4-20 mA vs HART vs Modbus RS-485：PLC/SCADA向けレベル伝送器出力の選択

レベル計を選定するプロセスエンジニアや調達マネージャーにとって、出力信号はトランスミッタがPLCやSCADAシステムとどのように通信するかを決定する要素であり、その選択肢は実用的な3つのオプションに集約されます。 4-20 mAは、主要なアナログ標準規格です：2線式ループパワードトランスミッタは、レベルを4 mA（空）から20 mA（満タン）の間の電流として表します。この信号はノイズ耐性が高く、ケーブル抵抗の影響を受けず、現存するほぼすべてのPLCアナログ入力カードで読み取ることが可能です。 HART (Highway Addressable Remote Transducer) は、4-20 mAループを維持しながら、同じ2本の電線に1200 baudのデジタル周波数シフトキーイング（FSK）信号を重畳させます。これにより、1対のケーブルでアナログレベル値と、デジタル自己診断、設定データ、および複数のプロセス変数の両方を伝送できます。 Modbus RS-485は、完全デジタルフィールドバスです：データはバイナリフレームとして、9600〜115.2 kbaudの速度で差動2線式バス上を伝送されます。1つのセグメントで最大32台のデバイスをサポートし、9600 baudで最大1200 m（約4000 ft）まで到達します。要約すると、最もシンプルで汎用性の高いループパワードアナログ信号が必要な場合は4-20 mAを、同じ2本の電線でデジタル自己診断とリモート設定を行いたい場合はHARTを、複数の機器をPLC/SCADAシステムにネットワーク化し、マルチ変数・マルチドロップのデジタル通信を行いたい場合はModbus RS-485を選択してください。

なぜレベル計において出力信号が重要なのか

レーダー式、超音波式、静水圧式、マグネットフロート式などのレベルトランスミッタはすべて、物理的なレベルを標準化された電気信号に変換するという共通の役割を担っています。その信号は制御システムが読み取るものであり、センサーより下流のすべてを決定します。つまり、どの機器をどのアナログ入力（AI）や通信カードに接続するか、制御室から機器をどれだけ離せるか、いくつの変数を取り出せるか、そして各フィールドデバイスの試運転にどれだけのコストがかかるか、といった点です。

出力信号の選択を誤ると、工数という形で代償を払うことになります。アナログ専用システムに配線されたフィールドバスデバイスは設定されないまま放置され、マルチドロップネットワーク上のアナログトランスミッタは1点につき1本のケーブル設置を強いることになります。正しく選択すれば、同じ測定値をDCSループ、SCADAヒストリアン、および現場指示計に同時に供給できます。決定を左右する主な要因は3つあります：

• ケーブルとインフラ アナログループは一般的なツイストペアケーブルで動作し、24 V DC電源とAIカードのみを必要とします。RS-485にはマスタ、終端抵抗、および適切なアドレッシングが必要です。HARTは、PLCにネイティブHARTサポートがない場合、モデムまたはマルチプレクサが必要になります。
• データの豊富さ。 生の 4-20 mA 信号は1つの数値を伝送します。HART はその数値に加えて、診断情報と最大4つのデジタル変数を伝送します。RS-485 は、レベル、距離、信号強度、温度、診断フラグなど、機器が公開するあらゆるレジスタを伝送します。
• ネットワークトポロジ。 ケーブルペアごとに1台のアナログ伝送器。1つのバスにつき最大32台（リピータを使用すればそれ以上）の RS-485 伝送器。HART は基本的にはポイント・ツー・ポイントですが、デジタル専用モードではマルチドロップも可能です。

この記事の後半では、各プロトコルについて詳細に説明し、それらを並べて比較し、お客様の PLC/SCADA アーキテクチャに適した出力を選択するための実践的な方法を提示します。

4-20 mA アナログループ：ユニバーサルな基準

2線式 4-20 mA ループの仕組み

2線式ループ駆動型伝送器は、DC電源（通常は 24 V DC）および PLC アナログ入力カード内の負荷抵抗と直列に配線されます。伝送器は、ループを流れる電流が測定レベルに比例するように制御します。レンジの下限で 4 mA、上限で 20 mA となり、その間はリニアです。同じ2本のワイヤで電力と信号の両方を伝送するため、個別の電源ケーブルは不要であり、ループは自己給電されます。

設置において重要な計算はループ負荷計算です。伝送器には最低動作電圧（一般に 8 ～ 12 V DC）があり、最大 20 mA を消費します。最大全ループ抵抗は、供給電圧から伝送器の最低電圧を差し引き、20 mA で割った値です。24 V 電源で最低電圧が 10 V の場合、ループには 14 V、つまり 700 Ω の全抵抗が許容されます。これは数百メートルのケーブルと PLC 入力抵抗をカバーするのに十分な値です。これが 4-20 mA の扱いやすさの理由です。ケーブル長はプロトコル固有の距離ルールではなくループ抵抗によって制限され、24 V 電源と標準計装ケーブルを使用すれば 500 m 以上の配線も日常的に行われます。

故障時の動作も標準化されています。NAMUR NE43 では、範囲外および故障状態を 3.6 mA および 21 mA と定義しているため、センサの破損、断線、または電子回路の故障が発生すると、ループは 4-20 mA の測定帯域外に駆動されます。これにより、PLC は誤った「空」や「満」の値を読み取る代わりに、アラームを発生させるようにプログラムできます。この機能こそが、安全性を重視するプラントがいまだに 4-20 mA を標準としている大きな理由です。

利点と限界

その利点は疑いようがありません。4-20 mA 出力は、プロトコル設定なしで市場にあるすべての PLC および DCS で読み取ることが可能です。認定されたバリヤと組み合わせることで本質安全防爆に対応するため、危険場所でのレベル測定における標準的な選択肢となっています。マルチメータだけでトラブルシューティングが可能で、セットアップ費用も安価です。また、電流ループは配線抵抗の影響を受けにくく、ノイズもほとんど拾わないため、長距離配線でも精度が維持されます。

限界も同様に明確です。1対のケーブルは、液位という正確に1つの測定値のみを伝送します。単体のアナログ伝送器では診断機能が最小限または存在しないため、センサの状態、設定、またはエコー品質をリモートで確認することはできません。レンジの変更やゼロ・スパン調整には、通常、デバイスへの物理的なアクセスまたはハンドヘルドプログラマが必要です。また、SCADAが温度、距離、または信号強度のデータを必要とする場合、アナログ出力のみでは対応できません。これらの理由から、4-20 mAは上限ではなく、あくまでベースラインとして理解するのが最適です。

実際の用途はいたるところにあります： 2線式超音波レベル伝送器 はまさにこの原理で動作しており、 4-20 mA出力を備えたマグネットフロート式レベル伝送器 も同様です。これらは、現場指示計と1つのアナログ値さえあればオペレータにとって十分な、シンプルなタンク計測に使用されます。

HARTプロトコル：同一の2線によるデジタル診断

HARTの仕組み

HARTは、配線を変更することなく、設置済みの数百万もの4-20 mAループにデジタル通信を追加するという、特定の課題を解決するために設計されました。これはBell 202規格を使用し、アナログループにデジタル信号を重畳させます。伝送器は、1200 baudのデータレートで、1200 Hzのトーンを論理「1」、2200 Hzのトーンを「0」としてシフトさせます。FSKトーンは可聴範囲を超えており、アナログループの0-10 Hzの帯域幅を大きく上回っているため、デジタル信号はPLCのアナログ入力には認識されず、4-20 mAの値に影響を与えることもありません。

その結果、1対のワイヤで2つのチャネルを同時に使用できるようになります。アナログチャネルは主要変数（4-20 mAとしての液位）を伝送し、デジタルチャネルは設定、校正、診断、およびデバイスステータスを伝送します。実際には、HARTモデムまたはコミュニケータを持つエンジニアは、タンクに登ることなく、計器室やジャンクションボックスから伝送器に問い合わせを行い、その状態の読み取り、レンジの変更、エコー品質の確認を行うことができます。

ポイント・ツー・ポイントはHARTのデフォルトのトポロジです。1つの伝送器、1つのループ、1つの4-20 mA主要変数で構成されます。HARTデバイスは複数の動的変数（第1変数(PV)、第2、第3、第4変数）を公開するため、単一の静圧式レベル伝送器で、アナログ信号として液位を報告しながら、密度由来の変数、プロセス温度、または生の圧力をデジタルで伝送することも可能です。新しいHARTバージョン（HART 6および7）は、最大4つの動的変数とより高速なバーストをサポートしていますが、決定的な制約は残っています。1200 baudのリンクは1秒間に約2回更新されますが、これは設定や監視には十分ですが、高速なプロセス制御にはあまりにも遅すぎます。

HARTは、最大15台のデバイスが1対のケーブルを共有し、それぞれが固有のアドレスを持つマルチドロップモードも提供しています。マルチドロップでは、アナログループは無効になり、すべてのデバイスの出力は4 mAに固定され、デジタル通信のみが行われます。アナログ信号を放棄するため、マルチドロップの使用頻度は低いですが、デジタル専用の監視ネットワークとしては正当な選択肢です。

長所と制限事項

HARTの大きな利点は、後方互換性です。アナログ信号を維持したままデジタル診断を可能にする唯一の技術であるため、PLCのハードウェアを変更することなく、既存の4-20 mAインフラにそのまま組み込むことができます。アナログ入力カードは引き続きレベルを読み取り、HARTモデムまたはマルチプレクサがその上にデジタルチャネルを追加します。これにより、HARTはスマートレベル伝送器のレトロフィットにおける事実上の標準（デファクトスタンダード）となっています。

制限事項は、1200ボーのFSKリンクに起因します。通信速度が遅いため、HARTは高スループットのデータハイウェイではなく、設定およびメンテナンス用のプロトコルです。単一のHARTループは1つの主要なアナログ値を伝送します。4つすべての動的変数をデジタルで取得するには、通常、マルチプレクサまたはHART対応のPLCカードが必要です。また、各デバイスが独自のループ上に配置されるため、HARTはフィールドバスのようにケーブル本数を削減することはありません。

レベル測定における一般的なHARTの導入例は、 HART対応スマート静水圧式レベル伝送器 （化学薬品タンクや水タンクなど）です。ここでは、オペレーターがDCSへの信頼性の高い4-20 mAレベル信号に加え、リモートでのゼロ点/スパン調整や診断を必要とする場合や、現場に立ち入ることなく技術者が測定の完全性を確認するためにエコー品質データが役立つレーダーユニットなどで利用されます。

Modbus RS-485：完全デジタルフィールドバス

RS-485バスの仕組み

RS-485は、差動マルチドロップ方式の電気規格です。それ自体はプロトコルではなく、Modbus RTUが動作する物理層です。データは2本のワイヤ（AとB）間の電位差として送信されるため、電気ノイズやコモンモード干渉に対して優れた耐性を備えています。これは、インバータや大型モーターが多い工場において極めて重要な特性です。バスは半二重方式であり、1対のワイヤが双方向のトラフィックを伝送しますが、一度に通信できるのは1台のデバイスのみで、マスタが各スレーブを順番にポーリングします。

エンジニアが引用する数値はRS-485の制限値です。単一セグメントで最大32ユニットロード（実際には最大32台の伝送器）をサポートします。最大ケーブル長は9600ボーで1200 mですが、ボーレートが上がると短くなります。リピータを使用することでデバイス数と距離の両方を拡張でき、バスの両端にあるバイアス抵抗と終端抵抗が信号をクリアに保ちます。各デバイスには固有のアドレス（Modbusでは1〜247）があるため、マスタはバス上のすべての計器をポーリングし、1対のケーブルでデータを収集できます。

Modbus RTUフレームはコンパクトで確定的です。マスタがリクエストを送信し、指定されたアドレスのスレーブが通常数ミリ秒以内に応答します。標準的なファンクションコードでレジスタの読み書きを行い、ほとんどのレベル伝送器は、レベル、距離、パーセンテージ、温度、診断ステータスなどのデータを16ビットまたは32ビットの浮動小数点レジスタとして公開します。これらはすべて、PLCやSCADAが直接読み取ることができる単純な数値となります。これが4-20 mAやHARTとの決定的な違いです。計器は1つではなく、多くの変数を出力します。

長所と制限事項

Modbus RS-485の決定的な利点は、マルチドロップ・トポロジーとマルチ変数データです。タンクファームへの1本のケーブルで32台の伝送器に対応できるため、配線、端子台ラック、アナログ入力密度を大幅に削減できます。液位を伝送するのと同じバスで、距離、信号強度、自己診断情報も伝送されるため、SCADAヒストリアンは追加の現場配線なしで、より豊富なデータセットを取得できます。プロトコルのオーバーヘッドが少なく、仕様はオープンかつロイヤリティフリーであり、Modbusは世界で最も広くサポートされている産業用シリアルプロトコルであり続けています。ほぼすべてのPLC、RTU、プロトコルコンバータがこれに対応しています。

導入前に制限事項を知っておくことも重要です。RS-485はシリアルかつ半二重方式であるため、全体のスループットはバス全体で共有されます。32台のデバイスを使用する場合、ポーリングサイクルを考慮する必要があり、9600 baudのリンクではネットワーク全体で1秒間に数百回のレジスタ読み取りしかサポートできません。配線の規律も重要です。バスには連続したデイジーチェーン、両端の適切な終端抵抗、および正しいアドレッシングが必要であり、1台のデバイスの誤配線がセグメント全体をダウンさせる可能性があります。また、多くのPLCには標準のRS-485ポートがないため、シリアルカード、RS-485-Ethernetコンバータ、またはゲートウェイが必要になる場合があり、これには一定のコストがかかります。最後に、RS-485自体は本質安全防爆ではありません。危険場所への設置には、引き続き承認されたバリアとEx認証デバイスが必要です。

液位測定において、Modbus RS-485はどのような場面で真価を発揮するのでしょうか？それはマルチタンクの現場です。RS-485出力を備えた80 GHzレーダー液位計は、計器室にデータを送るタンクファームバス上の数十台のスレーブの1つとして機能します。また、 ワイヤレスIoTレーダー液位計 は、ケーブル敷設が経済的でない遠隔地の井戸や貯水池に同じコンセプトを拡張します。高密度で価値の高いデータ収集においては、フィールドバスが優れています。

比較表

PLC/SCADA統合に適した出力の選び方

万能な「最善」の出力というものはありません。既存のインフラ、データニーズ、および試運転予算に適合する出力こそが最適です。以下の質問を順番に検討してください。

1. 既存の制御システムには何が備わっていますか？

PLCまたはSCADAの空きチャネルを確認してください。予備のアナログ入力カードと 24 V DC 電源がある場合、4-20 mA はリアルタイム測定を実現する最も安価で迅速な方法です。配線し、レンジを設定すれば動作します。PLCがネイティブで HART をサポートしている場合、またはすでに HART マルチプレクサを所有している場合、HART デバイスを使用すれば、ほぼ同じ設置コストで診断機能を利用できます。工場で RS-485 が標準化されている場合、またはSCADAにデータを送るシリアル-イーサネットゲートウェイがある場合は、Modbus が最適です。すでに投資済みのハードウェアに合わせて伝送器を選択してください。

2. 1つのケーブルルートをいくつの計器で共有しますか？

これは経済性を左右する要因です。孤立したタンクに1台の伝送器を設置する場合、4-20 mA が適しており、多くの場合、ループ電源で同時に現場指示計を駆動できます。防油堤内の10基のタンクから制御室まで1つのケーブルトレイを使用する場合、Modbus RS-485 を使えば10対のケーブルを1つのバスに統合でき、節約できるケーブル、グランド、端子処理のコストは通常、シリアルハードウェアの価格を上回ります。同じ配線で診断機能が必要だが、フィールドバスの導入準備ができていない場合は、アナログチャネルを維持できる HART が妥協案となります。

3. SCADAは実際にどのようなデータを必要としていますか？

答えが「制御ループ内の1つのレベル値」であれば、4-20 mA で十分です。予知保全のためにエコー品質、信号強度、温度トレンドが必要な場合、HART なら既存のループを介して、RS-485 ならバス上の全デバイスのデータを一括して送信できます。データニーズはボーレートも決定します。1秒に1回、数個のレジスタをポーリングする程度なら 9600 baud で十分ですが、高密度のヒストリアンフィードの場合は 38.4 または 57.6 kbaud が妥当かもしれません。レートを決定する前に、必ず距離対ボーレートの特性曲線を確認してください。

4. 危険場所（防爆エリア）ですか？

本質安全防爆については、承認されたバリアを介した 4-20 mA が最も成熟し、広く認証されている手法です。HART は同じループを利用し、デバイスが認証されていれば同じ Ex 防爆認可を継承します。危険場所での RS-485 には、Ex 認証デバイスと承認されたバリアまたはアイソレータが必要であり、マルチドロップの本質安全バス設計はより複雑になります。アプリケーションが Zone 1 または Division 1 の場合は、早期に計画を立ててください。不明な点がある場合は、計器サプライヤーの品質管理および認証ページで、各デバイスが実際に保持している認証を確認するのが適切です。

5. 現場のメンテナンススキルレベルはどの程度ですか？

アナログループはマルチメータで診断可能であり、あらゆる技術者が理解できます。HARTの設定には、ハンドヘルドコミュニケータまたはHARTモデムを備えたノートPCが必要です。RS-485のトラブルシューティングには、アドレッシング、終端、レジスタマップに関する実用的な知識が求められます。現場の計装サポートが最小限である場合、よりシンプルな出力の方が信頼性は高くなります。これは、ハードウェアの価格と同じくらい重視すべき点です。

ハイブリッドおよびカスタムパッケージについて

プラント全体で1つの出力方式に絞る必要はありません。多くの レベルトランスミッタの表示器およびコントローラパッケージは、 現場指示計、4-20 mA出力、およびオプションのRS-485リンクを組み合わせており、同じ測定値を現場のオペレータと中央のSCADAで同時に利用できます。様々なサイズのタンクが混在する場合、重要な制御ループには4-20 mA、診断が重要な非クリティカルなタンクにはHART、高密度のタンクファームにはRS-485を採用するのが現実的な設計です。化学薬品貯蔵タンクや上下水道のピットなどのアプリケーションは、まさにこのパターンに従う傾向があります。

FAQ

レベルトランスミッタは4-20 mAとModbus RS-485の両方を出力できますか？

はい。多くの工業用レベルトランスミッタはデュアル出力に対応しており、DCS制御ループ用の4-20 mAアナログ信号と、設定・診断・マルチ変数データ用のRS-485 Modbusリンクを提供します。現場でのアナログ制御とリモートでのデジタル監視の両方が必要な場合は、両方の出力を指定してください。

HARTは4-20 mAと同じですか？

HARTは4-20 mAをベースに構築されています。ループは依然として標準の4-20 mAアナログ信号を伝送し、HARTは同じ2本の電線に1200ボーのFSKデジタル信号を重畳させます。そのため、HARTトランスミッタはアナログ4-20 mA入力と完全な下位互換性があります。システムにHARTモデムがない場合は、単にデジタルチャネルが失われるだけです。

Modbus RS-485レベルトランスミッタはPLCからどのくらい離すことができますか？

単一セグメント、9600 baudで最大1200 m（約4000 ft）です。最大距離はボーレートが高くなるにつれて短くなります。リピータを追加することで、距離とデバイス数（リピータなしで1セグメントあたり最大32台）の両方を拡張できます。

1つのRS-485バスを何台のデバイスで共有できますか？

標準的なRS-485では、1セグメントあたり最大32台の伝送器を接続可能です。リピータを使用すればセグメントを追加でき、各デバイスにはマスターが個別にポーリングできるよう、固有のModbusアドレス（1～247）が必要です。

HARTは1対の配線で複数のデバイスをサポートしていますか？

はい、マルチドロップモードでは最大15台のHARTデバイスが1対のケーブルを共有できますが、その場合アナログループは無効になり、デバイスはデジタル通信のみを行います。標準的なポイント・ツー・ポイントのHART設置では、1ループにつき1台の伝送器を使用し、4-20 mA信号をアクティブに保ちます。

Modbus RS-485は本質安全防爆仕様ですか？

RS-485自体は本質安全ではありません。承認された安全バリヤを介して設置する必要があり、デバイスは危険場所で使用するためのEx認証を取得している必要があります。防爆エリアにおいては、認証済みバリヤを介したループ駆動の4-20 mA伝送器が、依然として最もシンプルな選択肢です。

最初から最適な出力を選択する

出力信号は仕様決定時に一度決まると、その影響は計器の寿命が尽きるまで続きます。タンク、ポンプ、またはプロセス容器に対して、4-20 mA、HART、Modbus RS-485のどれを採用すべきか検討中であれば、これら3つすべてに精通し、かつ販売実績のある計装エンジニアに相談するのが近道です。WELKはレーダー、超音波、静水圧式、および磁気式レベル計を製造する中国メーカーであり、当社のエンジニアはお客様のPLC/SCADAに合わせて出力を選定します。その逆ではありません。各計器シリーズの比較についての詳細は、当社の レーダー式 vs 超音波式レベル計ガイドをご覧いただくか、当社の サプライヤーの選定と評価方法 初めての調達プロジェクトの場合は、タンク寸法、制御システムのモデル、およびケーブル配線距離を添えて、今すぐWELKにお問い合わせください。ご購入前に、無料の見積もりと具体的な出力信号の推奨案を提示いたします。