フィールドバスの実現技術（1）フィールドバスの実現技術

物流や工場の自動化ネットワークは、フィールドバス、産業用ネットワーク、FA ネットワーク、フィールドネットワークなど様々な呼び方がある。IoT 領域のフィールドバスの機能面で最も重要なことは、「ハード・リアルタイム」と「拡張性」だ。コスト面では「配線ケーブル削減」がある。車載ネットワークも IoT の一分野だが、一般的な IoT と少し異なり、重要項目は「ハード・リアルタイム」と「配線ケーブルの削減」だ。一度販売した自動車内部に新しい機器を取り付けるケースはかなり限られるため「拡張性」はさほど重視されない。ちなみに、IEEE委員会での車載用 Ethernet-TSN の議論では、初期の要求事項から「拡張性」が削除された。

• ハード・リアルタイム性
• 拡張性（センサ・アクチュエータ等の追加・削除）
• 配線ケーブル削減

フィールドバスの要件	機能概要	IoT	車載
ハード・リアルタイム	モータ、センサ、アクセル、ブレーキなどは、一定時間内での処理が必要	〇	〇
拡張性	フィールドネットワークでは、マルチドロップ方式で装置やセンサの拡張・撤去が必要。車載用途では重要度は低い	〇	×
配線ケーブル削減	部材費と工事費のコストダウン。車載ではケーブル実装場所が限られる	〇	〇

主なフィールドバス

現在、グローバル市場シェアの大きいフィールドバスは下記の5種類だ。

フィールドバスの要件である「リアルタイム性」、「拡張性」、「配線ケーブル削減」の点から、伝送路や同期方式も集約していった。伝送路は、初期の RS232C や RS422 が衰退し RS485 に集約した。同期方式もクロック線を省略できる非同期（調歩同期）が主流になった。この連載では、フィールドバスの仕様や動作概要には触れないが、伝送技術の土台となる伝送規格とデータ構造には触れておきたい。

フィールドバスの電気的特性はRS485に集約し共通性がある。しかし、コネクタやケーブル等の物理層、データ形式や通信手順（プロトコル）は基本的には互換性がなく、異なる規格のフィールドバスを相互接続することはできない。

フィールドバスの実現技術

シリアル通信が主流

フィールドバスは、ケーブルを削減し盤設計や工事を簡略化できるシリアル通信がベースだ。シリアル通信とは、データ送受信の伝送路を1対（全二重通信／双方向通信）、または2対（半二重通信／単方向通信）を使用し、データを1ビットずつ連続で送受信する通信方式だ。これに対してパラレル通信は複数のデータ信号を同時に送受信する通信方式だ。

パラレル通信は、プリント基板上の CPU とメモリ間のような極短距離（数cm程度）ではデータ通信の大容量化・高速化に適しているが、長距離伝送での大容量化や高速化には向かない。パラレル通信では同時に伝送する個々のデータの遅れを調整するスキューコントロール（各ビットの時間ずれ調整）の技術的な限界があり、長距離伝送では極めて難しい。パラレル通信が衰退したもう一つの大きな要因が「ケーブルコスト」だ。制御用ネットワークでは、状況によっては 1km を超えるケーブルを敷設しなければならない。1対または2対のケーブルで済むシリアル伝送のほうが数10本のケーブルが必要なパラレル伝送より、ケーブルコストや敷設場所の削減で有利だ。

3種類の代表的なシリアル通信方式がある。

RS232C/RS422/RS485

規格名	最大ケーブル長	最大速度	接続方式	通信方式	動作	信号レベル	コネクタ	備考
RS232C	15m	19.2kbps	1:1	全二重	不平衡	±15V	D-SUB25 D-SUB9 RJ-45	不平衡型はノイズに弱い ケーブル長が短い
RS422	1.2km	10Mbps	1:N	全／半二重	平衡	TTL	規定なし	伝送速度はケーブル長に依存 最大接続台数：10
RS485	1.2km	10Mbps	N:M	全／半二重	平衡	TTL	規定なし	伝送速度はケーブル長に依存 最大接続台数：32

フィールドバスの主役は RS485 だ。制御アプリケーションが正常に動作するためには、データ伝送がデータ表示やデータ蓄積のタイミングに間に合わなければならない。また、設備コストや工事コストを下げるために、複数機器をバス接続し、より少ない信号線で通信を行う必要がある。これらの条件にマッチしたのが RS485 だ。

もっとも古い RS232C は、1:1接続のため、接続する端末類（センサやスイッチ等）に比例して信号線が増える。また、伝送距離が短くノイズに弱いため、使われなくなった。

RS422 は、RS232C の欠点である伝送距離・伝送速度・ノイズ耐力等を改善した規格だ。RS422 は基本的に単方向 1:N 接続で双方向マルチポイントに向かない。電気的な仕様がほぼ同じ（少し強化された）で、双方向マルチポイントの送受信が可能な RS485 に主役の座を奪われた。代表的なシリアル伝送路の仕様は、表 1-4 参照。

RS232C

RS232C の規格上の最大伝送速度は 20Kbps、最大距離は20mだが、一般的には19.2Kbps/15m以下で使用されている。本来は電話回線用のモデムインタフェースの規格だが、構造が簡単で少ない信号線（３本：送信データ／受信データ／信号グランド）で通信できるため、コンピュータ周辺装置のインタフェースとして普及したが、現在の主役は USB だ。

RS232C は、信号線とグランド線による不平衡伝送だ。RS232C 送受信データ信号は、0V(グランド)のレベルに対して上の電圧(+3～+25V)を論理「0」、下の電圧(-3～-25V)を論理「1」と決めている。±25V は絶対最大定格で、通常は ±15～±6V のレベルで通信を行う（図１ 参照）。簡単で使い勝手の良い RS232C だが、フィールドバスとしては次のような欠点があり、これらの欠点をカバーするRS422が登場した。

• 1:1 伝送：センサー等が増えるとケーブル本数が増える（ 1:1当たり最小で3本必要）
• ノイズに弱い：不平衡伝送のためコモンモードノイズ等に弱く誤動作の要因
• 通信速度が遅い
• 伝送距離が短い

RS422

RS422 は、RS232C の欠点をカバーする規格として登場した。 RS422 は平衡型の伝送路で比較的ノイズに強く、最大伝送速度は10Mbps以下、最大伝送距離は1.2km以下で、伝送距離が延びると伝送速度は低下する（図２ RS422 ケーブル長と伝送速度グラフ参照）。基本的には1:1の伝送路用の規格だが、1つの送信側に対し受信側は最大10個まで接続することができ 1:N 接続が可能だ。コネクタ等の規定はなく、電気的特性のみを規定されている。

RS422 は、 ２本の信号線で送受信を行い、２本の信号線の差で論理「１」と「０」が決まる平衡型の伝送路（作動方式）で、ノイズに強く比較的長い距離で通信ができる（図３ RS232C/RS422 ノイズ耐力）参照。

伝送路に混入するノイズは２本のラインに同時に同程度加わり、電圧の差により論理が決まるため、ノイズの影響は相殺される。RS232C に比べノイズに強い伝送方式だ。

信号グランド（Signal GND）は、電気的特性を守り動作を安定化させるために必須だ。信号グランドを接続しないとノイズマージンが減少し、動作が不安定になる。

RS485 のようなマルチポイント接続型通信ネットワークを構築することはできない。

RS485

RS422 は基本的には1:1の伝送（point to point）だ。これをバス方式のマルチドロップ方式にグレードアップしたのが RS485 だ。RS485 は平衡型の伝送路で、電気的には RS422 とほとんど同じで、最大伝送速度（10Mbps以下）や最大伝送距離（1.2km以下）は変わらず、ノイズ特性も変わらない。

通信方式としては、2線式（半二重）と、4線式（半二重）の2つの方式があり、2線式が一般的だ。2線式 RS485 は1組（2本）の送受信線と信号グランド（Signal GND）の計3本で通信する。送受信線が1組なので、同時に送受信ができない半二重通信になる。4線式 RS485 は送信2本と受信2本の合計4本の送受信線と信号グランド（Signal GND）の計5本で通信する。送受信線は別々になっているので、送信／受信を同時に行う全二重通信だ。

RS485 は、最大32台のドライバーと最大32台のレシーバをバス接続し、分散システムをネットワーク化することができる。2線式であれば3本、4線式でも5本で済み、少ない信号線でネットワークを構成することができる優れた伝送方式だ。

RS232C/RS422/RS485 の違いは、図４ を参照。