マイコンによる産業機器向けMODBUS通信開発事例5選｜ドラフトチャンバー・ファン制御・センサネットワーク

はじめに：産業機器の通信プロトコルとして、なぜMODBUSが選ばれ続けるのか

工場の制御盤、計測装置、ロボット、センサネットワーク——これら産業機器の内部や機器間で「機器同士をつなぐ通信」を担っているのがMODBUSです。1979年に登場して以来、45年以上にわたって産業機器のデファクトスタンダードとして使われ続けています。シンプルな仕様・ロイヤリティフリー・低リソースで実装可能という3点が、長く選ばれてきた理由です。

サーリューションがこれまでに開発した案件のうち、およそ4分の1がMODBUS通信を含む案件です。ドラフトチャンバー、産業用ファンドライバ、充電ロッカー、計測ロガー、配管探査ロボット——分野は違えど、「複数の機器を確実につなぎ、状態を監視・制御する」という産業機器共通の要求に対する答えとして、MODBUSが選ばれてきました。

本記事では、サーリューションのMODBUS開発事例から代表的な5件を取り上げ、産業機器でMODBUSをどう実装しているのかを共有します。

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MODBUSの基礎

本題に入る前に、MODBUS開発で押さえておきたいポイントを整理します。

MODBUSとは

1979年にModicon社（現Schneider Electric）が開発した産業用通信プロトコルです。シンプルな仕様（8/16ビット単位の登録領域）・ロイヤリティフリー・実装が容易という3点が評価され、産業機器のデファクトスタンダードとして定着しました。

マスター／スレーブの構成

• マスター（クライアント）：通信を主導する側。PLCやPC、メイン制御基板が担当
• スレーブ（サーバー）：問い合わせに応答する側。センサ・アクチュエータ・サブ制御基板が担当

マイコン側の実装は、用途に応じてマスターにもスレーブにもなり得ます。サーリューションの事例では、メイン基板にマスター、複数のサブ基板にスレーブを実装する構成が多いです。

RTU／ASCII／TCPの違い

• MODBUS RTU：RS-485シリアル通信ベース。バイナリ形式でコンパクト。産業機器で最も多用される
• MODBUS ASCII：シリアル、ASCII文字ベース。可読性は高いがオーバーヘッド大。現代では稀
• MODBUS TCP/IP：イーサネット上で動作。産業IoT向けに採用が増加中

サーリューションの事例の多くはMODBUS RTUです。

なぜ産業機器はRS-485を選ぶのか

• 多点通信：1本のバスに最大32台のデバイスを接続可能
• 差動信号：工場環境のノイズに強い
• 長距離通信：最大1.2kmまで到達（ボーレート100kbps時。高速時は短縮）

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MODBUS対応マイコンの主要選択肢

産業機器向けにMODBUSを実装するマイコンの選択肢は複数ありますが、案件特性によって得意領域が異なります。サーリューションのマイコン開発・ファームウェア設計では、以下のラインナップを使い分けています。

産業機器向け組み込みではRenesas RL78を中心に、装置の中心制御で高い処理性能が必要な場合はRX、グローバル展開や既存STM資産がある案件ではSTM32と、ケースバイケースで選定しています。

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開発事例5選

事例1｜ドラフトチャンバー｜5基板MODBUSネットワークによる大型装置の分散制御

• 使用マイコン：本体側 RL78/G14、ユニット制御 RL78/G13、補助 RL78/G1A
• 要素技術：MODBUS RTU マスター／スレーブ（5基板構成）、ファン制御、センサ計測、HMI

化学・バイオ実験などで使われるドラフトチャンバー（局所排気装置）を、機能ごとに基板を分けてMODBUS RTUで結ぶ分散制御アーキテクチャで開発しました。

メイン基板がマスター、4枚の機能基板（ファン制御、ガス検知、HMI、センサ束ね）がスレーブとなり、1本のRS-485バスで指令と状態を交換します。1基板1機能の責務分離により、故障時の切り分けや機能拡張が容易になる設計です。1枚が壊れても他基板への影響を最小化でき、機能追加時もそのスレーブだけを更新すれば済みます。

5基板間でアドレス、タイムアウト、応答優先度を設計するのが本案件最大の山場でした。MODBUSのアドレスマップを早期に決めて全基板で共有し、後戻りの少ない開発を進めました。

大型装置・分析装置・実験装置など、1台で多機能を持つ産業機器における設計パターンとして応用が利きます。

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事例2｜Newファンドライバ｜産業ファンのスマート化（モータ制御×MODBUS×Bluetooth）

• 使用マイコン：RL78/G13
• 要素技術：モータ制御、MODBUS RTU スレーブ、Bluetooth、各種センサ

産業用ファンのコントローラとして、モータ制御を行いながら、上位装置からMODBUS経由で運転指示を受け取り、状態をフィードバックする構成です。

加えて、保守員のスマートフォンからBluetoothでファームアップデートや診断ができる機能を実装しました。「上位装置とはMODBUS、保守員とはBluetooth」という二系統の通信を1チップで処理する設計です。

クリーンルーム空調・大型乾燥装置・粉体搬送機など、産業現場でファンを多数並べる用途に展開できるアーキテクチャです。

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事例3｜充電ロッカー｜MODBUSで多扉統合管理（充電制御×NFC×MODBUS）

• 使用マイコン：RL78/G13
• 要素技術：充電制御、NFC認証、MODBUS RTU、ソレノイド制御

複数のロッカーをMODBUSで束ね、上位の管理システムから一括して扉開閉・充電状態・利用ログを管理する業務用充電BOXです。

各ロッカーはMODBUSスレーブとして動作し、扉ロック解除指示の受信、充電中／満充電／エラーなどのステータス通知、NFCカード認証結果の報告を担います。1台のマスターで数十台規模のロッカーを統合管理できる設計です。

物流倉庫・工場・業務用コインロッカーなど、多扉×個別認証×電源管理を必要とする業務用機器全般に応用が利きます。

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事例4｜VIロガー｜電圧電流監視のIoT化（計測×MODBUS×Bluetooth）

• 使用マイコン：RL78/G13
• 要素技術：電圧・電流計測、AD変換、MODBUS RTU、Bluetooth

工場設備の電圧・電流を計測し、MODBUSで上位システムに送信する計測ロガーです。Bluetoothも搭載しており、保守員のタブレットから設定変更・データ吸い上げが可能です。

産業計測機器ではノイズ環境下での計測精度が課題になります。本件ではAD変換のサンプリング、移動平均、外乱除去のロジックを慎重に設計し、現場で信頼できるデータが取れることを優先しました。

電力監視・予防保全・エネルギーマネジメントのIoT化案件で再利用可能なパターンです。

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事例5｜配管探査ロボット｜過酷環境でのMODBUS通信（6軸加速度×MODBUS）

• 使用マイコン：RL78/G13
• 要素技術：6軸加速度センサ、MODBUS RTU、走行制御

配管内部を移動して内部状態を計測する自走式ロボットです。本体内部の各モジュール（駆動部、センサ部、通信部）をMODBUS RTUで結び、機能間の状態交換と統合制御を行います。

配管内は電磁ノイズや振動が大きい過酷環境です。RS-485の差動信号という物理特性が、こうした環境下でも安定動作を実現しています。6軸加速度センサで姿勢を監視しつつ、MODBUSでセンサ群と駆動部の状態をリアルタイム交換する設計としました。

ロボティクス×産業計測の融合領域で、過酷環境向け再利用可能なアーキテクチャです。

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MODBUS開発でつまずきやすい3つのポイント

MODBUSは「仕様はシンプル、製品化すると地味に詰まる」プロトコルです。サーリューションが特に注意して設計しているポイントを3つに絞って共有します。

1. タイムアウト・再送設計

• MODBUSはマスターからの問い合わせに対し応答時間内にスレーブが返す前提
• スレーブの処理が重いとタイムアウトし、マスター側で「応答なし」となる
• 適切なタイムアウト値、再送回数、エラーカウンタの設計が現場での安定動作を分ける

2. アドレスマップの設計

• 各スレーブに割り当てるレジスタアドレス（保持レジスタ・入力レジスタ・入力ステータス・コイル）の設計が後の保守性を決める
• 機能追加時に既存アドレスを動かさないルールを早期に固める
• 「アドレス予約帯」を作っておくと、将来の拡張で困らない

3. ノイズ・終端処理

• RS-485バスは終端抵抗とバイアス抵抗の設定が肝
• 終端を入れ忘れる／間違えると通信エラーが多発する
• 工場環境では電源系・モータ系のノイズが入りやすく、電源・GND設計込みで対策する

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マイコン選定の考え方

産業機器向けMODBUSのマイコン選定は、上から順に絞り込む形で進めると判断がブレません。

① 供給保証
     ├─ 10年以上の長期供給が必須 → Renesas RL78
     └─ 短中期で良い              → 次の条件へ

② 処理性能
     ├─ メイン制御＋通信＋HMI など重い → Renesas RX／STM32
     └─ サブ制御・センサ計測中心       → Renesas RL78

③ 既存資産
     ├─ 既存ファーム・PCB資産が Renesas → RL78／RX を優先
     └─ 新規／グローバル展開             → STM32 を採用

④ コスト
     └─ ボリュームによってはPICも選択肢

産業機器の現場では「長期供給・低消費電力・既存資産との親和性」が決め手になることが多く、サーリューションではRenesas RL78を中心に据えています。

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まとめ

産業機器向けマイコン製品にMODBUSを実装する際は、

1. 対応マイコンの選定（RL78／RX／STM32）
2. アドレスマップとタイムアウト設計（保守性と現場安定性の鍵）
3. 物理層の適切な処理（RS-485の終端・バイアス・ノイズ対策）

の3点が成否を分けます。

サーリューションのマイコン開発サービスでは、Renesas RL78を中心に、ドラフトチャンバー・産業ファン・充電ロッカー・計測ロガー・配管探査ロボットなど、多様な産業機器のMODBUS実装の実績を積み重ねてきました。MODBUS通信案件は、サーリューションの主要な技術カテゴリのひとつです。

「産業機器にMODBUSを組み込みたい」「既存装置のIoT化／集中管理化を検討している」「MODBUSの安定動作で詰まっている」——そういったマイコン開発・ファームウェア設計の課題について、まずは技術相談から、お気軽にご相談ください。

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