Technology
ネットワーク通信基盤技術（TCP/IP／UDP/IP／PPP／Ethernet）
(ネットワークつうしんきばんぎじゅつ)
通信プロトコル開発
ネットワーク通信基盤技術とは、パソコン、PLC、タッチパネル、産業用端末、組み込み機器、サーバーなどを接続し、データを送受信するための基礎技術です。TCP、UDP、IP、PPP、Ethernetは、それぞれ異なる役割を持つ通信プロトコルまたは通信規格であり、複数を組み合わせることでネットワーク通信を実現します。
例えば、有線LANではEthernetを使って機器を物理的に接続し、IPアドレスによって通信相手を識別します。その上で、欠落させたくないデータにはTCP、短い周期で繰り返し送るデータにはUDPを使用するなど、用途に応じて通信方式を選びます。安定したシステムを構築するには、各技術の役割だけでなく、通信断や電源断が発生した際の処理まで設計することが重要です。
ネットワーク通信を構成する階層
ネットワーク通信は、1つの規格だけで完結するものではありません。ケーブルや電気信号を扱う部分、同一ネットワーク内でデータを運ぶ部分、ネットワークを越えて宛先へ届ける部分、アプリケーション間でデータを受け渡す部分など、役割を分けて構成されます。
Ethernetは主に有線LANの配線、信号、フレーム転送を担い、IPは通信相手の宛先を管理します。TCPとUDPはIPの上でアプリケーション間のデータ転送を行います。さらに、その上位ではHTTP、FTP、Modbus TCPなどのアプリケーションプロトコルが使用されます。
このように、同じEthernetケーブルで接続していても、IPアドレス、TCPまたはUDP、ポート番号、データ形式が一致していなければ通信できません。
IPの役割
IPは「Internet Protocol」の略で、ネットワーク上の機器へデータを届けるための宛先管理を行います。各機器にはIPアドレスを設定し、送信元と送信先を識別します。
IPアドレスだけで通信できる範囲は、サブネットマスクによって決まります。異なるネットワークへ通信する場合は、ルーターやデフォルトゲートウェイを経由します。設備内で使用する場合でも、社内LANや上位システムへ接続する際には、ネットワーク管理部門とアドレス体系を調整する必要があります。
IP自体には、データが確実に届いたことを保証する機能はありません。到達確認や再送が必要な場合はTCPを使用し、簡潔な送信を優先する場合はUDPを使用します。
TCP/IPとは
TCP/IPは、インターネットや社内LAN、工場内ネットワークで広く使用される通信技術の総称です。IPがデータを宛先へ運び、TCPがデータの到達確認、再送、順序管理を行います。
TCPでは、通信開始前に送信側と受信側で接続を確立します。送信したデータが欠落した場合は再送し、到着順序が入れ替わった場合は正しい順番へ並べ直します。そのため、計量実績、製造指示、設定値、ファイルなど、欠落や順序違いを避けたいデータに適しています。
ただし、TCPを使用すれば必ず通信できるわけではありません。相手機器の停止、ケーブル断、スイッチングハブの故障などが発生すると接続できないため、ソフトウェア側で接続タイムアウト、再接続、未送信データの保持などを設けます。
UDP/IPとは
UDP/IPは、IPを利用してデータを送信しますが、通信前の接続確立、到達確認、再送、順序制御をUDP自体では行いません。送信側はデータを送り出しますが、受信側へ届いたかは確認しません。
処理が比較的簡潔で、確認応答を待たずに送信できるため、短い周期で繰り返す状態通知、同じ情報を複数機器へ送る配信、多少の欠落より遅延の少なさを優先する用途などに使用されます。
欠落が問題になる場合は、アプリケーション側で通番、応答確認、タイムアウト、再送処理を追加します。UDPを使用すれば常に高速になるわけではなく、ネットワーク負荷、受信側の処理能力、データ量などによって応答性は変わります。
PPPとは
PPPは「Point-to-Point Protocol」の略で、2つの通信機器を1対1で接続するためのプロトコルです。通信条件の調整、認証、IPアドレスに関する設定などの機能を持ちます。
以前はモデムを用いた電話回線のダイヤルアップ接続で広く使用されました。現在でも、Ethernet上でPPPを利用するPPPoE、一部の通信モジュール、モバイル回線対応の組み込み機器などで関連技術が用いられます。
PPPは多数の機器を接続するLAN規格ではなく、基本的には2点間の通信路を確立するための技術です。設備へ採用する場合は、接続、認証、切断、回線断後の再接続方法まで検討します。
Ethernetとは
Ethernetは、パソコン、PLC、タッチパネル、産業用機器などを有線LANへ接続するための通信規格です。ケーブル、コネクタ、電気信号、通信速度、フレームと呼ばれるデータ単位などを定めています。
一般にはLANケーブルとスイッチングハブを使用し、複数の機器を接続します。通信速度には100Mbps、1Gbpsなどがあり、機器、ケーブル、スイッチングハブが同じ規格へ対応している必要があります。
産業設備では、制御盤内のノイズ、ケーブル長、配線経路、コネクタの固定、周囲温度なども通信品質に影響します。動力線と通信線を近接させる場合は、配線分離やシールド、接地方法を検討します。
通信量と応答時間の考え方
データ量をD、通信速度をRとすると、データを伝送するための理論時間tは次の式で概算できます。
t＝D÷R
例えば、1MBのデータを100Mbpsで送る場合、1MBを約8Mbitとすると、理論上の伝送時間は約0.08秒です。
ただし、実際にはTCPやEthernetの制御情報、再送、ネットワーク機器の処理、受信側ソフトウェアの待ち時間が加わります。設備制御では理論速度だけでなく、通信周期、応答時間のばらつき、同時通信台数を確認します。
主な用途
- PLCとタッチパネル、パソコン、計量機器の接続
- 計量値、運転状態、警報、製造実績の収集
- 生産管理システムや基幹システムとの連携
- 組み込み機器とサーバー間の通信
- 設備の遠隔監視や保守支援
- ネットワークカメラやセンサデータの送信
計量・配合設備では、上位システムから品種、配合、目標重量を受信し、製造完了後に実績を返す構成があります。制御に必要なデータと、履歴保存用のデータでは重要度や周期が異なるため、用途に応じて通信経路や方式を分けることがあります。
設計・制御上のポイント
IPアドレスとポート番号の管理
同じネットワーク内でIPアドレスが重複すると、通信先が不安定になったり、別の機器へ接続したりする可能性があります。IPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイ、ポート番号を一覧化し、設備増設や機器交換時にも管理します。
通信異常時の安全側動作
通信が途絶えた場合に、前回受信した値を使い続けると危険なことがあります。運転許可、目標重量、搬送先など、設備動作に関係する情報が更新されない場合は、一定時間後に無効として扱い、安全側へ停止させます。
通信復旧後も、無条件に自動運転へ戻さず、データの整合性や設備状態を確認してから復帰させる構成を検討します。
通信周期とネットワーク負荷
短い周期で大量のデータを送ると、PLC、タッチパネル、スイッチングハブなどの負荷が増えます。高速更新が必要な制御データと、数秒または数分ごとでよい実績データを分け、適切な周期を設定します。
画像や大容量ファイルと設備制御通信を同じネットワークへ集中させると、応答時間が変動する場合があります。必要に応じてVLANや物理的なネットワーク分離を検討します。
データ欠落と再送
上位システムやサーバーが停止している間も製造を継続する場合は、PLC、タッチパネル、組み込み機器などへ未送信データを一時保存します。通信復旧後に再送し、製造番号や連番によって二重登録を防止します。
セキュリティ対策
工場内ネットワークを社内LANやインターネットへ接続する場合は、ネットワーク分離、ファイアウォール、接続先制限、利用者認証、アクセス履歴、ソフトウェア更新などを検討します。
遠隔保守では、常時無制限に設備へ接続できる構成を避け、必要な時間だけ接続を許可する方法や、操作権限を分ける方法があります。
異常監視・復旧・保守
主な異常には、通信タイムアウト、接続切断、IPアドレス重複、通信データ異常、スイッチングハブ故障、ケーブル断などがあります。タッチパネルには、通信相手、異常発生時刻、最終受信時刻などを表示すると、原因を特定しやすくなります。
通信異常の調査では、電源、リンクランプ、ケーブル、IP設定、ポート番号、ファイアウォール、アプリケーションの順に確認します。機器交換時には、IPアドレスだけでなく、通信方式、データ形式、バイト順、文字コードなどの互換性も確認します。
定期的にネットワーク構成図、アドレス一覧、通信仕様書、機器設定のバックアップを更新しておくと、故障時や設備更新時の復旧を行いやすくなります。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、TCP/IP、UDP/IP、PPP、Ethernetを利用する製品やシステムについて、接続対象、通信データ、更新周期、異常時動作を確認し、ネットワーク構成を検討します。
制御盤内のスイッチングハブや通信機器の選定、IPアドレス設計、PLC通信プログラム、タッチパネル画面、組み込みソフト、通信異常時のインターロックまで、設備全体に合わせて構成します。
計量値、製造指示、警報、運転状態、実績データなどをパソコンやサーバーへ保存し、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します。通信断時の一時保存、再送、重複防止、電源断後の復旧処理まで含めて設計します。
既設設備のネットワーク化では、現在のシリアル通信、PLC、配線、データ形式、セキュリティ条件を確認し、通信変換器の利用や段階的な更新を検討します。
よくある質問
Q. TCP通信が切断された後は自動で再接続できますか？
A. ソフトウェアに再接続処理を設ければ可能です。ただし、短時間に再接続を繰り返さないよう待ち時間を設定し、復旧後にデータの整合性を確認する必要があります。
Q. UDPでデータが欠落したことを検出できますか？
A. UDP自体には欠落検出機能がありませんが、データへ連番を付けることで抜けを検出できます。必要に応じてアプリケーション側で応答確認や再送を行います。
Q. LANケーブルを交換しても通信しない場合は何を確認しますか？
A. 機器の電源、リンク状態、IPアドレス、サブネットマスク、ポート番号、通信プロトコル、ファイアウォール設定などを確認します。ケーブル以外の設定不良が原因の場合もあります。
Q. 既設のRS-232CやRS-485機器をEthernet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、電気信号を変換するだけでなく、通信速度、データ形式、プロトコル、応答時間が既設機器と合うかを確認します。
Q. PLCや通信機器を更新しても既存システムと接続できますか？
A. 新旧機器で通信プロトコル、アドレス、データ長、バイト順、文字コードなどが一致すれば接続できる場合があります。更新前に通信仕様と既存プログラムを確認し、必要に応じて変換処理を追加します。
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