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シリアル通信・Modbus通信（RS-232C／RS-422／RS-485／Modbus）
(シリアルつうしん・Modbusつうしん（RS-232C／RS-422／RS-485／Modbus）)
RS232Cケーブル
シリアル通信・Modbus通信は、PLC、計量コントローラ、センサ、インバータ、表示器、パソコンなどの産業機器間でデータを送受信するために広く利用されている通信技術です。RS-232C、RS-422、RS-485は主に電気的な信号方式や配線方法を定めた規格であり、Modbusは機器間でどのようなデータを、どの形式でやり取りするかを定めた通信プロトコルです。
RS-232C、RS-422、RS-485は同じシリアル通信に分類されますが、接続できる機器数、通信距離、耐ノイズ性、配線方法などが異なります。一般的な通信距離の目安は、RS-232Cが約15m以下、RS-422およびRS-485が条件によって最大約1,200mです。ただし、実際に通信できる距離は、通信速度、ケーブルの種類、配線方法、接続台数、周囲のノイズ環境などによって変わります。
シリアル通信の仕組み
シリアル通信は、データを構成するビットを通信線上へ順番に送り、相手機器で受信・復元する方式です。通信を成立させるためには、通信速度、データ長、パリティ、ストップビットなどの条件を送信側と受信側で一致させます。
同じRS-485対応機器であっても、通信条件やデータ形式が異なれば、そのままでは通信できません。RS-232C、RS-422、RS-485が主に信号の電気的条件を定めるのに対し、実際に送受信する命令やデータの並び方は、各機器固有のプロトコルやModbusなどによって定められます。
RS-232C・RS-422・RS-485の違い
RS-232C
RS-232Cは、一般的に1台の送信側と1台の受信側を接続する1対1通信で使用されます。信号線と基準となる接地線との電位差で信号を伝える方式で、パソコン、計量機器、バーコードリーダー、プリンターなどの接続に利用されてきました。
通信距離は約15m以下が一般的な目安です。ただし、通信速度を低くし、適切なケーブルを使用した場合には、それ以上の距離で通信できることもあります。一方、動力線やインバータの近くなどノイズの多い環境では、短い距離でも通信が不安定になる場合があります。
RS-422
RS-422は、2本の信号線の電位差でデータを伝える差動伝送方式です。外部から2本の線へ同じように加わるノイズの影響を抑えやすく、RS-232Cより長距離の通信に適しています。
通信距離は、低速通信で最大約1,200mが一般的な目安です。ただし、通信速度を上げるほど通信可能な距離は短くなり、例えば数Mbps以上の高速通信では数十m程度まで短くなる場合があります。主に1台の送信機から1台または複数台の受信機へ送信する構成で使用され、送信線と受信線を分けた全二重通信にも対応できます。
RS-485
RS-485も差動伝送方式を採用しており、耐ノイズ性が比較的高く、長距離通信や複数機器の接続に適しています。1本の通信系統に複数の機器を接続するマルチドロップ構成を作れるため、PLCと複数台の計量器、インバータ、温調器、センサなどを接続する用途で広く使われています。
通信距離は、低速通信で最大約1,200mが一般的な目安です。ただし、通信速度、接続台数、ケーブル特性、分岐配線の長さなどによって通信可能な距離は短くなります。設備内でよく使用される9,600bpsや19,200bpsなどの比較的低い通信速度では、数百m規模の通信に利用されることがあります。
2線式では送信と受信を同じ通信線で切り替える半二重通信、4線式では送信線と受信線を分ける全二重通信が可能です。実際には2線式が多く、複数の機器が同時に送信しないよう、PLCやパソコンなどの上位機器が各機器へ順番に問い合わせる方式が一般的です。
通信距離の目安
通信方式ごとの一般的な距離と用途の目安は、次のとおりです。
- RS-232C：約15m以下を目安とする1対1の短距離通信
- RS-422：低速時は最大約1,200mを目安とする長距離通信
- RS-485：低速時は最大約1,200mを目安とする長距離・複数台通信
RS-422やRS-485では、通信速度が高くなるほど通信距離を短くする必要があります。例えば、100kbps程度では数百m、1Mbps程度では100m前後、10Mbps程度では十数mが一つの目安になります。ただし、これらは規格上や一般的な設計上の参考値であり、機器メーカーが保証する距離とは限りません。
実際の設備では、接続する各機器の仕様書に記載された最大通信距離を優先し、ケーブルの種類、終端抵抗、分岐方法、接地、ノイズ対策を含めて検討します。長距離通信やノイズの多い環境では、通信速度を下げる、通信中継器を使用する、光通信やEthernetへ変換するなどの対策もあります。
Modbus通信とは
Modbusは、産業機器間でデータを送受信するための通信プロトコルです。機器内のデータをコイル、入力、保持レジスタなどの領域に割り当て、指定したアドレスから値を読み書きします。
シリアル通信で使用されるModbus RTUやModbus ASCIIでは、主にRS-485やRS-232Cを通信線として利用します。一方、Ethernet上で通信する方式はModbus TCPと呼ばれます。Modbusという名称が同じでも、シリアル通信とEthernet通信では配線や通信設定が異なります。
Modbusに対応した機器同士であっても、どのアドレスにどのデータが格納されているか、数値が整数か小数か、複数レジスタの並び順がどうなっているかなどは、機器ごとの仕様書で確認する必要があります。異なるメーカー間でも接続しやすい規格ですが、接続するだけで自動的にすべてのデータを認識できるわけではありません。
主な用途と使用される工程
シリアル通信やModbus通信は、工場設備や計量システムにおける機器間連携に利用されます。代表的な用途には、次のようなものがあります。
- PLCと計量コントローラ間の重量値・計量状態の通信
- PLCとインバータ間の運転指令・周波数・警報情報の通信
- 温調器やセンサからの測定値収集
- タッチパネルやパソコンへの設備状態表示
- プリンター、バーコードリーダー、表示器などとの接続
- 複数機器の運転実績や異常情報の収集
計量設備では、重量値、安定信号、ゼロ点状態、計量完了、エラー情報などをPLCへ取り込み、供給機やゲートの動作と連動させます。上位システムへ計量結果を送信し、製造実績やトレーサビリティ情報として保存することもあります。
設計・制御上のポイント
通信条件と機器仕様の確認
通信速度、データ長、パリティ、ストップビット、局番などの条件を接続機器間で一致させます。Modbus通信では、使用するファンクションコード、レジスタアドレス、データ型、数値の倍率、バイト順なども確認します。
通信距離を検討する際は、規格上の最大値だけで判断せず、接続する機器ごとの仕様を確認します。一方の機器が長距離通信に対応していても、もう一方の機器や通信変換器の仕様によって距離が制限される場合があります。
配線とノイズ対策
RS-422やRS-485では、一般的にツイストペアケーブルを使用します。動力線やインバータ出力線と通信線を近接して配線すると、通信異常の原因になることがあります。配線経路の分離、シールド処理、接地方法などを設備環境に合わせて検討します。
RS-485では、通信線の両端に終端抵抗を設ける場合があります。また、通信していないときの信号状態を安定させるために、バイアス抵抗が必要になることもあります。終端抵抗やバイアス抵抗が機器に内蔵されている場合もあるため、取扱説明書を確認して設定します。
複数機器を接続する場合は、幹線から長い分岐を設けるスター配線を避け、機器を順番につなぐデイジーチェーン配線を基本とします。長い分岐や不適切な終端処理は、信号反射による通信異常の原因になります。
通信異常時の処理
通信は、断線、機器の電源停止、ノイズ、通信条件の不一致などによって途絶える可能性があります。PLCでは、一定時間応答がない場合のタイムアウト、再送回数、通信異常警報、設備停止の条件などを設定します。
通信が一時的に途絶えた場合に直ちに設備を停止するのか、一定回数再試行するのかは、取得するデータの重要度や安全性によって判断します。計量値や運転許可信号など、設備動作に直接関係するデータについては、通信異常時の安全側動作をあらかじめ定めることが重要です。
通信周期と接続台数
複数機器をRS-485で接続する場合は、PLCなどの上位機器が各機器へ順番に問い合わせます。接続台数や取得するデータ量が増えるほど、一巡するまでの時間が長くなるため、必要な更新周期を満たせるか確認する必要があります。
通信速度を上げると更新周期を短くできますが、通信可能な距離が短くなり、ノイズの影響も受けやすくなる傾向があります。高速な応答が必要な制御信号と、数秒ごとの取得でも問題のない実績データを整理し、適切な通信速度と通信周期を設定します。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、RS-232C、RS-422、RS-485、Modbusを利用した機器接続やシステム構築に対応しています。PLC、計量コントローラ、インバータ、温調器、センサ、表示器、パソコンなど、接続対象機器の通信仕様を確認し、配線構成、通信距離、接続台数、必要な更新周期に応じて通信方式を検討します。
制御盤の設計、通信変換器や絶縁機器、中継器の選定、PLC通信プログラム、タッチパネル画面、通信異常時のインターロックまで、設備全体に合わせて設計します。取得した重量値、運転状態、警報、計量実績などを保存し、生産管理システムや配合管理システムなどの上位システムへ連携する構成も検討できます。
既設設備の更新では、現在使用している通信方式、通信速度、配線距離、接続台数、通信データの内容を確認します。旧機器と新機器で通信仕様が異なる場合は、通信変換器の使用やPLCプログラムの変更を含めて更新方法を整理します。
よくある質問
Q. RS-232C、RS-422、RS-485の通信距離はどの程度ですか？
A. 一般的な目安として、RS-232Cは約15m以下、RS-422とRS-485は低速通信で最大約1,200mです。ただし、通信速度を上げるほど通信可能な距離は短くなります。実際には、接続機器の仕様、ケーブル、接続台数、配線方法、ノイズ環境を確認して決定します。
Q. RS-485対応機器同士なら必ず通信できますか？
A. RS-485は主に電気的な信号方式を定めた規格であり、送受信するデータ形式までは統一していません。通信速度などの条件に加え、通信プロトコルやデータ内容が一致している必要があります。
Q. Modbus対応機器なら異なるメーカー同士でも接続できますか？
A. 接続できる可能性は高いですが、使用するModbusの種類、通信条件、局番、ファンクションコード、レジスタアドレス、データ型などを合わせる必要があります。両方の機器の通信仕様書を確認して設定します。
Q. Modbus RTUとModbus TCPの違いは何ですか？
A. Modbus RTUは主にRS-485などのシリアル通信を利用し、Modbus TCPはEthernetとTCP/IPを利用します。通信するデータの考え方には共通点がありますが、配線、通信設定、機器構成は異なります。
Q. 通信が不安定になる主な原因は何ですか？
A. 通信条件の不一致、信号線の極性間違い、終端抵抗の設定不良、動力線からのノイズ、接地やシールド処理の不適合、スター配線、接続台数や配線距離の超過などが考えられます。通信ログやエラー内容を確認し、配線と設定の両面から点検します。
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