安全リレーか安全PLCか？システムレベルでの比較

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APDahlen Applications Engineer

SIL機能とPL機能は、スタンドアロンの安全リレー、またはPLCベースのシステムに実装できます。この概要では、PLCベースの実装が優れたソリューションであるという通説に疑問を投げかけます。自己完結型安全リレー（図1）と、PLCベースのシステムに見られる分散型機能とを比較します。

主な要点

  • 安全と制御をハイブリッドで実現できます。安全機能はスタンドアロンの安全リレーで処理し、機械制御は従来の（安全機能を持たない）PLCで処理します。
  • 専用ハードウェアベースの安全リレーは、シンプルであることに利点があります。初期設置時および機械の耐用期間全体をとおして、エラーの可能性を低減できます。
  • PLCベースのソリューションでは、安全機能が複数のハードウェアコンポーネントと安全プログラムに分散されます。これには、F定格ハードウェア、ハードウェア構成、安全プログラム、およびネットワーク接続されたコンポーネントまで、慎重なコンポーネントの選定とシステムレベルでの統合が必要です。
  • 安全リレーベースのシステムでは、DIPスイッチを使用して限定的なデバイス設定を行います。PLCシステムでは、Fモジュールのパラメータ設定と安全プログラムを使用します。

この記事は、DigiKey Field Guide for Industrial Automationの一部です。

分類： Integrate It → Safety Devices
難易度： :classical_building: System Integrator ｰ 難易度レベルの説明
著者： Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey
最終更新日： 2026年4月14日

免責事項： この資料は教育目的のみに提供されるものです。お客様の設備におけるSIL（Safety Integrity Level）およびPL（Performance Level）の実装は、お客様ご自身の責任において行ってください。適用されるすべての地方、州、連邦、および国際的な法令・規制を遵守してください。

この資料は慎重に作成されていますが、意図しない間違いや、規格の誤った解釈が含まれている可能性があります。公式規約およびガイダンスについてはDigiKeyご利用条件およびご注文に関する諸条件を参照してください。記述内容および事実関係の改善に関するご意見、ご感想をお待ちしています。

Figure 1: Image of the Siemens 3SK1 safety relay showing front panel DIP switches.
Figure 1: Image of the Siemens 3SK1 safety relay showing front panel DIP switches.1263×947 193 KB

図1： Siemensの3SK1安全リレーの前面パネルDIPスイッチの画像

ハードウェアベースの安全リレー

Siemensの3SK1は、専用設計の安全リレーの代表例です。

  • 各モジュールは1つの機能を実行します。例えば、図1に示す構成を考えてみましょう。

  • 複数のモジュールは、バックプレーンのソケット配線を介して接続されます。

  • 出力部は3極リレーで構成されています。

  • このアセンブリは、単一の危険区域を保護するように設計されています。

DIPスイッチ（図1）を使用して、各モジュールを関連する安全デバイスの特性に合わせて設定します。ライトカーテンモジュールはOSSD安全信号を検出するように設定され、非常停止モジュールは3SK1が生成するT1およびT2駆動信号を生成し、監視するように設定されています。

技術的なヒント： 冗長性は産業用安全設備でよく見られる構成です。例えば、3SK1内部の物理出力リレーを考えてみましょう。ここには冗長な（直列接続の）接点があります。これらは制御システムによって監視されています。いずれかの接点が固着（溶着）した場合、システムはフォールト状態に移行します。

Figure 2: Datasheet representative wire diagram for the 3SK1
Figure 2: Datasheet representative wire diagram for the 3SK11128×752 96.2 KB

図2： 3SK1のデータシートによる代表的な配線図。非常停止スイッチ、直列冗長モータスターターコンタクタ（Q1およびQ2）、および監視対象のノーマリクローズ接点を示しています。

PLCベースの安全機能の実装

PLCベースの安全機能は、ハードウェアとソフトウェアの両方に分散して実装されています。まず、多くの「安全PLC」には、F定格の入出力が内蔵されていないという点を理解しておく必要があります。

ローカルモジュールを使用したPLCベースの安全制御

最もシンプルなS7-1200安全構成を図3に示します。ここでは、6ES7 226-6BA32-0XB0 F定格デジタル入力モジュールと 6ES7 226-6RA32-0XB0 リレーベースF定格デジタル出力モジュールが、S7-1200 F定格PLCに物理的に接続されています。すべての安全上重要な信号は、専用の安全I/Oモジュールを経由してルーティングされます。

Figure 3: Siemens S7-1200 safety PLC with attached F-rated input and output modules.
Figure 3: Siemens S7-1200 safety PLC with attached F-rated input and output modules.767×321 6.54 KB

図3： F定格入出力モジュールが接続されたSiemensのS7-1200安全PLC

PLCベースの安全システム向け分散型I/O

図4に示すように、ET 200SP分散型I/Oを使用して安全機能を実装することも可能です。

SiemensのPLCのF定格機能は、ET 200SPによって実現されます。図4に概要を示します。

  • 非常停止信号は、F定格の安全デジタル入力モジュール 6ES7136-6BA00-0CA0 によって読み取られます。

  • モータスターターは、6ES7136-6DB00-0CA0 のF定格デジタル出力モジュールを介して制御されます。

  • 安全モジュールは、ET 200SP分散型I/Oアセンブリのスロットとして物理的に取り付けられ、論理的にアドレス指定されます。

  • ET 200SPは、PROFINET上のPROFIsafeプロトコルを使用して安全PLCと通信します。

Figure 4: Siemens ET 200SP with F-rated input and output modules.
Figure 4: Siemens ET 200SP with F-rated input and output modules.1263×947 314 KB

図4： F定格入出力モジュールを搭載したSiemensのET 200SP

技術的なヒント： 図4に示すアーキテクチャは、最高レベルのSIL/PL規格に準拠していません。保護を強化するには、追加の（冗長な）直列コンタクタが必要です。
なお、安全システムは、各コンタクタのノーマリクローズ補助接点からのフィードバックを介してモータスターターのコンタクタを監視します。これにより、「接点の溶着」を効果的にチェックします。万が一、溶着が発生すると機械はフォールト状態となり、これにより、正常と考えられる残りのコンタクタが閉じることを防ぎます。

ハードウェア設定

いずれの場合も、ハードウェアの設定が必要です。リレーベースのシステムでは、デバイスのマッチングはDIPスイッチで行います。PLCベースのシステムでは、Fモジュールパラメータ設定で行います。

例として、非常停止を「1oo2（2チャンネル1センサ）による設定」で実装する、基本的なシステムを考えてみましょう。この設定では、2つの物理的なOSSD信号を1つの論理制御信号として結合します。例えば、デバイスは2本の配線で監視されます。内部的には、このバイナリ値が非常停止の状態を表します。

DIPスイッチ設定とTIA Portal設定の比較

図1のDIPスイッチは、1oo2（2チャンネル1センサ）に設定されています。PLCでは、図5に示すように、1oo2ハードウェア設定はグラフィカルに行われます。この設定データはコンパイルされ、安全モジュールにダウンロードされます。出力モジュールについても同様の手順が必要です。

Figure 5: Configuration for a 1oo2 safety input for an ET 200SP safety input module.
Figure 5: Configuration for a 1oo2 safety input for an ET 200SP safety input module.811×607 18.6 KB

図5： ET 200SP安全入力モジュールの1oo2安全入力の設定

ソフトウェアの設定

3SK1安全リレーにはソフトウェアの設定はありません。安全リレーの機能はハードウェアに組み込まれており、DIPスイッチによる最小限の制御のみで済みます。

一方、PLCは、はるかに柔軟です。図6に例を示します。ラダーロジックには、モジュールのリセット要求とモータの起動要求という2つの外部非安全タグが含まれていることに注目してください。ここには示されていませんが、オペレーター（リモートまたはローカル）がPLCおよび関連する安全ハードウェアの状態を確認できる監視機能も備えています。

Figure 6: Configuration for an ET 200SP safety output module.
Figure 6: Configuration for an ET 200SP safety output module.821×960 28.7 KB

図6： ET 200SP安全出力モジュールの設定

スタンドアロンの安全リレーの利点と欠点

スタンドアロンの安全リレーは、専用の安全ハードウェアを内蔵しています。

利点

  • 安全リレーは、設置、トラブルシューティング、保守が比較的容易です。

  • 午前3時でもマルチメータだけで簡単にトラブルシューティングができます。ノートパソコンを取り出してPLCを起動する必要はありません。

  • シンプルなシステム（監視するインターロックが1つまたは2つある単一区域）の場合、コストは明確な選定要因にはなりません。

  • 安全リレーは深く組み込まれていないため、機械の20年～50年に及ぶライフサイクルにおいて比較的容易に交換が可能です。これは、古いカーラジオと、音声・映像・情報コンテンツを包含する最新のカーナビゲーションシステムを比較するようなものです。前者は簡単に交換できますが、後者は深く統合されています。

  • スタンドアロンの安全リレーが適切なSIL/PL保護を提供し、安全機能なしの通常のPLCが機械制御を行うハイブリッドソリューションも有効です。

欠点

  • 小型の安全リレーには安全監査メカニズムがありません。例えば、DIPスイッチの設定変更が見落とされる可能性があります。なお、高度なスタンドアロンの安全リレー（ここでは扱いません）は多くの場合プログラミング可能です。これらは、ハードウェア構成の変更を識別できるプログラミング可能なPLCのようなものです。

  • 監視機能とタイムスタンプ機能がないため、技術者はシャットダウンに至るまでの一連の事象を解明するのに苦労する可能性があります。

PLCベースの安全機能の利点と欠点

安全機能は、関連するF定格のローカルまたは分散型I/Oモジュールとともに、安全PLCに実装できます。

利点

  • 安全トリップを監視およびログ記録できます。

  • 安全設定は、チェックサムを使用してPLC内部で追跡され、現在の安全設定の状態が文書化されます。これは、安全プログラムが変更されたかどうか、チェックサムによって証明されるため、事故後の調査において重要な要素となります。

  • 高度なPLC安全プログラムは、複数の安全区域を持つ機械に対応するために階層構造を構築できます。これは、ローカル（PLC内）および分散型I/Oの両方を使用できる機能によってさらに強化されます。

欠点

  • 複雑です。これは主に修理技術者が感じます。しかし、適切な統合により、監視とアラームログによって大部分は軽減されます。

おわりに

機械の安全性を実現する方法は数多くあります。

  • 最善かつ唯一受け入れられるソリューションは、機械に適したSIL/PLを適切に実装することです。

  • 最適なソリューションは、ハードウェアの理解、そしてより重要なのは、そのハードウェアがシステムレベルでどのように統合されているかを理解することから始まります。.

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著者について

Aaron Dahlen氏、元米国沿岸警備隊（USCG）少佐（LCDR）は、シーフリバーフォールズにあるDigiKeyのシニア・アプリケーションエンジニアを務めています。エレクトロニクスおよび産業オートメーションに関する彼の知識と経験は、技術者およびエンジニアとして従事した27年間の軍歴と、その後10年以上にわたる教育経験を通じて培われました。

ダーレン氏は、ミネソタ州立大学マンケート校で電気工学修士号（MSEE）を取得しています。また、ABET認定を受けた電気工学プログラムで教鞭を執ったほか、電子工学技術プログラムのコーディネーターを務め、軍の技術者に対して部品レベルの修理技術を指導してきました。

現在は、ミネソタ州北部の故郷へ戻り、コンデンサ探しから始まった数十年にわたる旅を終えました。彼の物語はこちらからお読みください。




オリジナル・ソース（English）