I・Oモジュールのアナログ10点入力の仕組みとデジタル化手法

デジタルI・OとアナログI・Oの違い

I・Oモジュールは、扱う信号の種類によって大きく2つに分類されます。

デジタルI・O（DI／DO）

スイッチのON/OFFやリレー接点など、「0か1か」の二値信号を扱います。

アナログI・O（AI／AO）

温度、圧力、流量、電圧（0-10V）、電流（4-20mA）など、「連続的に変化する数値」を扱います。

産業市場で主流の「点数」と選び方

I・Oモジュールの仕様における「点数」とは、1つのモジュールで接続できる機器（信号）の数を指します。産業用オートメーション市場では、コストパフォーマンスと制御盤内のスペース効率（省配線）が重視されるため、「1点」のような極小単位のモジュールはほとんど採用されません。

一般的に流通している主要なモジュール構成と、その用途は以下の通りです。

【市場標準】I・Oモジュール点数構成一覧

ケーススタディ：点数ごとの活用シーン

現場の規模や接続するセンサーの数に応じて、適切なモジュールを選定することがシステム構築の鍵となります。

（アナログ）8点入力モジュールのケース：中規模冷凍設備やプロセスラインの統合監視

アナログ入力において「8点モジュール」は、コストと機能のバランスが取れた非常に需要の高いモデルです。たとえば、大型の冷凍冷蔵倉庫において「冷凍機ごとの吸込み・吐出圧力」「庫内の複数エリアの温度」など、合計6～8箇所のデータを監視したい場合、4点モジュールを2台設置するよりも、8点モジュール1台で構成する方がユニットコストを抑えられ、スロット（設置場所）の節約にもなります。

※一部の特殊なリモートI／O製品などでは10点以上の多点アナログ入力に対応するものもありますが、汎用的には8点単位での増設が一般的です。

※株式会社ゼファーテックでは、一般的な8点モジュールよりもさらに多点監視が可能な10点モジュールを採用しています。これにより、同じスペースでより多くのデータを収集でき、大規模な監視システムにおけるコストパフォーマンスを向上させています。

（デジタル）32点モジュールのケース：制御盤の小型化と多点制御の効率化

大規模な搬送ラインや複雑なシーケンス制御が必要な装置では、センサーやスイッチの数が膨大になります。このような現場で16点モジュールを複数並べると、PLCのベースユニットの幅が広がり、制御盤自体が大型化してしまいます。そこで採用されるのが「32点」や「64点」の高密度モジュールです。コネクタタイプの接続を採用することで、配線作業工数を大幅に削減しつつ、コンパクトな盤内レイアウトを実現します。

冷凍冷蔵・空調分野における信号の使い分け

冷凍機や空調機の監視制御では、両方の信号タイプが併用されています。デジタル信号は圧縮機の運転状態確認や異常警報の検知に使われ、アナログ信号は庫内温度や冷媒圧力、外気温度といった連続的なデータ収集に使われます。複数メーカーの機器を一括管理する際には、それぞれの機器が出力する信号タイプを正確に把握しておく必要があります。

A／D変換とD／A変換の役割

A／D変換（アナログ・デジタル変換）

センサーが出力するアナログ信号を、制御システムが処理できるデジタルデータに変換する技術です。たとえば温度センサーからの0から5Vの電圧信号を数値データに変換します。この変換精度は「分解能」で表され、8ビットや12ビットという値が使われます。分解能が高いほど、細かい温度変化まで正確に捉えられます。

D／A変換（デジタル・アナログ変換）

制御システムからのデジタル指令を、実際の機器が動作できるアナログ信号に変換する技術です。電子膨張弁の開度調整やインバーター圧縮機の回転数制御といった用途に使われ、きめ細かな制御を実現します。

遠隔監視システムにおける必要性

複数拠点の冷凍冷蔵設備を一括管理する場合、各拠点から収集するデータの大半はアナログ信号です。温度と圧力、流量という運転データを正確に取得し、リアルタイムで監視するには、適切な点数のアナログ入力モジュールと十分な分解能を持つA／D変換機能が必要です。デジタル信号だけでは得られない詳細な運転状態の把握が、予防保全や省エネ運転の実現につながります。

監視精度とデータ収集能力への影響

点数不足による監視の盲点

I・O点数が不足していると、本来監視すべきパラメータを省略せざるを得なくなります。圧力センサーを諦めて温度だけを監視する、あるいは一部の機器だけを監視対象とするという妥協が必要になり、異常の早期発見が遅れるリスクが高まります。

十分な点数確保のメリット

アナログ入力を10点以上確保できていれば、複数機器の温度・圧力データを網羅的に収集できます。各機器の運転状態を詳細に把握でき、微細な異常兆候も見逃さず検知できるようになります。また、省エネ運転の最適化や負荷分散制御という高度な運用も可能になります。

汎用入力（デジタルとアナログを自由に切り替えるタイプ）の重要性

近年では、1つの端子を「デジタル入力（接点）」または「アナログ入力（センサー値）」のどちらにも設定変更できる「汎用入力（ユニバーサル入力）」機能を持つモジュールが注目されています。設計段階でセンサーの詳細が決まりきっていないリニューアル案件や、現場で急な仕様変更が生じた際でも、ハードウェアを交換することなく設定変更のみで柔軟に対応可能です。これにより、設計の手戻りを防ぎ、スムーズなシステム構築を実現します。

システム拡張性とコスト効率

将来的な設備増設を見据え、I・O点数に余裕を持たせておくことが必要です。当初6点で十分だった監視ポイントが、機器追加により12点必要になるケースは珍しくありません。最初から10点モジュールなどを導入しておけば、後からモジュールを追加する手間やコストを削減できます。一般的には、現在必要な点数の1.2倍から1.5倍程度の余裕を持たせることが推奨されています。

複数メーカー統合における考慮点

異なるメーカーの機器を統合する際、信号の出力方式が異なる場合があります。あるメーカーは電圧信号を、別のメーカーは電流信号を使用しているケースもあります。I・Oモジュール側で両方の信号タイプに対応できる柔軟性が必要ですので、点数だけでなく入力レンジの対応範囲も確認しておく必要があります。