産業機器通信と配線選択ガイド: HART、Modbus RTU、RS485

METRAVON 産業用計測器用通信および配線選定ガイド： HART 、 Modbus RTU 、 RS485 、および2線式システム

産業用自動化において、現場計測器と PLC 、 DCS 、 RTU 、またはデータ収集システムとの接続は、データ収集、リモート設定、診断、および将来のシステム拡張に直接影響を及ぼします。

HART 、 Modbus RTU 、 RS485 、および2線式 4-20mA は、計器のデータシートにおいてしばしば併記されますが、これらは同一の技術的レイヤーに属するものではありません：

• HART ：現場用計器向けデジタル通信プロトコルであり、従来は 4-20mA 電流ループ上に重ねて使用されていた。

• Modbus RTU ：現場計測装置において一般的に RS485 を介して伝送される産業用デジタル通信プロトコル：

• RS485 ：差分シリアル通信用の電気的物理層標準です。レジスタの定義やアプリケーションデータは規定していません。

• 2線式 4-20mA ：楽器の電源とアナログ測定信号が同一の2本の配線を用いるループ方式である。

したがって、選定における最初のステップは、プロジェクトにその方式が必要かどうかを判断することである。アナログ伝送、デジタル通信、ループ電源、複数デバイスによるネットワーク接続、またはこれらの機能の組み合わせ。、

。1. HART とは何か？

HART とは、「Highway Addressable Remote Transducer」の略称です。これは、インテリジェントな現場用計器向けに設計された通信技術である。 従来の有線 HART システムでは、デジタル信号を 4-20mA のアナログ電流ループに重ねて適用することで、アナログ方式でのプロセス測定とデジタル方式での装置情報の両方が同一の配線路上で共存することが可能となる。

従来の HART 通信では、Bell 202方式の周波数シフトキーイング（FSK）が用いられ、1200 Hzおよび2200 Hzの周波数で、通信速度1200 bit/sにおけるデジタル状態が表現される。 デジタル信号は平均値がゼロであるため、通常、主要なプロセス変数を表す 4-20mA 電流を変化させません。

アナログ測定

4-20mA 電流は、液面、圧力、流量などの主要なプロセス変数を引き続き表します。

デジタル装置情報

装置の状態、診断情報、工学単位、二次変数、および設定パラメータにもアクセスできます。

遠隔設定

パラメータは、 HART 通信器、モデム、または資産管理システムを用いて設定可能です。

HART 規格は、既存の 4-20mA システムを維持しつつ、遠隔設定および診断機能を追加する際に特に有効です。

2. HART ループにおいて、なぜ約250Ωが頻繁に言及されるのでしょうか？

HART デジタル信号は、 HART ホストまたはモデムにおいて検出可能な電圧信号を生成するためには、十分な交流ループインピーダンスを有している必要がある。 このため、実用的な HART ループ設計では、約250Ωが一般的に用いられます。【重要】

すべての HART 設置において、別途250 Ωの抵抗器を必要とするわけではありません。一部の PLC 、 DCS 、アイソレータ、または HART I/Oモジュールは、既に必要なインピーダンスを備えています。外部抵抗器を追加する前に、ループ全体のインピーダンス、供給電圧、および送信機の負荷要件を確認する必要があります。

3. Modbus RTU とは何ですか？

Modbus は当初 PLC 通信向けに開発された産業用通信プロトコルであり、現在ではセンサー、計測器、 PLC 、 RTU 、HMI、データ収集システムなど幅広い分野で広く採用されています。

Modbus は、デバイスアドレスの定義、機能コード、レジスタ、およびデータの読み取り・書き込みに関する手法を規定しています。 特定の物理的伝送媒体を1つ必要としない。

液位計、環境計器、プロセス計器の適用例として、最も一般的なのは以下のいずれかです。RS485 経由の Modbus RTU 。。 ホスト装置は、アドレスに基づいて複数の現場計測装置をポーリングし、プロセス値、状態情報、アラーム、およびその他のレジスタデータを取得できます。

4. RS485 とは何ですか？

RS485 は、差分シリアル通信のための電気規格です。 これは、ドライバ、受信器、および差分信号の特性を定義するが、レベル値がどこに保存されるか、あるいは温度値をどのように要求すべきかについては定義していない。

したがって、

RS485 は Modbus とは異なる。

より正確な関係は以下の通りである：

Modbus RTU 一般的に、～の上を走行する。 RS485 物理層

同じ RS485 ハードウェアは、メーカー固有のプロトコルを含む他のシリアルプロトコルも伝送することが可能である。

5. 2線式と4線式 RS485 の違いとは？

多くの産業用フィールドインスツルメントは、 Modbus RTU 通信に2線式ハーフデュプレックス RS485 を使用しています。

6. RS485 は最大32台のデバイスに限定されるか？

「 RS485 は最大32台のデバイスをサポートする」という記述は、一般的な簡略化です。

従来の RS485 仕様では、バス負荷は「ユニット負荷」の観点から記述されています。従来型のネットワークは、最大32個の標準的なユニット負荷をサポートできるが、これは必ずしも正確に32台の物理デバイスを意味するわけではない。

現代の RS485 トランスシーバーには、1/2、1/4、または1/8のユニット負荷型が採用される場合があります。 その結果、電気的負荷が仕様内に収まる限り、バスはより多くの物理ノードを支援することが可能となる。

実用的なデバイス数には、以下の要因も影響する：

• 送受信ユニットの負荷；

• 利用可能な Modbus アドレス範囲；

• バードレート；

• ケーブルの品質および総距離；

• バスのトポロジー；

• ホストのポーリングサイクル；

• 電磁干渉。

7. RS485 通信は1200メートルまで可能か？

RS485 は、通信距離が約1200 mに達すると一般的に記述されているが、これはすべての設置環境において保証される距離とはみなすべきではない。

実際の通信距離は、バウドレート、ケーブルの特性、導体の断面面積、終端処理、ノード数、トポロジー、および電磁環境条件に依存する。一般的に、通信速度が速くなるほど、最大で信頼できるケーブルの長さは短くなる。

長距離ネットワークでは、適切なツイストペアケーブルを、適切なバストポロジーおよび適切な終端処理と併用することが推奨される。 より長い伝送距離や電気的隔離が求められる場合には、 RS485 レピーターまたはファイバーコンバータを使用できます。

8. RS485 の終端処理はどのように行うべきでしょうか？

RS485 ネットワークの距離が長くなる場合や、データ伝送速度が上昇する場合には、信号の反射によって通信の信頼性が低下するおそれがあります。 したがって、終端抵抗器は通常、～に設置される。メインバス「」の物理的な両端。

産業用 RS485 ネットワークでは、約120 Ωの値が一般的に用いられますが、適切な終端抵抗の選定は、ケーブルの特性インピーダンスおよびデバイス製造元による推奨事項に準拠する必要があります。

技術的注記：終端抵抗は、通常、すべてのデバイスに設置する必要はありません。バイアス設定、信号基準、シールド処理およびグラウンディングについても、システム設計に従って行う必要があります。長尺の継手や制御されていない星形接続は、機器がそのトポロジーに特化して設計されていない限り、避けるべきである。

9. 「2線式」という用語が混乱を招く可能性がある理由とは？

産業用計測装置において、「2線式」とは、少なくとも2種類のまったく異なる構成を指すことがある。

2線式 4-20mA

同じ一対の電線が、計測装置の電源と 4-20mA のアナログ信号の両方を伝送する。

代表的な用途には、圧力、液面、温度、流量の送信器が含まれます。

2線式 RS485

1組の差分対は、半双方向デジタル通信に使用されます。

この記述はデータバスに関するものであり、計測装置が必ずしも同一の2本の配線を通じて電力を供給されることを意味するものではありません。

例えば、一般的な RS485 センサーでは、4本の導線——

V+、GND、 RS485 A、 RS485 B——が用いられることがあります。

A線とB線が2線式 RS485 データペアを構成し、残りの2本の導体は計測装置の電源を供給する。 したがって、「2線式 RS485 」は、電力および通信の両方に対してわずか2本の導体のみが必要であるという意味ではありません。

10．2線式 4-20mA 送信機はどのように電力を供給されるのか？

2線式 4-20mA 送信機は、測定されたプロセス変数を表すようにループ電流を制御しながら、運転電力を電流ループから得る。

典型的なループ構成は以下の通りである：

24 VDC 電源 → 送信器 → PLC ／ DCS のアナログ入力またはループ負荷 → 返送路

完全なループ設計には、以下の事項を考慮する必要がある：

• 送信器の最小動作電圧；

• PLC または DCS の入力抵抗；

• セーフティバリアまたは信号アイソレータにおける電圧降下；

• ケーブル抵抗；

• HART 通信に必要なループ条件。

公称24 VDC の電源であるからといって、送信機自体が常に24Vの全電圧を供給されているとは限りません。 ループ全体の電圧予算を必ず確認すること。

11. 2線式 4-20mA 回路が自動的に本質的に安全であるとは限りません。

否。 2線式 4-20mA 計器は危険区域で広く用いられているが、2線式動作自体は、計測器を本質的に安全な計測器とするものではありません。。

本質的に安全なシステムについては、以下の項目の検証が必要です。

• フィールド計器の本質的安全認証；

• 対応する安全バリアまたはガルバニック絶縁装置；

• 電圧、電流、電力、容量およびインダクタンスに関するパラメータ；

• 適用される危険区域に関する要件に従った設置および配線；

爆発防止型または防炎型機器については、外装構造、ケーブル格納部および設置手順が、対応する認証要件に準拠しなければならない。

12. HART 、 Modbus RTU 、 RS485 、および2線式 4-20mA は、どのように関連しているか？

。一般的な組み合わせには、

、2線式 4-20mA ＋ HART 、

、または、

、電源と…が挙げられます。 RS485 + Modbus RTU

一部の計器は、 4-20mA/HART および別個の RS485/Modbus RTU インターフェースの両方を提供することがありますが、これは普遍的な標準機能ではなく、具体的なモデルごとに確認する必要があります。

13. 異なる用途においてどのインターフェースを選択すべきか？

既存の 4-20mA システムのアップグレード

4-20mA + HART は、アナログ信号を保持しつつ、リモートでの設定および診断機能を追加したい場合に、実用的な選択肢となります。

デジタル PLC データ取得

RS485 + Modbus RTU ：複数のパラメータまたは複数の計測器をデジタルで読み取る必要がある場合に適しています。

長距離マルチノードネットワーク

RS485 ：バードレート、トポロジー、終端処理およびノード負荷が適切に設計された場合、バス型デジタルネットワークに最適です。

簡易化されたフィールド配線

2線式 4-20mA 規格は、簡便かつ堅牢なアナログ統合が求められるループ駆動型送信機に有用です。

14。一般的な計器インターフェースの比較

：15。インターフェースの選定時、その他の点で確認すべきことはありますか？

：2台の計測器がともに「 RS485 Modbus 」または「 4-20mA HART 」と記されている場合でも、必ずしも互換性があるとは限りません。 以下の詳細についても確認する必要があります：

• 供給電圧および消費電力；

• 2線式、3線式、または4線式の電気的接続方式；

• Modbus レジスタのアドレスおよびデータ型；

• バードレート、パリティ、およびデバイスアドレス；

• 4-20mA のスケール設定および故障電流の構成；

• HART バージョンおよびホストシステムとの互換性；

• 電気的絶縁に関する要件；

• 危険区域適合性認定および本質的安全パラメータ；

• ケーブル長およびネットワークノードの総数；

頻出質問：産業用計器の通信方式の選定；

Q1： HART と 4-20mA の関連性について

A：従来の有線式 HART は、 4-20mA の電流ループ上にデジタル通信を重ねており、アナログ方式の主要変数とデジタル装置の情報を同時に取得することが可能です。

Q2： RS485 とは、常に Modbus を意味するのでしょうか？

A：いいえ。 RS485 は電気的な物理層であり、 Modbus RTU は通信プロトコルです。 Modbus RTU では一般的に RS485 が用いられますが、 RS485 自体は他のプロトコルも伝送することがあります。

Q3： RS485 は32台の計器に限定されるのでしょうか？

A：必ずしもそうではありません。従来の制限は32個の標準的なユニット負荷を指しますが、現代の低負荷型トランスシーバーでは、デバイス仕様、ネットワーク設計、およびプロトコルアドレス配置に応じて、より多くの物理ノードを可能にすることがあります。

Q4：「2線式 RS485 」とは、わずか2本の導体しか必要としないことを意味しますか？

A：必ずしもそうではありません。「2線式 RS485 」とは、A/Bの差分データペアを指します。多くの RS485 機器では依然として個別の電源導体を必要とするため、一般的な設置例ではV+、GND、A、Bの各導体を使用することがあります。

Q5： HART が優先されるべき状況はいつですか？

A：既存の 4-20mA システムを維持しつつ、リモートでの設定、機器の状態、および診断情報を追加する必要がある場合、 HART はよく適した選択肢となります。

Q6： Modbus RTU を優先すべき場合とは？

A： RS485/Modbus RTU は、 PLC 、 RTU 、またはデータロガーが複数のパラメータを読み取る必要がある場合、あるいは複数の計測器が同一のデジタルバスを共有する場合には有効です。

Q7：すべての2線式 4-20mA 計測器が本質的安全であるとは？

A：いいえ。本質的安全性は、計測器の認証、関連するバリアまたは隔離装置、および完全ループの電気的特性に依存します。

Q8： HART および Modbus を同一計器で併用することは可能ですか？

A：一部のモデルでは、 4-20mA/HART と別個の RS485/Modbus インターフェースの両方を備えていますが、これは製品の詳細な電気的設計およびデータシートで確認する必要があります。

Q9： RS485 通信が不安定な場合、最初に確認すべき項目は何か？

A：A/B極性、デバイスアドレス、バードレート、パリティ、バストポロジー、ターミネーション、ケーブルの品質、電源、信号基準、および重複するデバイスアドレスを点検してください。

Q10：どのような情報が含まれていますか？ METRAVON 通信インターフェースの選定が必要ですか？

： PLC 、 DCS 、または RTU のモデル、必要となる 4-20mA 、 HART 、または Modbus インターフェース、電源構成、通信距離、デバイス数、ケーブルの状況、絶縁要件、および危険区域に関する要件をご提供ください。

結論

HART 、 Modbus RTU 、 RS485 、および2線式 4-20mA は、それぞれ異なる技術的層に属します。 産業用計器の適切な選定を行うには、それらの間の関係を理解することが不可欠です。

HART4-20mA のアナログ信号を保持しつつ、デジタル構成および診断機能を追加する用途に最適です。Modbus RTUは、デジタル方式による多パラメータ通信に適しています。RS485 、は、 Modbus RTU やその他のシリアルプロトコルで一般的に用いられる差分物理層を提供します。2線式 4-20mA 、は、計器の電源とアナログ信号の伝送を1対の線路上で統合しています。

METRAVON レベルおよびプロセス計器は、モデルに応じて、異なるアナログおよびデジタルインターフェースで設定することが可能です。 最終的な選定にあたっては、既存の状況を考慮すべきである。 PLC 信頼性の高い通信、優れたシステム互換性、および将来の拡張性を確保するため、 DCS アーキテクチャ、電力配置、通信距離、ノード数、危険区域に関する要件、および保守戦略を考慮する。