産業IoT向け入出力モジュールを作りました

仕事でソフト屋の方が工場のIoTを頑張っておられるのですが、ハードはよく分かってない方が多い印象です。
チャタリングやノイズによる誤作動などは考慮せず、とりあえず入力ピンに入れたら...という感じで、ハードウェア寄りの私からすれば「ちょっと待って」と言いたくなるようなことばかりです。
じゃあそういう人たちが簡単にIoTできたらいいんじゃない？ということでArduinoや Raspberry Pi などと一緒に使えそうな汎用の入出力モジュールをつくってみました。

モジュールの概要

とりあえずよく使われるであろう5種類を作りました。
色んなタイプがありますが、それは後で説明するとしてまずは全体的な特徴です。

サイズは縦55mm、幅44mm程度で収まるようにしておりコンパクトです。
基板ごと立てるともっと幅は小さくなりますが、それはそれで配線が難しくなりそうでやめました。
ユニットタイプのPLCっぽくなりそうでいいんですけどね。
ただ、PLCのようにたくさん使うことを想定していないのでそれはやめました。

基本的にはDC24Vの電源でモジュールは駆動し、制御側は5Vシステムを想定しています。
3.3Vシステム対応は要望があれば...？
電源は2ピンのXHコネクタで橋渡しできます。
一応単体利用も考えてDCジャックを付けられるような設計をしています。

産業用途であり、信頼性を向上するために電源と信号どちらも絶縁しています。
工場はノイズ源が多いですからね、絶縁は必須です。

また、生産設備内に組み込むことを想定しており、DINレール取り付けられるようになっています。
これが結構自分の中ではこだわりです。
このあたりは自分が使いやすいようにしました。

デジタル入力モジュール（4ch）

デジタル入力モジュールはシンク入力・ソース入力のどちらかを選択できるようになっています。
また24Vがターミナルから出ていますので、センサも取り付けやすいようになっています。
モジュール上でチャタリング対策をしておりますので、ソフトで処理しなくても大丈夫です。

出力はCMOS出力とオープンドレインのどちらかを実装時に選択できるようにしています。
（TTL出力ではないですけど、よくそう書かれるので「TTL」と基板上では書いています）

デジタル出力モジュール（4ch リレー出力・独立コモン）

デジタル出力モジュールはリレーを搭載しました。
4接点で独立コモンで、各5Aまで流せるので色んな機器を接続できます。

このモジュールは現段階でも3.3Vでも一応動きます。
5Vと3.3Vの両対応なのはこれだけですかね。

アナログ入力モジュール（4-20mA 2ch 16bit）

アナログ入力は計装関係でよく使われる4-20mAを入力できるようになっています。
分解能は16bitですが、サンプリングは低速です。

これはIoTで使うかは分かりませんね...
既設の設備に入れようとしてもこのあたりは、既に接続されていて難しそうです。
その場合は1-5Vで受け取ればいいので、250Ωの抵抗を取ればいいんですけどね。

RS-232C コミュニケーションモジュール

RS-232Cは産業用途ではなんだかんだでまだ使われています。
でもD-subコネクタはかさばって嫌なのでターミナルで3本だけ出しました。

おそらく一番シンプルなモジュールです。
RS-232Cは1対1だったりD-subコネクタだったりするので、個人的にはあまり使いたくないんですよね...
「とりあえず」という感じで作りました。

RS-485 コミュニケーションモジュール

RS-485ではあるのですが、LANケーブルでつながるようになっています。
ケーブルをつくったりネジを締めなくていいのが便利で省配線化に貢献します。
LANケーブルを使うアイデアは以前つくったモジュールからのものです。

基本的には半二重通信を想定していますが、一応全二重もできるような設計にはしています。

24V系のセンサが使えるようになっただけでも感動しています。

どうにか工場に組み込めたらいいんですけどね。
そしてIoTを発展させていきたいです。