プログラマブルロジックコントローラ（PLC）：産業システムのための現代的デジタル制御

ソリッドステート論理回路が登場する前、産業制御は電磁リレーに依存していました。リレーは高電流/高電圧用途で依然価値がありますが、ほとんどのオン/オフ制御機能は現在、幅広い論理演算を実行하도록プログラム可能なデジタルコンピュータによって処理されています。

プログラマブルロジックコントローラの歴史

1960年代後半、ベッドフォードアソシエイツが MODICON を発表——Modular Digital Controllerの頭字語。MODICONは専用制御システムの業界標準となり、最終的に汎用用語 プログラマブルロジックコントローラ（PLC）を生み出しました。PLCは、蓄積プログラムを通じて数千のリレー接点の振る舞いをエミュレートできるソリッドステートコンピュータで、電磁リレーを置き換えるよう設計されました。

ラダーロジックとPLCプログラミング

PLCは、センサとスイッチからハイ/ローロジック状態を読み取る複数の入力端子と、ライト、ソレノイド、コンタクタ、小型モータを駆動する出力端子を備えます。プログラミングを直感的にするため、PLC言語はラダーロジック図——リレー回路図に慣れた電気技師やエンジニアに馴染みのある形式——を模倣します。

ほとんどのPLCは120VACで動作し、置き換えるリレーの電力レベルに一致します。一部モデルは低電圧DC信号もサポートしますが、120VACがデフォルトです。信号接続とプログラミング構文はメーカー間でわずかに異なりますが、根底にある概念は一貫しており、ここでは一般的な導入を可能にしています。

以下はシンプルなPLCの典型的なフロントビューです。2つのねじ端子が120VAC（L1とL2）を供給。左側の6つのねじ端子が入力チャネルで、それぞれX1〜X6とラベル付けされ、共通端子がニュートラルに接続されています。

内部では、各入力チャネルがオプトアイソレータ（LED + フォトトランジスタ）に接続されています。入力端子と共通間に120VACが印加されるとLEDが点灯し、PLC内部のトランジスタがこれをハイロジックレベルと解釈します。フロントパネルLEDが入力通電を表示します。

出力信号は、PLCのロジックプロセッサがスイッチングデバイス——トランジスタ、トライアック、またはリレー——をアクティブ化し、「Source」端子（通常L1に接続）をYラベル付き出力端子の1つに接続することで生成されます。パネルLEDが出力通電を確認します。

したがって、PLCは実世界デバイスとインターフェースしながら、すべての論理関係をコントローラのメモリ内で定義します。プログラム——多くの場合ラダーダイアグラムとして表示——が、どの入力条件でどの出力を作動させるかを指示します。図の接点とコイルは仮想的であり、物理コンポーネントではなくプログラム命令としてのみ存在します。

制御システムの振る舞い

PLCはプログラマブルであるため、システム振る舞いの変更にはハードウェア再配線ではなくソフトウェア更新のみが必要です。例えば、シンプルなスイッチ-ランプ回路は、ラダーロジックをノーマルオープンからノーマルクローズド接点に変更するだけで反転できます。

より複雑なシナリオを考えます：3つのプッシュボタンのうち少なくとも2つが同時に押されたときのみランプを通電。電磁リレーソリューションなら複数のリレーと接点が必要ですが、PLCではプログラム内で単一入力ビットを複数回再利用でき、追加ハードウェアを排除できます。

もう1つの一般的な応用はモータ始動/停止制御。PLCは出力接点を仮想リレーコイルとして使用し、ラッチ（シールイン）を実装し、スタートボタン離脱後もモータを通電し続けられます。ストップボタンでこのラッチを解除してモータを停止させます。

PLC制御システムにおけるフェイルセーフ設計

フェイルセーフ考慮は、PLCでもリレー回路と同様にクリティカルです。例えば、ストップ入力を開放する配線故障は、リレーベースのモータ制御ではモータをオンにしたままにします。PLCロジックでストップ入力をノーマルクローズド、スタート入力をノーマルオープンとして設計すると、ストップ配線故障時にシステムが自動的にシャットダウンします。

PLCは内部コイルと接点——本質的に仮想リレー——も提供し、追加配線なしでロジック反転や追加安全機能を実現できます。

高度なPLC機能

基本的なオン/オフ制御を超えて、PLCは精密なタイミング機能、ドラムシーケンシング、その他の複雑なタスクを、電磁リレーよりはるかに高い精度で実行できます。多くのPLCは6入出力以上をサポート；例えばアレンブラッドPLCは16ポイントモジュールを搭載でき、数十デバイスを単一キャビネットから監視/制御可能です。

制御キャビネット内では、PLCは同等機能に必要なリレーアレイに比べて最小スペースを占有します。

デジタルネットワーク経由でのPLCリモート監視と制御

PLC独自の利点の1つは、デジタルコンピュータネットワーク経由でプロセスをリモート監視・制御できることです。PCがリアルタイムプロセスグラフィック——廃水リフトステーションの液面模式図など——を表示しながら、PLCが基盤制御ロジックを管理します。

リモート接続により、オペレータはネットワークアクセス可能なあらゆる場所からセットポイント調整、トラブルシューティング、システム性能検証が可能です。