【C#】PLC通信の基本を言葉の定義から理解する - 入門から実践まで

Last updated at 2025-09-19Posted at 2025-09-15

はじめに

現在の産業界において、PLC（Programmable Logic Controller） は製造現場から物流システム、インフラ設備まで幅広く活用されています。最近では IoT や DX推進においても重要な役割を担っています。

そして、PLCとPC（C#アプリ）を連携させることで、リアルタイム監視、予知保全、品質管理、生産管理、クラウド連携など多様なシステムが実現できます。

C#は .NET Framework の豊富なライブラリ、Visual Studio の強力な開発環境、さらには Azure IoT Edge や AWS IoT Greengrass との親和性により、産業用システム開発においても非常に有効な選択肢です。

C#の可能性は無限大！！

しかし、多くの開発者が最初にぶつかる壁は 「そもそもPLC通信ってなに？」「どの技術を選べばいいの？」 という基本的な疑問ではないかと思います。

手あたり次第にAIで調べても、専門用語が多すぎて結局どれを選べばいいのか分からない...なんてことも。今回は、基本用語の定義から順番に、C#でPLC通信を始めるための考え方を体系的に整理してみました。

本記事で紹介するC#実装は Windows PC（または産業用PC）上で動作するアプリケーションを対象としています。PLC本体やマイコンに直接C#を実装するわけではなく、あくまで「PC側の監視・制御・クラウド連携アプリ」としてC#を利用します。

【入門編】基本概念の理解

1. PLCとは？

Programmable Logic Controller（プログラマブルロジックコントローラ） の略で、工場の設備・機械を制御する産業用コンピュータです。

とてもわかりやすくて参考になる記事がありましたのでリンクしておきます。

PLCの基本的な役割

入力処理 : センサーからの信号を読み取り
演算処理 : プログラムに従って論理演算を実行
出力処理 : モーターやシリンダーなどアクチュエータを制御
通信処理 : 他の機器やシステムとデータ交換

重要なキーワード

入出力（I/O） : 入力はセンサー信号、出力はアクチュエータ制御
デバイス／メモリ : PLC内部にある記憶領域（例：D, DM, M, R, Wなど）
スキャンタイム : PLCがプログラムを1周実行する時間
ラダープログラム : リレー回路図のような視覚的なプログラミング言語

2. PLC通信とは？

PCからPLCにアクセスして内部のデバイス値を読み書きすることです。これにより、PLCの状態監視や制御が可能になります。

基本的な通信パターン

そもそも何ができるの？

読出し（Read）

PLCのデバイス値を取得
例：温度センサーの値、機械の稼働状況、エラー情報

書込み（Write）

PLCに値を設定
例：設定温度の変更、運転モード切替、パラメータ投入

イベント通知

PLCから異常発生やプロセス完了を通知
例：エラー発生、バッチ処理完了

双方向通信

PC⇔PLC間での相互的なデータ交換
例：レシピ送信、進捗状況の監視

3. 通信方式の種類

PLCとPCをどうつなぐかによって物理的な通信手段が変わります。

シリアル通信（RS-232C, RS-485）

[ 特徴 ]

昔ながらの方法、確実性は高い
速度は比較的遅い（最大115,200bps程度）
ケーブル長に制限（RS-232C: 15m、RS-485: 1200m）

[ 適用場面 ]

近距離での1対1通信
ノイズの多い環境
既存システムとの互換性重視

Ethernet/TCP通信

[ 特徴 ]

一般的なLANケーブルで接続可能
高速（10Mbps～1Gbps）
複数PCから同時接続できる
近年のPLCでは標準対応

[ 適用場面 ]

複数システムでの監視
高速データ転送
リモート監視・制御

USB通信

[ 特徴 ]

プラグアンドプレイ対応
高速で確実な通信
距離制限あり（最大5m）

[ 適用場面 ]

メンテナンス・デバッグ作業
一時的なデータ収集

4. プロトコル（会話のルール）

「通信の言葉」がプロトコル。PLCメーカーや用途によって種類があります。

この比較チャートは、縦軸が機能性・高速性、横軸が実装の簡単さを表しています。右上に行くほど使いやすく高機能、左下に行くほど実装は大変だが制御可能な範囲が広いことを示しています。

上位リンク（Host Link）- Keyence

[ 特徴 ]

ASCII文字ベースのコマンド方式
人間が読みやすい
デバッグしやすい

[ コマンド例 ]

RD D100 1      # D100を1ワード読出し
WR D100 1234   # D100に1234を書込み

KV COM - Keyence

[ 特徴 ]

キーエンス公式の通信ライブラリ
COMオブジェクトとして提供
KV Studioに標準で含まれる
シンプルなメソッド呼び出しで使用可能

[ コード例 ]

kvcom.IPAddress = "192.168.1.100";
kvcom.Open();
int value = kvcom.GetDevice("DM100", 1, data)[0];

MCプロトコル - 三菱電機

[ 特徴 ]

三菱PLCの標準プロトコル
バイナリ形式とASCII形式がある
多くのPLCメーカーが対応

[ フレーム例 ]（ASCII形式）

500000FF03FF000C04010000A8000064000100

Modbus - モドバス

[ 特徴 ]

最も普及した産業用プロトコル
レジスタ番号でアクセス
オープンスタンダード

[ 機能コード例 ]

03: ホールディングレジスタ読出し
06: ホールディングレジスタ書込み
16: 複数ホールディングレジスタ書込み

💡 Modbus番地表記の注意
Modbusは「0番地起点」と「1番地起点」の表記揺れがあるため、仕様書を必ず確認してください。同じレジスタでも機器によって40001番地と40000番地で表記が異なる場合があります。

OPC UA

[ 特徴 ]

現代の産業用通信標準（多くの大規模システムで実用化済み）
セキュリティ機能内蔵
プラットフォーム非依存
Azure IoT EdgeやAWS IoT Greengrassとの連携に最適

メリット・デメリット比較

プロトコル	メリット	デメリット
上位リンク	シンプルで理解しやすいデバッグが容易	テキスト形式のため通信量が多いキーエンス専用
KV COM	最も簡単に実装可能キーエンス公式サポート安定性が高い	キーエンス専用ライセンス費用（KVスタジオ）
MCプロトコル	業界標準として広く採用高速通信が可能他メーカーでも使用可能	実装が複雑プロトコル仕様の理解が必要
モドバス	業界標準、幅広い対応シンプルな仕様オープンソースライブラリ豊富	機能が限定的デバイス名ではなく番号でアクセス
OPC UA	最新の標準技術強固なセキュリティクラウド連携に適している	設定が複雑リソース消費が大きい

5. 通信レイヤーの理解

通信は複数の層に分かれていて、それぞれの役割を理解することが重要です。

この図はOSI参照モデルに基づく通信の階層構造を示しています。下位層（物理層）から上位層（アプリケーション層）まで、それぞれが担当する機能と具体例を表示。PLC通信では主にL1（物理）、L4（TCP）、L7（プロトコル）が重要です。

物理層（Physical Layer）

役割 : 物理的な信号の伝送
例 : Ethernetケーブル、RS-232Cケーブル、光ファイバー

データリンク層（Data Link Layer）

役割 : データフレームの組み立て・分解、エラー検出
例 : Ethernet frame、CRC検査

ネットワーク層（Network Layer）

役割 : IPアドレスによる経路制御
例 : TCP/IP、UDP/IP

トランスポート層（Transport Layer）

役割 : 信頼性のあるデータ伝送、ポート管理
例 : TCP（信頼性重視）、UDP（速度重視）

アプリケーション層（Application Layer）

役割 : 具体的な通信プロトコル
例 : MC Protocol、Modbus、Host Link

【実践編】C#実装とトラブルシューティング

6. C#での実装パターン

それでは、実際の実装パターンの例をみていきます。

⚠️ 重要な注意点
以下のコード例はデモ実装です。本番環境では追加のエラーチェック、CRC検証、デバイス番号範囲チェック、レスポンスのバイトオーダー処理などが必要です。

[ パターン1 ] 基本的なソケット通信（上位リンク）

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

public class KeyenceHostLink
{
    private TcpClient tcpClient;
    private NetworkStream stream;

    public async Task<bool> ConnectAsync(string ipAddress, int port = 8501)
    {
        try
        {
            tcpClient = new TcpClient();
            await tcpClient.ConnectAsync(ipAddress, port);
            stream = tcpClient.GetStream();
            return true;
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"接続エラー: {ex.Message}");
            return false;
        }
    }

    public async Task<int> ReadDeviceAsync(string deviceName)
    {
        string command = $"RD {deviceName} 1\r\n";
        byte[] requestData = Encoding.ASCII.GetBytes(command);
        
        await stream.WriteAsync(requestData, 0, requestData.Length);
        
        byte[] buffer = new byte[256];
        int bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
        string response = Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        
        // レスポンス解析（簡略版 - 本番では詳細なエラーチェックが必要）
        if (response.StartsWith("00"))
        {
            string[] parts = response.Split(' ');
            return int.Parse(parts[1]);
        }
        
        throw new Exception($"読み込みエラー: {response}");
    }

    public async Task<bool> WriteDeviceAsync(string deviceName, int value)
    {
        string command = $"WR {deviceName} {value}\r\n";
        byte[] requestData = Encoding.ASCII.GetBytes(command);
        
        await stream.WriteAsync(requestData, 0, requestData.Length);
        
        byte[] buffer = new byte[256];
        int bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
        string response = Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        
        return response.StartsWith("00");
    }

    public void Disconnect()
    {
        stream?.Dispose();
        tcpClient?.Close();
    }
}

※サンプルのポート番号（例: 8501）は機種・設定で異なります。必ず実機の通信設定／マニュアルで確認してください。

[ パターン2 ] MC Protocol実装例

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

public class MCProtocolClient
{
    private TcpClient tcpClient;
    private NetworkStream stream;

    public bool Connect(string ipAddress, int port = 8501)
    {
        try
        {
            tcpClient = new TcpClient(ipAddress, port);
            stream = tcpClient.GetStream();
            return true;
        }
        catch
        {
            return false;
        }
    }

    public int ReadDevice(string deviceName)
    {
        string command = BuildReadCommand(deviceName);
        byte[] sendData = Encoding.ASCII.GetBytes(command);
        
        stream.Write(sendData, 0, sendData.Length);
        
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
        string response = Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        
        return ParseReadResponse(response);
    }

    private string BuildReadCommand(string deviceName)
    {
        // MC Protocol ASCIIフレーム構築（簡略版）
        // 本番では：デバイス番号範囲チェック、CRC計算、より詳細な制御が必要
        string subheader = "5000";
        string network = "00";
        string station = "FF";
        string moduleIo = "03FF";
        string multidrop = "00";
        string command = "0401";
        string subcommand = "0000";
        
        string deviceCode = GetDeviceCode(deviceName);
        string deviceNumber = GetDeviceNumber(deviceName);
        string pointCount = "0001";
        
        string data = command + subcommand + deviceNumber + deviceCode + pointCount;
        string dataLength = (data.Length / 2).ToString("X4");
        
        return subheader + network + station + moduleIo + multidrop + dataLength + data;
    }

    private string GetDeviceCode(string deviceName)
    {
        if (deviceName.StartsWith("D")) return "A8";
        if (deviceName.StartsWith("M")) return "90";
        return "A8";
    }

    private string GetDeviceNumber(string deviceName)
    {
        string numberStr = deviceName.Substring(1);
        int number = int.Parse(numberStr);
        return number.ToString("X6");
    }

    private int ParseReadResponse(string response)
    {
        // 簡略版レスポンス解析 - 本番ではバイトオーダー、エラーコード詳細チェックが必要
        if (response.Length >= 22)
        {
            string errorCode = response.Substring(18, 4);
            if (errorCode == "0000")
            {
                string dataHex = response.Substring(22, 4);
                return Convert.ToInt32(dataHex, 16);
            }
        }
        return -1;
    }

    public void Disconnect()
    {
        stream?.Close();
        tcpClient?.Close();
    }
}

[ パターン3 ] 高レベルAPIライブラリ使用（KV COM例）

// COMライブラリ参照が必要
using KVCOMLib;

public class KVComClient
{
    private KVComEX kvcom;

    public bool Connect(string ipAddress, int port = 8501)
    {
        try
        {
            kvcom = new KVComEX();
            kvcom.DeviceType = 1; // Ethernet
            kvcom.IPAddress = ipAddress;
            kvcom.PortNo = port;
            
            return kvcom.Open() == 0;
        }
        catch
        {
            return false;
        }
    }

    public int ReadDM(int address)
    {
        short[] data = new short[1];
        string device = $"DM{address}";
        
        if (kvcom.GetDevice(device, 1, data) == 0)
        {
            return data[0];
        }
        return -1;
    }

    public bool WriteDM(int address, int value)
    {
        short[] data = { (short)value };
        string device = $"DM{address}";
        
        return kvcom.SetDevice(device, 1, data) == 0;
    }

    public void Disconnect()
    {
        kvcom?.Close();
    }
}

7. 実装時の重要なポイント

エラーハンドリング

PLCとの通信では様々なエラーが発生する可能性があります。

public async Task<int?> SafeReadDeviceAsync(string deviceName)
{
    try
    {
        return await ReadDeviceAsync(deviceName);
    }
    catch (SocketException ex)
    {
        Console.WriteLine($"ネットワークエラー: {ex.Message}");
        // 再接続処理
        await ReconnectAsync();
        return null;
    }
    catch (TimeoutException ex)
    {
        Console.WriteLine($"タイムアウト: {ex.Message}");
        return null;
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine($"予期しないエラー: {ex.Message}");
        return null;
    }
}

非同期処理とタイムアウト

public async Task<int> ReadDeviceWithTimeoutAsync(string deviceName, int timeoutMs = 5000)
{
    using (var cts = new CancellationTokenSource(timeoutMs))
    {
        try
        {
            // 本番実装では WithCancellation 拡張メソッドの実装が必要
            return await ReadDeviceAsync(deviceName).ConfigureAwait(false);
        }
        catch (OperationCanceledException)
        {
            throw new TimeoutException($"デバイス読み込みがタイムアウトしました: {deviceName}");
        }
    }
}

接続管理

public class PLCConnectionManager
{
    private Timer heartbeatTimer;
    private bool isConnected;

    public void StartHeartbeat()
    {
        heartbeatTimer = new Timer(CheckConnection, null, TimeSpan.Zero, TimeSpan.FromSeconds(10));
    }

    private async void CheckConnection(object state)
    {
        try
        {
            // ハートビート送信（例：ダミーデバイス読み込み）
            await ReadDeviceAsync("M0");
            isConnected = true;
        }
        catch
        {
            isConnected = false;
            // 再接続処理
            await ReconnectAsync();
        }
    }
}

8. 性能最適化のポイント

バッチ読み書き

// 効率的な複数デバイス読み込み
public async Task<Dictionary<string, int>> ReadMultipleDevicesAsync(string[] deviceNames)
{
    var results = new Dictionary<string, int>();
    
    // バッチコマンド構築（実装詳細は省略）
    string batchCommand = BuildBatchReadCommand(deviceNames);
    // ... バッチ処理実装
    
    return results;
}

接続プール

public class PLCConnectionPool
{
    private readonly Queue<TcpClient> availableConnections = new Queue<TcpClient>();
    private readonly int maxConnections = 5;

    public async Task<TcpClient> GetConnectionAsync()
    {
        if (availableConnections.Count > 0)
        {
            return availableConnections.Dequeue();
        }

        if (availableConnections.Count < maxConnections)
        {
            return await CreateNewConnectionAsync();
        }

        // 待機処理
        return await WaitForAvailableConnectionAsync();
    }
}

9. 実際のプロジェクト構成例

プロジェクト構造

PLCCommunication/
├── Interfaces/
│   ├── IPLCClient.cs
│   └── IPLCConnectionManager.cs
├── Implementations/
│   ├── KeyenceClient.cs
│   ├── MCProtocolClient.cs
│   └── ModbusClient.cs
├── Models/
│   ├── PLCDevice.cs
│   ├── PLCResponse.cs
│   └── PLCException.cs
├── Services/
│   ├── PLCService.cs
│   └── PLCLogger.cs
└── Utils/
    ├── ProtocolHelpers.cs
    └── ValidationHelpers.cs

設定ファイル例（appsettings.json）

json

{
  "PLCConfiguration": {
    "IPAddress": "192.168.1.100",
    "Port": 8501,
    "Protocol": "HostLink",
    "TimeoutMs": 5000,
    "RetryCount": 3,
    "HeartbeatIntervalMs": 10000,
    "Devices": [
      { "Name": "Temperature", "Address": "DM100", "Type": "Int16" },
      { "Name": "Pressure", "Address": "DM101", "Type": "Int16" },
      { "Name": "Status", "Address": "M0", "Type": "Bool" }
    ]
  },
  "CloudIntegration": {
    "EnableAzureIoT": true,
    "ConnectionString": "YOUR_AZURE_IOT_CONNECTION_STRING"
  }
}

10. デバッグとトラブルシューティング

通信ログ

public class PLCLogger
{
    private readonly ILogger<PLCLogger> logger;

    public void LogCommunication(string direction, string data)
    {
        logger.LogInformation($"[{direction}] {DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff} - {data}");
    }

    public void LogError(string operation, Exception ex)
    {
        logger.LogError(ex, $"PLC通信エラー: {operation}");
    }
}

よくある問題と対策

[ 接続できない ]

IPアドレス・ポート番号の確認
ファイアウォールの設定確認
PLCのEthernet設定確認
ネットワークセグメントの確認

[ 応答が返ってこない ]

タイムアウト設定の見直し
コマンド形式の確認
PLCの動作状態確認
同時接続数制限の確認

[ データが正しく読めない ]

デバイスアドレスの確認
データ型の確認
エンディアン（バイトオーダー）の確認
文字エンコーディングの確認

11. クラウド連携と最新動向

Azure IoT Edge連携例

// Azure IoT Edge Module での PLC データ送信例
public class PLCToCloudService
{
    private readonly ModuleClient moduleClient;
    private readonly PLCClient plcClient;

    public async Task SendPLCDataToCloudAsync()
    {
        var data = await plcClient.ReadMultipleDevicesAsync(new[] {"DM100", "DM101"});
        var message = new Message(Encoding.UTF8.GetBytes(JsonConvert.SerializeObject(data)));
        
        await moduleClient.SendEventAsync("plcdata", message);
    }
}

OPC UAの実用化状況

OPC UAは「次世代」ではなく、すでに多くの大規模システムで事実上の標準として採用されています。

自動車業界: トヨタ、BMW等の生産ラインで標準採用
化学プラント: BASF、三菱ケミカル等でセキュア通信基盤として活用
クラウド連携: AWS IoT SiteWise、Azure Industrial IoTの標準プロトコル

12. まとめ

重要なポイントの再確認

PLC通信 = PCとPLCのメモリをやり取りすること
物理層（シリアル/Ethernet）とプロトコル（上位リンク/MC/Modbus）の組み合わせ
C#ではソケット通信を使ってプロトコルを実装
エラーハンドリングと接続管理が実用システムでは重要
本番実装では詳細なバリデーションとセキュリティ対策が必須

学習ロードマップ

初級 : ソケット通信の基礎 + 上位リンクプロトコル
中級 : MC Protocol実装 + 非同期処理
上級 : 複数PLC対応 + 高度な最適化 + クラウド連携

実際の選択指針

迅速な開発: KV COMなどの高レベルAPI
コスト重視: MC ProtocolやModbusでの自作実装
汎用性重視: OPC UAなどの標準プロトコル
クラウド連携: OPC UA + Azure IoT Edge/AWS IoT Greengrass

2025年現在の推奨アプローチ

新規プロジェクトの場合

小規模・Keyence専用: KV COM（開発効率重視）
中規模・マルチベンダー: MC Protocol（汎用性とコストのバランス）
大規模・エンタープライズ: OPC UA（標準化とセキュリティ重視）
IoT・クラウド連携: OPC UA + エッジコンピューティング

既存システム改修の場合

既存プロトコルとの互換性を最優先
段階的移行でリスク最小化
レガシーシステムとの共存を考慮

Keyenceから始めるなら Ethernet/TCP + 上位リンクが最短コースです。基礎をしっかり理解してから、プロジェクトの要件に合わせて最適な方法を選択しましょう！！

参考リソース

公式ドキュメント

Keyence KV シリーズマニュアル一覧
KV-8000 / KV-5000 / KV Nano シリーズの通信マニュアルなどがダウンロード可能。
三菱電機 MELSEC MC プロトコルリファレンスマニュアル（SH-080003）
MCプロトコルの公式仕様書。Ethernetユニットを含む通信コマンドやフレーム形式の詳細あり。
MELSEC-Q/L Ethernet ユニットユーザーズマニュアル（SH-080144）
Q/LシリーズのEthernet I/Fユニットに関する設定例とMC通信例。
OPC Foundation 公式サイト
OPC UAの仕様・SDK・認証済み製品情報を提供。

学習リソース

実装サンプル

GitHub: PLC通信サンプル検索
C#でのPLC通信実装例が複数公開されています。
NuGet: EasyModbusTCP.NET
Modbus 通信のための .NET ライブラリ。

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上位リンク	シンプルで理解しやすいデバッグが容易	テキスト形式のため通信量が多いキーエンス専用
KV COM	最も簡単に実装可能キーエンス公式サポート安定性が高い	キーエンス専用ライセンス費用（KVスタジオ）
MCプロトコル	業界標準として広く採用高速通信が可能他メーカーでも使用可能	実装が複雑プロトコル仕様の理解が必要
モドバス	業界標準、幅広い対応シンプルな仕様オープンソースライブラリ豊富	機能が限定的デバイス名ではなく番号でアクセス
OPC UA	最新の標準技術強固なセキュリティクラウド連携に適している	設定が複雑リソース消費が大きい