CN101206480B - 外部信号输入输出单元的诊断方法及系统 - Google Patents

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Abstract

在CNC上连接的多个I/O单元中的各主收发部件在每次接收来自CNC的信号数据组时读取发送目的地指定数据和诊断结果位的数据。在接收表示执行诊断时的诊断结果位的数据时包含“诊断用的DO数据”。短路DI、DO的信号输入输出端，形成诊断用回路。诊断用的数据组信号通过诊断用回路，经由外部信号用收发部件以及主收发部件，经由邻近CNC侧的I/O单元的主收发部件向CNC交付。CNC解析该数据组信号，进行各I/O单元的异常判定。

Description

外部信号输入输出单元的诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及检查(诊断)在利用数值控制装置来控制机床等自动机械时使用的多台外部信号输入输出单元(I/O单元)的状态的方法以及系统。
背景技术
众所周知，在利用数值控制装置来控制机床等自动机械时，进行各种外部信号的输入输出。然后，把在这些外部信号的输入输出中使用的外部信号输入输出单元称为I/O单元。在通过I/O单元进行向自动机械输入以及从自动机械输出的外部信号中，除了包含例如在自动机械是机床时的起动信号、各伺服轴的同步信号、复位信号、重写信号之外，还包含紧急停止信号等直接与安全相关的信号。因此，在I/O单元的动作产生异常时，需要能迅速地检测到这种异常。
为此在现有技术中采用的典型的方法是在I/O单元的内部装备用于进行自身的动作检查(诊断)的电路(诊断用电路)、使该诊断用电路定期地动作，以确认I/O单元保持正常状态的方法。图2用框图来表示了使用这样的方法的、装备诊断用电路的I/O单元的概略。
在图2中，I/O单元A1具有负责数值控制装置1(CNC)以及其他I/O单元A2的信号的收发的主收发部件11、外部信号收发部件12、以及诊断用电路13。然后，在外部信号收发部件12上设置经由接点C1的输出线21、经由接点C4的输入线22、和分别经由接点C2、C3的诊断用回线23、24。输出线21以及输入线22连接到该I/O单元A1担当输入输出的自动机械M1。
在接点C1～C4内，连接外部信号的输出线21以及输入线22的接点C1、C4是常闭型接点，只要不从诊断用电路13输出打开指令就保持闭合状态(导通状态)，当从诊断用电路13输出诊断开始信号时，成为打开状态(非导通状态)，当输出诊断结束信号时返回闭合状态(导通状态)。对此，连接诊断用回线23、24的接点C2、C3是长开型接点，当从诊断用电路13输出诊断开始信号时成为闭合状态(导通状态)，当输出诊断结束信号时返回打开状态(非导通状态)。
通常，定期进行I/O单元A1的诊断。为此在I/O单元A1内设置定时器(省略图示)，在该定时器中所设定的每一规定时间(例如10分)使诊断用电路13动作。于是，从诊断用电路13输出诊断开始信号，打开接点C1、C4，闭合接点C2、C3。接着，从诊断用电路13输出的诊断用信号(规定的数字信号数据组)向外部信号收发部件12发送，该被发送的信号通过处于闭合状态的接点C2以及诊断用回线23来检查是否正常返回诊断用电路13。
另外，从诊断用电路13输入的诊断用信号(规定的数字信号数据组)通过诊断用回线24以及处于闭合状态的接点C3向外部信号收发部件12发送，检查该被发送的信号是否正常返回诊断用电路13。当关于输入输出的任何一个有异常时，用某种设备(例如蜂鸣器)向操作员通报异常。
此外，输入线22以及输出线21连接控制对象的自动机械M1(机床等)，在诊断时间以外，通过处于闭合状态的接点C1、C4进行各种外部信号(伺服轴的同步信号，复位信号，重写信号，紧急停止信号等)的收发。另外，在图2所示的例子中，主收发部件11连接于CNC1以及与I/O单元A1不同的具有同样结构的I/O单元A2的主收发部件。
在用一台CNC控制多个机床的系统中，例如如图1所示，当在各个机床(一般为自动机械)M1～M5上连接I/O单元A1～A5时，如上所述，I/O单元A1的主收发部件连接于CNC以及I/O单元A2的主收发部件。此外在I/O单元A2的主收发部件和I/O单元A3的主收发部件之间、I/O单元A3的主收发部件和I/O单元A4的主收发部件之间、I/O单元A4的主收发部件和I/O单元A5的主收发部件之间也相互连接。
符号B1～B3是与CNC连接的外部装置(M1～M5以外的机床，机器人等)，来自这些外部装置的信号有时也通过CNC向各I/O单元A1、A2……发送。这样的信号也是一种“外部信号”。一般，外部信号指伺服控制信号以外的自动机械控制信号。众所周知，对各自动机械M1～M5的各轴进行伺服控制的信号(伺服控制信号；反馈信号等)，在M1～M5之间不经由I/O单元A1～A5进行交换。
在进行如图1所示的连接的情况下，平常时(诊断时间以外)，在CNC内部生成的外部信号或者从外部信号源(外部装置B1～B3)交付CNC的外部信号，在以I/O单元A1→A2→A3→A4→A5转发的过程中，各I/O单元所需要的外部信号在各主收发部件中被选择性接收，被接收的外部信号通过输出线向对应的机床M1～M5输出。
另外，从机床M2～M5向对应的I/O单元A2～A5输出的外部信号，顺次利用位于CNC侧的其他I/O单元进行转发，并发送至CNC。从机床M1向对应的I/O单元A1输出的外部信号直接发送至CNC。
如上述的例子所示，在使用多个I/O单元的情况下，需要进行各I/O单元的动作检查，因此在现有技术中需要在每一个I/O单元内设置如上所述的诊断用电路。即，在现有技术中与I/O单元的多寡无关在每个I/O单元内必须设置诊断用电路，由此系统变得复杂，导致成本升高。
在公知的文献申没有发现解决这样的问题的简便技术。在特开2005-25260号公报中提出了用于确保在安全信号的输入输出中使用的单元的安全性的技术，但是其内容是考虑通过使传送信号的电路具有冗余性来确保局部发生异常时的安全的方法，未公开在各个I/O单元内不设置诊断用电路、也能够进行I/O单元的诊断的技术。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种技术，其用于即使在用数值控制装置来控制机床等自动机械时使用了多个I/O单元的情况下，也能够不用在各个I/O单元中装备诊断电路就进行这些I/O单元的诊断。本发明通过用数值控制装置进行关于是否保持着各I/O单元内部电路的正常状态的动作检查来解决上述课题。
在控制自动机械的数值控制装置与分别具备外部信号的输出线以及输入线的多个外部信号输入输出单元连接的系统中，实施本发明的、用于对外部信号输入输出单元的动作是否正常进行诊断的诊断方法，并且该诊断方法包括如下步骤：从所述数值控制装置向各个所述外部信号输入输出单元发送诊断用信号的步骤；接收所述诊断用信号的外部信号输入输出单元，将该诊断用信号通过经由输出线导入输入线的回路，返回到所述数值控制装置的步骤；以及根据返回到所述数值控制装置的诊断用信号，来诊断所述外部信号输入输出单元的动作有无异常的步骤。
可以周期地重复所述的、向外部信号输入输出单元发送诊断用信号的步骤；向所述数值控制装置返回该诊断用信号的步骤；以及诊断所述外部信号输入输出单元的动作有无异常的步骤。
所述自动机械也可以是机床。
此外，本发明的外部信号输入输出单元的诊断系统具有：自动机械；控制所述自动机械的数值控制装置；与该数值控制装置连接、并分别具有外部信号的输出线和输入线的多个外部信号输入输出单元；以及诊断各个所述外部信号输入输出单元的动作是否正常的诊断机构。并且，所述数值控制装置具有向各外部信号输入输出单元发送诊断用信号的诊断用信号传送机构，各个所述外部信号输入输出单元具有诊断用信号返回机构，该诊断用信号返回机构接收由所述诊断用信号传送机构发送的所述诊断用信号，并通过经由输出线导入输入线的回路，返回到所述数值控制装置。这样，所述诊断机构被设置在所述数值控制装置中，所述诊断机构根据利用所述诊断用信号返回机构而返回到所述数值控制装置的诊断用信号，来诊断各个所述外部信号输入输出单元的动作是否正常。
所述诊断用信号传送机构可以周期地重复所述诊断用信号向各个所述外部信号输入输出单元发送。
所述自动机械也可以是机床。
根据本发明，用数值控制装置进行是否保持着I/O单元的内部电路的正常状态的动作检查，所以不需要在I/O单元内设置诊断用电路，可以使I/O单元的结构简单化。另外，在经济上是有利的。此外，即使在使用多个I/O单元的情况下，也能够使用一台CNC来诊断不具有诊断用电路的个别I/O单元，这样系统结构变得简单，在经济上有利的。
附图说明
参照附图对以下实施例进行说明，使本发明的上述以及其他的目的和特征变得明确。附图中：
图1是表示数值控制装置、自动机械、I/O单元以及外部信号源的连接关系的一例的图。
图2用框图表示了I/O单元的一个现有技术例。
图3A是表示本发明的外部信号输入输出单元的诊断系统的一实施形态的框图，表示该外部信号输入输出单元处于执行通常的通信时(执行诊断以外时)的状态，
图3B表示对图3A所示的外部信号输入输出单元进行诊断时的状态。
具体实施方式
图3A的框图表示根据本发明一个实施形态的I/O单元执行通常的通信时的状态，另外，图3B的框图表示诊断该I/O单元的状态时的状态。
在图3A以及图3B中，I/O单元A1具有：控制与数值控制装置1(CNC)的信号收发的主收发部件11、以及外部信号收发部件12。该I/O单元A1和图2所示的现有技术的I/O单元不同，不具有诊断用电路。
在外部信号收发部件12上设置有：经由接点C5的输出线21、经由接点C8的输入线22、通过接点C6、C7的诊断用回线25。这些输出线21以及输入线22与I/O单元A1担当输入输出的自动机械M1连接。
在接点C5～C8内，与外部信号的输入线22连接的接点C8是常闭型接点，平常时(执行诊断时以外的时间)如图3A所示保持闭合状态(导通状态)，但是在执行诊断时如图3B所示成为打开状态(非导通状态)，诊断结束时返回闭合状态(导通状态)。此外，输出线的接点C5在执行诊断时可以处于打开状态(非导通状态)也可以处于闭合状态(导通状态)。对此，在诊断用回线中设置的接点C6、C7是常开型的接点，平常时(执行诊断时以外的时间)如图3A所示保持打开状态(非导通状态)，但是在执行诊断时如图3B所示成为闭合状态(导通状态)，诊断结束时返回打开状态(非导通状态)。
输入线22以及输出线21与控制对象的自动机械M1(机床等)连接，在平常时(执行诊断时以外的时间)如图3A所示通过处于闭合状态的接点C5、C8进行各种外部信号(伺服轴的同步信号、复位信号、重写信号、紧急停止信号等)的收发。在本发明中以在一台CNC上连接多个I/O单元进行使用的情况作为前提，一般，在连接线上最接近CNC侧的I/O单元A1的主收发部件11，如图3A以及图3B所示与紧邻着CNC1以及I/O单元A1的I/O单元A2的主收发部件连接。
作为在一台CNC上连接有多个I/O单元的系统结构，这里考虑了上述图1中所例示的结构。如上所述，在该系统结构中I/O单元A1～A5分别与机床(一般是自动机械)M1～M5连接，如上所述，I/O单元A1的主收发部件11连接CNC1以及I/O单元A2的主收发部件。
此外，还相互连接I/O单元A2的主收发部件和I/O单元A3的主收发部件之间、I/O单元A3的主收发部件和I/O单元A4的主收发部件之间、以及I/O单元A4的主收发部件和I/O单元A5的主收发部件之间。I/O单元A2～A4的部件结构以及功能，除与该主收发部件相关的连接关系之外，和参照图2说明的I/O单元A1相同。此外，符号B1～B3是与CNC连接的外部装置(M1～M5以外的机床、机器人等)。
在该图3A以及图3B所示的I/O单元A1中，与图2所示的I/O单元A1的情况相同，有时也通过CNC1将来自外部装置B1～B3的信号(外部信号)发送至各I/O单元A1、A2……，另外，对自动机械M1～M5的各轴进行伺服控制的信号(伺服控制信号、反馈信号等)，可不经由I/O单元A1～A5与各自动机械M1～M5之间进行交换。
在进行了图1所示的连接的情况下，平常时(执行诊断时以外的时间)，在CNC1内部生成的外部信号或者从外部信号源(外部装置B1～B3)交付到CNC1的外部信号，以与I/O单元A1→A2→A3→A4→A5转发的过程，通过各I/O单元的主收发部件来选择性地接收必要的外部信号，被接收的外部信号通过输出线向对应的机床M1～M5输出。
另外，从机床M2～M5向对应的I/O单元A2～A5输出的外部信号，顺次经由位于CNC1侧的其他I/O单元转发并发送至CNC1。例如，从机床M4向对应的I/O单元A4输出的外部信号，经由I/O单元A3、A2、A1的各主收发部件发送至CNC1。从机床M1向对应的I/O单元A1输出的外部信号，直接发送至CNC1。
在本实施形态中如上所述，使用各I/O单元A1～A5输入各机床(一般是自动机械)的、或者从这些机床输出的外部信号是数字信号，以信号数据组p的形式输入输出并传送。这里，各信号数据组p，如图3A以及图3B所示具有“诊断结果位”。该诊断结果位在平常时(执行诊断时以外的时间)为“0”，在执行诊断时为“1”。另外，在从CNC1输出的各信号数据组p的头部分写入确定信号发送目的地的I/O单元的数据(发送目的地指定数据)。
在各I/O单元的主收发部件每次接收数据组P时读取这些发送目的地指定数据以及诊断结果位的数据(0或1)。对发送目的地指定自身的I/O单元，而且，如果诊断结果位的数据是“0”则在数据组p中包含“通常的DO(数字输出)数据”，所以将该数据交给自身的I/O单元中的外部信号收发部件。外部信号收发部件将其输出至通过接点C5(闭合状态)的输出线。
如果在发送目的地中包含位于CNC1下游侧的I/O单元，则向相邻的I/O单元的主收发部件转发数据组p。例如，发送目的地是I/O单元A1，而且如果诊断结果位的数据是“0”，则如图3A所示将该数据组p向I/O单元A1的外部信号收发部件12交付。该外部信号收发部件12将该数据组p输出至通过接点C5(闭合状态)的输出线，并传送至自动机械M1。
另外，在发送目的地例如是I/O单元A3的情况下，与诊断结果位的数据无关，将数据组p向I/O单元A2的主收发部件转发。I/O单元A2对于接收到的数据组p进行同样的判断，并向下一I/O单元A3的主收发部件转发。因为I/O单元A3是发送目的地，所以I/O单元A3接收该数据组p。
这里，如果数据组p中的诊断结果位的数据是“0”，则向I/O单元A3的外部信号收发部件交付该数据组p(注意，各I/O单元A1～A5在主收发部件的连接目的地以外的点具有相同的结构和功能)。然后，I/O单元A3的外部信号收发部件将该数据组p通过接点C5(闭合状态)向输出线输出，向自动机械M3传送。
各I/O单元的主收发部件，在每次接收数据组p时读取这些发送目的地指定数据和诊断结果位的数据(0或1)。对发送目的地指定自身的I/O单元，而且如果诊断结果位的数据是“0”，则在数据组中包含通常的DO数据，所以将该数据组向自身的I/O单元中的外部信号收发部件交付。外部信号收发部件将其通过接点C5(闭合状态)向输出线输出。
关于从自动机械M1～M5输出的外部信号也是同样。即，外部信号取数据组p的形态，如图3A所示，在该数据组p中写入诊断结果位、识别是从哪个自动机械M1～M5输出的信号的数据(发送源指定数据)以及“通常的DI(数字输入)数据”。此外，因为从自动机械M1～M5不输出诊断用信号，所以诊断结果位始终为“0”。
以下，对从自动机械M1～M5输出的外部信号的流程进行例示。使用I/O单元A4的输入线通过接点C8向I/O单元A4的外部信号收发部件交付从自动机械M4输出的外部信号。该外部信号收发部件将该外部信号向I/O单元A4的主信号收发部件交付。该主信号收发部件将该外部信号向邻近CNC侧的I/O单元A3转发。信号还经由I/O单元A2、I/O单元A1的各主信号收发部件向CNC1传送。
在执行诊断时，首先，CNC1与通常的用于I/O数据收发不同，如图3B所示，把诊断结果位是“1”的数据组p向各I/O单元A1～A5发送。当各I/O单元的主收发部件接收该数据组p时，在外部信号收发部件的DO信号输入输出端以及DI信号输入输出端使DO用的线(输出线)和DI用的线(输入线)短路。这里，使用以符号EN表示的接点C5～C8的控制端子来同时进行C5、C8的打开以及接点C6、C7的闭合。此外，接点C5也可以保持闭合状态不变。
这里，在诊断结果位是“1”的数据组p中，包含诊断用的DO数据。该诊断用的数据组p，通过由上述短路形成的诊断用回路返回到外部信号收发部件12。外部信号收发部件12将该返回的数据组p交付给主收发部件11。主收发部件11直接(I/O单元A1的情况)、或者经由更接近CNC1侧的I/O单元的主收发部件(I/O单元A2～A5的情况)作为诊断结果用DI数据向CNC1交付。此外，如果由上述短路而形成的诊断用回路通过了包含诊断用DI数据的数据组p，则立即解除(使用接点C5～C8的控制端子来闭合接点C5、C8，打开接点C6、C7)。
在CNC1中装备判别有无“异常”的软件，CNC1的CPU(未图示)判断有无异常。如果对于某一个I/O单元有异常时，则使用某种设备(例如蜂鸣器)向操作员通报异常。此外，在执行诊断时CNC1接收的诊断结果用DI数据(数据组数据)表示哪个I/O单元的诊断结果，可以用写入到头中的发送目的地数据来进行判断，该头包含在从CNC1输出时的诊断用数据组中。其原因在于，各I/O单元A1～A5的主收发部件不用接收送达地是自身I/O单元以外的数据组p交付至外部信号收发部件，另外，在通过诊断用回路返回到CNC1期间，也没有消除发送目的地数据。
对CNC中进行的异常判定的处理算法没有特别地限定，可以考虑各种算法。例如，可以检查规定的二进制位数的数值是否在规定的时间内无数据变形地返回CNC1。另外，最好能够在CNC的操作部可变地设定执行诊断的定时(周期)。作为周期的例子有每一分钟一次、每10分钟一次等。
另外，还可以利用操作部的手动输入来进行随时诊断。此外，典型的自动机械M1～M5为机床，但如果是用CNC1(机器人控制装置也视为是其一种)控制、并需要外部信号输入输出的自动机械(例如机器人)，则也可以不是机床。自动机械的台数在上述实施形态中例示为5台，在2台以上的条件下没有特别限制。

Claims (6)

1.一种诊断方法，用于在控制自动机械的数值控制装置与分别具备外部信号的输出线以及输入线的多个外部信号输入输出单元连接的系统中，诊断各外部信号输入输出单元的动作是否正常，其特征在于，包括如下步骤：
从所述数值控制装置向各个所述外部信号输入输出单元发送诊断用信号的步骤；
接收所述诊断用信号的外部信号输入输出单元，将该诊断用信号通过经由输出线导入输入线的回路，返回到所述数值控制装置的步骤；以及
根据返回到所述数值控制装置的诊断用信号，来诊断所述外部信号输入输出单元的动作有无异常的步骤。
2.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，
周期地重复三个步骤，即，向外部信号输入输出单元发送诊断用信号的步骤；向所述数值控制装置返回该诊断用信号的步骤；以及诊断所述外部信号输入输出单元的动作有无异常的步骤。
3.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，
所述自动机械为机床。
4.一种诊断系统，具有：自动机械；控制所述自动机械的数值控制装置；与该数值控制装置连接、并分别具有外部信号的输出线和输入线的多个外部信号输入输出单元；以及诊断各个所述外部信号输入输出单元的动作是否正常的诊断机构，其特征在于，
所述数值控制装置具有向各外部信号输入输出单元发送诊断用信号的诊断用信号传送机构，
各个所述外部信号输入输出单元具有诊断用信号返回机构，该诊断用信号返回机构接收由所述诊断用信号传送机构发送的所述诊断用信号，并通过经由输出线导入输入线的回路，返回到所述数值控制装置，
所述诊断机构被设置在所述数值控制装置中，所述诊断机构根据利用所述诊断用信号返回机构而返回到所述数值控制装置的诊断用信号，来诊断各个所述外部信号输入输出单元的动作是否正常。
5.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，
所述诊断用信号传送机构周期地重复所述诊断用信号向各个所述外部信号输入输出单元发送。
6.根据权利要求4所述的诊断系统，其特征在于，
所述自动机械为机床。
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