デジタル・アナログ・ディスクリート信号の違い：AI・AO・DI・DOを理解する

I/Oリストでは、測定値、二値状態、データ通信を区別します。AI、AO、DI、DOは、コントローラに対する入出力の方向と信号の種類を表します。デジタルプロトコルについては、インターフェースとネットワークの情報も必要です。カードを選定する前に、論理的な機能と電気的なインターフェースの両方を確認してください。

三つの信号系列

ディスクリート信号は、開／閉、運転／停止などの二値状態を表します。デジタル通信は値、状態、指令をメッセージに符号化するもので、HARTやModbusがその例です。アナログ信号は一定の範囲で連続的に変化します。すべてのデジタル物理層が二つの電圧レベルだけで構成されるわけではなく、ディスクリートI/Oチャンネルとデジタル通信ポートも同じインターフェースではありません。

混同には歴史的な背景があります。ディスクリート接点とデジタルバスはどちらも二つのレベルを使うため、両方が「デジタル」と呼ばれてきました。配線で重要なのは、その信号が測定値を表すアナログ信号なのか、二値状態を表すディスクリート信号なのか、メッセージを伝えるデジタル信号なのかという区別です。

AI — アナログ入力

アナログ入力は、連続測定値をコントローラに取り込みます。代表的なのが4–20 mAです。4 mAの「ライブゼロ」により、実際のゼロ値である4 mAと断線時の0 mAを区別できるためです。ほかには0–10 V、熱電対、測温抵抗体（RTDs）などのアナログ入力があります。

信号	インターフェース	診断上の留意点	代表的な信号源
4–20 mA	電流ループ	0 mAはループ電流の喪失を示すため、原因を診断する	伝送器
0–10 V	基準電位に対する電圧	ゼロ値は実際の値の場合も、回路故障の場合もある	電源付きセンサまたはドライブ
熱電対またはRTD	対応する専用入力	断線・短絡検出はカードと設定による	温度検出素子
0–20 mA	電流ループ	4 mAのライブゼロによる区別がない	仕様で指定された電流出力機器

AIの設計で重要なのはレンジです。伝送器の4 mA点と20 mA点を、チャンネルに設定された工業単位の値と一致させる必要があります。一致しなければ、後段のすべてで測定値のスケーリングが誤ります。

AO — アナログ出力

アナログ出力はコントローラから連続的な指令を送り、バルブポジショナやドライブへの4–20 mA信号によく使われます。出力が電流を供給するソース型か、吸い込むシンク型か、また回路の電源がどこにあるかを確認してください。位置フィードバックは通常、別の信号またはデジタル値です。指令電流を再測定するだけでは実際の弁位置を確認できません。

DI — ディスクリート入力

ディスクリート入力は、リミットスイッチ、高高液位スイッチ、圧力スイッチ、モータ運転接点などの二値状態をコントローラに取り込みます。通常は、開閉する一対の接点である無電圧接点、またはNAMUR近接センサを配線します。

無電圧接点には対応する検出回路が必要で、チャタリングが生じることがあります。NAMURスイッチは規定された2線式電流インターフェースを使用し、一般には8.2 V、1キロオームの電源特性を用います。使用するスイッチとアンプの正確なしきい値、動作方向、配線故障設定に従ってください。故障監視は診断能力を高めますが、すべてのNAMURスイッチを安全定格付きセンサにするものでも、あらゆる機械的故障を検出するものでもありません。

DO — ディスクリート出力

ディスクリート出力は、ポンプの起動、電磁弁の開放、警報ホーンの作動などの二値指令をコントローラから出します。一般的にはリレー接点またはトランジスタ出力です。実務で確認すべきなのは、実際にどの負荷を開閉できるかです。リレーはACにもDCにも対応し、より大きな電流を扱えます。トランジスタ出力は高速な半導体出力ですが、通常はDC専用で小電流向けです。DOでモータ用接触器を駆動する前に、カードの接点定格を負荷の突入電流と照合してください。

用途に合った信号の選定

測定または動作	適切な信号	理由
タンク液位の連続測定	AI（4–20 mA）	測定値を伝える
タンク過充填時の安全遮断	DI（NAMURまたは無電圧接点）	独立した二値の安全信号
弁位置指令	AO（4–20 mA）	ポジショナを駆動する
ポンプの起動／停止	DO（リレー）	負荷を開閉する
伝送器の設定	デジタル（ループ上のHART）	4–20 mAにデータを重畳する

安全要件と承認された設計に応じて、アナログ伝送器またはディスクリートスイッチから安全遮断を作動させる場合があります。AIカードもDIカードも、それ自体で独立性を確保するものではありません。センサの共用、プロセス接続、電源、ロジック、最終要素を、機能全体として評価してください。

技術者からの質問

Q1. 4–20 mAはアナログですか、デジタルですか？

4–20 mAの電流はアナログです。HART伝送器は同じ2本の線にデジタルFSK信号を重畳するため両方を扱えますが、電流自体はアナログ信号です。

Q2. 無電圧接点と有電圧接点の違いは何ですか？

無電圧接点は検出用電圧を自ら供給しません。電源付きの出力は電気的なレベルを供給するため、受信入力がそのレベルに対応する必要があります。DIカードには違いがあるので、すべて同じ接点配線を受け付けると考えず、電圧、電流、コモン、ソース／シンク構成を確認してください。

Q3. NAMURにはどのような目的がありますか？

規定された電流インターフェースにより、対応する入力やアンプが開閉状態を区別し、設定されていれば配線故障も検出できます。回路全体の検出範囲と故障時の応答を確認してください。機構の固着や一部のセンサ故障については、依然としてプルーフテストが必要な場合があります。

Q4. 1本の線でAIとDIを伝送できますか？

通常、導体1本だけでは回路は完成しません。HARTの2線式ループではアナログ値とデジタル状態を伝送でき、ほかのバスでは複数の論理値を伝送できます。ただし、そのメッセージが自動的に物理的なAI・DIチャンネルになるわけではありません。受信システムがインターフェースとマッピングに対応している必要があります。

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