PLC（プログラマブルロジックコントローラ, シーケンサ）

なぜPLCを使うのか

世の中には様々な制御装置があります。ここでは、まずPLCの歴史について解説を行い、次に、PLCとそれ以外の制御装置(マイコン、FPGA、産業用PC)を比較しながら、マイコン、FPGA、産業用PCの特徴を踏まえてPLC を使うメリットとデメリットについて解説いたします。

PLCの歴史とリレーシーケンス

まず、リレーシーケンスとは

リレーシーケンスは、PLCと同様、従来生産設備等で利用されてきた制御方式の一つです。PLCは元々リレーシーケンス回路を代替する装置として開発され、現在ではそのほとんどがPLCに置き換えられています。リレーシーケンスは、メカニカルリレーと呼ばれる電磁コイルを使ったスイッチを複数組み合わせることで実現しますが、複雑なシーケンスの実現には多数のリレーが必要です。シーケンス制御用途でのメカニカルリレーはPLCに代替されましたが、メカニカルリレー自体は高絶縁、高耐圧などの特性が知られており、リレーシーケンス以外の用途では現在も幅広く利用されています。

リレーシーケンスから PLCへの移行：

メカニカルリレーを使ったリレーシーケンスは、複雑な制御を実現するために高度な設計知識を必要とするほか、制御を変更するためには配線の組み換えの手間も少なくありません。コンピュータが登場し普及するなか、プログラムを使った制御装置(PLCの始まり)への代替が検討され、代替装置として普及してきたのがPLCです。

PLCはソフトウェアを用いて制御を実現するため、1台で複雑な処理を一手に担うことができ、かつ組み換えが簡単である点がメリットと言えます。またメカに馴染みのあるエンジニアにとって、抵抗が少ないようにメカニカルリレーをつなげたようなグラフィカルなプログラミング言語(ラダー言語)を利用しているのにもこの代替の歴史が関係しています

PLCとマイコンの用途の比較:

マイコン（マイクロコントローラ）とその制御の特徴:

プログラムを搭載可能な制御装置としてよく知られているものに、マイコンがあります。マイコンはCPUや周辺回路などから構成され、一般にはマイコン単体ではなく、装置に組み込まれて利用されるため、組み込みマイコンと呼ばれるケースもあります。マイコンが担う制御の特徴としては、簡易な処理から、高度な処理まで、幅広い領域をカバーできるということがいえます。PLCと比較する場合、大きくソフトウェアの観点と、ハードウェアの観点があるため、それぞれ分けて見ていきます。

＜ソフトウェア観点＞
マイコンの特徴を踏まえたPLCを使うメリットとデメリット：

PLCのソフトウェア開発では、IEC61131-3に規定されたPLC言語が一般的に用いられます。国内ではその中でもラダー言語の利用が浸透しており、元々リレーシーケンスで実現されていた処理の記述は、ラダー言語ではそのままプログラミングが可能なため、プログラミングに馴染みのないエンジニアにとっても動作のイメージがしやすい特徴があります。これはメンテナンス上も一つのメリットであると考えられています。

一方で、PLC言語は大規模なプログラミングにはやや不向きな点はデメリットと言えます。また、PLC言語は大学や高専などで学習する言語に含まれないため、C言語などと比較すると習得しているエンジニアが少ない点で、開発上デメリットとなることがあります。最近ではC言語に対応したPLCも登場していますが、高性能な反面、価格帯はやや高めに設定されています。

＜ハードウェア観点＞
マイコンの特徴を踏まえたPLCを使うメリットとデメリット：

PLCは通常、ユニットとよばれる単位で、I/O（Input/Output、入出力）の選択・拡張が可能で、つなげたい周辺機器に応じてユニットを選択して利用します。またPLCは制御盤のキャビネット内に設置されるのが一般的です。このようにPLCはある程度想定された用途に特化して、周辺機器とのI/Oや耐環境性能などをあらかじめ備えている点がマイコンとの大きな違いであり、またメリットであるといえます。

マイコンは、耐環境性能などは個別に考慮が必要ですが、周辺回路と組み合わせて自由にスペースや配線を設計できる柔軟性に優れています。一方でPLCは形状や利用できるユニットに制約が生じる点がデメリットであると言えます。

PLCとFPGAの用途の比較：

FPGAとその制御の特徴：

FPGA (Field Programmable Gate Array)とは、設計者が論理回路の構成をプログラムできるゲート（論理回路）を集積したデバイスです。昨今の低価格化にともない、制御の用途でもマイコンと比較され、一部の高速制御ではマイコンの代替として利用されるケースも出てきています。このことからもわかるように、制御という観点でPLCと比較した場合のFPGAの特徴は、PLCと比較した場合のマイコンの特徴に類似しています。

FPGAの特徴を踏まえたPLC を使うメリットとデメリット：

制御用途では通常マイコンが幅広く利用されており、FPGAが利用されるケースは一部の高速処理に限定されています。PLCでは高速処理の必要なモーション制御において、モーション制御用の特殊ユニット等を提供している場合があり、ユニットの選定次第で、高速処理を含めた幅広いアプリケーションに対応できる点はPLCのメリットと言えるでしょう。

一方で、FPGAは高速処理に特化しているため、制御に関連する領域では、A/D変換や、PWM（特定の矩形波パルスを使用して電気機器への電力を効率よく制御するための一般的な技術）生成などの高速処理を柔軟に組み替えて利用したい場合に強みがあります。PLCの出力ユニットにもFPGA搭載のユニットが利用されるケースがありますので単純な比較はできませんが、PLC搭載のFPGAは通常FPGAの利用用途を限定して搭載されているため、柔軟性には制約があります。

PLCと産業用ＰＣの用途の比較:

産業用ＰＣとその制御の特徴：

産業用PCは民生用PCと区別して、特にPLC等と同様、生産設備向けに利用されるPCとして製造販売されています。産業用PCはPLC同様にFAのメーカーにて開発・販売されており、耐環境性、長期安定供給、などに特徴があります。名称の通りPCとして利用されますので、一般にはデータ収集・解析・可視化の用途が多く、制御向けに利用されるケースはあまり多くありません。

産業用PCの特徴を踏まえたPLC を使うメリットとデメリット：

生産設備などの、長期間の安定稼働が求められる環境で利用される点は産業用PCとPLCでおよそ共通していますが、アクチュエータやセンサなどの接続数では一般にPLCの方が優れており、PLCを使うメリットといえます。またPLCはPCとは異なり、OSを搭載していないため、一定周期で遅れなく実行したいリアルタイム処理に向いているという特徴があります。

逆にPLCはOSを搭載していないため、処理結果の画面上での表示や外部機器からの操作性などの柔軟性は産業用PCが優れています。また同様に、データ収集、解析用途が中心の場合、産業用PCにメリットがあるといえますが、価格面では産業用PCの方が高価である点には注意が必要です。

昨今では、産業用PCとPLCを兼ね備えた中間的な位置づけの製品ラインナップも見受けられます。