PLC回路設計とは、PLC（Programmable Logic Controller）を中心に、センサ、スイッチ、リレー、電磁弁、モーター、インバーター、表示灯などを接続し、設備を安全かつ確実に動作させるための電気回路を設計することです。

PLCは、入力された信号をプログラムに従って処理し、その結果に応じて出力機器を制御するコントローラです。論理演算、順序制御、算術演算、タイマー、カウンタ、通信などを組み合わせ、設備の自動運転や異常監視を行います。

PLC回路設計では、PLC本体の選定だけでなく、入出力点数、信号電圧、特殊ユニット、通信方式、電源容量、安全回路、ノイズ対策、将来の増設まで含めて検討します。

ハカルプラスでは、計量設備、搬送設備、混合設備、製造設備などの制御盤設計を通じて培った技術を生かし、お客様の設備仕様や既設環境に合わせたPLCの選定とハード回路設計を行っています。

PLCの基本的な役割

PLCは、設備に設置された各種機器から信号を受け取り、内部のプログラムで状態を判断し、必要な機器へ動作指令を出します。

一般的な制御の流れは、次のとおりです。

1. センサや操作スイッチから信号を入力する
2. PLC内部のプログラムで条件を判定する
3. 演算結果に応じて出力信号を送る
4. モーター、電磁弁、ランプなどを動作させる
5. 運転状態や異常を継続して監視する

PLC回路設計では、この入出力信号が正しく伝わり、設備が意図したとおりに動作するように、電気回路を構成します。

PLC回路を構成する主な要素

PLC CPUユニット

PLC CPUユニットは、入力信号の読み込み、プログラムの実行、出力信号の更新、通信処理などを行うPLCの中核です。

選定時には、入出力点数、プログラム容量、処理速度、通信機能、拡張性、対応する特殊ユニットなどを確認します。

電源ユニット

PLC本体や増設ユニットへ電源を供給します。

接続するユニットの消費電流を合計し、余裕を持った電源容量を選定します。また、制御盤内のAC電源やDC電源の構成、瞬停、ノイズ、接地なども考慮します。

デジタル入力ユニット

押しボタンスイッチ、リミットスイッチ、近接センサ、光電センサ、リレー接点などのON・OFF信号をPLCへ入力します。

入力方式、入力電圧、コモン方式、センサの出力形式などを確認して設計します。

デジタル出力ユニット

リレー、電磁接触器、電磁弁、表示灯、ブザーなどへON・OFF信号を出力します。

出力方式には、リレー出力、トランジスタ出力、トライアック出力などがあります。負荷の電圧、電流、動作頻度、応答速度に応じて選定します。

アナログ入力ユニット

4～20mAや0～10Vなどのアナログ信号をPLCへ取り込みます。

重量、温度、圧力、流量、液位などの計測値を扱う際に使用します。入力範囲、分解能、精度、絶縁方式、チャンネル数などを確認します。

アナログ出力ユニット

インバーター、調節計、比例弁などへアナログ指令を出力します。

速度指令、流量指令、圧力設定などに使用し、出力範囲や負荷条件に合わせて回路を設計します。

通信ユニット

FAパソコン、タッチパネル、計量コントローラ、他のPLC、インバーター、上位システムなどと通信するために使用します。

Ethernet、RS-232C、RS-422、RS-485、CC-Link、CC-Link IE、Modbusなど、接続する機器に合わせて通信ユニットを選定します。

位置決め・高速カウンタユニット

サーボモーター、ステッピングモーター、ロボシリンダ、エンコーダーなどを使用する場合に選定します。

必要な位置決め軸数、パルス出力方式、エンコーダー入力、制御精度、応答速度などを確認します。

PLCの選定

PLCは、設備の規模や機能に応じて選定します。

主な選定項目は次のとおりです。

• デジタル入力・出力の点数
• アナログ入力・出力の点数
• 必要な通信ポートと通信方式
• プログラム容量
• 処理速度
• 特殊ユニットの種類
• 増設可能なユニット数
• 使用温度や設置環境
• 将来の設備増設
• 保守部品の供給期間
• 既設設備や社内標準との整合性

必要な入出力点数だけで選定すると、通信機能や特殊ユニットが不足したり、将来の増設が難しくなったりする場合があります。

デジタル入力回路の設計

デジタル入力回路では、センサや接点の信号をPLCへ正しく入力できるように設計します。

主な確認事項には、次のものがあります。

• 入力電圧がDC24VかAC100Vか
• センサがNPN出力かPNP出力か
• 入力ユニットのコモン方式
• 無電圧接点か有電圧信号か
• 入力電流と最小ON電圧
• ケーブル長と電圧降下
• ノイズの影響
• 断線検出の必要性

NPN・PNPの違いやコモン接続を誤ると、センサ信号を正しく入力できません。PLCユニットと接続機器の仕様を確認して回路を設計します。

デジタル出力回路の設計

デジタル出力回路では、PLCの出力方式と負荷の条件を合わせる必要があります。

リレー出力

AC負荷・DC負荷の両方を扱いやすく、絶縁性にも優れています。一方、機械接点を使用するため、動作回数や応答速度に制限があります。

トランジスタ出力

高速なON・OFF制御に適しており、頻繁に動作する電磁弁やパルス出力などに使用します。DC負荷専用で、シンク出力・ソース出力の違いを確認する必要があります。

トライアック出力

AC負荷の制御に使用します。負荷電流、漏れ電流、ゼロクロス特性などを確認します。

モーターや大容量の電磁弁などをPLC出力へ直接接続せず、中継リレーや電磁接触器を介して制御する場合もあります。

負荷保護とサージ対策

リレー、電磁弁、電磁接触器、ソレノイドなどのコイル負荷をOFFすると、逆起電力によるサージが発生します。

サージがPLC出力や周辺回路へ影響しないように、負荷の種類に応じて次のような保護部品を使用します。

• フライホイールダイオード
• サージ吸収ダイオード
• バリスタ
• CRスナバ
• サージキラー付きリレー

保護部品の選定が不適切な場合、接点寿命の低下、PLC出力の故障、誤動作などにつながる可能性があります。

アナログ回路の設計

アナログ信号は、微小な電圧や電流の変化を数値として扱うため、デジタル信号よりもノイズの影響を受けやすい傾向があります。

アナログ回路では、次の点を考慮します。

• 信号方式が4～20mAか0～10Vか
• 信号源と入力ユニットの絶縁
• シールドケーブルの使用
• 動力線との離隔
• シールドの接地方法
• 信号変換器の必要性
• 入力回路の共通電位
• 断線時の入力値

長距離配線やノイズの多い環境では、電圧信号よりも4～20mAの電流信号が適する場合があります。

絶縁回路

PLCと外部機器の間に電位差がある場合や、ノイズが大きい環境では、信号絶縁が必要になることがあります。

絶縁方式には、絶縁型入出力ユニット、アイソレータ、絶縁リレー、フォトカプラなどがあります。

絶縁を適切に行うことで、グラウンドループ、異常電圧、ノイズの侵入などを抑えられます。

電源回路の設計

PLC、センサ、リレー、タッチパネル、通信機器などへ安定した電源を供給するため、電源容量と系統を設計します。

DC24V電源を選定する際には、通常時の消費電流だけでなく、突入電流、増設余裕、使用温度による出力低下などを考慮します。

また、制御用電源と負荷用電源を分離することで、電磁弁やリレー動作時の電圧変動がPLCやセンサへ影響することを抑えられる場合があります。

安全回路との関係

非常停止、安全扉、ライトカーテンなど、人の安全に直接関係する回路は、一般PLCのソフトウェアだけに依存しない構成が必要です。

安全リレー、安全PLC、強制ガイド接点付きリレーなどを使用し、設備のリスクや要求される安全性能に応じた回路を構成します。

一般PLCへ安全状態を入力し、画面表示や警報に利用する場合でも、危険源を停止させる安全機能そのものは、安全回路側で成立させます。

インターロック回路

インターロックは、相反する機器が同時に動作したり、危険な状態で設備が起動したりすることを防ぐ仕組みです。

PLCソフト上のインターロックに加え、必要に応じてハード回路でもインターロックを構成します。

例えば、モーターの正転・逆転用電磁接触器では、PLC出力の制御だけでなく、補助接点を用いた電気的インターロックを組み込みます。

PLCとインバーターの接続

PLCからインバーターへ運転・停止、正転・逆転、速度指令などを出力し、インバーターから運転中、異常、周波数到達などの信号を受け取ります。

接続方法には、次のような方式があります。

• 接点信号による運転指令
• アナログ信号による速度指令
• パルス列による指令
• シリアル通信
• 産業用ネットワーク通信

通信方式を利用すると、周波数、電流、エラーコード、設定値など、多くの情報をPLCから読み書きできます。

PLCと計量機器の接続

計量設備では、ロードセル、計量コントローラ、指示計、アナログ変換器などをPLCへ接続します。

接続方法には、接点入出力、アナログ信号、シリアル通信、Ethernet通信などがあります。

計量開始、計量完了、定量到達、異常などの信号だけを接点で受け渡す構成と、重量値や設定値を通信で送受信する構成があります。

必要な応答速度、データ量、保守性、配線点数などを踏まえて接続方法を選定します。

通信回路の設計

PLCを他の機器と接続する場合は、通信方式に応じた回路と配線を設計します。

主な確認事項は次のとおりです。

• 通信方式とプロトコル
• コネクタ・端子台の仕様
• シールドケーブルの種類
• 終端抵抗の有無
• 通信線の極性
• 最大配線距離
• 接地方法
• 中継器やスイッチングハブの必要性

RS-485では終端抵抗、分岐、配線形態などが通信品質に影響します。Ethernetでは、ケーブルカテゴリ、スイッチングハブ、ネットワーク構成などを確認します。

特殊ユニットのパラメータ設定

PLCの特殊ユニットは、配線するだけでは動作せず、各種パラメータの設定が必要です。

例えば、次のような設定があります。

• アナログ入力・出力範囲
• 平均処理回数
• 通信速度
• 局番・IPアドレス
• データ長・パリティ
• 位置決め速度・加減速時間
• 高速カウンタの入力方式
• 異常検出条件

設定内容はPLCメーカーやユニットごとに異なるため、マニュアル、対象機器、PLCソフトを照合して設計します。

ノイズ対策

制御盤内には、PLCやセンサ回路だけでなく、インバーター、モーター、電磁接触器などのノイズ源が存在します。

PLC回路設計では、次のような対策を検討します。

• 動力線と信号線の分離
• アナログ線・通信線へのシールドケーブル使用
• 適切な接地
• 制御電源と動力電源の分離
• サージ吸収部品の設置
• ノイズフィルタの使用
• インバーター出力線との離隔
• 絶縁型ユニット・信号変換器の使用

ノイズ対策は、制御盤内だけでなく、現場配線や接続機器を含めて検討する必要があります。

端子台と配線の設計

PLCの入出力を直接現場機器へ接続するのではなく、端子台を介して配線するのが一般的です。

端子台設計では、次の点を考慮します。

• 信号ごとの端子番号
• 電源端子と信号端子の分離
• 予備端子の確保
• 短絡片やヒューズ端子の使用
• メンテナンス時の測定しやすさ
• 外部配線の太さ
• アース端子の配置

現地での配線、試運転、故障調査を行いやすい配置とします。

予備点数と将来の増設

設備納入後に、センサや機器が追加されることがあります。

そのため、PLCの入出力点数、電源容量、盤内スペース、端子台、通信ポートなどに一定の予備を持たせることがあります。

ただし、過度な余裕はコストや制御盤サイズの増加につながるため、将来計画と予算に応じて決定します。

PLC回路図に記載する主な内容

PLC回路図には、次のような情報を記載します。

• PLC CPU・電源・入出力ユニットの構成
• 各ユニットの型式
• 入出力アドレス
• 端子番号
• 接続機器名称
• 電源電圧
• コモン接続
• 通信配線
• シールド・接地
• 中継リレー・保護部品

PLCソフト設計者、制御盤製作者、現地配線担当者、保守担当者が同じ内容を確認できるように、回路図と入出力表を整合させます。

PLC回路設計の進め方

設備仕様の確認

制御対象、運転方法、処理能力、安全条件、設置環境、既設設備との接続などを確認します。

入出力信号の整理

センサ、スイッチ、モーター、電磁弁、計量器、通信機器などの信号を一覧化します。

PLC構成の選定

CPU、電源、入出力、アナログ、通信、位置決めなど、必要なユニットを選定します。

回路図の作成

PLC構成、入出力回路、電源回路、通信回路、端子台などを図面化します。

制御盤製作・配線確認

設計図に基づいて制御盤を製作し、配線、導通、絶縁、電源電圧などを確認します。

通電・入出力試験

PLCを通電し、各入力信号の取込み、各出力信号の動作、特殊ユニットの値などを確認します。

現地試運転

実際の設備へ接続し、センサ、モーター、インバーター、通信機器などの動作を確認します。

PLC更新時の回路設計

既設PLCが生産終了した場合や、故障リスクが高まった場合には、新しいPLCへの更新を行います。

PLC更新では、旧PLCと新PLCでユニット仕様や端子配列が異なるため、単純な置き換えができない場合があります。

主な確認事項は次のとおりです。

• 既設PLCの型式と構成
• 入出力点数と電圧
• コモン方式
• 特殊ユニットの機能
• 既設端子台との接続
• 通信方式
• タッチパネルとの接続
• 盤内スペース
• 電源容量
• 既設PLCソフトの移行

更新時には、回路設計とPLCソフト設計を一体で検討する必要があります。

対応するPLCメーカー

ハカルプラスでは、設備仕様や既設環境に合わせ、複数メーカーのPLCを使用した回路設計に対応しています。

主な対応実績・対象メーカーには、次のようなメーカーがあります。

• 三菱電機
• キーエンス
• オムロン
• 横河電機
• 日立産機システム
• パナソニック
• 富士電機

旧文章にある「松下」は、現在のパナソニックに相当します。

対応可否は、PLCシリーズ、CPU、ユニット、開発ソフトウェア、通信仕様、既設図面の状態などによって異なります。

ハカルプラスのPLC回路設計

ハカルプラスでは、計量設備、搬送設備、混合設備、投入設備などの制御盤設計を長年行っています。

複数メーカーのPLC、入出力ユニット、アナログユニット、通信ユニット、位置決めユニットなどを扱った経験を生かし、設備仕様に応じたPLC構成と回路を設計します。

主な対応内容には、次のものがあります。

• 新規制御盤のPLC回路設計
• 既設制御盤の回路改修
• PLC更新に伴うハードウェア設計
• 入出力点数とユニット構成の選定
• アナログ信号回路の設計
• 通信ユニットの選定・配線設計
• インバーター・サーボとの接続
• 計量コントローラとの接続
• 安全回路・インターロック回路との連携
• 制御盤製作後の通電試験・現地試運転

PLC回路だけでなく、PLCソフト、制御盤電源、動力回路、タッチパネル、FAパソコン、上位システムとの通信まで含め、設備全体として整合した設計を行います。

よくある質問

Q. PLC回路設計とは何ですか？

A. PLC本体、入出力ユニット、センサ、リレー、モーター、通信機器などを接続し、設備を制御するための電気回路を設計することです。

Q. PLC回路設計とPLCソフト設計は何が違いますか？

A. PLC回路設計は機器を接続するハードウェア設計、PLCソフト設計は設備の動作手順や制御条件を作成するプログラム設計です。

Q. PLCメーカーを指定できますか？

A. 設備仕様、既設環境、社内標準などに合わせて選定します。対象メーカーや機種への対応可否は事前に確認します。

Q. 既設PLCを別メーカーへ更新できますか？

A. 可能ですが、入出力、通信、特殊ユニット、PLCソフト、タッチパネルなどの互換性を確認する必要があります。

Q. NPNセンサとPNPセンサの両方に対応できますか？

A. 対応できますが、PLC入力ユニットのコモン方式とセンサの出力方式を合わせて設計する必要があります。

Q. アナログ信号もPLCへ入力できますか？

A. 対応するアナログ入力ユニットを使用することで、4～20mAや0～10Vなどの信号を取り込めます。

Q. PLCからインバーターを制御できますか？

A. 接点信号、アナログ信号、シリアル通信、産業用ネットワークなどを使用して制御できます。

Q. 非常停止を一般PLCへ入力するだけで問題ありませんか？

A. 人の安全に関わる非常停止は、一般PLCだけに依存せず、安全リレーや安全PLCなどを用いた安全回路として設計する必要があります。

Q. 既設制御盤の図面がなくても更新できますか？

A. 現地調査、配線確認、PLC構成、既設プログラムなどを確認して対応方法を検討しますが、調査範囲や工数が増える場合があります。

Q. 特殊ユニットの設定にも対応できますか？

A. アナログ、通信、位置決め、高速カウンタなどのユニットについて、対象機種や仕様を確認したうえで対応します。

Q. ハカルプラスでは制御盤全体を依頼できますか？

A. PLC回路だけでなく、制御盤電源、動力回路、安全回路、PLCソフト、タッチパネル、通信、現地試運転まで含めて対応を検討できます。

関連ワード

・PLCソフト設計
・PLC更新設計
・安全回路設計
・動力回路設計
・インバーター回路設計
・制御盤電源回路設計
・リレー回路設計
・産業用ネットワーク通信（CC-Link／CC-Link IE／Ethernet／DeviceNet／MelsecNet／FL-net／CU-NET／CompoNet）