IoT、ビッグデータ、機械知能における技術の進歩は、製造や自動化などの産業に大きな需要をもたらし、情報技術（IT）と運用技術（OT）の効率全体でデータとその価値が大きく変化し続けています。この変革の時代、あるいは「インダストリー4.0」と呼ばれる時代において、より多くのデバイスが機械に接続され、コンピューティングシステムがその特定の機能とワークロード性能において多用途であることを要求されるという途方もないプレッシャーがかかっています。
例えば、産業用コンピュータは、ローカルレベルまたはエッジレベルでより緊密なワークロードの統合と集約のためのプラットフォームとして機能するようになりました。言い換えれば、産業用コンピューティングシステムは、リアルタイムの意思決定のために貴重な情報を送受信する様々なデータ入力を管理できる必要があります。したがって、産業用コンピュータは、より堅牢なコンピューティング操作のために、様々なレガシーおよび新しい入出力（I/O）ポートをサポートする必要があります。この記事では、今日産業用コンピューティング展開で使用されている最も一般的なI/Oポートのいくつかについて説明します。
産業用コンピューティングおよび工場自動化ワークロード向けの一般的なI/Oポート
シリアルポート 
産業用コンピュータが他のデバイスと通信するためには、シリアルポートが最も一般的なレガシーポートです。シリアルポートの標準は1960年代に考案され、60年近く経った現在でも使用されています。これは、シリアルポートがどれほどよく設計され、データ伝送の信頼性と品質が優れていたかの証拠です。シリアルポートの主な制限はデータレートであり、約115,200ビット/秒が上限です。
RS-232/422/485
レガシーシリアルポートの場合、接続されるアプリケーションとデバイスに応じて、RS-232/422/485の3つの異なるモードで動作するように設定できます。
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RS-232：このモードでは、ポートは単一ポイントツーポイントトポロジで動作します。つまり、1つのデバイスしか接続できません。これは通常、モデム、マウス、またはキーボードに使用されます。ケーブルの最大長は15mで、最大動作速度は9,600ボーです。このポートは、単一終端データ伝送のため、伝送ノイズやデータエラーの影響を受けやすいです。
- RS-422：このモードはRS-232に似ていますが、いくつかの利点があります。最大ケーブル長は1,200mに達することができます。また、単一マスター、複数スレーブモードで動作できます。これにより、ポートは最大10個の異なるデバイスにデータを送信できます。このモードは、送受信データに別々のワイヤーペアを使用し、差動データ伝送モードで動作するため、RS-232よりも伝送ノイズに対する耐性が優れています。
- RS-485：このモードはRS-422の機能を拡張したものです。RS-232/422の単一ポイントツーポイントではなく、真のマルチポイントトポロジを提供します。これにより、接続できるデバイスの最大数は32に増えますが、一度に1つのデバイスしか送信できないという制限があります。
USBポート 
1995年に旧式のシリアルポートの代替として考案されたUSBは、コンシューマー市場と産業市場の両方で使用されるほとんどのデバイスやセンサーの事実上の標準ポートとなっています。帯域幅の増加が必要となるにつれて、ビジョンカメラや指紋リーダーなどの最新のIoTセンサーは、従来のシリアルポートでは不可能です。これらのタイプのデバイスには、115.2 b/秒よりもはるかに高い帯域幅が必要です。ほとんどの産業用システムでは、レガシーシリアルポートと最新のUSBポートの数のバランスをうまく取る必要があります。アプリケーションと環境によっては、両方のポートが必要になる場合があります。システム上のレガシーシリアルポートは、古い自動化デバイスやセンサーに接続するために使用でき、最新の高解像度カメラはUSBポートに接続できます。USBポートの高速化と柔軟性に加えて、接続されたUSBデバイスのインテリジェントな電力管理も可能になり、これはレガシーシリアルポートにはない機能です。この電力管理機能により、システムは使用していないデバイスをスリープ状態にして電力を節約し、デバイスが必要なときに瞬時にウェイクアップさせることができます。これにより、複数のUSBデバイスが接続されている場合のシステムの全体的な消費電力を削減できます。
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USBバージョン |
リリース日 |
低速転送速度 |
高速転送速度 |
最大ケーブル長 |
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1.0 |
1996年1月 |
1.5 Mbit/s |
12 Mbit/s |
16フィート |
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1.1 |
1998年9月 |
1.5 Mbit/s |
12 Mbit/s |
16フィート |
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2.0 |
2000年10月 |
60 Mbit/s |
480 Mbit/s |
16フィート |
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3.0 |
2008年11月 |
60 MB/s |
5 Gbit/s |
9フィート |
| 3.2 Gen 2 | 2017年9月 | N/A | 10 Gbit/s | N/A |
現代のデバイスが高速化を要求するにつれて、シリアルポートの後継として1995年にUniversal Serial Bus (USB) が導入されました。USBの設計は、レガシーシリアルポートのこれらの主な制限を解決するためにゼロから考案されました。
- 速度: USB 1.0は12 Mb/秒のデータレートで始まりましたが、これは115.2 b/秒よりもはるかに高速です。USBバージョンの各イテレーションは、速度を桁違いに向上させ、2020年までに40 Gb/秒に達しました。
- 複数のデバイス: レガシーシリアルポートは、主に1つのデバイス対1つのポート設計でした。これは、キーボードやマウスなどの一般的な周辺機器を接続するために複数のポートを必要としました。USBは、1つのポートで最大128台のデバイスを処理および列挙できるインテリジェントなシリアルプロトコルとして設計されました。
USB 3.2 Gen 2 / SuperSpeed USB 10 Gbps
USB 3.1として知られていたUSB 3.2 Gen 2は、最大10 Gbpsの速度を提供し、USB 3.0の最大転送速度の2倍になります。混乱を避けるため、USB 3.2 Gen 2は「SuperSpeed USB 10 Gbps」と呼ばれることがよくあります。この仕様は、ストレージおよびディスプレイアプリケーションのコンピューティング要件を満たすために、大幅な性能向上をもたらします。USBインフラストラクチャを活用することで、新しい仕様は既存のUSB製品と互換性があり、デバイス間でより高速で信頼性の高い便利なデータ転送を可能にします。
当社の堅牢なエッジコンピュータであるRCO-6100産業用コンピュータシリーズ、VCO 6100マシンビジョンコンピュータシリーズ、RCO 6120-2060S産業用GPUコンピュータ、およびVCO-6131E-4M2 AIエッジ推論コンピュータは、Intelの第8世代および第9世代Coreプロセッサをサポートし、USB 3.2 Gen 2を活用することで、各デバイスに高度な処理能力と高速データ伝送機能を提供します。IntelのQ370チップセット、NVMeストレージ、および高速I/O拡張性を備えた3つの産業用エッジコンピュータはすべて、ミッションクリティカルな信頼性を確保し、AIトレーニングや推論などのデータ集約型アプリケーションに高いスケーラブルな性能を提供します。
USBポートの登場にもかかわらず、レガシーシリアルポートは最新の産業用システムに存在し続けています。これは、工場でまだ使用されているレガシーシリアルデバイスの数が多いためです。これらのデバイスの何十年にもわたる使用は、レガシーシリアルポートがいかに信頼性が高いかを証明しています。生産ラインや自動化を制御するために使用されるデバイスにとって、信頼性と稼働時間は、生の伝送速度や複数のデバイスを接続する能力よりも重要な場合があります。
ビデオディスプレイポート 
VGA
オリジナルのディスプレイポートはIBMによって1987年にPS/2システムで使用するために設計されました。VGA（Video Graphics Array）ポートとして知られるこのビデオインターフェースは、32年経った現在でも使用されています。VGAはデジタル信号ではなくアナログ信号を使用するように設計されていました。VGAポートの主な制限は、その最大解像度とホットプラグ可能ではなかったことでした（実際には可能ですが、ポートとモニターに損傷を与える可能性があります）。
DVI
1999年にリリースされたDigital Visual Interface (DVI) は、VGAポートを置き換えるために設計されたディスプレイインターフェースです。DVIは、VGAポートのアナログの制限を克服するために、デジタル信号のみに基づいています。DVIは、必要な最大解像度とリフレッシュレートに応じて、シングルリンクまたはデュアルリンクの2つの異なるモードで動作できます。シングルリンクモードでは最大2560x1600 @ 30Hz、デュアルリンクでは最大3840 x 2400 @ 30Hz（標準の4K解像度）の解像度が可能です。
HDMI
2002年にリリースされたHigh-Definition Multimedia Interface (HDMI) は、様々な機能強化を伴いDVIを置き換えるために設計されました。しかし、DVIとは異なり、HDMIはオープンスタンダードではないという重要な違いがあります。これは使用にライセンス料がかかる独自のインターフェースです。HDMIは元々コンシューマー向けテレビ用に設計されたため、DVIインターフェースにはなかったビデオとオーディオの両方の伝送を可能にします。HDMIは、最大解像度とリフレッシュレートにおいて将来性があるように設計されました。現在のHDMI 2.xバージョンは、8K（7680 x 4320 @ 120Hz）までスケーリングできます。セキュリティとコンテンツ保護のために、HDMIはHDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）を使用して信号を暗号化できます。
DP
2008年にリリースされたDisplay Port (DP) は、VESAが支援するオープンスタンダードのビデオ/オーディオインターフェースです。そのため、DPに関連するライセンス料はありません。HDMIと同様に、DPはデータ速度、最大解像度、リフレッシュレートに関してスケーラブルに設計されました。DP 2.0は現在、最大10K（10240 x 4320 @ 60Hz）に達することができます。さらに、DPはヘッドセットやメガネなどの拡張現実/仮想現実（AR/VR）デバイスのサポートが付属しています。
ローカルエリアネットワーク（LAN）とパワーオーバーイーサネット（PoE）
高速有線接続の場合、標準のRJ45 LANポートは産業用および組み込みコンピューティングで一般的ですが、物理ケーブルを配線するには設定と堅牢なネットワークレイアウトが必要となることがよくあります。LANポートの速度は10/100Mbpsから、標準の銅線ケーブルを使用した場合の最大10Gbpsまでで、最大ケーブル長は100mです。
10GbE
10GbEを活用するネットワークは、1秒あたり10ギガビットでイーサネットフレームを送信します。これは、より一般的なGbE接続の10倍の速度です。10GbEは、高速ストレージおよびI/Oを活用するアプリケーションをより良くサポートするために、IoT技術の性能向上に追随しています。既存のCat 5e、Cat-6、Cat 6a、または専用のCat-7ケーブルは、10GbE伝送をサポートし（距離と必要な帯域幅によります）、配線のやり直しを不要にします。10GbEの比較的単純な構造と速度により、エッジコンピュータは、高速に取得および処理された大量のデータをエンタープライズネットワークに即座にオフロードでき、オペレーターや自動化されたネットワークシステムにリアルタイムの洞察を提供し、適切な意思決定を下すことができます。
PoE
標準のLANポートはデータの伝送のみを提供します。しかし、ビデオセキュリティや監視などの特定のユースケースでは、複数のIoTデバイスやカメラに電源を供給することが望ましいです。この技術は「Power Over Ethernet」または略してPoEとして知られています。
この目的のために、PoE技術のインテグレーターが特定の仕様を遵守できるよう、国際標準が作成されました。これにより、LANポートは同じ銅線ケーブルを使用してデータと電力の両方を提供することができ、複数のケーブルを束ねる必要がなくなります。PoEの主な利点は、遠隔地やモバイルアプリケーションでは利用できない電源コンセントを不要にすることです。例えば、公共交通機関やスマートシティアプリケーションでPoE対応のセキュリティカメラは、単一のケーブルでデータと電力の両方を効率的に提供できるため、メンテナンスと設置が容易というメリットがあります。
技術的な詳細 - Power Over Ethernet (PoE) 技術とその業界プロトコル仕様、PoEの4つの主な利点、およびPoEの導入事例について詳しくはこちら
DIOおよびGPIOポート 
デジタルI/Oまたは汎用I/Oは、従来のシリアルポートやUSBポートのような共通インターフェースを持たない電気機器やセンサー用のポートです。これらの機器は、警報センサー、モーション検出器、生産ライン自動化コントローラーなど多岐にわたります。これらの機器をシステムのDIOポートに接続することで、機器の動作やトリガーをソフトウェアで制御できます。例えば、警報センサーをDIOの入力ポートに接続し、警報アラートをDIOの対応する出力ポートに接続します。ソフトウェアアプリケーションは、入力ポートの状態変化（警報センサーがトリガーされた）を検出し、出力ポートの状態を変化させて警報アラートを作動させるようにプログラムできます。
システムには通常、4つ、8つ、あるいはそれ以上のDIOポートが搭載されています。複数の入出力ポートがあることで、システムはさまざまなトリガーイベントに基づいて現実世界と対話できます。アプリケーションは、複数の入力ポートからのトリガーと、出力ポート上の一連の関連アクションをプログラムできます。上記の警報の例を拡張すると、複数の出力ポートがある場合、トリガーされたときに警報音を鳴らすだけでなく、同時に警備員に連絡し、すべてのドアを閉じるようにシステムをプログラムできます。組み込みシステム開発者がDIOポートに基づいたアプリケーションを作成するのを支援するため、WindowsおよびLinux OSの両方をカバーするサンプルコードパッケージが提供され、プログラマーがDIOポートに簡単にアクセスできるようになっています。
M12コネクタ 
産業用PCのネットワーク、シリアル、USBなどの標準コネクタは、自動車工場や食品加工施設のような過酷な環境で使用するように設計されていませんでした。このような過酷な環境では、産業用PCとエンドデバイス間の接続が中断されないように、堅牢で信頼性の高い強化されたコネクタが必要です。M12コネクタは、この目的のために1985年に設計されました。M12コネクタは、12mmのロックねじを備えた円形コネクタです。M12コネクタは、内蔵のロック機構に加えて、IP65、IP68以上の防水・防塵保護等級に準拠しており、ウォッシュダウンや腐食性環境でも使用できます。これらのコネクタは、3、4、5、8、12ピンの様々なピン数で利用できます。最も一般的に使用されるピン構成は8ピンM12コネクタで、ギガビットイーサネットLAN/PoE、レガシーシリアル、またはUSB 2.0ポートに採用できます。
一般的なアプリケーションとピン数：
- センサーと電源：3ピンと4ピンが必要
- Profinetとイーサネット：4ピンと8ピンが必要
- Fieldbus、CANbus、DeviceNet：4ピンと5ピンが必要
- 信号完全性：12ピン
M12コネクタのコーディングは、コンピュータI/Oから接続デバイスへの誤った嵌合を防ぎます。A、B、D、Xコードのピン配列（下記参照）は、産業用コンピュータで最も一般的で普及しています。しかし、デジタルトランスフォーメーションが高速イーサネットに高速データ伝送を要求するにつれて、10ギガビットイーサネット用のXコードピン配列は最終的にイーサネット用のAおよびDコードピン配列に取って代わるでしょう。
産業用コンピューティングにおけるM12コーディングオプション：
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センサー、DC電源、1 Gbitイーサネット用Aコード
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Profibus用Bコード
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AC電源用Cコード
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100 Mbitイーサネット用Dコード
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10 Gbitイーサネット用Xコード
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AC電源用Sコード（最終的にCコード電源部品に取って代わるでしょう）
- DC電源用Tコード（最終的にAコード電源部品に取って代わるでしょう）
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参考文献：