- 詳細 2023年5月21日 10:06更新
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以下ウィキペディア
プログラマブルロジックコントローラ
（programmable logic controller、PLC）は、
リレー回路の代替装置として開発された制御装置である
。プログラマブルコントローラとも。
工場の機械の制御などに使われるほか、
エレベータや自動ドア、
テーマパークの各種アトラクションなど身近な
機械にもごく普通に使われている。
一般的にシーケンサとも呼ばれるが、PLCの意味でいう
「シーケンサ」という単語は三菱電機の登録商標である。
概要
プログラマブルコントローラは、リレー回路の代替装置
として開発された制御装置である。
工場などで使われる機械制御に使われるほか、エレベータ
や自動ドアなど身近な機械にもごく普通に使われている。
照明やボイラーの制御にも使われるので、一般家庭にも
あるだろう。 PLCは小型のコンピュータの一種で、
中枢にはコンピュータと同じようにマイクロプロセッサが
使われるが、PLCの動作の仕方は普通のコンピュータとは
全く異なり、ステートマシンを動作モデルとしている。
ソフトで動作するのはコンピュータと同じだが、
原理的にバグが発生しにくく、どのようなインプットに
対しても何らかのアウトプットが得られるようになっている。
PLCは巨大な機械装置や人を運ぶ装置を制御することが
多いため、極めて高い安全性と安定性が求められる。
そのためハードディスクや光ディスクなどはほとんど使われない。
PLCのデータの保存には通常メモリが使われている。
以前はバッテリーバックアップされたメモリに格納されることが
多かったが、最近では電源を必要としないフラッシュメモリが使われる。
またPLCの特徴に豊富な入出力があり、各種デバイスを簡単に
つなげることができる。PLCの取り扱いは情報技術の分野でなく、
どちらかというと電気工事士などの電気技術者の領域である
PLCのしくみ
PLCはステートマシン
PLCは小型のコンピュータの一種で、中枢にはコンピュータと
同じようにマイクロプロセッサが使われるが、
PLCの動作の仕方は普通のコンピュータとは全く異なる。
通常のコンピュータがチューリングマシンを原型とする
ノイマン型の動作モデルを採用しているのに対して、
PLCはリレー回路を原型とするステートマシンを動作モデルとしている。
したがってPLCのプログラムは、リレー回路を記号化した
プログラミング言語が使われる。そのプログラムはリレー回路を
模した図に変換することが可能である。その図をラダー図と言う。
ソフトで動作する点はPLCもコンピュータも同じだが、
PLCは原理的にバグが発生しにくく、どのようなインプットに
対しても何らかのアウトプットが得られるようになっている。
PLCのプログラムは電気回路を記号化したものなので、通常の
コンピュータプログラマが作成することはできない。
PLCのプログラミングは特別な知識を持った電気技術者の分野となる。
PLCはきわめて高い安全性、安定性が求められるため
ハードディスクなどはほとんど使われない。 プログラムは最近では
バッテリーを使わないフラッシュメモリが使われる。
以前はバッテリーバックアップされたメモリに格納されることが多かった。
バブルメモリという電磁ノイズに強い特殊なメモリも使われる。
実際のリレー回路と異なる点としては、PLCは前回値と今回値を
使用出来る事である。 リレー回路は電流が流れるだけなので前回値は
存在しない。 この事からPLCにしかパルス(PLS)は発生しない。
豊富な入出力
PLCのもうひとつの大きな特徴として、豊富な入出力機能があげられる。
入力側はリミットスイッチ
（移動する装置や架台の位置を検出するセンサ）、センサ、温度計、
複雑な位置決めシステムから得られる位置情報などを読み込む。
場合によってはマシンビジョンも使用する。出力側はモーター、
空気シリンダー、液圧シリンダー、振動版、リレー、ソレノイドを駆動する。
入出力機構は内蔵されており、大規模な制御をする場合はPLC同士を
ネットワークでつなぎ、I/Oモジュールを接続して使用する。
拡張モジュールの使用に当たって、パソコンのようにドライバを
インストールする必要は無い。電気ブロックのような感じで機能を付け加える
ことができる。
元々はリレー回路
PLC は、従来の自動化システムで使われていた数百・数千のリレーや
カムタイマー（メカニカルタイマー）を置き換える安価な代替品として
発明されたものである。PLCひとつで数千のリレーを置き換えるよう
プログラムすることができる。初めに登場した時期は主に自動車産業の
工場で使われ、
生産設備の制御盤の配線を変更する代わりにPLCのソフトウェアの変更で
モデルチェンジに対応できるようにした。
ソフトはラダー
一般的なPLCはソフトウェアとしてラダー論理というものを使う。
ラダー論理というものはリレー回路を記号化したもので、
「ラダー図」という梯子のような図形で表す。電気技術者は回路図の
問題を解くようにラダー論理を使い、PLCのプログラムを図面で扱うことができる。
この方法が選ばれた理由は安全性を重視するためである。
現在では一般のコンピュータと差の少ないPLCも使われるようになった。
IEC_61131-3 標準規格によれば、PLCを構造化プログラミング言語（ST言語）で
プログラムすることもできるし、論理基本操作でプログラムすることもできる。
シーケンシャル・ファンクション・チャート（SFC言語）と
呼ばれるグラフィカルなプログラミング表記法を用いることができる
プログラマブルコントローラもある。
しかしプログラムが複雑になると安全性が損なわれるため、一般的には
ラダー図で組める程度のプログラムを使うのが普通である。
デジタル信号とアナログ信号
PLCで扱う信号はデジタル信号である。
デジタル（または離散）信号とは単純に ON と OFF （1 と 0、真と偽）の
信号だけである。押しボタン、リミットスイッチ、
光スイッチなどがデジタル信号を発生するデバイスである。デジタル信号は
電圧か電流で判断され、ある閾値でONかOFFかが決定される。
例えば 24VDC の入出力を持つPLCでは、22VDC以上をONと判断し、2VDC以下を
OFFと判断する。電流入力の方が電圧入力よりも電気的ノイズに強い。
アナログ信号はボリューム制御のようなものであり、一般にゼロからある
最大値までの値を示す。アナログ信号には電圧や電流が使われる。
アナログ信号はADコンバータなど呼ばれるPLCのI/Oモジュールによって
整数値に変換されPLCに取り込まれる。逆にデジタル信号をアナログ信号に
変換するモジュールをDAコンバータなどという。
アナログ信号は連続した無限個の数値だが、デジタル信号は有限個の数値
しか使えない。 そのため、アナログ信号の取込み範囲と精度は、
デバイス側の精度とPLC側の信号線の割当てのバランスで決定される。
例えば、0〜24VDCの範囲のアナログ信号があり、PLCで8本の信号線が
この入力に割り当てられたとすると、0Vはデジタルで0、24Vはデジタルで
255となるだろう。精度は24/255となり約0.1V以下の変化は無視される。
25VDCの入力があった場合にどう解釈されるかはPLCに依存する
（24Vのままだったり、エラーとして処理したりする）。
PLC の形態による I/O 能力：モジュール、ラック、P2P
モジュール型のPLCは組み込まれる入出力の数が限られている。一般に、
基本モデルの入出力数で足りなければ拡張機構を使う。
ラック型のPLCはプロセッサモジュールと分離したI/Oモジュールになっている
ことが多い。場合によってはI/Oモジュールが多数のラックから
構成されることもある。その場合、数千の（離散あるいはアナログの）
入出力を持つ。プロセッサとI/Oモジュールの間は高速シリアルリンクで
接続されるので、離れていてもよく、大規模工場で配線コストを低減させる
のに役立つ。
さらに大規模な入出力システムが必要な場合、プロセッサ間をP2Pの通信
システムで接続する。これにより、大きなシステムを分割して制御し、
かつ全体として通信して協調動作させることができる。この通信リンクは
マンマシンインターフェイス機器（キーパッドやPC）を接続するのにも
使用可能である。一般に入力数は出力数の三倍必要といわれている。
センサーなどの故障に備えて入力を冗長化することが多いためである。
プログラミング
PLCのプログラムはパーソナルコンピュータ上の特別なアプリケーションで
作成し、PLCにダウンロードする。単純なものは現場で作ることも多い。
以前はプログラム専用のハードウェアを使用していたがノートパソコン等の
発達によりほとんど見られなくなった。プログラムはPLC毎に
バッテリーバックアップされたRAMや不揮発性のメモリ（フラッシュメモリ）
に格納される。初期のPLCは電気技術者が使うことを想定して設計され、
彼らは業務で使用するうちにPLCのプログラミングを学んだ。それらの
PLCはラダー論理でプログラムされ、ラダー論理とはリレー回路の配線に
対応するようになっていた。最近のPLCはラダー論理だけでなくBASICや
C言語を使ってプログラムすることもできる。また、状態遷移図に基づいて
PLCのプログラミングをする方式もある。ただし、高級言語であまり複雑な
プログラムを組むと、PLCと言えどもエラーを起こすことがあるので、
ラダー図以外のプログラムが使われることは少ない。最近では、
国際標準規格 IEC 61131-3 が一般的になっている。それによると、
5種類のプログラミング言語が定義されている。FBD（機能ブロック図）
・LD（ラダー図）・ST（構造化テキスト、
Pascal型の言語）・IL（命令リスト）
そしてSFC（Sequential Function Chart；シーケンシャル・ファンクション・チャート）である。
これらの技法は処理の論理構成を明確にするものである。
PID ループ
PLC には単一変数汎用工業フィードバックループ、つまりPIDコントローラ
（比例（proportional）, 積分（integral）, 微分（derivative）ループ）が
含まれることもある。 PIDループは工業プロセス制御では一般的な方式である。
PIDループは水泳用プールのpH値の制御にも使われる。
ユーザーインターフェイス
PLC は場合によっては、設定変更や警報表示や定時制御のために人間とやりとりする
必要がある。マンマシンインターフェイスがそのために使われる。
単純なシステムではボタンとライトでやりとりする。テキスト表示やグラフィック
表示の可能なタッチスクリーンも使われることが多い。
最新のPLCではネットワーク経由で他のシステム（例えば、SCADAシステムや
Webブラウザが動作しているコンピュータ）とやりとりすることができる。
歴史
PLC はアメリカ自動車産業での必要性から開発されたものである。PLC が登場する
以前、自動車製造における制御回路、シーケンス回路、
連動回路はリレーやタイマーや独立した閉ループ・コントローラを使って構成されていた。
そのような装置を毎年のようにあるモデルチェンジの
度に変更・修正するのは非常に時間と手間のかかるプロセスである。というのも
リレー回路の配線を変更するのは熟練した技術者でなければ出来なかったからである。
1968年、ゼネラルモータースのオートマチックトランスミッション製造部門（Hydramatic）は
リレーシステムを電子的に置換するための要求仕様を作成した。
契約を取り付けたのはマサチューセッツ州ベッドフォードのBedford Associates社である。
最初のPLCは、Bedford Associates社の84番目のプロジェクトであったため、
「084」と名づけられた。Bedford Associates社はPLCの開発・製造・販売・保守を行うModicon社を設立した。
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