LabVIEW をあらゆる工業用ネットワーク / PLC に接続

ナショナルインスツルメンツのプログラマブルオートメーションコントローラ（PAC） と LabVIEW を使用することで、既存の PLC や工業用システムに多彩な機能を追加することができます。一般的な PAC アプリケーションの例としては、機械状態監視や高速アナログ計測、カスタムの画像検査・解析アプリケーションなどがあります。2つのシステム間の通信は極めて重要であり、シンプルかつ効果的であると同時に、確定的であることも求められます。このホワイトペーパーでは、ナショナルインスツルメンツの PAC や LabVIEW を工業用のネットワークやデバイス、PLC に接続する方法について説明します。

基本のデジタル/アナログ入出力

ナショナルインスツルメンツの PAC と既存の PLC を接続する方法としては、基本的なデジタル/アナログ入出力を使用するのが最も簡単です。NI の全ての PAC  プラットフォームには、デジタル入出力が搭載されています。NI PAC プラットフォームの中で最もデジタル入出力が少ない NI Compact Vision system でも、デジタル入力が15点、デジタル出力が14点搭載されています。デジタル入出力を使用すると、様々な方法でデータ通信を行うことができます。最も基本的なのは、デジタルラインの ON/OFF により、ステータスや成否などの情報について1ビットのデータを送信する方式です。エラーコードなど他の情報や大きな数値を出力する場合、またはハンドシェイクを組込む必要がある場合は、複数のデジタル入出力 ラインまたはポートを使用します。8本のデジタル入出力ラインを使用すれば、最大256通りの読み取りや書き込みが可能です。また、デジタルライン経由でパルスを生成することもできます。パルス生成により、アクチュエータや　PLC などのオートメーションデバイスの高精度なタイミング/トリガを制御します。

また、NI PAC と PLC 間の通信にはアナログ入出力の使用もお勧めします。アナログ入出力を使用すると、1つのラインではるかに多くの量のデータを渡すことが可能です。16ビットの　DAC なら、1つのラインで多数の値を送信できます。アナログ入出力は、最小限の配線を使用して特定の値の漸進的変化を送信するのに適しています。ただしアナログ入出力を使用した通信には、ノイズや信号の整合性といった部分に注意が必要です。PAC/PLC システムを使用する製造現場では、多くの場合、読み取りや書き込み信号はノイズの影響を受ける可能性があります。絶縁機能付きのデータ集録製品を使用することで、グランドループや電圧スパイクなどノイズの多い環境下でも、データを保護することができます。

図1.デジタル入出力を使用した NI CompactRIO の入出力と Allen-Bradley の Control Logix の統合

関連リンク
• ナショナルインスツルメンツの PCI、PXI、USB DAQ 製品
• NI CompactRIO 入出力モジュール

Modbus TCP と Modbus シリアル

世界的な市場でみると、工業用プロトコルで最も一般的に使用されているのが、Modbus TCP と Modbus Serial です。LabVIEW 8.0 では、LabVIEW Real-Time と LabVIEW DSC という2つの LabVIEW アドオンモジュールを使用して、任意のイーサネット/シリアルポート上で Modbus TCP と Modbus Serial をサポートする機能が追加されました。これらのモジュールを使用すると、グラフィカル構成アシスタントによって Modbus TCP または Modbus Serial 入出力 サーバを作成することができます。数回クリックするだけで、Modbus マスタ/スレーブの作成や、読み取りや書き込み用のレジスタの指定ができます。以下のリンクをクリックすると、LabVIEW 8 を使用して Modbus 入出力サーバを作成する方法をご覧いただけます。

旧バージョンの LabVIEW を使用している方や、LabVIEW Real-Time/DSC モジュールをお持ちでない方は、任意のイーサネットポートまたはシリアルポートで　Modbus マスタ/スレーブアプリケーションを作成するための下位 VI を搭載した　LabVIEW　Modbus ライブラリを使用することができます。この無料ライブラリは、以下のリンク先からダウンロードできます。

また Modbus TCP は、ゲートウェイを利用した様々な接続オプションを使用するためのツールでもあります。このトピックに関する詳細は、本ホワイトペーパーのゲートウェイのセクションを参照してください。

関連リンク
• ビデオデモ： Modbus 入出力サーバの作成（英語）
• LabVIEW Modbus ライブラリのダウンロード

プラグイン通信ボード

標準のデスクトップコンピュータまたは PXI シャーシを使用している場合は、標準のデスクトップ PCI や計測用のプラットフォームのPXI スロットにプラグイン通信ボードを挿入して使用することができます。プラグインボードを使用すると、以下のようなメリットがあります。

• 既存の工業用ネットワークとの直接通信により、接続されている全てのコンポーネントへの通信が可能
• プロセッサとの確定的通信
• 高レベル関数（API）を使用した迅速なアプリケーション開発

ナショナルインスツルメンツでは、各種工業用ネットワーク（CAN、DeviceNet、CANopen、シリアル（RS232、RS422、RS485）、FOUNDATION Fieldbus）に対応した　PCI、PXI、PCMCIA　のプラグイン通信ボードを提供しています。さらに、Profibus などのその他ネットワークは、他社製のプラグインボードでサポートされていますが、多くの場合　LabVIEW　や　LabVIEW　Real-Time　のドライバが付属されています。以下のセクションでは、各種プラグイン通信ボードについて解説します。

DeviceNet インタフェース

DeviceNet は、工業用アプリケーションで一般的に使用されているシンプルなオープン型ネットワークソリューションです。最大64台のデバイスが1つのバスで通信可能なので、オートメーションデバイスの配線や設置のコスト削減や簡素化を実現できると同時に、様々なベンダが提供する同様のコンポーネントとの相互通信も可能です。DeviceNet は CAN（コントローラエリアネットワーク）物理層に基づくもので、光電センサ、バーコードリーダ、入出力、工業用 PC、PLC、ディスプレイ、HMI（ヒューマンマシンインタフェース）などの工業用デバイスをネットワークに接続するための低コストソリューションです。直接接続により、デバイス間通信の性能が向上されるだけでなく、ハードウェア組込みの入出力インタフェースでは困難だったデバイスレベルの診断も可能となります。

ナショナルインスツルメンツのプラグイン DeviceNet インタフェースは、マスタ（スキャナ）とスレーブのどちらとしても機能します。NI DeviceNet インタフェースは、PCI、PXI、PCMCIA などのフォームファクタに対応しており、業界標準の5ピンの Combicon※1 端子を使って DeviceNet デバイスおよびネットワークにアクセスします。PXI DeviceNet ボードは LabVIEW Real-Time と互換性があり、確定型制御や DeviceNet ネットワーク/デバイスとの通信を行うことができます。全てのDeviceNet ボードに、使いやすい高レベルの関数を搭載したNI-DNETドライバソフトウェアが付属されているため、アプリケーション開発が短時間で行えます。さらに NI-DNET には、NI Configurator 　と Analyzer というネットワークのセットアップと構成用の2つのユーティリティが含まれています。

※1 Combicon は、フェニックス・コンタクト株式会社の登録商標です。

図2.  ナショナルインスツルメンツのプラグイン DeviceNet インタフェース

ナショナルインスツルメンツの DeviceNet インタフェースは、既存の DeviceNet ネットワークに機能を追加するのに最適なソリューションです。例えば、機械状態監視機能を追加して高価な機器を監視し保護する場合、PC または PXI シャーシとともに NI LabVIEW とダイナミック信号集録ボードを使用して機械状態の監視と解析を行うことができます。そして、NI DeviceNet ボードをスレーブモードにした状態で適切な情報を DeviceNet マスタ（多くの場合 PLC）に渡し、2つのシステムを1つのネットワーク上で統合します。

NI DeviceNet コンフィギュレータ：  コンフィギュレータは、EDS（Electronic Data Sheet）をサポートする強力な構成ツールです。各 DeviceNet デバイスには独自の EDS ファイルがあり、デバイスのメーカーから入手できます。コンフィギュレータは DeviceNet ネットワークを検索し、接続されたデバイスに関する情報を特定したり、関連する EDS ファイルを自動でロードしたり、デバイスパラメータの読み取りや書き込みを行ったり、デバイスの MAC ID を変更したりすることができます。

NI DeviceNet アナライザ： アナライザは、DeviceNet ネットワークを監視して、取得した CAN メッセージを DeviceNet プロトコルに従って解釈し、パラメータとともにメッセージを表示します。使いやすいフィルタや検索オプションを使用すれば、特定のタイプのメッセージのみを表示することができます。また、アナライザではメッセージに関する統計も見ることができます。このアナライザは、DeviceNet ネットワーク/システムのトラブルシューティングや解析に役立ちます。

使用している NI PAC で利用できるプラグイン DeviceNet ボードがない場合は、他社製のゲートウェイを使用して LabVIEW を DeviceNet ネットワークまたはデバイスに接続できます。詳しくは、下記の「他社製ゲートウェイ」のセクションを参照してください。

関連リンク
• NI DeviceNet プラグインインタフェース

CANopen インタフェース

CANopen は、CAN 物理層をベースとし、詳細な構成も行える標準の組込みネットワークとして開発された上位プロトコルです。本来はモーションコントロールアプリケーション用に開発されたもので、医療機器、公共交通機関、オフロード車、ビルディングオートメーション等様々な分野で広く採用されています。

ナショナルインスツルメンツの CANopen LabVIEW ライブラリでは、使いやすい高レベルの NI LabVIEW 関数を利用してCANopen マスタアプリケーションを構築することができます。CANopen 関数は NI-CAN ドライバソフトウェアよりも上位であるため、NI のすべての高速シリーズ2 CAN デバイス（PCI、PXI、PCMCIA に対応）を CANopen マスタインタフェースとして使用することができます。

図3.  NI CANopen インタフェース

NI CANopen LabVIEW ライブラリ は、SDO（Service Data Objects）や PDO（Process Data Objects）の伝送/受信、ネットワーク管理、ハートビート/ノードガード、緊急対応、同期オブジェクトなど、幅広い CANopen マスタアプリケーションに対応できる機能を備えています。これらの関数を使用することで、CiA (CAN in Automation) DS310規格に完全準拠したアプリケーションが構築できます。

また CANopen LabVIEW ライブラリは、CANopen 対応 NI SoftMotion コントローラモーションドライブ にも対応していますので、モーション CANopen ネットワークにも任意の CANopen 入出力を簡単に追加することができます。NI SoftMotionコントローラは、NI-Motionドライバソフトウェアと分散型インテリジェントドライブの間で機能するソフトモーションインタフェースです。NI-Motion API を使用すれば、Copley 社のCANopen対応AccelnetシリーズやXenusシリーズモータドライブなどをコントロールすることができます。

使用している NI PAC で利用できるプラグイン DeviceNet ボードがない場合は、他社製のゲートウェイを使用して LabVIEW を CANopen ネットワークまたはデバイスに接続できます。詳しくは、下記の「他社製ゲートウェイ」のセクションを参照してください。

関連リンク
• NI CANopen LabVIEW ライブラリ
• NI 高速 Series 2 CAN インタフェース

シリアル（RS232/RS422/RS485）インタフェース

シリアル通信は、ほとんどの PC で標準となっているデバイス通信プロトコルで、デスクトップ/ノートブックコンピュータには、RS232 ベースのシリアルポートが少なくとも1つ搭載されています。またシリアル通信は計測においても、多くのデバイスの一般的な通信プロトコルとなっており、あらゆる GPIB 対応デバイスに RS232 ポートが搭載されています。さらにシリアル通信は、リモートサンプリングデバイスを使用したデータ集録にも使用することができます。RS232 が最も一般的なシリアルプロトコルですが、RS422 と RS485 もよく使用されています。

ナショナルインスツルメンツのシリアルインタフェース製品の概要： ナショナルインスツルメンツは、RS232、RS422、RS485 プロトコル対応の各種シリアルインタフェース製品を提供する計測器制御メーカーの最大手です。NI では、PCI、PXI、PCMCIA、ExpressCard/34、USB、イーサネットなど、様々なコンピュータバスに対応したシリアルインタフェースを取り揃えています。NI のシリアルインタフェース製品は、全てプラグアンドプレイ対応で、ソフトウェアによる設定が可能です。さらに、NI のシリアルハードウェア/ソフトウェアは可変ボーレートやハードウェアのフロー制御といった機能を備えており、PCI/PXI シリアルインタフェースは DMA 転送によって CPU の使用率を最小限に抑えるとともに、2000 V のポート間絶縁をオプションで利用できます。

図4.  NI シリアルインタフェース

関連リンク
• ナショナルインスツルメンツのシリアルインタフェース

Profibus インタフェース

PROFIBUS は、1989年に開発され、今日まで広く利用されている Fieldbus です。PROFIBUS が最も広く普及しているのは欧州で、Siemens Automation PLC 同士やスマートセンサ、アクチュエータ、入出力などとの接続の標準となっています。LabVIEW と PROFIBUS ネットワーク/デバイスを接続する方法は数多くあります。Comsoft などのパートナー企業は、Windows と LabVIEW Real-Time の両方のオペレーティングシステムで、PC と PXI ベースのシステムをサポートする PCI/cPCI PROFIBUS インタフェースを提供しています。

使用している NI PAC に PCI/PXI 拡張スロットがない場合は、他社製のゲートウェイを使用して LabVIEW を PROFIBUS ネットワークまたはデバイスに接続できます。詳しくは、下記の「他社製ゲートウェイ」のセクションを参照してください。

関連リンク
• LabVIEW がサポートする Comsoft PCI/cPCI Profibus インタフェース（英語）

OPC

OPC（OLE for Process Control）とは、工業オートメーション業界の作業部会が1996年に開発した規格の本来の名称です。この規格は、様々なメーカーの制御デバイス間におけるリアルタイムプラントデータの通信を規定するものです。現在は OPC Foundation によって管理され、OPC Data Access 規格と名称が変更されています。OPC Data Access の現バージョンは、OPC Data Access 3.0 です。

OPC は、Windows 対応アプリケーションとプロセス制御ハードウェア/ソフトウェアアプリケーションをブリッジすることを目的として設計されています。工場で使用されるデバイスからのフィールドデータに、一貫した方法でアクセスすることを可能にするオープン規格です。データのタイプやソースに関わらず、常に同じ方法を使用できます。従来は、ソフトウェアがデバイスからのデータにアクセスする場合、カスタムインタフェース、つまりドライバを作成する必要がありました。しかし OPC では、一度作成すると企業間や SCADA、HMI、カスタムソフトウェアパッケージなどが繰り返し再利用できる共通のインタフェースを定義することができます。

図5.OPC によって企業のシステム接続性が向上

特定のデバイス用に作成した OPC サーバは、OPC クライアントとして動作可能な任意のアプリケーションに再利用することができます。サーバは、Microsoft の OLE テクノロジ（COM：コンポーネントオブジェクトモデルともいいます）を使用してクライアントと通信します。

LabVIEW を OPC サーバとして使用：  LabVIEW 8 以降のバージョンでは、シェア変数を使用して任意のデータをネイティブ OPC サーバに公開することができます。この方法を使用すると、OPC クライアントとして動作可能な任意のアプリケーションに LabVIEW データを公開できます。

LabVIEW に OPC クライアント機能を追加：  LabVIEW データロギング/監視制御（DSC）モジュールを使用すると、LabVIEW グラフィカル開発環境に、分散型計測、制御、多チャンネル監視などのアプリケーションを短時間で開発できる機能が加わります。DSC モジュールには LabVIEW 環境で使用できるツールが搭載されていますので、履歴トレンドやリアルタイムトレンドのグラフ表示や、フロントパネルのセキュリティ強化、データの自動ロギング、シェア変数へのアラーム、スケーリング、セキュリティの追加などが簡単に行えます。さらに、LabVIEW DSC モジュールに搭載された機能の中で特に重要なのが、LabVIEW が OPC クライアントとして機能する点で、それにより OPC Foundation の OPC サーバインタフェースを実装する任意のサーバに簡単に接続可能となります。DSC モジュールはコンピュータにインストールされた全ての OPC サーバを検出し、そのサーバの機能や項目に関する情報をサーバから直接読み取ります。LabVIEW DSC モジュールに関する詳細については、以下のリンク先を参照してください。

NI データ集録（DAQ）デバイスからのデータを OPC サーバで公開：  LabVIEW に OPC クライアント機能を追加するには LabVIEW DSC モジュールが必要ですが、NI-DAQmx ドライバソフトウェアには、ネイティブ OPC サーバを使って任意の NI DAQ デバイスからデータを公開できる機能が搭載されているため、分散型データ集録・制御アプリケーションの作成を簡素化することが可能です。全ての NI-DAQmx デバイスは、NI-DAQmx 8 以降のバージョンの利用により、LabVIEW 8 のシェア変数エンジンとともに使用することができます。この機能に関する詳細は、下記のリンク先ドキュメントをご覧ください。

OPC サーバで NI Fieldpoint/CompactFieldPoint からのデータを公開：  NI-DAQmx と同様に、FieldPoint ドライバソフトウェアにも、任意の OPC クライアントにデータを公開できる OPC サーバが搭載されています。FieldPoint OPC サーバは、OPC Data Access 2.0 規格に準拠しており、他の FieldPoint インタフェースと同様、FieldPoint Explorer で構成した入出力 Item をインポートして、任意の OPC クライアントで OPC Item として使用することができます。そのため、2つのコンピュータがネットワーク接続されている場合は、一方のコンピュータ上の OPC クライアントがもう一方の OPC サーバに接続された FieldPoint ハードウェアにアクセスすることも可能です。

関連リンク：
• LabVIEW データロギング/監視制御（DSC）モジュール

他社製ゲートウェイ

イーサネットまたはシリアルポートを搭載したコンピュータや NI プログラマブルオートメーションコントローラ（PAC）なら、他社製のゲートウェイを使用して、様々な工業用ネットワーク上で PLC、スマートセンサ、アクチュエータとの通信が可能です。ネイティブ Modbus 機能を搭載した LabVIEW 8 と、DSC モジュールと Real-Time モジュールのいずれかまたは NI LabVIEW 用の Modbus ライブラリをともに使用することで、任意のイーサネット/シリアルポートを Modbus TCP/Modbus シリアルマスタまたはスレーブとして使用することができます。このライブラリや下記のリンク先で指定されているゲートウェイのいずれかを使用することで、工業用ネットワーク上にある既存の機器と LabVIEW アプリケーションとの間で、簡単に通信を行うことが可能となります。

図6.  HMS、Hilscher、Woodhead 各社のゲートウェイ