ネットワークとバス：デジタルシステムにおける配線の明確なガイド

タンクと監視場所の間のワイヤーは、バスまたはネットワークと呼ばれます。この2用語の区別は意味論的なものであり、技術的な差異はなく、実用上は交換可能です。経験では、「バス」は通常、コンピュータデバイスの筐体内でデジタルコンポーネントを接続するワイヤーセットを指し、「ネットワーク」は物理的により広範なものを指します。

近年、「バス」という用語は、離散計装センサを長距離で相互接続するネットワークを記述する際にも普及しています（「フィールドバス」や「プロフィバス」が2つの例）。いずれの場合も、2つ以上のデジタルデバイスを接続してデータ通信を可能にする手段を指しています。

「フィールドバス」や「プロフィバス」といった名称は、バスやネットワークの物理配線だけでなく、通信用の指定電圧レベル、タイミングシーケンス（特にシリアルデータ伝送）、コネクタピンアウト仕様、ネットワークのその他すべての技術的特徴を含みます。

つまり、特定のタイプのバスやネットワークを名前で語るとき、実際には通信標準について語っているのです。これは、書き言葉のルールと語彙にほぼ類似しています。例えば、2人以上がペンパルになるには、共通の形式で書き合える必要があります。

単に相手に手紙を届けられる郵便システムがあるだけでは不十分です。フランス語で書き合うことに合意すれば、フランス語標準で規定される文字セット、語彙、スペル、文法の慣習を守ることに合意したことになります。

同様に、2つのプロフィバスデバイスを接続すれば、プロフィバス標準が電圧レベル、タイミングシーケンス等の重要詳細を規定しているため通信可能になります。複数デバイス間にワイヤーを張り巡らせただけでは、動作するシステムにはなりません（特に異なるメーカー製デバイスの場合！）。

詳細に説明するため、独自のバス標準を設計してみましょう。5つのスイッチで水位を検出する簡易水タンク測定システムを使用し、信号伝導に（少なくとも）5本のワイヤーを用いて、強力なBogusBusの基礎を築きます：

 

 

BogusBusの物理配線は、送信デバイス（スイッチ）と受信デバイス（ランプ）間の7本のワイヤーで構成されます。送信側は左端のコネクタ（「—>>—」記号）より左側のすべてのコンポーネントと配線接続で構成されます。各コネクタ記号は相補的なメス/オス要素を表します。バス配線はコネクタペア間の7本のワイヤーです。

最後に、受信側とその構成配線は右端のコネクタより右側にあります。5本のネットワークワイヤー（1〜5ラベル）がデータを伝送し、2本（+Vと-Vラベル）がDC電源接続を提供します。7ピンコネクタプラグの標準もあります。ピンレイアウトは非対称で、「逆向き」接続を防ぎます。

メーカーが製品に畏敬の念を抱かせる「BogusBus準拠」認証を取得するには、BogusBus設計者（おそらく特定タスク向けにバスを設計し、幅広い用途にマーケティングした別会社）が設定した仕様に準拠する必要があります。例えば、すべてのデバイスはBogusBusの24V DC電源を使用可能でなければなりません：送信側のスイッチ接点はそのDC電圧のスイッチング定格、ランプはその電圧での駆動定格、コネクタはすべてを処理できる必要があります。

もちろん配線も同標準に準拠しなければなりません：ランプ1〜5は適切なピンに配線され、XYZ社製送信側のLS4が閉じるとABC社製受信側のランプ4が点灯するようにしなければなりません。送信側と受信側の両方に24V出力定格のDC電源が含まれるため、すべての送信/受信組み合わせ（すべての認定メーカーから）は、電源が安全に並列接続可能でなければなりません。

XYZ社が送信側の24VDC電源負極をアース接地し、ABC社が受信側の24VDC電源正極をアース接地した場合を考えます。両アースが比較的「堅固」（例：産業用建物の金属構造体でアースを取った場合のような低抵抗）なら、2つの電源が互いに短絡します！

BogusBusは、完全に仮想的で非常に非現実的なデジタルネットワークの例です。データ分解能が極めて低く、デバイス接続に大量の配線を必要とし、単方向（送信側から受信側のみ）通信しかできません。しかし、ネットワークとは何か、ネットワーク選択と運用に関連する考慮事項のいくつかを示すチュートリアル例としては十分です。

職業上遭遇する可能性のあるバスとネットワークには多くの種類があります。それぞれ固有の用途、利点、欠点があります。さまざまな設計をラベル付けするために使用される「アルファベットスープ」のいくつかを把握しておく価値があります：

短距離バス

PC/AT
初期IBM互換コンピュータで、ディスクドライブやサウンドカードなどの周辺デバイスをマザーボードに接続するために使用されたバス。

PCI
パーソナルコンピュータで使用される別のバス、IBM互換に限定されない。PC/ATよりはるかに高速。典型的データ転送レート：100 Mbytes/秒（32ビット）、200 Mbytes/秒（64ビット）。

PCMCIA
ラップトップやノートブックサイズのパーソナルコンピュータに周辺機器を接続するために設計されたバス。物理的「フットプリント」が非常に小さいが、他の一般的なPCバスよりかなり低速。

VME
（モトローラと共同設計、モトローラの以前のVersa-Bus標準に基づく）高性能バス。多機能、周辺、さらにはマイクロプロセッサカードをパッシブな「ラック」または「カードケージ」に挿してカスタムシステム設計を容易にする、汎用的な産業用および軍事用コンピュータの構築向け。典型的データ転送レート：50 Mbytes/秒（64ビット幅）。

VXI
実際にはVMEバスの拡張。VXI（VME eXtension for Instrumentation）は標準VMEバスに加え、ラック内カード間のアナログ信号用コネクタを含む。

S-100
アルテアバスとも呼ばれる。1976年の会議で生まれたバス標準で、Intel 8080マイクロプロセッサチップへのインターフェースを意図。複数機能カードをパッシブ「ラック」に挿してカスタムシステム構築を容易にする哲学ではVMEと類似。

MC6800
Intel中心のS-100バスに対するモトローラ相当品。人気のMotorola 6800マイクロプロセッサチップに周辺デバイスをインターフェースするために設計。

STD
Simple-To-Designの略。PC/ATバスに類似したもう1つのパッシブ「ラック」で、IBM互換ハードウェアベースの設計に適する。Pro-Log設計、8ビット幅（パラレル）、比較的小型（4.5インチ×6.5インチ）回路カードに対応。

Multibus IおよびII
カスタムコンピュータシステムの柔軟な設計向けの別のバス、Intel設計。16ビット幅（パラレル）。

CompactPCI
パーソナルコンピュータPCI標準の産業適応版。古いVMEバスの高性能代替として設計。バスクロック速度66 MHzで、データ転送レートは200 Mbytes/秒（32ビット）または400 Mbytes/秒（64ビット）。

Microchannel
IBMが失敗したPS/2シリーズコンピュータ向けに設計したもう1つのバス。PCマザーボードを周辺デバイスにインターフェースすることを意図。

IDE
パーソナルコンピュータのハードディスクドライブを適切な周辺カードと接続するために主に使用されるバス。今日のパーソナルコンピュータでハードドライブとCD-ROMドライブのインターフェースに広く使用。

SCSI
パーソナルコンピュータディスクドライブ用の代替（技術的にIDEより優秀）バス。SCSIはSmall Computer System Interfaceの略。一部のIBM互換PC、Macintosh（Apple）、多くのミニおよびメインフレームビジネスコンピュータで使用。ハードドライブ、CD-ROMドライブ、フロッピーディスクドライブ、プリンタ、スキャナ、モデム、その他多数の周辺デバイスをインターフェース。オリジナル標準で最大1.5 Mbytes/秒。

GPIB (IEEE 488)
汎用インターフェースバス、HPIBまたはIEEE 488としても知られる。オシロスコープやマルチメータなどの電子テスト機器をパーソナルコンピュータにインターフェースすることを意図。8ビット幅アドレス/データ「パス」に通信制御用の8本の追加ライン。

Centronicsパラレル
パーソナルコンピュータでプリンタとプロッタデバイスのインターフェースに広く使用。外部ZIP（100 Mbyteフロッピー）ディスクドライブやテープドライブなど、他の周辺デバイスとのインターフェースにも使用されることがある。

USB
ユニバーサルシリアルバス。キーボード、モデム、マウスなど多くの外部周辺デバイスをパーソナルコンピュータに相互接続することを意図。長らくMacintosh PCで使用、現在はIBM互換機でも新規装備としてインストールされている。

FireWire (IEEE 1394)
100、200、または400 Mbpsで動作可能な高速シリアルネットワーク。「ホットスワッピング」（電源オンのままデバイス追加/削除）や柔軟なトポロジーなど多機能。高性能パーソナルコンピュータインターフェース向けに設計。

Bluetooth
コンピュータデバイスのオフィスリンク向けに設計された無線ベース通信ネットワーク。データセキュリティ規定がこのネットワーク標準に設計されている。

 

長距離ネットワーク

20 mA電流ループ
一般的な計装用4-20 mAアナログ標準と混同しないこと。これは、20 mA（または場合によって60 mA）電流ループを遮断してバイナリデータを表現するデジタル通信ネットワーク。低インピーダンスが良好な耐ノイズ性を与えるが、配線故障（断線など）に弱く、ネットワーク全体がダウンする。

RS-232C
コンピュータシステムで最も一般的なシリアルネットワーク。プリンタやマウスなど周辺デバイスをパーソナルコンピュータにリンクするためによく使用。速度と距離に制限（典型的に45フィート、20 kbps、ただし短距離ならより高速も可能）。6フィートケーブルで100 kbps超でRS-232を確実に動作させた経験あり。RS-232Cはしばしば単にRS-232（「C」なし）と呼ばれる。

RS-422A/RS-485
RS-232Cの距離と汎用性の制約を克服するために設計された2つのシリアルネットワーク。電気的に「ノイジー」なプラント環境でシリアルデバイスをリンクするために産業界で広く使用。RS-232Cよりはるかに長距離・高速、典型的に0.5マイル超、10 Mbpsに近い速度。

Ethernet (IEEE 802.3)
コンピュータと一部の周辺デバイスをリンクする高速ネットワーク。「通常」Ethernetは1000万ビット/秒、「高速」Ethernetは1億ビット/秒。低速（10 Mbps）Ethernetは銅線で多様な実装（太同軸＝「10BASE5」、細同軸＝「10BASE2」、ツイストペア＝「10BASE-T」）、無線、光ファイバー（「10BASE-F」）で実装済み。高速Ethernetもいくつかの手段で実装（ツイストペア2ペア＝100BASE-TX、ツイストペア4ペア＝100BASE-T4、光ファイバー＝100BASE-FX）。

トークンリング
コンピュータデバイスをリンクする別の高速ネットワーク。Ethernetとはかなり異なる通信哲学を使用し、個々のネットワークデバイスからのより正確な応答時間と、ネットワーク配線損傷に対するより高い耐性を実現。

FDDI
光ファイバーケーブルで独占的に実装される非常に高速なネットワーク。

Modbus/Modbus Plus
大手PLCメーカーModicon社によって当初実装。リモートI/O（入力/出力）ラックをPLCプロセッサとリンクするため。今でもかなり人気。

Profibus
もう1つの大手PLCメーカーSiemens社によって当初実装。

Foundation Fieldbus
複数のプロセス計器（伝送器、コントローラ、バルブポジショナ）がホストコンピュータや相互間で通信できるよう明示的に設計された高性能バス。将来的に4-20 mAアナログ信号に取って代わる、プロセス制御計装の標準的相互接続手段になる可能性がある。