PLC 知識のまとめ: 電気技術者必読!

PLC 知識のまとめ: 電気技術者必読!

I. PLCの定義と分類

PLC (プログラマブル ロジック コントローラー) は、新世代の汎用産業用制御デバイスです。マイクロプロセッサをベースにしており、コンピュータ技術、自動制御技術、通信技術を統合しています。産業環境向けに設計された PLC は、制御プロセスとユーザー向けの「自然言語」を使用したわかりやすいプログラミングを特徴としています。シンプルさ、操作性、信頼性の高さが特徴です。

リレーシーケンシャル制御から発展した PLC は、マイクロプロセッサを中心に、汎用性の高い自動制御デバイスとして機能します。詳細を詳しく見てみましょう。

1. 定義

PLC は、産業用途向けに設計されたデジタル電子システムです。プログラマブル メモリを利用して、論理計算、逐次制御、タイミング、カウント、算術演算などの操作の命令を保存します。デジタルおよびアナログの入出力とインターフェースすることにより、PLC はさまざまな機械装置や生産プロセスを制御します。 PLC とその周辺機器はどちらも、産業用制御システムとシームレスに統合し、機能拡張を容易にするように設計されています。

2. 分類

PLC 製品には、仕様や性能が異なる多種多様なものがあります。構造形式、機能の違い、入出力点数などにより大別されます。

2.1 構造形式による分類

PLCは、その構造形態に基づいて一体型とモジュール型に分類できます。

(1) 一体型PLC

一体型 PLC は、電源、CPU、I/O インターフェイスなどのコンポーネントを単一のキャビネット内に収容します。コンパクトな構造、小型サイズ、そして手頃な価格で知られています。小型 PLC では、この一体型構造が一般的です。一体型 PLC は、さまざまな I/O 点数を備えた基本ユニット (メインユニットとも呼ばれます) と拡張ユニットで構成されます。基本ユニットには、CPU、I/O インターフェイス、I/O 拡張ユニットに接続するための拡張ポート、およびプログラマまたは EPROM ライタに接続するためのインターフェイスが含まれています。一方、拡張ユニットには I/O コンポーネントと電源コンポーネントのみが含まれており、CPU は含まれません。通常、基本ユニットと拡張ユニットはフラットケーブルで接続されます。一体型PLCには、アナログユニットや位置制御ユニットなどの特殊機能ユニットを搭載し、機能を拡張することもできます。

(2) モジュラーPLC

モジュラー PLC は、CPU モジュール、I/O モジュール、電源モジュール (CPU モジュール内に統合される場合もあります)、さまざまな機能モジュールなど、コンポーネントごとに個別のモジュールを備えています。これらのモジュールはフレームワークまたはバックプレーンに取り付けられます。モジュール式 PLC の利点は、必要に応じてさまざまなシステム規模を選択できる柔軟な構成にあります。また、組み立て、拡張、メンテナンスも簡単です。中・大型のPLCはモジュール構造を採用するのが一般的です。

さらに、一部の PLC は一体型とモジュール型の両方の特性を組み合わせて、いわゆるスタック型 PLC を形成します。スタック型 PLC では、CPU、電源、I/O インターフェイスなどのコンポーネントがケーブルで接続された独立したモジュールであり、層ごとに積み重ねることができます。この設計により、柔軟なシステム構成が可能になるだけでなく、コンパクトなサイズも実現します。

2.2 機能による分類

PLC は、機能に基づいて、ローエンド、ミッドレンジ、ハイエンドの 3 つのカテゴリに分類できます。

(1) ローエンドPLC

ローエンドPLCは、論理演算、タイミング、カウント、シフト、自己診断、モニタリングなどの基本機能を備えています。また、限られた量のアナログ入出力、算術演算、データ転送と比較、および通信機能が含まれる場合もあります。これらの PLC は主に、論理制御、シーケンシャル制御、または少量のアナログ制御を含む単一マシンの制御システムに使用されます。

(2) ミッドレンジPLC

ローエンド PLC の機能に加え、ミッドレンジ PLC は、アナログ入出力、算術演算、データ転送と比較、数体系変換、リモート I/O、サブルーチン、および通信ネットワーキングにおける強力な機能を提供します。割り込み制御や PID 制御機能を備えたものもあり、複雑な制御システムに適しています。

(3) ハイエンドPLC

ハイエンド PLC には、ミッドレンジ PLC の機能に加えて、符号付き算術演算、行列計算、ビット論理演算、平方根計算、その他の特殊関数演算などの高度な機能が含まれています。また、テーブル作成機能とテーブル転送機能も備えています。ハイエンド PLC は通信機能とネットワーク機能が強化されており、大規模なプロセス制御や分散ネットワーク制御システムの構築を可能にし、ファクトリーオートメーションを実現します。

2.3 I/O点数による分類

PLC は I/O 点数に応じて小型、中型、大型のカテゴリに分類できます。

(1)小型PLC

小型 PLC は I/O ポイントが 256 未満で、単一の CPU を備え、8 ビットまたは 16 ビットのプロセッサを使用します。ユーザー メモリ容量は通常 4KB 未満です。

(2) 中型PLC

中型 PLC は 256 ～ 2048 の I/O ポイントを備え、デュアル CPU を採用し、2KB ～ 8KB の範囲のユーザー メモリ容量を備えています。

(3) 大型PLC

大型 PLC は 2048 を超える I/O ポイントを誇り、複数の CPU を利用し、16 ビットまたは 32 ビットのプロセッサを搭載しています。ユーザーメモリ容量は 8KB ～ 16KB です。

世界中で、PLC 製品は、米国、欧州、日本の 3 つの主要な地域タイプに分類できます。アメリカとヨーロッパの PLC テクノロジは独立して開発されたため、両国の製品には明らかな違いがあります。米国から導入された日本の PLC 技術は、米国の PLC の特徴を継承していますが、小型 PLC に焦点を当てています。アメリカとヨーロッパの PLC は中型および大型の製品で有名ですが、日本の PLC は小型の PLC で有名です。

II. PLCの機能と応用分野

PLC は、リレー コンタクタ制御の利点とコンピュータの柔軟性を組み合わせています。このユニークな設計により、PLC には他のコントローラと比べて数多くの比類のない機能が備わっています。

1. PLCの機能

PLCは、マイクロプロセッサを中心にコンピュータ技術、自動制御技術、通信技術を統合した汎用の産業用自動制御装置として、多くのメリットをもたらします。これらには、高い信頼性、コンパクトなサイズ、強力な機能、シンプルで柔軟なプログラム設計、多用途性、容易なメンテナンスが含まれます。その結果、PLC は冶金、エネルギー、化学、輸送、発電などの分野で広範囲に応用され、(ロボットや CAD/CAM と並ぶ) 現代の産業制御の 3 本柱の 1 つとして浮上しています。 PLC の特性に基づいて、その機能形式は次のように要約できます。

(1) スイッチングロジック制御

PLC は堅牢な論理計算機能を備えており、さまざまな単純および複雑な論理制御を実現できます。これは、PLC の最も基本的かつ広く適用される領域であり、従来のリレーコンタクタ制御に代わるものです。

(2) アナログ制御

PLCにはA/DおよびD/A変換モジュールが搭載されています。 A/D モジュールは、温度、圧力、流量、速度などの現場からのアナログ量をデジタル量に変換します。これらのデジタル量は、PLC 内のマイクロプロセッサによって処理され (マイクロプロセッサはデジタル量のみを処理できるため)、その後制御に使用されます。あるいは、D/A モジュールはデジタル量をアナログ量に変換して制御対象を制御するため、PLC がアナログ量を制御できるようになります。

(3) プロセス制御

最近の中型および大型 PLC は通常、PID 制御モジュールを備えており、閉ループ プロセス制御を可能にします。制御プロセス中に変数が逸脱すると、PLC は PID アルゴリズムを使用して正しい出力を計算し、それによって生産プロセスを調整し、変数を設定値に維持します。現在、多くの小型 PLC には PID 制御機能も組み込まれています。

(4) タイミングとカウントの制御

PLC は強力なタイミングおよびカウント機能を備えており、数十、数百、さらには数千のタイマーやカウンターを提供できます。計時期間やカウント値は、ユーザープログラム作成時にユーザーが任意に設定することも、現場のオペレーターがプログラマーを通じて任意に設定することもできます。これにより、タイミングとカウントの制御が可能になります。高周波信号をカウントする必要がある場合は、高速カウントモジュールを選択できます。

(5) シーケンシャル制御

産業用制御では、PLC ステップ命令またはシフト レジスタ プログラミングを通じてシーケンシャル制御を実現できます。

(6) データ処理

最新の PLC は、算術演算、データ転送、ソート、テーブル検索を実行できるだけでなく、データ比較、データ変換、データ通信、データ表示、印刷も行うことができます。これらは堅牢なデータ処理能力を備えています。

(7) コミュニケーションとネットワーク

最新の PLC には、リモート I/O 制御用の RS-232 または RS-485 インターフェイスを備えた通信およびネットワーク テクノロジが組み込まれています。複数の PLC をネットワーク接続して相互に通信できます。外部デバイスの信号処理ユニットは、1 つまたは複数のプログラマブル コントローラとプログラムおよびデータを交換できます。プログラム転送、データ ファイル転送、監視、および診断は、標準ハードウェア インターフェイスまたは独自の通信プロトコルを利用してプログラムとデータの転送を容易にする通信インターフェイスまたは通信プロセッサを通じて実現できます。

2. PLCの応用分野

現在、PLC は、鉄鋼、石油、化学、電力、建材、機械製造、自動車、軽量繊維、輸送、環境保護、文化エンターテイメントなど、さまざまな業界で国内外で広く採用されています。それらのアプリケーションは次のように大まかに分類できます。

(1) スイッチングロジック制御

これは PLC の最も基本的で広範に適用される領域であり、従来のリレー回路を置き換えて論理的かつ逐次的な制御を実現します。 PLC は、単一マシンの制御だけでなく、射出成形機、印刷機、ステープル留め機、複合工作機械、研削盤、包装生産ライン、電気めっき組立ラインなどの複数マシン グループの制御や自動化生産ラインにも使用できます。

(2) アナログ制御

工業生産プロセスでは、温度、圧力、流量、液面、速度などの連続的に変化する多数の量はアナログ量です。 PLC がアナログ量を処理できるようにするには、アナログ量とデジタル量の間の A/D および D/A 変換を実現する必要があります。 PLC メーカーは、PLC のアナログ制御アプリケーションを容易にするために、付属の A/D および D/A 変換モジュールを製造しています。

(3) モーションコントロール

PLC回転または直線運動の制御に使用できます。制御システム構成に関しては、初期のアプリケーションは位置センサーとアクチュエーターをスイッチ I/O モジュールに直接接続していました。現在では、特殊なモーション コントロール モジュールが一般的に使用されています。これらのモジュールは、ステッピング モーターまたはサーボ モーターの単軸または多軸の位置制御を駆動できます。世界中の主要な PLC メーカーのほぼすべての製品にはモーション コントロール機能が搭載されており、さまざまな機械、工作機械、ロボット、エレベーター、その他のアプリケーションで広く使用されています。

(4) プロセス制御

プロセス制御とは、温度、圧力、流量などのアナログ量の閉ループ制御を指します。冶金、化学工学、熱処理、ボイラー制御などの分野で幅広く応用されています。産業用制御コンピュータとして、PLC はさまざまな制御アルゴリズムをプログラムして閉ループ制御を実現できます。 PID 制御は、閉ループ制御システムで一般的に使用される調整方法です。中型および大型の PLC には PID モジュールが搭載されており、現在では多くの小型 PLC にもこの機能モジュールが搭載されています。 PID 処理には通常、専用の PID サブルーチンの実行が含まれます。

(5) データ処理

最新の PLC には、数学演算 (行列計算、関数計算、論理演算を含む)、データ転送、データ変換、ソート、テーブル検索、およびビット操作機能が装備されています。データの取得、分析、処理を実行できます。これらのデータは、メモリに保存されている基準値と比較して特定の制御操作を実行したり、通信機能を介して他のインテリジェント デバイスに送信したりできます。印刷して表にすることもできます。データ処理は通常、無人フレキシブル製造システムなどの大規模制御システムや、製紙、冶金、食品産業などのプロセス制御システムで使用されます。

(6) コミュニケーションとネットワーク

PLC 通信には、PLC 間、および PLC と他のインテリジェント デバイス間の通信が含まれます。コンピュータ制御の発達により、ファクトリーオートメーションネットワークが急速に発展しました。どの PLC メーカーも PLC の通信機能を重視しており、それぞれのネットワーク システムを導入しています。最近のPLCには通信インターフェースが搭載されており、通信が非常に便利になりました。

Ⅲ． PLCの基本構造と動作原理

産業用制御コンピュータである PLC は、一般的なコンピュータと構造的に類似しています。ただし、使用シナリオや目的が異なるため、違いが生じます。

1. PLCのハードウェアコンポーネント

PLCホストの基本構成図を下図に示します。

図において、PLCホストはCPU、メモリ(EPROM、RAM)、入出力ユニット、周辺I/Oインターフェース、通信インターフェース、電源から構成されます。一体型 PLC の場合、これらすべてのコンポーネントは同じキャビネット内に収容されます。モジュラー PLC では、各コンポーネントがモジュールとして個別にパッケージ化され、モジュールはラックとケーブルを介して接続されます。ホスト内のすべての部分は、電源バス、制御バス、アドレス バス、およびデータ バスを介して相互接続されています。実際の制御オブジェクトの要件に応じて、さまざまな外部デバイスがさまざまな PLC 制御システムを形成するように構成されます。

一般的な外部デバイスには、プログラマ、プリンタ、EPROM ライタなどがあります。 PLC には、上位マシンや他の PLC と通信するための通信モジュールを装備することもでき、それによって PLC の分散制御システムを形成できます。

以下は、ユーザーが PLC の制御原理と動作プロセスをよりよく理解できるように、PLC の各コンポーネントとその役割を紹介します。

(1) CPU

CPU は PLC の制御センターです。 CPUの制御によりPLCが協調動作し、現場のさまざまな機器の制御を実現します。マイクロプロセッサとコントローラで構成される CPU は、論理演算および数学演算を実行し、制御システムのさまざまな内部コンポーネントの動作を調整できます。コントローラーは、マイクロプロセッサーのすべての部分の規則正しい動作を管理します。その主な機能は、メモリから命令を読み取って実行することです。

(2) メモリ

PLC にはシステムメモリとユーザーメモリの 2 種類のメモリが搭載されています。システム メモリには、ユーザーがアクセスしたり変更したりできないシステム管理プログラムが保存されます。ユーザーメモリには、コンパイルされたアプリケーションプログラムと作業データの状態が保存されます。作業データの状態を保存するユーザー メモリの部分は、データ ストレージ領域とも呼ばれます。これには、入出力データイメージ領域、タイマー/カウンタのプリセットおよび現在値データ領域、中間結果を保存するバッファゾーンが含まれます。

PLC メモリには主に次のタイプがあります。

読み取り専用メモリ (ROM)

プログラマブル読み取り専用メモリ (PROM)

消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ (EPROM)

電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ (EEPROM)

ランダムアクセスメモリ(RAM)

(3) 入出力 (I/O) モジュール

① スイッチング入力モジュール

スイッチング入力デバイスには、さまざまなスイッチ、ボタン、センサーなどが含まれます。PLC 入力タイプは DC、AC、またはその両方です。入力回路の電源は外部から供給することもできますが、場合によってはPLC内部から供給することもできます。

②スイッチング出力モジュール

出力モジュールは、ユーザープログラム実行時にCPUが出力するTTLレベルの制御信号を生産現場で必要な特定の機器を駆動する信号に変換し、実行機構を動作させます。

(4) プログラマ

プログラマはPLCにとって欠かせない外部機器です。これにより、ユーザーは PLC のユーザー プログラム メモリにプログラムを入力し、プログラムをデバッグし、プログラムの実行を監視することができます。プログラム的には、プログラマーは次の 3 つのタイプに分類できます。

ハンドヘルドプログラマ

グラフィカルプログラマー

一般的なコンピュータプログラマー

(5) 電源供給

電源ユニットは、外部電源 (AC220V など) を内部動作電圧に変換します。外部接続された電源は、PLC 内の専用スイッチモード電圧レギュレータを介して、PLC の内部回路が必要とする動作電圧 (DC 5V、±12V、24V など) に変換されます。また、外部入力デバイス (近接スイッチなど) に 24V DC 電源も提供します (入力ポイントのみ)。 PLC 負荷を駆動するための電源は...

(6) 周辺インターフェース

ペリフェラル インターフェイス回路は、ハンドヘルド プログラマやその他のグラフィカル プログラマ、テキスト ディスプレイを接続し、ペリフェラル インターフェイスを介して PLC 制御ネットワークを形成できます。 PLC は、RS-485 インターフェイスを介して PC/PPI ケーブルまたは MPI カードを使用してコンピュータに接続でき、プログラミング、監視、ネットワーキング、その他の機能が可能になります。

2. PLCのソフトウェアコンポーネント

PLCソフトウェアはシステムプログラムとユーザープログラムから構成されます。システム プログラムは PLC メーカーによって設計および作成され、PLC のシステム メモリに保存されます。ユーザーはこれらを直接読み取り、書き込み、または変更することはできません。システム プログラムには通常、システム診断プログラム、入力処理プログラム、コンパイル プログラム、情報転送プログラム、監視プログラムなどが含まれます。

USer プログラムは、制御要件に基づいて PLC プログラミング言語を使用してユーザーによってコンパイルされます。 PLC アプリケーションで最も重要な点は、PLC プログラミング言語を使用してユーザー プログラムを作成し、制御目標を達成することです。 PLC は産業用制御用に特別に開発されているため、主なユーザーは電気技術者です。従来の習慣と学習能力に応えるために、PLC は主に、コンピュータ言語と比較して、よりシンプルで理解しやすく直感的な専用言語を採用しています。

グラフィカルな命令構造

明示的な変数と定数

簡素化されたプログラム構造

簡素化されたアプリケーション ソフトウェア生成プロセス

強化されたデバッグツール

3. PLCの基本動作原理

PLC スキャン プロセスは主に、入力サンプリング、ユーザー プログラムの実行、出力リフレッシュの 3 つの段階に分かれています。図に示すように: [図]

入力サンプリングステージ

入力サンプリング段階では、PLC はすべての入力ステータスとデータをスキャン方式で順次読み取り、それらを I/O イメージ領域の対応するユニットに保存します。入力サンプリングが完了すると、プロセスはユーザー プログラムの実行と出力のリフレッシュ段階に進みます。この 2 段階では、入力ステータスやデータが変化しても、I/O イメージエリアの対応するユニットのステータスやデータは変更されません。したがって、入力がパルス信号の場合、どのような状況でも入力を確実に読み取ることができるように、パルス幅は 1 スキャン サイクルより大きくする必要があります。

ユーザープログラム実行段階

ユーザープログラムの実行段階では、PLC は常にユーザープログラム (ラダー図) をトップダウンのシーケンスでスキャンします。各ラダー図をスキャンする場合、まずラダー図の左側の接点で構成される制御回路をスキャンします。論理演算は、制御回路上で左から右、上から下の順序で実行されます。そして、論理演算の結果に基づいて、論理コイルのシステムRAM格納領域の該当ビットのステータスをリフレッシュしたり、出力コイルのI/Oイメージ領域の該当ビットのステータスをリフレッシュしたり、ラダー図で指定された特殊機能命令を実行するかどうかを決定します。

つまり、ユーザプログラムの実行中、I/O イメージ領域内の入力ポイントのステータスとデータのみが変化せず、I/O イメージ領域またはシステム RAM 記憶領域内の他の出力ポイントやソフトデバイスのステータスとデータは変化する可能性があります。上位に位置するラダー図は、そのコイルやデータを参照する下位のラダー図の実行結果に影響を与えます。逆に、下位のラダー図の論理コイルのリフレッシュされたステータスまたはデータは、次のスキャン サイクルで上位のラダー図にのみ影響します。

出力リフレッシュステージ

ユーザープログラムのスキャンが完了すると、PLC は出力リフレッシュ段階に入ります。このフェーズ中、CPU は I/O イメージ領域のステータスとデータに従ってすべての出力ラッチ回路を更新し、出力回路を介して対応する周辺機器を駆動します。これは PLC の実際の出力を示します。

入出力遅延現象

PLC の作業プロセスから、次の結論が導き出されます。

プログラムはスキャン方式で実行されるため、入力信号と出力信号間の論理関係に固有の遅れが生じます。スキャンサイクルが長ければ長いほど、遅延は大きくなります。

スキャン サイクルには、入力サンプリング、ユーザー プログラムの実行、出力のリフレッシュという 3 つの主要な作業段階で占められる時間に加えて、システム管理操作で消費される時間も含まれます。プログラムの実行にかかる時間は、プログラムの長さと命令操作の複雑さに関係しますが、他の要因は比較的一定のままです。スキャン サイクルは通常、ミリ秒またはマイクロ秒のオーダーです。

n 回目のスキャン実行中、依存する入力データは、そのスキャン サイクルのサンプリング フェーズ中に取得されたサンプル値 X です。出力データ Y(n) は、前のスキャンからの出力値 Y(n-1) と現在の出力値 Yn の両方に基づいています。出力端子に送信される信号は、このサイクル中にすべての計算が実行された後の最終結果 Yn を表します。

入出力の応答遅れはスキャン方法だけでなく、プログラム設計の配置にも関係します。