JP2013134561A

JP2013134561A - プログラマブルコントローラ

Info

Publication number: JP2013134561A
Application number: JP2011283335A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Uchiyama; 良一内山
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-08

Abstract

【課題】
ＡＣ入力回路を備えたプログラマブルコントローラにおいて、ＡＣ入力回路にフォトカプラを配置し、フォトカプラのＯＦＦ時間幅を測定し、予め登録したしきい値によりＡＣ入力電圧の値を算出し、広範囲なＡＣ電源電圧で入力可能なプログラマブルコントローラを提供する。
【解決手段】
ＡＣ入力電源と、該ＡＣ入力電源に直列に、スイッチとコンデンサと第１の抵抗を接続し、さらにフォトカプラを接続し、該フォトカプラに並列に第２の抵抗を接続したＡＣ入力回路を備えたプログラマブルコントローラであって、前記フォトカプラの出力部に、入力信号取り出し回路を接続し、フォトカプラのＯＦＦ時間幅を測定し、ＡＣ入力電圧の適正なしきい値とにより比較することで入力電圧を把握できるため、広範囲のＡＣ電源電圧にて入力可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に限られた電源種類（ＡＣ電源のみ）の環境で、多種のＡＣ電源電圧によりスイッチのＯＮ／ＯＦＦ情報を取り込む標準のＡＣ入力機能を備えたプログラマブルコントローラに関する。

従来技術の方式について、図８に示したＡＣ入力回路について説明する。
図８のＡＣ入力回路において、１は入力回路で、２はスイッチ、３はＡＣ電源、４は入力電流制限用コンデンサ、５は突入電流制限用抵抗、６はしきい値設定用抵抗、７はフォトカプラ、８はデジタルフィルタ回路、９は演算回路である。
ＡＣ入力回路は、検出しようとするスイッチのＯＮ／ＯＦＦ情報をＡＣ電源により流れる電流値を検出して取り込むことを目的としている。

次に、このＡＣ入力回路の動作について説明する。
ＡＣ入力回路において、スイッチ２がＯＮすると、ＡＣ電源３により入力電流はコンデンサ４、抵抗５、フォトカプラ７の順に流れる。コンデンサ４は入力電流の制限を決定し、抵抗５はスイッチ２がＯＮになった瞬間の突入電流を制限する。
この検出しようとする入力電流値の入力ＯＮとＯＦＦの境目の電流値をしきい値と呼ぶ。

スイッチＯＦＦ時でも入力電線が長ければノイズが誘導されノイズによる電流が流れることがあるため、通常、ＡＣ電源電圧の約半分の電源電圧による入力電流をしきい値としている。
このしきい値は、主に図８の抵抗６の値で決定される。なぜならフォトカプラ７の入力の２端子間はほぼ一定の電圧が保たれる特性のため、抵抗６の値で、フォトカプラ入力に分流開始する電流値が決定される。フォトカプラ入力に分流開始すると、フォトカプラの出力がＯＮする。
抵抗６の値が小さいと、フォトカプラに分流され難く、しきい値電圧が高くなる。抵抗６の値が高いと、フォトカプラに分流しやすくなり、少ない電流でＯＮするため、しきい値電圧が低くなる。
したがって、ＡＣ電源の電圧が１００Ｖの場合と、ＡＣ２００Ｖの場合とでは、しきい値が異なるため、ＡＣ入力回路のしきい値を決める抵抗値６の値が異なり、ＡＣ１００Ｖ電源の場合の入力回路、ＡＣ２００Ｖ電源の場合の入力回路、それぞれ専用に値の異なる抵抗を設けなければならない。
よって、ユーザの使用するＡＣ電源電圧がＡＣ１００Ｖの場合と、ＡＣ２００Ｖの場合とで、準備するＡＣ入力回路は、それぞれの電圧に対応した専用機種が必要となり、複数の機種を揃える必要があった。

また、特許文献1の図２には本発明に似た回路図が記載されているが、特許文献１は定周期で繰り返すノイズを発生する機器の近傍に配置されても誤入力を生じないプログラマブルコントローラに関するもので、本発明とは異なる。

特開２０１０−２７７１３５号公報

従来では、ＡＣ入力回路において、ＡＣ１００Ｖ用又はＡＣ２００Ｖ用とそれぞれしきい値が異なり、しきい値設定用抵抗値が異なるため、専用の入力回路を複数個揃えなければならなかった。

本発明の目的は、ＡＣ入力電源電圧を自動的に検出し、この電源電圧に対応するしきい値を設定し、ＡＣ１００ＶからＡＣ２００Ｖ等の広範囲のＡＣ入力を可能とし、１機種のみにて広範囲の電源電圧に対応できるＡＣ入力回路を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ＡＣ入力電源と、該ＡＣ入力電源に直列に、スイッチとコンデンサと第１の抵抗を接続し、さらにフォトカプラを接続し、該フォトカプラに並列に第２の抵抗を接続したＡＣ入力回路を備えたプログラマブルコントローラであって、前記フォトカプラの出力部に、入力信号取り出し回路とデジタルフィルタ回路及び演算回路を接続したことを特徴とする。

また、前記プログラマブルコントローラにおいて、前記フォトカプラの出力信号で、該フォトカプラがＯＦＦとなる時間幅をカウントし、ＡＣ入力電圧値を算出することを特徴とする。

また、上記のプログラマブルコントローラにおいて、前記フォトカプラの出力信号で、ＯＦＦとなる時間幅をカウントし、該カウント値と被アックするＡＣ入力電圧の適正なしきい値をＡＣ入力電圧の半分の値としたことを特徴とする。

従来は、ＡＣ入力の電源電圧が異なった分だけ専用のＡＣ入力回路が複数必要であり、その複数のＡＣ入力回路から電源電圧に対応したＡＣ入力回路を選択する手間や、メーカ側では複数のＡＣ入力回路を揃える必要があるためコストが高くなり、また誤って使用する恐れがあった。

本発明は、ＡＣ入力回路を１個ですなわち標準化したＡＣ入力回路により、上記の従来の問題を解消し、ＡＣ１００ＶからＡＣ２００Ｖ等の範囲内で入力する電源電圧を検出し、
この電源電圧に対応した適正なしきい値により信頼性の高いＡＣ入力回路を実現できる。

本発明のＡＣ入力回路の構成図を示す図である。図２のＡＣ入力回路の各部の信号波形を示す図である。ＡＣ入力電圧としきい値の関係及びフォトカプラの出力波形を示す図である。ＡＣ入力回路のフォトカプラの出力波形を示す図である。入力電圧がＡＣ１００Ｖ及び２００Ｖの場合のフォトカプラの出力波形を示す図である。本発明と従来技術の場合のＡＣ入力電圧としきい値の関係及びフォトカプラの出力波形を示す。本発明の入力信号取り出し回路の構成を示す回路図を示す。従来技術のＡＣ入力回路の構成図を示す。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
（実施例１）
図１は、本発明のＡＣ入力回路の図を示す。
図１において、１は入力回路で、２はスイッチ、３はＡＣ電源、４は入力電流制限用コンデンサ、５は突入電流制限用抵抗、６はしきい値設定用抵抗、７はフォトカプラ、８はデジタルフィルタ回路、９は演算回路、１０はフォトカプラ７の出力に接続した入力信号取り出し回路で、図８に示した従来のＡＣ入力回路の構成と異なるのは入力信号取り出し回路１０である。

次にこの入力信号取り出し回路１０の動作について説明する。
図２に本発明のＡＣ入力回路の各部の信号波形を示す。
図２（ｂ）において、（Ａ）はスイッチ２がＯＮしたときのＡＣ電源電圧の波形を表し、（Ｂ）はフォトカプラ７の入力端子間の信号波形で、特性上約±１Ｖの電圧波形である。
（Ｂ）の信号波形において、０Ｖをクロスする近傍はフォトカプラ７の入力に電流が流れない領域であるため、フォトカプラ７の出力はＯＦＦとなる。
従って、フォトカプラの出力端子の信号波形は（Ｃ）に示した信号波形となる。すなわち、フォトカプラの出力信号波形において、ＯＮ状態はフォトカプラ７のトランジスタがＯＮしている状態であり、ＯＦＦ状態はフォトカプラ７のトランジスタがＯＦＦしている状態で、約５Ｖ付近（Ｈ“レベル）となっている。

また、入力信号取り出し回路１０は、（Ｃ）の信号を元にＡＣ入力電圧の検出と、この検出したＡＣ入力電圧による適正なしきい値の設定、さらにこのしきい値によりスイッチ２のＯＮ／ＯＦＦ状態を取り出す処理を行う。

次に、入力信号取り出し回路１０において、ＡＣ入力電圧を検出する検出方法について説明する。
図３は、ＡＣ入力電圧の検出、及びスイッチ２のＯＮ／ＯＦＦの状態を知ることが容易となるように、図２（ｂ）の（Ｃ）の信号波形のＯＦＦ（“Ｈ”レベル）時間の幅を大きく取るように工夫した図を示す。
従来技術において、抵抗６は入力ＯＮ／ＯＦＦの境目であるしきい値を決める抵抗であり、本発明では抵抗６の値を小さくしてしきい値を高めに設定している。
これによりフォトカプラのＯＦＦの時間幅が大きく、逆にＯＮの時間幅が小さい状態になり、検出し易くなっている。

図３は、ＡＣ１００Ｖ入力時とＡＣ２００Ｖ入力時の図２（ｂ）の（Ａ）の波形を示しており、フォトカプラ７がＯＮ／ＯＦＦするしきい値を示している。
図３の信号波形図において、フォトカプラ７のＯＦＦ時間幅を検出し易くするため、従来のしきい値より本発明のしきい値はその電圧を高く設定している。
また、ＡＣ１００Ｖ，ＡＣ２００Ｖのそれぞれの入力電圧に対し、本発明のしきい値より０Ｖとクロスしている範囲は、フォトカプラ７がＯＦＦの状態となり、フォトカプラ7の出力波形を図３の下の図に示す。
この図３の下の図によると、ＡＣ１００Ｖ入力時の“Ｈ”レベルの時間幅とＡＣ２００Ｖ入力時の“Ｈ”レベルの時間幅を比較すると、ＡＣ１００Ｖ入力時の方が“Ｈ”レベルの時間幅が大きく、ＡＣ２００Ｖ入力時の方が小さい。これによりフォトカプラ７のＯＦＦ時間幅は、入力電圧値に反比例する特性であることが分かる。すなわち、このフォトカプラ７のＯＦＦ(“Ｈ”レベル)時間を測定すればＡＣ入力の電圧値を検出することができる。

図３の下側のフォトカプラ７の出力波形図を図４に再掲する。
図４において、ＡＣ１００Ｖ入力時とＡＣ２００Ｖ入力時のパルス波形で、それぞれの“Ｈ”レベルの時間幅を測定する方法は、数μsecの信号で“Ｈ”レベルの時間幅をサンプリングし、サンプリングの連続カウント数で”Ｈ“レベルすなわちフォトカプラのＯＦＦ信号の時間幅を把握することができ、最終的にカウント数より入力電圧の値を求めることができる。
図４に示したパルス波形のパルス幅をサンプリングしてカウントすることにより、入力電圧の値を認識して登録する。登録はＡＣ入力動作開始時に限定される。

次に、適正なしきい値の登録方法について説明する。
しきい値は、スイッチ２をＯＮにしてＡＣ入力を取り込み、取り込み開始時より一定期間フォトカプラ７のＯＦＦ時間の幅の平均値を測定することでＡＣ入力電圧値を認識し、この値の半分の電圧値を適正なしきい値をして登録する。

次に、しきい値によりスイッチ２のＯＮ／ＯＦＦの状態を認識する方法について説明する。
図５は、ＡＣ１００Ｖ入力時とＡＣ２００Ｖ入力時の入力データの取り込みの説明図である。図５において、（１）入力電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ＡＣ１００Ｖが入力され、スイッチ２がＯＮ開始時にＡＣ１００Ｖの入力電圧であることを把握し、これより適正なしきい値として半分の電圧値５０Ｖを登録している。
常に、図５の（１）に示したタイムチャートで、フォトカプラ７のＯＦＦ（“Ｈ”レベル）時間幅を測定し、入力されたＡＣ信号から測定されたＯＦＦ時間幅がＡＣ５０Ｖの幅（登録されているしきい値）より小さければスイッチ２を入力ＯＮとして、大きければ入力ＯＦＦとして取り込み、次段のデジタルフィルタ回路へ送る。

次に、（２）入力電圧がＡＣ２００Ｖの場合、（１）の場合と同様に、入力電圧の半分の電圧値、即ち１００Ｖが適正なしきい値として予め登録されている。
そして図６の（２）で示したタイムチャートで、フォトカプラ７がＯＦＦ（“Ｈ”レベル）の時間幅を測定し、入力されたＡＣ信号から測定したＯＦＦ時間幅がＡＣ１００Ｖの幅（登録されているしきい値）よりも小さければ入力ＯＮとし、大きければ入力ＯＦＦとして取り込み、次のデジタルフィルタへ送る。

次に、従来のフォトカプラ７のパルス波形と本発明のパルス波形の相違について、図６を用いて説明する。
図６において、上の図はＡＣ入力の電圧波形を示し、その下の図に従来のフォトカプラの出力波形を、さらにその下に本発明のフォトカプラの出力波形を示す。
従来は、図８のＡＣ入力回路において、抵抗６は入力ＯＮ／ＯＦＦの境目であるしきい値を決める抵抗で、このしきい値を決定する抵抗値が大きく、しきい値の値が小さかった。

従来技術においては、しきい値の電圧値が小さいため、電圧がゼロクロス付近でのフォトカプラ７の出力波形で、フォトカプラＯＦＦ（“Ｈ”レベル）時間の幅が、ＡＣ１００Ｖ入力時もＡＣ２００Ｖ入力時も小さく検出し難くなっている。

また、本発明においては、従来よりしきい値の電圧を大きくしているため、電圧がゼロクロス付近でのフォトカプラの出力で、フォトカプラＯＦＦ（“Ｈ”レベル）時間の幅が従来より大きくなっている。
さらに、ＡＣ１００Ｖ入力時のＯＦＦ時間幅ｔ４とＡＣ２００Ｖ入力時のＯＦＦ時間幅ｔ３を大きくなるようにして、時間幅ｔ４とｔ３の差を大きくし、このＯＦＦ時間幅をサンプリングしてカウントして電圧値を求めて、電圧値の誤差が小さくなるようにしている。

図７は、図１に示した入力信号取り出し回路１０の内部構成を示す回路である。
図７（ａ）の回路図において、入力信号はフォトカプラ７の出力信号で、その信号波形を図７（ｂ）に示す。
図７（ｂ）はフォトカプラＯＦＦ（”Ｈ“レベル）時間幅を発信器回路２０から発信された１０ＭＨｚの信号でカウントしている状態を示した図である。
図７（ｂ）の信号波形で、フォトカプラＯＦＦ（”Ｈ“レベル）時間幅を測定するため、図７（ａ）において、入力信号をカウンタＩＣ２１に接続して入力し、発信回路２０からカウンタＩＣ２１に１０ＭＨｚの信号を入力し、入力信号の”Ｈ“レベルの時間幅をカウントする入力信号はインバータ素子２３を介して、ラッチＩＣ２４に接続し、入力信号の反転した信号をトリガとしてカウンタＩＣの内容をラッチＩＣに取り込み、ラッチする。ここで、上記のカウンタＩＣ２１に接続し入力するフォトカプラの出力信号即ち入力信号は、発信器回路２０の信号とフォトカプラの出力信号をＡＮＤ素子２２を介してカウンタＩＣ２１のクリア端子に接続している。
また、レジスタＩＣ２６はしきい値登録値格納用レジスタで、しきい値登録信号でトリガが掛かり、しきい値登録値がラッチされる。ここで、しきい値登録信号とは、制御回路より出力される信号で、運転制御開始時あるいは指定されたタイミング信号である。
比較器ＩＣ２５は、入力信号を発信回路２０の１０ＭＨｚの信号でカウントし、ラッチＩＣにラッチした入力信号のＯＦＦ時間幅のカウント値と、しきい値登録値とを比較する比較器である。比較器ＩＣ２５の出力信号を図８（Ｃ）に示す。
この出力信号は、“入力信号のカウント値＜しきい値登録値”の関係のとき、“Ｈ”レベル(入力ＯＮ)を出力し、“入力信号のカウント値＞しきい値登録値”の関係のとき、“Ｌ”レベル(入力ＯＦＦ)を出力する。

以上の動作により、入力信号取り出し回路１０は、広範囲のＡＣ入力電圧に対し適正なしきい値にて、信頼性の高い入力ＯＮ／ＯＦＦ信号を取り出すことができる。

１‥入力回路２‥スイッチ
３‥ＡＣ電源４‥入力電流制限用コンデンサ
５‥突入電流制限用抵抗６‥しきい値設定用抵抗
７‥フォトカプラ８‥デジタルフィルタ回路
９‥演算回路１０‥入力信号取り出し回路
２０‥発信器回路２１‥カウンタＩＣ
２４‥ラッチＩＣ２５‥比較器ＩＣ
２６‥レジスタＩＣ

Claims

ＡＣ入力電源と、
該ＡＣ入力電源に直列に、スイッチとコンデンサと第１の抵抗を接続し、さらにフォトカプラを接続し、
該フォトカプラに並列に第２の抵抗を接続したＡＣ入力回路を備えたプログラマブルコントローラであって、
前記フォトカプラの出力に入力信号取り出し回路とデジタルフィルタ回路及び演算回路を接続したことを特徴とするプログラマブルコントローラ。
請求項１記載のプログラマブルコントローラにおいて、
前記フォトカプラの出力信号で、該フォトカプラがＯＦＦとなる時間幅をカウントし、ＡＣ入力電圧値を算出することを特徴とするプログラマブルコントローラ。
請求項２記載のプログラマブルコントローラにおいて、
前記フォトカプラの出力信号で、該フォトカプラがＯＦＦとなる時間幅をカウントし、該カウント値と比較する入力電圧の適正なしきい値を入力電圧の半分の値としたことを特徴とするプログラマブルコントローラ。
請求項１記載のプログラマブルコントローラにおいて、
前記入力信号取り出し回路は、
前記フォトカプラの出力信号を高周波信号でサンプリングしカウントするカウンタＩＣと、
該カウンタＩＣの値を該フォトカプラの出力信号でトリガかけてラッチするラッチＩＣと、
しきい値登録値をラッチするレジスタＩＣと、
前記ラッチＩＣと該レジスタＩＣの値を比較する比較器ＩＣと、より構成されることを特徴とするプログラマブルコントローラ。