让制造业DX成为现实的智能工厂
实现自主化智能工厂的关键技术、CPS
全球许多制造企业已经开始着手建设智能工厂。智能工厂是通过积极利用人工智能（AI）和物联网等先进数字技术来解决该现场面临的问题，努力提高生产率和质量的未来工厂，在此，我们将说明占据智能工厂中枢的生产系统的未来形式“CPS（Cyber-Physical System）”（图1）。
传统的FA与智能工厂之间的区别
迄今为止，已有许多工厂使用工厂自动化(FA)来努力提高生产率和质量。在生产现场排列大量实现工序自动化的各种制造装置和工业机器人，以高生产率生产了大量高质量的产品。
这些已实现FA的传统工厂和许多企业目前正在努力实现的智能工厂在目的和方法上有什么区别（图2）？
在FA工厂中，人们正在努力通过对生产线上的加工、搬运和检查等一系列工序进行综合自动化来提高生产率和质量。但是，构建的生产线对生产品目和产量的波动并不能灵活应对。这是因为基于确定的作业流程和生产条件对生产线结构、装置/设备的规格及其运行条件进行了优化。
另一方面，智能工厂是构建在对生产品目的变更、生产量的增减、运行过程中发生的生产条件偏差、装置和设备的不顺和故障等作出迅速和适当的反应的假设之上的。这些变化和突发事件在任何行业的工厂每天都可能发生。应对它们的能力与工厂的价值，进而与制造企业的竞争力直接相关。
预测生产线近期情况的CPS
而且，在智能工厂中，承担大脑和指挥系统的作用的信息系统就是CPS。简单来说，CPS就是一个可以预测生产线上近期会发生什么的系统。其机理和功能如下。
首先，在虚拟空间中准备一个与生产线本身或放置在生产线上的装置、设备具有相同功能和性能的计算机模型。然后，通过传感器实时收集生产线上的装置的稼动数据，并将其输入到模型中，从而重现生产线的动作和状态。这样重现与实际装置相同行为的模型称为“数字双胞胎”。
如果有CPS，即使在改变生产品目或产量时，也可以在数字双胞胎上尝试各种运行条件，降低风险，并事先找到理想的解决方案。此外，还可以事先感知现场的装置何时会发生故障并采取应对措施。
凭借物联网的高度成熟创造更加多样化的价值的CPS
迄今为止，承担工厂理想的运用角色的是熟悉现场、经验丰富的资深技术人员。也就是说，可以说工厂的运营靠的是个人的经验和直觉。
通过利用CPS，可以为缺乏经验的技术人员提供基于数据的明确判断材料。如果能提高预测未来的准确性，或许能仅使用CPS就可以自主运营工厂。此外，如果我们将传感器放置在迄今为止人眼无法看到的地方，并构建一个能够毫不遗漏地掌握工厂中发生的现象的物联网系统，就有望实现比迄今为止更高的生产率和质量。
此外，还有可能推广一种被称为“大规模定制”的高附加值业务，该业务可以分别按照每个用户要求的规格分别制造产品。分别制造不同规格的产品需要花费比预期更多的时间和劳力。但是，有了CPS，就有可能让这样的分别制造实现自动化，可以放心地开始定制生产。
CPS的进步离不开传感器、执行器、电池等的进化
在CPS中，几乎都在具有强大计算能力的数据中心里设置数字双胞胎。但是，要实现高精度的数字双胞胎，工厂中的3个技术要素需要具有很高的性能（图3）。
第1个是从现场收集数据并将分析结果反馈到现场的边缘设备。在这里，需要检测反映振动、温度、声音和视频等装置动作和状态的数据的传感器，以及控制装置动作的执行器等。这些电子元件需要具有即使在工厂内的恶劣环境中也能正常工作的高可靠性。此外，还需要降低设备的电力消耗和延长驱动时间的大容量电池。
第2个是在生产线附近执行信息处理的边缘计算机。在这里，使用微型计算机对收集的数据进行筛选并进行简单的处理。使用嵌入式人工智能进行高级判断的需求越来越大，今后，预计微型计算机高性能化、存储大容量化和高速化将继续发展。
第3个是连接边缘设备和边缘计算机的短距离网络。在有线网络中使用EtherCAT*1和CC-Link*2等高可靠性工业网络。在这里，高质量的静噪元件非常重要。在无线网络中，考虑使用蓝牙和Wi-Fi，需要更高可靠性的远距离无线通信时，也考虑使用LPWA（Low Power Wide Area）或5G。以小尺寸、低耗电力和高可靠性的方式实现这些无线网络的元件必不可少。
*1 EtherCAT是德国Beckhoff Automation开发的工业网络标准，与用于构建FA系统的以太网兼容。“EtherCAT Technology Group (ETG)”定义和管理其功能要求和认证步骤。
*2 CC-Link是三菱电机开发的工业网络标准。最初的标准只是针对工厂等现场使用而优化后的该公司专有技术。近年来，为了连接企业基干信息系统和生产系统，基于以太网的标准“CC-Link IE”也已出现并被使用。CC-Link协会正在开展普及推广活动。