概要
- RS485は、送信機と受信機の電気的特性のみを規定したハードウェアアーキテクチャであり、特定の通信プロトコルを推奨するものではありません。
- RS485は、高電圧と低電圧を生成してバイナリ信号を伝送し、0（オフ）と1（オン）を表すことで、電子的なノイズが多い環境でも効率的な長距離通信を可能にします。
- RS485を利用するデバイスは、ModbusやASCIIなどの通信プロトコルを使用して中央制御システムと通信できます。
1. RS485とは？
RS485は標準的なシリアル通信インターフェースで、TIA-485(-A)またはEIA-485とも呼ばれます。これはツイストペアケーブルを使用した2線式、半二重、多点通信のための電気的特性を定義しています。RS485は同一バス上で複数のデバイスをサポートし、長距離でノイズの多い環境において優れた性能を発揮します。
「RS485は通信プロトコルではない」
RS485は電圧や信号伝送などの電気的特性を指定するものであり、データのエンコードやデコード、伝送形式を定義するものではありません。これらは通信プロトコルによって処理されます。
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RS485は通信プロトコル（速度やフォーマットなど）を定義していないため、データの送受信と解釈には、ModbusやASCIIなどのプロトコルを組み合わせて使用する必要があります。
RS485は差動信号を送信し、高電圧と低電圧でバイナリの0と1を表現します。この方式により、ノイズが多い環境でも効率的で長距離の通信が可能です。
ほとんどの場合、RS485をベースとしたデバイスは、ModbusやASCIIなどの通信プロトコルを使用して中央制御システムとの通信を確立します。
たとえば、LORRICのパドルホイール流量計を例に挙げると、この流量計は信号伝送の基盤としてModbusプロトコルを使用しています。流量計はRS485を利用して信号を送信し、顧客の中央制御システムとシリアル接続されています。中央制御システム内で適切なプログラミングや設定を行うことで、流量計から関連する流量データを読み取ることが可能になります。
2. RS485 vs RS232
RS485は、RS232のいくつかの制約を改善しています。たとえば、伝送距離、マルチポイント通信、耐ノイズ性などが向上しています。しかし、両者は直接的な代替関係にあるわけではありません。
RS232は、短距離かつシンプルなポイントツーポイント通信に適しており、たとえばコンピュータと外部デバイス間の通信に適しています。一方、RS485は、長距離、多数のデバイス、安定した通信が求められる産業用やビルオートメーションの環境で広く使用されています。
| 通信インターフェース |
RS232 |
RS485 |
| 伝送方式 |
 ポイントツーポイント通信で、同時に2台のデバイスのみ接続可能。 |
 マルチポイント通信で、チップレベルに応じて1つのバスで32、128、または256の送信機および受信機を接続可能。 |
| 伝送距離 |
15メートル以内 |
最大伝送距離は1200メートル |
| 耐干渉性 |
シングルエンド信号、大きな電圧範囲で外部電磁干渉に対する耐性が弱い。 |
差動信号伝送、小さな電圧範囲で、2本の線間の電圧差で通信し、優れた耐干渉性を持つ。 |
| 通信速度 |
最大伝送速度は20 kB/s |
距離が短いほど速度が高く、最大伝送速度は10 Mbps |
| コスト |
低い |
高い |
| 設計 |
簡単 |
複雑 |
3. RS485配線ソリューション
1 ) 複数デバイスのRS485接続
RS485は、ツイストペア線を使用して複数のデバイスを直列に接続し、データ交換を可能にする通信手段を提供します。配線方法には主に以下の2種類があります：
• 2線式ハーフデュプレックス（Half-Duplex）
送信と受信が同じ2本の信号線を共有する方式。
現在のアプリケーションでは、最も一般的に使用される配線方法です。
• 4線式フルデュプレックス（Full-Duplex）
送信用と受信用に独立した2対の信号線を使用する方式。
存在はするものの、現在のアプリケーションではあまり普及していません。
2線式ハーフデュプレックスは、コスト効率と実用性の面で広く採用されています。
この画像はRS485の配線スキームを示しており、デバイス間の接続、ツイストペアケーブルの構造、信号伝送が含まれています。
- デバイス（デバイス1、デバイス2、デバイスN）は直列に接続され、デイジーチェーントポロジーを形成しています。各デバイスのA+ポートとB-ポートが次のデバイスの対応するポートにツイストペアケーブルを使用して接続されています。この配線方法ではA+ラインとB-ラインを使用し、最も一般的に使用されるRS485の2線式半二重構成を表しています。
- 画像の左側には、ツイストペアケーブルの構造が示されており、銅線、シールド、絶縁体が含まれています。このケーブル構造は、電気的にノイズの多い環境でも安定したデータ伝送を維持するのに役立ちます。各デバイス間の接続線は可能な限り短く保つべきであり、これにより信号減衰や干渉を最小限に抑え、通信の信頼性が向上します。
- デイジーチェーンネットワーク全体は最終的にPLC（プログラマブルロジックコントローラー）に接続され、複数のデバイスと中央制御システム間のデータ交換を容易にします。RS485規格を使用することで、信号はA+ラインとB-ラインを介して伝送され、高電圧と低電圧がバイナリの1と0（オンとオフ）を表し、信頼性の高いデータ通信を確保します。
2 ) RS485配線の推奨事項
1. シールド付き24AWGツイストペアケーブルを使用**
• 485+と485-をツイストしてペアにします。
• デバイスはデイジーチェーンで接続し、リングやスター配線は避けてください。
• 高電圧ラインからRS485ケーブルを離して配置し、干渉を防ぎます。
2. ノイズ対策
• ノイズが多い環境では、ソフトウェアに再試行メカニズムを実装して干渉を処理します。
• ケーブルは短く保ち、ノイズの影響を最小限に抑えます。
• シールドをメイン通信ラインのシールドに接続して接地し、遮蔽効果を高めます。
3 ) RS485で終端抵抗を使用するタイミング
➤ 長距離通信：通信距離が300mを超える場合、信号の反射が受信機に到達してデータ中にエラーを引き起こす可能性があります。
➤ 高速通信：データレートが高い場合、信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間が短縮され、反射信号がデータ伝送に干渉するリスクが増加します。
➤ 複数デバイスのネットワーク：複数のデバイスが接続されたネットワークでは、終端抵抗が信号の安定性と信頼性を確保するのに役立ちます。
設置方法：
終端抵抗は、マスター側と通信ラインの最遠端の両端に設置します。通常、120Ωの抵抗が使用されますが、実際の値はケーブル仕様に基づいて計算する必要があります。
4. 2線式ハーフデュプレックス
2線式ハーフデュプレックスシステムでは、2台のデバイス間で双方向のデータ伝送が可能ですが、同時に通信を行うことはできません。
例：
デバイスAとデバイスBがある場合、特定の時間枠内ではAからBへのデータ伝送が許可され、伝送が完了した後にBからAへのデータ伝送が行われます。
以下は、RS-485でよく使用される回路図の例です：
提供された回路図は、2線式配線構成の基本的な接続を示しています。この方法では、ネットワーク内のすべてのノードが同じ通信ラインペアを共有します。
•Aライン（またはData+）：差動信号を送信するためのラインです。
•Bライン（またはData-）：補完的な差動信号を処理するラインです。
この差動信号伝送モードを利用することで、干渉が効果的に軽減され、通信全体の信頼性が向上します。
[2]
5. RS485に適したトポロジー
6. Communication Protocols for RS485
RS485は物理層の通信標準であり、デバイス間のデータ交換と制御を管理するためにプロトコルを必要とします。一般的なプロトコルには以下のものがあります:
- Modbus RTU
Modbus RTUは産業オートメーションで広く使用されており、RS485を用いたバイナリデータ伝送をマスター・スレーブ構造で行います。256バイトのデータフレームとCRCエラーチェックをサポートします。
- Profibus DP
Siemensが開発したProfibusは、最大12 Mbpsの速度をサポートし、分散システムやフィールドデバイス向けにマルチマスター設定を使用します。
- BACnet MS/TP
建物の自動化向けに設計されたBACnet MS/TPは、マスター・スレーブ/トークンパッシングメカニズムを使用し、9600 bpsから1 Mbpsまでの伝送速度をサポートします。
- DNP3
主に電力システムで使用されるDNP3は、タイムスタンプ付きのイベント駆動データをRS485を通じて送信し、SCADAシステムで一般的に使用され、最大9600 bpsの速度をサポートします。
- CANopen
CANバスに基づく高レベルプロトコルであり、10 kbpsから1 Mbpsまでの速度でリアルタイムデータ交換をサポートし、組み込み制御システムに最適です。
- HART
スマート計装で使用されるHARTは、4-20mAアナログ信号上にデータを重ねて送信し、16ビットの双方向データ交換をサポートし、デバイスの監視と診断に適しています。
7. RS485の通信プロトコル
RS485はハードウェア規格であり、通信プロトコル自体は定義されていません。そのため、データの送受信には、別途プロトコルを選択して実装する必要があります。以下は、RS485で広く使用されている主要な通信プロトコルです：
Hingsen Semiconductorの中央化学薬液供給システムでは、薬液の正確な供給と分配が必要です。このプロセスにおいて、LORRICのパドルホイール流量計は次のような場面で活用されています：
1. 薬液濃度の管理
•流量計は、供給ラインの化学薬液の流量をリアルタイムで測定し、必要な濃度を維持するためのデータを提供します。
2.複数ラインの監視
•複数の薬液供給ラインに設置された流量計が、それぞれのラインの流量データを中央制御システムに送信。これにより、全体の運用を効率化。
3.RS485通信によるデータ収集
•RS485プロトコルを使用して、各流量計のデータを中央制御システムに統合。Modbus RTUを通じて安定した通信を実現。
4.ノイズ環境下での信頼性
•工場内のノイズ環境においても、RS485の差動信号伝送を活用することで、信号の正確性を確保。
システムの利点
•効率的な化学薬液管理：流量計を使用することで、薬液供給の正確性と一貫性が向上。
•運用コストの削減：薬品の無駄を削減し、コスト効率の高い運用を実現。
•拡張性：デイジーチェーン構成により、多数の流量計を柔軟に追加可能。
このシステムは、半導体製造における化学薬液管理の高度な要求に応える優れたソリューションを提供しています。