【Moxa】公害を金に変える - 複雑な酸化還元プロセス中の化学反応の安定と制御を支援するMoxa IIoTソリューション

技術情報

Moxa

公害を金に変える - 複雑な酸化還元プロセス中の化学反応の安定と制御を支援するMoxa IIoTソリューション

2022.07.06

プロジェクトの紹介

硫化水素 (H2S) は、石油やガスの精製所やその他さまざまな用途で見られる可燃性の無色ガスです。この有毒ガスは、中枢神経系と呼吸に影響を与え、人間の安全性とインフラの完全性 (腐食) に影響を及ぼします。

Streamline Innovations社は、データをもとに、H2Sを除去して農業用硫黄に変換し、作物の肥料として機能させる酸化還元型H2Sガス・酸性ガス処理システムを開発しました。このデータにより、同社はH2Sの課題に効率的かつ経済的に対処することができました。しかし、化学反応を正確に制御するためには、従来は現場にいる人間の専門家が数分ごとに流量をチェックしなければならず、その難しさを克服するために、同社は計算を行う自動化プラットフォームとリモートコントロールを必要としていました。

MoxaのIT-OT融合ソリューションは、Streamline Innovation社がこの要件を達成するのに役立ちました。Moxaの堅牢なコンピュータは、Inductive Automation Ignitions社のSCADAソフトウェアをインストールし、機械学習を可能にするためのPythonスクリプトを実施しました。このIIoTソリューションは、Streamline Innovation社が酸化還元に関する課題を解決し、化学プロセスを安定させるための制御および自動化プロセス、データ収集、リモートコントロールを促進するのに役立ちます。

もし、有害なH2S (硫化水素) が迷惑なものではなく、贈り物だとしたら？

硫化水素は、人命の安全、法規制の遵守、インフラの健全性 (腐食) などに多大な影響を与える無色、可燃性のガスです。この有毒ガスは、世界中の天然ガス井戸の約40～60％、北米のほぼすべてのガス井戸に存在します。腐った卵のような臭いが特徴的な有毒ガスで、刺激性、化学的窒息性があり、中枢神経系や呼吸に影響を与えます。この有毒なガスが、ストーブをつけたときに家の中に入ってくるのは避けたいものです。幸いなことに、H2Sを除去する技術はいくつか存在し、ガスから直接H2Sを除去できる化学物質もありますが、高価であったり、廃棄するのに危険なものであったりします。さらに、これらの化学薬品は、低濃度のH2Sを処理する場合にのみ費用対効果があります。大量のH2Sを処理する場合は、有毒な化学物質を除去するために大規模なプラントを建設する必要がありますが、ほとんどのガス井戸には中程度の量のH2Sしか含まれておらず、5,000万ドルの施設を建設するほどの量ではありません。逆に1ポンドあたり1ドルの薬品で処理するには多すぎる量となります。この2つの選択肢の中間では、H2Sを効率的に除去する優れた技術はあまりありません。

Streamline Innovationsは、Redox (酸化還元) プロセスを大幅に改良し、市場で最も効率的なH2S処理ソリューションの1つを開発しました。同社の Valkyrie™ (Redox) H2Sガスおよび酸性ガス処理システムは、新しい化学プロセスと高度な制御システムを採用し、単一井戸から油田全体まで幅広い規模で、天然ガスからH2Sを除去することができます。この特許取得済みのプロセスは、H2S処理に一石を投じました。天然ガスのフローから100％のH2Sを除去することができ、 1ポンドあたりのH2S除去コストは他のすべての競合製品と比較して最も低く抑えられています。最も重要なのは、Valkyrie™がH2Sを農業グレードの元素状硫黄に変換することができ、変換された元素状硫黄は土壌浄化、作物肥料、害虫駆除に有効であることです。生命の基本要素の一つである硫黄は、古くから作物に必要な栄養素とされており、綿花からワイン用ブドウまで、多くの作物で硫黄不足が問題視されてきました。

Streamline Innovations社は、これまでテキサス州とニューメキシコ州の工場で2000万ポンド以上の硫黄を生産し、国際市場やバイオガス処理、製油所処理にも進出しています。生産された硫黄は、他の除去方法では酸性雨の主な原因であるSO2に変化していました。

Streamline Innovationsは、石油・ガス、公益事業、産業市場における水・ガス処理およびプロセス改善に特化したテクノロジー・ソリューション企業です。
Streamline Innovationsは、ユニークな製品ラインを提供し、ソリューション主導のチームを通じて高度な処理能力を展開します。同社は、さまざまな市場における社内の重要な経験や専門知識を活用することで、さまざまな問題や運用上の課題に対して革新的なソリューションを提供しています。

Streamline Innovations

設立：2016
産業分野：Streamline 先進技術ソリューションの展開により、水・ガス処理および関連プロセスのための先端技術ソリューションを展開
Webサイト：www.streamlineinnovations.com

課題を解決するために十分な堅牢性、計算能力、優れたアップタイム、
そしてリーズナブルな価格のシステムが必要であり、それがMoxaを選択した理由です。

PETER PHOTOS
Chief Technology Officer at Streamline Innovation

課題

- 専門家が限られている：天然ガス中のH2S濃度や流量は様々であるため、数分おきにH2S濃度と流量をチェックするためには、現場の専門家が必要。しかし、専門家が常に天然ガス施設にいることは難しく、頻繁に出向くことは不可能。
- 標準的なPLCでは、複雑な計算やモデルベースの制御を行うことは難しく、クラウドサーバと通信するカスタマイズされたOPCサーバには、認証やセキュリティ保護機能がないため、Streamline Innovationは、「現場の専門家」に代わる適切なソリューションを提供することが困難であると考えました。

酸化還元の巧妙な罠

酸化還元は、2つの正確な化学反応を実行する必要があります。還元と酸化です。しかし、天然ガス中のH2S濃度と流量が変化することが、この2つのプロセス実行の最適な制御を困難にします。そのため、それに応じた化学物質の添加量を常に調整する必要があります。添加量が多すぎると、化学反応が止まってしまい、一方、添加量が少なすぎるとH2Sがパイプラインに混入する可能性があります。そのため、以前の工程では、その分野の専門家が数分おきに濃度や流量をチェックする必要がありました。しかし、天然ガス施設に専門家が常駐することはできません。特に遠隔地の井戸にある小規模な設備に頻繁に出向くことはできません。Streamline InnovationsのValkyrieは化学プロセスを厳密に制御することで、「現場の専門家」の介入なしに化学物質の平衡を保つことができます。このため、Streamline Innovations社のH2S-to-Sulfurプロセスは、市場で最も経済的なソリューションの一つです。

当初、Streamline Innovations社は標準的なPLCで書かれた自動化プラットフォームをテストしましたが、複雑な計算やモデルベースの制御を実行することができませんでした。また、クラウドサーバと通信するカスタマイズされたOPCサーバを構築しましたが、認証とセキュリティ保護がありませんでした。理想的なソリューションを探すために、Streamlineは、さらに半年を費やして、ほとんどすべてのブランドのソリューションに接触しました。その結果、MoxaとInductive Automationにたどり着き、制御と自動化プロセス、データ収集、リモートコントロールを促進し、酸化還元に関する課題を解決し、変動を低減し、化学プロセスを安定化させることに成功しました。

ソリューション

- 堅牢な設計：Moxaの堅牢なコンピュータは、膨大な量のサブセカンドデータを生成するモータ振動データを前処理するために厳しい環境のオイル＆ガスアプリケーションのClass I、Div.2認証を取得しています。
- 信頼性の高い接続性：外部接続がダウンした場合、Moxaのコンピュータは、OT機器の最大限のアップタイムを保証するためにデータを記録します。

IT/OTコンバージェンス：Moxaの堅牢な設計と信頼性の高い接続性と共に、StreamlineのエンジニアがどこからでもSCADAにアクセスできるように、クラウドベースのSCADAを実行します。また、米国国立気象局のPythonスクリプトを実行し、Streamlineが温度と湿度を予測するために機械学習を有効にしました。これらの要因は硫黄生産に大きな影響を与えるからです。

IT/OTコンバージェンスによるトランスフォーメーション

Streamline Innovationsは、Moxaのコンピュータ上で動作するInductive Automation社のSCADAソフトウェアIgnitionを使用しており、IgnitionサーバとMQTT通信プロトコルにより通信しています。MQTTは、以下のことを可能にします。MQTTは、帯域幅をあまり消費せずに関連データを転送することができ、遠隔地では通常、携帯電話データで十分な運用が可能です。データの管理は難しいので、エッジとクラウドの間でインテリジェントに階層化された計算が行われます。モデル予測制御のような複雑な計算は過去のデータが必要なため、クラウド側で行います。一方、モーターの振動データは膨大な量のサブセックデータが発生するため、そのデータをエッジ側で処理します。エッジサイドの処理に適した技術を見つけることが、運用を成功させるために重要です。

Ignitionソフトウェアと並行して、Moxaのコンピュータは、Pythonスクリプトを実行し、Streamline Innovationsの複雑な計算を可能にし、米国国立気象局の天気予報を取り込んで最適な動作温度を決定するなど、複雑な計算を実行することができます。これらの計算は、PLCだけでは不可能だったでしょう。Python上で動作する機械学習 (ML) とファジーロジックのアルゴリズムは、高度な制御効率と自己チューニングシステムを提供し、運用効率を高めています。温度や湿度は、硫黄の生産に大きな影響を与えます。機械学習 (ML) は温度を予測するのに役立ち、界面活性剤やpHレベルを調整して、より最適な性能を発揮できるようにします。例えば、今後6時間以内に気温が下がるようであれば、周囲温度が正常であっても、実際に装置を暖め始めることになります。Streamline Innovationsの最高技術責任者であるPeter Photosは次のように説明する。

「ITとOTの融合という点で、私たちは本当にゲームを変えました。それが、この技術をより小規模に開発できた大きな理由の一つです」とPhotos氏は付け加えます。「ITの立場からすれば、天気予報のAPIを利用することは些細な計算です。しかし、OTアプリケーションに関しては、油田という環境下でこのようなプロセスを促進するための信頼性を持った頑丈な装置がなかったのです」とも付け加えた。

課題を解決するために十分な堅牢性、計算能力、優れたアップタイム、そしてリーズナブルな価格のシステムが必要であり、それがMoxaを選択した理由です。

PETER PHOTOS
Chief Technology Officer at Streamline Innovation

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成果

- 運用成績の向上：これまでStreamlineは、いくつかのKPIに対応することができませんでした。モデル予測制御に機械学習を追加することで、それが可能になりました。
- コスト削減：75％の人件費削減と稼働率の向上が実現しました。
- データ革命により、Streamlineは画期的なH2S除去技術を発表することができました。

データを基に判断し実行することでビジネスの成長を促進する

現在、Streamline Innovationsは、OTの世界にITを取り入れた分かりやすいIT技術を用いて、Moxaの堅牢な技術を採用しています。Streamline Innovationsのアーキテクチャは、PLCからデータを収集し、有用なKPIに変換するMoxaのClass I、Div 2認定の堅牢なコンピュータを含んでいます。KPIデータは、クラウドに送信され、クラウドサーバがユーザにデータを配信します。さらに、Moxaのコンピュータは、もう一歩踏み込んでいます。携帯電話のモデムがダウンした場合、Moxaのコンピュータは、データを記録し、モデムが復旧するとすぐにクラウドに送信し、OT機器のアップタイムを最大化します。"それはシステムが自分自身を監視していることを意味し、Moxaのコンピュータを使用することで接続性の力を実証しています。" とPhotosは述べています。

さらに、Streamline Innovationsは、ローカルWi-Fiネットワークを介して展開されたPerspectiveモジュールでフルバージョンを実行することにより、Ignitionソフトウェアを拡張しました。これにより、ユーザはユニットの近くにあるどのコンピュータからでも、HMIや過去の現場データを含むユニットにアクセスすることができます。つまり、オペレータは現場に到着後すぐに、トラックに積んだノートパソコンから本体にアクセスすることができるのです。これにより、専用のHMIはほぼ不要になりました。さらに、セルラー通信モジュールにより、ユーザはどこからでも同じHMIにアクセスできます。つまり、集中制御室やオペレータの携帯電話でさえ、現場にいるのとまったく同じように見て、制御することができるのです。これにより、例えば、機器がシャットダウンした場合やアラームが作動した場合、オペレータが現場に行くことは稀になりました。彼らは、自宅やオフィスから電話機を使ってリモートでユニットを再始動させることができます。

MoxaのソリューションとIgnitionにより、Streamline Innovationsは、以下の利益を得ました。ユニットを管理するためにオンサイトで働く多くのフルタイム従業員を必要としないため、人件費を75％削減することができました。従業員による流量と化学物質添加の絶え間ない更新は、もはや必要ありません。Moxaのコンピュータが計算を行い、最大限のアップタイムを提供します。さらに、過去においてStreamline Innovationsは、温度や湿度の変化など、化学プロセス中の水の量に影響を与える可能性のあるいくつかの変数に対処することができませんでした。現在では、IgnitionとMoxaのコンピュータ上で動作するPythonスクリプトの助けを借りてモデル予測制御に機械学習が追加されたため、それが可能になりました。「私は、これをEdge of Gloryと呼んでいます。これは、データ革命です。Streamlineが革命的なH2S除去技術を披露するのに役立ちます」とPeterは付け加えます。

堅牢なデータ収集システムは、運用パフォーマンスを向上させるだけでなく、データを統合することで会社のあらゆる部門に利益をもたらします。データは、メンテナンス計画や、より効率的なユニットの設計、さらには全社的なビジネスモデルの計算にも利用されています。将来的には、完全に統合されたデータは、ビジネスの自動化に役立ち、会社のあらゆるレベルでデータに基づいた意思決定ができるようになるでしょう。

MoxaのコンピュータとIgnitionソフトウェアを活用した改良されたValkyrie™システムは、Streamline Innovationsと顧客の両方にいくつかの利点をもたらしました。これらの利点は、ソリューションのセットアップによるコスト削減だけでなく、労働力の削減、アップタイムの改善、継続的な運用改善のためのシステムからの効率的な情報収集も含まれています。Streamline Innovationsは今後、自社のソリューションチームと経験を活かしてValkyrie™ソリューションをより多くの顧客に拡大し、産業市場が直面する課題の解決を支援する予定です。

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