RS232とRS485は主に電気信号の伝送方法を規定し、Modbusは機器が要求を構成し、データを解釈する方法を規定します。HARTは、対応する電流ループにデジタル通信を重畳できます。これらは、直接相互に置き換えられる4種類の類似したインターフェースではありません。配線前に、まず物理的な電気条件、通信の構成方法、データの意味を区別し、そのうえで適合する機器を選定してください。これにより、プラグは接続できても値を読み取れないといった多くの問題を回避できます。
レイヤーに分けて温度取得の過程を見る
温度センサーは、まず測定結果を機器内部でデータに変換し、対応する規則に従って送信します。電気インターフェースはビットを相手側に届ける役割を担い、データの規則は、どのバイトがアドレスで、どれが要求で、どの値が温度を表すのかを受信側に伝えます。2台の機器が配線でつながっていても、データの意味の解釈が異なれば、正しく取得することはできません。
これは、運搬車と手紙の内容にたとえられます。運搬車は手紙を届けますが、内容を別の言語に自動翻訳するわけではありません。ただし、このたとえは実際の仕様に代わるものではありません。電気インターフェースごとに電圧、基準電位、タイミングの要件があり、プロトコルごとにもアドレス、誤り検査、応答の規則があります。現場では、単にシリアルポートがあるかを尋ねるのではなく、両端の機器の型式、インターフェース、対応プロトコルを一覧にしてください。
RS232による電気信号の表現方法
RS232は、信号基準に対する電圧で論理状態を表します。一般的な非同期シリアル通信では、送信線、受信線、基準接続にそれぞれ要件があります。役割と接続の定義は機器の資料で確認する必要があり、同じ形状のコネクターがすべて同じピン配置であるとは限りません。レベルコンバーターの役割は、対象インターフェースの電気条件を適合させることであり、アプリケーションデータを自動的に解釈することではありません。
RS232の信号を低電圧ロジックのシリアルポートに直接接続することはできません。TTLなどの名称で示されるインターフェースは、RS232とは電気条件が異なる場合があり、誤った接続は通信障害や機器の損傷を引き起こすおそれがあります。配線長と使用可能な通信速度は機器、ケーブル、環境の影響を受けるため、一般的な距離をあらゆる条件に適用できる保証とみなすことはできません。実際の端子の取り扱いや通電状態での測定を伴う作業は、有資格者がマニュアルに従って実施してください。
RS485が2本の線の差を利用する理由
RS485の受信器は、1本の線の基準電位に対する電圧だけを見るのではなく、主に2本の信号線間の電圧差に基づいて状態を判定します。外部干渉によって2本の線が同時に同様の変化を受けた場合、線間の差への影響は比較的小さくなる可能性があります。これが、差動伝送が共通に加わる干渉の抑制に役立つ理由です。ツイストペアも、2本の線が同様の外部条件を受けるようにするうえで役立ちます。
差動方式だからといって、干渉に対する耐性が無制限になるわけではありません。受信器には許容コモンモード範囲があり、機器の基準電位に対する2本の線の共通電圧が、規定の条件内に収まる必要があります。配線、シールド、基準接続、絶縁、保護は、いずれも現場の要件に従って設計しなければなりません。A、B、プラス、マイナスなどの表示は機器の資料で確認する必要があり、文字、線の色、他社製品での経験だけで接続方法を判断することはできません。
複数の機器がバスを共有する場合には通信の順序も必要
RS485はマルチポイント接続に使用できますが、物理バス自体が、すべてのアプリケーションについて誰が先に送信し、誰が後に送信するかを定めるわけではありません。一般的な半二重通信では、同じ1対の線で送信と受信を交互に行います。複数の機器が同時にバスを駆動すると、競合が発生する可能性があります。ほかの送受信構成も存在するため、すべてのRS485が同じポート数と動作方式を持つとはいえません。
終端、バイアス、スタブ長、ノード負荷、通信速度、距離が複合的にリンクへ影響します。ある最大距離、最大通信速度、最大ノード数を組み合わせて、すべてを同時に達成できると考えてはいけません。本記事は、これらの条件を確認する必要がある理由を説明するものであり、型式を問わず適用できる具体的な抵抗値や配線構成を提示するものではありません。実際の設計は、機器の資料、バス仕様、現場での試験に基づいて行ってください。
Modbusは受信側にバイトの意味を伝える
Modbus RTUで計器を読み取る場合を例にすると、要求には対象アドレス、ファンクション、読み取るデータ範囲が含まれます。指定された機器が規則に従って応答し、マスターがその応答を検査して値を解釈します。この検査は対象となる伝送エラーの検出に用いられますが、メッセージが検査に合格しても、レジスターアドレス、単位、データ形式が正しく選択されていることまで証明されるわけではありません。
整数を読み取った後も、スケーリング、小数点以下の桁数、バイト順、レジスターの組み合わせ方法を考慮する必要がある場合があります。これらの意味は個々の機器のデータシートで定められており、RS485の2本の線から自動的に得られるものではありません。Modbusにも、Modbus TCPなど、異なる伝送方式があります。シリアルのバイト列を透過的に転送することと、実際にプロトコルを変換することは異なる機能であり、シリアルポートとネットワークポートの両方があるだけで、その機器がプロトコル変換できると考えてはいけません。
HARTとアナログ電流が共存する仕組み
対応する従来型のポイントツーポイントHARTループでは、4-20mAのアナログ電流にデジタル通信信号を重畳できます。緩やかに変化するアナログ電流がプロセス変数を表し、デジタル部分は異なる周波数でビットを表します。デジタル信号は、設計によって所定の平均特性を維持するため、規定の条件下でアナログのプロセス変数とデジタル通信を共存させることができます。元の電流を、それとは無関係な別のインターフェースへ直接変換するものではありません。
ここでの前提は、計器、ホスト、ループ負荷、その他の接続がすべてHARTの要件を満たしていることです。4-20mAとのみ表示された一般的なアナログ入力機器や伝送機器は、HARTのデジタル通信を保持またはサポートしない場合があります。アイソレーター、コンバーター、光伝送リンクについても互換性の確認が必要であり、アナログ電流を伝送できるというだけで、重畳されたデジタル情報を無条件に伝送できるとはいえません。
変換機器を選ぶ際は、まずどのレイヤーを変換するのかを確認する
インターフェース変換機器は電気的な方式だけを変更し、透過伝送機器はネットワークや光ファイバーを介してバイト列を遠隔側へ運び、プロトコルゲートウェイはある種類の要求を別の種類へ対応付ける場合があります。これら3種類の処理はいずれも「変換」と呼ばれることがありますが、確認すべき項目は異なります。通常、前の2種類ではアプリケーションの両端が同じデータを解釈できる必要があり、最後の種類では、それに加えてパラメーターの正しい対応付けが必要です。
飛暢科技のウェブサイトにあるシリアルインターフェースコンバーターの詳細情報は、実際のインターフェース機能を確認する際の出発点として利用できます。例えば、USBと対応するシリアル機能を備えた型式では、ドライバー、インターフェースのバージョン、使用条件を確認する必要があり、すべての産業用プロトコルを自動変換するゲートウェイと解釈してはいけません。シリアルサーバーやプロトコル機器を選ぶ場合も、それぞれの詳細情報と納入資料を個別に確認し、製品カテゴリーをまたいで機能を推測してはいけません。
計器データを読み取れない場合の例
コンピューターをコンバーター経由でRS485計器に接続しても、まったく応答がないとします。まず、コンピューターに適合するコンバーターを使用していることと、計器およびコンバーターの電気条件が正しいことを確認し、次に両側のボーレート、文字形式、送受信方向を確認します。その後、要求が正しいアドレスに送られているか、ファンクションとレジスター範囲がその計器に対応しているかを確認してください。最初から計器の故障と結論付けてはいけません。
応答を受信できても値が不合理な場合は、トラブルシューティングの焦点が単位、スケーリング、データの解釈に移っている可能性があります。有効な応答がない場合は、引き続き配線、設定、要求の規則を切り分ける必要があります。条件は一度に1つだけ変更し、送受信記録を保存してから機器の資料と照合してください。接続を試すためだけに不明な通電端子を短絡させたり、複数のパラメーターを同時に変更して偶然の成功を信頼できる結論とみなしたりしてはいけません。
受入検査では配線とデータの両方を明確に確認する
接続完了後は、連続取得、異常応答への対処、復旧性能を確認してください。ソフトウェア画面に何らかの数値が表示されることだけでなく、対象機器の正しいデータを読み取っていること、単位と更新周期が要件を満たしていることを確認します。重要な制御現場では、承認された保守条件下で試験を行い、不明なレジスターに不用意に書き込んではいけません。
両端の機器の型式、インターフェースの接続関係、プロトコルパラメーター、データシートの版を記録して保管してください。RS232とRS485は主に電気的な伝送に関わるもの、Modbusはデータ通信の規則、HARTは対応するループ上でアナログとデジタルを共存させる仕組みとして理解してください。これにより、概念の混同を避け、変換、伝送、プロトコルマッピングの各機器をより適切に選定できます。
検証資料：TI RS485設計ガイド;Modbusシリアルライン仕様;FieldComm HART;飛暢科技のシリアルインターフェースコンバーター。図は一般的な仕組みを説明するものであり、特定の型式の配線図ではありません。
中国語の技術記事から翻訳。原文初公開：2023-10-17。原文最終改訂：2026-10-13T20:37:04+08:00。 中国語の原文を読む
