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天然に産する石英は、その形状・サイズ・色・透明度などが多岐にわたり、形状や産出形態で分類しただけでも 下の表のように沢山の種類がある。 成因については、３-４ や 図 3-10 で一部触れたが、海岸の砂や川砂も その大半が石英から出来ていて、一般的に「色白で透明度のある砂や石（岩）は石英である」と言っても過言ではない。

注） 産出形態の項目をクリックすると、左のフレームに解説が表示されます

種類	純度(％)	産出形態(鉱床)	主な産地	主な用途	価格(円/kg)
砂 (Sand)	90～95	残留鉱床 沖積(漂砂)鉱床	⇒全国(山砂) ⇒ 〃 (川砂・海砂)	建材・土木用	1～2
珪砂(国内) (Silica Sand)	95～98	残留鉱床 沖積(漂砂)鉱床	⇒瀬戸(愛知県) ⇒温泉津(島根県)	壜・板ガラス用 鋳型用	2～4
珪砂(海外) (Silica Sand)	99.8	沖積(漂砂)鉱床	フラッタリ(Australia) サラワク(Malaysia)	高級ガラス ・珪酸ソーダ用	4～5
(石英)砂岩 (Sandstone)	(90)～99	堆積鉱床	オクラホマ(U.S.A) ・ペンシルバニア(〃)	ガラス・鋳型用	2～4
珪岩 (Quartzite)	(90)～99	(高圧)変成鉱床	中国・韓国・北米 ・スカンジナビアetc.	金属シリコン ・合金鉄用	5～10
珪石・石英 (Quartz)	99～99.9	ペグマタイト鉱床 ・(高温)変成鉱床	南インド・スリランカ ・西オーストラリア	樹脂用フィラー ・光学ガラス用	10～20
水晶 (Cryatal Quartz)	99.9～99.99	熱水鉱床(岩漿性・動力性)	ブラジル・マダガスカル ・アーカンソー(U.S.A)	人工水晶・透明石英ガラス・装飾用	100～800
表 5-2 α-石英の種類と産出形態及びその用途

　 主に、α-石英の単結晶の粒や多結晶の塊である、砂（珪砂）や珪石（珪岩）の種類や成因は複雑で、上表だけでは説明しきれないが、単結晶の塊である水晶は、材料こそ違っても 全てが熱水鉱床で形成されている。 しかし、ごく単純な組成と構造から成る水晶も その生成過程は複雑で、各種要因によって色や形状が異なる様々な水晶が誕生するのである。 本項では、水晶が生成するプロセスと、その結果生じた様々な水晶について詳しく解説する。

　　
（１）高温・高圧の熱水から水晶が生成するプロセス　　　　　　　　　　　　　　目次
　 人工水晶のメーカーが、水晶育成用のオートクレーブ（高圧装置）に材料の天然水晶を充填したものの、再結晶させるための種水晶を入れるのを忘れ、約４０日後に蓋を開けてみたら、Ｃr-Ｍo-Ｖ高張力鋼の巨大な大砲のようなオートクレーブの内壁に、三角の針状結晶がびっしりと張りついていたというエピソードがある。 動力（地殻変動）性の熱水鉱床から水晶が晶出する場合、高温・高圧の熱水が周囲のSiO2成分を溶かし込んで水晶の材料にするため、その母岩は石英に富んだものでなければならないが、岩漿（マグマ）性の熱水鉱床では、水分が濃縮されたマグマの残漿（ざんしょう）中に、十分過ぎる程のSiO2を溶解しているため、特に母岩は選ばない。 高張力鋼であれ黄銅鉱や方鉛鉱のような鉱物であれ、不純物として微量のSiO2を含んでいるため水晶の種には事欠かず、豊富なSiO2を含む高圧熱水から水晶が急速に成長した場合、断面が三角形でc軸方向に伸びた針状結晶が発達するのである。 従って、実際に水晶が成長する過程は次の３段階に分けられる。
① 熱水鉱床の密閉過程　
　 動力性の熱水鉱床で、地殻変動の終焉に伴って急激な圧力低下が起こり、高圧熱水の入った空洞の母岩上に、多結晶のα-石英が急速に析出して空洞が完全に密閉されるが、長さが数kmの偏平状のものから数十cmの楕円体状のものまで、大小様々なスケールが想定できる。 岩漿性の熱水鉱床ではマグマ溜まりが周辺から固化し、ペグマタイト晶出後は空洞が密閉されているため急激な圧力低下は起こらないが、地殻変動を伴って亀裂が生じた場合は、熱水が上部の花崗岩層に侵入する際、部分的に密閉過程が生じたと考えられる。
② 針状結晶の急速成長　
　 密閉された熱水鉱床は、その後ゆっくりとした温度降下に伴い圧力も低下するが、高温・高圧の熱水に溶解した豊富なSiO2成分が、過飽和溶液から母岩上の種となるSiO2微粒子の先端に析出し、単結晶の水晶が急速に成長し始める。 熱水に溶解しているSiO2はSiO4らせん体の形で縦に長いため、成長は縦（ｃ軸）方向に著しく、かつα-石英（三方晶系）として晶出するため、３方向（r面方向）に出っ張った三角断面の針状結晶が数多く成長した。
③ 大型結晶の緩慢成長　
　 温度降下も次第に緩やかになって、SiO2成分も減少した希薄溶液からは成長方向に差が無くなり、まるでスローモーションの“テトリス”のように空隙を埋めながら、あらゆる方向にゆっくりと肉付けされる。 結晶の方向がまちまちだった針状結晶も次第に方向が統一され、大きな水晶が姿を現すが、この時点で様々な双晶が形成され易い。 そして、動力性の多結晶質の母岩に無数の針状結晶が生じた場合は、結晶方向が統一される位置まで、根元が不透明な白い固まりとして残るのである。 一方、岩漿性の異種鉱物が母岩となった場合は、種となるSiO2微粒子が極端に少ないため針状結晶の数も少なく、早い時期に結晶方向が統一され、根元まで透明な水晶が形成され易い。

図 5-6 成長初期と後期の水晶の形状

　 天然水晶の成長は、初めは速く 後に緩やかに各々の段階を経ながら、数年～数十年の長い時間をかけて、連続的に成長したと考えられる。 最初に晶出した針状結晶は、右の図のように、r面方向に優先して成長するため、Ｒ面が発達した三角柱になり易い。 そしてこの傾向は、大きな結晶に成長した後も残り、r面が小さく Ｒ面の大きい、アンバランスな形になり易いのである。
　 某水晶メーカーが、約450℃・1500気圧の高温・高圧下、純水とNaCl水溶液とNaOH水溶液で成長速度の比較をしたところ、純水では Ｒ面：r面：Ｚ（ｃ）軸≒１：２：１００ であった。 しかし、６％のNaCl水溶液では 約１：１.５：２０、４％のNaOH水溶液では 約１：１.２：５ と成長速度差が縮小し、Ｒ面だけの成長速度は純水：NaCl：NaOH≒１：５０：２０００（推測）と、４％NaOH水溶液での成長速度が圧倒的に大きい。 NaOH水溶液を利用した人工水晶の水熱合成では、結晶欠陥の発生を避けるため 育成温度を350℃程度に下げて、成長速度を約１／１０（Ｚ軸方向で1mm/day前後）に抑えている。
　 一方、Ｒ面方向に対するＺ（ｃ）軸方向の成長速度差が、純水＞NaCl水溶液＞NaOH水溶液の順に縮小する原因は、後者の方がSiO2成分を溶解し易いため、SiO4らせん体も分解されて短くなったと考えられる。 高圧熱水に溶解しているSiO4らせん体が長いほど、Ｚ（ｃ）軸方向の成長が速いのである。 天然水晶の母体となった高圧熱水は、現在の海水とほぼ同じ約３％ あるいはそれ以下のNaCl水溶液だったと推定されることから、成長初期に晶出した三角柱の針状水晶は、いかに細長かったかが想像できる。

水晶（加藤氏提供）	水晶（加藤氏提供）

◇ 上の２枚は、成長中期の水晶の集まりですが、特に左の母岩（方鉛鉱）上には、まだ成長初期の針状結晶が沢山残っていて、断面が三角形に近い水晶も見られます。◇

　　
（２）右水晶と左水晶は何が違うのか　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　目次
　 右水晶と左水晶について、「水晶の長手方向のＺ軸と平行に空いた連続空隙が、偏光を右旋回させるものが右水晶で、左旋回させるものが左水晶である」ことは、前節の５-１(５)で述べた通りである。 つまり、Ｚ軸（ｃ軸）方向の細長いスリット状の空隙が、右ネジ回りに連続する水晶が右水晶で、左ネジ回りの水晶が左水晶。 更に突き詰めると、水晶を形作るSiO4らせん体の旋回方向が、左ネジ回りのものが右水晶で、右ネジ回りのものが左水晶である。

図 5-7 右水晶と左水晶

　 外観上、右水晶と左水晶の区別はほとんどつかないが、稀に結晶面のよく発達した水晶で、両者を区別できる小さな結晶面が現れる。 右の図のように、ａ1,ａ2,ａ3,ｃの４軸を、結晶軸の交点から各々1/5：1：-1/6：1の長さで切ったｘ面｛5161｝と、1：1：-1/2：1で切ったｓ面｛1121｝がその結晶面で、これらが柱面ｍ｛1010｝の右肩に現れるものを右水晶（right-hand quartz）、左肩に現れるものを左水晶（left-hand quartz）と呼ばれている。 ｛｝カッコ内の数字を面指数といい、マイナス記号も含め 正確には右図の下のように記述するが、“1”は図のＲとr面のように、基準となる結晶面が各々の結晶軸を切る長さを意味し、“0”は結晶軸と交わらず平行なことを意味している。 そして、水晶は三方晶系に属すことから、ｃ軸を中心に左右に120°回転させても結晶軸は同一と見なされ、ｘ面とｓ面は３個の柱面ｍに現れるが、両端に錐面のある水晶では ３個の柱面ｍ’の左下（右水晶）と右下（左水晶）にも現れ、両錐形水晶の上下をひっくり返すと元の柱面ｍ’が柱面ｍと見なされる。 柱面ｍの肩にこれらの小面が現れるのは、SiO4らせん体が連結した水晶に特有な現象である。
　 水晶を破壊して右か左かを調べるには、ｃ軸に垂直にスライスして偏光を当て、偏光の旋回方向を特殊な機器で測定したり、フッ化水素酸溶液に長時間浸して、溶解した結晶面に現れる蝕像の形で判断するが、純度が高く結晶の良好な水晶はどういうわけか右水晶が多い。 これは種となった母岩のSiO2微粒子が、既に左ネジ回りのSiO4らせん体で形成されていたからである。 SiO4らせん体の旋回方向は、自転する地球上で運動する物体に働く「コリオリの力」に影響されるが、水晶の晶出段階は静的な環境が考えられコリオリ力は作用していない。 豊富な水分下における人工水晶の育成と同様、種水晶の旋回方向に合わせて自由に向きを変えることができるのである。
　 SiO4らせん体の旋回方向とコリオリ力の関係については、北半球の台風の中心で右ネジ回りの上昇気流が発生していることから、南半球でSiO4らせん体が移動する際、左ネジ回りになることが予想できる。 つまり２-２(３)で述べたように、原始地球時代の月の分離独立に伴う巨大高地の誕生後、巨大クレーターの中心が北極となり巨大高地が南半球をおおい尽くして、“こま”のように自転したと仮定すれば、その後も南半球の巨大高地に繰り返し衝突した大型隕石により、地中深く形成されたマグマがゆっくりと上昇する過程で、左ネジ回りのコリオリ力が作用したと考えられる。 マグマ上昇の最終段階３-４(１)では、高純度水晶の材料になったと思われるペグマタイトの晶出が開始され、SiO4らせん体の旋回方向がコリオリ力の影響を受けて、南半球では左ネジ回りになったのである。 そしてこの左ネジ回りのペグマタイト石英（微粒子）が種になって、高純度の右水晶が晶出したと推測される。
　 地球形成の末期に火星級の原始惑星が衝突して月が分離するまで、地球が自転していたかどうか定かではないが、それまでにも中型隕石の衝突で生じた無数のマグマから、３-４(２)で述べたように、地下5～20kmの間に分厚い花崗岩層が形成されたと考えられ、花崗岩中のSiO4らせん体は、右ネジ回りと左ネジ回りが渾然一体となった状態にあったと推測できる。 たとえ地球が自転していたとしても、花崗岩中の石英の晶出時はマグマの上昇が停止していたため、コリオリ力の影響は受けていないのである。 花崗岩の風化した石英砂が種となった低品質の水晶は、右水晶と左水晶の発生率が半々、あるいは右水晶と左水晶の双晶（ブラジル式）となって産出される場合が多い。

　　
（３）様々な色付き水晶、そのわけは？　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　目次
　 オートクレーブ（高圧装置）で天然水晶を原料に育成される人工水晶は、高温高圧の熱水に溶解する不純物の量がコントロールされ、無色透明で結晶が完璧に近い高品質な水晶を育成できるが、天然水晶が地中深くの石英母岩中で晶出する際は、石英母岩に様々な不純物が含まれているため、不純物の種類によっては色や形の変化した水晶が誕生するのである。 形状の変化については次項で触れるので、本項では様々な色付き水晶の着色原因について解説するが、光を透過しない鉱物の色（反射光）については、更に複雑な要素が絡むので説明を割愛する。
　 無色透明のコランダム（Al2O3）に、微量の不純物としてチタン（Ti3+）が入ると青色を呈したサファイアになり、微量のクロム（Cr6+）が入ると紅色のルビーになることは ４-１(１)でも触れたが、鉄（Fe2+，Fe3+）やニッケル（Ni2+），マンガン（Mn2+）なども含めたこれらの遷移金属は、特定波長の光が当たると励起状態になり易く、その波長の光を吸収してしまうため、透過して目に入る光（透過光）は吸収光の余色（補色）に変化する。 ちなみに、Fe2+は黄色の光を吸収し余色は青色になることと、Fe3+は青色の光を吸収し余色は黄色になることが知られているが、両者の鉄イオンを多量に含んだ古い（昔の？）一升ビンは、濃い緑色だったことを思い出していただきたい。

① 紫水晶（アメシスト Amethyst）
　 紫水晶の化学分析の結果、良質な水晶の約100倍に当たる100ppmオーダーの鉄分が含まれていることは分かっていた。 しかし、高圧熱水中で晶出した水晶に取り込まれる鉄分は、量は少ないが熱水に溶け易い２価の鉄イオン（Fe2+＝青色に発色）と、熱水に溶けにくいが普通に存在する３価の鉄イオン（Fe3+＝黄色に発色）で、紫色の発色は別の機構を考えなければならない。
　 最近、半導体材料用に発達した放射性元素の微量分析（ppb＝0.001ppm単位）で、紫水晶には放射性元素が僅かに含まれていることが分かり、特に花崗岩の晶洞（流紋岩質マグマの残漿）で晶出したとみられる紫水晶に多かった。 原始地球時代に隕石からもたらされた放射性元素は、その大半が比重差で沈降したと考えられるが、原始マグマから様々な珪酸塩鉱物が晶出分離してマグマが進化する際、イオン半径の大きいウランやトリウムなどの放射性元素は取り残され、最終的に流紋岩質マグマの残漿内に濃縮される傾向にある。 つまり、紫水晶の母岩となった花崗岩中では、放射性元素の発する放射能（人体に影響のあるレベルではない）が、長期にわたって鉄イオンに与えた影響を無視できないのである。
　 放射性元素から放出されるγ（ガンマ）線で、３価の鉄イオン（Fe3+）から電子（e-）が飛び出して、一時的に４価の鉄イオン（Fe4+）に変わると、SiO4らせん体が切断された結晶欠陥内で、珪素イオン（Si4+）の代役（置換型）として、切れていたSiO4らせん体をつなぐ形で準安定化すると考えられる。 結果的にFe4+は常に励起した状態で緑色の光を吸収し、透過光は余色に当たる赤紫色に変わる。 そして弾き出された電子（e-）は周囲の結晶空隙に残っているFe3+に吸収されて２価の鉄イオン（Fe2+）に変わり、元からあったFe2+と共に青色を呈するため、両者のバランスで赤紫～紫色に発色すると推定される。

② 黄水晶（シトリン Citrine）
　 黄水晶も紫水晶と同様、３価の鉄イオン（Fe3+）が着色原因になっていると考えられる。 黄水晶は主に花崗岩の晶洞で、紫水晶にに伴って産出することが多いからである。 紫水晶と同一条件下で晶出しながら色が異なるのは、黄水晶の近くに放射性元素が存在せず、γ（ガンマ）線を照射されることなく、鉄イオンが３価のままで結晶欠陥内に取り込まれているためで、Fe3+は青色の光を吸収し易く 透過光は余色にあたる黄色となる。 また前項でも述べたように、Fe3+の他に相当量のFe2+を含んでいた場合、黄色と青色が混ざった緑水晶になることは言うまでもない。
　 しかし、天然に産する黄水晶は少なく、宝石のシトリントパーズ（通常はトパーズとして売られている）は紫水晶を加熱して黄色に変色させている。 既に述べたように、紫水晶はSi4+置換型の４価の鉄イオン（Fe4+）と、周辺の狭い結晶空隙に侵入した２価の鉄イオン（Fe2+）で紫色を呈しているが、これに熱を加えると、不安定（準安定）だったFe4+が電子（e-）を吸収してFe3+に戻り、Fe2+もe-を奪われてFe3+に変わるため、γ（ガンマ）線が照射される前の黄水晶の構造に戻って黄色に着色するのである。

③ 煙水晶（スモーキークォーツ Smoky quartz）
　 煙水晶の着色原因も紫水晶とよく似ている。 但し、３価の鉄イオン（Fe3+）ではなく、アルミニウムイオン（Al3+）が結晶欠陥に入った場合、放射性元素から出るγ（ガンマ）線によって黒っぽく着色するのである。 煙水晶は、花崗岩の晶洞から産する黒水晶に近いものから、ブラジルのバイア州などの石英脈鉱床の中心から産する淡褐色の水晶まで、色の濃淡は様々であるが、共通している点は、長期間にわたり放射性元素の影響を受けていたことである。 特に後者のバイア州は鉛の鉱山が多く、ウラン（U）やトリウム（Th）が崩壊を繰り返し、安定した鉛（Pb）まで壊変するので、何らかの放射線の影響は受けている。
　 ３価のアルミニウムイオン（Al3+）が、珪素イオン（Si4+）と完全に置き換わるAl-同形置換でSiO4らせん体の一部を形成すると、不足する電荷を補ってイオン半径の小さいリチウム（Li⁺）イオンが近傍の結晶空隙に入ることは、これまで幾度となく述べてきた。 放射性元素から放出されるγ（ガンマ）線でAl3+から電子（e-）が飛び出すと、不安定な４価のアルミニウムイオン（Al4+）に変わるが、逆に電子を放出することでイオン半径が更に小さくなり、Si4+の空隙にスッポリと納まって準安定化すると推測される。 e-を受け取ったLi⁺はリチウム原子に変わるが、Al4+は常に励起した状態で広範囲の波長の光を吸収するため、全体に黒っぽく見えるのである。 遷移元素ではないアルミニウムは、強制的に電子を取り去ると正孔（hole）が形成され、特定の波長だけではなく広範囲の波長の光を吸収すると考えられる。
　 煙水晶を加熱すると色があせて消えることが知られている。 これは黄水晶でも述べたように、不安定（準安定）だったAl4+が電子（e-）を吸収してAl3+に戻り安定化するためである。 しかし、多くの文献や理化学書には、煙水晶を加熱すると黄水晶になると書いてある。 黄色に変色する理由は、花崗岩の晶洞など不純物の多い環境下で晶出した煙水晶が、アルミニウムイオンの他にかなりの量の鉄イオン（Fe3+）を含んでいるからである。 つまり、不純物の多い通常の煙水晶は いわば紫水晶との合の子で、加熱すると黄色に変色するが、鉄分の少ないバイア州の煙水晶は、加熱すると無色透明の高純度水晶に変化する。

④ 紅水晶（ローズクォーツ Rose quartz）
　 紅水晶はバラ石英とも呼ばれ、完全結晶化することはほとんどない。 また、着色原因に付いても、微量のマンガン（Mn2+）が入っているとか、金紅石（ルチル TiO2）の微細結晶が入っているとか諸説紛々である。 マンガンはさておいて、チタン（Ti4+）は良質な水晶の約10倍含まれていることが確認され、後者の説が有力だったが、針状結晶のルチルが入った針入水晶ならいざ知らず、激しく攪拌されることのない高圧熱水から晶出する水晶に、比重が大きいルチルの微細結晶を均一に分散させることは難しい。
　 とはいってもルチル説を否定するわけでもなく、完全結晶化が難しい事実から判断すると、４価のチタンイオン（Ti4+）が珪素イオン（Si4+）と部分的に置換し、SiO4らせん体の一部を構成していたと考えられる。 イオン半径の大きなチタンイオンが妨害して、完全な結晶を形成することができないのである。 更に、成分的にはSiO2の一部がTiO2に入れ代わっているわけで、分子単位でルチルが分散していると言えないこともない。 つまり、Si4+の完全置換型で結晶構造に組み込まれたTi4+が、青～緑色の光を吸収し余色として薄い紅色が目に入り、チタンの量が増えるほど赤みを増して結晶は更に不完全となる。

紫水晶（加藤氏提供）	黄水晶（加藤氏提供）
煙水晶＋ざくろ石（加藤氏提供）	紅水晶（加藤氏提供）

◇ 上の４枚は各種色付き水晶で、左上の紫水晶（アメシスト）や右上の黄水晶（シトリン）は宝石にもなります。 また左下の煙水晶は、小さな満礬ザクロ石の結晶が沢山同居していて、右下の紅水晶は完全な結晶がほとんど無く、紅石英やバラ石英（ローズクォーツ）とも呼ばれています。◇

　　
（４）様々な変形水晶と その成因　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　目次
　 天然水晶は様々な条件下で晶出するため その形状も様々で、人の顔が皆違うように、水晶も同じ形・大きさのものは皆無と言ってよい。 その中でも、各結晶面の発達の度合いによって四角や三角、更には板状の水晶も見受けられるが、本項では明らかに形状の異なる、ねじれ水晶、松茸（冠）水晶、曲がり水晶や様々な双晶など、構造的に変形した水晶について その成因を考えてみたい。 中でも典型的なのが双晶で、日本で多く発見された接触双晶（日本式双晶）や、透入双晶（右水晶と左水晶のブラジル式双晶、右水晶同士あるいは左水晶同士のドフィネー式双晶）、更にはこれらの双晶が複合化した複双晶など、水晶は右巻きと左巻きのあるSiO4らせん体が元になるがゆえに、様々な双晶が誕生するのである。

①ねじれ水晶（Twisted quartz）
　 六角柱状の水晶を、雑巾を絞るようにしてねじったらどうなるだろうか。 もちろん人間の力ではびくともしないし、万力とスパナを使えば割れてしまうだろう。 しかし、有機化学用の教材で組み立てた水晶の模型は、軸が多少伸びたり曲がったりするので、簡単にねじることができる。 図 5-5に水晶の結晶構造を示したが、左ネジ回りのSiO4らせん体を束ねて生じた、右水晶の右ネジ回りの連続した結晶空隙（Ｚ）は、１本のロープの中心にたとえられる。 右上の写真のように、右ネジ回りに撚ったロープを６本（中心の分も含め７本）束ねて 六角柱状にし、右下の写真のように左ネジにねじる（右手で時計回りにねじる）と、ロープの撚りが緩んで すき間が生じることから、水晶の結晶空隙も広がることが理解できる。 つまり右水晶の結晶空隙に、空隙よりもイオン半径の僅かに大きな金属イオンが等間隔に挟まると、Si-O-Si結合角や原子間距離が広がり、水晶の柱面は左ネジ回りにねじれるのである。
　 天然水晶はもちろん、天然水晶を原料として育成した人工水晶でも、10ppm前後と無視できる量ではあるが、アルミニウムイオン（Al3+）の混入は避けられず、Si4+と置換されたAl-同形置換の形で均一に分散しているものと考えられる。 ５-１(５)で述べたように、ｃ軸方向に連続している空隙は最大直径1.45Åで、電荷の不足するAl-同形置換を補完して取り込むアルカリ金属イオンが、イオン半径の最も小さいリチウム（Li⁺）イオン（半径0.8Å）の場合でも、多少の膨らみが生じるため、アルミニウムイオンが1000ppm（0.1％）程度になると、上記の束ねたロープのように水晶の柱面に“ねじれ”が発生する。 そして３-３(２)でも述べたように、Al-同形置換によって、109.5°で固定されていたO-Si-Oの結合角が、O-Al-Oの結合角として118°に広がることも、水晶のねじれ現象を助長している。 つまり、中心軸に対する右旋回の３回らせん軸対称が３回では完全に元に戻らないため、右水晶の場合、徐々に左ネジ方向に柱面がねじれてしまうのである。 Al3+とLi⁺の影響については前述の「煙水晶」でも触れたが、Al3+を多量に含んだ煙水晶は色が濃いため「黒水晶」とも呼ばれ、「ねじれ水晶」はこの黒水晶に多く見られることが知られている。

②松茸（冠）水晶（Scepter quartz）
　 水晶の上に大きな水晶が成長した松茸水晶や、小さな水晶が成長した冠水晶は、平行連晶の現れとされるが、下部の水晶と上部の水晶とは成長した時期が大きく異なっている。 松茸水晶や冠水晶が成長する環境は、火山帯の地中深くで形成された花崗岩の晶洞や、大陸合体時に地溝帯で形成された石英砂岩を母岩とする熱水鉱床で、地殻変動の激しかった地域が考えられる。 頻繁に発生する地殻変動で水晶の成長した密閉構造が一時破壊され、再度高温高圧にさらされて高圧熱水が閉じ込められた場合、破壊を免れた水晶が母岩の一部となり、尖った頂部が種となって新たな水晶が成長したのである。
　 石英砂岩が母岩となり二次的に形成された熱水鉱床が、豊富なSiO2成分を含んでいた場合、古い水晶の上に大きな結晶が成長し、下部の錐面も現れた松茸型の水晶になるが、SiO2成分をほとんど含んでいない地下水などが閉じ込められると、高温高圧の下で母岩の一部となった水晶を溶かしてしまう場合もある。 また、差程圧力が上昇しなかった場合は、母岩の石英成分は溶かされにくく、相対的に長石や雲母から溶出したアルミニウムイオンや鉄イオンが増加して、金属イオンを多量に含んだ小さな水晶が晶出し易い。 冠水晶はこのような条件下で形成されたと考えられ、金属イオンの多い煙水晶や紫水晶などが冠（かんむり）のように載っているが、構造的には松茸水晶と同じものである。

③曲がり水晶（Bent quartz）と先細り水晶（Tapered quartz）
　 様々に変形した水晶の中で、曲がり水晶の成因が一番難題である。 密閉された熱水鉱床（晶洞）の中で、ゆっくりとした温度低下に従い圧力も低下し、SiO2の過飽和溶液から水晶が石英質の母岩の表面に成長することは既に述べたが、縦（ｃ軸）方向の成長が著しい成長中期に、晶洞の側壁や底面に接した水晶は、SiO2成分の供給を一方向から受けるようになる。 つまり、外部（下部）からの熱の供給が無い場合、熱水の対流がほとんど起こらないため、晶洞の壁に近い部分ではSiO2成分が不足するのである。 そして、結晶が引き続きｃ軸方向に優先して成長する際、壁に接した部分は次第に柱面が後退し、逆に晶洞の中心側では、温度低下が顕著になるにつれ過飽和となったSiO2成分の供給が増して、柱面が盛り上がったと考えられる。
　 天然水晶の柱面には、ｃ軸と直角な横縞（条線）が現れることが多い。 この条線は成長過程で温度・圧力の低下速度が微妙に変化し、SiO2成分の供給量が変化するためで、ｃ軸方向に優先して結晶が成長する際、上部の錐面と下部の錐面が交互に現れるのである。 つまり、SiO2成分の供給が減少すると上部の錐面が成長して細くなり、逆に増加すると下部の錐面が成長して太くなり、結果的に細かな条線となって現れるが、熱水鉱床の種類によってはSiO2成分の絶対量が不足していることもあり、上部の錐面の成長が優勢となって“先細り”水晶が出現する。
　 熱水鉱床内のSiO2成分は水晶の晶出によって絶対量が減少するため、逆の条件の“先太り”水晶が成長することは少ない。 しかし、晶洞内でSiO2成分の濃度差が生じた場合は、両者が同時に発生して“曲がり”水晶となり、曲がり水晶と先細り水晶の組み合わせも頻繁に発生している。 更には、成長過程で折れてしまった水晶は晶洞の底面で成長を続け、折れた部分にも錐面が現れて両錐形の水晶となるが、両端が“先細り”の“曲がり”水晶も稀に見受けられる。 何れにしても、結晶のｃ軸と平行なSiO4らせん体の並び方は不変で、“曲がり”や“先細り”となって現れるのはSiO4らせん体の数が変化しているのである。

図 5-8 日本式双晶の構造

④日本式双晶（Japanese law twin）
　 日本式双晶は特に日本だけに産出するわけではないが、1900年代初め、山梨県乙女鉱山の夫婦水晶がヨーロッパに紹介され、日本式双晶と呼ばれるようになった。 双晶の形は｛1122｝面を双晶面とするＶ字形の接触双晶で、右の図のように９０°近い角度で交わり、どういうわけか薄い板状の結晶が多く、双晶面（接合面）がもろくて割れ易い。 また、日本での産地も乙女鉱山のほか、長崎県奈留島などに限られる。
　 日本式双晶の成因は明らかにされていないが、SiO2成分が豊富な成長初期に無数の針状結晶が生じた際、ほぼ直角に交差した２本の水晶が肉付けされ、Ｖ字形の水晶に成長したらしい。 ひとつのヒントとして、図 5-4 に示したβ-石英の平面図と側面図を比較して頂きたい。 両者共に六角の空隙の周りをSiO4四面体が取り囲み、三次元的なネットワークを形成しているが、ｃ軸（平面図の前後）方向に連続する六角空隙と、ｃ軸に直交したａ軸３本６方向（側面図の前後方向）の六角空隙を、ピッタリと重ね合わせた位置関係で 双晶が誕生する可能性を秘めている。 つまり、ａ軸方向に突き出た六角柱の稜同士が重なる位置関係（右図参照）で、ほぼ直交する２本の水晶は双晶を形成し易いのである。
　 水晶は他の鉱物と異なりSiO4らせん体が骨格を成すため、ａ軸方向にはらせん構造を形成しにいが、もしａ軸方向にらせん構造が現れた場合、図 5-4 からも分かるように、ａ軸断面（側面図）のSiO4四面体（正方形の部分）の向きが、ｃ軸断面（平面図）の四面体とは逆向きになることから、双晶面｛1122｝を鏡面とする右水晶と左水晶の反射双晶（接触双晶）が出現する。 ちなみに双晶面の面指数｛1122｝（正確には上の図のように表示）は、ａ1,ａ2,ａ3軸を1：1：-1/2で切り、ｃ軸は最も単純なＲ面｛1011｝が切る長さの1/2で切ることを意味していて、カッコ内は常に簡単な整数で表示される（「有理数の法則」）。 そして、双晶面とｃ軸の成す角度θは上図の①式と②式から導かれ、２つの水晶のｃ軸が交差する角度は２θ＝８４°３３′となるのである。
　 しかし理論上はそうであっても、実際の日本式水晶を見るとｃ軸の交差角にはバラツキがあり、必ずしも右水晶と左水晶の双晶になってはいない。 ましてや低温石英（α-石英）である水晶の結晶構造（図 5-5）からも分かるように、SiO4らせん体が歪んでいるため簡単に双晶ができるとは考えにくい。 成長初期の針状結晶が直交して接触していた場合、SiO4らせん体は各々の水晶のｃ軸と平行に結合して結晶を太らせるが、２つの水晶が交差するＶ字形の谷間では、SiO4らせん体が折れ曲がった状態（Si-O-Si結合角を変えないでOを中心に旋回するだけで直角に折れ曲がる）で結合し、屈折点の転移部分で-Si-OHの未結合手を残したまま急速に谷間を埋めたと考えられる。 そして針状結晶が太くなる前に谷間を埋めつくし、板状の結晶になったと同時に屈折点の転移部分の結合が弱くなったと考えるのが妥当であろう。 また、構造的にかなりの高温下で晶出を開始したと考えられ、これが産地を限定している所以でもある。

⑤ブラジル式双晶（Brazil law twin）と ドフィネー式双晶（Dauphine law twin）
　 ブラジル式双晶と ドフィネー式双晶を通常の水晶と区別することは容易ではない。 両者とも右水晶と左水晶、あるいは右水晶（左水晶）同士がｃ軸を共有し、お互いが透入し合ったもので、透入双晶又は共軸双晶と呼ばれるが、外観上は六角柱状の単結晶になるためである。 しかし結晶面のよく発達した水晶で、（２）項で述べたｘ面｛5161｝とｓ面｛1121｝の小さな結晶面が現れると、両者を区別することができる。 つまり図 5-7で、柱面ｍ｛1010｝の両肩にこれらの小面が現れるのがブラジル式双晶で、柱面ｍとｍ’の右肩（あるいは左肩）に小面が現れるのがドフィネー式双晶である。 これら透入双晶の成因は、SiO2成分が豊富な成長初期に形成された針状結晶から、次第に結晶の方向が統一されて大きな水晶に成長する際、ｃ軸方向が同じ針状結晶の中に右水晶と左水晶が共存したり、同じ右水晶でもａ軸の方向が６０°ずれたものが混じると、成長中～後期の緩慢成長では修復しきれず双晶の形で残ってしまうのである。
　 ブラジル式双晶はブラジルで発見されたのでこの名が付いたが、ブラジルでの産出は極めて稀で、むしろ花崗岩の晶洞や紫水晶の小さな晶洞によく見かけられる。 これらの晶洞や花崗岩の風化した砂岩が母岩となった熱水鉱床では、母岩中にSiO4らせん体が左ネジ回りと右ネジ回りになった石英粒が存在するため、成長初期の針状結晶は右水晶と左水晶が混在していたと考えられる。 両水晶が渾然一体となって同じｃ軸を共有して成長すると、右水晶が優勢な場合、左水晶はｃ軸に平行な面｛1120｝を接触面として生き残り、双晶を形成するのである。 低温型のα-石英の構造上、左ネジ回りと右ネジ回りのSiO4らせん体がａ軸方向に連結することは難しいが、接触面だけ高温型のβ-石英（図 5-4）の構造に変われば連結可能で、その境界線は柱面の条線の 縦方向の食い違いとなって現れる。
　 ドフィネー式双晶はフランスのドフィネーの名がついてはいるものの、世界中で普通に見られる双晶である。 ブラジル式双晶と異なる点は、右水晶同士あるいは左水晶同士が透入�

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常見的可程式邏輯控制器外觀

可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）,是一種用於自動化實時控制的微型電腦，廣泛應用於目前的工業控制領域 。在可程式邏輯控制器出現之前，一般要使用成百上千的繼電器以及齒輪定時器才能組成具有相同功能的自動化系統，而現在，經過編程的簡單的可程式邏輯控制器模塊基本上已經代替了這些大個頭的裝置。可程式邏輯控制器的系統程序一般在出廠前已經初始化完畢，用戶可以根據自己的需要自行編輯相應的用戶程序來滿足不用的自動化生產要求。

最初的可程式邏輯控制器只有邏輯控制的功能，所以被命名為可程式邏輯控制器， 後來隨著不斷的發展，這些當初功能簡單的電腦模塊已經有 了包括邏輯控制，時序控制、模擬控制、多機通信等許多的功能，名稱也改為可程式控制器（Programmable Controller），但是由於它的簡寫也是PC與個人電腦（Personal Computer ）的簡寫相衝突，也由於多年來的使用習慣，人們還是經常使用可程式邏輯控制器這一稱呼，並在術語中仍沿用PLC這一縮寫。

現在工業上使用可程式邏輯控制器(PLC)已經相當於是由一臺輕巧型電腦所構成，能透過數位或類比輸入/輸出模組控制機器設備、製造處理流程、及其它控制模組的電子系統。PLC可接收(輸入)及發送(輸出)多種型態的電氣或電子訊號，並使用他們來控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統。

PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。可以預料：在工業控制領域中，PLC控制技術的應用必將形成工業界的潮流。

國際電工委員會(IEC)在其標準中將PLC定義為:
「可程式邏輯控制器是一種數位運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。
它採用一類可程式的存儲器，用於其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等
面向用戶的指令，並通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可程式邏輯控制器及
其有關外部設備，都按易於與工業控制系統聯成一個整體，易於擴充其功能的原則設計。」

[編輯] 發展歷史

三菱Q系列PLC，可藉由擴充底座連接各種模組擴充許多高性能之功能

PLC的興起，是與美國現代工業自動化生產發展的要求密不可分的。

• PLC 源起於1960 年代，當時美國一汽車製造公司，為解決工廠生產線調整時，繼電器順序控制系統之電路修改耗時，平時檢修與維護不易等問題。

在可程式邏輯控制器出現之前，汽車製造業中的一般控制、順序控制以及安全互鎖邏輯控制必須完全依靠眾多的繼電器、定時器以及專門的閉迴路控制器來實現。它們體積龐大、有著嚴重的噪音，不但每年的維護工作要耗費大量的人力物力，而且繼電器-接觸器系統的排線檢修等工作對維護人員的熟練度也有著很高的要求。

針對這些問題，美國通用汽車公司在1968年向社會公開招標，要求設計一種新的系統來替換繼電器系統，並提出了著名的「通用十條」招標指標，即：

1、編程方便，現場可修改程序；

2、維修方便，採用模塊化結構；

3、可靠性高於繼電器控制裝置；

4、體積小於繼電器控制裝置；

5、數據可直接送入管理電腦；

6、成本可與繼電器控制裝置競爭；

7、輸入可以是交流115V；

8、輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；

9、在擴展時，原系統只要很小變更；

10、用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。

• • 隨後，美國數字設備公司（DEC）根據這一設想，於1969年研製成功了第一臺PDP-14控制器，並在汽車自動裝配線上使用並獲得成功。由於當時系統主要用於順序控制、職能進行邏輯運算，所以被命名為可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。
  • 最早期之PLC只具有簡易之邏輯開/關(on/off)功能，但比起傳統繼電器之控制方式，已具有容易修改、安裝、診斷與不佔空間等優點。
• 1970 年代初期，PLC引進微處理機技術，使得PLC具有算術運算功能與多位元之數位信號輸出/輸入功能，並且能直接以階梯圖符號進行程式之編寫。這項新技術的使用，在工業界產生了巨大的反響。日本在1971年從美國引進了這項技術，並很快研製成功了自己的DCS-8可程式邏輯控制器，德、法在1973年至1974年間也相繼有了自己的該項技術。中國則於1977年研製成功自己的第一臺可程式邏輯控制器，但是使用的微處理器核心為MC14500。
• 1970 年代中期，PLC功能加入遠距通訊、類比輸出輸入、NC 伺服控制等技術。
• 1980 年代以後更引進PLC 高速通訊網路功能，同時加入一些特殊輸出/輸入界面、人機界面、高功能函數指令、資料收集與分析能力等功能。

PLC之功能早已不止當初數位邏輯之運算功能，因此近年來PLC常以可程式控制器(Programmable Controller)簡稱之。

雖 然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數器等名稱，但PLC內並非實體上具有這些硬體，而是以記憶體與程式上的模擬方式 來取代。因此能大大減少控制器所需之硬體空間。實際上PLC執行階梯圖程式的運作方式是逐行的將階梯圖程式碼掃瞄讀入CPU 中並執行之。在整個的掃瞄過程包括三大步驟，「輸入狀態檢查」、「程式執行」、「輸出狀態更新」說明如下：

 步驟一「輸入狀態檢查」：
PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關或感測器狀態（1 或0 代表開或關），並將其狀態寫入記憶體中對應之位置Xn。

步驟二「程式執行」：
將階梯圖程式逐行取入CPU 中運算，若程式執行中需要輸入接點狀態，CPU直接自記憶體中查詢取出。
輸出線圈之運算結果則存入記憶體中對應之位置，暫不反應至輸出端Yn。

步驟三「輸出狀態更新」：
將步驟二中之輸出狀態更新至PLC輸出部接點，並且重回步驟一。

此三步驟稱為PLC之掃瞄周期，而完成所需的時間稱為PLC 之反應時間，PLC 輸入訊號之時間若小於此反應時間，則有誤讀的可能性。每次程式執行後與下一次程式執行前，輸出與輸入狀態會被更新一次，因此稱此種運作方式為輸出輸入端「程式結束再生」。

[編輯] PLC的硬體結構及基本配置

PLC內部運作架構

一 般講，PLC分為箱體式和模組式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、記憶體塊、電源等，當然按 CPU性能分成若干型號，並按I/O點數又有若干規格。對模組式PLC，有CPU模組、I/O模組、記憶體、電源模組、底板或機架。無任哪種結構類型的 PLC，都屬於匯流排式開放型結構，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。PLC的基本結構框圖如下：

[編輯] 硬體結構

可程式邏輯控制器(Programable Logic Controller)簡稱PLC，是一種具有微處理機的數位電子設備，可以將控制指令隨時載入記憶體內儲存與執行。

可程式控制器由內部CPU，指令及資料記憶體、輸入輸出單元、電源模組、數位類比...等單元所模組化組合成.

以下大概會做一個說明

[編輯] CPU中央處理單元

PLC 中的CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每台PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程式賦予的功能接收並存貯用戶程式和資料，用掃 描的方式採集由現場輸入裝置送來的狀態或資料，並存入規定的暫存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行後， 從用戶程式存貯器中逐條讀取指令，經分析後再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路，與通用電腦一樣，主要由運算器、控制器、暫存器 及實現它們之間聯繫的資料、控制及狀態匯流排構成，還有週邊晶片、匯流排界面及有關電路。它確定了進行控制的規模、工作速度、記憶體容量等。記憶體主要用 於存儲程式及資料，是PLC不可缺少的組成單元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震盪信號控制。CPU的運算器用於進行數位或邏輯運算，在控制器指揮下工作。

CPU的暫存器參與運算，並存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。

CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU晶片實際上就是微處理器，由於電路的高度集成，對CPU內部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。

CPU 模組的外部表現就是它的工作狀態的種種顯示、種種介面及設定或控制開關。一般講，CPU模組總要有相應的狀態指示燈，如電源顯示、運行顯示、 故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的匯流排界面，用於接I/O範本或底板，有記憶體介面，用於安裝記憶體，有外設口，用於接外部設備，有 的還有通訊口，用於進行通訊。CPU模組上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、記憶體區等。

PLC的CPU內部包含CU、ALU、暫存器三大部分：

CU：(控制單元-指令解碼器) 負責將儲存在記憶體內的程式解碼成控制信號，用以決定各單元模組的工作狀態，是PLC的指揮部。

ALU：(算數及邏輯運算單元)專門負責做加減乘除的算術運算及AND、OR、NOT邏輯運算

暫存器：CPU內部記憶體可以暫時存放運算的結果，等待下一次運算。

[編輯] 記憶體

PLC內部存放撰寫完成的程式指令及資料的地方，也可以使用RAM或EEPROM等專用記憶體擴充(但擴充能力得依各廠牌有所不同)。

[編輯] 輸入/輸出單元(IO單元)

PLC 的對外功能，主要是通過各種I/O介面模組與外界聯繫的，按I/O點數確定模組規格及數量，I/O模組可多可少，但其最大數受CPU所能管理 的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。I/O模組集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。

輸入單元是用來連結擷取輸入元件的信號動作並透過內部匯流排將資料送進記憶體由CPU處理驅動程式指令部分。PLC輸入模組PLC系統的架構和輸入模組產品的選擇端視需要被監測的輸入訊號位準而定。

來自不同類型被監測的感測器與流程式控制制之變量訊號，可以涵蓋從±10mV至±10V的輸入訊號範圍。

輸出單元是用來驅動外部負載的介面，主要原理是由CPU處理以書寫在PLC裡的程式指令，判斷驅動輸出單元在進而控制外部負載，如指示燈、電磁接觸器、繼電器、氣(油)壓閥等。

PLC輸出模組在工業環境中用來控制制動器、氣閥及馬達等的PLC系統類比輸出範圍包括±5V、±10V、0V到5V、0V到10V、4到20mA、或0到20mA等。

[編輯] AD/DA 類比/數位 單元(類比數位轉換控制)

AD-類比訊號轉數位訊號：主要是把外部微電壓微電流以及0與1的資料，透過專用模組接面接收，再以專用指令轉換運算給程式運用。

DA-數位訊號轉類比訊號：主要是把PLC內部數學數值及專用指令以CPU做運算，並透過專用模組將數學術值轉微電壓微電流信號再加以控制外部設備，如變頻器、溫控器等包含其他具有數位類比收送的介面設備。

通常在使用AD/DA模組時我們都會去考慮到設備的解析度，因為解析度會影響到精準度，所以我門通常會選用高解析度的設備使用，並遵照期線性比例做數學運算。

[編輯] 電源模組

有 些PLC中的電源，是與CPU模組合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模組的積體電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。

[編輯] 通訊

現 在PLC大多具有可擴充通信網路模組的功能，即使是最簡單的PLC也需以BUS方式通訊連結其他裝置。它使PLC與PLC 之間、PLC與上位電腦以及其他智慧設備之間能夠交換資訊，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。現在幾乎所有的PLC新產品都有通信網路功能，它和電 腦一樣具有RS-232介面，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的範圍內交換資訊。

當然，PLC之間的通訊網路是各廠家專用的，PLC與電腦之間的通訊，一些生產廠家採用工業標準匯流排，並向標準通訊協定靠近，這將使不同機型的PLC之間、PLC與電腦之間可以方便地進行通訊與網路。

[編輯] PLC的外部設備

外部設備是PLC系統不可分割的一部分，它有四大類

[編輯] 編程設備

有簡易編程器和智慧圖形編程器，用於編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況。編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現場控制運行。

[編輯] 監控設備

資料監視器和圖形監視器。直接監視資料或通過畫面監視資料。

[編輯] 存儲設備

有存儲卡、存儲磁帶、軟碟或唯讀記憶體，用於永久性地存儲用戶資料，使用戶程式不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。

[編輯] 輸入輸出設備

用於接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，印表機等。

[編輯] PLC內主要元件

PLC利用內部記憶體，規劃許多順序控制程式上常會使用到的元件，這些元件包括: 輸入繼電器、輸出繼電器、補助繼電器、計數器、計時器、資料暫存器等主要元件，各元件功能與使用方法，說明如下：

[編輯] 輸入接點(input)與輸出接點(Output)

1. 用於PLC與外部元件之間的狀態傳送。可連接外部器件，及按鈕開關、選擇開關、光電開關、數字開關等，使用過大電流將會造成內部接點元件損壞。
2. PLC 輸出（Yn）與輸入(Xn)之繼電器對應至實際輸出與輸入之接點狀態，由PLC內部之記體來記憶，在每回程式執行完畢後，PLC會將運算結 果後記憶體之值（0 或1）反應至輸出接點Yn（ON或OFF）；接著掃瞄輸入接點Xn之狀態，並更新所有輸入點記憶體內之值，以備下一回程式執行使用。
3. 輸入點Xn與輸出點Yn可當作一虛擬繼電器的接點，因此可作常開接點(-| |-)與常閉接點(-|/|-)處理，每個輸出點Yn(-( )-)只能使用在程序一次(步進指令STL+RET例外)，但如作為接點，則可在程式設計的程序中無限使用。
4. 以上為三菱PLC標記方式，其中n 代表接點之編號，接點編號方式各廠牌不同，有些PLC採八進制而非慣用之十進制。

[編輯] 內部繼電器(M)

1. PLC內部提供很多補助繼電器（M或者R表示），用來取代傳統順序控制中的繼電器。傳統繼電器包括接點與線圈二部份，但實際上PLC是以記憶體來記憶補助繼電器之狀態，若線圈被驅動則將1 寫入，否則將0 寫入。接點之運算則直接讀自所對應之記憶體值（0 或1），其但原理與傳統繼電器相同，只有持續輸出電源或採用自保設計，才可保持繼電器的ON(1)狀態，如果切斷PLC的電源，或者對PLC進行復歸，內部繼電器都將斷開OFF，除非是停電保持形態之內部繼電器。
2. 補助繼電器可分為一般型與停電保持型，差別在系統重新啟動或斷電後，停電保持型會記憶啟動或斷電前之狀態。
3. 依各廠牌生產型別，尚可能有網路繼電器(B)、步進繼電器(S)...等特殊型態。

[編輯] 計數器(Counter)

1. 計數器在程式中被用來計算重覆動作的次數。
2. 每一個計數器Cn 有一個位元記憶體位址代表其接點狀態，另有一字元暫存器用來記錄目前所計數之大小。
3. 一般PLC的計數器計數方式可分為上數或下數方式，有的計數器則同時具有上數與下數方式。上數指的是由小往大數(如:1,2,3...)，下數指的是由大的往小數(如:9,8,7...)。因此首先要了解所使用之計數器到底是上數或下數。
4. 一般PLC中的計數器並非真有硬體計數器存在，而是以記憶體配合軟體的模擬方式來完成計數等功能。但有的PLC具有高速計數器，則是以實際的硬體來完成所需的高速計數工作。順序控制使用一般計數器即可，但若輸入訊號為高速脈波，則須改採高速計數器。
5. 有的PLC為避免意外停電後計數器計數值的遺失，也提供部份計數器具有停電後保持計數值與接點狀況之功能。

[編輯] 計時器(Timer)

1. 計時器用來計算動作的時間長短。
2. 每一個計時器Tn 有一個記憶體位址記憶其接點狀態，另有一暫存器用來記錄目前所計時之次數。每單位計時時間乘上計時次數，代表所計時之時間長短。
3. 一般型計時器按其接點動作方式可分為「啟動延遲型」或「斷電延遲型」二種
4. 另有一積算型計時器，在輸入訊號消失或停電後，計時器內之資料會被保存。因此積算型計器內之資料在每一次重新計時動作前，應先予以歸零。

• 「啟動延遲型」計時器:在啟動訊號輸入後開始計時，等到計時終了才啟動計時線圈與接點；
• 「啟動延遲型」計時器:則在啟動訊號輸入後，除了開始計時，並啟動計時線圈與接點，等到計時終了才將計時線圈與接點關閉。

[編輯] 資料暫存器(Data)

1. 資料暫存器（Dn）用來儲存字元組之數值或字元資料。
2. 其資料型態使用二進制符號，數據用O與1表示。每個暫存器使用16位元儲存，但是如果使用二個資料暫存器，則可處理32位元的數據。
3. 數值存入後其內容會一直保持，直到新數據送入或程式停止運轉才清除歸零。
4. 依其功能可分為一般用、停電保持用、特殊用、檔案暫存用四種。

• • 一般與停電保持用資料暫存器用來暫存程式中之運算值；特殊用資料暫存器用來控制或監視PLC 內部各項要素；檔案暫存資料暫存器用來讀入周邊裝置資料。

[編輯] 指標

其概念與程式語言上的指標功能相同，可作為程式的跳步指令與之配合使用。

[編輯] 可程式邏輯控制器的系統與控制迴路

[編輯] 模擬信號和數字信號的處理

PLC是一種監控設備, 為了監視及控制各項機電等設備, 當然必須與那些設備有相互溝通的方式.

在這些機電設備的世界裡, 人類發明了各種形式的訊號, 以作為它們之間的溝通媒介.

目前來說, 人們研發出來的各種偵測如: 溫度, 濕度, 壓力等自然現象的偵測元件, 都是將所測得的數據轉換為線性對應的電流信號, 通常是4~20mA.

PLC接受這樣的信號, 就可依據電流的大小而知道偵測器偵得的目前狀況.

Pulse(脈衝)信號是一種形式的接點信號. 它的意思是每"達到條件"時, 接點會閉合一次. 例如: 某個轉輪式的流量計, 可能被設計成--當它計算出水流累計量達到一度時, 就將輸出接點閉合一次.

至於所謂的RS232訊號, 乃是指一種"通訊"的方式(RS232是一種電氣規格). 以上所提的各種信號都是電氣形式的訊號. 而且每個信號都需要獨立的線路來作傳遞.

通訊的方式, 則可以把它當作設備用"交談"的方式來做溝通. 它們彼此間以一串列的數值信號來組成所要傳遞的資料, 使得多樣化的資料能夠藉由一組通訊線路來達成.

4~20mA算是通用規格. 另外常見的還有 0~20mA.

另外還有電壓式的: 0~5V, 1~5V, 0~10V, 等等.

當然還有以其他形式來表達自然環境中各種"連續性"數值的方式, 像是: 電阻式, 以及其他變化應用.

總之呢, 4~20mA的規格最多.

但是, 事實上, 4~20mA的電流信號, 在進入電路板時, 還是會串上一個250或500歐姆的電阻, 而獲得一個1~5V或2~10V的電壓, 然後再由A/D(類比/數位)轉換IC得到一個對應的數值.

這個"5V"或"10V"的原因, 乃是人們研發出來的A/D IC最容易且廉價的關係而已. 至於為何以電流的方式較多, 因為4~20mA控制電流不易因傳送距離較長而導致訊號衰減。

[編輯] 編輯程式設計

PLC程式設計示意圖

程式語言 PLC的編程語言與一般電腦語言相比，具有明顯的特點，它既不同於高階語言，也不同與一般的組合語言，它既要滿足易於編寫，又要滿足易於調試的要求。目 前，還沒有一種對各廠家產品都能相容的編程語言。如三菱公司的產品有它自己的編程語言，OMRON公司的產品也有它自己的語言。但不管什麼型號的PLC， 其編程語言都具有以下特點：

1.圖形式指令結構：程式由圖形方式表達，指令由不同的圖形符號組成，易於理解和記憶。系統的軟體發展者已把 工業控制中所需的獨立運算功能編製成象 徵性圖形，用戶根據自己的需要把這些圖形進行組合，並填入適當的參數。在邏輯運算部分，幾乎所有的廠家都採用類似於繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。 如西門子公司還採用控制系統流程圖來表示，它沿用二進位邏輯元件圖形符號來表達控制關係，很直觀易懂。較複雜的算術運算、定時計數等，一般也參照梯形圖或 邏輯元件圖給予表示，雖然象徵性不如邏輯運算部分，也受用戶歡迎

2.明確的變數常數：圖形符相當於操作碼，規定了運算功能，運算元由用戶填人，如：K400，T120等。PLC中的變數和常數以及其取值範圍有明確規定，由產品型號決定，可查閱產品目錄手冊。

3.簡化的程式結構：PLC的程式結構通常很簡單，典型的為塊式結構，不同塊完成不同的功能，使程式的調試者對整個程式的控制功能和控制順序有清晰的概念。

4.簡化應用軟體生成過程：使用組合語言和高階語言編寫程式，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其餘由系統軟體自動完成，整個編輯過程都在人機對話下進行的，不要求用戶有高深的軟體設計能力。

5.強化調測手段：無論是組合語言程式，還是高階語言程式調試，都是令編輯人員頭疼的事，而PLC的程式調試提供了完備的條件，使用編程器，利用PLC和編程器上的按鍵、顯示和內部編輯、調試、監控等，並在軟體支援下，診斷和調試操作都很簡單。

總之，PLC的編程語言是針對使用者應用所開發的，因此對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。

PLC工作過程及硬體功能的實現，則要靠軟體的支援。PLC的軟體提供了各種邏輯模組（軟體），經程式撰寫來完成邏輯控制功能。

[編輯] PLC專用程式語言種類

PLC常用的程式語言主要有四種：基本指令、階梯圖、流程、IEC61131。另有一些較少使用的專用程式語言。

1. 基本指令： 類似於組合語言，由指令語句系列構成，如Mitsubishi FX2的控制指令LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI、ANB、ORB、MMP、MMS與OUT等，一般配合書寫器寫入程式，而書寫器只能輸入簡 單的指令，與電腦程式中的階梯圖比較起來陽春許多。書寫器一次只顯示四行指令，所以不太直觀，可讀性差，特別是遇到較複雜的程式，更難讀，所以多數程式用 順序功能流程圖(SFC)表達；其優點就是不需要電腦就可以更改或察看PLC內部程式。
使用書寫器時，必須注意的是PLC指令中輸出有優先次序， 其中若有輸出至相同的單元時(如Y000)，輸出的優先次序以位址越大優先次愈越高，一般不容易 從書寫器中察覺所輸入的單元。如下面程式中，有兩個Y000輸出點，而輸出點Y000最大的位置是在X001後面，所以能控制Y000輸出的只有X001 這個輸入點；因而X000輸入點無法控制Y000。

指令例：

        位址       指令      變數
       0000       LD     X000 ;當輸入點 X0=ON(常開狀態)
      0001       OUT    Y000 ;則輸出點 Y0=ON
      0002       LDI    X001 ;當輸入點 X1=OFF(常閉狀態)
      0003       OUT    Y001 ;則輸出點 Y1=ON
      0004       END       

2. 階梯圖（Ladder Programming,簡稱LAD)：類似於傳統上以繼電器控制接觸器的電路圖，梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前後順序，它與電氣原理圖很相似。
它 的連線有兩種：一為母線，另一為內部橫豎線。內部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼 以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最後為輸出類指令，實現輸出控制，或為資料控制、流程式控制制、通訊處理、監控工作等指令，以進行相應 的工作。

3. 順序功能流程圖(Sequential Function Chart,簡稱SFC)：類似於流程設計(Flow Design)，流程圖中的步驟組合而完成，主要是規劃動作順序的流程圖，故謂之順序功能流程圖。如：勞委會中部辦公室所公佈之2004年工業配電乙級技 能檢定術科第三題順序功能流程圖，如下圖。所謂步序式控制，即是一步一步控制，而這一步與上一步是有關連性的，有順序性的。必須有上一個動作(STL)， 才會啟動(SET)下一個動作(STL)。

舉 個簡單的例子，將大象放入冰箱中，第一步先將冰箱門打開，第二步將大象放入冰箱，第三步將冰箱關上。每一個步驟都必須按照這個順序，不能夠缺少， 才能完成這項工作。在步進區STL完成後，必須搭配RET完成該步進區。而將許多STL結合後，即是SFC。 簡單的控制程式如下：

       位址       指令    功能變數
                 LD      X000 ；打開冰箱完成
                 SET     S000 ；將大象放入冰箱
                 STL     S000  ；步進區：將大象放入冰箱
                 OUT     Y001 ；將大象放入冰箱
                 LD      X001 ；等待大象放入冰箱完成
                 SET     S001 ；將冰箱關上
                 STL     S001 ；步進區：將冰箱關上
                 OUT     Y002 ；將冰箱關上
                 RET           ；步進區結束
                 END

4. IEC 61131：IEC 61131是一個國際標準，它規範了 PLC 相關之軟體硬體的標準，其最終的目的是可以讓PLC的使用者在不改 軟體設計的狀況下可以輕易更換PLC硬體。 目前這個標準主要是由 PLCopen聯盟 www.plcopen.org在推廣。

5. 其他：另外還有功能圖（Function Chart Programming,FBD）以及歐洲常用的IEC編程方法，是各種PLC編程語言規範化的方向。 一些高檔的PLC還具有與電腦相容的C語言、BASIC語言、專用的高階語言（如西門子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），還有用布林邏輯語 言、通用電腦相容的組合語言等。

大體而言，階梯圖程式目前依然是應用最廣泛的撰寫語言，因為它與繼電—接觸器控制線路非常相像，容易學習，使用方便。

[編輯] 通信單元及通信協定

PLC的通信單元主要可以區分為程式書寫通信PORT、及外部資料控制擷取PORT。

程式書寫通信PORT，我們通常只會拿來做資料書寫或者是給外部PC設備做讀取用。

外部資料控制擷取PORT，我們通常會拿來做外部資列擷取及送出資料控制用，通常再做這方面的程式編寫時，須具備通信觀念的專業人士才能夠容易上手。一般順序控制的程式設計師會比較不容易上手。在FA業界中的人機介面及圖控程式也是由此延伸出來的。

PLC通信規格可分為: RS-232、RS-422、RS-432、RS-485、IEEE 1394、IEEE-488（GPIB），其中RS-432最為少見。 其資料格式長度大部份為10筆或11筆，相關格式請參閱各設備說明，因為各設備皆為不同所以在此無法說明很詳細。 目前國際中最常用的通信協定為MODBUS-ASII模式及MODBUS-RTU模式，此為MODCON公司所制定的通訊協定。PROFIBUS則為西門子公司所制定。日本三菱公司則自家推出CC-LINK通信規格。

[編輯] PLC未來展望

[編輯] 關於PLC工程師的訓練

對於企業來講，不管使用任何開發環境，最注重的不外乎成本、效率。在軟體開發上，要求的重點便在於工程師可以在最短的時間開發出程式，程式具有可重用性，以及新人的訓練成本可以降到最低。

如 果你是一個機台設備的電控開發廠商，當然希望找來的新進員工最好對 PLC 有一定程度認知，最好不要訓練就可以開始進入程式寫作。但以現在台灣的教育環境，技職體系已經逐漸放棄實習，相關科系最多只教一些基本設定，普通大學不管 是電機、機械、資工等控制相關系所更是三不管地帶，學校完全沒有教學。在這種情況下，如果使用傳統階梯圖來訓練新PLC 程式工程師，還需要解釋一些工業電子才能開始入門。坊間"電機補習班"大都以考照為目標，缺乏整體教育訓練。

因此真正有心成為自動控制方 面的工程師，唯有參加職業訓練局的機電整合班等相關訓練，目前,職訓局的機電整合班的教學,強調實務技術的能力;實習的 課目盡量接近實際場合,從一個系統抽出一個部分:由感測、控制、 驅動、及機構等組件的實習中，使同學能認識機電整合的概念,同學在學習了機械、電子、電機、電腦方面的技能後，應用於實習課目上，培養學員創造的能力。而 且目機電整合班有產生合作關係廠商，各行各業均有，產業別如:各行業設備生產製造及研發公司、環境監控公司、生技科技製造研發公司等

對於 初學者應首當學習階梯圖，對於簡單的控制，如簡單的開關直接驅動燈號顯示，打開電源開關等，應該是最容易表達，最快可以完成的程式寫法。但對於 不在硬體支援列表的控制元件，程式設計者很難用階梯圖去開發函數庫。對於不是單一製程的機器，能彈性加工不同產品的設備，可能需要依照使用者設定的配方去 跑，或者需要簡單的排程處理一些產品的優先加工順序，或是需要一些數學函示運算，這些要求對階梯圖的方式都有表示上的困難。且當程式大到一定程度，階梯圖 的程式就遠不如結構化的高階語言能夠很快的看懂，不管是開發或者後續的程式維護，對於公司都是很大的挑戰。因此現在出現一種新型稱為OpenPLC 的語法來彌補這項缺失。

技術文件取得

對 於一個程式設計工程師，在選擇使用各家不同的開發環境工具的熟悉程度和操作是否人性化都是選擇重點。但是當你面對全新機台的開發，某些領域是過去 未曾接觸過的，這時候技術文件是否可以很容易取得， PLC 原廠的支援，便成為這個開發案的成敗關鍵。各家 PLC 廠商在一般的程式語法上大都有提供說明文件，或者從官方網站登錄後皆可下載相關技術文件，如有困難也可像供應商請求技術支援。

電控設備廠的的工程師常面臨的共有8大問題：

1.交期延誤、2.設計者獨立作業、3.設計者異動，造成大衝擊、4.試車拖延、5.程式缺設計手法、6.程式缺模擬驗證、7.文件資料不全、8.不易傳承等。

其 中第二∼八項只須提升電控能力即可改善，因此台灣設備廠商最大的風險就是電控能力不足，而改善電控能力，則可解決80％的設備廠商問題。為加強電 控設計手法，奇美力推「CMO設計手法」，而其友達及工研院也同樣推出「MSD設計法」，兩者都是採取模組化設計，以PC常用的標準流程圖方式規劃PLC 程式，讓經驗快速累積、技術加以傳承，據奇美表示，引進CMO設計手法，設備廠商可節省5年摸索時間。

[編輯] OpenPLC

PLC 在台灣大部分為 Mitsubishi PLC或 OMRON PLC的市場，因為在台灣與中國的PLC市占率高，但在歐美市場則在各家都有一定佔有率。

在歐洲，大部分的 PLC 廠商所提供的開發工具都支援 IEC 61131-3，在歐洲的 Mitsubishi也都有提供 IEC 版本的 GX IEC Developer以滿足市場需求。

IEC61131是一個國際標準，它規範了 PLC 相關之軟體硬體的標準，其最終的目的是可以讓PLC的使用者在不改軟體設計的狀況下可以輕易更換PLC硬體。

目前這個標準主要是由 [PLCopen|www.plcopen.org]在推廣。

IEC 61131-3是其中開發軟體介面的標準，它主要是提供了五大程式介面，包含:

1. Instruction List, IL (文字) 類似組合語言的描述文字。

2. Structured Text, ST (文字) 類似 PASCAL 的語法，適合撰寫較複雜的演算法，除錯上也比階梯圖要容易得多。

3. Ladder Diagram, LD (圖形) 傳統階梯圖，讓熟悉階梯圖的使用者也能使用 IEC 61131-3，不會因為換了 IEC 61131-3 就需要重新學習。

4. Function Block Diagram, FBD (圖形) 以畫電路圖的方式來寫 PLC 程式。這在 Mitsubishi PLC 或 OMRON PLC 都需要另外購買才有提供的功能 或是有硬體支援/相容性的問題， 但在 IEC 61131-3 它是內建的程式介面。

5. Sequential Function Chart, SFC (圖形) 以畫流程圖的方式來寫 PLC 程式，這也是最好的一點， 因為大部分的 PLC 都是按一定的順序在運作，利 用 SFC 可以一步一步寫好，最後再串連測試。 �

[source from: www.plcopen.org]

OpenPLC特性

• IEC61131-3 可以使程式碼重用性提高
  

符合 IEC 61131-3 的開發環境會把程式區分為許多 POU (Programming Organization Unit)，如函式(Function)、功能區塊 (Function Block)、程式(Program)等。
每個 POU 可以再分兩個部分

• Common Elemonts
  

此部分主要是定義程式內所使用到的變數，這些變數可以 對應到實體，也可以是內部變數。

• Programming Languages
  

此 部分主要是程式內容，也就是上述的 5 種程式語法的任一種。在程式內可以叫用其他的 POU。 因為變數宣告部分與程式內容是分開的，所以可以在寫好程式後，在對應到實體時，才把變數所對應的實體IO點給定，而不必修改程式。這使得硬體變更時，程式 不必修改就可以使用。對於在開發另外的新機台時，舊有 POU 的重用機會提高，在使用時，也只需要定義實體IO點，不會因硬體變更，修改程式而改出新的BUG。如此，軟體公司可以把常用的功能寫成 POU，日後變成自己的函式庫寫 PLC 就更容易了，或是專門開發 POU 的函式庫作為產品也是可以的，因為組譯過的 POU 就像我們買一般電腦語言的函式庫一樣，是看不到原始碼的。

• OpenPLC是依照 IEC61131-3 標準來開發 PLC 系統，相對應的技術文件都可查詢得到[1] ，關於硬體間的相關介面的技術文件，相關的文件手冊都在網路上公開，任何人都可以下載，因為是開放標準，如果廠商封鎖特定的技術文件，使用者在得不到協助的狀況下，仍可以很輕易的選擇轉換到其他公司產品。
  
• OpenPLC程式開發者可以利用高速工業網路，直接將所有的 IO 狀態對應到 Notebook上，直接在自己的工作電腦執行所有的 PLC 程式，在線上直接觀察程式執行狀況，變數變化，或設立中斷點單步除錯，或者使用其提供的工具，畫出 IO 點執行的時序圖。
  

而 這些動作在個人電腦與實際硬體並無差別，但提供程式設計者更快速找出程式問題，縮短開發時間。對硬體的改變也只有搬一臺電腦，拆裝工業網路連線。 如果機構還沒完成， 由內附的TwinCAT 本身也提供模擬環境，直接以圖示、動畫的方式連結到對應實體的 IO 點，讓程式執行結果，以模擬動畫方式，讓開發者在沒有實際硬體的情況下，可以同步開發程式，並模擬執行結果，讓整個計畫的設計工作，可以軟硬體同步執行， 有效縮短開發時間。

• OpenPLC 陣營，只要周邊硬體有公開的通訊協定，軟體工程師便可以使用 Structured Text (ST) 打造自己的專屬函數庫，減少控制硬體互相綁規格的情況。
  
• 如果每一項硬體在使用前都事先自己打造專屬函數庫，對開發商來講也是一項很大的成本開銷。
  
• 除了 PLC 硬體供應商也不斷的增加支援的硬體來吸引設備開發商使用，電控供應廠商也開始使用標準的工業網路來做為硬體通訊介面，例如目前在高速工業網路介面 CanOpen 針對常用的裝置，如馬達便定義在Profile 402，將使用者會用到的功能、參數定義成標準通訊介面，讓系統間只要插上通訊線，便可開始交換資料，讓使用者有使用開放系統不會被硬體綁死的限制，也有封閉系統只要插上，就能開始通訊的便利。
  

[編輯] PLC的應用實例

PLC以CPU執 行順序控制，它具有記憶體可進行儲存各輸入，輸出點狀態，使用者可進行編寫的邏輯控制程式，PLC本身功能即包含傳統的繼電器、計數器、計時器等硬體元件 相同的功能，且體積小、重量輕、功耗低，不僅可縮小控制系統空間，配線容易，維修方便。其程式撰寫方法簡單，容易掌握，可經由更改控制程式修改原本執行工 作的動作，具備模組化架構及彈性化工作能力。

由於具有使用容易，節省配線人力，設計彈性等優點，已廣泛的應用於各種控制系統中，在工廠自動化、監視控制中擔任核心控制任務。

目前市面上之PLC種類繁多，依照製造廠商及適用場所的不同而有所差異，但是每種廠牌可依機組複雜度分為大、中、小型;而一般工廠及學校通常使用小型PLC，在 工業用途通常使用大型PLC 應用如:

• 半導體晶圓廠的各種自動化設備的控制
• 大樓

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.

最終検査における幾何公差測定についてなんですが。
最近、納入先の要求が厳しく幾何公差の測定値まで要求されるようになって来ました。
同軸度、円周振れ、専用の測定具が必要になる為になかなか通常の機械加工の工場では難しいと思いますが、加工屋さんの一般常識的な常識てどうなんでしょう？
同時加工してるから、検査は省略してたりするんでしょうか？
また、同心度、平面度、平行度など簡易に測定できる、測定方法、測定具などがあれば教えて下さい。

要求される程度（精度）によりピンキリです。
JISハンドブックを参照されると、簡易測定～載ってます。
既存ツールにより測定も可能です。
（株）？？　技術部　UZU

同軸度、円周振れはＶブロックとダイアルゲージもしくは、テコ式ダイアルゲージで計測できます。測定方法はＶブロックにワークを置き、外径基準にて内径にダイアルゲージを当て計測します。これで同軸度、円周振れが判断できます。　
　平面度・平行度は、定番にワークを置きダイアルゲージにて平面・平行を計測します。

ズバリ、ミツトヨのQM-Measureがお奨めです。
値段は仕切りによってどうなるかわかりませんが、300万円台で入手できると思います。
検討してみても良いのではないでしょうか。
ホントお奨め！

値段が高すぎます・・・・・
精度保障に対する、コストがかかりすぎて現在の仕事量では原価償却できません・・・
でも資料を見る限りでは凄く使えそうですね

ユキポンさんこんにちは
そうですか、値段が高すぎますか･･･
償却と言ってもすべての測定器は利益を生む物では無いですから、マイクロメータ等と同じに考えても良いのではないでしょうか？

ﾜﾀｸｼどもの所でもこの機械を導入したんです。
やはり幾何公差の数値化や品質保証の問題で、やむなくと言ったところです。
でも、そんなことは建前的なことで、実際に一番利点になっているのは、「三次元測定器を使っている加工屋さん」との認識を頂けることです。
下世話な話ですが、社名にハクがついたと言うことです。
三次元を持っていないお客様に対しては、品質面で主導権を取ることができますし、お客様の新規開拓にも貢献しております。
とにかく数値に出ない面でのメリットは枚挙にいとまがありません。
この機械は、作業現場での簡易測定に的を絞って、操作性や精度維持、コスト削減に工夫を凝らした商品ですが、そのことがかえって小規模加工業者に最適な仕様になっていると考えています。
ﾜﾀｸｼどもの所では、この機械の担当者は事務員の若い女の子です。つまりそれだけ操作が簡単で、特別な知識はいらないと言うことなのです。
なにか、メーカーの回し者のような宣伝文句ばかりになってしまいましたね(笑)

たしかに値段的には負担になるかもしれませんが、複数の測定器や測定治具を用意することを考えたら、結局はお得なのではないかとも考えられます。

ちなみにﾜﾀｸｼどもの会社は従業員５名、年商６千万前後の零細企業です。

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PLC & vstupy/výstupy

Programovatelný logický automat neboli PLC (z anglického Programmable Logic Controller) je malý počítač používaný pro automatizaci procesů v reálném světě, jako je řízení strojů nebo výrobních linek v továrně. Pro PLC je charakteristické, že program se vykonává v tzv. cyklech. V moderním pojetí je výraz PLC nahrazován tzv. PAC.

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PLC

En Programmable Logic Controller (programmerbar logisk kontrol), eller PLC er en lille computer brugt til automation af produktionsmaskiner i industrien. Hvor ældre automatiserede systemer brugte flere hundrede eller tusinde relæer og cam styringer, kan en enkel PLC programmeres til at gøre det samme.

[redigér] Historie

På grund af de stigende krav til fleksibilitet i den amerikanske bilindustri sidst i 1960'erne, opstod der et behov for et nyt styresystem til produktionsmaskinerne, der kunne erstatte det eksisterende fastfortråede relæ- og logikstyring.

Processen med at opdatere faciliteterne til de årlige modelskift var blevet meget tidskrævende og dyre og relæsystemerne skulle fortrådes fra bunden af erfarne elektrikere.

General Motors Hydramatic (den del af General Motors der står for automatgear) udarbejdede derfor nogle specifikationer i 1968, som det ønskede styresystem skulle kunne opfylde:

• Programmerbar styring af hensyn til fleksibiliteten for hurtig omstilling af produktionsudstyret.
• Styringen skal kunne fungere uden problemer i et industrimiljø, dvs. kravene til temperatur, støv og snavs, forsyningsspændinger, elektrisk støj m.m. skal være minimale.
• Ind- og udgangsspændingerne skal være digitale, og spændingerne skal ligge inden for det typiske industriområde, dvs. fra 24V DC til 230V AC. Derudover bør styringen kunne behandle analoge ind- og udgangssignaler, samt være modulopbygget så, en udvidelse eller udskiftning kan foregå hurtigt og simpelt.
• Programmeringen af styringen skal være simpel hurtig at ændre og generel brugervenlig således, at der kun kræves et kort omskolingsforløb af vedligeholdelsespersonalet.

Det vindende forslag kom fra Bedford Associates fra Bedford i Massachusetts, resultatet var den første PLC og blev kaldt 084, da det var Bedford Associates 84’ende projekt. Bedford Associates startede et nyt firma dedikeret til at udvikle, fremstille, sælge og servicere det nye produkt. Firmaet blev kaldt Modicon, som står for MODular DIgital CONtroller.

Allen Braedley har indregistreret navnet ”Programmable Logic Controller” PLC, men har aldrig håndhævet eneretten til den benævnelse og den bruges derfor om alle producenters PLC’er. Dog er det kun Allen Braedley der bruger benævnelsen direkte i deres produkter.

[redigér] Opbygning

PLC'er kan være meget forskellige i deres fysiske udformning og størrelse.

• Micro PLC'er kan have en størrelse ned til en stak spillekort og består af et enkelt modul, hvor det hele er indbygget. De har ofte et fast antal indgange og udgange, der ikke kan udvides.

• "Shoebox" PLC'er kompakte alt-i-en PLC'er på størrelse med en skotøjsæske, de har begrænsede udvidelsesmuligheder, men den kompakte størrelse og lave pris gør den velegnede til mindre opgaver.

• Mini PLC'er består ofte af moduler med stik i begge ender, så de enkelte moduler kan sættes sammen i en lang række.

• Rack PLC'er kan være på størrelse med en ølkasse, og består af en fast kasse, hvor de enkelte kort stikkes ind som indstikskort. De er ofte de dyreste, men samtidig meget fleksible og nemme at vedligeholde.

• Software PLC'er er et program der kører på en PC, der skal være udstyret med interface kort. Softvare PLC'en har muligheder, f.eks. netværk, som en normal PLC ikke har. Der kan dog i dag fås netværksudstyr til mini og rack PLC'er så software PLC'er bruges sjældent.

[redigér] Strømforsyning

PLC'ens strømforsyning kan være sammenbygget med CPU'en eller være et selvstændig modul. Strømforsyningen leverer strøm til CPU'en og er ofte forsynet med 120Vac, 230Vac, 24Vac eller 24Vdc.

[redigér] Programmeringsværktøj

Til Programmering af PLCen kan der bruges følgende program: Windldr. Dette program kan downloades som trialversion, eller det kan købes af respektive udbyder. Trialversionen giver kun brugeren en kort indsigt i windldr og ladder-programmering, og kan ikke oploades til en plc

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Rack mit einer Speicherprogrammierbaren Steuerung

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl. Programmable Logic Controller, PLC) ist eine Baugruppe, die zur Steuerung und/oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt wird. In der Regel ist eine solche Baugruppe elektronisch ausgeführt und ähnelt den Baugruppen eines Computers. Die Geber (Sensoren) und die Stellglieder (Aktoren) sind mit dieser Baugruppe verbunden. Das zugehörige Betriebssystem (Firmware) stellt sicher, dass dem Anwenderprogramm immer der aktuelle Zustand der Geber zur Verfügung steht. Anhand dieser Informationen kann das Anwenderprogramm die Stellglieder so ein- oder ausschalten, dass die Maschine oder die Anlage in der gewünschten Weise funktioniert.

Mit annähernd gleicher Hardware kann man so unterschiedliche Anlagen oder Maschinen steuern (zum Beispiel: eine Fertigungsmaschine oder eine Brauerei).

Auf vielen Gebieten hat die SPS die zuvor festverdrahtete Anordnung von Relais abgelöst (Verbindungsprogrammierte Steuerung). Preiswerte Baugruppen, Standardisierung der Steuerungsaufgabe und hohe Flexibilität sind kennzeichnend für das SPS-Konzept und haben der SPS zum Siegeszug verholfen.

Derzeitige SPS-Baugruppen übernehmen neben der Kernaufgabe (Steuerung und Regelung) zunehmend auch weitere Aufgaben: Visualisierung (Gestaltung der Schnittstelle Mensch-Maschine), Alarmierung und Aufzeichnung aller Betriebsmeldungen (Data-Logging).

Ebenfalls erfolgt zunehmend die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit der SPS über einen Datenbus und nicht mehr diskret. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand.

Schließlich erfolgt auch zunehmend eine Anbindung an die Verwaltungsrechner einer Firma (vertikale Integration). So stehen z. B. immer aktuelle Daten über Fertigungsstände, Lagerbestände etc. zur Verfügung ("vernetzte Fabrik").

So wird der Unterschied zwischen einer modernen SPS und einem Prozessleitsystem immer kleiner. Die weitere technische Entwicklung ist ähnlich stürmisch wie in der Computertechnik ganz allgemein.

Die verschiedenen Konzepte [Bearbeiten]

Speicherprogrammierbare Steuerung

Eine große Gruppe der SPS-Geräte arbeitet zyklusorientiert. Das vom Hersteller fest eingespeicherte Betriebssystem kontrolliert diesen Zyklus. Nach Feststellung der Betriebsbereitschaft aller angeschlossenen Baugruppen wird das Prozessabbild aller Eingänge aktualisiert. Das bedeutet häufig den Status aller Eingangskarten abzufragen. Danach gibt das Betriebssystem die Kontrolle ab an das Anwenderprogramm. Dieses hat als Ergebnis das Prozessabbild der Ausgänge. Nun geht die Kontrolle an das Betriebssystem zurück. Das Prozessabbild der Ausgänge wird an die Peripherie übertragen. Das bedeutet häufig die Ansteuerung der Ausgangskarten. Und dann beginnt der Zyklus von vorne. Typische Zykluszeiten liegen bei 1/100 Sekunde. Es gibt Ausführungen mit festem Zyklus und welche mit asynchronen Zyklus. Das Anwenderprogramm kann Verzweigungen und bedingte Aufrufe beinhalten, was unterschiedliche Laufzeiten zur Folge hat.

Für Sonderfälle gibt es spezielle Eingangskarten, die beim Statuswechsel eines angeschlossenen Sensors an das Betriebssystem einen Alarm (Interrupt) melden. Dieses unterbricht das laufende Programm und ruft ein extra für diese Situation angepasstes Anwenderprogrammmodul (englisch: Interrupt Service Routine) auf und setzt danach das unterbrochene Programm fort. So können zeitkritische Aufgaben, die mit der Zykluszeit im Konflikt sind, bewältigt werden.

Eine weitere Gruppe (und derzeit zunehmend verbreitet) arbeitet ereignisgesteuert. Die meisten Systeme sind dann auch gleichzeitig objektorientiert. Das Betriebssystem listet alle „Ereignisse“ (= Statuswechsel eines Sensors) auf und arbeitet in dieser Reihenfolge die entsprechenden Anwenderprogrammteile ab. Der fehlende Zyklus ist auch dann kein Problem, wenn etwa ein Sensor besonders häufig seinen Status ändern sollte (= flattern). Alle Sensoren werden berücksichtigt oder kein Sensor wird „verschlafen“. Vorteile hat dieses Konzept im Vergleich mit den zyklusorientierten Systemen in der Regel durch die zusätzliche Objektorientierung, was für die gleichzeitige Visualisierung genutzt werden kann.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ergibt sich aus der Art der Kühlung. Alle elektronischen Geräte sind durch die unvermeidliche Wärmeentwicklung bedroht, wenn Grenztemperaturen für die Halbleiter überschritten werden. Es gibt Geräte mit und ohne Ventilatorkühlung. Der Ventilator hat den Nachteil, dass Staub angesaugt wird. Daher gibt es eine Fülle von alternativen Konzepten.

Als Soft-SPS werden Softwarepakete bezeichnet, die auf einem PC lauffähig sind. In der Praxis werden dann häufig industrietaugliche PC-Ausführungen gewählt, obwohl dies auch mit handelsüblichen Personal Computern möglich ist. Die Peripherieanbindung (Sensoren und Aktoren) erfolgt entweder seriell über Bussysteme oder mit inzwischen handelsüblichen Ein- und Ausgangskarten. Diese Systeme arbeiten dann ohne einen speziellen Bitprozessor und erreichen zurzeit manchmal noch nicht die notwendige Geschwindigkeit. Sie sind daher nur für nicht zeitkritische Anwendungen geeignet.

Als Slot-SPS wird eine Einbaukarte für den PC bezeichnet. Hierauf befindet sich dann in der Regel ein Bitprozessor und das SPS-Betriebssystem.

Ein weiteres Konzept ist Grundlage für die hochverfügbaren und die sicherheitsgerichteten Geräte. Neben der Ausfallgefahr durch hohe Temperaturen gibt es andere Gründe für den möglichen Ausfall einer Baugruppe. Diese kann man durch den Begriff „Alterung“ zusammenfassen. Dazu gehört auch das Thema Korrosion. Abhängig von der (finanziellen) Schadenshöhe, die durch einen Stillstand der Anlage im Fehlerfall verursacht wird, kann man nun mehrere SPS-Baugruppen einsetzen. Diese arbeiten gleichzeitig an derselben Steuerungsaufgabe (miteinander synchronisiert). Dies ist ein redundantes, mehrkanaliges System.

Im Konfliktfall wird eine Alarmmeldung erzeugt und die Anlage läuft weiter. In dem (statistisch) unwahrscheinlichen Fall, dass das Schwestersystem nun auch ausfällt, steht dann die Anlage. Es wird Zeit gewonnen, um die schadhafte Baugruppe auszutauschen.

Sicherheitsgerichtete Geräte sind ähnlich aufgebaut. Allerdings führt hier der Konfliktfall dazu, dass die Anlage so schnell wie möglich in den „sicheren“ Zustand gebracht wird. Eine damit verbundene Schadenshöhe ist ohne Belang.

Die Möglichkeiten zur Erstellung des Anwenderprogramms kann man auch unterscheiden. Neben den hierfür vorhandenen Normen ergibt sich die Art und Weise der Programmdarstellung: grafisch oder (nur) als Anweisungsliste. Grafisch unterstützte Darstellungen können einem Stromlaufplan ähneln (= Kontaktplan) oder einem Logikplan (= Funktionsplan). Der Kontaktplan wird von den meisten Elektrikern verstanden, auch wenn diese mit Computern oder mit SPS-Geräten noch nicht vertraut sind. Dies hat die Einführung der SPS in die technische Welt erheblich beschleunigt.

Eine Kaufentscheidung berücksichtigt häufig die Wiederverwendbarkeit bereits bewährter Anwendersoftware. Neue Konzepte verlangen häufig auch ein zusätzliches Training beim Fachpersonal.

Grenzen der Einsatzfähigkeit [Bearbeiten]

Seit die SPS auch analoge Signale (über DA/AD-Wandler) verarbeiten kann, hat sie auch das technische Gebiet der Regelungen erobert. Für nahezu jede Regelungsaufgabe gibt es standardisierte Lösungen (z.B. als Funktionsbausteine).

So kann man fragen: wo ist der Einsatz einer SPS derzeit nicht möglich oder nicht sinnvoll?

Nicht sinnvoll kann der Einsatz einer SPS bei sehr spezialisierten Maschinen oder Anlagen sein, wo die technische Ausführung traditionell bewährt ist und die Marktnische so klein ist, dass die Stückzahlen gering sind. Hier scheut man die Umstellungskosten. Beispiel: Aufzugsteuerung.

Eine technische Grenze sind die explosionsgefährdeten Bereiche. Hier arbeitet man entweder mit pneumatischen Signalen oder mit eigensicheren Stromkreisen. Man kann eine handelsübliche SPS den Vorschriften entsprechend druckfest kapseln. Natürlich ist sie dann während des Betriebs nicht zugänglich. Ferner muss eine Lösung für die Anbindung der Sensoren und Aktoren gefunden werden (z.B. druckfeste Schottverschraubungen). Generell kann man sagen: In explosionsgefährdeten Bereichen wird eine SPS selten eingesetzt. Inzwischen gibt es Ein- und Ausgangskarten, an die eigensichere Stromkreise angeschlossen werden können. Ferner gibt es eigensichere Datenbusse. Die SPS selbst befindet sich dann in einem Schaltraum außerhalb des gefährdeten Bereichs.

Wenig sinnvoll ist auch der Einsatz einer SPS bei Steuerungsaufgaben mit sehr wenigen Ein- und Ausgängen. Beispiel: Stern-Dreieckanlauf eines Motors. Hier gibt es spezielle (auch elektronische) Bausteine.

Dann gibt es Maschinen, die sehr zeitkritische Aufgaben zu bewältigen haben. Solche Maschinen haben in der Regel sehr seltene und hoch spezialisierte Sensoren. Beispiel: die Erkennung eines Fadenbruchs in einer Hochleistungswebmaschine. Der Einsatz einer SPS würde hier teure Feldversuche voraussetzen.

Die SPS hat enorme Vorteile bezogen auf die Flexibilität. Genau deswegen ist sie für „manipulationssichere“ Steuerungen wenig geeignet. Dies hat nichts mit Sicherheit im Sinne von Gefahrenvermeidung für Mensch und Umwelt zu tun, wohl aber mit dem Fernhalten von nicht autorisierten Personen. Beispiele: Erkennung der Zugangsberechtigung, Automaten mit Geldverkehr.

SPS und Sicherheit [Bearbeiten]

In den Zeiten, wo Steuerungen noch herkömmlich mit einer Ansammlung von Relais und Schützen erstellt wurden, war das Thema „Sicherheit“ leichter zu berücksichtigen als mit dem neuen Konzept einer SPS. Die Eins-zu-Eins-Umsetzung der in der Schaltung (Verriegelung) niedergelegten Logik auf das SPS-Konzept musste zwangsläufig mit einzelnen vorher „sicheren“ Schaltkreisen in Konflikt kommen. Hinzu kam die mangelnde Erfahrung. Man war froh, wenn die Anlage oder Maschine mit der SPS so lief wie früher.

Beispiel: Erst wenn das Schutzgitter geschlossen ist, darf der Stempel sich bewegen. Damit im Fehlerfall nichts passiert, wurden beide Schließer des Endlagenschalters in Serie geschaltet und mit der Freigabe des Stempels verknüpft (= Berücksichtung des Ruhestromprinzips und des möglichen Festschweißens eines Kontaktes). Mit einer SPS macht so etwas keinen Sinn.

Bald lautete eine Regel: mit der SPS darf man keine sicherheitsgerichteten Schaltungen erstellen. Der Blick von Berufsgenossenschaften und anderen Institutionen wurde nun auf dieses Problem gelenkt. Insgesamt begann eine neue Diskussion zum Thema Sicherheit in technischen Anlagen.

Sicherheit wurde definiert mit einer Risikoabschätzung der Gefahr für Mensch und Umwelt. Zusammen mit den Herstellern wurden Konzepte erarbeitet, wie man auch mit SPS die notwendige und vorgeschriebene Sicherheit erreichen kann. Ein wesentlicher Kernpunkt war: die Anwenderprogramme in einer sicherheitsgerichteten SPS sind prüfpflichtig. Jeder Änderungswunsch muss erst neu geprüft werden. Beim Übertragen einer neuen Anwenderprogrammversion ist die Anlage still zu setzen. Das sind erhebliche Einschränkungen der bei der SPS sonst so vorteilhaften Flexibilität. Die Prüfung ist auch mit erheblichen Kosten verbunden.

Bei der Risikoabschätzung geht es um zwei Themenkreise.

1) Wie hoch ist das Risiko und um welche Art von Risiko handelt es sich (materieller Schaden, Personenschäden, Umweltschäden)? Hierbei wird nur die Maschine oder Anlage betrachtet. Die technische Ausführung der Verriegelung ist ohne Belang. Abhängig von der Beantwortung dieser Fragen (in einer Norm festgelegt) ergeben sich Anforderungen an die Steuerung.

2) Welche Fehler sind in einer SPS möglich oder denkbar? Hierbei geht man soweit, eine nicht gewollte Änderung im Programmspeicher anzunehmen (Diffusion im Halbleiterkristall). Der zufällig dort gespeicherte Befehl könnte statt "Ausschalten" nun "Einschalten" bedeuten. So kam man auf die mehrkanaligen Geräte. Man kann annehmen, dass ein solcher Extremfehler nicht gleichzeitig im Schwestersystem passiert. Im Übrigen waren die mehrkanaligen Systeme schon zur Erhöhung der Zuverlässigkeit entwickelt worden.

Alle sicherheitsgerichteten SPS-Ausführungen haben zum Ziel, im Zweifel die Anlage möglichst schnell in einen sicheren Zustand zu versetzen. Dieses Ziel steht zwangsläufig im Konflikt mit dem Wunsch nach einer Erhöhung der Verfügbarkeit der Anlage (= Zuverlässigkeit).

Vor-/ Nachteile von SPS gegenüber VPS (Verbindungsprogrammierte Steuerung) [Bearbeiten]

Vorteile [Bearbeiten]

• viel flexibler
• kleiner
• zuverlässiger (fehlersichere SPS)
• langfristig kostengünstiger
• mit anderen IT-Anlagen vernetzbar
• schnelle Fehleranalyse
• Anlage aus der Ferne veränderbar (Internet)
• geringerer Stromverbrauch
• geringerer Aufwand bei Umverdrahtung bzw. Funktionswechsel gegenüber der VPS

Nachteile [Bearbeiten]

• zusätzliche Infrastruktur notwendig (Programmiergeräte bzw. Software, Datensicherung etc.)
• hoch qualifiziertes Personal notwendig
• für weniger komplexe Anlagen/Programmabläufe zu teuer
• Lasten können meist nicht direkt geschaltet werden, es werden Leistungsschütze benötigt
• durch die sequentielle Abarbeitung der Befehle - Zykluszeit behaftet (nur bei zyklusorientierter SPS)

Aufbau und Programmierung [Bearbeiten]

Die klassische SPS hat eine Prozessor-Architektur, die im Wesentlichen für die Bit-, Byte- oder Wort-Verknüpfung optimiert ist. Siemens-Steuerungen werden beispielsweise Byte-weise adressiert, Omron-Steuerungen adressieren dagegen ein volles Wort. Die unterschiedliche Adressierung ist dann besonders zu beachten, wenn unterschiedliche Steuerungen über Feldbus, z.B. Profibus miteinander verknüpft werden. Unter Umständen müssen dann Bytes innerhalb des Programms paarweise getauscht werden, um die richtige Information abzubilden (siehe Byte-Reihenfolge). Die Anpassung der Bit, Byte, Wort-Verarbeitung an die zu steuernde Maschine oder Anlage erfolgt durch ein Programm, das den gewünschten Ablauf festlegt und im Speicher abgelegt wird.

Üblicherweise wird bei der SPS auch Software zur Kommunikation des Programmiergerätes (kurz: PG) mit der Steuerung, mitgeliefert. Die Programmierung geschieht über dieses Programmiergerät, zum Beispiel eine Anwendung unter Windows/Linux auf einem PC oder ein zugeschnittenes System. Die hier bereitgestellte, sogenannte Konfiguration wird beim Programmieren auf die Steuerung geladen. Sie bleibt dort solange im Speicher, bis sie vom Benutzer gelöscht oder überschrieben wird.

Moderne SPSen sind klassische Microcontroller mit eigener CPU und einer Basis-Software, die ebenfalls die wortweise Verknüpfung von E/A-Signalen erlaubt. Die Basis-Software besteht aus einem Echtzeitbetriebssystem und SPS-spezifischen "Bausteinen", die SPS-Funktionen wie Zeitfunktionen und Schnittstellen zu Erweiterungsboards realisieren.

In den letzten Jahren wurden auf Druck der Anwender die Steuerungen in Hinsicht auf minimalen Platzbedarf im Schaltschrank optimiert. Für diese miniaturisierten Steuerungskomponenten wird von manchen Firmen der Begriff der Busklemme verwendet, wobei es für diesen Begriff keine eindeutige Definition gibt. Eine Busklemme ist eine intelligente Reihenklemme, welche die unterschiedlichsten analogen und digitalen Eingangs- und Ausgangssignale verarbeiten kann. Sie wird so einfach und kompakt wie eine konventionelle Reihenklemme untergebracht und verdrahtet, verfügt aber im Gegensatz zur Reihenklemme über eine intelligente Elektronik.

Der Kopf dieser elektronischen Reihenklemme ist der Buskoppler. Er verfügt in der Regel über eine Schnittstelle für einen Feldbus. Buskoppler mit eigener Intelligenz werden als Busklemmen-Controller bezeichnet. Sie verfügen oftmals bereits über SPS-Funktionalität.

Baugruppenbezogene Konstruktionsprinzipien [Bearbeiten]

Man kann zwei Philosophien unterscheiden: die modulare Bauweise oder die integrale Bauweise. Beide Bauweisen haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Einführung der SPS hatte die modulare Bauweise für den Herteller den zusätzlichen Vorteil, dass man so leichter Entwicklungserfahrungen sammeln konnte. Für jedes Modul war ein anderes Entwicklungsteam verantwortlich. Mit der gewonnenen Erfahrung und dem Kostendruck gab es dann eine Entwicklungsrichtung hin zur integralen Bauweise (alles in ein Gehäuse), die dann gleichzeitig auch mit dem Bestreben nach Miniaturisierung einher ging.

Es gibt auch Mischformen.

Die modulare Bauweise bietet für jede Teilaufgabe eine separate Komponente, die nachstehend aufgelistet sind.

• Netzteil (länderspezifische Anpassung, leichtere Beherrschung des Wärmeproblems)
• Zentralbaugruppe
• Anschaltungen
• Busmodule (Schraub- oder Crimpklemmen, Alarmierung)
• Digitale Eingangskarte (meist Potentialtrennung mittels Optokoppler)
• Digitale Ausgangskarte (offener Kollektor oder Relais)
• Analoge Eingangskarte (0(4)-20 mA, Thermofühler, eventuell eigensicher)
• Analoge Ausgangskarte (0(4)-20 mA, eventuell eigensicher)

Programmiersprachen [Bearbeiten]

Übersicht der Sprachen in: EN 61131

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden meist mit speziellen (oft grafischen) Programmiersprachen programmiert. Als Reaktion auf die Forderung der amerikanischen Automobilindustrie wurde eine elektronische Steuerung mit einer Bildschirmdarstellung entwickelt, die an die Darstellung in der elektrischen Steuerungstechnik angelehnt ist. Diese Darstellung/Sprache (Ladder Diagram) war die erste grafisch unterstützte Programmierung elektronischer Steuerungen. Mehrere Firmen (Texas Instruments, Modicon, ISSC, Allen-Bradley (später Rockwell)) haben diese Sprache in den 70ern in ihren Systemen weiterentwickelt. Erster deutscher Hersteller war 1975 die Firma Klaschka mit den SECON-Steuerungen. Bereits Anfang der 80er Jahre boten diese Steuerungen Bit-, Byte- und Wortverarbeitung sowohl für die E/A-Ebene als auch für die Merker-Ebene sowie Sonderfunktionen wie Sequenzer (Schrittschaltwerke), Analogwertverarbeitung, PID-Regler und grafische Bedienschnittstellen.

Heute hat sich ein genormter Standard etabliert: In DIN EN 61131-3 (näheres siehe dort) sind fünf Programmiersprachen spezifiziert.

Kompatibilität und Interoperabilität [Bearbeiten]

Viele Hersteller unterstützen diese "genormten" Sprachen. Dennoch ist die versprochene Portabilität der Anwenderprogramme eingeschränkt, weil es oft herstellerspezifische Anpassungen oder Erweiterungen gibt. Bei den Bestandteilen der Software-Bibliotheken sind die Unterschiede besonders groß. Außerdem unterstützt nicht jeder Hersteller Schnittstellen, über welche die Programme in einem auch für andere Hersteller verarbeitbaren Format ausgegeben oder eingelesen werden können. Es ist nur theoretisch möglich, ein Programm zu schreiben und dieses auf Steuerungen unterschiedlicher Hersteller ohne Änderungen ablaufen zu lassen - praktisch scheitert das meist an den Eigenheiten der verschiedenen Fabrikate.

Mit Ansätzen zur Überbrückung dieser Schwierigkeiten beschäftigen sich z. B. folgende Gremien/Organisationen:

• TC6 XML Workgroup der PLCopen

In den Dokumenten dieses Arbeitskreises wird ein XML Format festgelegt, in dem man der IEC 61131 genügende Projekte ablegen soll. Damit wird der Austausch von Projektdaten zwischen verschiedenen Werkzeugen möglich.

Interoperabilität einer SPS ist ihre Fähigkeit, mit Steuerungen verschiedener Hersteller in einem Gesamtsystem zusammenzuarbeiten. Dies wird in der Regel durch mehrere herstellerunabhängige Standards sichergestellt. Dazu gehören zum Beispiel Vereinbarungen über den Zugriff auf symbolische Informationen und den Austausch von Variablen über Feldbusse und Netzwerke.

Arbeitsweise [Bearbeiten]

Wie jeder andere Computer arbeitet die SPS nach dem EVA-Prinzip, sie besitzt also einen Eingabe-, einen Verarbeitungs- und einen Ausgabeteil. Die E/A-Geräte (die an die Eingänge/Ausgänge, englisch Input/Output, angeschlossenen Geräte) sind mit der SPS verdrahtet.

Die SPS arbeitet zyklisch: Sie liest die Werte aller Eingänge am Anfang eines Zyklus ein (man spricht in diesem Zusammenhang auch vom "Einlesen des Prozessabbildes") – sollte sich ein Befehl wiederholen, dann gilt die letzte Anweisung (Dominant Setzen oder Rücksetzen) – führt dann die gespeicherten Programme (auch 'Bausteine' oder 'Netzwerke' genannt) aus und setzt am Ende die Ausgänge. Dann startet der Zyklus von Neuem - ein Programmende gibt es nicht. Ereignisorientierte Verarbeitung wird meistens nur durch sogenannte High-End-Steuerungen unterstützt.

SPS-Zustände [Bearbeiten]

Siemens S7-300

Zustandsänderungen, die sich an den Eingängen angeschlossenen Sensoren während des Zyklusdurchlaufs ereignen, werden nur erkannt, wenn sie mit speziellen Befehlen unmittelbar vor der Bearbeitung geladen werden. Abhängig von deren Werten werden die an ihren Ausgängen angeschlossenen Aktoren gemäß eingebautem Programm angesteuert. Dies geschieht einmal am Ende des Zyklus.

In den meisten SPS-Konzepten unterscheidet die SPS zwischen den Betriebszuständen

• STOP,
• START (engl. RUN).

Diese sind nicht mit den für die SPS bestehenden Möglichkeiten AUS und AN der globalen Stromversorgung zu verwechseln.

Im STOP kann eine neue Konfiguration vom Programmiergerät geladen werden. Im START führt die SPS ihre eigentliche Arbeit durch. Beim Übergang STOP → START werden eine Initialisierungs- und anschließend eine Zyklusphase durchlaufen, und diese wird wiederholt, bis zum Übergang zurück START → STOP. Die Arbeitsweise lässt sich also schematisch darstellen: die einmalige Startprozedur und der periodisch wiederholte SPS-Zyklus ergeben folgenden Ablauf in wohldefinierter Reihenfolge.

Ein Abarbeitungszyklus enthält einen System-Teil, der den Anwender-Teil umschließt. Dieser beginnt synchron erst dann, wenn alle Eingangsdaten stabil anliegen. Der Abarbeitungszyklus beginnt mitten im System-Teil; die SPS muss dafür sorgen, dass der letzte Zyklus auch definiert genau dort wiederum endet, wenn der Übergang START → STOP erfolgt. Sobald dies der Fall ist, werden die Eingänge nicht weiter verarbeitet und die Ausgänge stromlos geschaltet; die globale Stromversorgung der SPS kann unabhängig davon weiterhin bestehen.

Es gibt demgegenüber auch Steuerungen, bei denen eine Änderung / Programmierung direkt möglich ist. Hierzu ist es nicht notwendig, die SPS über STOP anzuhalten. Diese SPSen können durch Terminal-Emulation über eine serielle Schnittstelle oder Ethernet direkt bearbeitet werden. Jegliche Änderung wirkt sich dann sofort auf die SPS aus, ohne dass diese explizit angehalten und wieder gestartet werden muss. z. B. : Timer oder Counter

Geschichte [Bearbeiten]

Richard Morley (Modicon) und Odo J. Struger (Allen Bradley) kann man als die Väter der SPS bezeichnen. Morley stellte 1969 eine "Modicon 084" als "solid-state sequential logic solver" (Halbleiter-basierende sequentielle Verriegelungslösung) vor.

Struger war unter anderem maßgeblich an der Formulierung der zugehörigen Instituts-Standards in den USA beteiligt.

1974 kam die erst 1964 gegründete Firma Klaschka mit einer SPS in Deutschland auf den Markt.

Etwa 1979 kamen dann auch andere deutsche Hersteller mit ihren Modellen auf den Markt.

Heute gibt es auf dem europäischen Markt mehr als 300 Hersteller. Einige bedienen das gesamte Spektrum für jeden denkbaren Einsatzzweck. Viele beschränken sich auf kleine spezielle Marktnischen.

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