IoTを活用したスマートファクトリーの事例とメリット

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2023年11月22日 3:03

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製造業界や工場のある企業では、今「スマートファクトリー」という言葉が話題になっています。

スマートファクトリーに関するセミナーや展示会も続々と開催されており、年々関心が高まっているキーワードですが、そもそもスマートファクトリーとはどんな工場を指しているのかご存知でしょうか?

本記事では、スマートファクトリーがどのような工場なのか、なぜ近年急に求められるようになったのか、企業が導入するメリットや実際の導入事例について詳しく解説していきます。

スマートファクトリーとは?

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スマートファクトリーとは、工場内の機関システムや製造実行システム、生産設備などがネットワークによって接続・管理されて、工場を経営するにあたって指標となる様々なデータの管理が効率化されることにより、従来の工場よりも生産性の向上が可能となった工場のことです。

例えば、工場のあらゆる機械をネットワークにつなぐことによって、すべての作業員がスマートフォンやタブレットで稼働の状況やトラブルを確認できるようになったり、毎日の機械の稼働から得られたデータを解析し、管理の改善ポイントを簡単に見極められたりなどが可能となります。

これにより、より効率的かつ生産的な工場稼働が実現し、集積されたデータによってこれまでになかった商品を生み出せる可能性もあるのです。

スマートファクトリーとインダストリー4.0の関係

元々スマートファクトリーという言葉は、2011年にドイツの政府が発表した「インダストリー4.o」という政策の中で重要な要素として出てきます。

ドイツは昔から日本と同じようにものづくりを盛んに行っている国でした。

しかし、アメリカや中国などが行っているように、効率を優先して生産現場を発展途上国に移す国際的な流行りの方法を採用すると、自国の開発能力や国際競争力も失われると考えたのです。

そこで、ドイツ国内に工場の生産機能をより優れた状態で維持するために、「新規ビジネスモデルや製品の創出」、「製品に関わるシステムやデバイスのネットワークによる統合」、「製品開発に関する工程の標準化」などを掲げたインダストリー4.0政策を打ち出しました。

参考:2インダストリー4.0|総務省今回の参考URL

そのため、スマートファクトリーという言葉は、今日本で使われているような、単純に工場や製造機能の自動化を表すだけではなく、次のような意味を含む重要な概念となっています。

  • 研究開発や製品設計に関する情報の取得といったエンジニアリングチェーンの革新
  • 原材料の調達・製品の運送・市場投入後のアフターフォローなどに関する追跡可能性の確保

このように、スマートファクトリーはサプライチェーン全体に関する革新を意味した重要な概念を言ってもよく、今後日本全体でスマートファクトリーの浸透が進めば、製造業界だけではなく他のさまざまな業界に良い影響を与えることが推測されています。

スマートファクトリーの段階

経済産業省が令和2年度に公開した「スマートファクトリーにおけるサイバーセキュリティ確保に向けた調査」という資料によると、スマートファクトリーはデータの活用度合いに応じて複数の段階があると定義づけられています。

【スマートファクトリーの段階】
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引用:令和2年度スマートファクトリーにおけるサイバーセキュリティ確保に向けた調査

スマートファクトリーは段階別にレベル付けされており、レベルごとに次のような違いがあります。

レベル工場の状態レベルごとの特徴やデータの活用度合い
レベル0従来の工場- 情報がまだ活用されていない
レベル1データの収集や蓄積段階- 有益な情報を見極めて収集して状態を見える化し、得られた気付き知見・ノウハウとして蓄積できる状態
レベル2データ分析や予測を行う段階- 膨大な情報を分析・学習し、目的に寄与する因子の抽出や、事象のモデル化・将来予測ができる状態
レベル3データの最適化や制御を行う段階- 蓄積した知見・ノウハウや、構築したモデルによる将来予測を基に最適な判断・実行ができる状態
レベル4動的な自律制御ができる段階- 複数の工場または事業者が接続し、解析結果や予測を基に、各主体が自律的かつ動的に制御できる状態

このように、一言でスマートファクトリーと言ってもレベルによって特徴やデータの活用度合いは全く異なります。

自社の工場のスマートファクトリー化を考えている場合、まずは経済産業省が公開しているロードマップを確認することから始めましょう。

最終的には、動的な自立制御ができるレベル4の段階まで到達することを想定して、要件定義をすることが重要です。

スマートファクトリーが求められている背景

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スマートファクトリーが世界だけではなく日本でも求められている背景については、次のような要因が挙げられます。

  • 製造分野の人材不足を解決できるから
  • 多くの作業を自動化できて負担が減るから
  • 複雑な作業を効率化できるから
  • 国が推奨しているから

それぞれの要因について、以下で詳しく見ていきましょう。

製造分野の人材不足を解決できるから

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引用:2022年版ものづくり白書(令和3年度ものづくり基盤技術の振興施策)|厚生労働省

厚生労働省が発表した「2022年版ものづくり白書」によると、製造業の就業者数は「約20年間で157万人の減少」。さらに全産業に占める製造業の就業者割合も、約20年間で3.4ポイント低下していることが分かっています。

一方で製造業の全就業者に占める若年就業者の割合は、2012年から25%程度とほぼ横ばいで改善していない状況です。

今後少子高齢化によって若年就業者数が減っていくことを考えると、製造分野においては若手の人材確保だけではなく、抜本的な効率化を図ることが求められています。

最新のテクノロジーを駆使して少ない人数でも工場を管理できるスマートファクトリーは、まさに日本が求めている理想と言えるのです。

多くの作業を自動化できて負担が減るから

最新のIot機器やAI、ロボット設備の導入によって「ものづくりを半自動もしくは完全な自動化」することも、スマートファクトリーによって実現しようとしている目的のひとつです。

多くの作業を自動化できれば、人間1人にかかる負担も減らせます。負担が減ることによって、品質が向上したり、業界に魅力を感じて新規就業者数が増えたりなども期待できることから、スマートファクトリー化を検討している企業や人が増えているのです。

複雑な作業を効率化できるから

複雑な作業を効率化できるのも、スマートファクトリーが求められている理由のひとつです。

作業が効率化して生産ラインの生産性が向上するので、工場自体の競争力をより強化することができます。

国が推奨しているから

新型感染症の感染拡大などによって、日本ではサプライチェーンの脆弱性が顕在化しました。

そのため、日本の政府は複数年にわたった取り組みにより、海外から国内への生産拠点の回帰や多元化を通じた強固なサプライチェーンの構築の支援を決めました。

特にスマートファクトリー市場の国内市場規模は、2019年度の時点で中国について世界第2位となっています。2025年までの市場予測でも堅調に拡大すると見込まれており、政府も補助金や推進事業に対して積極的です。

スマートファクトリー7つのメリット

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スマートファクトリーが実現することにより得られるメリットは、主に次の7つです。

【スマートファクトリー7つのメリット】

  1. 品質向上
  2. コスト削減
  3. 生産性向上
  4. 製品化・量産化の期間短縮
  5. 人材不足・育成への対応
  6. 新たな付加価値の提供・提供価値の向上
  7. リスク管理

それぞれのメリットについて、以下で詳しく見ていきましょう。

1.品質向上

スマートファクトリー化することで、品質向上面において次のようなメリットがあります。

  • 構築した作業改善モデルを⽤いて、作業状況を改善、均⼀化することで、作業のばらつきを最⼩化できる
  • 分析結果に基づいて、設計仕様・⽣産⽅法を修正・改善して最適化することで、製品の品質・信頼性を向上できる
  • 分析結果に基づいて、従業員を⼈材育成したり、設計を変更することで、ポカミスの発⽣を抑制し、不良率を削減・最⼩化できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

2.コスト削減

スマートファクトリー化することで、コスト削減面において次のようなメリットがあります。

  • 構築した設計改善モデルを⽤いて、製品設計を最適化することで、材料の使⽤量を最⼩化できる
  • 設備の稼動計画、ヒトの作業計画を修正・最適化することで、投⼊するヒト(⼯数)、材料、エネルギーを最⼩化できる
  • 設備に異常などが発⽣したときに、従業員への通知を⾃動化することで、監視・点検の管理⼯数を最⼩化できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

3.生産性向上

スマートファクトリー化することで、生産性向上という点で次のようなメリットがあります。

  • 情報の⼊⼒・表⽰の⾃動化による作業の短時間化や、適切な判断を⽀援する情報を提⽰することで、作業プロセスを最適化できる
  • ヒトとスマートロボットによる協調した作業を最適化することで、ヒトの作業の効率を向上できる
  • 設備の故障予測に基づき、予防保全することで、故障の発⽣を抑制し、想定外の稼動停⽌時間を削減・最⼩化できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

4.製品化・量産化の期間短縮

スマートファクトリー化することで、製品化・量産化の期間短縮という点で次のようなメリットがあります。

  • 構築した設計改善モデルを⽤いて、製品設計を⾃動化することで、製品開発・設計期間を短縮できる
  • 仕様変更となった場合、統合BOMを通じて、開発、設計、⽣産⼯程のデータを連動させて反映することで、仕様変更の対応時間を最⼩化できる
  • サイバー上で⽣産ラインを設計し最適化した上で、実世界の⽣産現場へ実装することで、構築時の試⾏錯誤を削減し⽣産ライン構築期間を短縮できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

5.人材不足・育成への対応

スマートファクトリー化することで、人材不足・育成への対応という面において次のようなメリットがあります。

  • 体系化した技能・ノウハウ・知⾒を国内外の拠点へ共有することで、それらを継承し、ヒトの能⼒を向上できる。それらをスマートロボットに学習させることで、ヒトを代替できる
  • HMD(ヘッドマウントディスプレイ)や⾳声認識機器などのウェアラブルデバイス、パワーアシストスーツ、⽣体センサなどを活⽤し、ヒトの能⼒を拡⼤することで、特性が異なる多様な⼈材を活⽤できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

6.新たな付加価値の提供・提供価値の向上

スマートファクトリー化することで、新たな付加価値の提供・提供価値の向上が期待できます。スマートファクトリー化による、工場の新たな付加価値の提供や提供価値の向上の具体例は以下のとおりです。

  • 設備・ヒトへの作業指⽰・部品供給や段取り替えの計画策定を⾃動化・最適化することで、個別のニーズにあわせて多品種の製品をフレキシブルに⽣産できる
  • 把握したニーズを実現する製品・機能・サービスを先回りして企画・提案できる
  • サプライチェーン全体で、⽣産計画・物流計画などを最適化することで、顧客ニーズにあわせてオンデマンドに製品・サービスを提供できる

 参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜

7.リスク管理

スマートファクトリー化することにより、製品に不具合が発生した時に、通信機能を通じて使用しているユーザーを把握し、すぐに対策を講じることができます。

そのため、不具合による影響範囲を最小化できるので、リスク管理の面でも大きなメリットがあると言えるでしょう。

スマートファクトリーが抱える課題

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スマートファクトリーが実現することにより様々なメリットがある一方で、次のような課題もあります。

  • デジタル化を浸透できるか
  • 導入の判断
  • セキュリティ

それぞれの課題について、以下で詳しくみていきましょう。

デジタル化を浸透できるか

現在の日本における製造業の現場では、デジタル化があまり進んでいないと言われています。伝統的なやり方を変更することに対する抵抗感や、ITリテラシーが高くないことがスマートファクトリー実現における最大の課題です。

特にスマートファクトリーで活用している技術の多くは、直接的に製造ラインを効率化するというよりも、データを収集して集まったものを分析して活用するソフト面です。

現場で作業する人や事業者にとって、これまで活用していた機械とは全く異なるものが多く、外国と比較しても日本での導入は遅れています。

導入の判断

スマートファクトリーを実現するにあたって、機械やソフト、デバイスなどを購入する必要があります。しかし、ほとんどの顧客側にとっては、スマートファクトリーがそもそも必要なのか、自社にとって必要な機器はどれなのか判断するのは難しいのが現実です。

例えば、システム導入にあたって要件を定義する時には、必要な機能と必要のない機能を判断しなければいけません。そのためには、ITや必要な機器に関する知識が必要となります。

また複数の企業から見積もりを出した際の値段の違いに関しても、関連知識がなければ正しい判断をすることは難しいです。

さらに、工場自体の仕組みを大きく変えることになるので、現場だけではなく総合的な判断が求められます。現場の各部門やサプライチェーンに詳しい人、ITに精通している人など、スマートファクトリー実現のためにはあらゆる側面からの意見が必要です。

あらゆる側面からの意見を調整して推進していくのには大きな労力が必要となるため、スマートファクトリーは日本にまだ普及しきっていない状況です。

セキュリティ

従来の工場のシステムは、基本的に内部に限ったネットワークが構築されており、外部のネットワークとは接続できないことが前提として設計されているところが多いです。

しかしスマートファクトリーの場合、多くのシステムやデバイスをネットワークに繋げなければいけません。そのため、従来の工場では起こりえなかった、新たなセキュリティリスクというのが発生します。

スマートファクトリーで活用されるデータごとのリスクとしては、次のようなものがあります。

【スマートファクトリーで利活用されるデータごとのリスク】

利活用データの分類データの窃取・改ざん等のリスク
センサーデータ部分的な窃取ではフィールド内からの具体的な機密漏洩に至る可能性は低い。改ざんされた場合、情報が撹乱されるリスクはあるが、正常稼働に直接影響するおそれは少ない。
静止画データ窃取された場合、フィールド内の機器や組立等の機密が(静止画情報という形で漏洩する
動画データ窃取された場合、フィールド内の機器や組立等の機密が(動画情報という形で)漏洩する
制御コマンド改ざんされた場合、誤った制御情報により正常稼働できなくあるおそれがある
エンジニアリング設定投入するプログラムへのマルウェア混入等により正常稼働できなくあるおそれがある
機器状態値部分的な窃取ではフィールド内からの具体的な機密漏洩に至る可能性は低いため、リスクは比較的低い
生産計画値窃取された場合、生産計画という内部情報が漏洩するおそれがある。改ざんされた場合、情報の解釈を誤るおそれがある
集計分析データ窃取された場合、(情報処理後の)非公開情報が漏洩するおそれがある。改ざんされた場合、情報の解釈を誤るおそれがある

引用:スマートファクトリーにおけるサイバーセキュリティ確保に向けた調査報告書|経済産業省

このようなリスクを防ぐための対策としては、不正アクセスの防止やアクセスする社員のデバイスの認証、各機器のマルウェア対策、工場ネットワークと外部ネットワークの分類などを行う必要があります。

スマートファクトリー導入事例を紹介

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ここでは、国内でのスマートファクトリー導入事例を3つ紹介します。

1.⼯作機械にIoTを導⼊して加⼯状況を把握、加⼯条件を最適化

⼯作機械にIoTを導⼊して加⼯状況を把握、加⼯条件を最適化を実現した事例について、実施内容とスマート化の効果や成功のポイントをご紹介します。

【実施内容】

  • ⼯作機械をネットワークにつなぎ、現場作業員が⼿持ちのスマートフォンを使って、⼯作機械の加⼯状況を監視したり、加⼯終了時間を知らせたりすることができる仕組みの構築
  • ⼯作機械の主軸にあるモーターの電流値を吸い上げ、加⼯データや稼働実績と照合することで、最適な加⼯条件を分析
  • 分析結果を次の加⼯に反映させ、加⼯条件を最適化

参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜|経済産業省

【スマート化の効果・成功のポイント】

  • 熟練技(⼈)×ロボット×ITの融合の⽅針でITを活⽤
  • 付加価値の⾼いプレス部品開発・設計・製作に特化
  • 製造部分はソフトやシステムを駆使して⾃動化を原則とし、⼈が考える仕事と区別
  • 技術開発でもノウハウを仕組みにし、最新の3D計測器やCAEによる確認で⼈の「カンコツ」依存を1/10に
  • 製造設備は⾃社開発ロボット・設備や無⼈搬送システムで付加価値製造を最⼩⼈員で⾏う

参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜|経済産業省参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜|経済産業省

2.加⼯現象の”⾒える化”と⼯具の知能化

既存の計測機器では加⼯現象を正確に計測できないという欠点を、スマート化によって「見える化」と工具の知能化に成功した事例における、実施内容とスマート化の効果や成功のポイントについてご紹介します。

【実施内容】

  • ⼯具そのものを”知能化”し、加⼯現象を”⾒える化”実現温度データを⾒ながら、切削条件の良し悪しを判断するツールの作成
  • ⼯具破損(クラック含む)は、切削抵抗と温度が⼤きな原因となるので、切削抵抗だけでなく温度データを同時に計測することによるデータ信用性のアップ
  • ホルダー内部に温度計測器とワイヤレストランスミッターを搭載、計測した温度情報は無線送信されPCモニタで確認できるようにした

参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜|経済産業省

【スマート化の効果・成功のポイント】

  • 切削時の冷却効果・クーラント供給⽅法の最適化
  • 難削材(インコネル・ハステロイ等)部品・複雑形状部品の加⼯改善
  • 切削熱影響におけるドリル・タップ・エンドミルの摩耗進⾏の折損・寿命予
  • ⼯具使⽤限界温度設定による条件改善など

参考:「スマートファクトリーロードマップ」〜第4次産業⾰命に対応したものづくりの実現に向けて〜|経済産業省

IoTとAIを⽤いたシンプルで安価な製造ラインモニタリングサービス

IoTとAIを⽤いたシンプルで安価な製造ラインモニタリングサービスを、スマート化によって実現した事例における、実施内容とスマート化の効果・成功のポイントをご紹介します。

【実施内容】

  • ⽶国のソフト開発⼤⼿の協⼒を得ることで、処理能⼒や、拡張性・汎⽤性・信頼性の⾼いシステムへと刷新
  • 部品が1個完成するたびに点灯する表⽰灯に安価な汎⽤センサーを外付け。設備が完成品を押し出す部分に安価なリードスイッチを取り付けて、設備の稼働状況を検知。検知するたびに、電池可動式の発信器から無線LANで親機に送信。クラウドを通じてスマートフォンなどの各端末から稼働状況を把握可能にした
  • 設備の稼働・休⽌の把握と⽣産の所要時間をリアルタイムに把握できるようにした
  • 設備を動かしたい時に、正常に動いた時間の割合を表す「可動率」や、製品を1つ作るのに必要な時間を表す「サイクルタイム」などを表⽰できるようにした

【スマート化の効果・成功のポイント】

  • 「製造ラインモニタリングサービス」により、1時間あたりの⽣産個数が7割上昇
  • 計画していた⽣産ライン2本の増設が不要になり、1億4千万円分の設備投資費⽤を削減することができた

日本の製造業を大きく変えるスマートファクトリー

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少子高齢化や人手不足などによって、日本の製造業の状況は毎年のように変化しています。

また日本だけではなく世界の企業と競争する力をつける必要もあり、自社の競争力を維持し続けるためにも「スマートファクトリー化」による生産性の向上と迅速な問題解決ができる環境づくりは今後必須となるでしょう。

もっとも、自社に適した機器やソフトを選べなければ、期待していた効果を得ることはできず、むしろ大きな損失を生む可能性もあるので注意が必要です。

慎重な準備と適切な段階を踏んで、自社にとって有益なスマートファクトリー化を進めていきましょう。

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