制御システムを接続：位置・モーションセンサー向け信頼できる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（制御システムの「脳」）を結ぶ極めて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と能力を持つ、印象的な多様性の通信技術が導入されてきました。モーション制御で広く使用される通信技術のいくつかを見てみましょう。

特殊ケース向けの特別なソリューション

モーション制御のフィードバックを提供する一部のセンサーでは、計測技術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ーは、エンコーダーの軸が一定量回転するたびに1つの信号パルスを連続的に出力します。コントローラーがパルス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ーは、90°位相差を持つAとBの2出力信号を送信し、コントローラーが回転方向を判断できるようにしています。一部は、決められた回転角で1回転ごとに1回Z信号を出力します。これにより精密な基準点が得られます。

インクリメンタルエンコーダーとそのコントローラーの接続はポイントツーポイントでなければならず、専用ケーブルで各エンコーダーをコントローラーに接続します。通信は通常、ツイストペア配線上の差動信号に基づき、ケーブル内の導体ペア数は信号数（A、B、Z）に依存します。

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。Push-Pull（HTL）またはRS-422（TTL）出力ドライバーが一般的です。これらの規格は信号電圧を規定しています。

絶対位置センサー

この記事の残りは、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、特定の瞬間の測定位置を、電圧/電流レベル（アナログエンコーダー）またはデジタルワードや「テレグラム」の送信（デジタルエンコーダー）として報告します。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。

アナログセンサーは長い歴史があり、初期の制御システムではポテンショメーター（可変抵抗器）が使用されていました。より最近では、内蔵D/Aコンバーターを持つデジタルセンサーが導入されています。これらは電圧（例：0-5V）または電流（例：0-20mA）出力で利用可能です。プログラマブルD/Aコンバーターを備え、所定の機械的動作範囲（回転の一部から複数回転まで）をシステムの全電気的出力範囲（例：0-5V、0-20mA）にマッピングできます。これにより、最も重要な動作範囲での精度と分解能が向上します。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、電気抵抗を制限するために比較的太いゲージのワイヤがよく使用されます。

ビットパラレルインターフェースを持つ絶対エンコーダーは、測定値をデジタルワードとして報告し、ビットごとに別々の導体を使用します。応答は事実上瞬時です。接続はポイントツーポイントで、通常リボンタイプケーブルを使用します。このタイプのケーブルは比較的嵩張り柔軟性に欠けるため、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各個別センサーに伸びます。絶対エンコーダー用のSSI（シリアル同期インターフェース）と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や他のコントローラー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（クロックレート最大2MHz）、高分解能、柔軟な配線、数百メートルまでの信頼性の高い通信を提供します（長距離ではボーレートが低下）。SSIプロトコルは基本的なエラー検出（断線、短絡、データ整合性）を提供します。

BiSSは、サーボモーター、ロボット、その他のオートメーションシステムにおける制御デバイスとセンサー/アクチュエータ間のリアルタイム通信をサポートするSSIの進化版です。インターフェースはコントローラーがスレーブデバイスの動作パラメータを設定することも可能にします。BiSS C（連続通信）やBiSS Line（電力供給とデータ伝送を単一ケーブルで組み合わせた構成向け）など、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とBiSSインターフェース標準は非独占的で、ライセンスコストがかかりません。

SSIとBiSS通信はポイントツーポイント接続を使用します（通常RS-422）。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にできます。

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、短距離と限られたデバイス数のシステムではうまく機能しますが、センサー数が増えると配線レイアウトが手に負えなくなる可能性があります。自動化システムがより洗練され、接続デバイス数が増えるにつれ、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。これらはバス トポロジーに基づくネットワークで、複数のデバイスが共通の配線バックボーンを共有します。フィールドバスシステムは信頼性が高く、高速で、比較的コスト効率に優れています。アプリケーションはコンベア、製造施設、移動機器、医療機器、風力タービン、太陽光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すると、応答時間に問題が生じる可能性があります。バス上のトラフィックが多いと、個々のセンサーのメッセージが予測不可能な時間だけ遅延する可能性があります。これを回避するため、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順にランク付けできます。これにより、重要なメッセージが優先的に処理されることを保証します。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（例：EIA-485）に基づいています。

一般的なフィールドバス標準には、ボッシュのController Area Network（CAN）、CANopen、シーメンスのProfibus（Process Field Bus）、アレンブラッドリー/ロックウェルのDeviceNet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（Common Industrial Protocol）上位プロトコルを組み合わせています。SAE J1939は、CANデータ伝送標準を利用し、重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（ワイヤー、コネクター、信号フローを制御する電子部品）と論理要素（アドレススキーム、通信プロトコル、デバイスプロファイルなど、ソフトウェアで実装されるもの）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側面を定義し、CANopen、DeviceNet、J1939などの上位プロトコルがエンドツーエンド機能を提供します。

産業用Ethernet

産業用Ethernetは、オフィスEthernetと同じ技術的基盤を使用しますが、厳しい工場条件に適した拡張が施されています。産業グレードのスイッチユニットは堅牢な防水・防塵エンクロージャーを備え、多くのデバイスが脆弱なRJ45コネクターの代わりに堅牢なM12コネクターを使用します。

通信プロトコルにも重要なアップグレードがあります。産業アプリケーション、特にモーション制御では、通常のEthernetネットワークで発生し得る予測不可能な伝送遅延（レイテンシやジッター）なしで、リアルタイム動作が要求されることがよくあります。Profinet IRT、EtherNet/IP、Ethernet Powerlinkなどの産業用Ethernetシステムは、修正されたプロトコルスタックと特殊ハードウェアにより、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ことでこれに対応します。この達成に必要な特殊コンポーネントは、システムの複雑さとコストを増やす可能性があります。

Ethernetは無制限のデバイス数と柔軟なトポロジーオプションのビジョンを提供しますが、システム性能の問題、特にリアルタイムモーション制御アプリケーションでは、ローカルトラフィックを削減し、重要コンポーネントへの直接通信パスを提供する設計妥協が必要になる場合があることに注意が必要です。

IO-Linkは、フィールドバスや産業用Ethernetネットワークと、工場フロアにあるシンプルなセンサーやアクチュエータ間の接続をシンプルにするための低コスト、導入しやすい通信システムです。IO-Linkマスターゲートウェイデバイスの一方にプラント全体ネットワークへのインターフェースがあり、もう一方に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。

エンドデバイス用の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を排除します。IO-Linkは測定データ、デバイス設定指示、温度などの動作条件パラメータに関する情報など、多様なデータタイプをサポートします。

ワイヤレス通信

ワイヤレス技術は、移動機械（例：自律誘導車両）や頻繁に移動が必要な機器との通信を可能にします。Wi-Fi（IEEE 802.11）とBluetoothは、短距離ワイヤレス通信で広く使用される標準です。より長距離通信向けの他の標準も利用可能ですが、ビットレートが低い場合があります。新興の5Gネットワークは高データレートと低レイテンシを約束します。

ワイヤレス通信は、電気的にノイズの多い環境では有線接続より信頼性が低く、高度に時間依存のフィードバック信号には適さない場合があります。倉庫ロボットの例では、ワイヤレス信号で特定場所から資材を取得するよう機械に指示できます。しかし、操舵、速度制御、衝突回避のセンサーは、信頼性の高い即時応答を確保するため、通常制御システムにハードワイヤー接続されます。

互換性のためのオープン標準

単一ベンダーが複雑なオートメーションシステムのすべての部分でベストインクラス機器を供給できるわけではなく、産業ネットワーキング技術のサプライヤーは独自ネットワークシステムから、オープン（ベンダー中立）なインターフェースとネットワーキング標準のサポートへ移行してきました。これらの標準により、モーション制御機器の購入者は、標準認証済みコンポーネントを異なるベンダーから組み合わせ、すべてが連携して動作することを期待できます。

重要な業界標準化団体には、DeviceNetとEthernet/IP標準のスポンサーであるOpen Device Vendors Association、CANopenプロトコルのスポンサーであるCAN in Automation Association、ProfibusとProfinetインターフェースのスポンサーであるProfibus Nutzerorganisationがあります。

本記事は、FRABA Inc.（ニュージャージー州ハミルトン）ジェネラルマネージャーChristian Fell氏によって執筆されました。詳細についてはこちらをご覧ください。