距離とノイズを乗り越える、主要外部インターフェース（RS232C、RS485/422、Ethernet、USB）
複数の機器を接続するシステムでは、距離とノイズが問題になります。
物理的に離れた場所にある機器同士でも安定した通信を行うには、適切な外部インターフェースを採用することが重要です。
この記事では、実際によく利用される代表的な外部インターフェースを紹介します。機器の制御やデータ連携が必要なシステムを構築する際に、ぜひ参考にしてください。
外部通信に求められる要件と代表的な4つのインターフェース
複数の機器をつなぐ際には、通信の安定性について考えることが重要です。
一般的に、通信距離が長くなればその分ノイズの影響を受けやすくなります。反対に、ノイズへの耐性を高めるには、機器同士を近くに配置したり通信速度を遅くしたりしなければなりません。
しかし、実際のシステムではフロアや建物をまたいだ高速通信が必要なケースもあるでしょう。また、そもそも周囲にノイズが多いこともあります。こうした環境でも要件を満たすには、距離と安定性を両立できる外部インターフェースが必要です。
そこで、ここでは「RS232C」「RS485/422」「Ethernet」「USB」の4つを取り上げ、それぞれの特徴を解説します。いずれも現役で利用されている外部インターフェースですが、後発のものほど安定して高速な通信が可能です。
RS232C
RS232Cは、以前はPCによく搭載されていた外部インターフェースです。現在は改訂版のEIA/TIA-232-Fが公式な名称ですが、馴染みのあるRS232Cで呼ばれ続けています。
接続方法は、ポイントツーポイント（1対1の通信）が基本です。最大ケーブル長は15m程度のため、長距離の伝送には適しません。後継規格のRS422やRS485と比べるとノイズの影響を受けやすく、通信速度も比較的低速です。
一方、実装がシンプルで低コストである点はRS232Cのメリットです。また、歴史の長い規格であり、多くの機器と接続できます。そのため、安定稼働が重要な産業分野ではまだまだ現役で利用されています。
RS485/422
RS232Cの改良版に相当する外部インターフェースが、RS422とRS485です。
RS422では、差動信号方式（2本の信号線の電位差でデータを送る方式）を採用することで、ノイズ耐性が向上しました。これにより、1kmを超える伝送が可能となっており、通信速度もRS232Cより高速です。また、マルチドロップ方式（単一のライン上で複数の機器を数珠つなぎに接続する方式）による、最大1対10の通信も行えます。
RS485は、RS422の後継規格です。伝送可能な距離と通信速度はRS422と同等ですが、より多くの機器との接続が可能です。32台までの機器をつなぎ、多対多の通信を行えます。ノイズに対する耐性が必要な産業機器や、建物内の空調制御などに使用されています。
Ethernet
Ethernetは、有線接続のための外部インターフェースです。強力なエラー検出機能を備えており、柔軟で安定した通信を行える点が特徴です。LANケーブルとハブを用いて比較的安価にネットワークを構築できることから、オフィスから家庭まで幅広く利用されています。
Ethernetの規格では、複数の通信速度が定められています。期待通りの性能を得るには、機器やケーブルを規格に合わせて統一しなければなりません。より高速な通信が求められる場面では、光ファイバーによる実装も可能です。
産業分野では、Ethernetの上にオープンなプロトコルを載せたEtherNet/IPやProfinet、EtherCATなどの産業用通信が用いられています。これらは、産業機器に必要なノイズ耐性とリアルタイム性を備えた通信規格として多くの製造現場で使われています。RS232C や RS485/422 と比べると、リアルタイムEthernetで基本的に使用されるTCP/IPプロトコルは、リアルタイム性に限界がありますが、このような産業用に特化した通信プロトコルをEthernet上で使用することで、産業分野でもEthernetを使用することができるようになります。
USB
USBは、PCに周辺機器をつなぐ際などに使われる外部インターフェースです。
以前は、接続するデバイスの種類ごとに異なるポートを使い分ける必要がありました。こうした状況を打開し、同じポートに統合したのがUSBです。デバイスの電源が入ったまま抜き差しが可能で、PCから給電できることなどから、初心者でも扱いやすい点が特徴です。
USBには幾つかのバージョンがあり、最新版は2022年発表のUSB4 Version2.0です。改定されるごとに通信速度が速くなっており、大容量のデータ転送もスムーズに行えます。また、USBには下位互換性があるため、旧バージョンの機器も接続可能です。
ただし、コネクタの形状は完全には統一されていません。従来型の「USB Type-A」や、近年増えてきた「USB Type-C」の他、スマートフォンなどでは小型の「Micro USB Type-B」もよく使われます。
産業用Ethernetの台頭
機械制御などを行う際には、リアルタイム性のある通信が求められます。つまり、想定された時間内で確実に通信を行わなければなりません。
その点、Ethernetは高速で安定した通信を実現するのに適しています。しかし、データの遅延が発生する恐れがあるため、産業分野に導入するのは簡単ではありませんでした。
こうした課題を解決するために、機械制御に求められる要件を満たすよう改良された、産業用のEthernetが登場しました。具体的には、リアルタイム性・信頼性・診断性を強化した「PROFINET」や、CIP（産業用共通プロトコル）にEthernetを適用した「EtherNet/IP」などの選択肢があります。これらの技術を採用することで、産業分野でもEthernetが活用されています
このように、通信距離やノイズへの耐性、リアルタイム性などの要件に応じて適切な外部インターフェースを選択することが、安定したシステム構築の鍵となります。各機器によって対応しているインターフェースを確認しながら、システムを構築するようにしましょう。
用途や環境に合わせて、それぞれの特徴を理解した上で選定することが重要です。