PLC制御盤の設計、ワークのハンドリングからI/O割付と盤の温度まで

例として、顧客のワークを小物部品とし、装置はこれをベルトコンベヤで搬入し、直交2軸で組み付けて検査するものとします。ワークのハンドリングにはシリンダ6本（ストッパ、クランプ、押込み、はね出し、切出し、位置決めピン）と真空のエジェクタを使い、品種は2つ、Xは品種ごとに4位置、Zは3高さです。盤のI/Oは、このハンドリングに使う機器と位置の数から積み上がります。

ワークのハンドリング	盤で決まること
シリンダ6本、各オートスイッチ2個	入力 6 × 2 = 12点。X20〜X37のまとまり
品種2つで、Xは4位置、Zは3高さ	位置はXが2 × 4 = 8点、Zが2 × 3 = 6点。パルス列ならPLCの中の表で持つ
光電4、近接2、圧力スイッチ2（真空と元圧）	X40〜X47のまとまり
XとZの繰返し位置決め±0.02mm	200kppsで1パルスはXが3µm、Zが1.5µm

品種がこの先増えるか、Xの位置やZの高さがいくつになるかで、盤の点数は変わります。設計者が客先に確認する項目です。

この装置を1台決め、メーカーのマニュアルにある値だけで盤を積み上げると、入力44点、出力27点、三相の電源設備容量1.7kVA、盤内の発熱は上限側で222Wになります。

いちばん大きく答えを動かしたのは、サーボとPLCのつなぎ方でした。パルス列でつなぐと、PLCに来るサーボの信号は入出力で24点。ネットワークにすれば0点になる代わりに、確認した通販価格で部品代が約7.9万円上がります。

漏電遮断器は、24V電源のリーク電流まで加えると、主幹に30mAの1台を置く形では足りません。分岐ごとに分けて、ようやくどの分岐も30mAに収まります。

装置と盤の前提

装置は次の表のとおりで、どれもこの記事の前提として決めた値です。**机上の設計で、実物の盤は作っていません。**数字はマニュアルとカタログの値、それに仮に置いた値からの計算です。

項目	この記事の前提
装置	小物部品をコンベヤで流し、直交2軸で組み付けて検査する1台
タクトと稼働	1個2.0秒。1日16時間、年240日
搬入	ベルトコンベヤ。三相0.2kWの誘導電動機をインバータで回す
軸	X 200W、リード20mmのボールねじ、ストローク400mm、最高600mm/s（1,800r/min）。Z 100W、ブレーキ付き、リード10mm、最高300mm/s（1,800r/min）
精度	XとZの繰返し位置決め ±0.02mm
位置	品種2つ。Xは品種ごとに4位置、Zは3高さ
エア	シリンダ6本（ストッパ、クランプ、押込み、はね出し、切出し、位置決めピン）。各オートスイッチ2個。元圧の圧力スイッチ
真空	エジェクタと圧力スイッチ
センサ	光電4、近接2。各軸の原点ドグと両端のセンサ
操作	起動、停止、リセット、自動と手動の切替え、非常停止、表示灯の塔とブザー、タッチパネル
安全	扉2枚のインターロック（ロック付き）と非常停止をセーフティコントローラで受ける
電源	三相AC200V。制御はDC24V
予算	PLC、サーボアンプ、位置決めの機器で25万円以内
設置場所	工場の中。外気は最高40℃と置く

例にした機器は三菱電機のPLC、サーボ、インバータでそろえ、24V電源と安全コントローラはオムロンです¹。型番は例で、ほかの社の機種なら数字は変わります。強度と安全に関わる値はどれも目安で、最終の判断はメーカーの資料と設計基準、有資格者の確認で行ってください。

サーボのつなぎ方で、PLCのI/Oが24点変わる

比べたのは3つのつなぎ方です。1つ目のパルス列は、PLCに内蔵の位置決めからパルスと方向を出し、汎用インタフェースのアンプが受けます。2つ目のネットワークでは、PLCに位置決めユニットを追加し、ネットワーク対応のアンプと1本のケーブルでつなぎます。3つ目のポイントテーブルは、アンプの中に位置を登録しておき、PLCがその番号と起動の信号をI/Oで出す形です。

パルス列の場合、PLCはパルスと方向に加えて、サーボオン、リセット、クリアを出し、インポジション、準備完了、異常、原点復帰の零点とドグを受けます。両端のセンサは、例のPLCのマニュアルにある接続例のとおり、PLCとアンプの両方に入れ、PLCの側を少し早く働かせます。例のPLCでは、パルスを出せるのはY0〜Y3、ドグと零点を受けられるのはX0〜X17に決まっています²。ポイントテーブルは位置の番号を2進で出すので、Xの8点にDI0〜DI3の4本、Zの6点に3本が必要です。

案	PLCに来るサーボのI/O	PLCとアンプの間の線
パルス列	入力14、出力10	24本
ネットワーク	0	ケーブル2本
ポイントテーブル	入力8、出力15	27本

線の本数は、PLCとアンプをつなぐ信号線に、軸ごとの24Vと0Vの2本を足した値です。パルス列は零点の戻りの線も1軸に1本必要です²。出力はポイントテーブルのほうがパルス列より5点多くなりました。品種が増えて位置が15点を超えれば、もう1本増えます。

案	ノイズと距離の制約	確認した部品代
パルス列	例のアンプはオープンコレクタで200kpps、2m以内	約22.8万円
ネットワーク	局間100mまで。シールドの処理が必要	約30.7万円
ポイントテーブル	パルスの線がなく、I/Oの線だけ	確認できず

部品代は、アンプ2台とPLC、それに必要な増設やユニットの和です。パルス列の側のコネクタと24本の配線、ネットワークのケーブルは入れていません³。サーボの信号24点ぶんで、PLCは入出力40点と32点の差になりました。パルス列は80点の本体に入力16点の増設、ネットワークは64点の本体に同じ増設で収まり、その差は1.8万円です。ところが位置決めユニットが9.7万円するので、差し引きでネットワークが7.9万円高くなり、予算の25万円も超えます。

でも、盤の幅は思ったほど変わりません。PLCを並べた段の幅は、パルス列とポイントテーブルが325mm、ネットワークが310mmで、アンプの幅はどれも40mmです⁴。つまり変わるのは、PLCの端子に来る線と、そこで起きるノイズの心配のほうです。

この装置ではパルス列を選びました。軸が2本で補間が不要で、PLCとアンプの間の配線が2m以内に収まる盤だからです。200kppsでも、Xを600mm/sで動かして1パルス3µm、Zは1.5µm。要求の±0.02mmと比べて、Xで約7分の1、Zで約13分の1の細かさです。一方、ポイントテーブルは採りませんでした。出力が多いうえに、例のメーカーでI/Oから呼べるのは前世代のアンプで、通販では取扱停止になっていたからです⁵。

結論が逆になる条件もはっきりしています。軸が増えれば、パルス列は1軸ごとにI/Oが12点増え、例のPLCに内蔵の位置決めは4軸までです。配線が2mを超えるほどアンプを離すなら、差動のパルスかネットワークにします。例のアンプの差動の入力は4Mppsで10m以内ですが、例のPLCの内蔵の出力はトランジスタだけなので、差動で出せる位置決めユニット（例のメーカーで2軸、5Mpps）が必要です²⁶。円弧補間が必要なときも、内蔵の位置決めは簡易の直線補間までなので、位置決めユニットの側に移ります。

電源を入れるたびの原点復帰をなくしたい場合も、話が変わります。パルス列で絶対位置を読むと、1軸に入力3点と出力2点（サーボオンは共用）が加わり、2軸で10点です²。例のPLCのマニュアルが挙げるのは前世代のアンプなので、MR-J5-Aで使えるかはメーカーに確認します。ネットワークとの差は、そこでかなり縮みます。

もう1つ、カタログにはCC-Link IEフィールドネットワーク Basicを使う形も載っています。PLCに内蔵のEthernetから、ネットワーク対応のアンプのポイントテーブルを呼ぶものです⁷。ユニットが不要なので、確認した価格では20万9,920円で、パルス列より1万8,000円安くなります。それでも比べる表に入れていないのは、起動の指令から動き出しまでを決める通信の更新の周期を確認していないからです。タクト2.0秒に影響するので、採るならまずそこを確認します。

I/Oは8点ずつ、機器の種類でそろえる

割付は、8進の8点を1つのまとまりにして、機器の種類ごとにそろえました。図では、色のまとまりと、予備の散らばり方を見てください。

決め方は次の表のとおりです。

まとまり	番地	決め方
サーボ	X0〜X17、Y0〜Y17	ドグと零点が入れられる所はサーボだけに使う。両端のセンサはX13〜X16。Y2とY3は3軸目と4軸目のパルスに空ける
シリンダ	X20〜X37、Y20〜Y27	1本に2点。前進端を偶数、後退端を奇数
センサと真空	X40〜X47、Y30〜Y31	光電と近接、2つの圧力スイッチ
操作と安全	X50〜X57	増設の側に。安全の信号は状態を読むだけ
インバータとMC、表示灯	X60〜X61、Y32〜Y34、Y40〜Y43	異常と補助接点、正転と速度、MCのリレー、塔とブザー

予備は使う点数の2割以上とし、入力は12点、出力は13点を残しました。まとまりの終わりに置いたので、あとで追加しても番地の並びは崩れません。

I/Oの割付は、ワークのハンドリングに使うシリンダとセンサの数、品種と位置の数から積み上げました。提供前の装置設計の支援アプリ MEKARIQ は、ワーク仕様などの装置の条件から3D、組立図、部品図、部品表、回路図を生成し、生成のたびに検図の結果を○▲×で示します。（MEKARIQ は、株式会社Anamorphosis Networks が開発している装置設計の支援アプリです。MANUFAC を制作する株式会社Game は、その開発を受託しています。この段落はその紹介です。）品種の数のように AI が決めきれないワークの条件は、客先への確認事項として一覧にします。

非常停止と扉は、セーフティコントローラで受けます。扉を2枚とも別々の入力にしてロックも付けると、安全入力は14点です。非常停止2、扉の検出とロックの監視4、扉開要求2、リセット1、2台のアンプのSTO状態4、ブレーキとMCを切るリレーの監視1。安全出力は、強制停止、STOの2系統、インバータのS1とS2、2つのロック、そのリレーで8点になります。安全回路とインターロックの記事で例にした入力10点、出力4点の型には収まらないので、入力20点、出力8点の型にしました⁸。安全出力は8点を使い切ります。

アンプの入力は、PLCのシンク出力に合わせてシンクでそろえます。安全コントローラの出力はソースなので、強制停止（EM2）を直接は入れられません⁹⁶⁸。だから強制停止は、安全出力で動かすリレーの接点で切ることにしました。出力の点数は同じで、増えるのはリレー1個。

この型には、PLCへ状態を渡す標準の出力がありません。標準の入力12点と出力8点を持つ増設ユニットを追加し、その出力をPLCのX54〜X57に入れます⁸。増設ユニットの出力はシンクなので、入力の増設のS/Sを+24Vにしたシンク入力で受け、0Vを共通にします。PLCは状態を読むだけで、PLCの出力でサーボやコンベヤを止めることはしません。PLCのリセット（X52）は装置の異常を戻すためのボタンで、安全コントローラのリセットとは別にします。組み方とSTOの結線、安全リレーとの比べ方は、前の記事で読めます。

出力はトランジスタにしました。電磁弁は1点0.35Wで、8点の共通端子の上限1.6Aに十分収まります⁹。リレー出力にしなかったのは、毎サイクル動く弁の開閉が年に約690万回になるからです。

主回路は1.7kVA、漏電遮断器は分岐ごとに

三相側の容量は、マニュアルの電源設備容量を足して出します⁶¹⁰。200Wの軸が0.5kVA、100Wの軸が0.3kVA、0.2kWのインバータがND（過負荷150%で60秒の定格）で直流リアクトルなしの0.9kVA。計1.7kVAです。

負荷の電流は次のとおりです。

三相の入力電流   サーボ 1.5 + 0.9、インバータ 2.3          = 4.7 A
制御の分岐       24V電源 2台、PLC、アンプの制御回路  325 VA ÷ 200 V = 1.6 A
いちばん重い線   4.7 + 1.6 = 6.3 A、× 1.25 = 7.9 A

1.25倍は、アンプのマニュアルが複数台を1つの遮断器につなぐときに電線を選ぶ係数で、UL 508Aにもとづく値です⁶。制御の分岐は単相で2本の線にしかかからないので、三相の電流に足した6.3Aは、いちばん重い線の値です。

計算だけなら主幹は10Aで足ります。ただ、それではサーボの分岐の10Aと同じ定格になり、分岐の過負荷で主幹まで切れる余地が残ります。そこで主幹は配線用遮断器の20Aにして、分岐の10Aと5Aに2倍以上の差を付けました。代わりに、主幹から分岐までの電線は許容電流20Aの3.5mm²になります⁶。ただし20Aは束ねる本数が3本以下のときの値で、4〜6本では80%の16Aに下がります。ダクトでほかの線と束ねるので、5.5mm²にしました。5.5mm²は30Aで、80%でも24Aあり、主幹の20Aを上回ります。過負荷なら定格の小さい分岐が先に動く見込みですが、短絡で主幹が切れないかは、主幹と分岐の動作特性曲線を重ねて確認するまで言えません。

サーボ2台を1つの分岐にまとめると配線は楽です。ただし突入電流も見ておきます。アンプのマニュアルでは、突入の和が遮断器の定格の6倍以下であることが条件です。17Aと17Aで34Aなので、5A（6倍で30A）では足りず、10Aにしました。電線は、入力電流の和の1.25倍の3.0Aから2mm²で足ります。

アンプとインバータのマニュアルは、漏電遮断器の感度を、漏れ電流の和の10倍以上で選ぶよう求めています⁶¹⁰。

感度 ≧ 10 × {Ig1 + Ign + Iga（Igi） + K ×（Ig2 + Igm）}
サーボ 1軸     0.02 + 0 + 0.16 + 1 ×（0.10 + 0.10） = 0.38 mA   2軸で 0.76 mA
インバータ     0.02 + 0 + 1.0  + 1 ×（0.10 + 0.10） = 1.22 mA
24V電源 2台    1.0 × 2 = 2.0 mA（リーク電流の上限）
1台にまとめると 3.98 mA × 10 = 39.8 mA  →  30mAでは足りない

Ig1とIg2は電線の漏れ電流です。2mm²のCVケーブルを金属管に通した例が20mA/kmなので、盤内1mとモータ線5mを掛けました。Igaはアンプの0.16mA、サーボモータのIgmは0.1mAです。インバータ本体の1mAは、カタログにある2.2kWの例をそのまま置いた値。インバータで回すモータのIgmも、カタログのグラフの下端（1.5kW）の0.1mAを0.2kWに当てたもので、どちらも実際はもっと小さいかもしれません。Kは高調波・サージ対応品の1、24V電源のリーク電流は1台1mA以下です¹¹。

主幹に漏電遮断器を1台置く形では、30mAに収まりません。そこで主幹は配線用遮断器にし、漏電遮断器を分岐ごとに置きました。サーボの分岐は7.6mA、インバータの分岐は12.2mA、制御の分岐は電源のリーク電流にも同じ10倍を当てて20mAで、どれも30mAの感度に収まります。つまり、漏電した分岐だけが切れ、どこで漏れたかも分かります。制御の分岐の20mAには、PLCとアンプの制御回路の漏れ電流が入っていません。資料に値がなく、10倍の考え方でいえば余裕は実際の漏れで1mAぶんです。主幹から分岐の漏電遮断器までの電線には、漏電の保護がかからないことも覚えておきます。

入力側にラジオノイズフィルタを追加すると、それだけで4.4mA増えます。サーボの分岐に付ければ（0.76 + 4.4）× 10 = 51.6mAで、30mAを超えます。一般品ならKが3になり、サーボの分岐は15.6mA、インバータの分岐は16.2mAです。数字は30mAに収まりますが、インバータのカタログは高調波・サージ対応品を使うよう書いています¹⁰。

主回路のMCは、サーボの分岐とインバータの分岐に1つずつ入れました。サーボのMC1は、マニュアルの接続例どおり、動作の遅れが80ms以下の機種にします⁶。コイルはAC200Vにして、PLCからはリレーで入れます。コイルの回路には、2台のALMで動くリレーの接点と、非常停止のあと減速を待って切れる接点を直列に入れ、PLCが止まっていてもアラームと非常停止でMC1が切れるようにします。MC2のコイルの回路にも、同じ非常停止の接点を入れました。PLCはY34の1つのリレーでMC1とMC2を入れ、2つの補助接点は直列にしてX61で読む形です。

一方、インバータの入力側のMC2は、復電のときの事故を防ぐためのものです。例のインバータのカタログは、外部の端子で運転するとき、停電のあと復電したときの自然再始動による事故を防ぐため、入力側にMCを設けるよう書いています¹⁰。例の0.2kWならS-T10です。このMCで始動と停止を繰り返さないとも書かれているので、非常停止でコンベヤを止めるのはMC2ではありません。安全コントローラの出力をインバータの安全停止の入力（S1とS2）に入れ、出力を遮断します。ただ、S1とS2はPCとの間を接点で開け閉めする作りです。半導体の安全出力でつなぐときは、0Vの取り方と、出力のテストパルス（幅640µs）を受け付けるかを、インバータのセーフティストップの取扱説明書で確認します¹⁰⁸。アンプのSTOの入力も同じで、このテストパルスを受け付けるかは、MR-J5では確認していません。

DC24Vを分ける3つの理由

24Vの負荷を足すと、120Wの電源に3.50A、84Wがかかります¹²¹³。

負荷	電流	設置場所と値
サーボのインタフェース 2台	1.00A	盤内。マニュアルの必要電流容量
センサ一式	0.50A	盤の外。近接12、オートスイッチ12、光電4、圧力スイッチ2
安全コントローラ	0.50A	盤内。入力20点、出力8点の型
リレー 6個	0.50A	盤内。MBR、ALM 2、ブレーキとMCを切る安全出力、強制停止、MC。1個2Wの目安
表示灯の塔	0.39A	盤の外。3色の最大とブザーの最大
タッチパネル	0.27A	操作盤
PLCの入力回路	0.20A	盤内。1点4.0〜5.3mA
電磁弁10個	0.15A	盤の外

近接12個は、機械の2個と、ドグ2個、両端のセンサをPLCの側とアンプの側に4個ずつです。2つの圧力スイッチは消費電流を確認できず、光電センサと同じ30mAで見込みました。安全コントローラの増設ユニットと、2つのロックのソレノイドの電流は、確認していないので入れていません。

1つ目の理由は、Z軸のブレーキです。例のアンプのマニュアルは、ブレーキに専用の電源を使うよう求めています⁶。ブレーキの定格はDC24Vの-10%〜0%で、上には余裕がありません。電圧降下を補おうと電源の出力を上げると、ほかの負荷には良くても、ブレーキの上限を超えます。だからブレーキは15Wの電源で単独にしました。

ブレーキの回路には、MBRで動かすリレーの接点に、アンプのALMの接点と、非常停止で切れる接点を直列に入れ、どれが切れてもブレーキがかかるようにします。非常停止で切れる接点は、STOより少し早く切れる、安全コントローラの出力で動くリレーのものです。コイルの両端にはバリスタ。ダイオードにすると制動までの時間が延びると、モータのマニュアルにあります¹⁴。

2つ目は、主回路MCのコイルを24Vで動かすなら、アンプのインタフェース電源と共用しないという、アンプのマニュアルの決まりです⁶。この盤ではMCのコイルをAC200Vにしたので、24Vの側には載りません。

3つ目は、120Wの中での分け方です。PLCの入力とセンサ、アンプ、操作盤、安全コントローラ、弁、表示灯を、別々のサーキットプロテクタにしました。ただ、この電源が短絡に流せるのはピークで6Aまでで、それを超えると電源の保護が働き、24V全体が下がります¹¹。弁の線の地絡でほかの線を落とさないためには、その電流で先に切れる定格と特性を、動作特性曲線で確認して選びます。

容量は、3.50Aなので60W（2.5A）では足りず、温度の軽減も見て120Wにしました。例の電源は標準の向きなら60℃まで5Aを出せますが、上向きに付けると40℃から下がり始め、グラフから読むと55℃では3.75Aです¹¹。標準の向きなら70%の負荷で余裕があります。

突入電流は、電源の入力側で問題になります。例の電源はAC200Vのコールドスタートで1台32A（typ.）、PLCは60A（5ms以下）です⁹¹¹。電源のメーカーは、突入でブレーカが動作しないよう、動作特性を確認して選ぶよう求めています。制御の分岐の5Aには、3台が同時に入って100Aを超える瞬間があり、同じ電流は主幹にも流れます。どちらも動作特性曲線と比べておく必要があるでしょう。

一方、電圧降下はこの盤では小さく済みました。0.75mm²の電線（20℃で24.4Ω/km以下）で片道10mなら往復0.49Ωで、機械の中継箱に流れる1.03Aでも0.50Vです¹⁵。

電源を入れる順番と、非常停止の順番

主回路とブレーキと安全の取り合いは、時間で並べると確認しやすくなります。図では、MC1が入ってからSONを受け付けるまでの2.5〜3.5秒と、非常停止のあとMCを切るまでの順番を見てください。

電源を入れて24V電源が立ち上がり、安全コントローラをリセットのボタンで入れたあと、PLCがMC1とMC2を入れ、MC1は80ms以内に閉じます。アンプがSONを受け付けるのは主回路が入ってから2.5〜3.5秒後で、SONから10msでベース回路が入ります⁶。そこでMBRが入っても、ブレーキが解放されるまでにさらに0.03秒かかります¹⁴。この間に指令を出すと、ブレーキを引きずったまま動き出します。

非常停止では、安全コントローラがまずインバータのS1とS2を開き、アンプには強制停止（EM2）を入れます。アンプが減速して止まるとMBRが切れ、ブレーキは0.01秒でかかります¹⁴。ブレーキが効くまでトルクを残すため、アンプの[Pr. PC16]に、MBRを切ってからベース回路を切るまでの遅れを入れます。初期値は0msで、マニュアルは落ちない最小の遅れの1.5倍ほどを勧めています¹⁶。PLCは、強制停止の減速が終わるまでSONを切りません。先にSONを切ると、強制停止の減速にならないからです¹⁶。

0.3秒の安全タイマーで切れるのは、まずブレーキの回路の接点、続いてSTOです。STOは、ブレーキの制動の遅れとリレーが戻る時間を足した分だけ遅らせ、減速が効かなかったときもブレーキが先にかかるようにします。MCも同じリレーの接点で、STOとほぼ同時に開きます。どちらも減速が終わってからです。減速の途中でMCを切ると母線の電圧が下がり、ダイナミックブレーキで止まることがあるからです⁶。前の記事と同じ、減速してからSTOに入れる止め方です。

0.3秒で足りるかどうかは、軸の回転数しだい。強制停止の減速は[Pr. PC51]で決まり、初期値は定格の3,000r/minから0までが100msです¹⁶⁷。XもZも最高1,800r/minなので60msで止まり、反応の約10msとPC16の遅れを足しても、0.3秒には余裕があります。Xを定格より速く回すなら、減速の時間は速度の比で延びます。

盤内は222W、外気40℃ならファンが必要

盤内の発熱は、上限側で222Wになりました⁶¹⁰¹³。

機器	発熱	値の出どころ
サーボアンプ 2台	50W	定格出力時25W×2。サーボオフなら15W×2
遮断器とMC	47W	定格電流で流したときの目安。主幹、漏電遮断器3台、MC2台
盤内の24V負荷	48W	アンプのインタフェース、安全コントローラ、リレー6個
PLC	45W	消費電力をそのまま熱とみなす
インバータ	16W	0.2kW、ND
24V電源の損失	15W	効率86%と81%から

ほかにトランジスタ出力の電圧降下が1Wほどあります。アンプのインタフェースは必要電流容量の1Aをそのまま熱に入れ、遮断器とMCは盤用熱関連機器工業会の目安の値を置いたので、上限側の数字です。サーボオフにし、遮断器とインタフェースを除くと、下限の見当は131Wでした。

回生の熱も入っていません。アンプの発熱の値は回生を含まず、Z軸の100Wのアンプは回生抵抗を内蔵していません⁶⁷。Z軸が下りるときの回生を受けきれるかは、メーカーの容量選定ソフトで確認する項目です。

温度上昇は、盤の有効表面積から出します¹³。

有効表面積  S  = 1.8 × H ×（W + D）+ 1.4 × W × D   （周りが空いている場合）
温度上昇    ΔT = Q ÷（U × S）      U = 5 W/(m²K)（鉄板の盤の目安 5〜6）
800×1000×300   S = 1.8 × 1.0 × 1.1 + 1.4 × 0.8 × 0.3 = 2.32 m²   ΔT = 222.4 ÷ 11.6 = 19.2 K

図では、3つの大きさの線が、10Kと15Kの線を切るところを見てください。

上限は、盤内でいちばん弱い機器で決まります。例のPLCは使用温度が55℃までで、50℃を超えると、同時にONにできる入出力の割合が下がります⁹。アンプは60℃まで、インバータは50℃を超えると定格電流の軽減、電源は標準の向きで60℃まで100%、安全コントローラは55℃まででした⁷¹⁰¹¹⁸。外気40℃でPLCを軽減に入れないなら、温度上昇は10Kまでです。アンプのマニュアルも、外気40℃で盤内の上昇を15K以内に設計するよう求めています⁶。

800×1000×300の盤は、222Wなら19.2Kで、10Kにも15Kにも収まりません。ファンの風量は次の式で出します¹³。

V = 1/20 ×（Q ÷ ΔT − U × S）× Sf        Sf = 2（盤内の圧力損失が分からないため）
ΔT = 10 K   V = 1/20 ×（222.4 ÷ 10 − 5 × 2.32）× 2 = 1.07 m³/min
ΔT = 15 K   V = 1/20 ×（222.4 ÷ 15 − 5 × 2.32）× 2 = 0.32 m³/min

この盤には、最大風量1.07m³/min以上のファンを上に付け、下のフィルタから吸わせることにしました。では、盤を大きくすればファンは不要になるのでしょうか。1000×1200×400でも12.4Kで、10Kには届きませんでした。盤の背面を架台に付けると、その面は放熱に使えません。式の側面の係数のまま背面を除くと、有効表面積は約1.60m²、温度上昇は27.9Kで、必要な風量は1.43m³/minに増えます。

タッチパネルは操作盤に付けました。例の機種は使用温度が0〜50℃で¹²、盤の扉に付けると、盤内の空気にさらされるからです。

熱は上に、動力と信号は離す

配置は、熱の大きい機器を上の段にまとめ、PLCをその下の段に置きました。図では、オレンジの動力ダクトと青の信号ダクトの位置と、PLCのまわりに取った距離を見てください。

あけた間隔は、どれもマニュアルの値です⁴⁹¹⁰。アンプは2台並べると上100mm、下40mm、間10mm。1mmまで詰めるなら、アンプのまわりを0〜45℃にするか、実効負荷率を75%以下にする条件が付きます。この盤は中が50℃まで上がる設計なので、詰めるなら負荷率で確認します。インバータは上下10cm、左右1cmで、盤内が40℃以下なら横に詰められます。PLCはほかの機器や構造物から50mmで、増設を追加する左右にも幅を残しました。

インバータとアンプを上に置けば、温かい空気は上に抜け、PLCのまわりに溜まりません。電源と安全コントローラは最も下の段で、吸気の冷たい空気が先に当たります。

動力と信号の離し方は、メーカーで数字が違います。例のPLCは動力線から100mm以上、例のインバータは30cm（最低でも10cm）離すよう書いています⁹¹⁰。そこでこの盤では、PLCを左の縦の動力ダクトから100mm離し、上と下に信号ダクトを通しました。PLCの上の信号ダクトは、1段目の下の動力ダクトから100mm離しています。安全コントローラと増設は、上下の端子台の線が動力ダクトに寄らないよう3段目に置き、上下とも信号ダクトへ入れます。動力の端子は遮断器の下に置き、PLCから遠ざけました。

アンプのモータ線は前面の下から出るので、アンプを1段目の下の動力ダクトの真上に置き、そのまま動力の側へ落とす配置にしました。エンコーダとI/Oの線（CN2とCN3）は、右の縦の信号ダクトへ回します。上と1段目の下の動力ダクトは右の信号ダクトの100mm手前で止め、交わらないようにしました。

ノイズは出どころの近くで止める

ノイズの出どころと、守るもの、対策の数字は次の表のとおりです⁹⁶¹⁰。

出どころ	守るもの	対策と数字
インバータとアンプの出力線	エンコーダ、センサ、パルスの線	束ねない、並べない。インバータは30cm（最低10cm）、PLCは100mm離す。信号はシールド付きのツイストペア
同じ電源への回り込み	24V電源、PLC	ラジオノイズフィルタ（10MHz以下）か、ラインノイズフィルタを4回通す（0.5〜5MHz）
インバータのキャリア周波数（出力を刻む速さ）	周りの機器全体	キャリア周波数を下げる。モータの音は増える
MCとACリレーのコイル	アンプ、PLC	サージキラー（0.5µF、50Ω）をコイルの20cm以内
DCのリレーと電磁弁	出力の素子	ダイオード。逆耐圧は駆動電圧の4倍以上、電流は2倍以上
ブレーキのコイル	ブレーキがかかるまでの時間	ダイオードでなくバリスタ
パルスの線	位置	オープンコレクタは2m以内。長くするなら差動
エンコーダとネットワークの線	位置と通信	シールドを接地板にクランプ。ネットワークはアンプから200〜300mm、データラインフィルタは80mm以内
接地	PLC	D種（100Ω以下）で、動力と共通にしない。PLCとアンプの間のケーブルのシールドは、接続例どおりアンプのSDへ

ダイオードの逆耐圧は、PLCのマニュアルでは負荷の電圧の5〜10倍とあり、アンプのマニュアルの4倍以上より厳しい値です。両方を満たす5倍以上で選べば迷いません。シールドの接地も、PLCのマニュアルは一般論としてPLCの側の1点と書き、PLCとアンプをつなぐ接続例ではアンプのSDにつないでいます²⁹。

ただ、ラジオノイズフィルタは漏電遮断器と取り合います。PWM（電圧を細かく刻んで作る方式）で動くアンプとインバータの入力に追加したとたん、サーボの分岐は30mAを超えました。ラインノイズフィルタは電線を通すだけのコアで、漏れ電流を増やさず、高周波の漏れ電流も抑えるとアンプのマニュアルにあります⁶。

マニュアルが注意している6つの所

ここからは、マニュアルとカタログに書かれた現象を、この盤の数字に当てはめた見積もりです。実機で起きたことではありません。

毎サイクル動く弁を、リレー出力で動かさない。例のPLCのリレー出力の寿命は、電磁弁のような誘導負荷で20VAのとき標準50万回です⁹。この盤の弁は0.35Wで、この値はそのまま当てはまらず、マニュアルにはこれほど小さい負荷の値がありません。たとえば2秒に1回開け閉めすると、1日16時間で2万8,800回、年240日で約690万回です。回数で寿命が決まる接点に、この回数を任せることになります。

2線式のセンサを2つ並列にすると、入力が切れません。例の2線式オートスイッチは、OFFでも0.8mAの漏れ電流が流れます¹²。並列にすると1.6mAで、PLCの入力がOFFと見なす1.5mA以下を超えます。PLCのマニュアルにある式では、オートスイッチをつなぐX20以降の入力なら、9÷（1.6−1.5）で90kΩ以下のブリーダ抵抗（漏れ電流を逃がす抵抗）を追加すれば収まります⁹。直列にすると、内部降下が4Vずつで入力にかかるのは16V。X20以降の入力は5.6kΩなので2.9mAしか流れず、ONと見なす3.0mAに届きません。だから、この盤では3線式を選びました。

漏電遮断器は、漏電していないのに動作すること（不要動作）があります。インバータとサーボはPWMで動くため、高調波を含む漏れ電流が流れます⁶。この盤は分岐ごとに分けて7.6〜20mAですが、ラジオノイズフィルタを追加する、モータ線を延ばす、軸を増やすたびに、その分岐の計算をやり直すことになります。

電源を入れた瞬間に、制御の遮断器が動作する場合もあります。24V電源の突入はAC200Vで1台32A（typ.）です¹¹。サーキットプロテクタには瞬時形、中速形、低速形、高速形の特性があり¹⁷、電源の突入をよけられる特性を選びます。

ブレーキの電圧は、定格の幅を外れることがあります。ブレーキの定格は-10%〜0%です⁷。電源の出力を上げて補うと上限を超え、線が細く長いと下限の21.6Vを割ります。専用の電源を24.0Vに合わせ、線の太さで降下を抑えます。

夏の午後だけ、PLCが使用温度を超えるかもしれません。222Wの盤をファンなしで閉じると、外気40℃で59.2℃になり、PLCの上限の55℃を超えます。I/Oの軽減は50℃から始まります⁹。ファンのフィルタが詰まれば風量は落ちるので、交換周期を保全の計画に入れておきます。

部品の値段

価格は通販の画面で確認した値だけで、2026年11月8日の税抜、どれも目安です³。

機器	仕様と数	価格の目安
PLC	入出力40点ずつ、トランジスタ出力、1台	86,980円
PLC	入出力32点ずつ（ネットワークの案）、1台	68,980円
入力の増設	16点、1台	14,980円
サーボアンプ 200W	汎用インタフェースとネットワーク対応、各1台	65,980円
サーボアンプ 100W	同じ、各1台	59,980円
位置決めユニット	ネットワーク、4軸、1台	96,850円

アンプは汎用インタフェースの型もネットワークの型も同じ値段で、差を作っているのはPLCとユニットだけです。確認した日には、汎用インタフェースの型が欠品で出荷予定は2027年2〜3月、ネットワークの型も91日以内の出荷と表示され、どちらもすぐには届きませんでした。モータ、ケーブル、遮断器、電源、安全コントローラ、盤の箱、ファンの価格は確認していません。

この盤が変わる条件

サーボのつなぎ方のほかに、次の要求の変化でも盤は変わります。

要求の変化	盤の変え方
品種が増えて位置が増える	パルス列はPLCの中の表で持てる。ポイントテーブルならI/Oの本数が増える
軸や扉のロックが増える	安全出力の8点を使い切っている。例の系列で入力20点の型はこれだけで、出力16点の型は入力10点。系列か台数を変える
扉に入る前に残圧を抜く弁を安全出力で切る	9点目が必要になり、今の型では足りない
外気が40℃を超える	45℃なら上昇は5Kまでで、同じ式で3.29m³/min。盤用クーラも候補
入力にラジオノイズフィルタを追加する	付けた分岐の感度を出し直す。サーボの分岐なら51.6mAで100mAの感度
盤の扉にタッチパネル	上限が50℃になる。盤内を50℃以下に
盤の背面を架台に付ける	有効表面積が約1.60m²に減り、風量は1.43m³/min

最初に並べた数字のうち、つなぎ方で動いたのはI/Oと部品代でした。盤の熱は、サーボとPLCで4割あまり、遮断器、MC、24Vの負荷と電源の損失のような小さな熱で半分ほどです。仕様書に「サーボ2軸、パルス列」の1行を書く前に、盤の箱とファン、漏電遮断器の分け方まで一度積み上げておくと、あとで盤を作り直さずに済みます。

2026年11月9日 更新：ワークのハンドリングに使う機器と位置の数から盤のI/Oを積み上げる流れを書き出しに置き、業界の用語で表現を書き直しました。

注

1. 型番はどれも例です。PLCは三菱電機 FX5U-80MT/ES（ネットワークの案はFX5U-64MT/ES）、入力の増設はFX5-16EX/ES、位置決めユニットはFX5-40SSC-G、サーボアンプは200WがMR-J5-20A、100WがMR-J5-10A（ネットワークの案はMR-J5-20GとMR-J5-10G）、モータはHK-KT23WとHK-KT13WB、インバータはFR-E820-0.2K、MCはS-T10、タッチパネルはGS2107、24V電源はオムロン S8VK-G12024とS8VK-G01524、安全コントローラはG9SP-N20Sと増設のCP1W-20EDT、オートスイッチはSMC D-M9N、光電センサはオムロン E3Z、近接センサはE2E-X5C118、表示灯の塔はパトライト LR6の例です。 ↩

2. 三菱電機「MELSEC iQ-F FX5 User's Manual (Positioning Control - CPU module built-in, High-speed pulse input/output module)」（JY997D56301G、英語）。PDFの21ページに近点ドグと零点はX0〜X17、27ページにパルス出力はY0〜Y3で方向とクリアの信号はY0〜Y17の任意、167〜168ページに絶対位置を読むDABS命令（対応はMR-J4-AとMR-J3-A、出力の1点目はサーボオン）、235〜236ページにFX5UとMR-J4-Aの接続例（零点の戻りはLG、シールドはアンプのSD、両端のリミットはPLCの側とアンプの側の両方に入れてPLCの側を少し早く働かせる）があります。最大200kHz、独立4軸、簡易直線補間は三菱電機「FX5 CPUユニット内蔵出力機能（内蔵位置決め機能）」、差動で出せるFX5-20PG-D（2軸、5Mpps）は同じページの英語版によります。2026年11月8日に確認しました。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

3. 価格はどれも2026年11月8日に通販の画面で確認した税抜の値です。MR-J5-AとMR-J5-G、FX5U-64MT/ESとFX5U-80MT/ES、FX5-16EX/ESはモノタロウの表示で、MR-J5-20AとMR-J5-10Aは欠品、出荷予定は2027年2月上旬と3月中旬、MR-J5-20GとMR-J5-10Gは91日以内出荷でした。FX5-40SSC-Gはミスミの通常単価です。パルス列の案は22万7,920円、ネットワークの案は30万6,770円、CC-Link IEフィールドネットワーク Basicの形は20万9,920円（MR-J5-G 2台とFX5U-64MT/ES、FX5-16EX/ES）で、どれもケーブル、コネクタ、ハブ、モータを含みません。 ↩ ↩

4. 外形は注6の三菱電機 MR-J5 User's Manual (Hardware)のPDF206ページ（MR-J5-10A/20Aは幅40、高さ168、奥行き135mm）、1台の取付けの間隔は41ページ、2台並べたときの間隔（上100、下40、間10mm）と詰めて付けるときの条件は42ページ、FX5Uの幅は注9のマニュアルの45ページ、増設ユニットの幅40mmは214ページ、FX5-40SSC-Gの幅50mmは注7のカタログの132ページです。 ↩ ↩

5. 三菱電機「MELSERVO-J4 カタログ」のPDF152ページにMR-J4-A-RJの位置決めモード、179ページにポイントテーブル方式の接続例があります。モノタロウではMR-J4-20A-RJとMR-J4-10A-RJが取扱停止中でした（2026年11月8日）。MELSERVO-J5のカタログの仕様表で位置決めモード（ポイントテーブル方式）の行があるのは、ネットワークのMR-J5-Gなどで、MR-J5-Aの表にはありませんでした。 ↩

6. 三菱電機「MR-J5 User's Manual (Hardware)」（SH(NA)030298ENG-Q、2026年2月の版）。PDFの52〜54ページに主回路の接続例（MCのコイルの回路にALMと非常停止、MCは動作の遅れ80ms以下、強制停止の減速中にMCを切るとダイナミックブレーキで止まることがある）、64ページにMCのコイルとインタフェースの電源を共用しないこと、98ページに電源投入の手順（主回路が入ってから2.5〜3.5秒でSONを受け付け、SONから10msでベース回路）、127ページにMR-J5-AのABS転送の信号、161ページと166ページに入力のシンクとソース（EM2もほかの入力と同じDICOMでそろう）、162〜163ページにパルス列入力（差動は4Mpps、10m以内でラインドライバが前提、オープンコレクタは200kpps、2m以内）、168ページにブレーキの回路（MBRのリレー、ALM、非常停止と連動、ブレーキ専用の電源）、226ページに電源設備容量、237ページに発熱（回生を含まない）、239ページに盤の放熱面積の式と外気40℃で上昇15K以内の目安、427ページに遮断器の選び方、434〜435ページに1つの遮断器に複数台をつなぐ条件、入力電流と突入電流、電線の許容電流（3.5mm²で20A、5.5mm²で30A、4〜6本を束ねると80%）、458〜465ページにノイズ対策（ラインノイズフィルタは高周波の漏れ電流も抑える、ラジオノイズフィルタは漏電遮断器の計算で4.4mA）、466〜470ページに漏電遮断器の式と例があります。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

7. 三菱電機「MELSERVO-J5 カタログ」（L(名)03178J）。PDFの82ページにCC-Link IEフィールドネットワーク BasicでFX5UからMR-J5-Gのポイントテーブルを呼べること、86ページにHK-KTの定格3,000r/min、最高6,700r/min、121ページにアンプの使用温度（0〜60℃）、132ページにFX5-40SSC-Gの仕様（4軸、局間100m、外部DC24Vは0.24A、90×50×83mm）、221ページにMR-J5-Aの仕様（パルスは差動4Mpps、オープンコレクタ200kpps、インタフェースの電源0.5A、MR-J5-10Aは回生抵抗を内蔵しない）、222ページに回生は容量選定ソフトMotorizerで選ぶこと、244ページにHK-KT13WBのブレーキ（DC24V -10%〜0%、6.4W）があります。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

8. オムロン「G9SP Series Safety Controller Operation Manual」（Z922、英語、2026年11月8日に確認）。PDFの29ページに型の比較（G9SP-N10Sは安全入力10、安全出力4、標準出力4、幅66mm。G9SP-N20Sは安全入力20、安全出力8、標準出力なし、130×110×85mm。増設ユニットは2台まで）、30ページに増設ユニットCP1W-20EDT（標準入力12、標準出力8はシンク、86×110×50mm）、43ページに消費電流（N20Sは500mA、外部の機器を除く）と使用温度（0〜55℃）、44ページに安全出力はソース（PNP）で、診断を使うとONのあいだに幅640µsのOFFのパルスが出ることがあります。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

9. 三菱電機「MELSEC iQ-F FX5U User's Manual (Hardware)」（JY997D55301U、英語）。PDFの7ページに動力線から100mm以上離すことと、シールドをPLCの側の1点で接地すること、32ページに使用温度（-20〜55℃）とD種接地、34ページに消費電力（80点で45W）と突入電流（80点はAC200Vで60A、5ms以下）、36ページに入力（X0〜X17は5.3mAで4.3kΩ、ONは3.5mA以上。X20以降は4.0mAで5.6kΩ、ONは3.0mA以上。OFFと見なすのはどれも1.5mA以下）、39ページにトランジスタ出力（シンク、1点0.5A、8点の共通で1.6A、ON電圧降下1.5V以下）と温度による同時ONの軽減（50℃から）、99ページに盤内の50mmと増設の幅、139ページに2線式近接スイッチのブリーダ抵抗の式、147ページにリレー出力の寿命（誘導負荷20VAで標準50万回）、149ページに誘導負荷に付けるダイオードの条件があります。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

10. 三菱電機「FR-E800 カタログ」（L(名)06130H）のPDF21ページに標準仕様品の安全トルク遮断（SIL2、PLd、Cat.3）、81ページに入力電流と電源設備容量、85ページに使用温度（-20〜60℃、50℃を超えると定格電流の軽減）、87ページに発熱量、93ページにセーフティストップの入力S1とS2、132ページに漏電遮断器の式と例、138ページに入力側MCの扱い（復電の自然再始動を防ぐ、頻繁な始動停止に使わない）、139ページにノイズ対策と動力線との距離。MCの機種と取付けの間隔はFR-E800 Instruction Manual (Connection)（三菱電機の欧州サイトで配布、英語）の27ページと38ページ、外形は119ページです。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

11. オムロン「S8VK-G 定格/性能」と「外形寸法」（2026年11月8日に表示を確認）。120Wは出力5A、ピーク6A、過電流保護は自動復帰、AC200Vで効率86%、入力0.75A。15Wは0.65A、81%。突入はAC200Vで32A typ.（25℃、コールドスタート）、リーク電流はAC200Vで1mA以下。軽減は120Wのグラフを読んだ値で、標準の向きは60℃まで100%、上向きは40℃から下がります。突入でブレーカが動作しないよう動作特性を確認するよう書かれています。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

12. センサと負荷の値です。SMC「オートスイッチ」のPDF5〜6ページ（D-M9Nは消費10mA以下、D-M9Bは漏れ0.8mA以下で内部降下4V以下、2線式の並列と直列の注意）、オムロン「E3Z 定格/性能」（透過形35mA以下、反射形30mA以下）と「E2E-X5C118」（16mA以下）、三菱電機「GOT SIMPLE Specifications」（GS2107は6.5W、271mA、突入17A、使用温度0〜50℃）、パトライト「積層信号灯 総合取扱説明書」の50ページ（DC24VのLED1段は最大45mA、ブザーは最大250mA）、SMC「SYシリーズ」（標準0.35W）です。2026年11月8日に確認しました。 ↩ ↩ ↩

13. 有効表面積と風量の式は、オリエンタルモーター「Selection Calculations For Cooling Fans」の制御盤の例（周りがすべて空いている場合、U=5、Sf=2）によります。鉄板の盤の熱通過率5〜6W/(m²K)と、遮断器（20Aまで5W、漏電遮断器は+5W、極数に比例）、MC（4kWまで7W）、小形のリレー（1個1〜2W）の発熱の目安は、オーム電機の技術資料「盤用クーラ・電子冷却器機種選定方法」と「盤内収納機器の発熱量一覧」（盤用熱関連機器工業会の技術資料第005号と第001号−2018より）によります。2026年11月8日に確認しました。 ↩ ↩ ↩ ↩

14. 三菱電機「Rotary Servo Motor User's Manual (For MR-J5)」（SH(NA)030314ENG-Q、英語）。PDFの17ページにブレーキのコイルにはサージアブソーバ（バリスタ）を付けること、ダイオードにすると制動までの時間が延びること、141ページにHK-KT13WBのブレーキの値（解放の遅れ0.03秒、制動の遅れ0.01秒、制動の回数の寿命2万回、バリスタの例）があります。どれも20℃の初期の値で、実機で確認するよう書かれています。2026年11月8日に確認しました。 ↩ ↩ ↩

15. 因幡電機産業「600V電気機器用ビニル絶縁電線 KIV 仕様書」の0.75mm²の導体抵抗（20℃で24.4Ω/km以下）。片道10mは仮に置いた長さです。 ↩

16. 三菱電機「MR-J5 User's Manual (Function)」（SH(NA)030300ENG-Q、英語）。PDFの201ページにMR-J5-Aの強制停止の減速（[Pr. PC51]、定格速度から0までの時間、初期値100ms）、203ページにベース回路を遅れて切る機能（強制停止のときも上下軸が落ちないようにする）、204ページに[Pr. PC16]（MBRを切ってからベース回路を切るまでの遅れ、初期値0ms）、206ページに上下軸では落ちない最小の遅れの約1.5倍にすること、208ページに強制停止のタイムチャートと「EM2を切ってからSONを切る」ことがあります。2026年11月8日に確認しました。 ↩ ↩ ↩

17. 三菱電機「低圧遮断器 機器用遮断器」のCP30-BAの過電流動作特性（2026年11月8日に確認）。突入に対してどこまで動作しないかは、カタログの動作特性曲線で確認します。 ↩