ラダーロジック

ラダーロジックは、もともとは製造やプロセス制御で使用されるリレーラックの設計と構築を文書化するための方法でした。^[1]リレーラック内の各デバイスは、ラダー図上のシンボルで表され、それらのデバイス間の接続が表示されます。さらに、ポンプ、ヒーターなど、リレーラックの外部の他のアイテムもラダー図に表示されます。

ラダーロジックは、リレーロジックハードウェアの回路図に基づいたグラフィカルな図でプログラムを表すプログラミング言語に進化しました。ラダーロジックは、産業用制御アプリケーションで使用されるプログラマブルロジックコントローラ(PLC) のソフトウェアを開発するために使用されます。この名前は、この言語のプログラムが2 本の垂直レールとその間の一連の水平横木を備えたラダーに似ているという観察に基づいています。ラダー図はかつてプログラマブルコントローラプログラムを記録する唯一の表記法でしたが、今日では他の形式がIEC 61131-3で標準化されています (たとえば、グラフィカルラダーロジック形式の代替として、 IEC 61131-3標準内に構造化テキストと呼ばれる C に似た言語もあります)。

ラダー ロジックは、プロセスまたは製造操作の連続制御が必要なPLCのプログラミングに広く使用されています。ラダー ロジックは、シンプルだが重要な制御システムや、古いハードワイヤードリレー回路の改造に役立ちます。プログラマブル ロジック コントローラがより高度になるにつれて、非常に複雑な自動化システムでも使用されるようになりました。ラダー ロジック プログラムは、多くの場合、コンピュータ ワークステーションで動作するHMIプログラムと組み合わせて使用​​されます。

ラダー図で順次 制御ロジックを表現する動機は、工場のエンジニアや技術者がFORTRANなどの汎用コンピュータ言語を学ぶための追加のトレーニングを受けなくてもソフトウェアを開発できるようにすることでした。使い慣れたリレーハードウェアシステムに似ているため、開発とメンテナンスが簡素化されました。^[2] ラダーロジックの実装には、順次実行や制御フロー機能のサポートなどの特性があり、ハードウェアとの類似性が多少不正確になる場合があります。

ラダー ロジックは、手続き型言語ではなく、ルール ベースの言語と考えることができます。ラダーの「ラング」はルールを表します。リレーやその他の電気機械デバイスを使用して実装すると、さまざまなルールが同時に即座に実行されます。プログラマブル ロジック コントローラに実装されると、ルールは通常、ソフトウェアによって連続ループまたは「スキャン」で順番に実行されます。ループを十分に高速に (通常は 1 秒間に何回も) 実行することで、同時かつ即時の実行の効果が得られます。プログラマブル コントローラを適切に使用するには、ラングの実行順序の制限を理解する必要があります。

言語自体は、論理チェッカー (接点) とアクチュエータ (コイル) 間の接続のセットとして見ることができます。アサートされた (真または「閉じた」) 接点を介して、ラングの左側と出力の間のパスをトレースできる場合、ラングは真であり、出力コイル ストレージ ビットはアサート (1) または真です。パスをトレースできない場合、出力は偽 (0) であり、「コイル」は電気機械リレーに類似して「電源が切れている」と見なされます。論理命題とリレー接点ステータスの類似性は、Claude Shannonによるものです。

ラダー ロジックには、コイルを制御するための回路をオンまたはオフにする接点があります。各コイルまたは接点は、プログラマブル コントローラのメモリ内の 1 つのビットの状態に対応します。電気機械式リレーとは異なり、ラダー プログラムは 1 つのビットの状態を何度でも参照できます。これは、接点が無制限に多いリレーに相当します。

いわゆる「接点」は、プッシュボタンやリミットスイッチなどの物理デバイスから統合または外部入力モジュールを介してプログラマブルコントローラに送信される物理的な（「ハード」）入力を指す場合もあれば、プログラムの他の場所で生成される可能性のある内部ストレージビットの状態を表す場合もあります。

ラダー言語の各段には通常、右端に 1 つのコイルがあります。製造元によっては、段ごとに複数の出力コイルを許可している場合があります。

ラング入力

チェッカー（連絡先）

• —[ ]—通常は開いている接点で、対応するコイルまたはそれを制御する入力が通電されると閉じます。(休止状態では開いている接点)
• —[\]—通常閉じた（「not」）接点。対応するコイルまたはそれを制御する入力が通電されていないときは常に閉じます。（休止時には接点は閉じます。）

ラング出力

アクチュエータ（コイル）

• —( )—通常は非アクティブなコイルですが、ラングが閉じられると通電されます。(休止時は非アクティブです。)
• —(\)—通常アクティブ（「非」）コイル。ラングが開いているときは常に通電されます。（休止時はアクティブです。）

「コイル」（ラングの出力）は、プログラマブル コントローラに接続されたデバイスを操作する物理的な出力を表す場合もあれば、プログラムの他の場所で使用する内部ストレージ ビットを表す場合もあります。

これらを思い出すには、チェッカー (接点) をプッシュ ボタンの入力、アクチュエーター (コイル) を電球の出力として想像します。チェッカーまたはアクチュエーター内に斜線がある場合は、デバイスが休止状態のデフォルト状態であることを示します。

上記は、ドアモーター = キースイッチ1 ANDキースイッチ2 の機能を実現します。

この回路は、警備員が銀行の金庫室のドアの電動モーターを作動させるために使用する 2 つのキー スイッチを示しています。両方のスイッチの通常開いている接点が閉じると、ドアを開くモーターに電気が流れます。

上記により、ドア モーター = ドアを閉めるAND NOT (障害) という機能が実現されます。

この回路は、ドアを閉める押しボタンと、閉まるドアの邪魔になるものがあるかどうかを感知する障害物検出器を示しています。通常開いている押しボタンの接点が閉じ、通常閉じている障害物検出器が閉じている（障害物が検出されない）場合、ドアを閉めるモーターに電気が流れます。

上記は機能を実現します: ロック解除 = 内部ロック解除または外部ロック解除

この回路は、自動車のパワードアロックを作動させる 2 つの要素を示しています。リモート受信機は常に電源が供給されています。ロック解除ソレノイドは、いずれかの接点セットが閉じているときに電源が供給されます。

一般的な産業用ラッチング スタート/ストップ ロジックには、モーター コンタクタをオンにする「スタート」ボタンと、コンタクタをオフにする「ストップ」ボタンがあります。

「スタート」ボタンが押されると、「ストップ」ボタンの NC 接点を介して入力が真になります。「実行」入力が真になると、「スタート」NO 接点と並列のシールイン「実行」NO 接点が閉じ、入力ロジックが真 (ラッチまたはシールイン) のままになります。回路がラッチされた後、「ストップ」ボタンが押されて NC 接点が開き、その結果入力が偽になります。その後、「実行」NO 接点が開き、回路ロジックが非アクティブ状態に戻ります。

上記は、次の機能を実現します: Run = (Start OR Run) AND ( NOT Stop)

このラッチ構成は、ラダー ロジックでよく使われるイディオムです。シールイン ロジックとも呼ばれます。ラッチを理解する鍵は、「スタート」スイッチが瞬間スイッチであることを認識することです (ユーザーがボタンを放すと、スイッチは再び開きます)。「実行」ソレノイドが作動するとすぐに、「実行」NO 接点が閉じ、ソレノイドがラッチされます。その後、「スタート」スイッチが開いても効果はありません。

注: この例では、「実行」はPLC内のビットのステータスを表し、「モーター」はモーターの実際の回路を閉じる実際のリレーへの実際の出力を表します。

安全上の理由から、緊急停止 (「ES」) が「スタート」スイッチと直列に配線される場合があり、リレー ロジックはこれを反映する必要があります。

これは、ラダー ロジック プログラム内の 2 つのラングがどのようになるかを示した例です。実際のアプリケーションでは、ラングの数は数百または数千になる場合があります。

通常、複雑なラダー ロジックは、左から右、上から下に「読み取られます」。各ライン (またはラング) が評価されると、ラングの出力コイルがラダーの次のステージに入力として送られる場合があります。複雑なシステムでは、ラダーに多数の「ラング」があり、評価順に番号が付けられます。

これは、ラング 2 の少し複雑なシステムを表しています。最初の行が評価された後、出力コイル「A/C」がラング 2 に送られ、次に評価され、出力コイル「冷却」が出力デバイス「コンプレッサー」またはラダーのラング 3 に送られます。このシステムにより、非常に複雑なロジック設計を分解して評価できます。

PLC メーカーは、ラダー ロジック実装に特殊ブロックとして追加機能を追加できます。特殊ブロックに電源が投入されると、事前に決められた引数に基づいてコードが実行されます。これらの引数は、特殊ブロック内に表示される場合があります。

この例では、システムは内部およびリモート ロック解除ボタンが押された回数をカウントします。この情報はメモリ位置 A および B に保存されます。メモリ位置 C には、ドアが電子的にロック解除された合計回数が保持されます。

PLC には、多くの種類の特殊ブロックがあります。タイマー、算術演算子と比較、テーブル検索、テキスト処理、PID制御、フィルタリング機能などが含まれます。より強力な PLC は、一連の内部メモリ位置を操作し、アドレスの範囲で操作を実行して、たとえば、物理的なシーケンシャル ドラム コントローラや有限状態マシンをシミュレートできます。場合によっては、ユーザーは独自の特殊ブロックを定義できます。これは実質的にサブルーチンまたはマクロです。特殊ブロックの大規模なライブラリと高速実行により、PLC を使用して非常に複雑なオートメーション システムを実装できるようになりました。

ラダー表記は、バイナリ変数のみが必要で、バイナリのインターロックとシーケンスが主な制御問題である制御問題に最適です。すべての並列プログラミング言語と同様に、操作の順序は未定義または不明瞭である可能性があり、ロジックの競合状態が発生して予期しない結果が生じる可能性があります。この問題を回避するには、複雑なラングをいくつかの単純なステップに分割するのが最適です。一部のメーカーは、ラングの実行順序を明示的かつ完全に定義することでこの問題を回避していますが、プログラマーは結果として生じる複雑なセマンティクスを完全に理解するのに依然として問題を抱える可能性があります。

アナログ量と算術演算はラダー ロジックで表現するのが難しく、各メーカーはこれらの問題に対する表記法を拡張するさまざまな方法を採用しています。通常、配列とループのサポートは限定的であるため、他の言語ではインデックス付き変数の使用が必要となるケースを表現するためにコードが重複することがよくあります。

マイクロプロセッサがより強力になるにつれて、一部の限られたアプリケーションでは、ラダー ロジックの代わりにシーケンシャル ファンクション チャートやファンクション ブロック ダイアグラムなどの表記法が使用されるようになりました。新しい PLC の中には、リアルタイム アプリケーション環境に適したバインディングを持つ BASIC、C、またはその他のプログラミング言語に似た方言で、プログラミングのすべてまたは一部が実行されるものもあります。

2019年、IEEE Spectrumはラダーロジックを人気プログラミング言語のリストで52言語中50位にランク付けしました。^[3]

• 回路（コンピュータサイエンス）
• IEC61131 規格
• 並列コンピューティング
• 構造化テキスト

• Walker, Mark John (2012-09-08). プログラマブル ロジック コントローラ: その前史、出現、および応用(PDF) (博士論文).オープン大学数学、コンピューティング、テクノロジー学部 コミュニケーションおよびシステム学科. 2018-06-20 にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。 2018-06-20に取得。

• 「第 6 章: ラダー ロジック」、Tony R. Kuphaldt 著