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【活用事例】Modbusとは?FA機器のIoT化事例

【活用事例】
Modbusとは?
FA機器のIoT化事例

【活用事例】Modbusとは?FA機器のIoT化事例

FA(ファクトリーオートメーション)について

製造の現場やオフィスのエレベーター、ボイラーなどに必要不可欠なのが電子制御の仕組みです。いずれも私たちの生活において身近で欠かせない存在であることは明白で、電子制御の仕組みや規格が確立されていないと、日常生活に大きな支障をきたしてしまうことは間違いありません。
電子制御において重要な役割を果たすのがPLCと通信プロトコルの存在です。今回は、それぞれがどのような役割を果たしているのか、両者の関係性とともに詳しく解説しながら、電子制御を可能にしている仕組みについて紹介していきます。
また、IoT化によってPLCやModbusが果たす役割についても併せて解説していきますので、最後まで読んでいただき参考にしてみてください。

プロトコル Modbus(モドバス)とは?

Modbus(モドバス)とは、回路の制御装置「プログラマブルロジックコントローラ(PLC)=シーケンサ」向けに定めた通信プロトコルのことです。 1979年に米国のModicon社が発売して以来、PLCはボイラーや製造機械の自動機械の制御に多く使われており、その通信に必要なModbusも特に産業界におけるスタンダードな規格になっています。また、エレベーターや遊園地の乗り物など、目には見えなくても、私たちの生活のありとあらゆるシーンで活躍しています。 スマート工場化や業務効率化を実現するにあたって、工場や機械の自動化は重要なポイントです。PLCとその通信プロトコルであるModbusはIoTにとっても重要な存在になっています。ここでは、Modbusの概要とユーピーアールの事業との関わりについてご紹介します。
【そもそも通信プロトコルってなに?】
Modbusとは通信プロトコルの一種。と説明しましたが、そもそも通信プロトコルとはどんな存在なのでしょうか。
通信プロトコルとは、ネットワークプロトコル・通信規約・通信手順などとも呼ばれ、ネットワーク上でデータを通信するための手順や規約をまとめた規格のようなものです。 手順や規定は「送信するデータの形式」、「通信エラーが起こった際の対処法」、「最初に情報を発信する端末の選定」など細かく決められています。 これらの規格に則って通信することで、発信する側と受け取る側がスムーズに連携することができるのです。

PLCとは?

PLCとはProgramable Logic Controllerの略称です。Modbusについての解説でも触れたように、PLCはエレベーターや製造機器などの制御をするために幅広く活用されています。特定のボタンを押したらどの機械を動かす、その他のボタンを押した際には機械を停止させるといったように、PLCを利用することで機械の動作条件を指定することができます。
同じ意味を指す言葉として「シーケンサ」がありますが、これは三菱電機のPLCを指す商品名です。国内においては三菱電機のPLCが高いシェアを誇ることから、PLCのことをシーケンサと呼ぶことも少なくありません。

プロトコル ModbusとPLCの関係について

ここまで、Modbusは通信プロトコルの名称、PLCは制御するための機器とご紹介してきましたが、両者には具体的にどのような関係があるのでしょうか。もう少し詳しく解説していきましょう。
たとえばエレベーターを操作する場合、エレベーターホールにあるボタンを押すとその階にエレベーターが到着します。このとき、ボタンを押したということをPLCが認識し、その階にエレベーターを停止させるという指示を送らなければなりません。

  • ボタンが押されたという信号をPLCまで届ける
  • 特定の階に停止させるという命令をエレベーターに出す

大まかにピックアップするとすれば、上記の2点が通信プロトコルであるModbusが果たす役割です。
そして、どの条件が揃ったときにエレベーターを停止させ、扉を開くなどのルールを実行させるのがPLCの役割です。
例えると、Modbusはコミュニケーション手段としての言語のようなもの、PLCは頭脳のような役割を果たすと考えると分かりやすいでしょう。機械を電子制御する際にはどちらも重要な役割を果たすことは間違いなく、欠かせない存在でもあります。
加えて、制御する側(マスター)のPLC、制御される側(スレーブ)のエレベーター、両者の通信を可能にしているModbusという構図も同時に見えてきます。

プロトコル Modbusの特徴

Modbusには大きく分けて「RTUモード」と「ASCIIモード」、そして「TCPモード」の3つのモードが存在していますが、それぞれ以下のような特徴があります。

  • RTUモード データ量が少なく伝送時間が速いが、解析しにくい
  • ASCIIモード 文字データのため解析しやすいが、伝送時間が遅い
  • TCPモード 通信速度が非常に速く、Ethernet上で通信できる

RTUモードとASCIIモードはシリアル通信によって行われるため、通信速度は約19kbpsと非常に低速です。しかし、そもそもModbusで扱うデータはPLCからの制御用信号であるため、そこまで大容量である必要はないという前提があります。TCPモードは既存のインターネット環境を活かしてModbus通信が可能であるというメリットがあります。

プロトコル Modbusの通信方式

Modbusはシングルマスター/マルチスレーブという通信方式を採用し、命令(クエリ)を発することができるのはひとつのマスター(シングルマスター)のみです。スレーブはマスターによって発したクエリを受け取り、実際にその命令を実行する役割を果たします。

  • マスター スレーブに対してクエリを発することができる
  • スレーブ マスターからクエリを受け取り、命令を実行する

前述したエレベーターの例においては、押されたボタンによって制御するPLCがマスターであり、停止したエレベーターがスレーブと考えることができます。マスターとスレーブの関係性は、Modbusにおいて重要な概念でもあります。

プロトコル Modbusが広く普及した要因

たくさんの種類がある通信プロトコルの中で、なぜModbusは製造業などの産業で広く普及することが出来たのでしょうか。
その主な要因を以下でご紹介しましょう。
1)プロトコルの仕様書が一般公開されていて、利用が無料であること。
2)実装が他の通信プロトコルと比べると、比較的容易であること。
3)データをそのまま受け渡し出来ること。
4)ベンダー(販売者)に制約を設けていない。
また、Modbusは1つのネットワークに複数の機器を接続して通信することができるので、多くの機械をネットワークに結ぶ必要がある産業界と相性が良かったことも、普及した大きな要因の1つでしょう。

プロトコル Modbusの活躍フィールド

Modbusはどのような場所で活躍しているのでしょうか。前述したとおり「産業用電子機器」を接続、制御する手段として広く採用されています。 産業用電子機器の中で、どのように活躍しているのか簡単に説明しましょう。
1つの産業用電子機器の中には、それを正しく動かすためのたくさんの電子機器が備わっています。電子機器は単体で動いても大きな意味はありません。これらの電子機器が相互に情報を発信・伝送し、交換することが必要になります。
例えば、制御される側(スレーブ)である機器のスイッチのオン/オフや回路の切り替えなど、機器同士が情報を送受信する際のやりとりでもModbusが活躍しているのです。

【FA機器とIoT化で需要拡大】

近年、国を挙げた「スマート工場化」への施策や労働人口の減少などの煽りを受け、より効率的で人手に依存しない生産体制の構築を図る企業が増えています。 その中で注目されているのが、IoT、FA機器の導入です。

FA(Factory Automation)とは、工場の自動化や製造ラインの自動化に使われる機器のことを指します。基本的には生産工程だけでなく、受注、設計、検査、出荷などを総合的に自動化することです。

また、IoT(モノのインターネット)とは、モノとモノ、モノと人を連結させて、ビッグデータを収集、分析することです。生産効率の向上や柔軟性のある生産体制の構築につなげることを目的としています。

これらの取り組みや構造作りの基本は、各部を連携させることにあるので、情報伝達はもはや必須といっても過言ではありません。監視コンピュータ・遠隔端末装置に使われることが多いModbusの活躍の機会もますます増えています。

また、こうした需要の高まりを受けて、Modbusをサポートするモデムやゲートウェイが多数開発されているほか、拡張バージョンであるModbus Plusも登場しています。

FAにおけるユーピーアールの強み

  • 既存の生産設備(FA機器)にそのままアドオンできるゲートウェイ及びクラウド(UPR OCEAN)を提供できるため、いち早くデータの可視化が可能となる。さらにパッケージシステムの運営実績も豊富にあり、既存技術・システムの活用によりアプリケーション構築も安価に提供することができる。
  • 既存の設備に合わせて導入コンサルティングが可能。既存設備の可視化が容易なシステムの提供が可能であるためPOCレベルのトライアル等も安価に提案ができる。
  • Modbus対応機器との数多くの接続実績があり、通常ユーザー側で検討しなければならない設備やサービスとの接続のためのコストをできる限り抑えることができる。

FA導入の効果

  • 必要な情報がリアルタイムで共有されることで、機器やラインの停止時間の減少やマーケティングデータとしても活用できるようになった。
  • 情報が適切なタイミングで適切な人に共有されることで、工場ごとに分断されていたオペレーションについて効率的な業務運営が可能になった。
  • 共通のプラットフォームにFA機器のデータやアプリケーションを載せることで、メンテナンス性を向上させることができた。

企業の生産性向上においてIoTの活用は大きなカギとなる存在です。しかし、実際に電子機器を制御するための仕組みや技術をうまく組み合わせなければ、実用的な運用は不可能といっても過言ではありません。

既存の設備をうまく活用していくためにも、今回ご紹介したModbusやPLCに関連した技術はIoTと密接な関係にあることは確かです。生産ラインのFA化を早急に進めるためにも、ぜひ弊社までお気軽にご相談ください。

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