制御用の接続：位置およびモーションセンサー用の通信インターフェース
通信インターフェースは、センサー（制御システムの「神経」）とコントローラー（「頭脳」）の間の非常に重要なリンクを提供します。このリンクを提供するために、通常、特定のタイプの制御システムに合わせた機能を備えた、印象的なさまざまな通信技術が導入されています。モーションコントロールに広く使用されている通信技術を見てみましょう。
特別な場合のための特別な解決策
モーションコントロールにフィードバックを提供する一部のセンサーでは、測定テクノロジーが通信インターフェースを決定します。インクリメンタルエンコーダは、信号パルスの連続ストリームを提供します—エンコーダのシャフトが特定の量回転するたびに1つです。コントローラはパルス間の間隔から回転速度を正確に決定できるため、速度制御に優れています。
多くのインクリメンタルエンコーダは、AとBと呼ばれる2つの出力信号を90°の位相差で送信し、コントローラが回転方向を決定できるようにします。また、定義された回転角で1回転するごとにZ信号を出力するものもあります。これにより、正確な基準点が提供されます。
インクリメンタルエンコーダとそのコントローラ間の接続は、各エンコーダをそのコントローラに接続する専用ケーブルを使用して、ポイントツーポイントである必要があります。通信は通常、ツイストペア配線を介して送信される差動信号に基づいており、ケーブル内の導体ペアの数は信号の数（A、B、およびZ）によって異なります。
エンコーダーの出力ドライバーは、コントローラーのインターフェースと互換性がある必要があります—プッシュプル（HTL）またはRS-422（TTL）出力ドライバーが一般的に使用されます。これらの規格は信号電圧を指定しています。
絶対位置センサー
この記事の残りの部分では、エンコーダーや傾斜計などの絶対位置センサーに焦点を当てます。これらのデバイスは、電圧/電流レベル（アナログエンコーダー）として、またはデジタルワードまたは「テレグラム」（デジタルエンコーダー）を送信することにより、特定の瞬間の測定位置を報告します。これらのデバイスは、位置制御アプリケーションに最適です。
アナログセンサーには長い歴史があり、初期の制御システムはポテンショメーター（可変抵抗器）を使用していました。最近では、D/Aコンバーターを内蔵したデジタルセンサーが導入されています。これらは、電圧（たとえば、0〜5 V）または電流（たとえば、0〜20 mA）出力のいずれかで使用できます。これらはプログラム可能なD/Aコンバーターを備えているため、システムの電気出力範囲全体（0〜5 V、0〜20 mAなど）にまたがるように、所定の範囲の機械的動作（1回転から数回転まで）を設定できます。 ）。これにより、最も重要な可動域での精度と解像度が向上します。アナログセンサーはポイントツーポイント接続を必要とし、多くの場合、電気抵抗を制限するために比較的太いワイヤーを使用します。
ビットパラレルインターフェースを備えたアブソリュートエンコーダは、ビットごとに個別の導体を使用して、測定値をデジタルワードとして報告します。応答は事実上瞬時です。接続はポイントツーポイントで、通常はリボンタイプのケーブルを介して行われます。このタイプのケーブルは比較的かさばり、柔軟性がないため、ビットパラレルシステムは短距離で最適に機能します。
デジタルポイントツーポイント配線
ポイントツーポイント配線では、専用ケーブルがコントローラーから個々のセンサーまで配線されます。アブソリュートエンコーダ用のSSI（シリアル同期インターフェース）およびBiSS（双方向シリアル同期）インターフェースは、ポイントツーポイント配線システムを使用します。これらは、PLCまたは他のコントローラに直接接続できるデジタルインターフェースです。 SSI接続は、優れた速度（最大2 Mhzのクロックレート）、高解像度、柔軟なケーブル接続、および最大数百メートルの信頼性の高い通信を提供します（ただし、長距離ではボーレートが低下します）。 SSIプロトコルは、基本的なエラー検出（断線、短絡、データの一貫性）を提供します。
BiSSはSSIの高度なバージョンであり、サーボモーター、ロボット、およびその他の自動化システムの制御デバイスとセンサー/アクチュエーター間のリアルタイム通信をサポートします。このインターフェースにより、コントローラーはスレーブデバイスの操作パラメーターを設定することもできます。 BiSS C（連続通信）やBiSS Line（1本のケーブルで電力供給とデータ伝送を組み合わせた構成用に設計された）を含むいくつかのBiSSバリアントがあります。オープンソースのSSIおよびBiSSインターフェース標準は非独占的であり、無料のライセンスがあります。
SSIおよびBiSS通信は、ポイントツーポイント接続（通常はRS-422）を使用します。複数のデバイスをデイジーチェーン接続して、より効率的なケーブルレイアウトを実現できます。
フィールドバス：共有アクセス配線システム
ポイントツーポイント配線は、距離が短く、デバイスの数が限られているシステムではうまく機能しますが、センサーの数が増えると、配線レイアウトが扱いにくくなる可能性があります。自動化システムがより高度になり、接続されるデバイスの数が増えるにつれて、いくつかのメーカーがフィールドバスシステムを導入しました。これらの機能ネットワークはバストポロジに基づいており、複数のデバイスが共通の配線バックボーンを共有しています。フィールドバスシステムは、信頼性が高く、高速で、比較的費用効果が高いです。アプリケーションは、コンベヤーや製造施設から、モバイル機器、医療機器、風力タービン、ソーラーパネルまで多岐にわたります。
複数のデバイスが共通の通信チャネルを共有していると、応答時間に問題が発生する可能性があります。バスのトラフィックが多い場合、個々のセンサーのメッセージが予測できない時間遅延する可能性があります。これを回避するために、ほとんどのフィールドバス設計では、オペレーターがデバイスを重要度の順にランク付けすることができます。これは、重要なメッセージが優先的に扱われるようにするのに役立ちます。フィールドバスシステムの物理層は通常、ツイストペアケーブル（EIA-485など）に基づいています。
人気のあるフィールドバス規格には、BoschのController Area Network（CAN）、CANopen、SiemensのProfibus（Process Field Bus）、Allen-Bradley/RockwellのDeviceNetなどがあります。北米で広く使用されているDeviceNETは、CAN物理層とCIP（共通産業プロトコル）の上位プロトコルを組み合わせたものです。 CANデータ転送標準を利用するSAEJ1939は、大型車両向けに最適化されています。
ネットワークは、物理要素（ワイヤ、コネクタ、および信号フローを制御する電子コンポーネント）と論理要素（ソフトウェアに実装されているスキーム、通信プロトコル、デバイスプロファイルなどに対応する）で構成されます。フィールドバスの世界では、多くのシステムがCAN標準を使用してネットワークの物理的側面を定義していますが、CANopen、DeviceNet、J1939などの高レベルのプロトコルはエンドツーエンドの機能を提供します。
産業用イーサネット
産業用イーサネットは、オフィスイーサネットと同じ技術的基盤を使用しますが、過酷な工場条件により適したものにするための拡張機能を備えています。工業用グレードのスイッチユニットは、頑丈な防水および防塵エンクロージャを備えている場合がありますが、多くのデバイスは、より脆弱なRJ45コネクタの代わりに堅牢なM12コネクタを使用しています。
通信プロトコルの重要なアップグレードもあります。産業用アプリケーション（特にモーションコントロール）では、通常のイーサネットネットワークで発生する可能性のある予測できない伝送遅延（遅延またはジッター）がなく、リアルタイムで動作するようにコントロールが必要になることがよくあります。 Profinet IRT、EtherNet / IP、Ethernet Powerlinkなどの産業用イーサネットシステムは、重要なメッセージにネットワーク帯域幅への優先アクセスを与える変更されたプロトコルスタックと特別なハードウェアを通じてこれに対処します。これを実現するために必要な特別なコンポーネントは、システムの複雑さとコストを増大させる可能性があります。
イーサネットは無制限の数のデバイスと柔軟なトポロジオプションのビジョンを提供しますが、システムパフォーマンスの問題（特にリアルタイムモーションコントロールアプリケーションの場合）では、ローカルトラフィックを削減し、重要なものに直接通信パスを提供する設計上の妥協が必要になる場合があることに注意してください。コンポーネント。
IO-Linkは、フィールドバスまたは産業用イーサネットネットワークと、工場のフロアにある単純なセンサーまたはアクチュエータとの間の接続を簡素化するように設計された、低コストで実装が容易な通信システムです。 IO-Linkマスターゲートウェイデバイスの一方の側には、プラント全体のネットワークへのインターフェイスがあり、もう一方の側には、個々のセンサーデバイスへの複数のポイントツーポイント接続があります。
エンドデバイスのIO-Linkインターフェースは比較的シンプルで、センサー/アクチュエータレベルで複雑な通信プロトコルをサポートする必要がありません。 IO-Linkは、測定データ、デバイス構成手順、温度などの動作条件パラメータに関する情報など、さまざまなデータタイプをサポートしています。
ワイヤレス通信
ワイヤレステクノロジーにより、頻繁に移動する必要のある移動機械（無人搬送車など）や機器との通信が可能になります。 Wi-Fi（IEEE 802.11）とBluetoothは、短距離無線通信で広く使用されている規格です。他の規格は長距離通信に使用できますが、ビットレートが低い場合があります。新たな5Gネットワークは、高いデータレートと低い遅延を約束します。
無線通信は、電気的にノイズの多い環境では有線接続よりも信頼性が低く、時間依存性の高いフィードバック信号には適さない場合があります。たとえば、倉庫ロボットの場合、無線信号を使用して、特定の場所から材料を回収するように機械に指示することができます。ただし、ステアリング、速度制御、および衝突回避のためのセンサーは、通常、信頼性の高い瞬時の応答を確保するために制御システムに配線されます。
互換性のためのオープンスタンダード
単一のベンダーが複雑な自動化システムのすべての部分にクラス最高の機器を提供することはできず、産業用ネットワーキングテクノロジーのサプライヤーは、独自のネットワーキングシステムからオープン（ベンダー中立）インターフェースおよびネットワーキング標準のサポートに移行しました。これらの規格を使用すると、モーションコントロール機器の購入者は、すべてが連携して機能することを期待して、さまざまなベンダーの規格認定コンポーネントを組み合わせて組み合わせることができます。
重要な業界標準化団体には、Open Device Vendors Association が含まれます。 、DeviceNetおよびEthernet/IP標準のスポンサー。自動化協会のCAN
この記事は、ニュージャージー州ハミルトンのFRABAInc.のゼネラルマネージャーであるChristianFellによって書かれました。詳細については、をご覧ください。 ここ
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