産業IoT向け入出力モジュールを作りました

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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。

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モジュールの概要

IoT向け入出力モジュールたち
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
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
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)

アナログ入力モジュール
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 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 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。
いろいろつながる
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。

産業IoT向け入出力モジュールを作りました

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  • 2020/06/03

    モジュールの販売公開などは、していませんか?
    機械設備にマイコン導入(ESP32)を検討して進めています。
    マイコン入力で、リレー接点がONしただけで通信がダウンします。
    ホトカプラで絶縁などしてますが、共通GND(センサー電源の)にするとNGみたい。
    別の安定化電源で動作させると、通信エラーは置きません。
    それ以前にドライの接点ですので、絶縁分離も入らないつもりで考えていました。
    かなり時間を費やして、色々テストやweb検索しましたがよくなりません。
    勝手なコメント投稿でお許しください。失礼なのは承知の上で書き込んでいます。
    普段はシーケンス制御を中心に行っていますが、メーカーの仕様書の様に使えば問題なく。
    電子回路の奥深さに打ちのめされています。
    どうか、助言できることが有ればお教えをお願いします。

    Reply
    • 2020/06/04

      sin 様
      コメント頂きありがとうございます。

      機械設備にマイコンの導入検討とのことですが、
      コメントの内容だけでは完全に回路を把握できませんでした。
      申し訳ございません。

      一応こちらで回路を解釈したのを図に起こしてみたのですが合っていますでしょうか?
      予想回路図

      この回路での予想でしかお答えできませんが、リレーもセンサと同じ電源を使っているのでしょうか。
      そうであればノイズが回っていることも考えられます。
      リレーコイルのサージ対策をしてみてもいいかもしれません。

      電源回路にノイズフィルタを入れたり、通信部分を絶縁するのも1つの方法です。
      「通信」というのはPCとのUSB接続による通信と解釈しているのですが、PC経由でノイズが回ることもあるかもしれません。

      入力はフォトカプラで受けているとのことですが、フォトカプラとESP32の入力端子をつなぐ配線の長さが長いと不安定になることもあります。
      なるべく短くしてみてください。

      回答になっているか不安ですが、参考になれば幸いです。
      一応Webショップにはこの記事で紹介しているモジュールは販売しております。
      https://shop.neulse.com
      用途が限定的すぎて使えるかどうかは分かりませんが、気に留めていただけるとありがたいです。

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