて、IoT デバイスは設定ポイントの構成の許容範囲内に維持されます。 デバイスは、1 つまたは複数のネットワークで接続されたデバイスが含まれる、ソフトウェアによって制御されたより大きな物理システムの一部である場合があります。
外部イベントから障害を受けやすい IoT デバイスには、望ましい設定ポイントの構成から大きく逸脱しないようにするための、クローズド ループ制御プロセスが必要です。 測定と制御ループの "制御ロジック" により、"センサー" メトリックを通じてデバイスが観察され、"アクチュエータ" のアクションを通じて修正措置が実行されます。
考えられるユース ケース
このソリューションは、エネルギーおよび環境業界に最も適しています。 動作している測定と制御ループの例を次に示します。
- スマート ネズミ捕り: センサーによってネズミが検出されると、罠を閉じるイベントがトリガーされます。
- 煙センサー: 複数のセンサーで煙が検出されると、スプリンクラーがトリガーされます。
- 電力変圧器: 激しい雷雨が予想されたら、変圧器を停止します。
- ガス パイプライン モニター: バルブを開いて、圧力低下を補正します。
- ホーム サーモスタット: 室温が設定ポイントより低下したことが検出されたら、ヒーターのガス フローを増やします。
- 風力タービン: 警告 RPM しきい値に達しそうになったら、ブレーキをかけてローターを遅くします。
- ソーラー パネル: 太陽が地平線より上に移動したら、ソーラー パネルの角度を調整して、生成される電力を最大にします。
共同作成者
この記事は、Microsoft によって保守されています。 当初の寄稿者は以下のとおりです。
プリンシパル作成者:
- Hanu Kommalapati | プリンシパル ソフトウェア エンジニア
パブリックでない LinkedIn プロファイルを表示するには、LinkedIn にサインインします。