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Modbus と HART は、産業用自動化およびプロセス計測分野で広く用いられている通信技術であるが、それぞれ異なるシステムアーキテクチャ向けに開発された。Modbus は主に PLC、センサー、計測器、RTU、データロガー、および産業用ゲートウェイ間でのデジタルデータ交換に用いられるのに対し、HART は従来型の 4-20mA 制御システムで動作するインテリジェントプロセス送信機との連携に主に用いられる。
したがって、これらの2つのプロトコルをすべてのプロジェクトにおいて直接的な代替手段と見なすべきではない。複数のデジタルデバイスがプロセスデータを相互に交換する必要がある場合には、Modbus が頻繁に採用される。一方、プラントにおいて既存の 4-20mA 信号を維持しつつ、デジタルな構成情報、状態情報、および診断情報を取得したい場合には、HART が特に有効である。
1. Modbus プロトコルとは何か？
Modbus は当初、1979年にModicon社によって産業用制御装置間の通信を目的として導入された。それ以来、産業用自動化分野で最も広く採用されているオープンプロトコルの一つとなっている。Modbus は、装置がどのようにデータを組織し、要求し、読み取りおよび書き込みを行うかを定義しているが、特定の物理的インターフェースを必須としない。
一般的な実装例には、以下が含まれます。RS485 経由の Modbus RTU：、RS232経由の Modbus RTU：、およびイーサネット経由の Modbus TCP現場計測技術において、RS485 Modbus RTU は特に広く用いられており、複数のデバイスが同一の通信バスを共有でき、各デバイスが固有のアドレスで識別できるためである。
モドゥスクライアント（PLC やRTUなど）がサーバーデバイスに対してリクエストを送信すると、サーバーは要求された値を返すか、対応する書き込み操作を実行する。計器の種類によっては、Modbus レジスタには温度、圧力、液面、流量、導電率、機器の状態、アラーム、または設定パラメータが含まれる場合があります。
2. HART プロトコルとは何ですか？
HART とは、Highway Addressable Remote Transducer（HART）およびの略称である。これは、圧力、差圧、温度、流量、液面計測器などのインテリジェントフィールド計器向けに主に設計された双方向デジタル通信技術である。
従来の HART の主な特徴は、デジタル通信信号を既存の 4-20mA アナログ電流ループ上に重ねて伝送する点にある。4-20mA 信号は通常、主要なプロセス変数を引き続き表すのに対し、HART 通信は装置の構成、状態、診断情報、および二次プロセス情報への追加的なアクセスを提供します。
クラシック HART は、デジタル通信に周波数シフトキーイング（FSK）を採用しています。そのデジタル伝送速度は1200ビット/秒です。このアーキテクチャにより、プラントは従来のアナログ制御配線を維持しつつ、基本的な 4-20mA 計測ループを代替することなく、デジタル通信機能を追加することが可能です。
3。Modbus と HART の主な相違点｜比較項目｜
| ｜Modbus｜ | Modbus | HART |
|---|---|---|
| ｜主な用途｜ | ｜産業用デバイス間のデジタルデータ交換｜ | ｜インテリジェントプロセス計器との通信｜ |
| ｜通信方式｜ | ｜デジタル通信｜ | ｜アナログプロセス信号およびデジタル通信｜ |
| ｜共通の物理インターフェース | RS485、RS232、またはEthernet。 | ：HART FSK対応の 4-20mA 電流ループ。 |
| ：共通実装例。 | ：Modbus RTU、Modbus TCP。 | ：Classic HART、Wireless HART、HART-IP。 |
| ：代表的な応用例。 | ：PLC、センサー、RTU、データロガー、ゲートウェイ。 | ：スマート送信器。DCSシステムおよび資産管理 |
| 一次プロセスの値 | デジタルレジスタの読み取り | 通常は 4-20mA 信号を介して利用可能 |
| デジタル通信速度 | シリアルバードレートまたはEthernetネットワークに依存 | クラシック HART FSK: 1200 bit/s |
| デバイス構成 | レジスタの読み書き操作により実行 | HART コマンドにより実行 |
4.なぜ Modbus は RS485 とよく組み合わせて使用されるのでしょうか？
Modbus と RS485 は同じ技術ではありません。RS485 は電気通信規格です。これは、デジタル信号をシリアルバス上でどのように伝送するかを規定するものであり、一方、Modbus は通信プロトコルである。アドレス、機能コード、レジスタ構造、およびリクエスト／レスポンスの振る舞いを定義する。
このため、用語「RS485 Modbus RTU」は、物理的な通信インターフェースとして RS485 が用いられ、データプロトコルとして Modbus RTU が用いられることを意味する。そのため、多くの産業用センサでは、V+、GND、RS485-A、RS485-Bの4本の線を用いている。
1本の RS485 バスは、異なるアドレスを持つ複数の Modbus デバイスをサポートすることも可能です。この特性により、複数のセンサが1台の PLC、RTU、または産業用ゲートウェイと通信する必要がある分散型監視システムに、本アーキテクチャが適しています。
5．なぜ HART が 4-20mA で広く用いられているのか？
従来のプロセス産業では、主要なプロセス値を簡便かつ堅牢に伝送できるため、4-20mA 電流ループが数十年にわたり広く用いられてきた。HART 規格は、アナログ信号を維持したままデジタル通信を追加することで、このアーキテクチャを拡張したものである。
例えば、HART 圧力送信機は、4-20mA 信号を介してリアルタイムの圧力値を継続的に送信する一方で、同一の装置が HART デジタルチャネルを介して設定された測定範囲、エンジニアリング単位、装置の状態、および診断情報を提供することが可能です。
この方式は、既に広範な 4-20mA 配線およびDCSインフラを有しているが、インテリジェントなフィールドデバイスからより多くの情報を必要とするプラントにおいて特に有効です。
6. Modbus は RS485 に限定されるのか？
いいえ。Modbus は RS485 に限定されるものではありません。Modbus RTU は、そのインターフェースが産業用シリアルネットワークに最適であるため、RS485 を介して広く利用されています。また、Modbus はRS232を介して動作することも可能です。Modbus TCP はEthernetおよびTCP/IPネットワーク上で動作し、PLC や SCADA システム、産業用コンピュータ、通信ゲートウェイなどにおいて一般的に使用されています。
したがって、Modbus 自体を RS485 プロトコルと見なすよりも、RS485 を Modbus RTU における一般的な伝送方式の一つとして記述する方がより正確である。
7. HART は 4-20mA に限定されるか？
クラシック HART は 4-20mA 電流ループと密接に関連しているが、HART 技術群は当初の有線実装を越えて拡大している。Wireless HART は無線によるフィールドデバイス間通信に用いられ、HART-IPは HART 情報をIPベースのネットワークを介して伝送することを可能にする。
しかし、従来のプロセス計測装置では、「HART 送信機」という用語が用いられている。依然として、最も一般的に用いられるのは、4-20mA のアナログプロセス信号と HART デジタル通信を統合したスマート送信器を指す。
8. Modbus および HART の代表的な応用例
Modbus の応用例
環境モニタリング、気象観測所、水質監視システム、土壌モニタリング、水位監視、産業用機器の監視、および分散型データ収集など、幅広い分野で広く採用されています。特に、複数のデジタルデバイスが PLC、RTU、またはIoTゲートウェイに接続する必要がある場合に、極めて実用的です。
HART アプリケーション
スマート圧力、差圧、温度、流量および液面送信器を用いるプロセス産業において一般的に使用されます。デジタル構成および診断データの取得を必要とする一方で、4-20mA 方式のプロセス制御を維持する必要がある場合に適しています。
一般的な Modbus アーキテクチャは以下の通りです。センサー → RS485 Modbus RTU → PLC / RTU / IoTゲートウェイ。一般的な HART アーキテクチャは、スマート送信機 → 4-20mA + HART → PLC / DCS / HART モデム / 資産管理システムの構成である。
9. Modbus と HART の選択方法
プロトコルの選定は、既存の制御アーキテクチャから開始すべきである。プロジェクトが既に RS485 を採用している場合、あるいは複数のデジタルセンサーが同一の通信ネットワークを共有する必要がある場合、Modbus RTU は比較的容易に統合できる。一方、プラントが既に 4-20mA のプロセスループを採用しており、アナログ制御構造を変更することなくデバイス設定および診断を行う必要がある場合には、HART がより適している可能性がある。
| 選択項目 | 確認情報 |
|---|---|
| 制御システム | PLC、DCS、RTU、SCADA、またはIoTゲートウェイ |
| 現場インターフェース | RS485、4-20mA、またはEthernet |
| 通信距離 | 現場計器と制御システムとの距離 |
| デバイス数 | ：1台の計測装置、または1つのネットワーク上の複数のデバイス |
| ：データ要件 | ：1つのプロセス変数、または複数のデジタルパラメータ |
| ：診断 | ：状態のありなし診断およびリモート設定が必要です。 |
| 既存の配線状況。 | 4-20mA インフラストラクチャが既に設置されているか。 |
| 今後の拡張性。 | 後から追加のセンサーまたは計測器を追加できるか。 |
FAQ。
Q1：Modbus と RS485 は同じプロトコルですか？
A1: いいえ。RS485 は物理層の電気通信規格であるのに対し、Modbus は通信プロトコルです。Modbus RTU は一般的に RS485 を介して実装されており、そのためこの二つの用語が頻繁に併用されます。
Q2：HART は RS485 プロトコルですか？
A2：いいえ。従来の HART は、4-20mA の電流ループ上にFSKデジタル通信を重ねて使用します。これは RS485 に基づくものではありません。
Q3：HART 送信機は依然として 4-20mA の出力を提供できますか？
A3：はい。4-20mA 信号は通常、主要なプロセス変数を伝送するのに対し、HART デジタル通信は構成情報、状態情報、および診断情報を追加で提供する。
Q4：Modbus はEthernetを介して通信できますか？
A4：はい。Modbus TCP はEthernetおよびTCP/IPネットワーク上で動作し、PLC、SCADA、および産業用ゲートウェイのアプリケーションで広く使用されています。
Q5：複数の Modbus デバイスが1つの RS485 バスを共有できますか？
A5：はい。異なるアドレスを持つデバイスが、1つの RS485 Modbus ネットワークを共有することが可能です。実際に使用できるデバイスの数は、トランシーバの負荷、配線設計、ケーブル長、バードレート、および電気環境に依存します。
Q6：HART では、1つ以上の変数を伝送できますか？
A6：はい。4-20mA 信号は通常、主要な変数を表しますが、HART デジタル通信では、追加の変数や装置の状態、診断情報、設定データも提供できます。
Q7：Modbus と HART のどちらが高速ですか？
A7：クラシック HART FSKは1200 bit/sで動作します。Modbus RTU はさまざまなシリアルバードレートを使用可能であり、Modbus TCP はイーサネットを介して動作します。二つの技術は異なる用途を有するため、通信速度のみを根拠にプロトコルの選定を行うべきではありません。
結論
Modbus と HART は確立された産業用通信技術であるが、それぞれ異なる用途向けに設計されている。Modbus は産業用デバイス間でのデジタルデータ交換に特化しており、センサー、PLC、RTU、データロガー、および産業用ゲートウェイ向けに、一般的に RS485 Modbus RTU または Modbus TCP として採用されている。
HART は主にインテリジェントプロセス計器に採用されています。従来の 4-20mA 信号にデジタル通信機能を付加することで、制御システムや資産管理システムが、アナログ測定チャネルを維持したまま、プロセス値、設定データ、装置の状態、および診断情報を取得できるようになります。
したがって、適切なプロトコルは、既存の制御システム、現場の配線状況、デバイス数、必要とするデータ内容、診断要件、および将来の拡張可能性に基づいて選定されるべきである。 METRAVON 産業用計測製品は、4-20mA などのインターフェースで構成することが可能です。mA そして RS485 Modbus～によると PLC、DCS、RTUおよびデータ取得システムの要件。
