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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通信とは、PLC、計量コントローラ、センサ、インバーター、表示器、パソコンなどの産業機器間で、測定値や運転指令、異常情報を送受信するための通信技術です。
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す。一方、Modbusは、どの機器が、どのアドレスのデータを、どの形式で読み書きするかを定めた通信プロトコルです。
ハカルプラスでは、接続機器の仕様、通信距離、接続台数、必要な更新周期を確認し、制御盤、PLCプログラム、通信変換器、異常監視、上位システム連携まで含めて通信システムを構築します。
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、相手機器で受信して元の数値や文字列へ復元する方式です。
通信を成立させるには、送信側と受信側で、次の条件を一致させる必要があります。
- 通信速度
- データ長
- パリティ
- ストップビット
- 局番・機器アドレス
- 通信プロトコル
例えば、同じRS-485対応機器であっても、一方がModbus RTU、もう一方がメーカー独自プロトコルの場合は、そのままでは通信できません。
通信速度とデータ伝送時間
通信速度はbpsで表し、1秒間に送信できるビット数を示します。9,600bpsであれば、理論上は1秒間に9,600ビットを送信できます。
1文字を、スタートビット1、データ8ビット、パリティなし、ストップビット1で送る場合、1文字当たり10ビットが必要です。
1文字の送信時間tは、通信速度をB、1文字当たりのビット数をnとすると、概略的に次の式で求められます。
t＝n÷B
9,600bpsで10ビットを送る場合は、約1.04msです。ただし、実際の通信時間には、要求電文、応答電文、機器の処理時間、通信間隔も含まれます。
RS-232C
RS-232Cは、一般的に1台対1台の短距離通信に使用されます。信号線と基準線との電位差で情報を伝える方式で、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、ケーブル、ノイズ環境によって実用距離は変わります。
機器によってコネクタ形状や信号の割り当てが異なるため、送信線と受信線の接続、ストレート・クロス結線、信号グラウンドを確認します。
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。2本の線へ同じように加わるノイズを受信側で打ち消しやすく、RS-232Cより長距離の通信に適しています。
低速通信では最大約1,200mが一般的な目安ですが、通信速度が高くなるほど通信可能距離は短くなります。
送信線と受信線を分けた4線式では、送信と受信を同時に行う全二重通信を構成できます。
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台の機器を接続できるため、PLCと複数台の計量コントローラ、インバーター、温調器、センサなどを接続する用途で広く使用されます。
2線式では送信と受信に同じ通信線を使用する半二重通信、4線式では送信線と受信線を分ける全二重通信を構成できます。産業設備では2線式が多く、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。
RS-232C・RS-422・RS-485の使い分け
- RS-232C：1対1で接続する短距離通信
- RS-422：差動伝送を利用した長距離通信
- RS-485：長距離かつ複数台を接続する通信
一般的な距離の目安は、RS-232Cが約15m以下、RS-422とRS-485が低速時に最大約1,200mです。
ただし、規格上の最大距離だけで方式を選ぶのではなく、接続機器の仕様、通信速度、ケーブル、接続台数、分岐、周囲のノイズ環境を確認します。
Modbus通信の仕組み
Modbusは、産業機器のデータを、コイル、入力、入力レジスタ、保持レジスタなどの領域へ割り当てて読み書きする通信プロトコルです。
上位機器が要求電文を送信し、指定された下位機器が応答する構成が基本です。要求には、対象局番、ファンクションコード、開始アドレス、データ数などが含まれます。
代表的なデータ領域には、次のものがあります。
- コイル：ON・OFFの読み書き
- 入力：ON・OFF状態の読み取り
- 入力レジスタ：測定値などの読み取り
- 保持レジスタ：設定値などの読み書き
Modbus RTU・ASCII・TCPの違い
Modbus RTU
主にRS-485やRS-232C上で使用され、データをバイナリ形式で送信します。Modbus ASCIIと比べて電文が短く、産業設備で広く使用されています。
Modbus ASCII
データをASCII文字で表して送信します。電文を文字として確認しやすい一方、RTUより電文が長くなります。
Modbus TCP
EthernetとTCP/IP上でModbusのデータを送受信する方式です。IPアドレスを使用して接続し、シリアル通信とは配線や通信設定が異なります。
レジスタとデータ形式の確認
Modbus対応機器同士であっても、接続するだけで自動的にすべてのデータを共有できるわけではありません。
機器ごとの通信仕様書で、次の内容を確認します。
- レジスタアドレス
- 読取り・書込みの可否
- 整数・符号付き整数・浮動小数点などのデータ型
- 小数点位置や倍率
- 複数レジスタの並び順
- ファンクションコード
例えば、実際の重量が123.4kgでも、通信上は「1234」という整数として格納され、受信側で0.1を掛けて使用する場合があります。
32ビットデータを2つの16ビットレジスタへ分割する機器では、上位・下位ワードやバイトの並び順も確認が必要です。
RS-485の配線
RS-485では、ツイストペアケーブルを使用し、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。
幹線から長い分岐を設けるスター配線は、信号反射や波形の乱れを生じさせ、通信異常の原因になる場合があります。
- 通信線の極性を統一する
- 長い分岐配線を避ける
- 動力線やインバーター出力線と分離する
- シールドと接地方法を統一する
- 通信線の両端に必要な終端処理を行う
機器メーカーによって、端子名がA・B、＋・－、DA・DBなど異なる場合があります。名称だけで判断せず、信号極性を仕様書で確認します。
終端抵抗とバイアス抵抗
RS-422やRS-485では、通信線の端部で信号が反射することを抑えるため、配線の両端へ終端抵抗を設ける場合があります。
終端抵抗を途中の機器へ多数取り付けると、通信線への負荷が大きくなり、信号電圧が低下することがあります。原則として、通信幹線の両端に設けます。
通信していないときの信号状態を安定させるため、バイアス抵抗を使用する場合もあります。終端抵抗やバイアス抵抗が機器に内蔵されていることもあるため、重複設定に注意します。
通信周期と接続台数
RS-485で複数機器を接続する場合、上位機器が各局へ順番に問い合わせます。接続台数や取得データ数が増えると、全機器の情報を更新するまでの時間が長くなります。
1台当たりの通信時間をt、接続台数をnとすると、1巡に必要な時間Tは、概略的に次のように考えられます。
T≒t×n
実際には、応答待ち時間、通信間隔、再送処理も加わります。重量値や速度指令のように速い更新が必要なデータと、実績や設定値のように更新頻度が低くてもよいデータを分けて設計します。
通信異常時の処理
通信は、断線、ノイズ、機器の電源停止、設定不一致などによって途絶える可能性があります。
- 応答待ち時間のタイムアウト
- 一定回数の再送
- 通信異常警報の表示
- 最終受信値の無効化
- 設備の停止または安全側動作
通信が復旧しても、直ちに自動運転を再開すると危険な場合があります。現在値、運転状態、機器異常を再確認し、設備ごとに復旧条件を定めます。
計量値や運転許可信号など、設備動作へ直接関係する情報は、通信異常時に過去の受信値を使い続けない設計が重要です。
計量設備での利用
計量設備では、計量コントローラからPLCへ、重量値、安定状態、ゼロ点状態、計量完了、異常コードなどを送信します。
PLCは受信した情報をもとに、スクリューフィーダー、供給ゲート、排出ゲートなどを制御します。
計量結果を管理用パソコンへ送信し、製造実績、配合実績、ロット情報として保存することもできます。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、RS-232C、RS-422、RS-485、Modbusを使用した機器接続に対応しています。
PLC、計量コントローラ、インバーター、温調器、センサ、表示器、パソコンなどの通信仕様を確認し、配線距離、接続台数、更新周期に適した構成を設計します。
制御盤、絶縁型通信変換器、中継器、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一体で対応します。
取得した重量値、運転状態、異常履歴、計量実績を保存し、生産管理システムや基幹システムへ連携する構成も検討できます。
よくある質問
Q. RS-485対応機器同士で通信できない原因は何ですか？
A. 通信速度、パリティ、局番、プロトコル、信号極性などの不一致が考えられます。RS-485は電気的な方式であり、通信内容まで統一する規格ではありません。
Q. Modbusの値が想定と大きく異なるのはなぜですか？
A. レジスタアドレスのずれ、小数点倍率、符号、データ型、ワードやバイトの並び順が一致していない可能性があります。
Q. 通信が時々途切れる場合はどこを確認しますか？
A. 終端抵抗、分岐配線、接地、シールド、動力線との離隔、通信速度、応答待ち時間を確認します。特定機器の接続時だけ発生する場合は、その機器や配線区間も切り分けます。
Q. 通信異常後に自動で再接続できますか？
A. 再送や再接続は可能です。ただし、設備の状態や受信データの有効性を確認し、安全条件が成立してから運転を再開します。
Q. 既設のRS-232C機器をRS-485へ接続できますか？
A. 通信変換器を使用できる場合があります。ただし、電気的な変換だけで対応できるか、通信プロトコルの変換も必要かを確認します。
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