1.ACドライブ(可変周波数ドライブ)の紹介 現代の産業制御の領域では……
続きを読むプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) は、センサーやフィールド デバイスからの入力を監視し、保存された制御プログラムを実行し、モーター、バルブ、アクチュエーター、インジケーターなどの出力をリアルタイムで制御するために特別に設計された耐久性の高い産業用コンピューターです。汎用コンピュータとは異なり、PLC は、電気ノイズ、振動、極端な温度、粉塵などを特徴とする過酷な産業環境で確実に動作するように設計されており、同時に制御プログラムを決定的なタイミングで実行します。つまり、コントローラは、プロセス条件に関係なく、予測可能で再現可能な時間内でスキャン サイクルを完了します。この産業用強化とリアルタイム決定論の組み合わせにより、PLC は世界中の製造業、プロセス産業、公益事業、ビルディング オートメーション、インフラストラクチャにわたる標準オートメーション コントローラーとなっています。
PLC は 1960 年代後半に、特に自動車の組立ラインを制御する電気機械式リレーの大規模なバンクを置き換えることを目的として開発されました。このシステムは、設置に費用がかかり、変更するには大幅な再配線が必要で、リレー接点が磨耗して故障するため継続的なメンテナンスが必要でした。 PLC は、物理的なリレー ロジックをプログラム可能なソフトウェア ベースの同等のロジックに置き換えることにより、生産エンジニアがパネルを再配線するのではなくプログラムを変更することで機械の動作を変更できるようにし、生産切り替えの時間とコストを大幅に削減しました。 60年経った今も、中心となるコンセプトは変わっていないが、現代的である プログラマブルロジックコントローラー 単純なリレーの交換から、高速モーション制御、プロセス制御、安全機能、マシンビジョン統合、および複雑なマルチシステムアーキテクチャにわたる産業用ネットワーク通信をサポートする高度な自動化プラットフォームにまで拡張しました。
プログラマブル ロジック コントローラーの基本的な動作原理はスキャン サイクルです。スキャン サイクルは、PLC が実行モードである限り継続的に実行される一連の操作の繰り返しです。スキャン サイクルを理解することは、特に入力変化に対する応答時間が制御システムが正しく機能するかどうかを決定するタイム クリティカルなアプリケーションにおいて、PLC がどのように動作するかを理解するために不可欠です。
標準的な PLC スキャン サイクルは、4 つの連続したステージで構成されます。まず、入力スキャンは、接続されているすべてのデジタルおよびアナログ入力 (センサー、スイッチ、エンコーダー、トランスミッター) の現在の状態を読み取り、これらの値をメモリ内の入力イメージ レジスタにコピーします。次に、プログラム スキャンは、入力画像値 (ライブ入力読み取り値ではない) を使用してメモリに保存されている制御プログラムを実行し、論理条件を評価し、出力の必要な状態を決定します。 3 番目に、出力スキャンは、プログラムによって決定された出力画像値を物理出力ハードウェアに書き込み、接続されたデバイスをアクティブまたは非アクティブにします。 4 番目に、ハウスキーピング ステージでは、サイクルが繰り返される前に、通信、自己診断、内部タイマーとカウンターの更新が処理されます。
1 つのスキャン サイクルを完了するのに必要な時間 (スキャン時間) は、ほとんどの標準アプリケーションでは通常 1 ~ 10 ミリ秒ですが、プログラムの複雑さと I/O ポイント数に応じて増加します。スキャン サイクル アーキテクチャは、入力状態の変化が次のスキャン サイクルまで作用しないことを意味し、制御応答に最大 1 スキャン サイクルの待ち時間が生じます。ほとんどの産業オートメーション アプリケーションでは、この遅延は完全に許容されます。高速アプリケーション - サーボ モーション コントロール、高周波カウント、またはミリ秒未満の応答を必要とする安全機能 - の場合、専用の割り込みルーチン、専用のモーション プロセッサ、または別個の安全 PLC を使用して、標準のスキャン サイクル レイテンシをバイパスします。
PLC システムは、完全なオートメーション コントローラーを形成するいくつかの異なるハードウェア コンポーネントで構成されています。各コンポーネントの機能を理解すると、PLC システムの仕様、組み立て、保守の方法が明確になります。
CPU モジュールは PLC の頭脳であり、制御プログラムを実行するプロセッサ、プログラムとデータを保存するメモリ、プログラミング ツールやその他の自動化システムに接続する通信インターフェイスが含まれています。 CPU の機能は、処理速度 (ラダー ロジックの 1,000 命令あたりのスキャン時間)、プログラム メモリ容量 (PLC のクラスに応じて通常はキロバイトからメガバイト)、変数値とプロセス データを保存するデータ メモリ、およびサポートされる通信プロトコルの範囲によって特徴付けられます。ハイエンド CPU モジュールには、リアルタイム クロック、データ ログ機能、組み込みの OPC UA または MQTT サーバーも含まれており、追加のハードウェアを必要とせずに産業用 IoT やクラウド システムに直接接続できます。
I/O モジュールは、PLC と、制御システムが監視および指令するフィールド デバイス (センサー、スイッチ、バルブ、モーター、計器) の間の物理インターフェイスです。デジタル入力モジュールは、近接センサー、押しボタン、リミット スイッチなどのデバイスからオン/オフ信号を受信し、フィールド レベルの電圧 (通常は 24VDC または 120/240VAC) を CPU が読み取ることができるロジック レベル信号に変換します。デジタル出力モジュールは、ソレノイドバルブ、モータースターター、インジケーターランプなどのフィールドデバイスへの電力を切り替えます。アナログ入力モジュールは、連続的に変化する信号 (4 ~ 20mA 電流ループ、0 ~ 10V 電圧信号、熱電対電圧、RTD 抵抗値) を CPU が処理できるデジタル値に変換します。アナログ出力モジュールは、可変速ドライブ、比例バルブ、およびその他の連続可変デバイスを制御するために、CPU からのデジタル値を比例アナログ信号に変換します。特殊な I/O モジュールには、エンコーダ フィードバック用の高速カウンタ入力、シリアル通信モジュール、機能安全アプリケーション用の安全定格 I/O が含まれます。
PLC 電源モジュールは、入力される主電源 (通常は 120VAC または 240VAC) または DC バス電源を、CPU および I/O モジュールに必要な安定化 DC 電圧に変換します。電源の選択には、出力電流容量をラックまたはシステム内のすべてのモジュールの合計消費電流に一致させる必要があり、信頼性と将来の拡張に対応するために少なくとも 20 ~ 30% のマージンを確保します。冗長電源構成(2 つの電源モジュールが自動フェイルオーバーと並行して動作する)は、電源障害による計画外のシャットダウンが許容できないほどのコストをもたらす高可用性システムの標準です。
ラックマウント型モジュラー PLC システムでは、バックプレーンは、CPU、電源、および I/O モジュールを機械的にサポートし、電気的に接続する回路基板です。バックプレーンは、内部データ バス、配電、および一部のシステムではマルチモジュールの協調動作に必要なリアルタイム同期信号を伝送します。モジュール スロットの数で指定されるラック サイズによって、1 つのラックに設置できる I/O モジュールの数が決まります。1 つのラックに収容できるよりも多くの I/O が必要なシステムの場合は、拡張ケーブルまたは産業用ネットワーク上のリモート I/O を介して複数のラックが接続されます。
PLC は、さまざまな規模や複雑さの要件に適したいくつかのフォーム ファクターで製造されています。アプリケーションに適切な PLC フォーム ファクタを選択するには、コントローラの I/O 容量、拡張性、および処理能力を、制御対象のマシンまたはプロセスの現在および予測される将来の要件に適合させる必要があります。
| PLCの種類 | 一般的な I/O 数 | 拡張性 | 最適なアプリケーション | 製品例 |
| ナノ/マイクロPLC | 6 – 40 I/O | 限定的またはなし | 簡易機械、OEM機器、リレー交換 | シーメンスロゴ!、オムロン CP1E |
| コンパクトPLC | 20 – 256 I/O | 拡張モジュールが利用可能 | 小型から中型の機械、梱包、HVAC | アレン・ブラッドリー Micro820、シーメンス S7-1200 |
| モジュラーPLC | 64 – 4,096 I/O | リモートI/Oによる高い拡張性 | 複雑な機械、生産ライン、プロセスプラント | シーメンス S7-1500、Allen-Bradley ControlLogix |
| ラックベースPLC | 256 – 65,000 I/O | 複数のラック、分散型 I/O | 大規模プロセスプラント、発電、DCS相当の制御 | アレン・ブラッドリー PLC-5、GE RX3i、シュナイダー プレミアム |
| 安全PLC(SIL規格) | さまざま | 安全I/Oで拡張可能 | 非常停止、セーフティインターロック、SIL1~3機能 | ピルツ PSS 4000、シーメンス S7-1500F、AB GuardLogix |
コンパクト PLC カテゴリは、PLC 市場で最も重要な成長分野となっています。シーメンス S7-1200 およびアレン・ブラッドリーの Micro820 クラスの製品が牽引しており、モーション コントロール、PID プロセス制御、イーサネット ベースの産業用通信など、これまでフルサイズのモジュラー システムにのみ関連付けられていた機能を、専用ラックなしでパネル取り付けに適した小型のフォーム ファクタで提供します。 I/O 数が 200 ポイント未満の新しいマシン オートメーション プロジェクトの場合、10 年前に必要だった大型のラックベース システムではなく、コンパクトなモジュラー PLC がほとんどのオートメーション エンジニアにとってデフォルトの出発点となっています。
PLC プログラミングは IEC 61131-3 に基づいて標準化されており、準拠した PLC 開発環境がサポートする必要がある 5 つのプログラミング言語が定義されています。制御ロジックの種類やエンジニアリングの背景には、適した言語が異なります。最新の PLC プログラミング ツールのほとんどは、単一のプロジェクト内で複数の言語を使用できるため、エンジニアはプログラムの各セクションに最適な言語を選択できます。
ラダー ダイアグラムは、特に北米やディスクリート製造環境で最も広く使用されている PLC プログラミング言語です。このグラフィック表現は、もともと PLC が置き換えるために設計されたリレー ロジック図を模倣しています。ロジックの水平横線が左右の電源レールに接続し、ノーマル オープンおよびノーマル クローズの接点シンボルが入力条件を表し、コイル シンボルが出力コマンドを表します。ラダー ロジックはリレー回路図に精通した電気技術者にとって直観的であり、オンラインでの読み取りとトラブルシューティングが簡単です (PLC が実行モードの場合、プログラミング ソフトウェアでアクティブな要素が強調表示され、障害状態を視覚的に追跡できます)。ラダー図の限界は、テキストベースの言語でより自然に表現される複雑な数学演算、データ操作、逐次プログラミングには扱いにくくなることです。
ファンクション ブロック ダイアグラムは、制御ロジックを相互接続されたグラフィカル ブロックとして表します。各ブロックは、ブロック間のワイヤとして示される入出力接続を備えた特定の機能 (AND ゲート、PID コントローラー、カウンター、タイマー、モーター機能ブロック) をカプセル化します。 FBD は、プロセス制御アプリケーションで主流の言語です。FBD は、プロセス エンジニアに馴染みのある配管計装図 (P&ID) 表現に自然にマッピングされ、標準化された再利用可能な機能ブロックに複雑な機能 (PID ループ、バルブ制御、モーター保護) をカプセル化することで、プロセス プラント アプリケーションでのプログラミングの労力を大幅に削減します。ほとんどのプロセスおよび安全指向の PLC プラットフォームは、一般的なプロセス制御および安全機能用の IEC 61511 準拠の機能ブロックの広範なライブラリを提供します。
構造化テキストは、Pascal や C に構文的に似た高レベルのテキストベースの言語で、グラフィカル言語では面倒または不可能な条件付きステートメント、ループ、数式、文字列処理、および複雑なデータ構造をサポートします。 ST は、ソフトウェア開発のバックグラウンドを持つオートメーション エンジニアによってますます使用されており、複雑なデータ処理、レシピ管理、通信処理、およびグラフィカル言語では効率的に表現できない高度なアルゴリズム ロジックを必要とするアプリケーションに好まれる言語です。 IEC 61131-3 標準の構造化テキストの定義により、構造化テキストは異なる PLC プラットフォーム間で完全に移植可能になりました。メーカー固有の命令や規則を使用する傾向があるラダー図コードとは異なり、あるブランドの PLC 用に ST で書かれたコードは、比較的小さな変更を加えるだけで別のブランドのプラットフォームに適合させることができます。
シーケンシャル ファンクション チャートは、制御プログラムをステップと遷移のフローチャートとして表します。各ステップにはアクション (LD、FBD、または ST でプログラム) が含まれており、各遷移はプログラムが次のステップに進むために満たさなければならない条件を定義します。 SFC は、シーケンス アプリケーション、つまり洗濯機のサイクル、バッチ プロセス シーケンス、多段階の組み立て操作、および機械が定義された一連の操作を順番に実行する必要があるアプリケーションのための自然言語です。ラダー図で複雑な逐次プロセスをプログラミングすると、大規模で理解しにくいプログラムが作成されます。 SFC で表現された同じシーケンスは、プロセス フローとしてすぐに読み取ることができ、デバッグと変更が非常に簡単になります。
最新のプログラマブル ロジック コントローラーは、オートメーション コントローラーであると同時にネットワーク デバイスでもあります。 PLC の通信機能は、PLC が他のオートメーション機器、監視システム、エンタープライズ データベース、クラウド プラットフォームとどのように統合されるかを決定します。これは、産業オートメーションがコネクテッド インダストリー 4.0 アーキテクチャに向けて進化するにつれて、ますます重要な考慮事項となります。
PLC 市場は少数の大手オートメーション企業によって支配されており、各企業はシームレスに連携するように設計された PLC ハードウェア、プログラミング ソフトウェア、I/O モジュール、ドライブ、HMI パネル、通信インフラストラクチャの完全なエコシステムを提供しています。特定のメーカーの PLC を選択するということは、通常、そのメーカーの完全自動化システムのエコシステムにコミットすることを意味し、これは統合、スペアパーツ、トレーニング、長期サポートに大きな影響を与えます。
| メーカー | 主要な PLC ファミリ | プログラミング環境 | 一次産業ネットワーク | 市場の強み |
| Siemens | S7-1200、S7-1500、S7-300/400 | TIA ポータル (ステップ 7) | プロフィネット、プロフィバス | ヨーロッパ、世界のプロセス産業 |
| ロックウェル・オートメーション (アレン・ブラッドリー) | ControlLogix、CompactLogix、Micro820 | Studio 5000 ロジックデザイナー | EtherNet/IP、デバイスネット | 北米、自動車、食品および飲料 |
| 三菱電機 | MELSEC iQ-R、iQ-F、Qシリーズ | GXワークス3 | CC-Link IE、SLMP | アジア太平洋、自動車、半導体 |
| シュナイダーエレクトリック | モディコン M580、M340、TM シリーズ | EcoStruxure コントロール エキスパート | Modbus TCP、EtherNet/IP | プロセス産業、エネルギー、インフラストラクチャー |
| オムロン | NX、NJ、CPシリーズ | シスマックスタジオ | EtherNet/IP、EtherCAT | アジア、マシンオートメーション、モーションコントロール |
PLC は、分散制御システム (DCS) および監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムと並んで頻繁に議論されますが、テクノロジーの進化に伴い、これらのカテゴリ間の境界は大幅に曖昧になってきました。特定のアプリケーションに正しい自動化アーキテクチャを指定するには、違いとそれらがどこに収束したかを理解することが重要です。
分散制御システムは、制御対象のプロセスの近くに配置された複数のコントローラーに制御機能が分散され、すべてが信頼性の高いプラント ネットワークを介して集中監視システムに接続される自動化アーキテクチャです。 DCS システムは、石油とガス、石油化学、発電、製薬製造などの大規模な連続プロセス アプリケーション向けに開発されており、大規模な物理プラント全体で数千のアナログ制御ループ、複雑なインターロック ロジック、包括的なアラーム管理が必要となります。 DCS システムは、高可用性 (標準としての冗長コントローラ、I/O、電源、およびネットワーク)、包括的なプロセス データ ヒストリアン機能、および統合されたオペレータ ステーション ディスプレイを優先します。最新のハイエンド モジュラー PLC システムとエントリー レベルの DCS の違いは、機能の点ではほとんどありません。主な違いは、ソフトウェア環境、ベンダーのアプリケーションの焦点、商用モデルにあります。
SCADA (監視制御およびデータ収集) は、特に監視層を指します。このソフトウェア システムは、PLC やその他のフィールド コントローラーからデータを収集し、グラフィカル HMI ディスプレイを通じてオペレーターにプロセス情報を提示し、履歴データを記録し、設定値コマンドをコントローラーに送り返すこともあります。 SCADA は PLC に代わるものではありません。SCADA は人間による監視とデータ管理を提供する PLC の上の層です。一般的な産業オートメーション アーキテクチャでは、機械またはプロセス制御レベルの PLC、PLC と監視システムの間でデータを伝送する産業ネットワーク、オペレータ インターフェイス、履歴データ、ビジネス システムとの統合を提供する SCADA または MES システムが組み合わされます。
新しい機械またはプロセス制御アプリケーションに適切なプログラマブル ロジック コントローラーを選択するには、システムがその機能要件を満たし、予定どおりに納入され、運用期間全体にわたってサポート可能であるかどうかを決定するさまざまな技術的および商業的要因を評価する必要があります。次のフレームワークは、最も重要な評価基準をカバーしています。
PLC システムを継続的に運用するには、信頼性を維持し、計画外のダウンタイムを回避するために、プロアクティブなメンテナンスとライフサイクル管理が必要です。以下の実践は、適切に実行されるオートメーション エンジニアリング運用の標準です。