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、産業用端末、組込み機器、サーバーなどをネットワークへ接続し、データを送受信するための基礎となる通信技術です。TCP、UDP、IP、PPP、Ethernetは、それぞれ役割の異なる通信プロトコルまたは通信規格であり、複数の技術を組み合わせて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によって通信相手を識別します。その上で、データを確実に届けたい場合はTCP、遅延を抑えて簡潔に送りたい場合はUDPを使用します。これらの違いを理解し、用途に適した通信方式を選ぶことが、安定したシステム構築につながります。
ネットワーク通信を構成する技術
ネットワーク通信では、1つの規格だけで通信が完結するわけではありません。ケーブルや信号方式、ネットワーク内での宛先指定、データの送信手順、アプリケーション間のデータ形式など、複数の階層に分けて役割を担います。
Ethernetは主に有線LANにおける信号方式やフレームの送受信を定め、IPはネットワークを越えてデータを届けるための宛先管理を行います。TCPとUDPは、IPの上でアプリケーション間のデータ転送を担当します。PPPは、2つの通信機器を結ぶポイント・ツー・ポイント接続で使用される通信プロトコルです。
TCP/IPとは
TCP/IPは、インターネットや社内LANなどで広く使用されている通信技術の総称です。厳密には、IPがデータを通信相手まで届ける役割を担い、TCPが送信したデータの順序や到達を確認する役割を担います。
TCPでは、通信開始時に相手との接続を確立し、データが正しく届いたかを確認しながら送信します。データが失われた場合には再送し、送信順序が入れ替わった場合には正しい順番へ並べ直します。そのため、設定値、計量実績、帳票データ、ファイルなど、欠落させたくない情報の送受信に適しています。
一方で、接続管理や到達確認を行うため、UDPと比べると通信処理やデータ量が増えます。また、TCPを使用していても、接続先の機器停止やケーブル断などは発生するため、アプリケーション側でもタイムアウトや再接続処理を設ける必要があります。
UDP/IPとは
UDP/IPは、IPを利用してデータを送信する点ではTCP/IPと共通していますが、通信相手との接続確立や、到達確認、再送、順序制御をプロトコル上では行いません。送信側はデータを送り出しますが、相手に届いたかどうかをUDP自体では確認しません。
通信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、低遅延が求められる通信、短い周期で繰り返し送るデータ、同じ情報を複数の機器へ配信する用途などに使用されます。
ただし、データの欠落や順序の入れ替わりが問題になる場合は、アプリケーション側で応答確認、通番管理、再送、タイムアウトなどの処理を設けます。UDPだから常に高速になるとは限らず、ネットワーク環境やアプリケーションの処理方法も通信性能に影響します。
PPPとは
PPPは「Point-to-Point Protocol」の略で、2つの通信機器を1対1で接続し、データ通信を行うためのプロトコルです。通信相手の認証、通信条件の調整、IPアドレスなどのネットワーク設定に関する機能を備えています。
かつてはモデムを用いた電話回線による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や、一部の通信モジュール、組込み機器などで関連技術が使用されています。
PPPはEthernetのようなLAN全体を構成する規格ではなく、基本的には2点間の通信路を確立するための技術です。使用する通信回線や機器の仕様に応じて、接続、認証、切断、再接続などを制御します。
Ethernetとは
Ethernetは、パソコンやPLC、タッチパネル、産業用機器などを有線LANへ接続するために広く使用されている通信規格です。通信ケーブル、コネクタ、電気信号、通信速度、データを送る単位であるフレームなどに関する仕様を定めています。
一般的にはLANケーブルとスイッチングハブを使用し、複数の機器をネットワークへ接続します。通信速度には100Mbps、1Gbpsなどがあり、使用する機器、ケーブル、スイッチングハブが対応する規格に合わせて構成します。
Ethernetに対応しているだけでは、接続した機器同士が必ずデータを交換できるわけではありません。IPアドレス、通信ポート、TCPまたはUDP、アプリケーションプロトコル、送受信するデータ形式などを一致させる必要があります。
主な用途
TCP/IP、UDP/IP、PPP、Ethernetは、設備内通信から遠隔監視、上位システム連携まで幅広く使用されます。代表的な用途には、次のようなものがあります。
- PLCとタッチパネル、パソコン、産業用端末の接続
- 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データ連携
- 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情報の送信
- 組込み機器とクラウド・サーバー間の通信
計量・生産設備では、PLCからパソコンへ計量結果を送信したり、上位システムから品種、配合、目標重量などの製造指示を受信したりします。通信するデータの重要度、容量、更新周期に応じてTCPとUDPを使い分けます。
設計・制御上のポイント
IPアドレスと通信ポートの管理
ネットワーク上の機器には、通信相手を識別するIPアドレスを設定します。同じネットワーク内でIPアドレスが重複すると、通信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。
TCPやUDPでは、機器内の通信先を識別するためにポート番号も使用します。接続先のIPアドレス、ポート番号、通信方式を仕様書として整理し、設備増設時にも重複しないよう管理します。
通信異常時の処理
ケーブル断、機器の電源停止、スイッチングハブの故障、設定不良などにより、通信が途絶えることがあります。PLCや組込みソフトでは、タイムアウト、再送、再接続、通信異常警報などを設けます。
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が受信できない場合は、前回値を使い続けず、安全側へ停止させるなどの処理が必要です。通信が復旧した際に、自動復帰するのか、作業者の確認を求めるのかもあらかじめ決めます。
通信周期とデータ量
短い周期で大量のデータを送ると、PLC、タッチパネル、ネットワーク機器などの処理負荷が増えます。高速な更新が必要な運転データと、数秒または数分ごとの更新でよい実績データを分け、適切な通信周期を設定します。
画像や大容量ファイルの通信と、設備制御に使用する通信が同じネットワークへ集中すると、応答時間が変動する場合があります。必要に応じてネットワークを分割し、設備制御への影響を抑えます。
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、外部からの不正接続やマルウェアへの対策が必要です。ネットワークの分離、ファイアウォール、接続先の制限、利用者認証、ソフトウェア更新などを運用に合わせて検討します。
遠隔監視や保守を行う場合も、設備へ直接無制限に接続できる構成を避け、許可された通信だけを通す仕組みを設けることが重要です。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、TCP/IP、UDP/IP、PPP、Ethernetを利用した製品やシステムの開発に対応しています。PLC、タッチパネル、計量コントローラ、パソコン、組込み機器など、接続対象の仕様を確認し、通信方式やネットワーク構成を検討します。
制御盤内のEthernet機器やスイッチングハブの選定、IPアドレスの設計、PLC通信プログラム、組込みソフト、通信異常時のインターロック、タッチパネルへの通信状態表示まで、設備全体に合わせて設計します。
また、計量値、運転情報、警報、製造実績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にも対応します。既設設備のネットワーク化では、現在の通信方式、配線、使用機器、データ形式、セキュリティ条件を確認し、通信変換器の利用を含めて更新方法を検討します。
よくある質問
Q. TCPとUDPはどのように使い分けますか？
A. データの欠落を避け、順序どおり確実に送信したい場合はTCPが適しています。到達確認よりも応答性や処理の簡潔さを重視する場合はUDPが使われます。実際には、データの重要度、更新周期、通信相手の仕様に合わせて選定します。
Q. Ethernetケーブルで接続すれば機器同士は通信できますか？
A. ケーブルを接続するだけでは通信できません。IPアドレス、通信ポート、TCPまたはUDP、使用するプロトコル、データ形式などを接続機器間で合わせる必要があります。
Q. TCPを使用すればデータは絶対に失われませんか？
A. TCPには到達確認や再送機能がありますが、機器停止や通信断が長時間続いた場合は通信できません。アプリケーション側でもタイムアウト、再接続、未送信データの保存などを検討する必要があります。
Q. PPPは現在でも使用されていますか？
A. 電話回線によるダイヤルアップ接続で広く使用されてきた技術ですが、現在でもPPPoEや一部の通信機器、組込み機器などで関連技術が利用されています。
Q. 既設のシリアル通信機器をEthernetへ接続できますか？
A. RS-232CやRS-485とEthernetを変換する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なく、通信プロトコルやデータ形式が対応しているかを確認する必要があります。
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