完全なRS-485通信ガイド：配線、デバイス、プロトコル、トラブルシューティング

カタログ

図1。RS-485通信

RS-485通信とは何ですか？

EIA-485またはTIA-485-Aとしても知られるRS-485は、騒々しい環境で長距離の高信頼性データ転送用に設計された堅牢なシリアル通信標準です。RS-232のようなシングルエンドの標準とは異なり、RS-485は差動シグナル伝達を使用します。これは、ツイストペアケーブル全体に対立する電圧信号を伝達します。この方法は、騒音免疫を改善し、最大1,200メートルの距離を通過する通信を可能にします。

RS-485はどのように機能しますか？

RS-485は、差動シグナル伝達を使用してデータを送信する堅牢なシリアル通信基準です。つまり、通常は共通の地面に依存するのではなく、2つの線とBの電圧の差に基づいて情報を送信します。レシーバーは、これら2つの電圧を比較してバイナリ値を解釈します。

システムは通常、シールドされたツイストペアケーブルを使用します。これらは、信号の完全性を維持し、電磁干渉（EMI）を減らすのに役立ちます。信号反射を防ぐために、120オームの終端抵抗が通信ラインの両端に配置されます。オプションのバイアス抵抗器は、ラインがアイドル状態のときに電圧レベルを安定させる可能性があります。

RS-485は、2つの通信モードをサポートしています：ハーフデュプレックス（送信および受信の共有行、1つのデバイスが一度に1つのデバイストーク）とフルダップレックス（同時双方向通信のための2つのペア）。ハーフダップレックスは、より単純な配線により一般的です。

図2。RS-485ハーフデュプレックスモード

図3。RS-485全二重

RS-485が物理層のみを定義することに注意することが重要です。Modbus RTU、BACNET MS/TP、Profibus DPなどの高レベルのプロトコルは、アドレス指定、フレーミング、エラーチェックの管理に使用されます。バス上の各デバイスには、ハードウェアまたはソフトウェアを介して構成された一意のIDが必要です。

RS-485の機能

RS-485の利点

•優れたノイズ免疫： 微分シグナル伝達は、コモンモードの干渉を拒否し、近くのモーター、リレー、電力線など、高いEMIを使用した環境でのエラーのない通信を可能にします。

•マルチデバイスネットワーキング： 単一のケーブルで最大32のデバイス（またはリピーターを使用して）を簡単にサポートし、分散センサー、アクチュエーター、または建物の自動化および工場システムの制御モジュールに最適です。

•費用効率の高いアーキテクチャ： わずか2つまたは3つのワイヤでネットワークスイッチやハブが必要ないため、RS-485はインストールコストを最小限に抑えます。そのスケーラビリティにより、最小限の再配線で将来のデバイスの追加が可能になります。

•長距離通信： ケーブルを介して稼働しているのは、最大1,200メートルの低ボーレートで走行しているため、製造工場、倉庫、キャンパス、輸送ハブなどの大規模な施設に適しています。

RS-485アプリケーション

•産業自動化： RS-485は、工場とプロセスの自動化ネットワークのバックボーンを形成します。プログラム可能なロジックコントローラー（PLC）、センサー、可変周波数駆動（VFD）、モーターコントローラー、およびヒューマンマシンインターフェイス（HMI）を接続します。これにより、製造フロアや組立ラインなどの電気的にノイズの多い環境であっても、同期されたリアルタイム制御、効率的なデータ交換、障害診断が可能になります。

•建築管理システム（BMS）： 近代的な建物は、RS-485に依存して、HVACコントローラー、照明システム、火災警報器、占有センサーなどのデバイスを相互接続しています。Modbus RTUやBACNET MS/TPなどのプロトコルは、RS-485を上回ってスケーラブルで費用対効果の高い自動化ネットワークを作成します。これにより、集中監視、エネルギーの節約、居住者の快適性が向上します。

•スマートエネルギー監視とグリッドシステム： RS-485は、スマートメーター、ソーラーインバーター、エネルギー貯蔵システム、およびサーキットブレーカーを集中監視プラットフォームにリンクします。ユーティリティと施設が電力消費を追跡し、ピーク負荷を特定し、需要応答戦略を実装するのに役立ちます。

•輸送およびEVインフラストラクチャ： 輸送では、RS-485は、列車、メトロ、バス、電気自動車（EV）の充電ステーション内での診断、シグナル、および監視に使用されます。電磁干渉（EMI）に対する弾力性と長いケーブルを介して送信する能力により、ブレーキステータスやバッテリーの健康監視などのミッションクリティカルな制御システムに最適です。

•セキュリティおよび監視システム： RS-485は、パンチルトズーム（PTZ）カメラ、アクセス制御ユニット、モーション検出器、アラームパネルの長距離制御をサポートしています。

•医療および実験装置： 医療イメージングデバイス、診断マシン、および実験室アナライザーは、サブシステム間の内部通信またはコンピューターとのインターフェースにRS-485を使用することがよくあります。

•農業および環境の監視： RS-485は、灌漑コントローラー、土壌センサー、気象観測所、およびリモート制御システムを接続するために、スマートファーミングアプリケーションでますます使用されています。これにより、大規模な農業業務における効率的な環境データ収集と遠隔作動が可能になります。

RS-485対RS-422対RS-232比較

図4。RS-485対RS-422対RS-232比較

RS-485インストールと構成

ステップ1：ネットワークトポロジを計画します。 RS-485ネットワークは、星やリングのレイアウトではなく、線形バス（デイジーチェーン）トポロジに従う必要があります。

ステップ2：適切なケーブルを選択します。 120オーム、通常24 AWGまたは22 AWGの特徴的なインピーダンスを備えたシールドされたツイストペアケーブルを使用します。

ステップ3：終了抵抗器を追加します。 RS-485バスの両端に120Ω終端抵抗器を取り付けます（すべてのデバイスではなく）。

ステップ4：デバイスアドレスを割り当てます。 RS-485ネットワーク上の各デバイスには、通信の競合を防ぐための一意のアドレスがあることを確認してください。通常、アドレス指定は、ディップスイッチ、ジャンパー設定、またはデバイスファームウェア/ソフトウェアを使用して構成できます。トラブルシューティングとメンテナンスについては、アドレスマップを文書化するように注意してください。

ステップ5：RS-485からRS-232コンバーターを使用します。 PCやコントローラーなどのデバイスがRS-232のみをサポートする場合、通信を有効にするためにRS-232からRS-485コンバーターが必要です。

ステップ6：接続を確認します。 物理的なセットアップ後、マスターデバイスからコマンドまたはクエリを送信し、接続されたすべてのスレーブデバイスからの応答を確認して、通信テストを実行します。

ステップ7：診断ツールを使用します。 トラブルシューティングまたは微調整のために、オシロスコープ、ロジックアナライザー、RS-485プロトコルアナライザーなどのツールを使用して、信号波形を検査できます。

RS-485通信の問題のトラブルシューティング

RS-485を使用するトップ通信プロトコル

RS-485は、デバイスがデータの対処、送信、および検証方法を定義する多数の通信プロトコルの物理レイヤーとして広く採用されています。これらの高層プロトコルにより、マルチデバイスRS-485ネットワーク全体で整理された信頼できるデータ交換が保証されます。以下は、RS-485で動作する最も一般的で広くサポートされているプロトコルです。

図5。modbusrtu

•Modbus RTU： Modbus RTUは、シンプルで非常に人気のあるマスタースレーブプロトコルであり、産業用自動化で広く使用されています。マスターデバイス（PLCやSCADAシステムなど）は、コンパクトバイナリメッセージを使用して複数の奴隷（センサー、ドライブ、メーターなど）と通信することができます。エラー検出のためのCRC（環状冗長チェック）を備えており、最大247のデバイスをサポートしています。そのシンプルさ、低いオーバーヘッド、および広範なサポートにより、制御システムでのシリアル通信に最適です。

図6。PROFIBUSDP

•Profibus DP： Siemensが開発したProfibus DP（分散型周辺）は、コントローラーとフィールドデバイス間の高速データ交換用に設計された高速マルチマスタープロトコルです。さまざまな物理層を介して実行できますが、RS-485は最も一般的に使用されているものの1つです。Profibus DPは、リアルタイムコミュニケーション、包括的な診断、柔軟なトポロジオプションをサポートしており、製造業およびプロセス産業の複雑な自動化システムに適しています。

図7。BACNETMS/TP

•BACNET MS/TP： BACNET MS/TP（マスタースレーブ/トークンパス）は、自動化の構築に合わせたBACNETプロトコルスイートの一部です。RS-485を使用して、HVACユニット、照明コントローラー、セキュリティデバイスなど間の通信を可能にします。トークンパスメカニズムは、データの衝突を防ぎ、デバイス間の整然とした通信を保証します。BACNET MS/TPは、低帯域幅のシリアルリンクよりも信頼できるスケジュールされた投票を必要とするシステムで特に価値があります。

図8。DNP3（分散ネットワークプロトコル）

•DNP3（分散ネットワークプロトコル）： DNP3は、主に電気機関や水処理プラントなどのユーティリティシステムで使用される堅牢なイベント駆動型プロトコルです。イーサネットではより一般的に見られますが、小規模またはリモートのインストールのためにRS-485に展開されます。DNP3は、タイムスタンプのデータロギング、未承諾のイベントレポート、および階層化されたセキュリティ機能をサポートしているため、リスクの高いインフラストラクチャのSCADAおよびテレメトリシステムに最適です。

図9。Canopen（RS-485経由）

•Canopen（RS-485経由）： もともと缶バス用に設計されていましたが、Canopenは埋め込まれたアプリケーションでRS-485に適合させることができます。リアルタイム制御、ネットワーク管理サービス、および相互運用性のための標準化されたデバイスプロファイルをサポートします。これにより、デバイス間の正確な調整が必須であるモジュラーオートメーション、ロボット工学、医療システムに適しています。

図10。RS-485のハート

•RS-485を超えるハート： HART（Highwayアドレス可能なリモートトランスデューサー）は、伝統的に、プロセス計装のデジタル通信とアナログ（4〜20 Ma）のシグナル伝達を組み合わせて使用されていました。RS-485に適応すると、スマートフィールドインスツルとコントローラー間のデジタルマルチドロップ通信が可能になります。これは、特にアナログインフラストラクチャがまだ整っているが、デジタルアップグレードが必要な場合、プロセス業界のリモートモニタリングと診断に役立ちます。

結論

RS-485は、最新の制御および監視システムの基本的な通信基準のままです。長距離送信、単一のバス上の複数のデバイス、および電気ノイズに対する抵抗をサポートする能力により、産業、商業、インフラのセクター全体でアプリケーションを要求するのに最適です。

よくある質問[FAQ]

1。RS-485はArduinoまたはRaspberry Piで使用できますか？

はい、RS-485は、MAX485やSN75176などの外部RS-485トランシーバーモジュールを使用して、ArduinoまたはRaspberry Piで使用できます。これらのモジュールは、マイクロコントローラーのUARTに接続し、RS-485通信に必要な微分信号を処理します。

2。RS-485に終了抵抗が必要ですか？

はい、RS-485ネットワークには、メイン通信ラインの両端に120オームの終端抵抗が必要です。これにより、特に長いケーブルや高いボーレートでデータを破損する可能性のある信号反射を防ぎます。

3. RS-485バスにいくつのデバイスを接続できますか？

Standard RS-485は、1つのバスで最大32人のドライバーと32人のレシーバーをサポートします。1/8ユニットロードトランシーバーでは、この数値は、設計とトランシーバーのタイプに応じて、128以上に増加する可能性があります。

4。RS-485通信は安全ですか？

RS-485自体には暗号化や認証は含まれていませんが、組み込みのセキュリティ機能（DNP3セキュアまたは暗号化されたmodbusバリアントなど）を備えたプロトコルを実装し、孤立した送信機などの物理的な保護者を使用することにより、通信を保護できます。

5. RS-485通信にはどのケーブルを使用する必要がありますか？

120オームインピーダンスを備えたシールド、ツイストペアケーブル（たとえば、ベルデン3105AまたはCAT5/6を短時間実行する）を使用します。ねじれたペアは電磁干渉を減らし、シールドは産業環境で追加の騒音保護を追加します。