JP2015162124A - 制御装置、制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータに対する指令の内容が実行されるまでの時間を短縮する。【解決手段】制御装置２０は、制御装置の外部から制御装置に入力される信号を処理する通信ユニット２１０と、通信ユニット２１０による処理の結果に基づいてアクチュエータ３０、３１を駆動する駆動ユニット２２０，２３０とを備える。通信ユニット２１０は、制御装置２０に入力される信号を取得するＤＩＯインタフェース部２１１と、シーケンス制御を実行するためのプログラムＰ１を記憶する補助記憶部２１４と、入力された信号に基づいてプログラムＰ１を実行することにより、アクチュエータ３０、３１各々に対する動作の指令を示す指令信号を処理の結果として生成するプロセッサ２１２と、を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、制御装置、制御システム及び制御方法に関する。

種々の作業の自動化に寄与する産業用ロボットは、アクチュエータを有している。このアクチュエータは、駆動源として例えばモータを備えるため、モータを駆動するためのパルス電力等を外部の制御装置から供給されて動作することが多い。

さらに、アクチュエータの制御装置は、シーケンス制御を実行するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ、Programmable Logic Controller）からの指令に従って、アクチュエータを制御することがある。プラグラマブルコントローラは、複数の制御装置へ指令を通知することにより、工場等に分散して配置された多数のアクチュエータの集中制御をすることができる（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開平８−３３９２１０号公報 特開平９−６４１２号公報

プログラマブルコントローラは、フィールドネットワークを介して制御装置へ指令を通知する。このフィールドネットワークは、種々のプロトコルに従って信号を伝送するネットワークである。制御装置は、種々のプロトコルに従って伝送された信号を受信したときには、受信した信号からアクチュエータに対する指令の内容を読み出すために、プロトコルの変換等を行う必要がある。このため、フィールドネットワークを介した信号の伝送及びこの信号が従うプロトコルの変換等による遅延が生じていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、アクチュエータに対する指令の内容が実行されるまでの時間を短縮することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る制御装置は、
複数のアクチュエータを制御する制御装置であって、
制御装置の外部から制御装置に入力される入力信号を処理する通信ユニットと、
前記通信ユニットによる処理の結果に基づいて前記複数のアクチュエータ各々を駆動する複数の駆動ユニットと、を備え、
前記通信ユニットは、
前記入力信号を取得する入力部と、
シーケンス制御を実行するためのプログラムを記憶する記憶部と、
前記入力部によって取得された前記入力信号に基づいて前記記憶部に記憶される前記プログラムを実行することにより、前記複数のアクチュエータ各々に対する動作の指令を示す指令信号を前記処理の結果として生成するプロセッサと、を有する。

前記複数のアクチュエータは、サーボモータを有する第１アクチュエータと、ステッピングモータを有する第２アクチュエータとを含み、
前記複数の駆動ユニットは、前記第１アクチュエータを駆動する第１駆動ユニットと、前記第２アクチュエータを駆動する第２駆動ユニットとを含み、
前記第１駆動ユニットは、サーボモータを駆動するための第１駆動回路を用いて前記第１アクチュエータを駆動し、
前記第２駆動ユニットは、ステッピングモータを駆動するための第２駆動回路を用いて前記第２アクチュエータを駆動してもよい。

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る制御システムは、
プログラマブルコントローラと、
前記プログラマブルコントローラに接続された本発明の第１の観点に係る制御装置と、
を備える。

上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係る制御方法は、
通信ユニットと複数の駆動ユニットとを備える制御装置が複数のアクチュエータを制御する制御方法であって、
前記通信ユニットが、前記制御装置の外部から前記制御装置に入力される入力信号を処理する通信ステップと、
前記複数の駆動ユニット各々が、前記通信ステップにおける処理の結果に基づいて前記複数のアクチュエータ各々を駆動する駆動ステップと、を含み、
前記通信ステップでは、
前記通信ユニットを構成するプロセッサが、前記入力信号に基づいて、シーケンス制御を実行するためのプログラムを実行することにより、前記複数のアクチュエータ各々に対する動作の指令を示す指令信号を前記処理の結果として生成する。

本発明によれば、制御装置がシーケンス制御を実行して、アクチュエータを駆動する。このため、アクチュエータに対する指令は、フィールドネットワークを経由することなく、アクチュエータの駆動に用いられる。これにより、アクチュエータに対する指令の内容が実行されるまでの時間を短縮することができる。

制御システムの構成を示す図である。 制御装置の構成を示す図である。 アクチュエータの一例を示す図である。 変形例に係る駆動ユニットの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、本実施形態に係る制御システム１００の構成が示されている。制御システム１００は、例えば工場等に分散して配置されたアクチュエータ群の集中制御を行うためのシステムである。図１に示されるように、制御システム１００は、プログラマブルコントローラ１０、制御装置２０，２１、及びアクチュエータ３０，３１，３２，３３を有している。

プログラマブルコントローラ１０は、ＤＩＯ（Discrete Input Output）モジュールを有し、このＤＩＯモジュールに接続された通信線を介して複数の制御装置２０，２１と通信可能に接続されている。プログラマブルコントローラ１０は、アクチュエータ３０〜３３を制御するためのトリガとなる信号として、ハイレベル又はローレベルのパラレル信号を制御装置２０，２１へ送信することにより、アクチュエータ３０〜３３の集中制御を行う。

制御装置２０は、アクチュエータ３０，３１を制御する装置であって、制御装置２１は、アクチュエータ３２，３３を制御する装置である。制御装置２０，２１各々は、プログラマブルコントローラ１０から受信した信号に基づいて、アクチュエータ３０〜３３を制御する。

図２には、制御装置２０の構成が示されている。図２に示されるように、制御装置２０は、通信ユニット２１０、及び駆動ユニット２２０，２３０を有している。

通信ユニット２１０は、例えば、種々の電気素子等を含む１枚の基板として形成される。通信ユニット２１０は、プログラマブルコントローラ１０から制御装置２０に入力された信号を処理する。本実施形態では、通信ユニット２１０は、プログラマブルコントローラ１０から受信した信号に基づいてシーケンス制御を実行して、アクチュエータ３０，３１各々に対する動作の指令を駆動ユニット２２０，２３０各々に通知する。

通信ユニット２１０は、ＤＩＯインタフェース部２１１、プロセッサ２１２、主記憶部２１３、補助記憶部２１４、入力インタフェース部２１５、出力インタフェース部２１６、及びＲＳ４８５インタフェース部２１７，２１８を有している。ＤＩＯインタフェース部２１１、主記憶部２１３、補助記憶部２１４、入力インタフェース部２１５、出力インタフェース部２１６、及びＲＳ４８５インタフェース部２１７，２１８はいずれも、内部バスを介してプロセッサ２１２に接続されている。

ＤＩＯインタフェース部２１１は、ケーブルを接続するための端子、及びインタフェース回路を含んで構成される。ＤＩＯインタフェース部２１１は、プラグラマブルコントローラ１０から送信された信号を受信して、受信した信号をプロセッサ２１２に通知する。

プロセッサ２１２は、例えばマイクロプロセッサ等の論理演算回路と、キャッシュメモリとを含んで構成される。プロセッサ２１２は、例えば、所定のパターン（ビット列）を示す信号がＤＩＯインタフェース部２１１によって受信されたときに、補助記憶部２１４に記憶されるプログラムＰ１を実行することによりシーケンス制御を実行する。そして、プロセッサ２１２は、シーケンス制御を実行することにより、アクチュエータ３０，３１に対する動作の指令を示す信号を、通信ユニット２１０による処理の結果として生成する。

主記憶部２１３は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成される。主記憶部２１３は、プロセッサ２１２の作業領域として用いられる。なお、主記憶部２１３は、１つのＬＳＩ（Large Scale Integration）としてプロセッサ２１２と一体的に形成されていてもよい。

補助記憶部２１４は、例えばＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）等の不揮発性メモリである。補助記憶部２１４は、プログラムＰ１の他、プロセッサ２１２の処理に用いられる種々のデータを記憶している。プログラムＰ１は、シーケンス制御を実行するためのプログラムであって、例えばインタプリタ方式で実行されるラダープログラムである。

入力インタフェース部２１５は、制御装置２０の外部の機器と接続して、この機器から制御装置２０に入力される情報を取得する。また、出力インタフェース部２１６は、制御装置２０の外部へ情報を出力する。例えば、入力インタフェース部２１５及び出力インタフェース部２１６は、タッチスクリーンを有する端末とケーブルを介して接続される。制御装置２０のユーザは、この端末に表示されるＧＵＩ（Graphical User Interface）を用いて、ラダー言語で記述されるラダープログラムを入力することができる。入力インタフェース部２１５から入力されたラダープログラムは、プロセッサ２１２によって補助記憶部２１４に格納される。

ＲＳ４８５インタフェース部２１７，２１８各々は、ＲＳ４８５の規格に従う信号を駆動ユニット２２０，２３０との間で送受信することにより、プロセッサ２１２と駆動ユニット２２０，２３０各々との通信を中継する。

駆動ユニット２２０は、例えば、種々の電気素子等を含む１枚の基板として形成される。駆動ユニット２２０は、通信ユニット２１０からの指示に従ってアクチュエータ３０を駆動する。駆動ユニット２２０は、ＲＳ４８５インタフェース部２２１、制御部２２２、駆動回路２２３、及びエンコーダインタフェース部２２４を有している。ＲＳ４８５インタフェース部２２１、駆動回路２２３、及びエンコーダインタフェース部２２４はいずれも、内部バスを介して制御部２２２に接続されている。

ＲＳ４８５インタフェース部２２１は、通信ユニット２１０のＲＳ４８５インタフェース部２１７と通信線を介して接続されている。ＲＳ４８５インタフェース部２２１は、ＲＳ４８５の規格に従う信号をＲＳ４８５インタフェース部２１７との間で送受信することにより、制御部２２２と通信ユニット２１０との通信を中継する。

制御部２２２は、マイクロプロセッサ及びマイクロプロセッサの作業領域として用いられるＲＡＭ等を含んで構成される。制御部２２２は、通信ユニット２１０から通知された指令に従って駆動回路２２３を制御する。また、制御部２２２は、エンコーダインタフェース部２２４を介してアクチュエータ３０のエンコーダ３０４（図３参照）の出力値を取得し、この出力値に基づいて駆動回路２２３を制御する。

駆動回路２２３は、アクチュエータ３０のモータにパルス電力を供給することにより、モータの回転軸を回転させる。この回転軸の回転角度や回転速度は、制御部２２２による制御に従う。本実施形態に係る駆動回路２２３は、例えばステッピングモータを駆動するための回路である。

駆動ユニット２３０は、駆動ユニット２２０と同等の構成を備えている。すなわち、駆動ユニット２３０は、ＲＳ４８５インタフェース部２１８と通信するＲＳ４８５インタフェース部２３１、マイクロプロセッサ等を含んで構成される制御部２３２、アクチュエータ３１のモータを駆動する駆動回路２３３、及び、アクチュエータ３１のエンコーダの出力値を制御部２３２へ通知するエンコーダインタフェース部２３４を有している。ただし、本実施形態に係る駆動回路２３３は、例えばサーボモータを駆動するための回路である。

アクチュエータ３０〜３３各々は、例えば電動リニアアクチュエータである。図３には、アクチュエータ３０の構成が示されている。図３に示されるように、アクチュエータ３０は、そのハウジングに収容されたステッピングモータ３０１、ボールねじ３０２、スライダ３０３、及びエンコーダ３０４を有している。

ステッピングモータ３０１の回転軸は、ボールねじ３０２に連結されている。ステッピングモータ３０１は、制御装置２０から入力されたパルス電力に応じて、ボールねじ３０２を回転させる。これにより、スライダ３０３がＸ軸方向に移動する。また、エンコーダ３０４は、例えば磁気式のロータリーエンコーダであって、ステッピングモータ３０１の回転角及び回転速度を検出する。

アクチュエータ３１，３２，３３各々は、基本的にはアクチュエータ３０と同等の構成を備えている。ただし、アクチュエータ３１，３３はサーボモータを有し、アクチュエータ３２は、ステッピングモータを有している。また、アクチュエータ３０〜３３各々に対する指令の内容は、例えば、スライダの目標位置、スライダの移動速度、及びスライダの加減速度等を指定するものである。

以上説明したように、本実施の形態に係る制御装置２０のプロセッサ２１２は、プログラムＰ１を実行して、この実行の結果としてアクチュエータ３０，３１各々に対する動作の指令を示す信号を生成する。そして、駆動ユニット２２０，２３０各々は、プロセッサ２１２によって生成された指令信号に基づいてアクチュエータ３０，３１各々を駆動する。

これにより、アクチュエータ３０，３１に対する動作の指令内容を示す信号は、制御装置２０の内部でのみ伝送される。このため、指令の内容が短い時間で伝達される。一方、制御装置２０とプログラマブルコントローラ１０との間のフィールドネットワークでは、制御装置２０によるシーケンス制御を開始するためのトリガとなる信号のみが伝送される。その結果、プログラマブルコントローラ１０からアクチュエータ３０，３１までの単位時間あたりの情報伝達量（情報伝達速度）が向上する。

発明者等は、プログラマブルコントローラ１０がシーケンス制御を実行してアクチュエータ３０に対する動作の指令がフィールドネットワーク上で伝送される場合と、制御装置２０がシーケンス制御を実行する場合とで、情報伝達速度を比較する実験を行った。指令の内容は、アクチュエータ３０のスライダ３０３を１０００回往復させるものとした。その結果、制御装置２０がシーケンス制御を実行する場合について、指令の内容が完了するまでにかかる時間が６〜８％程度短縮した。

また、制御装置２０は、ステッピングモータ３０１を駆動するための駆動回路２２３を有する駆動ユニット２２０と、サーボモータを駆動するための駆動回路２３３を有する駆動ユニット２３０とを含んで構成された。制御装置２０がこのように構成される場合には、制御装置２０は、プログラマブルコントローラ１０と駆動ユニット２２０，２３０との通信を中継する通信ユニット２１０を備える必要がある。ここで、通信ユニット２１０のプロセッサ２１２が通信の中継処理のみを実行するときには、このプロセッサ２１２にかかる処理負荷が比較的小さいといえる。しかしながら、本実施形態に係る制御装置２０では、プロセッサ２１２がシーケンス制御も実行するため、通信ユニット２１０のハードウェア資源を有効活用することとなる。

また、制御装置が複数のアクチュエータを制御する場合において、プログラマブルコントローラがシーケンス制御を実行すると、多数のアクチュエータがプログラマブルコントローラによるシーケンス制御の対象となる。このときには、プログラマブルコントローラにかかる処理負荷が大きいと考えられる。

これに対して、本実施形態に係るプログラマブルコントローラ１０は、制御装置２０，２１各々についてのシーケンス制御を実行することなく、制御装置２０，２１各々がシーケンス制御を開始するためのトリガとなる信号を適当なタイミングで送信すればよい。このため、プログラマブルコントローラ１０にかかる処理負荷を軽減することができる。また、プログラマブルコントローラ１０として安価なものを採用することが可能となり、コストを削減することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、制御装置２０が有する駆動ユニットの数は、３つ以上であってもよい。また、１つの駆動ユニットは、複数のアクチュエータを駆動してもよい。図４には、２つのアクチュエータを駆動する駆動ユニット２４が一例として示されている。この駆動ユニット２４では、制御部２４２が、駆動回路２４３，２４５を制御し、エンコーダインタフェース部２４４，２４６からエンコーダの出力値を取得することにより、ステッピングモータを有する２つのアクチュエータを駆動する。

また、通信ユニット２１０は、ＤＩＯインタフェース部２１１を有していたが、プログラマブルコントローラからファンクションブロックの入力を受け付けるモジュールを有してもよい。

また、制御装置２０は、プログラマブルコントローラ１０と接続されなくてもよい。例えば、制御装置２０は、ユーザの端末から入力インタフェース部２１５を介して受信した信号をトリガとして、シーケンス制御を実行してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１００ 制御システム
１０ プログラマブルコントローラ
２０，２１ 制御装置
２１０ 通信ユニット
２１１ ＤＩＯインタフェース部
２１２ プロセッサ
２１３ 主記憶部
２１４ 補助記憶部
２１５ 入力インタフェース部
２１６ 出力インタフェース部
２１７，２１８，２２１，２３１ ＲＳ４８５インタフェース部
２２０，２３０ 駆動ユニット
２２２，２３２ 制御部
２２３，２３３，２４３，２４５ 駆動回路
２２４，２３４，２４４，２４６ エンコーダインタフェース部
３０，３１，３２，３３ アクチュエータ
３０１ ステッピングモータ
３０２ ボールねじ
３０３ スライダ
３０４ エンコーダ

Claims (4)

1. 複数のアクチュエータを制御する制御装置であって、
   制御装置の外部から制御装置に入力される入力信号を処理する通信ユニットと、
   前記通信ユニットによる処理の結果に基づいて前記複数のアクチュエータ各々を駆動する複数の駆動ユニットと、を備え、
   前記通信ユニットは、
   前記入力信号を取得する入力部と、
   シーケンス制御を実行するためのプログラムを記憶する記憶部と、
   前記入力部によって取得された前記入力信号に基づいて前記記憶部に記憶される前記プログラムを実行することにより、前記複数のアクチュエータ各々に対する動作の指令を示す指令信号を前記処理の結果として生成するプロセッサと、を有する、制御装置。
2. 前記複数のアクチュエータは、サーボモータを有する第１アクチュエータと、ステッピングモータを有する第２アクチュエータとを含み、
   前記複数の駆動ユニットは、前記第１アクチュエータを駆動する第１駆動ユニットと、前記第２アクチュエータを駆動する第２駆動ユニットとを含み、
   前記第１駆動ユニットは、サーボモータを駆動するための第１駆動回路を用いて前記第１アクチュエータを駆動し、
   前記第２駆動ユニットは、ステッピングモータを駆動するための第２駆動回路を用いて前記第２アクチュエータを駆動する、
   請求項１に記載の制御装置。
3. プログラマブルコントローラと、
   前記プログラマブルコントローラに接続された請求項１又は２に記載の制御装置と、
   を備える制御システム。
4. 通信ユニットと複数の駆動ユニットとを備える制御装置が複数のアクチュエータを制御する制御方法であって、
   前記通信ユニットが、前記制御装置の外部から前記制御装置に入力される入力信号を処理する通信ステップと、
   前記複数の駆動ユニット各々が、前記通信ステップにおける処理の結果に基づいて前記複数のアクチュエータ各々を駆動する駆動ステップと、を含み、
   前記通信ステップでは、
   前記通信ユニットを構成するプロセッサが、前記入力信号に基づいて、シーケンス制御を実行するためのプログラムを実行することにより、前記複数のアクチュエータ各々に対する動作の指令を示す指令信号を前記処理の結果として生成する、制御方法。

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