4-20mA電流信号とRS485差動信号の比較

4-20mA 電流信号と RS485 差動信号：基本原理、相違点および産業分野における応用

産業用自動化、プロセス制御およびセンサシステムにおいて、フィールドデバイスは温度、圧力、液面、流量、水質などの測定データを PLC、DCS、RTU およびデータ取得システムに送信する必要があります。4-20mA と RS485 は広く用いられている2つのフィールド信号方式ですが、それぞれ異なる用途を有しています。

4-20mA は主に連続的なアナログプロセス変数を伝送するために用いられ、RS485 はデジタルデータを伝送するための差分シリアル通信インターフェースです。いずれも産業環境および比較的長い通信距離に適していますが、データ伝送容量、配線方式、診断機能、およびシステム統合の点で著しく異なります。

1. 4-20mA 電流信号とは何か？

4-20mA は、産業用プロセス制御において広く用いられている標準的なアナログ電流信号である。測定範囲の下限は通常4 mA で、上限は20 mA で、中間のプロセス値はこれら二値の間に比例して表現される。

例として、測定範囲が0–100°Cの温度送信器を想定する：

線形な0–100°Cの範囲において、電流から温度は以下の式により算出できる：

T = (I − 4) ÷ 16 × 100

ここで、Tは温度、Iは電流（mA）である。12 mA の電流時、対応する温度は50°Cである。

2.なぜ 4-20mA は0-20 mA の代わりに使用されますか。

4 mA の下限は一般にライブゼロと呼ばれますプロセス変数が測定範囲の下限に達した場合であっても、回路内には依然として電流が流れる。この特性により、制御システムは有効なゼロ測定値と特定の配線故障を区別することが可能となる。

例として、プロセス値が0％である場合、通常は4 mA に相当するが、回路が完全に開放された場合には電流がほぼ0 mA となる可能性がある。産業用送信機では、装置および制御システムの構成に応じて、4 mA 未満または20 mA を超える定義された故障電流レベルを用いることもできる。

3. 4-20mA 方式の主な利点

良好な雑音耐性

電磁雑音の多い工業環境においても、本製品は優れた伝送性能を発揮します。

長距離ケーブル接続に最適

ループ電圧の余裕が確保されている場合、長距離でのアナログ伝送が可能です。

ライブ・ゼロ診断

4 mA の下限値により、通常の最小測定値と特定の開放状態との区別が可能になります。

2線式動作

2線式送信機は、電力供給と 4-20mA 信号伝送に同一の電線ペアを使用できます。

高い PLC 互換性

多くの PLC、DCS、およびデータ取得モジュールが、標準的な 4-20mA アナログ入力を提供しています。

4. ケーブルの抵抗は 4-20mA ループに影響を及ぼすか？

通常の動作範囲内では、送信機は測定されたプロセス値に対応するようにループ電流を制御する。これにより、4-20mA 方式は直接の電圧伝送方式に比べてケーブル抵抗に対する感度が低下する。ただし、

ケーブルの抵抗は依然として電圧降下を生じさせるため、システム設計において考慮に入れる必要がある。電源は、送信機自体、ケーブル抵抗、PLC の入力抵抗、アイソレータ、およびその他の直列接続された機器に対して十分な電圧を供給しなければならない。

この評価は、一般的にループ電圧予算を用いて行われます。

供給電圧 ≥ 送信器の最小電圧 + ケーブル降下電圧 + 負荷降下電圧 + その他の直列接続デバイス降下電圧

5. 4-20mA はどのように電圧信号に変換されるか？

一部のデータ収集システムでは、精密抵抗器を用いてループ電流を電圧に変換する。約250Ωの抵抗器を用いる場合：

。これにより、4-20mA 信号をアナログ取得回路用の約1–5V入力信号に変換することが可能になります。PLC または入力モジュールが既に電流入力を直接サポートしている場合は、配線はモジュールの製造元による指示に従う必要があります。

6. 4-20mA 信号は自動的に本質的安全であるか？

4-20mA 信号は信号規格に該当するが、それ自体でシステムを本質的安全にするわけではない。

本質的安全設計では、回路全体における電圧、電流、電力、インダクタンスおよびキャパシタンスを制限し、危険区域の分類に応じた認証済みの現場用デバイス、バリア、アイソレータ、電源装置および配線手法の採用を必要とする。

7. RS485 の差分信号とは何か？

RS485 は産業用シリアル通信電気インターフェース標準です。一対の差動信号線を使用してデジタルデータを送信し、受信機は2つの導体間の電圧差から論理状態を決定します。

一般的な2線式 RS485 ネットワークでは、通常AとBというラベルの付いたツイストペアが使用されますが、一部の機器ではDやD-などのラベルが使用されます。A/B極性の命名はメーカー間で異なる可能性があるため、配線は特定のデバイスの端末定義に従う必要があります。

RS485 は物理的な電気的層を定義する。ただし、温度や圧力、その他の測定値をどのように符号化するかについては規定していない。産業用デバイスでは、一般的に RS485 を介して Modbus RTU やその他の上位レベルのプロトコルが使用される。

8. RS485 はなぜ優れた耐ノイズ性を持つのか？

RS485 は差分信号方式を採用している。両導体に同様に結合する外部電気ノイズは、主に共通モード干渉として現れるが、受信機は主に二つの線路間の電圧差を評価する。

ツイストペアケーブルは、ノイズ拒否性能をさらに向上させます。長距離の設置や電磁的ノイズが顕著な環境では、適切なシールド処理、グラウンディング、終端処理、およびサージ保護の措置が求められる場合があります。

9. RS485 の伝送距離はどの程度まで可能か？

RS485 は長距離のシリアル通信に適していますが、最大伝送距離はバードレート、ケーブルの特性、ネットワークトポロジー、終端処理、トランシーバーの設計、および電磁環境に依存します。

好条件かつ通信速度が比較的低い場合、典型的な長距離通信距離として約1200mがしばしば示されます。ただし、バードレートが上昇するにつれて、最大信頼距離は一般的に短くなります。したがって、

各 RS485 ネットワークにおいて1200mを保証される値と見なすのではなく、通信距離とバードレートを一体的に設計することが推奨されます。

10. RS485 は32台のデバイスに限定されるのでしょうか？

従来の RS485 システムでは、バス負荷を定義するために「ユニット負荷」の概念が用いられます。従来の1ユニット負荷型トランスシーバを用いる場合、ネットワークは一般的に最大32個のユニット負荷まで設計されます。

現代のトランスシーバーには、1/2、1/4、または1/8のユニット負荷入力方式を採用できるため、適切な条件下では64、128、あるいは256の電気ノードを支持することが可能です。

実際のデバイス数には、プロトコルのアドレス範囲、ポーリングサイクル、ケーブル長、トポロジー、および応答時間といった要因も影響します。

11. RS485 は常にハーフデュプレックスですか？

RS485 は、ハーフデュプレックスおよびフルデュプレックスの両方の構成をサポートできます。

産業用 RS485 および Modbus RTU センサーでは、一般的に2線式ハーフデュプレックス通信が採用されており、そのため現場計測装置においてA/B方式の2線式通信が広く用いられています。

12. RS485 と Modbus RTU の関連性とは？

RS485 と Modbus は、通信システムの異なるレイヤーで動作します。

RS485

電気インターフェースと、差動信号がケーブルを介して送信される方法を定義します。

Modbus RTU

デバイスアドレス、機能コード、登録組織、およびデータフレームを定義します。

「RS485 Modbus RTU センサー」とは、通常、以下のことを意味します。

物理インターフェース：RS485、
通信プロトコル：Modbus RTU、

PLC またはデータロガーは、Modbus レジスタを介して、温度、圧力、液面、水質、土壌測定値、および装置の状態など、複数のパラメータを読み取ることができます。

13. バードレート、データビット数、パリティ、およびストップビットは、RS485 の構成要素ですか？

：バードレート、データビット数、パリティビット数およびストップビット数は、RS485 電気規格で定義される固定パラメータではなく、シリアル通信フレームの設定値です。

：一般的な Modbus RTU デバイスでは、以下のような設定が用いられる場合があります。

通信リンクの両端では、同期したシリアル設定および同一の上位プロトコルを使用しなければならない。

14. RS485 規格はASCIIデータかバイナリデータかを規定しているか？

は、RS485 において電気伝送方式のみを定義しており、ASCIIまたはバイナリ符号化を必要としません。

では、たとえば Modbus RTU はバイナリフレーム構造を採用するのに対し、Modbus ASCIIはASCII文字を用います。その他の機器メーカーも、RS485 インターフェースを介して独自のプロトコルを使用することが可能です。

15。終端抵抗はなぜ RS485 ネットワークで使用されるのですか?

ケーブルの長さが長くなる場合や通信速度が高くなる場合には、RS485 ケーブルは伝送線として振る舞う。ケーブル両端での信号の反射により、波形が歪み、通信エラーが生じる可能性がある。そのため、

では、ケーブルの特性インピーダンスに応じて、バス両端に適切な終端抵抗を設けることが一般的である。多くの産業用 RS485 ネットワークでは、約120Ωのツイストペアケーブルを用い、必要に応じてマッチング終端を適用している。

終端の選択は、通信距離、バードレート、トポロジー、およびトランシーバの要件に基づいて行うべきである。

16. 4-20mA と RS485 の主な相違点は何ですか？

17. 4-20mA をどの場合に選択すべきか？

4-20mA は、安定した連続的なプロセス変数が主要な要件となるシステム、特に既存の PLC または DCS にすでにアナログ入力モジュールが搭載されているシステムに最適です。

圧力送信器、

液面送信器、

温度送信器、

流量送信器、

プロセス分析器

従来の PLC／DCS 制御システムについて：

単一の主要測定値のみを必要とし、システムを簡素に保ち、従来の産業用制御アーキテクチャとの互換性を確保したい場合、4-20mA は実用的な選択肢として広く用いられています。

18．RS485 を採用すべき状況は？

RS485 は、複数のデジタルパラメータを必要とするプロジェクト、複数のデバイス間のネットワーク接続、あるいは PLC、RTU、データロガー、IoTゲートウェイとの直接通信を要する用途に適しています。

多パラメータ水質センサー

多パラメータ土壌センサー

気象センサー

デジタル水位・流量計

分散型環境モニタリングシステム

PLC／RTU／IoTゲートウェイの統合：

RS485 Modbus RTU により、複数のデバイスが1つのバスを共有することが可能となり、分散型監視システムにおける通信用配線の削減が実現できます。

19．4-20mA と RS485 を同時に使用することは可能ですか？

はい。一部の産業用計測装置は 4-20mA および RS485 の両方の出力を備えており、同一の測定データを従来のアナログ制御システムに統合できる一方で、追加のデジタルパラメータは通信を介して取得することが可能です。

例えば、4-20mA は主要なリアルタイム PLC 制御信号として使用でき、一方、RS485 Modbus RTU は測定値、補正データ、装置の状態、または設定パラメータの読み取りに使用されます。両者の同時使用は、各計測装置のインターフェース設計に依存します。

FAQ

Q1：RS485 は電流信号ですか、それとも電圧信号ですか？

A1：RS485 は差分電圧通信インターフェースです。受信器は、2本の信号導体間の電圧差から論理状態を判定します。

Q2：ケーブルの抵抗は 4-20mA ループに影響を及ぼすか？

A2：ケーブルの抵抗により電圧降下が生じます。送信機が動作電圧範囲内にあり、ループの電圧許容範囲が十分である場合でも、ループ電流は依然として正確なプロセス値を反映することが可能です。

Q3：RS485 通信は常に最大1200mまで可能でしょうか？

A3：実際の伝送距離は、バードレート、ケーブルの種類、終端処理、トポロジー、および電磁環境に依存します。通信速度を低く設定し、適切な配線条件を整えることで、長距離通信をより容易に実現できます。

Q4：RS485 は32台のデバイスに限定されていますか？

A4：「32個のユニット負荷」は、RS485 の標準的な負荷基準です。現代の低ユニット負荷型トランシーバは、より多くの電気ノードをサポート可能ですが、実際の使用可能なノード数については、通信プロトコルやネットワーク設計にも依存します。

Q5：RS485 は常に半双工方式ですか？

A5：いいえ。RS485 は2線式半双工方式または4線式フルデュプレックス方式を採用できます。産業用 Modbus RTU センサーでは、一般的に2線式半双工方式が用いられています。

Q6：RS485 と Modbus は同じプロトコルですか？

A6：いいえ。RS485 は物理的な電気的インターフェースを定義するのに対し、Modbus RTU はデバイスアドレス、レジスタ、機能コード、およびデータフレームを定義します。

Q7：4-20mA 信号は自動的に本質的安全（intrinsically safe）ですか？

A7：いいえ。本質的安全性は、4-20mA 信号自体ではなく、回路全体のエネルギー限界、装置の認証、バリア構造、および設置設計に依存します。

Q8：産業用センサーにおいて、4-20mA と RS485 のどちらが適していますか？

A8：4-20mA は、単一のプロセス変数および従来の PLC アナログ制御に適しています。RS485 Modbus RTU は、多パラメータセンサー、デバイス間のネットワーク構成、およびデジタルデータ収集の用途において、一般的により適しています。

結論

4-20mA と RS485 は、いずれも確立された産業用フィールド通信方式であるが、それぞれ異なる課題を解決する。4-20mA は、連続的なプロセス変数を表現するためにアナログ電流を用いており、シンプルな構成、優れたノイズ耐性、長距離伝送能力、および従来の PLC や DCS システムとの広範な互換性を有している。

RS485 は、デジタル通信に差動電圧信号方式を採用しています。1つのバス上で複数のデバイスを接続可能であり、Modbus RTU などのプロトコルと組み合わせることで、複数の測定値、状態情報、および設定データを伝送できます。通信距離およびノード数については、バードレート、ケーブル、トランシーバーの負荷、およびネットワークトポロジーに基づいて設計する必要があります。

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