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プログラマブル・ロジック・コントローラ(PLC)の導入!!オートメーション化に向けて

portable hmi in an industrial application産業用のマイクロプロセッサベースのコントローラであるプログラマブルロジックコントローラ(PLC)は、1960年代後半から、従来のメカニカル(機械式)リレーシステムに代わる効率的なコントローラとして登場しました。メカニカルリレーシステムは信頼性が低く、トラブルの解決が困難でありコストも場所も必要でした。

PLCシステムでは入力と出力(I/O)の数に応じて、より複雑なアプリケーション向けに小型のモジュール式デバイスから大型のラックマウント型PLCまで多彩なバリエーションを持っています。この記事では、一般的なPLCの主要コンポーネントを探り、そのコンポーネントに当てはまるようなサイプレス・セミコンダクター社、インフィニオン・テクノロジーズ社の製品を紹介します。

function block diagram

サイプレス社製PLCの機能ブロック図

プロセス

他のコンピュータハードウェアと同様にPLCシステムには、入力デバイスと出力デバイスを操作するのに必要な命令を実行するためのメインプロセッサが有ります。入力デバイスの例としては、フィールドセンサー、スイッチ、エンコーダなどがあります。出力チャネルは一般的に製造プロセスを制御するアクチュエータに接続されています。プロセッサは、アプリケーションプロセッサやFPGAなどで構成されており、プロセッサが実行するプログラムや入力データはメモリーユニットに格納されます。

メモリー

メモリーユニットの主な機能は、コードの保存とフィールドデバイス(機器)からの入力データのログ記録の2つです。産業環境(現場)でPLCに求められるリアルタイムな動作性と継続的なデータロギング(ログ記録)は、停電やシステム障害などの予期せぬ事態が発生した場合にも対処し、システムを維持している必要があります。そのために、継続的なメンテナンスを行う必要があり、このメンテナンス性についても高い性能が期待されます。また、PLCシステムのメモリーユニットは工場の厳しい環境条件に耐えられることも期待されます。

上記2つのポイントを念頭に置いて、Excelon Ultra F-RAMs を紹介します。これはPLCのデータロギングニーズに理想的なメモリーオプションと言える製品です。最大100年間のデータ保持と、85℃で15~20年間、さらには100兆回の読み取り/書き込み耐久性を実現しています。Excelon FRAMは、35nsのバーストアクセスタイムでパラレルインターフェースに匹敵する高速なリアルタイムデータロギングをサポートします。低ピンカウント(LPC)の108MHz QSPIインターフェースで提供され、EEPROMと比べて200分の1、NORフラッシュ製品と比べて3,000分の1のエネルギーしか消費しません。Excelon Ultra QSPI F-RAMを試してみたい、機能を評価したい場合はCY15FRAMKIT-002F-RAM開発キット (189-0538) で試せます。

CY15FRAMKIT-002 F-RAM Development Kit

CY15FRAMKIT-002 F-RAM 開発キット

通信

PLC用のプロセッサを実装するための要件の一つに、イーサネット、RS-232/RS-485ポート、USBなどの専用周辺機器をサポートし外部の機器やシステムと通信できるようにすることがあります。例えばPLCのプログラミングは通常、USBポートを介してデスクトップコンピュータやラップトップを接続して設定や命令の書き込みを行います。その際、通信はModbus、EtherNet/IP、Profibusなど様々な産業用ネットワークプロトコルを介して確立されます。

さらに標準的なイーサネットに加えて、WiFi、Bluetooth、ZigBeeなどの無線接続ソリューションは、産業市場において大きな可能性を秘めています。サイプレス社ではモジュール単体から個々のモジュールを組み合わせた(複合)ソリューションなど、さまざまなワイヤレス製品をコード例やツール、開発サポートを提供するWICED® (Wireless Internet Connectivity for Embedded Devices)ソフトウェア開発キットともに提供しています。具体的には、PLCにワイヤレス接続機能を必要とするアプリケーションに、CYW43907組み込みワイヤレスシステムオンチップ(SoC)を使用するのが最適です。このモジュールはIEEE 802.11 a/b/g/n仕様のデュアルバンド(2.4GHzおよび5GHz)Wi-Fiを搭載しています。また個別のArm® Cortex®-R4アプリケーションプロセッサを搭載しており、高度なセキュリティ機能の実装やワイヤレス接続のための「ブラックボックス」を実装することができます。

CYW43907は、統合された高性能イーサネットMACコントローラを実装しており、MII(Media Independent Interface)またはRMII(Reduced Media Independent Interface)プロトコルを介して外部PHYとインターフェースすることができます。このコントローラは、10Mbpsおよび100Mbpsでデータを送受信することができます。

サイプレス社製CYW943907AEVAL1F評価キット (144-6503) はCYW43907の評価が可能なキットです。これはRS Components社から購入できます。

Evaluation kit for CYW43907 Wi-Fi Controller

CYW43907 Wi-Fiコントローラ用評価キット

セキュリティ・機能安全

自動化された工場などの特に重要(ミッションクリティカル)なアプリケーションでは、セキュリティ上の脅威が大きな課題となっています。サイバー攻撃の内容は、フィールド機器のハッキング(クラッキング)からロボットの設定変更まで多岐にわたりますが、現場の機械だけでなく、その近くで働く人々にも深刻な被害をもたらす可能性があります。サイバー攻撃が産業システムに侵入する可能性のある事象についてはソフトウェアの更新、データのダウンロード、クラウドへの接続などさまざまです。

IEC61508規格では、産業用システムの安全性の高さに応じて、安全度水準(SIL1~SIL4まで)と、産業用システムの安全性に対応する障害の可能性を示しています。

List of IEC 61508 Safety Integrity Levels

IEC 61508 安全度水準表 (cypress.com)

PLCの場合、潜在的な脅威(サイバー攻撃の脅威)はプログラミング用のコンピュータとの通信に起因します。言い換えると、設定変更のために誰かがコンピュータにアクセスすると、PLCは脆弱になります。ブートコード、パスワード、セキュリテキーを保存するために使用されるフラッシュメモリデバイスは、サイバー攻撃の主なターゲットです。

サイプレス社のSemper NOR Flashは、Arm® Cortex® M0プロセッサと最大4Gbの密度オプションを持つNORフラッシュメモリアレイを組み合わせたものです。このモジュールは、起動時の障害から保護するためのSafeBoot、データ及びインターフェースCRC(Cyclic Redundancy Check(巡回冗長検査))、ECC(Error Correction Code(エラー訂正コード))など、複数の高度なセキュリティ機能を実装しています。このモジュールは、ホストプロセッサと連携して、PLCに安全なソリューションを提供します。Semper NORはIEC 61508産業用機能安全仕様を満たすように設計されており、10年以上の長寿命保証を実現しています。

HMI

ヒューマン・マシン・インターフェース (HMI) はオペレータが機械を監視・制御するために不可欠なツールです。最もシンプルな形では、押しボタンやライトが付いたものです。しかし複雑なシステム(アプリケーション)では、ディスプレイやタッチスクリーンが一般的です。HMIはトラブルシューティング、アラームレポート、工業プロセスの日常的な制御を可能にするために、PLCと一緒に使用されることが多いです。
通信インターフェースを介して相互に接続された個別のHMIシステムとPLCシステムは、機械自動化(マシンオートメーション)の標準的な構成ですが、最近では単一のハードウェアで組み合わせたソリューションがますます一般的になっています。

サイプレス社製のPSoC4ファミリー などCapSense静電容量式センシング技術を搭載したMCUは、組み込みシステムの設計ソリューションに適しており、特にHMIやタッチ・センシング・アプリケーションに最適です。PSoC4ポートフォリオ(portfolio)はオペアンプ、コンパレータ、ADC/DACなどで構成されるプログラマブルなアナログフロントエンドを備えており、あらゆるアナログセンサーを容易に接続・カスタマイズすることができます。さらに、このカテゴリの製品はUSB、CAN、Bluetooth Low Energyなど有線および無線の接続オプションをサポートしています。

Key features of PSoC 4 family

PSoC 4ファミリーの主な特長

最後に

ここまで、PLCの構成要素やその利点、セキュリティ性について紹介してきましたがいかがだったでしょうか。産業の自動化には欠かせないPLCシステムですが、併せてHMIなどの拡張システムも導入する必要があります。しかし導入してしまえば高い効率・生産性と安全性を提供する事ができるでしょう。

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