適切なPLCを選択するための8つの主要原則

PLCを選択する前に、システムスキームを決定することが重要である。システムスキームが決まれば、ニーズに最も適したメーカーとモデルを選択できます。

この記事では、メーカー、モデル、入出力（I/O）ポイント数、制御機能などの詳細情報を提供し、ニーズに最適なPLCを選択できるようにします。

1. PLCメーカー

PLC のメーカーを選択する際には、機器ユーザの要件、異なるメーカーの PLC や設計習慣に精通している設計者、互換製品の一貫性、技術サービスなどの要素を考慮することが重要です。

PLC自体の信頼性という観点からは、原則的に海外大手メーカーの製品でも問題はないはずだ。一般に、独立した機器や、より単純な制御システムの制御には、日本製PLCの方がコスト面で有利である。

ネットワーク通信とオープン性への要求が高い大規模分散制御システムでは，欧米のPLCはネットワーク通信機能で有利である。

さらに、一部の特殊産業（冶金やタバコなど）では、該当する産業分野で成熟した信頼性の高い運用実績を持つ PLC システムを選択する必要があります。

2. 入出力（I/O）ポイント数

PLC の I/O 点数は，その基本パラメータの 1 つである。I/O 点数の決定は，制御機器に必要な I/O 点数の合計に基づいて行う。

一般に、PLC は I/O ポイントに適切なマージンを持たなければならない。通常、計算された入出力ポイント統計に基づいて 10% から 20% の拡張可能なマージンを追加した後、このデータを推定入出力ポイント数として使用することができる。

実際の発注時には、メーカーのPLC製品の特性に基づいて入出力点数を調整する必要がある。

3. ストレージ容量

記憶容量は、プログラマブルロジックコントローラが提供できるハードウェア記憶装置のサイズを意味し、プログラム容量は、メモリ内のユーザーアプリケーションプロジェクトが使用する記憶装置のサイズを意味する。

したがって、プログラム容量はストレージ容量よりも小さい。設計段階では、ユーザー・アプリケーション・プログラムはまだコンパイルされていないため、プログラム容量は不明であり、プログラムのデバッグ後にのみ決定できる。

設計選定プロセスでプログラム容量を見積もるために，通常は推定記憶容量を代用として使用する。PLC のメモリ容量を見積もるための固定式はなく，多くの文献が異なる式を提示している。

一般的に、メモリの総ワード数は、デジタルI/Oポイント数の10～15倍＋アナログI/Oポイント数の100倍（各ワードは16ビット）と見積もられ、さらに25%のマージンも考慮する必要がある。

4. 制御機能

この選択には、操作、制御、通信、プログラミング、診断機能、処理速度の選択が含まれる。

1. オペレーション機能

単純 PLC の動作機能には、論理演算、タイミング、カウント機能などがある。通常の PLC の操作機能には、データシフト、比較、その他の操作機能も含まれる。

より複雑な演算機能には、代数演算、データ転送などがある。大型PLCでは、アナログ信号に対するPID演算など高度な演算機能も備えている。

オープンシステムの出現により、ほとんどのPLCが通信機能を持つようになり、下位の機械との通信機能を持つ製品もあれば、仲間や上位のコンピュータとの通信機能を持つ製品もあり、さらには工場や企業ネットワークとのデータ通信機能を持つ製品もある。

実際の要求に基づいてPLCを選定する場合、必要な運転機能を合理的に選定することが重要である。

ほとんどのアプリケーションシナリオでは、論理演算と計時／カウント機能のみが必要とされる。

アプリケーションによってはデータ転送と比較が必要で、代数演算、数値変換、PID演算はアナログ信号の検出と制御にのみ使われる。また、アプリケーションによっては、データを表示するためにデコードやエンコード演算を必要とするものもある。

2.制御機能

制御機能には、PID制御操作、フィードフォワード補償制御操作、比率制御操作などがあり、制御要件に基づいて決定する必要がある。PLCは主にシーケンシャルロジック制御に使用されるため、ほとんどのシナリオでアナログ制御を解決するためにシングルループまたはマルチループコントローラが使用されることが多い。

専用のインテリジェント入出力ユニットを使用して必要な制御機能を完結させ、PLC の処理速度を向上させ、ストレージ容量を節約することもあります。例えば、PID制御ユニット、高速カウンタ、速度補償付きアナログユニット、ASCII変換ユニットなどを使用します。

3.通信機能

中規模から大規模の PLC システムは、複数のフィールドバスと標準通信プロトコル（TCP/IP など）をサポートし、必要に応じて工場管理ネットワーク（TCP/IP）と接続できる必要があります。

通信プロトコルはISO/IEEE通信規格に準拠し、オープンな通信ネットワークでなければならない。

PLC システムの通信インターフェースには、シリアルおよびパラレル通信インターフェース（RS2232C/422A/423/485）、RIO 通信ポート、産業用イーサネット、一般的に使用される DCS インターフェースなどを含める必要があります。

中型から大型 PLC の通信バス(インタフェース装置とケーブルを含む)は冗長構成を考慮し，通 信バスは国際規格に準拠すること。通信距離は，装置の実際の要件を満たす必要がある。

PLC システムの通信ネットワークでは，上位ネットワークの通信速度を 1Mbps 以上とし，通信負荷が 60% を超えないようにする。

PLCシステムの通信ネットワークにはいくつかの形態がある：

• PCがメインステーションで、同じモデルの複数のPLCがサブステーションとなり、シンプルなPLCネットワークを形成する；
• 1台のPLCがメインステーションで、同じモデルの他のPLCがサブステーションとなり、マスター・スレーブPLCネットワークを形成する；
• PLCネットワークは、DCSのサブネットとして特定のネットワークインターフェースを介して大規模DCSに接続されます；
• 専用PLCネットワーク（各メーカーの専用PLC通信ネットワーク）。

CPUの通信タスクを減らすために、ネットワーク構成の実際のニーズに基づいて、異なる通信機能（ポイント・ツー・ポイント、フィールドバス、産業用イーサネットなど）を持つ異なる通信プロセッサを選択する必要があります。

4.プログラミング機能

オフラインプログラミング：

PLC とプログラマは CPU を共有します。プログラミングモードでは、CPU はプログラマにのみ機能し、フィールドデバイスは制御しません。プログラミングが完了すると、プログラマはランモードに切り替わり、CPU はフィールドデバイスを制御しますが、プログラミングを実行することはできません。

オフライン・プログラミングはシステム・コストを削減するが、使用やデバッグが不便である。

オンライン番組：

CPUとプログラマはそれぞれのCPUを持っている。メインCPUはフィールド制御を担当し、1スキャンサイクルでプログラマとデータを交換する。プログラマはオンラインプログラムされたプログラムまたはデータをホストに送信し、ホストは次の走査サイクルで新しく受信したプログラムに従って動作します。

この方法はコストが高いが、システムのデバッグと操作が便利であり、中規模から大規模のPLCで一般的に使用されている。

標準化された5つのプログラミング言語：

シーケンシャル・ファンクション・チャート（SFC）、ラダー・ダイアグラム（LD）、ファンクション・ブロック・ダイアグラム（FBD）の3つのグラフィカル言語と、インストラクション・リスト（IL）とストラクチャード・テキスト（ST）の2つのテキスト言語。

選択されたプログラミング言語は、その標準（IEC6113123）に準拠し、特殊な制御シナリオの制御要件を満たすために、C、Basic、Pascalなどの複数の言語プログラミング形式をサポートする必要があります。

5.診断機能

PLC の診断機能には、ハードウェア診断とソフトウェア診断がある。ハードウェア診断では、ハードウェアの論理判断によりハードウェアの故障箇所を特定し、ソフトウェア診断では、内部診断と外部診断があります。

PLCの性能や機能をソフトウェアで内部的に診断するのが内部診断であり，CPUや外部入出力部品の情報交換機能をソフトウェアで診断するのが外部診断である。

PLC の診断機能の強さは，オペレータと保守要員に要求される技術力に直接影響し，平均修理時間に影響する。

6.処理速度

PLCはスキャンモードで動作する。リアルタイム要件の観点から、処理速度はできるだけ速くする必要があります。信号の継続時間がスキャン時間より短いと、PLC は信号をスキャンできず、信号データが失われます。

処理速度は、ユーザープログラムの長さ、CPUの処理速度、ソフトウェアの品質などに関係する。

現在、PLC接点の応答時間と速度は速く、各バイナリ命令の実行時間は約0.2～0.4μsで、高度な制御と高速応答アプリケーションの要件を満たすことができます。

スキャン周期（プロセッサのスキャン周期）は，小型 PLC のスキャン時間が 0.5ms/K を超えてはなら ず，中型から大型 PLC のスキャン時間が 0.2ms/K を超えてはならない。

7.PLCモデル

PLCは、その構造からインテグラル型とモジュール型の2種類に分類できる。

インテグラルPLCは、I/O点数が比較的固定されていて少ないため、ユーザの選択肢が制限され、一般に小規模な制御システムで使用される。このタイプの例としては、シーメンスS7-200シリーズ、三菱FXシリーズ、オムロンCPM1Aシリーズなどがある。

モジュラーPLCには、PLCベースボードにプラグインできる複数のI/Oモジュールが用意されているため、ユーザは必要に応じてI/Oポイント数を選択して構成できます。

これによりモジュール式 PLC 構成の柔軟性が高まり、中規模から大規模の制御システムでよく使用されます。このタイプの例としては、シーメンス S7-300 および S7-400 シリーズ、三菱 Q シリーズ、オムロン CVM1 シリーズなどがあります。

8.各種モジュールの選択

1.デジタル I/O モジュール

デジタル入出力モジュールの選択は、アプリケーションの要件を考慮する必要がある。例えば、入力モジュールの場合、入力信号レベル、伝送距離などを考慮する必要がある。

リレー接点出力、AC120V/23V双方向サイリスタ出力、DC24Vトランジスタ駆動タイプ、DC48Vトランジスタ駆動タイプなど、出力モジュールの種類も多い。

通常、リレー出力モジュールは低コストで電圧範囲が広いという利点がある。しかし、寿命が短く、応答時間が長く、誘導負荷で使用する場合はサージ吸収回路が必要です。

双方向サイリスタ出力モジュールは応答時間が速く、頻繁なスイッチングや力率の低い負荷に適していますが、価格が高く、過負荷容量が劣ります。

また、入出力モジュールは、入出力数によって8点、16点、32点などの仕様に分けられ、実際のニーズに応じて合理的に装備する必要がある。

2.アナログI/Oモジュール

アナログ入力モジュールは、アナログ入力信号の種類によって、電流入力タイプ、電圧入力タイプ、熱電対入力タイプなどに分けられる。

電流入力モジュールの信号レベルは通常4～20mAまたは0～20mAであり、電圧入力モジュールの信号レベルは通常0～10V、-5V～+5Vなどである。アナログ入力モジュールの中には、電圧入力信号と電流入力信号の両方に対応できるものもあります。

アナログ出力モジュールには電圧出力タイプと電流出力タイプがある。電流出力の信号範囲は通常0～20mA、4～20mAであり、電圧出力の信号範囲は通常0～0V、-10V～+10Vなどである。

アナログ入出力モジュールは、入出力チャンネル番号によって2チャンネル、4チャンネル、8チャンネルなどの仕様に分けられる。

3.機能モジュール

機能モジュールには、通信モジュール、位置決めモジュール、パルス出力モジュール、高速計数モジュール、PID制御モジュール、温度制御モジュールなどがある。

PLCを選択する際には、機能モジュールのマッチングの可能性を考慮する必要があり、これにはハードウェアとソフトウェアの両方の側面が含まれます。

8.一般規則

PLCのモデルと仕様が大まかに決まったら、制御要件に従ってPLCの各コンポーネントの基本仕様とパラメータを1つずつ決定し、各コンポーネントモジュールのモデルを選択することができる。

モジュールモデルを選択する際には、以下の原則に従うべきである：

1.経済性

PLCを選定する際には、性能と価格の比率を考慮する必要がある。経済性を考慮する場合は、アプリケーションの拡張性、操作性、入出力比などの要素を比較し、バランスをとって納得のいく製品を選ぶ必要がある。

入出力点数は価格に直接影響する。入出力カードの枚数を増やすと、追加コストが必要になる。点数がある値まで増えると、対応するメモリー容量、ラック、マザーボードなども増やさなければならない。

したがって、ポイント数を増やすことは、CPU、メモリ容量、制御機能範囲の選択に影響を与える。制御システム全体の性能-価格比をより合理的なものにするためには、見積もりや選定において十分に考慮する必要がある。

2.利便性

一般に、PLCとしての制御要件を満たすことができるモジュールは多くの種類がある。選択の際には、回路設計の簡素化、使用の利便性、外付け制御部品の最小化という原則に従うべきである。

例えば、入力モジュールであれば、インターフェイス回路の使用を避けるため、外部の検出素子と直接接続できる入力形式を優先すべきである。

出力モジュールは、負荷を直接駆動できるものを優先し、中間リレーなどは最小限にする。

3.一般性

選択する際には，モジュールの種類が多すぎないように，PLC の各構成モジュールの均一性と汎用性を考慮する必要がある。

これは調達に有利で、スペアパーツを削減できるだけでなく、システムのさまざまなコンポーネントの互換性を高め、設計、試運転、メンテナンスの利便性を提供することができる。

4.互換性

PLC システムの各コンポーネントモジュールを選択する際には、互換性の問題を避けるため、互換性を十分に考慮する必要があります。

PLC システムの主要コンポーネントの製造メーカーは多すぎない方がよい。可能であれば、同じメーカーの製品を選択すべきである。