JP2013196135A - データ収集モジュールおよびプログラマブルコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】軸のぶれを検出するために、軸の２回転以上の期間、定周期でエンコーダが出力する原点検出信号と軸の変位信号を取り込み、軸の回転速度が一定と仮定して軸の回転角度と変位信号を関連づけて保存していたが、データバッファのサイズが大きくなり、かつ回転速度の変化に対応できなかった。これらの課題を解決することを目的にする。
【解決手段】エンコーダの出力パルス信号をカウンタでカウントし、前記パルス信号が入力する毎にカウント値と変位データを取り込み、これらのデータを関連づけてデータバッファに保存するようにした。データバッファのサイズを小さくでき、かつ軸の回転速度が変化しても、正確に変位データを保存できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アナログデータとエンコーダの出力を収集するモジュールに関し、特にプログラマブルコントローラ（以下ＰＬＣと言う）に用いて好適なデータ収集モジュールおよびこのデータ収集モジュールを用いたプログラマブルコントローラに関するものである。

ＰＬＣはマイクロプロセッサを内蔵し、リレー回路を原型としたステートマシンを動作モデルとする制御装置であり、主としてラダー図でプログラミングされる。

図６に、工作機等回転する機械の軸ぶれを監視するシステムの構成を示す。図６において、１０は工作機、１１は軸受け１２に支えられた工作機１０の軸である。工作機１０と軸受け１２は架台１３に固定されている。

１４はロータリーエンコーダであり、軸１１の回転を検出する。ロータリーエンコーダ１４は、軸１１の原点が特定の位置に来たときに原点検出信号を出力すると共に、回転角度に応じたパルス信号を出力する。１５は軸１１に近接して配置された変位センサであり、軸１１のぶれを測定する。

２０はデータ収集モジュールであり、図示しないＰＬＣに内蔵される。データ収集モジュール２０は、アナログ入力部２１、２２、ＡＤ変換器２３、２４、データバッファ２５、およびコントローラ部２６で構成される。ロータリーエンコーダ１４が出力する原点検出信号はアナログ入力部２１に入力され、ＡＤ変換器２３を経由してデータバッファ２５に保存される。

変位センサ１５の出力信号はアンプ１６で増幅され、アナログ入力部２２に入力される。アナログ入力部２２の出力信号はＡＤ変換器２４でデジタル値に変換された後、データバッファ２５に保存される。

コントローラ部２６は一定周期でＡＤ変換器２３、２４に変換開始信号を出力し、ＡＤ変換器２３、２４はこの変換開始信号が入力されると、アナログ入力部２１、２２の出力信号をデジタル値に変換する。データバッファ２５は変換されたデジタル値を順番に保存する。コントロール部２６は、データバッファ２５に保存されたデータを編集して、モジュール間バスを介して外部に出力する。

次に、図７に基づいて図６の監視システムの動作を説明する。図７（Ａ）は変位センサ１５が出力する変位信号、（Ｂ）はロータリーエンコーダ１４が出力する原点検出信号の波形である。原点検出信号は、軸１１の原点が特定の位置に来たことを示すパルス信号である。データバッファ２５は、少なくとも軸１１の回転周期の２倍の期間、一定周期で変位信号および原点検出信号を取り込んで順番に保存する。

データの保存が終了すると、コントロール部２６はデータバッファ２５にアクセスして原点検出信号をサーチし、この原点検出信号で挟まれた期間を等分割する。図７では時刻Ｔ１とＴ２で原点検出信号が出力されているので、時刻Ｔ１とＴ２の間を等分割する。３０は、等分割された目盛りを表す。

そして、等分割された目盛りの各々について、対応する変位信号を特定する。変位信号と原点検出信号は一定周期で保存されるので、時刻Ｔ１を基準とした変位信号の保存時刻を算出することができる。

軸１１が１回転する間回転速度が変化しないとすると、目盛り３０の各目盛りは軸１１の回転角度に対応する。例えば、時刻Ｔ１とＴ２の間を３６０等分すると、１目盛りは回転角度１度に対応する。このようにすることにより、どの角度で軸１１のぶれが大きいかを測定することができる。この構成では、読み出し周期に依存せず、データを収集、保存することができるという特徴がある。

特許文献１には、アナログ入力処理部を備えた、サーボドライブのプログラマブルロジックコントローラシステムが記載されている。

特開２００５−２５０８８３号公報

しかしながら、このようなデータ収集モジュールには、次のような課題があった。
図６のデータ収集モジュールはアナログ入力部２１を用いて原点検出信号を検出しているが、原点検出信号の発生時刻を予想することができず、かつ変位信号の保存が終了した後に回転角度と変位信号を関連づけるので、軸１１の回転周期の少なくとも２周期分変位信号と原点検出信号を保存しなければならない。このため、データバッファ２５のサイズが大きくなってしまうという課題があった。

また、データ収集後に保存したデータをサーチして原点検出信号を探さなければならないので、データ処理に時間がかかり、リアルタイムのデータを取得することが難しいという課題もあった。

さらに、原点検出信号の１周期の間軸１１の回転速度が変化しないと仮定して変位信号と回転角度の関連づけを行っているので、回転速度が変化しているときは、正確なデータを取得することができないという課題もあった。

本発明の目的は、リアルタイムで回転角度とそれに関連する変位データを取得できる、簡単な構成のデータ収集モジュール、およびこのデータ収集モジュールを内蔵したプログラマブルコントローラを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
回転角度を検出するエンコーダの出力パルス信号と前記回転角度に関連するアナログ信号を収集するデータ収集モジュールにおいて、
前記エンコーダの出力パルス信号が入力されるエンコーダ入力部と、
前記エンコーダ入力部によって制御され、前記エンコーダの出力パルス信号をカウントするカウンタと、
前記アナログ信号をデジタル値に変換するＡＤ変換器と、
前記カウンタがカウントしたカウント値と前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値を関連づけて保存するデータバッファと、
を備えたものである。データバッファのサイズを小さくでき、かつ回転速度が変化しても、正確にデータを収集できる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記ＡＤ変換器を少なくとも２つ具備し、前記データバッファは、前記カウント値とこれらＡＤ変換器が変換したデジタル値を関連づけて保存するようにしたものである。複数のアナログ信号を回転角度に関連づけて収集できる。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記エンコーダ入力部および前記カウンタを少なくとも２つ具備し、前記データバッファは、これらカウンタのカウント値と関連する前記デジタル値を関連づけて保存するようにしたものである。複数のエンコーダに対応できる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記データバッファは、前記デジタル値を前記カウント値の直近に保存するようにしたものである。簡単にカウント値とデジタル値を関連づけて保存できる。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４いずれかに記載されたデータ収集モジュールを具備したプログラマブルコントローラに関するものである。エンコーダ出力とアナログ信号を関連づけて保存できる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、３、４、および５の発明によれば、エンコーダの出力パルス信号をカウンタでカウントし、このカウンタのカウント値とアナログ信号を変換したデジタル値を関連づけて保存するようにした。

データ収集時にカウント値とデジタル値を関連づけて保存するようにしたので、余分なデータを保存する必要がなくなる。このため、データを保存するデータバッファのサイズを小さくすることができるという効果がある。

また、データ収集と同時に保存するので、データ収集後にデータ処理を行う必要がない。このため、リアルタイムでデータ収集を行うことができ、かつ回転角度が変化しても正確にデータを収集できるという効果もある。

さらに、このデータ収集モジュールをＰＬＣに用いることにより、正確な制御ができるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 ロータリーエンコーダ１４と変位センサ１５の出力信号の波形図である。 データバッファ４５の保存形式を表した図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 データバッファ６３の保存形式を表した図である。 従来のデータ収集モジュールの構成図である。 従来のデータ収集モジュールの動作を説明するための図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るデータ収集モジュールの一実施例を示した構成図である。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

このデータ収集モジュールは、図示しないＰＬＣに内蔵される。ＰＬＣはデータ収集モジュールが収集したデータに基づいて、工作機等回転する機械を制御する。

図１において、工作機１０と軸受け１２は架台１３に固定されている。工作機１０の軸１１は軸受け１２で支えられ、この軸１１にはその回転角度を検出するロータリーエンコーダ１４が取り付けられる。軸１１のぶれは変位センサ１５で検出される。この構成は、図６と同じである。なお、ロータリーエンコーダ１４はエンコーダに相当する。

４０はデータ収集モジュールであり、エンコーダ入力部４１、カウンタ４２、アナログ入力部４３、ＡＤ変換器４４、データバッファ４５、およびコントローラ部４６で構成される。

エンコーダ入力部４１には、ロータリーエンコーダ１４の出力であるパルス信号が入力される。エンコーダ入力部４１は、ロータリーエンコーダ１４が出力するパルス信号からカウンタ４２を制御する信号を生成し、この生成した信号、およびロータリーエンコーダ１４の出力パルス信号をカウンタ４２に出力する。

カウンタ４２は、エンコーダ入力部４１が出力するパルス信号をカウントし、このカウント値をデータバッファ４５に出力する。また、このパルス信号が入力されたことを表す信号を、コントローラ部４６に出力する。

変位センサ１５の出力信号はアンプ１６を経由してアナログ入力部４３に入力される。アナログ入力部４３は、入力された信号をＡＤ変換器４４に出力する。

コントローラ部４６は、カウンタ４２にパルスが入力されたことを表す信号が入力されると、ＡＤ変換器４４に変換開始信号を出力する。ＡＤ変換部４４は、この変換開始信号が入力されると、入力されたアナログ信号をデジタル値に変換して出力する。

なお、「関連づけて保存する」とは、カウント値から同時に収集したデジタル値を取り出せるように保存することを言う。

コントローラ部４６は、ＡＤ変換器４４の変換が終了すると、データバッファ４５に保存指令信号を出力する。データバッファ４５はこの保存指令信号が入力されると、カウンタ４２のカウント値とＡＤ変換器４４の出力デジタル値を関連づけて保存する。コントローラ部４６は、モジュール間バスを介して、データバッファ４５に保存されたデータを他のモジュールに送信する。

図２に、ロータリーエンコーダ１４の出力信号の例を示す。図２において、（Ａ）は変位センサ１５が検出した、軸１１の軸ぶれを表す変位信号、（Ｂ）は軸１１の原点が特定の位置に来たことを表す原点検出信号、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれロータリーエンコーダ１４の出力信号であるＡ相信号、Ｂ相信号である。Ａ相信号、Ｂ相信号はいずれも軸１１が所定の角度（例えば１度）回転したときに１パルス出力されるが、位相がずれている。Ａ相信号、Ｂ相信号のどちらの位相が進んでいるかを検出することにより、軸１１の回転方向を特定することができる。また、Ａ相信号あるいはＢ相信号を積算することにより、軸１１の回転角度を測定することができる。

次に、この実施例の動作を説明する。原点検出信号が入力されると、エンコーダ入力部４１はカウンタ４２にクリア信号を出力する。カウンタ４２のカウント値は、このクリア信号によって０にクリアされる。

Ａ相信号、Ｂ相信号が入力されると、エンコーダ入力部４１はこれらの信号の位相関係から軸１１の回転方向を特定し、カウンタ４２に加算するか減算するかを指示し、Ａ相信号またはＢ相信号のパルス信号を出力する。カウンタ４２は、このパルス信号を加算、あるいは減算する。

Ａ相またはＢ相パルス信号が入力されると、カウンタ４２はコントローラ部４６にパルス信号が入力されたことを表す信号を出力する。コントローラ部４６は、この信号が入力されると、ＡＤ変換器４４に変換開始信号を出力する。ＡＤ変換器４４は、この変換開始信号が入力されるとアナログデジタル変換を開始し、変換したデジタル値を出力する。すなわち、ロータリーエンコーダ１４の出力パルス信号をトリガとして、カウンタ４２のカウント値とアナログ信号を変換したデジタル値を保存する。

ＡＤ変換器４４の変換が終了したタイミングで、コントローラ部４６はデータバッファ４５に保存指令信号を出力する。データバッファ４５は、この保存指令信号が入力されると、カウンタ４２のカウント値とＡＤ変換器４４の出力デジタル値を関連づけて保存する。

図３に、データバッファ４５の保存形式の一例を示す。図３において、５０、５２はそれぞれカウンタ４２のｎ番目、（ｎ＋１）番目のカウント値であり、軸１１の回転角度に対応する。また、５１、５３はそれぞれカウント値５０、５２に対応するＡＤ変換器４４の出力デジタル値であり、変位センサ１５が検出した軸ぶれに対応する。

この実施例では、カウンタ４２のカウント値とＡＤ変換器４４の出力デジタル値を交互にかつ測定順に並べて保存する。例えば、偶数アドレスにカウント値を、その直近の奇数アドレスに出力デジタル値を保存する。このようにすると、カウント値とデジタル値を関連づけるデータが不要になるので、データバッファ４５のサイズを小さくすることができる。

カウント値が変化したときに、このカウント値と変位データを関連づけて保存するので、保存後にデータを編集して回転角度と変位データの関連づけをする必要がなくなる。このため、リアルタイムでデータを保存することができる。

また、保存後に編集しないので、余分なデータを保存する必要がない。このため、データバッファ４５のサイズを小さくすることができる。

さらに、回転角度を表すカウント値と変位データの両方を保存するので、回転速度が変化しても、正確な変位データを得ることができる。

図４に、本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は、ロータリーエンコーダ１４の１つのデータに対して、２つ以上のアナログデータを対応させるようにしたものである。

図４において、６０はデータ収集モジュールであり、エンコーダ入力部４１、カウンタ４２、アナログ入力部６１ａ〜６１ｎ、ＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎ、データバッファ６３、およびコントローラ部６４で構成される。アナログ入力部６１ａ〜６１ｎ、ＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎは、それぞれＮ（Ｎ＞１）個ある。

アナログ入力部６１ａ〜６１ｎには、それぞれアナログ信号ａ〜アナログ信号ｎが入力される。このアナログ信号ａ〜アナログ信号ｎは、それぞれＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎでデジタル値に変換される。アナログ信号ａ〜アナログ信号ｎは、軸１１の異なった部分の変位データ、あるいは軸１１の回転と関連する他の部分の変位データである。

カウンタ４２にパルス信号が入力されると、カウンタ４２はコントローラ部６４にパルス信号が入力されたことを表す信号を出力する。コントローラ部６４は、この信号が入力されると、ＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎに変換開始信号を出力する。

変換が終了するタイミングで、コントローラ部６４はデータバッファ６３に保存指令信号を出力する。データバッファ６３は、保存指令信号が入力されるとカウンタ４２のカウント値とＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎの出力デジタル値を関連づけて保存する。コントローラ部６４は、データバッファ６３に保存されたデータを、モジュール間バスを介して他のモジュールに送信する。

図５に、データバッファ６３の保存形式の一例を示す。図５において、７０はｎ番目のカウント値、７１ａ〜７１ｎはそれぞれカウント値７０に関連するＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎの出力デジタル値である。また、７２は（ｎ＋１）番目のカウント値、７３ａ〜７３ｎはそれぞれカウント値７２に関連するＡＤ変換器６２ａ〜６２ｎの出力デジタル値である。このように、カウント値の直近に関連するデジタル値を保存することにより、簡単に関連づけを行うことができる。

なお、図４実施例ではエンコーダ入力部、カウンタをそれぞれ１つとしたが、これらを２つ以上設け、複数のパルス信号が入力できるようにしてもよい。この場合、どのアナログ信号がどのパルス信号に関連しているかがわかるように、データバッファ６３に保存すればよい。

また、これらの実施例では、ロータリーエンコーダ１４の出力パルス信号の１パルス毎にデータを保存するようにしたが、２パルス以上毎に保存するようにしてもよい。また、ロータリーエンコーダ１４の出力パルス信号とは異なる信号に同期して保存するようにしてもよく、また一定周期で保存するようにしてもよい。

また、これらの実施例ではカウンタとして加減算カウンタを用い、Ａ相信号、Ｂ相信号の位相によって加算するか減算するかを決定するようにしたが、軸１１の回転方向が１方向のみの場合は、加算カウントのみ行うカウンタを用いてもよい。

また、これらの実施例ではコントローラ部がデータバッファに保存指令信号を出力するようにしたが、データバッファにエンコーダ入力部４１の出力パルス信号、あるいは他のタイミング信号を入力し、これらのタイミング信号に基づいて保存するようにしてもよい。また、データバッファがＡＤ変換器に変換開始信号を出力するようにしてもよい。

また、図１実施例では軸ぶれデータをカウント値に関連づけるようにしたが、回転する物体の回転角度に関係する他のデータを関連づけるようにしてもよい。

さらに、図１、図４実施例ではアナログ入力部４３、６１ａ〜６１ｎを経由してアナログ信号をＡＤ変換器４４、６２ａ〜６２ｎに入力するようにしたが、アナログ入力部を経由しないで直接ＡＤ変換器に入力するようにしてもよい。また、図１実施例のアンプ１６は必ずしも必要ではない。

１０ 工作機
１１ 軸
１４ ロータリーエンコーダ
１５ 変位センサ
４０、６０ データ収集モジュール
４１ エンコーダ入力部
４２ カウンタ
４３、６１ａ〜６１ｎ アナログ入力部
４４、６２ａ〜６２ｎ ＡＤ変換器
４５、６３ データバッファ
４６、６４ コントローラ部

Claims (5)

1. 回転角度を検出するエンコーダの出力パルス信号と前記回転角度に関連するアナログ信号を収集するデータ収集モジュールにおいて、
   前記エンコーダの出力パルス信号が入力されるエンコーダ入力部と、
   前記エンコーダ入力部によって制御され、前記エンコーダの出力パルス信号をカウントするカウンタと、
   前記アナログ信号をデジタル値に変換するＡＤ変換器と、
   前記カウンタがカウントしたカウント値と前記ＡＤ変換器が変換したデジタル値を関連づけて保存するデータバッファと、
   を備えたことを特徴とするデータ収集モジュール。
2. 前記ＡＤ変換器を少なくとも２つ具備し、前記データバッファは、前記カウント値とこれらＡＤ変換器が変換したデジタル値を関連づけて保存するようにしたことを特徴とする請求項１記載のデータ収集モジュール。
3. 前記エンコーダ入力部および前記カウンタを少なくとも２つ具備し、前記データバッファは、これらカウンタのカウント値と関連する前記デジタル値を関連づけて保存するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のデータ収集モジュール。
4. 前記データバッファは、前記デジタル値を前記カウント値の直近に保存するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のデータ収集モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４いずれかに記載されたデータ収集モジュールを具備したことを特徴とするプログラマブルコントローラ。

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