IO-Link ── センサの3本線に、デジタルの言葉を

SPI と I²C は、どちらも「基板の上で、チップ同士を近くで結ぶ」話だった。数センチ〜十数センチの世界だ。今日は、その点対点の発想を 基板の外 ── 機械の上に付いた、現場のセンサまで延ばす。出てくるのが IO-Link だ。

そして IO-Link のいちばん面白いところは、新しい線を一本も足さないことだ。工場のセンサが昔から使ってきた、あの3本線（電源 +24V、0V、そしてオン/オフのスイッチ信号）── その同じ3本を使う。なのに、その線でセンサがしゃべり、自分の名前を名乗り、設定を受け取れるようになる。いつものケーブルのまま、ただのスイッチが“賢いセンサ”に化ける、という回だ。

1. いつもの3本線が、しゃべりだす

工場の近接センサを思い浮かべてほしい。金属が近づくと出力線が 24V になり、離れると 0V に戻る ── ただそれだけの、オン/オフの線。配線は3本で、+24V（電源）、0V（GND）、そして信号線が1本。この信号線を、IO-Link の世界では C/Q と呼ぶ。

IO-Link は、この C/Q 線に二つの顔を持たせる。

一つめは SIO（Standard IO）── 昔のまま、ただのオン/オフ。二つめが IO-Link ── 同じ線にビットの列を流して通信する。差し込み口（マスタ側）は、最初に「ねえ、君しゃべれる？」という合図（ウェイクアップ）をその線に送る。相手が返事をすれば通信モードへ、しなければ「ああ、ただのスイッチか」と SIO のまま、という切り替えだ。

もう一つ大事な前提。IO-Link は 点対点 ── マスタの1ポートと、デバイス1台。バスではない（一本の線に大勢ぶら下げるのは、次の RS-485 からの世界）。規格の名前 IEC 61131-9 の正式名も “Single-drop”、つまり「一滴＝1台」だ。SPI/I²C の点対点を、そのまま現場のケーブルへ持ち出した、と思えばいい。

2. 中身は、実は UART

では、その C/Q 線を流れるビットは何の形をしているのか。ここが気持ちのいいところで ── 第一歩で開けた UART そのものだ。

通信モードに入ると、C/Q 線には UART のフレームが流れる。start ビットで始まり、8 ビットのデータ、パリティ（偶数）、stop ビット ── あの「枠にはめて送る」やつだ。速さ（ボーレート）は3段階のどれかで、マスタとデバイスがウェイクアップのときに握り合う：

• COM1 … 4.8 kbit/s
• COM2 … 38.4 kbit/s
• COM3 … 230.4 kbit/s

つまり、UART の回で握った勘 ── start/stop の枠、ボーレート＝1ビットの幅、受信は各ビットの真ん中で読む ── が、そっくりそのままここで効く。下は UART の波形ラボだけど、IO-Link の線を流れているのは、まさにこれだと思って眺めてほしい。

役割もはっきりしている。いつもマスタが主導して問いかけ、デバイスが答える。毎周期やり取りする「いまのセンサ値」＝プロセスデータ（数バイト、最大32バイトほど）と、ときどき読み書きする「設定や素性」＝オンリクエストデータの二本立てだ。常に流れる細い管（プロセス値）と、必要なときだけ開く太い扉（設定）、と分けて持っている。

3. 名乗る・設定できる ── ただのスイッチとの違い

ここからが、ただのオン/オフ線との本当の違いだ。IO-Link のデバイスは、素性と設定の引き出しを持っている。

• 素性 ── ベンダ ID と デバイス ID。「どこの何という製品か」をマスタが読める。
• 設定の引き出し ── パラメータが インデックス（と必要ならサブインデックス）という番号で並んでいて、マスタが読み書きできる。感度、しきい値、フィルタ、単位、表示色…。この番号引きの仕組みを ISDU（Indexed Service Data Unit）と呼ぶ。
• 異常の申告 ── 「汚れてきた」「温度が高い」といったイベントを、デバイスの側から上げられる。黙って壊れるのでなく、理由を言ってから落ちる。

そして、その引き出しの中身が機種ごとにどう並んでいるかは、IODD（IO Device Description）という XML ファイルに書いてある。マスタはこれを読めば、見たことのないセンサでも「インデックス 0x0012 は製品名、0x0024 はしきい値」と分かる。

この「機種を説明する一枚の XML」という発想、実はこのシリーズで何度も顔を出す。EtherCAT の ESI、PROFINET の GSD ── みんな同じ役回りだ。「どんな相手でも、説明書さえ標準形なら、汎用のマスタが扱える」。IO-Link の IODD は、その最小版、といっていい。

4. コードでは ── プロセス値と、パラメータ

ソフトから触るとき、入口は機種（マスタ）によって違う。けれど 形はいつも同じ二つの扉だ ── 毎周期の プロセスデータ（いまの値）と、番号引きの パラメータ（ISDU）。

最近の IO-Link マスタは、その二つを JSON-REST で外に出していることが多い。例えばこんな具合（パスはメーカごとに違うけれど、「ポートを選んで、プロセス値か、インデックスでパラメータを読む」という形は共通だ）：

# IO-Link マスタ（IP: 192.168.0.10）の ポート1 を読む例
import requests

M = 'http://192.168.0.10'

# (1) 毎周期のプロセスデータ＝いまのセンサ値（生バイト列）
pd = requests.get(f'{M}/port/1/processdata/value').json()
print('process data =', pd['value'])     # 例: '01A4' （意味は IODD が決める）

# (2) パラメータ＝インデックス番号で引く（ISDU）。0x0012 = 製品名
name = requests.get(f'{M}/port/1/param/18').json()   # 18 = 0x12
print('product =', name['value'])

# (3) パラメータを書く＝設定する（例: しきい値インデックスに 500 を入れる）
requests.put(f'{M}/port/1/param/100', json={'value': 500})

プロセスデータが「生バイト列」なのがポイントだ。01A4 が圧力なのか温度なのか、何倍すれば物理量になるのか ── それを決めているのは IODD。EtherCAT のフレームで見た「バイトの並びの意味は、別腹の説明書が決める」と、まったく同じ構図になっている。

5. 特別な機構 ── 壊れたセンサを、ポン付けで戻す

IO-Link がただの「デジタル化」を超えて現場で重宝される理由が、一つある。データストレージだ。

マスタは、つないでいるデバイスのパラメータの控えを 自分の側に持っている。だから、センサが壊れて、同じ型番の新品にポン付けで交換すると ── マスタが控えのパラメータを自動で書き戻す。ノートPCを持って現場へ行き、しきい値や感度を設定し直す、という作業が要らない。ラインが数秒で復帰する。

地味に見えて、これは工場ではとても大きい。「センサ交換＝専門家＋設定作業＝ライン停止」が、「センサ交換＝誰でも・ポン付け・即復帰」に変わる。先の「異常を理由つきで申告する（黙って落ちない）」と合わせて、止まらない・直しやすいを、いつもの3本線のまま手に入れている。

6. どこに居るのか ── 最後の一メートル

最後に、地図の上での居場所を確かめておこう。

IO-Link は 点対点で、近い（ケーブルは20mまで）。マスタの1ポートにつき、デバイス1台。だから IO-Link は、上位のネットワーク（フィールドバス）を置き換えない。その下にぶら下がる。IO-Link マスタ自身が、PROFINET や EtherNet/IP、EtherCAT といったフィールドバス上の一台（ノード）になっていて、何ポートぶんものセンサを束ねて、まとめて上の PLC へ渡す。

梯子の上での位置はこうだ。SPI・I²C は「基板の上の点対点」だった。IO-Link は、その点対点の発想を、現場のセンサケーブルへ持ち出して、相手を賢くしたもの ── でも、つなぐ相手はやっぱり1台ずつ（点対点）のまま。「最後の一メートル」を、いつもの線でデジタルにする、という一段だ。

さて、ここまでは「1対1」で来た。次は、いよいよ一本のバスに、大勢を、長い距離でぶら下げたくなる。そのために変えるのは、電圧の持ち方 ── 2本の線に逆向きの信号を流して“差”で読む 差動だ。これで、ノイズに強く・遠く・多数の世界、RS-485 と Modbus へ進む。点対点の枝を一通り見たから、今度は幹のほうへ。