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、産業機械や自動プロセスの制御を目的として構築された耐久性の高いデジタル コンピューターです。汎用コンピューターとは異なり、PLC は工場現場の物理的要求 (幅広い温度範囲、電気ノイズ、振動、塵埃、湿度) に耐えられるようにゼロから設計されており、制御ロジックを継続的かつ確実に (多くの場合何年も中断することなく) 実行します。 PLC の特徴は、センサーやスイッチからの実世界の入力を監視し、ユーザーが作成した制御プログラムを実行し、そのロジックの結果に基づいて実世界の出力 (モーター、バルブ、インジケーター、アクチュエーター) を駆動する機能です。
PLC が存在する前は、産業用制御システムは、論理回路を形成するために互いに配線された電気機械リレーのバンクから構築されていました。機械の制御動作を変更するには、リレー パネルを物理的に再配線する必要があります。これは、熟練した技術者と大幅なダウンタイムを必要とする、時間がかかり、エラーが発生しやすいプロセスです。 1969 年に最初の商業的に成功した PLC が Modicon によって導入されました。この PLC は、自動車組立ラインのリレー ロジックを置き換えるというゼネラル モーターズからの要求に応えてエンジニアのディック モーリーによって開発され、ハードワイヤードのリレー回路をプログラマブル ソフトウェア ロジックに置き換えることでこの問題を解決しました。機械の制御動作は、ハードウェアを再配線するのではなく、プログラムを変更することによって変更できるようになり、産業オートメーションの速度と経済性の両方が変わります。
現在、PLC は、製造、エネルギー、水処理、輸送、ビルオートメーション、その他数十の業界にわたる自動制御のバックボーンとなっています。それらがどのように機能し、どのようにプログラムされ、特定のアプリケーションに適切なものを選択する方法を理解することは、インダストリアル エンジニアリング、システム統合、またはオペレーション テクノロジーに携わるすべての人にとっての基礎知識です。
あ プログラマブルロジックコントローラー は単一のモノリシック デバイスではなく、連携して動作するハードウェア コンポーネントのシステムです。各コンポーネントの機能を理解すると、PLC の機能とその制限の両方が説明され、制御システムを設計する際の構成と拡張に関する決定に役立ちます。
CPU は PLC の計算コアです。ユーザー プログラムを実行し、メモリを管理し、I/O モジュールや外部デバイスとの通信を処理し、システム診断を実行します。 PLC CPU は汎用マイクロプロセッサとは異なります。決定論的なリアルタイム実行向けに最適化されています。つまり、CPU は、システム内で他に何が起こっているかに関係なく、保証された最大時間内に各スキャン サイクルを完了する必要があります。最新の PLC のスキャン サイクル タイムは通常、次の範囲にあります。 0.1ms~10ms プログラムの複雑さと CPU 速度によって異なります。モーション コントロールや高速パッケージングに使用される一部の高性能 PLC は、ミリ秒未満のスキャン時間を実現します。 CPU メモリは、プログラム メモリ (ユーザー ロジックが保存される場所)、データ メモリ (実行中に変数値が保持される場所)、およびシステム メモリ (オペレーティング システムが内部機能のために使用する場所) に分割されます。
I/O モジュールは、PLC と物理世界の間のインターフェイスです。入力モジュールは、リミットスイッチ、押しボタン、近接センサー、熱電対、圧力トランスミッター、エンコーダーなどのフィールドデバイスから信号を受信し、CPU が読み取り可能なデジタル値に変換します。出力モジュールは CPU からコマンドを受信し、モータースターター、ソレノイドバルブ、インジケーターランプ、サーボドライブなどのフィールドデバイスを駆動する信号に変換します。 I/O はディスクリートまたはアナログに分類されます。ディスクリート (デジタル) I/O はバイナリのオン/オフ信号を処理しますが、アナログ I/O は温度、圧力、または流量値を表す 4 ~ 20 mあ 電流ループや 0 ~ 10 V 電圧信号などの連続可変信号を処理します。ほとんどの PLC は、エンコーダパルスカウント用の高速カウンタモジュール、冷接点補償を内蔵した熱電対モジュール、フィールドバスプロトコル用の通信モジュールなど、特定の機能に特化した I/O モジュールも提供しています。
PLC 電源は、入力 あC または DC ライン電圧 (通常は 120V あC、240V AC、または DC24V) を、CPU および I/O モジュールに必要な安定化された低電圧 DC 電源に変換します。ほとんどの PLC バックプレーンとラックは、 DC5VまたはDC3.3V 内部ではロジックコンポーネント用に、 24V DC フィールド側 I/O 回路用。電源の電流容量は、取り付けられているすべてのモジュールの合計消費電力と一致する必要があります。電源のサイズが小さすぎることは、多くの I/O モジュールを備えた大規模システムでよくある構成エラーです。冗長電源構成は、電源障害が許容できない結果をもたらすアプリケーションに使用できます。
最新の PLC には、プログラミング ツール、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI)、監視制御およびデータ収集システム (SCADA)、その他の PLC、およびフィールド デバイスに接続するための複数の通信インターフェイスが含まれています。一般的な通信ポートとプロトコルには、Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen、RS-232/RS-485 シリアル ポートなどがあります。産業用イーサネット プロトコルの利用可能性により、過去 20 年にわたって PLC システム アーキテクチャが変革され、機能ごとに個別の独自ネットワークを作成するのではなく、単一のネットワーク インフラストラクチャ全体で制御、監視、エンタープライズ データ システムをシームレスに統合できるようになりました。
PLC の動作動作は、最初から最後まで 1 回だけ実行される従来のコンピュータ プログラムとは根本的に異なります。 PLC は、その制御プログラムを、ループと呼ばれる連続的な繰り返しループで実行します。 スキャン周期 。スキャン サイクルを理解することは、正しい PLC プログラムを作成し、タイミング関連の制御問題を診断するために不可欠です。
各スキャン サイクルは、サイクルごとに順番に実行される 4 つの連続フェーズで構成されます。
1 つの完全なスキャン サイクルを完了するまでの合計時間がスキャン時間です。ほとんどの産業用アプリケーションでは、スキャン時間は 5~20ミリ秒 許容されます。高速マシンイベントの検出、サーボ軸の制御、またはセーフティクリティカルな入力の監視など、より高速な応答を必要とするアプリケーションには、特定の入力が通常のスキャンサイクル外で即座にプログラムの実行をトリガーする割り込み駆動の処理、またはサブミリ秒のスキャンパフォーマンスを備えた専用の高速 CPU が必要な場合があります。
PLC プログラミング言語は、IEC 61131-3 国際規格によって標準化されており、準拠した PLC がサポートする必要がある 5 つの言語が定義されています。実際には、ほとんどのメーカーは 5 つすべてを実装していますが、一部のメーカーは伝統的に特定のアプリケーションに対して特定の言語を好んで使用しています。特定のタスクに適切な言語を選択すると、コードの読みやすさ、メンテナンスの容易さ、デバッグの効率が向上します。
ラダー図は、世界中で最も広く使用されている PLC プログラミング言語であり、リレー ロジック図の直接のグラフィカルな子孫です。プログラムは、まさにはしごのように、2 つの垂直電源レール間の一連の水平横線として表されます。各段には接点 (入力条件を表す) とコイル (出力を表す) が含まれており、論理関係を表すために直列または並列に接続されています。リレー配線図に精通したエンジニアは、最小限の追加トレーニングでラダー ロジックを読んで理解することができます。そのため、ディスクリート製造、機械制御、およびリレー ロジック技術者の大規模な設置基盤が存在するあらゆる業界でラダー ロジックが依然として主流となっています。ラダー図は、一連のオン/オフ操作、インターロック、タイミング ロジックを含む離散制御アプリケーションに最適です。
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ファンクション ブロックのネットワークとして表します。信号は、論理ゲート、タイマー、PID コントローラー、算術関数、通信ブロックなど、定義された操作を実行するブロックを左から右に流れます。 FBD は、連続アナログ信号、PID 制御ループ、および複雑な信号処理チェーンを含むプロセス制御アプリケーションに特に適しています。機能要素間のデータの流れは、連続的なラダーの横線として表現するよりもグラフィカルに表現する方が直観的です。 FBD は、化学処理、石油とガス、発電のアプリケーションで好まれる言語です。
ストラクチャード テキストは、Pascal や C に似た構文を持つ高級テキスト言語です。変数、データ型、式、条件文 (IF-THEN-ELSE)、ループ (FOR、WHILE、REPEAT)、および関数呼び出しをサポートしており、複雑なアルゴリズムや数学的計算に対して IEC 61131-3 言語の中で最も強力です。 ST は、グラフィカル言語で表現するのが現実的ではない複雑なレシピ管理、データ計算、文字列操作、カスタム関数ブロックの実装に最適です。以前は個別の産業用コンピューターで処理されていたより複雑な計算タスクを PLC が引き受けるようになったため、その採用が大幅に増加しました。
シーケンシャル ファンクション チャートは、遷移によって接続された一連のステップとしてプロセスの高レベルのグラフィック表現を提供します。各ステップには、そのステップがアクティブなときに実行されるアクションが含まれています。各遷移は、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、プログラムの段階的な構造が機械動作の物理的シーケンスを直接反映しているため、理解、デバッグ、変更が容易になるため、タンクへの充填、洗浄サイクルの実行、バッチ プロセスの実行など、定義された一連のフェーズを通じて動作する機械のプログラミングに最適です。個々のステップと遷移の SFC プログラムは、他の 4 つの IEC 言語のいずれでも作成できます。
命令リストはアセンブリ言語に似た低レベルのテキスト言語で、各行にアキュムレータ レジスタ上で動作する 1 つの命令が含まれています。これは、PLC 開発の初期の頃からプログラマに馴染みのある言語を提供するために IEC 61131-3 に組み込まれました。現在、新しいプロジェクトで IL が使用されることはほとんどありません。最新の PLC プログラミング環境のほとんどは、構造化テキストを優先して IL を非推奨にしています。しかし、古いコントローラーで IL で記述された従来のプログラムとの下位互換性のために、標準に残っています。
| 言語 | 種類 | 最適な用途 | 代表的な業界 |
|---|---|---|---|
| ラダー図(LD) | グラフィカル | ディスクリートロジック、インターロック、シーケンス | 製造、機械制御 |
| 機能ブロック図 (FBD) | グラフィカル | あnalog control, PID loops, signal flow | プロセス産業、石油およびガス |
| 構造化テキスト (ST) | テキスト | 複雑なアルゴリズム、数学、データ処理 | あll industries, advanced applications |
| 逐次関数チャート (SFC) | グラフィカル | バッチシーケンス、ステップベースのマシン | 食品、製薬、バッチ処理 |
| 命令リスト (IL) | テキスト | レガシープログラム、低レベルの最適化 | レガシー システム (新しい作業では非推奨) |
PLC は、手のひらサイズのマイクロ コントローラーから制御キャビネット全体を占めるマルチラック システムまで、さまざまなフォーム ファクターで入手できます。適切なフォーム ファクターを選択するには、コントローラーの I/O 容量、拡張機能、処理能力、物理サイズをアプリケーションの要件と予算に適合させる必要があります。
コンパクト PLC は、CPU、電源、および固定数の I/O ポイントを 1 つの筐体に統合しています。これらは、I/O 数が定義され、制限されている小規模アプリケーションにとって最もコスト効率の高いオプションです。通常は、 I/O点数8~64点 。一部のコンパクト PLC はアドオン モジュールによる限定的な拡張を提供しますが、拡張容量はモジュラー システムよりもはるかに制限されます。一般的なアプリケーションには、小型機械制御、コンベア セクション、ポンプ ステーション、ビルディング オートメーション サブシステムなどがあります。 Siemens S7-1200、Allen-Bradley Micro820、三菱 FX5U がこのカテゴリの代表的な例です。コンパクト PLC は、アプリケーションの I/O 数または通信要件がシステムの耐用期間中に大幅に増加する可能性がある場合には適していません。
モジュラーPLC separate the CPU, power supply, and I/O into individual modules that mount on a common backplane or DIN rail and connect via an internal bus. This architecture allows the system to be configured precisely for the application — adding exactly the types and quantities of I/O modules needed — and expanded later by adding modules to unused backplane slots or additional backplanes. Modular systems scale from small configurations of a CPU plus a handful of I/O modules up to large systems with hundreds of I/O points distributed across multiple racks. Siemens S7-300/S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix, and Omron NX/NJ series are leading modular PLC platforms used across demanding industrial applications worldwide.
大規模なラックベースの PLC は、分散 I/O ラック全体で数百から数万の I/O ポイントに及ぶ非常に高い I/O ポイント数をサポートし、連続プロセス プラント、発電施設、および大規模な製造ラインで使用されます。これらのシステムは通常、プライマリに障害が発生した場合にスタンバイ CPU が自動的に引き継ぐ冗長 CPU 構成、冗長電源、冗長通信ネットワークを備えており、計画外のシャットダウンが運用上または安全上に重大な影響を与えるアプリケーションに必要な高可用性を提供します。 Siemens S7-400H、冗長性を備えた Allen-Bradley ControlLogix、横河 STARDOM は、このレベルの重要性向けに設計されたプラットフォームの例です。
産業オートメーションでは、PLC、分散制御システム (DCS)、およびプログラマブル オートメーション コントローラー (PAC) の 3 つのタイプのコントローラーが主流です。 3 つすべてが最新のネットワーク、高レベルのプログラミング、高度な処理機能を採用しているため、両者の境界はかなり曖昧になってきていますが、設計哲学、アプリケーションの適合性、総所有コストには大きな違いが残っています。
あ PLC ディスクリート製造で生まれ、シーケンシャルおよび組み合わせロジックの高速スキャンサイクル実行用に最適化されています。バイナリ イベントに対する決定論的な応答が主な要件となる機械制御、包装ライン、個別製造に優れています。 PLC システムは通常、DCS システムよりも I/O ポイントあたりのコストが低く、製造環境で訓練を受けた技術者の大規模な基盤によってサポートされています。
あ DCS (分散制御システム) 石油精製、化学生産、発電などの連続プロセス産業向けに開発されました。この産業では、多数の I/O ポイントにわたる連続アナログ変数の規制制御が主な要件となります。 DCS プラットフォームは、構成、表示、ヒストリアン、および制御機能が同じベンダーによって緊密に統合される、統一されたエンジニアリング環境を中心に構築されています。この統合により、大規模システムのエンジニアリング時間は短縮されますが、ベンダーへの依存が大きくなり、プラットフォームのコストが高くなります。
あ PAC (プログラマブル オートメーション コントローラー) は、PLC スタイルのディスクリート制御と、歴史的に DCS プラットフォームに関連付けられていたアナログ プロセス制御、モーション コントロール、ネットワーキング機能をすべて単一のコントローラーおよびプログラミング環境で組み合わせた最新の高性能コントローラーを表すために使用される用語です。 National Instruments CompactRIO および Opto 22 EPIC がその例です。 PAC は、逐次操作と連続制御ループを組み合わせたハイブリッド バッチ プロセスなど、従来の PLC/DCS の境界を越えるアプリケーションに特に適しています。
新しいアプリケーションまたは改修プロジェクト用の PLC プラットフォームの選択には、選択したシステムが現在の要件を満たし、システムの予想される耐用年数にわたってサポート可能であるかどうかを総合的に判断する、一連の技術的および実用的なパラメーターの評価が含まれます。 15~25年 産業環境で。
プログラマブル ロジック コントローラーは、あらゆる形式の自動または半自動プロセスを使用するほぼすべての業界で使用されています。 PLC アプリケーションの多様性は、テクノロジーの基本的な多用途性を反映しています。瓶詰めラインを制御する同じコア アーキテクチャが、水処理プラントの管理や、建物の HVAC およびアクセス制御システムの調整も行います。
あutomotive assembly, electronics manufacturing, metal fabrication, and consumer goods production all rely heavily on PLCs to sequence robot actions, control conveyor speeds, manage part detection and rejection, and coordinate safety interlocks across multi-machine production cells. A single automotive body assembly line may contain 何百もの個別の PLC 溶接ロボット、搬送システム、品質検査ステーション、マテリアルハンドリング機器を調整し、これらはすべて、生産率と障害状態をリアルタイムで監視する監視 SCADA システムにネットワーク接続されています。
市営の水処理および配水施設では、PLC を使用してポンプ場、化学薬品投与システム、濾過プロセス、貯水池レベル管理を制御しています。主要な処理プラントから数マイル離れた遠隔ポンプ場は、通常、セルラーまたは無線リンクを介して中央の SCADA システムと通信するスタンドアロン PLC によって制御されます。水用途の PLC は、離散的な制御 (バルブの開閉シーケンス) とアナログ制御 (流量、化学物質の投与量率、圧力制御) の組み合わせを、各遠隔地にオンサイトのオペレーターを必要とせずに確実に処理する必要があります。
食品加工環境では、PLC ハードウェアに特定の要件が課せられます。洗浄環境向けに定格されたステンレス鋼の筐体または密閉プラスチック ハウジング、および冷凍庫から調理室への移行時の極端な温度に耐える I/O モジュールです。食品工場の PLC は、混合およびブレンドのシーケンス、低温殺菌温度プロファイル、充填および密封機、定置洗浄 (CIP) 洗浄サイクルを制御します。食品安全文書に関する規制要件により、この分野の PLC システムには電子バッチ記録生成機能が組み込まれることが多く、HACCP および食品安全基準への準拠を実証するために各生産バッチのプロセス パラメーターを自動的に記録します。
大規模な商業ビルや工業ビルでは、PLC と専用のビルディング オートメーション コントローラー (本質的には特殊な PLC) を使用して、HVAC システム、照明制御、アクセス制御、エレベーターの配車、エネルギー管理を管理しています。トンネル換気、空港の手荷物処理、スタジアム インフラストラクチャ制御なども、PLC システムが無秩序に広がる物理的施設全体で数百の分散フィールド デバイスを調整する大規模な建物関連アプリケーションの例です。ビルディング オートメーションと産業オートメーション プロトコルの統合により、特に両分野がイーサネットベースの通信を採用しているため、この市場では汎用 PLC が従来のビルディング オートメーション システム コントローラーとの競争力を高めています。
PLC の効果的なトラブルシューティングは、障害の場所をシステム レベルから原因となる特定のコンポーネントまたはプログラム要素まで絞り込む体系的な排除プロセスに従います。構造化されたアプローチにより、診断時間が短縮され、実際には障害がない高価なコンポーネントを無作為に交換することが回避されます。