運転方案からシステム実装へ｜PLCカード構成とI/O定義を整理する

こんにちは。SMATEXエンジニアリングです。

今回は、以前の記事で作成した運転方案をもとに、MELSEC計装でシステムを組み込む前段を整理します。ゴールは、PLCカード構成を確定し、各センサ・アクチュエータのI/O（Input/Output：入力・出力）を定義し、最後にI/O割付としてまとめることです。
運転方案をプログラムへ落とし込む前に、まず「PLCに何を入力し、PLCから何を出力するのか」を固めます。ここで決めた信号名、信号種別、アドレスが、後の単独ループコントローラやシーケンスで使う前提になります。

• 各アクチュエータ、センサの信号定義
• 単独ループコントローラの作成
• 常時処理作成（撹拌機）
• ステップシーケンス作成

今回は1つ目のステップとして、PLCカードの選定とI/O定義に絞ります。
単独ループコントローラ、常時処理、ステップシーケンスは次回以降の記事で順番に扱います。

1.PLCカード構成の確定

1.1.PLCシステム構成

まず、対象設備で必要になる入力・出力の種類を整理し、PLCカード構成を確定します。
原料受入工程、混合工程、CIPで使用するデジタル入力、デジタル出力、アナログ入力、アナログ出力をカード単位で割り付け、後続のI/O定義とラベル作成の受け皿を決めます。

表1 PLCシステム構成

1.2.各機器のI/O前提条件を整理する

次に、現場機器ごとの信号仕様を整理します。
同じP&ID上の計器でも、PLCから見ると4-20mAのアナログ入力、ON/OFFのデジタル入力、デジタル出力、アナログ出力などに分かれます。
ここでは、各機器を「PLCに入る信号」「PLCから出す信号」に分けて確認します。

2.センサ仕様

2.1.センサ類はディストリビュータタイプ

図1 ディストリビュータの役割

2線式の圧力伝送器やレベル計などは、計器へDC24V電源を供給しながら、同じループで4-20mA信号を取り出す構成がよく使われます。このとき、現場計器とPLCの間に入るのがディストリビュータです。

ディストリビュータは、現場計器へ電源を供給し、測定信号をPLCのアナログ入力へ渡す橋渡し役です。I/O定義では、レベル計や流量計のPV値を4-20mA入力として扱い、アナログ入力ユニットに割り付けます。

2.2.バルブは開閉ANS付きタイプ

図2 自動弁の種類と開閉ANS

自動弁は、PLCからの出力で開閉します。今回の構成では、単に開閉指令を出すだけでなく、開端・閉端の状態をPLCへ返す開閉ANS付きのバルブとして扱います。

ANSはAnswerの意味で、PLCから開指令や閉指令を出したあと、実際にバルブが開いたか、閉じたかを確認するためのフィードバック信号です。たとえば `y_AV001_OUT` がPLCからの出力指令、`x_AV001_OP` と `x_AV001_CL` がPLCへ戻る開閉状態の入力信号になります。OPはOPEN、CLはCLOSEを表します。

2.3.流量計は瞬時値から流量積算を行う

図3 流量計の瞬時流量と積算流量

流量計には、瞬時流量と積算流量の考え方があります。瞬時流量は、いまどれだけ流れているかを表す値です。一方、積算流量は、これまでに流れた量の合計で、原料受入量や使用量の記録に使います。

一般的には、流量計からパルス信号を出し、DIまたはパルス積算カードで積算する構成がよく使われます。今回は、積算パルスではなく、4-20mAの瞬時流量をPLCへ取り込み、MELSEC計装の積算用処理である `M+P_SUM2_` を使って流量積算する構成にします。
`M+P_SUM2_` は、瞬時値として入力された流量をもとに、時間経過に応じて積算値を作るための処理です。実設備では、流量計の出力仕様、必要な精度、停電時の保持、サンプリング周期、単位換算を確認したうえで、パルス積算にするか、瞬時値からの演算積算にするかを選定します。

2.4.ロードセルはアナログ・デジタル信号型を使用

図4 ロードセルによるタンク計量システム

ロードセルは、タンクやホッパーにかかる荷重を電気信号に変換するセンサです。複数のロードセル信号を和算箱でまとめ、デジタルインジケータで重量として扱える信号に変換します。

今回のロードセルは、重量PV値を4-20mAのアナログ信号としてPLCへ渡し、安定信号やゼロ調節完了信号をデジタル入力として受けます。また、PLCからはホールドやゼロアジャスト指令を出します。つまり、アナログ入力、デジタル入力、デジタル出力を組み合わせて1つの計量システムとして扱います。

表2 ロードセル関連信号

2.5.インバータはアナログ出力で制御

図5 インバータによる撹拌機速度制御

撹拌機の速度を変えたい場合は、インバータでモータの周波数を制御します。今回の構成では、PLCから4-20mAのアナログ出力を出し、その値をインバータの周波数指令として扱います。

たとえば4mAを0Hz、20mAを50Hzのように対応させることで、PLC側から撹拌速度を連続的に調整できます。本来は運転指令、停止指令、異常、運転中などのデジタル信号も設計対象になりますが、今回はI/O定義の説明を単純にするため、速度指令のアナログ出力を中心に扱います。

表3 インバータ周波数指令

2.6.調節弁はアナログ出力で制御

図6 空圧式調節弁の開度制御

調節弁は、ON/OFFで全開・全閉する自動弁と違い、開度を連続的に変えて流量や圧力を調整するバルブです。PLCから4-20mAのアナログ出力を出し、ポジショナがその信号を受けて弁開度を制御します。I/O定義では、調節弁はアナログ出力信号として整理します。

2.7.タンクローリーの受入操作は現場とタッチパネル双方から

図7 タンクローリーから原料受入への受入れプロセス

タンクローリーから原料を受け入れる場合、操作はタッチパネルだけで完結させず、現場操作盤も組み合わせます。現場で配管を接続し、接続状態を確認したうえで、運転開始、停止、非常停止を行えるようにします。

今回の例では、配管接続を近接センサーで確認します。カムロックが正しく接続され、センサーが金属を検出すると接続OKとしてPLCへ入力されます。未接続のまま運転できないように、近接センサーの信号をインターロック条件に入れます。

万が一、送液中に配管が外れた場合は、近接センサーがOFFとなり、送液異常として検知します。現場操作盤の運転・停止・非常停止ボタンと、タッチパネル側の操作を組み合わせることで、安全な原料受入を実現します。

3.I/O割付のまとめ

最後に、ここまで整理した信号をPLCアドレスへ割り付けます。各ラベルの頭文字に各ユニットIOの意味で、デジタル入力は「X_」、デジタル出力は「Y_」、アナログ信号は「w_」とします。I/O割付をスロット単位で分けることで、PLCカード構成、信号定義、ラベル名の対応が追いやすくなります。

表4 SLOT0_RX40C7

表4 SLOT1_RX41C4

表4 SLOT2_RX40C7

表4 SLOT3_RY40NT5P

表4 SLOT4_RY40NT5P

表4 SLOT5_RY40NT5P

表4 SLOT6_R60AD4

表4 SLOT7_R60ADI8

表4 SLOT8_R60DA4

4.最後に

今回は、運転方案からMELSEC計装へ進める前段として、PLCカード構成、各センサ・アクチュエータのI/O定義、I/O割付のまとめを整理しました。今回の成果物は、PLCカード構成表、機器ごとの信号定義、スロット単位のI/O割付表の3つです。

この3つが揃うと、単独ループコントローラやシーケンスを作るときに、信号名、信号種別、アドレスの対応を迷わず追えるようになります。次回は、このI/O整理をもとに、MELSEC計装で単独ループコントローラを組み込む流れを見ていきます。

次回もぜひご一読ください。

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