プログラマブルロジックコントローラ

近年、仮想PLCの導入により、プログラマブルロジックコントローラの適用範囲が拡大しました。仮想PLCは、従来のPLCの機能をシミュレートするソフトウェアベースのコントローラですが、汎用ハードウェア上で実行されるため、よりコスト効率が高く柔軟な代替手段となります。これらのコントローラにより、専用のハードウェアを必要とせずに自動化システムを管理できるため、シミュレーション、リモート制御、またはクラウドベースのシステムを必要とするアプリケーションに最適です。^{[ 9 ]}

1968年、ゼネラルモーターズの自動変速機部門であるGMハイドラマティックは、エンジニアのエドワード・R・クラークが書いたホワイトペーパーに基づいて、ハードワイヤードリレーシステムの電子的な代替案の提案依頼書を発行した。優勝したのは、マサチューセッツ州ベッドフォードのベッドフォード・アソシエイツからの提案だった。その結果、1969年に製造されたシステムは最初のPLCであり、ベッドフォード・アソシエイツの84番目のプロジェクトであったことから084と命名された。^{[ 10 ] [ 11 ]}

ベッドフォード・アソシエイツは、この新製品の開発、製造、販売、サービスを行う会社、モディコン社を設立し、^{[ 12 ]同社はこの新製品を「}Modicon（「モジュラーデジタルコントローラ」の略）。このプロジェクトに携わった人物の一人が、PLCの父とされるディック・モーリー^{である。 [ 13 ]} Modiconブランドは1977年にGould Electronics、その後、現在の所有者Schneider Electric^{に売却された。 [ 11 ]}ほぼ同時期に、ModiconはModbus。Modbusはその後、多くの産業用電気機器を接続するために一般的に使用される標準的なオープンプロトコルとなった。 ^{[ 14 ]}

最初に製造された Modicon 084 モデルの 1 つが、現在マサチューセッツ州ノースアンドーバーにあるシュナイダーエレクトリックの施設に展示されています。このユニットは、20 年近く連続稼働した後、引退する際にGMから Modicon に贈呈されました。Modicon は、Modicon Micro 84 や Modicon TSX CSY 84 のように、984 が登場するまで製品範囲の最後に 84 という名称を使用していました。^{[ 15 ]}

並行して、オド・ヨーゼフ・シュトルーガーは「プログラマブルロジックコントローラの父」としても知られています。^{[ 13 ]}彼はアレン・ブラッドリーのプログラマブルロジックコントローラの発明に関わっていました。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} 1981 年に IBM の「パーソナル コンピュータ」が発売される前は、これらのデバイスは一般的に単に「プログラマブル コントローラ」または「PC」として知られていました。しかし、1980 年代初頭のパーソナル コンピュータ業界の急速な拡大により、「PC」という略語は「パーソナル コンピュータ」を指すものとして急速に広く受け入れられるようになりました。後に、オドはこれら 2 つのテクノロジーを区別するために「PLC」という頭字語を考案したとされています^{[ 13 ] [ 16 ]}また、「ラダー ロジック」がすでにプログラミング言語の名前として受け入れられていたため、「ロジック」という単語を含めるのは容易な選択でした。アレン ブラッドリー (現在はロックウェル オートメーションが所有するブランド) は、彼の在任中に米国で支配的な PLC メーカーになりました。^{[ 19 ]}ストルーガーは、IEC 61131-3 PLC プログラミング言語規格の 開発において指導的な役割を果たしました。 ^{[ 13 ]}アレン・ブラッドリーのPLC-5ファミリーは、1774-PLC（1980年代に発売）に続くもので、現代のシステムに見られる最初のモジュール設計でした。^{[ 20 ]}

1980年代初頭までは、Modiconが最初のフル機能PLCの中で最も人気がありましたが、1980年代半ばにはAllen Bradleyがそれを追い抜き、北米のPLCハードウェアとソフトウェアで最大の市場シェアを獲得するまでに成長しました。^{[ 21 ]}

初期の多くの PLC プログラミング アプリケーションは、ロジックをグラフィカルに表現することができなかったため、代わりにブール代数に似た何らかのブール形式の論理式の系列として表現されていました。プログラミング端末が進化するにつれて、ラダー ロジックは電気機械制御盤で使用されていた馴染みのある形式であったため、より一般的に使用されるようになりました。状態ロジック^{[ 22 ]}機能ブロック図や構造化テキストなどの新しい形式も存在します。ラダー ロジックは、PLC が予測可能で繰り返しのシーケンスでロジックを解決するため、また、ラダー ロジックを使用すると、ロジックを記述する人が他の形式よりも簡単にロジック シーケンスのタイミングの問題を確認できるため、依然として人気があります。^{[ 23 ]}

1990年代半ばまで、PLCは独自のプログラミングパネルまたは専用プログラミング端末を使用してプログラミングされていました。これらの端末には、PLCプログラムのさまざまな論理要素を表す専用のファンクションキーがよくありました。^{[ 10 ]}独自のプログラミング端末の中には、PLCプログラムの要素をグラフィックシンボルとして表示するものもありましたが、接点、コイル、ワイヤの単純なASCII文字表現が一般的でした。プログラムはカセットテープカートリッジに保存されていました。メモリ容量が不足していたため、印刷やドキュメント作成の機能は最小限でした。最も古いPLCは磁気コアメモリを使用していました。

PLC システムの機械設計には 2 種類あります。シングル ボックス(ブリックとも呼ばれる) は、すべてのユニットとインターフェースを 1 つのコンパクトな筐体に収めた小型のプログラマブル コントローラですが、通常は入力と出力のための追加の拡張モジュールが利用可能です。2 番目の設計タイプであるモジュラーPLCは、電源、プロセッサ、I/O モジュールの選択、通信インターフェースなど、さまざまな機能を持つモジュールのためのスペースを提供するシャーシ (ラックとも呼ばれる) を備えており、これらはすべて特定のアプリケーションに合わせてカスタマイズできます。^{[ 27 ]} 1 つのプロセッサで複数のラックを管理でき、数千の入力と出力を持つことができます。ラックをプロセッサから離れた場所に分散させ、大規模プラントの配線コストを削減するために、特殊な高速シリアル I/O リンクまたは同等の通信方式が使用されます。   

離散（デジタル）信号は、オンまたはオフの値（1または0、真または偽）しか取ることができません。離散信号を提供するデバイスの例としては、リミットスイッチや光電センサーなどがあります。^{[ 28 ]}

アナログ信号は、監視対象の変数に類似した電圧または電流を使用でき、そのスケール内の任意の値をとることができます。圧力、温度、流量、重量は、多くの場合アナログ信号で表されます。これらは通常、デバイスとデータを格納するために使用できるビット数に応じて、さまざまな精度範囲の整数値として解釈されます。^{[ 28 ]}たとえば、アナログ0～10V または4～ 20mAの電流ループ入力は、 0～32,767の整数値に変換されます。PLCはこの値を受け取り、オペレーターまたはプログラムが読み取れるように、プロセスの目的の単位に変換します。

特殊なプロセスの中には、不要なダウンタイムを最小限に抑え、常時稼働が求められるものがあります。そのため、耐障害性の高いシステムを設計する必要があります。このような場合、ハードウェアコンポーネントの故障時にシステムの可用性を高めるために、同じ機能を持つ冗長なCPUやI/Oモジュールをハードウェア構成に追加することで、ハードウェアの故障によるプロセス全体の停止や部分的な停止を防ぐことができます。その他の冗長化のシナリオとしては、安全性が重要なプロセスが挙げられます。例えば、大型油圧プレスでは、一方のPLCが正常に動作しない場合に備え、プレスを停止させる前に2つのPLCが出力をオンにする必要があるといったケースが考えられます。

メーカーはPLC用のプログラミングソフトウェアを開発しています。複数の言語でPLCをプログラミングできることに加えて、ハードウェア診断とメンテナンス、ソフトウェアデバッグ、オフラインシミュレーションなどの共通機能も提供しています。^{[ 34 ]}

PLC プログラムは通常、デスクトップ コンソール、パーソナル コンピュータ上の専用ソフトウェア、またはハンドヘルド デバイスの形をとるプログラミング デバイスで作成されます。 ^{[ 34 ]}その後、プログラムはケーブル接続またはネットワーク経由で PLC にダウンロードされます。プログラムは、PLC 上の不揮発性フラッシュ メモリまたはバッテリー バックアップ付きRAMに保存されます。一部の PLC では、プログラミング ボードを使用してプログラミング デバイスからプログラムが転送され、EPROMなどの取り外し可能なチップにプログラムが書き込まれ、その後 PLC に挿入されます。

PLC のプログラミングが間違っていると、生産性の低下やプログラムされた機器の危険な状態につながる可能性があります。PLC シミュレーションは、PLC プログラミング ソフトウェアによく見られる機能です。これにより、プロジェクト開発の初期段階でテストとデバッグを行うことができます。シミュレーションでプロジェクトをテストすると、品質が向上し、機器に関連する安全性のレベルが高まり、システムをアクティブ化する前に多くのシナリオを試してテストできるため、自動制御アプリケーションの設置と試運転中に時間を節約できます。^{[ 34 ] [ 35 ]}

プログラマブルロジックコントローラの最も基本的な機能は、電気機械式リレーの機能をエミュレートすることです。PLCプログラミング環境では、離散入力に固有のアドレスが割り当てられ、PLC命令によって入力状態がオンかオフかをテストできます。一連のリレー接点が論理AND関数を実行し、すべての接点が閉じない限り電流が流れないようにするのと同様に、一連のオン状態確認命令は、すべての入力ビットがオンの場合にその出力記憶ビットを励磁します。同様に、並列命令セットは論理ORを実行します。電気機械式リレーの配線図では、1つのコイルを制御する接点のグループをラダー図のラングと呼び、この概念はPLCロジックの説明にも使用されます。^{[ a ]}各ラングの出力は記憶ビットを設定またはクリアします。記憶ビットは離散出力に関連付けられている場合もあれば、物理的に接続されていない内部コイルである場合もあります。このような内部コイルは、たとえば、複数の独立したラングの共通要素として使用できます。

PLCのより高度な命令は、機能ブロックとして実装することができ、論理入力によって有効化されると、内部変数の操作などの何らかの操作を実行し、例えば完了やエラーを知らせるための出力を生成します。

PLCは、 USB、イーサネット、RS-232、RS-485、RS-422などの内蔵ポートを使用して、外部デバイス（センサー、アクチュエーター）やシステム（プログラミングツール、SCADA、その他のユーザーインターフェース）と通信します。通信は、 ModbusやEtherNet/IPなどのさまざまな産業用ネットワークプロトコルを介して行われます。これらのプロトコルの多くはベンダー固有です。以前は、プロセッサにネットワーク接続機能が内蔵されていない場合、一部のメーカーはアドオン機能として専用の通信モジュールを提供していました。

大規模なI/Oシステムで使用されるPLCは、プロセッサ間でピアツーピア（P2P）通信を行う場合があります。これにより、複雑なプロセスの各部分が個別に制御できると同時に、サブシステムが通信リンクを介して連携することが可能になります。

PLCは、設定、アラーム報告、日常的な制御などの目的で、人間とやり取りする必要がある場合があります。この目的のために、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）が使用されます。HMIは、マンマシンインターフェース（MMI）やグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）とも呼ばれます。シンプルなシステムでは、ボタンやランプを使用してユーザーとやり取りできます。テキスト表示だけでなく、グラフィカルタッチスクリーンも利用可能です。より複雑なシステムでは、コンピュータにインストールされたプログラミングおよび監視ソフトウェアを使用し、通信インターフェースを介してPLCが接続されます。

これらは、生産量が少量または中程度の小型機械やシステム向けです。ラダーロジック、ファンクションブロック図、シーケンシャルファンクションチャートなどのPLC言語を実行できます。従来のPLCに似ていますが、小型であるため、開発者はコンピュータプログラミングの知識がなくても、使いやすく、変更や保守が容易な言語を使用して、マイクロコントローラのようにカスタムプリント基板に設計できます。アーキテクチャ的には、従来のPLCやマイクロPLCとマイクロコントローラの中間に位置します。

マイクロコントローラベースの設計は、数百台または数千台のユニットが生産される場合に適しており、開発コスト（電源、入出力ハードウェアの設計、必要なテストと認証）を多数の販売に分散させることができ、エンドユーザーが制御を変更する必要がない場合にも適しています。自動車アプリケーションはその一例です。毎年数百万台が製造され、これらのコントローラのプログラミングを変更するエンドユーザーはごくわずかです。しかし、路線バスなどの一部の特殊車両では、生産量が少なく開発コストが非経済的であるため、カスタム設計のコントローラの代わりにPLCを経済的に使用します。^{[ 44 ]}

化学工業で使用されるような非常に複雑なプロセス制御では、高性能PLCの能力を超えるアルゴリズムと性能が必要になる場合があります。非常に高速または高精度の制御には、カスタマイズされたソリューションが必要になる場合もあります。たとえば、航空機の飛行制御などです。開発および保守コストが高い場合でも対応できる非常に要求の厳しい制御アプリケーションには、セミカスタムまたは完全に独自のハードウェアを使用するシングルボードコンピュータが選択される場合があります。デスクトップタイプのコンピュータで動作するソフトPLCは、プロセス制御のニーズに合わせて調整された商用オペレーティングシステムのバージョン内でプログラムを実行しながら、産業用I/Oハードウェアとインターフェースできます。^{[ 44 ]}

シングルボードコンピュータの人気上昇は、PLCの開発にも影響を与えています。従来のPLCは一般的にクローズドプラットフォームですが、一部の新しいPLC（例えば、Opto 22のgroov EPIC 、Bosch RexrothのctrlX、 WagoのPFC200 、 Phoenix ContactのPLCnext 、KunbusのRevolution Piなど）は、オープンプラットフォーム上で従来のPLCの機能を提供します。

近年では、プログラマブルロジックリレー（PLR）またはスマートリレーと呼ばれる小型製品がより一般的になり、広く受け入れられるようになりました。これらはPLCに似ており、入出力点がごくわずかで、低コストが求められる軽工業で使用されています。これらの小型デバイスは通常、複数のメーカーによって共通のサイズと形状で製造され、大型PLCメーカーが自社の低価格製品ラインナップを補完するためにブランド化しています。これらのほとんどは、8～12個のデジタル入力、4～8個のデジタル出力、および最大2個のアナログ入力を備えています。このようなデバイスのほとんどには、簡略化されたラダーロジック（一度に表示できるのはプログラムのごく一部のみ）と入出力点の状態を表示するための切手サイズの小さなLCDスクリーンが付属しており、通常、これらのスクリーンには、VCRのリモコンのキーボタンに似た4方向ロッカープッシュボタンと、ロジックのナビゲーションと編集に使用される4つの独立したプッシュボタンが付属しています。ほとんどのPLRには、PCに接続するためのRS-232またはRS-485ポートが備わっており、プログラマは、この目的のために用意された小型のLCDとプッシュボタンの代わりに、使いやすいソフトウェアを使用してプログラミングを行うことができます。通常、モジュール式で拡張性に優れている一般的なPLCとは異なり、PLRは通常モジュール式でも拡張性もありませんが、PLCよりも大幅に低コストで、堅牢な設計と決定論的なロジック実行を実現しています。

遠隔地で使用されるPLCの一種に、リモートターミナルユニット（RTU）があります。RTUは通常、低消費電力で堅牢なPLCであり、その主な機能は、現場と中央制御システム（通常はSCADA ）または一部の最新システムでは「クラウド」との間の通信リンクを管理することです。イーサネットなどの有線通信プロトコルを使用する工場自動化とは異なり、遠隔地への通信リンクは無線ベースであることが多く、信頼性が低くなります。信頼性の低下に対応するため、RTUはメッセージをバッファリングするか、代替の通信パスに切り替えます。メッセージをバッファリングする場合、RTUは各メッセージにタイムスタンプを付与し、現場イベントの完全な履歴を再構築できるようにします。RTUはPLCであるため、幅広いI/Oを備え、完全にプログラム可能であり、通常は多くのPLC、RTU、およびDCSに共通するIEC 61131-3規格の言語を使用します。遠隔地では、PLCのゲートウェイとしてRTUを使用するのが一般的です。この場合、PLCがサイト全体の制御を行い、RTUは通信管理、イベントのタイムスタンプ、および補助機器の監視を行います。I/Oがごく少数しかないサイトでは、RTUがサイトのPLCを兼ね、通信機能と制御機能の両方を実行することもあります。