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アナログ出力制御
(アナログしゅつりょくせいぎょ)
アナログ出力制御とは、計測値や演算値を、4～20mA、0～10V、1～5Vなどの連続した電気信号へ変換して外部機器へ出力する制御です。重量、流量、圧力、温度、電力などの値を、PLC、記録計、表示器、インバーター、調節計などへ伝えるために使用されます。
接点出力のようなON／OFF信号とは異なり、アナログ出力では、対象となる値の大きさに応じて電流または電圧が連続的に変化します。例えば、計測範囲0～1,000kgを4～20mAへ変換する場合、0kgで4mA、500kgで12mA、1,000kgで20mAを出力します。
主なアナログ出力信号
4～20mA出力
計測値を4～20mAの電流信号として出力する方式です。配線抵抗による電圧降下の影響を受けにくく、比較的長い距離の伝送に適しているため、産業設備で広く使用されています。
下限を0mAではなく4mAとすることで、正常な測定値の下限と、断線や電源異常を区別しやすくなります。
0～10V・1～5V出力
計測値を電圧信号として出力する方式です。同一制御盤内や比較的短い距離の機器間接続などで利用されます。
電圧出力は、配線抵抗や受信機器の入力抵抗、ノイズの影響を受ける場合があるため、接続条件を確認する必要があります。
アナログ出力の換算式
測定値をアナログ信号へ変換する場合は、測定範囲と出力範囲の割合を対応させるスケーリングを行います。
測定値をX、測定範囲の下限をXmin、上限をXmax、出力信号の下限をYmin、上限をYmaxとすると、出力値Yは次の式で求められます。
Y＝Ymin＋（X－Xmin）×（Ymax－Ymin）／（Xmax－Xmin）
この式では、測定値が測定範囲内のどの位置にあるかを求め、その割合を出力信号の範囲へ置き換えます。
4～20mAへの変換例
重量0～1,000kgを4～20mAへ変換する場合、各値は次のようになります。
Xmin＝0kg
Xmax＝1,000kg
Ymin＝4mA
Ymax＝20mA
重量500kgの場合は、次の式で求めます。
Y＝4＋（500－0）×（20－4）／（1,000－0）
Y＝4＋500×16／1,000
Y＝12mA
同様に、重量250kgでは8mA、750kgでは16mAとなります。
アナログ信号から測定値への逆換算
PLCや表示器などの受信側では、入力された電流や電圧から元の測定値へ換算します。
入力信号をYとすると、測定値Xは次の式で求められます。
X＝Xmin＋（Y－Ymin）×（Xmax－Xmin）／（Ymax－Ymin）
0～1,000kgを4～20mAで受信し、入力値が16mAであった場合は次のようになります。
X＝0＋（16－4）×（1,000－0）／（20－4）
X＝12×1,000／16
X＝750kg
PLC内部値へのスケーリング
PLCのアナログ入出力ユニットでは、4～20mAや0～10Vの信号を内部のデジタル値へ変換して扱います。
例えば、4～20mAが内部値0～4,000に対応する場合、内部値Dは次の式で求められます。
D＝（I－4）×4,000／16
ここで、Iは入力または出力する電流値です。12mAの場合は次のようになります。
D＝（12－4）×4,000／16
D＝2,000
内部値の範囲はPLCやアナログユニットによって異なるため、実際には各機器の仕様書を確認して設定します。
分解能と1カウント当たりの値
アナログ信号は連続的に変化しますが、PLCやマイコン内部では一定の分解能を持つデジタル値として処理されます。
0～1,000kgを内部値0～4,000で扱う場合、内部値1カウント当たりの重量は次のようになります。
1カウント当たりの重量＝1,000／4,000
1カウント当たりの重量＝0.25kg
必要な表示精度や制御精度に対して、アナログ変換の分解能が十分であるかを確認します。
アナログ出力制御の主な用途
- 重量や流量を記録計や表示器へ出力する
- 温度や圧力を上位PLCへ送信する
- 計測値に応じてインバーターの速度指令を変更する
- バルブ開度やヒーター出力を連続的に制御する
- 電力やデマンド値を監視システムへ伝送する
例えば、4～20mAをインバーターの0～60Hzへ対応させる場合、12mAは信号範囲の中間値であるため、周波数指令は30Hzになります。
出力値の上限・下限処理
測定値が設定範囲を超えた場合、計算上は4mA未満や20mAを超える値になることがあります。そのため、出力値に上限と下限を設けます。
例えば、4～20mA出力では、測定値が下限を下回っても4mA、上限を上回っても20mAまでに制限する方法があります。
一方で、異常状態を外部へ知らせるため、通常範囲をわずかに外れた電流値を出力する方法もあります。実際の異常出力範囲は、送信側と受信側の仕様をそろえる必要があります。
設計・制御上のポイント
送信側と受信側の範囲を一致させる
送信側が4～20mAで出力していても、受信側が0～20mAとして設定されていると、測定値が正しく換算されません。信号形式、測定範囲、出力範囲、極性を一致させます。
負荷抵抗を確認する
電流出力には、接続できる負荷抵抗の上限があります。配線抵抗と受信機器の入力抵抗の合計が許容範囲を超えると、必要な電流を出力できなくなります。
電源電圧をV、出力回路で必要な最低電圧をVmin、最大出力電流をImaxとすると、接続可能な負荷抵抗Rの目安は次の関係で表せます。
R≦（V－Vmin）／Imax
実際の許容負荷抵抗は、出力機器の仕様書に記載された値を確認します。
絶縁の有無を確認する
複数の機器を接続すると、接地電位差や回り込み電流によって測定値が不安定になることがあります。設備構成に応じて、絶縁型アナログ出力や信号変換器を使用します。
断線や異常値を判定する
4～20mA信号では、通常の測定範囲より低い電流値を断線や電源異常として判定できます。受信側では、正常範囲、断線範囲、オーバーレンジ範囲を分けて処理します。
分解能と更新周期を確認する
アナログ出力の分解能が不足すると、出力信号が細かな段階状に変化します。また、更新周期が長いと、急激な測定値の変化に追従できません。
対象設備の変化速度と必要精度に合わせて、分解能、演算周期、出力更新周期を設定します。
ノイズ対策を行う
モーター、インバーター、電磁接触器などの近くでは、電気的ノイズがアナログ信号へ影響する場合があります。シールド線の使用、動力線との離隔、適切な接地、フィルター処理などを検討します。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、重量、電力、流量、温度などの計測値や演算値を、4～20mA、0～10Vなどの信号へ変換するアナログ出力制御を設計します。
測定範囲と出力範囲のスケーリング、上下限処理、異常値判定、フィルター処理、出力更新などを、マイコンやPLCのソフトウェアで構成します。
また、出力回路、絶縁、電源、負荷抵抗、接続先機器の仕様を確認し、制御盤、計測機器、インバーター、記録計などを含めた信号連携を検討します。
よくある質問
Q. 4～20mAで0mAを使用しないのはなぜですか？
A. 正常な測定範囲の下限を4mAとすることで、0mA付近の状態を断線や電源異常として判別しやすくするためです。
Q. 4～20mAと0～10Vはどのように使い分けますか？
A. 比較的長い距離の伝送やノイズの影響を受けやすい環境では、4～20mAが適しています。同一盤内などの比較的短い接続では、0～10Vも使用されます。
Q. 測定範囲を変更した場合は出力設定も変更が必要ですか？
A. 必要です。測定範囲の上下限とアナログ出力範囲の対応を変更し、送信側と受信側のスケーリングを一致させます。
Q. PLCで受信した値が実際の計測値とずれる原因は何ですか？
A. スケーリング設定の不一致、信号形式の設定違い、負荷抵抗、配線抵抗、ノイズ、接地電位差、変換分解能などが考えられます。
Q. アナログ出力でインバーターの速度を制御できますか？
A. インバーターが4～20mAや0～10Vの周波数指令入力に対応していれば可能です。入力信号と最低・最高周波数の対応を設定して使用します。