食品ロス削減テクノロジーナビ - 食品製造工程のロス削減を推進する設備連携・制御技術：原理、導入効果、技術的課題とソリューション

食品製造工程のロス削減を推進する設備連携・制御技術：原理、導入効果、技術的課題とソリューション

Tags: 食品ロス削減, 食品製造, 設備制御, 自動化, 歩留まり改善, インダストリー4.0

はじめに

食品製造業における食品ロス削減は、持続可能性の観点だけでなく、原材料コスト、エネルギーコスト、廃棄物処理コストの削減という経済的メリットからも極めて重要な経営課題です。製造工程における食品ロスは、原材料の投入から最終製品の完成に至るまでの様々な段階で発生し得ますが、その多くは設備の稼働状況、プロセス制御の精度、ライン間の連携不足に起因しています。

近年、インダストリー4.0やIoTの進化を背景に、食品製造ラインにおける設備連携・制御技術が高度化しています。これらの技術は、個々の設備の最適化に留まらず、ライン全体の効率向上と歩留まり改善を実現し、結果として食品ロスの大幅な削減に貢献するポテンシャルを秘めています。本稿では、食品製造工程のロス削減を推進する設備連携・制御技術について、その原理、食品ロス削減への貢献メカニズム、具体的な導入効果、そして導入における技術的課題とソリューションについて詳細に解説いたします。

食品製造工程における設備連携・制御技術の概要

食品製造ラインは、原材料の受け入れ、前処理、混合、加熱、冷却、充填、包装、検査など、多岐にわたる工程と設備で構成されています。これらの設備が個別に最適化されていても、ライン全体としてスムーズに連携し、統合的に制御されていなければ、工程間のアンバランスやボトルネックが生じ、不良品発生や過剰生産、ライン停止による品質劣化など、食品ロスの原因となり得ます。

設備連携・制御技術は、これらの個々の設備をネットワークで接続し、リアルタイムでデータを収集・共有し、それに基づいてライン全体の稼働を最適に制御する技術群を指します。主要な技術要素としては、以下のものが挙げられます。

PLC (Programmable Logic Controller): 各設備の基本的な動作やシーケンスを制御する産業用コントローラー。
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): 複数のPLCや機器からデータを収集し、ライン全体の監視・制御を行うシステム。オペレーターインターフェースを提供します。
MES (Manufacturing Execution System): 生産計画に基づき、製造の実行、進捗管理、品質管理、在庫管理、実績収集などを行う情報システム。ERPとSCADA/PLCの中間に位置します。
IoTデバイス: センサー、アクチュエーターなど、設備の稼働状況、製品の状態、環境情報（温度、湿度など）を収集・送信するデバイス。
産業用ネットワーク/通信プロトコル: 設備間で安定かつ迅速なデータ通信を行うためのネットワーク技術（Ethernet/IP, PROFINETなど）や通信規約。
データ収集・分析基盤: 収集された膨大なデータを蓄積し、分析するためのプラットフォーム。リアルタイム分析や過去データのトレンド分析に利用されます。

これらの技術が連携することで、食品製造ラインは単なる設備の集合体ではなく、インテリジェントな統合システムへと進化します。

設備連携・制御技術による食品ロス削減への貢献メカニズム

設備連携・制御技術は、多角的なアプローチで食品ロス削減に貢献します。

歩留まりの改善と不良品削減:
- リアルタイム監視とフィードバック制御: 各工程の稼働状況、製品の状態（重量、形状、温度など）をリアルタイムで監視し、異常が検出された場合は即座に該当設備のパラメータを自動調整したり、オペレーターに警告を発したりすることで、不良品の発生を未然に防ぎます。例えば、充填機の重量ばらつきをリアルタイムデータに基づいて自動補正する、オーブンの温度分布をセンサーデータに基づいて調整するなどです。
- 品質ばらつきの抑制: ライン全体でプロセスパラメータ（温度、圧力、時間、流量など）を安定的に維持・制御することで、製品の品質ばらつきを低減し、規格外品となるリスクを最小限に抑えます。
- スタートアップ・シャットダウン時のロス削減: ラインの起動・停止時や製品切り替え時に発生しやすいロス（テスト生産、調整不良によるロス）を、自動化された最適な手順とパラメータ設定により削減します。
原材料・エネルギー使用量の最適化:
- 高精度な投入量制御: 原材料の投入量や配合比率を設備間で連携し、高精度に制御することで、過剰な使用や無駄を削減します。
- 省エネ運転: ライン全体の稼働状況に応じて、各設備の運転モードを最適化し、無駄なエネルギー消費を抑制すると同時に、製品品質への影響を考慮した上で設備の停止や減速を適切に行います。
生産計画と実行の同期:
- MESとの連携: 生産計画システム（ERPなど）から受け取った計画情報をMESを介して製造ラインの制御システムに渡し、計画通りの品種・数量を、必要なタイミングで生産できるよう実行を管理します。これにより、計画外の過剰生産や、直前での計画変更による仕掛品の滞留・廃棄リスクを低減します。
- 工程間バッファの最適化: 工程間の仕掛品バッファレベルをリアルタイムで監視し、次工程の稼働状況に応じて前工程の速度を調整することで、仕掛品の滞留による品質劣化や、後工程での処理能力不足によるボトルネック発生を防ぎます。
予知保全によるダウンタイム削減:
- 設備の稼働データ（振動、温度、電流値など）を継続的に収集・分析し、故障の兆候を早期に検知する予知保全システムを構築します。これにより、計画外の設備停止（突発停止）を削減し、製造中断に伴う仕掛品の廃棄ロスや、再稼働時の調整ロスを防ぎます。

導入による具体的な効果

設備連携・制御技術の導入により、食品製造業は以下のような具体的な効果を期待できます。

食品ロス量の削減: 直接的に歩留まりが向上し、製造工程での廃棄量、特に不良品や仕掛品のロスが削減されます。具体的な削減率は製品や工程の特性によりますが、数%から二桁%の改善事例も報告されています。
生産効率の向上: ライン全体の稼働率が向上し、タクトタイムの短縮やスループットの増加が実現します。
製造コストの削減: 原材料ロス、エネルギーロス、廃棄物処理コストの削減に加え、ダウンタイム削減による生産性向上、省人化なども期待でき、総合的な製造コスト低減につながります。
品質の安定化: プロセス制御の精度向上により、製品品質のばらつきが抑制され、クレーム削減にも貢献します。
トレーサビリティ強化: 各工程でのデータが収集されるため、製品の製造履歴に関する詳細なトレーサビリティ情報が得られ、問題発生時の原因究明やリコール範囲特定が容易になります。

ある加工食品メーカーでは、古い独立した設備群をネットワークで接続し、統合的な監視・制御システムを導入した結果、製品切り替え時のロスが20%削減され、全体的な歩留まりが3%向上したという事例があります。また、別の製パン工場では、焼成工程の温度・湿度制御を連携させたことで、焦げ付きや焼きムラによるロスが15%減少し、同時にエネルギー消費も最適化されました。

導入における技術的課題とソリューション

設備連携・制御技術の導入は多くのメリットをもたらす一方で、いくつかの技術的課題も存在します。

既存設備との連携 (レガシーシステム対応):
- 課題: 多くの食品工場には、通信機能を持たない古い設備や、独自の通信プロトコルを使用する設備が混在しています。これらの既存設備を新しい連携・制御システムに組み込むことは容易ではありません。
- ソリューション:
  - I/O (Input/Output) 変換モジュールやプロトコルコンバーターを使用して、古い設備の信号を標準的なデータ形式に変換します。
  - 振動センサー、温度センサーなどの外付けIoTデバイスを取り付け、設備の稼働状態や周辺環境を間接的にモニタリングします。
  - 段階的なシステム更新計画を策定し、重要な設備から順次、通信機能を備えた最新設備への置き換えを進めます。
データ収集・標準化と統合:
- 課題: 様々なベンダーの設備やシステムから収集されるデータのフォーマットや定義が統一されておらず、そのままでは統合的な分析や制御に利用できません。
- ソリューション:
  - データ収集プラットフォームやデータレイクを構築し、多様な形式のデータを受け入れ、一元管理します。
  - ETL (Extract, Transform, Load) ツールやデータ統合ミドルウェアを使用して、収集したデータを標準的なフォーマットに変換・加工します。
  - 業界標準のデータモデル（例: ISA-95など）や、自社で共通のデータ定義を策定し、それに従ってデータを整備します。
通信セキュリティの確保:
- 課題: 製造ラインをネットワークに接続することは、サイバー攻撃のリスクを高めます。生産システムへの不正アクセスは、ライン停止やデータ漏洩、さらには製品品質への悪影響につながりかねません。
- ソリューション:
  - ファイアウォール、侵入検知システム(IDS/IPS)などのセキュリティ対策を導入し、ネットワークへの不正アクセスを防ぎます。
  - 生産ネットワーク (OTネットワーク) と社内情報ネットワーク (ITネットワーク) を物理的または論理的に分離 (セグメンテーション) し、相互の接続点を限定します。
  - 通信の暗号化、認証プロトコルの利用などにより、データ通信の安全性を確保します。
  - 定期的なセキュリティ診断と従業員へのセキュリティ教育を実施します。
システムの複雑性と運用・保守:
- 課題: 設備連携・制御システムは、多くのハードウェアとソフトウェアが複雑に連携して構成されるため、導入後の運用や保守、トラブルシューティングに高度な専門知識が必要となります。
- ソリューション:
  - システムベンダーと緊密に連携し、十分なトレーニングと技術サポートを受けます。
  - 社内に専任のシステム運用・保守担当者を配置するか、外部の専門家によるサポート体制を構築します。
  - システムのドキュメントを整備し、標準的な運用・保守手順を確立します。
  - リモート監視・診断機能を活用し、迅速なトラブル対応を可能にします。

市場動向と将来展望

食品製造工程における設備連携・制御技術は、今後も進化を続けると予測されます。特に、以下の動向が注目されます。

AI・機械学習との連携強化: 収集された大量のデータをAIや機械学習で分析し、設備の最適な制御パラメータを自動で学習・調整する、異常の兆候をより高精度に予知するなど、自律的な最適化が進むでしょう。
クラウドプラットフォームの活用: 製造現場のデータをクラウドに集約し、より高度な分析や、複数工場間でのデータ共有・比較分析が可能になります。SaaS型での提供も増え、導入ハードルが下がる可能性があります。
デジタルツインの実現: 物理的な製造ラインをデジタル空間に再現し、シミュレーションを通じてプロセスのボトルネック特定、パラメータの最適化、新製品導入時の影響評価などを行い、実際の製造にフィードバックすることで、ロス削減効果を最大化します。
オープンスタンダードの普及: ベンダー依存を低減し、異なるメーカーの設備間での連携を容易にするためのオープンな通信規格やデータモデルの普及が進むことが期待されます。

これらの技術進化により、食品製造ラインはより柔軟で、効率的かつ持続可能なシステムへと変貌を遂げるでしょう。

結論

食品製造工程における設備連携・制御技術は、単なる自動化や効率化を超え、歩留まり改善、原材料・エネルギー最適化、生産計画同期などを通じて、食品ロス削減に不可欠な役割を果たします。リアルタイム監視、データ分析、フィードバック制御、MES連携、予知保全といった技術要素を組み合わせることで、製造現場における食品ロス発生リスクを大幅に低減することが可能です。

導入にあたっては、既存設備の連携、データ統合、セキュリティ確保、運用保守といった技術的課題が存在しますが、プロトコル変換や外付けセンサーによるレガシー対応、データ標準化、IT/OTセキュリティ対策、専門家人材の育成といったソリューションにより、これらの課題を克服することができます。

サステナビリティコンサルタントの皆様にとって、食品製造クライアントへのロス削減提案において、この設備連携・制御技術は極めて重要なソリューションの柱となり得ます。単に技術を紹介するだけでなく、クライアントの既存設備の状況、生産プロセス、具体的なロス発生原因を詳細に分析し、最適な技術構成と導入計画を提案することが求められます。将来的にAIやデジタルツインとの連携が進むことで、そのポテンシャルはさらに高まるでしょう。食品製造現場のデータ駆動型・統合制御への変革を支援することが、食品ロス削減というグローバルな課題解決に大きく貢献することに繋がります。