JP2016206842A

JP2016206842A - 制御装置

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Publication number: JP2016206842A
Application number: JP2015085983A
Authority: JP
Inventors: 新山本; Arata Yamamoto; 青山　直樹; Naoki Aoyama; 直樹青山; 健男榎本; Takeo Enomoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-12-08

Abstract

【課題】機器の入れ替えを必要とすることなく、安全な制御システムを構築できる制御装置を得ること。【解決手段】重故障状態であるか、軽故障状態であるか、安全状態であるかを診断する診断処理部２１ａ，２２ａと、診断の結果を照合する照合処理部２１ｂ，２２ｂとを備えたＣＰＵ２１，２２と、回転軸の位置及び回転速度の少なくとも一方が重故障状態と診断されたら、駆動機器２を停止させる第１の安全停止信号を出力し、回転軸の位置又は回転速度の診断結果が一致しないと判断されたら、制御プログラム２５に定義された安全動作を実行する処理を行う判定部２３とを有する安全演算部１２と、駆動機器２の回転軸の位置又は回転速度を検出する検出部１１ｂ，１１ｃを有する安全エンコーダ部１１と、検出部１１ｂ，１１ｃの検出結果を安全演算部１２に出力するとともに、速度制御器５へ第１の安全停止信号を出力する安全入出力部１３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、装置又はロボットの監視制御を行う制御装置に関する。

近年、産業用ロボットの普及により、工作機械又はロボットと作業者とが協働する機械が増え、安全性の確保に対するニーズが高まっている。工作機械又はロボットと作業者とが同じ空間で作業する場合、旧来の安全システムでは対応できないため、国際電気標準会議（International Electrotechnical Commission, IEC）の国際標準規格ＩＥＣ６１８００−５−２に規定されるような安全規格に準拠して工作機械又はロボットを動作させる必要がある。

ＩＥＣ６１８００−５−２は、安全動作に関する国際標準規格であるが、この規格に準拠して安全な動作を実行するためには、サーボ又はインバータといった速度制御装置と、安全エンコーダとが必要であった。

また、特許文献１には、フィードバック信号を基にサーボドライバで指令値を生成し、セーフティユニットでフィードバック値と指令値とを比較するサーボシステムが開示されている。

特許第５３６７６２３号公報

しかし、現在稼働している既設装置をＩＥＣ６１８００−５−２のような安全規格に対応させるためには、安全システムに用いる機器の入れ替え及び再設定の手間がかかり、ユーザの負担となる。

また、特許文献１では、サーボドライバが不具合を起こした場合は、サーボドライバが生成する値が正しくない可能性がある。サーボドライバが生成する値が正しくない場合は、サーボドライバからの情報が正しい前提で処理を行っているセーフティユニットでは正しい判断をすることができないという問題があった。すなわち、特許文献１は、安全性を向上させることはできるが、安全な制御システムを構築することはできなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機器の入れ替えを必要とすることなく、安全な制御システムを構築できる制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動機器の回転軸の位置又は回転速度を検出する複数の検出部を有する安全エンコーダ部を備える。また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、安全エンコーダ部による回転軸の位置又は回転速度の複数の検出結果の各々に基づいて、回転軸の位置又は回転速度が駆動機器を停止させる必要がある重故障状態であるか、駆動機器を停止させる必要のない軽故障状態であるか、正常である安全状態であるかを診断する診断処理部と、回転軸の位置又は回転速度の診断の結果を照合する照合処理部とを備えた複数の演算装置と、診断処理部が回転軸の位置又は回転速度の少なくとも一方を重故障状態と診断したら、駆動機器を停止させる第１の安全停止信号を出力し、照合処理部が、回転軸の位置又は回転速度の診断結果が一致しないと判断したら、制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行う判定部とを有する安全演算部を備える。また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の検出部の検出結果を安全エンコーダ部から受信して安全演算部に出力するとともに、駆動機器を制御する速度制御器へ第１の安全停止信号を出力する安全入出力部を備える。

本発明によれば、機器の入れ替えを必要とすることなく、安全な制御システムを構築できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかる制御装置である安全コントローラを用いた制御システムの構成を示す図実施の形態にかかる安全コントローラの外観図実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続例を示す図実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続の別の例を示す図実施の形態にかかる非接触方式で駆動機器の回転軸の位置又は回転速度を検出する安全コントローラの外観図実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続例を示す図実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続の別の例を示す図実施の形態にかかる安全コントローラの効果を説明するための制御システムの構成を示す図実施の形態にかかる安全コントローラと同様に安全規格に対応した制御システムの構成を示す図実施の形態にかかる安全コントローラの動作の流れを示すフローチャート実施の形態にかかる安全コントローラの組合せ条件確認処理の一例を示すフローチャート実施の形態にかかる安全コントローラの組合せ条件確認処理の一例を示すフローチャート実施の形態にかかる安全コントローラを用いた制御システムの動作の流れを示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態にかかる制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる制御装置である安全コントローラを用いた制御システムの構成を示す図である。制御システム１０に用いられる安全コントローラ１は、駆動機器２の駆動軸の位置又は回転速度を検出する安全エンコーダ部１１と、各信号の診断及び照合し制御ロジックを実行する安全演算部１２と、制御システム１０に用いられる機器と信号の受け渡しをする安全入出力部１３とを有する。また、安全コントローラ１は、駆動機器２の回転軸のトルクを監視するトルク監視部１４と、駆動機器２の温度を検出する温度監視部１５とを有する。

安全エンコーダ部１１は、円盤部１１ａと検出部１１ｂ，１１ｃとを備えている。円盤部１１ａは、駆動機器２の駆動軸に取り付けられて回転駆動される。検出部１１ｂ，１１ｃは、円盤部１１ａの位置又は回転速度を別々に検出することにより、駆動機器２の回転軸の位置又は回転速度を検出する。

一般的に、駆動機器２に供給される電流と、駆動機器２の回転軸に生じるトルクとは比例関係にある。トルク監視部１４は、三相交流の電源１７から駆動機器２に供給されるＵＶＷの各相について電流を検出する検出部を備えており、ＵＶＷの各相の電流値により駆動機器２の回転軸のトルクを検出し、各相の監視結果を安全入出力部１３に出力する。

温度監視部１５は、温度センサ１５ａ及び温度センサ１５ｂを有しており、温度センサ１５ａ及び温度センサ１５ｂで別々に駆動機器２の温度を検出して、検出結果を安全入出力部１３に出力する。

安全エンコーダ１において、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度は、駆動機器の状態を示す状態情報である。また、安全コントローラ１において、安全エンコーダ部１１、トルク監視部１４及び温度監視部１５は、駆動機器２の状態情報を出力する状態情報源である。安全入出力部１３は、駆動機器２の状態を検出する状態情報源と、駆動機器２を制御する速度制御器５とに接続され、状態情報源の各々から、駆動機器２の状態を示す状態情報を取得する。

安全演算部１２は、演算装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）２１及びＣＰＵ２２を有しており、安全エンコーダ部１１、トルク監視部１４又は温度監視部１５からの信号及び外部からの安全情報を照合する。ＣＰＵ２１は、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度について、正常である安全状態、駆動機器を停止させる必要のない軽故障状態又は駆動機器を停止させる必要のある重故障状態のいずれであるかを診断する診断処理を行う診断処理部２１ａと、診断処理部２１ａの診断結果を診断処理部２２ａの診断結果と照合する照合処理を行う照合処理部２１ｂとを有する。ＣＰＵ２２は、診断処理を行う診断処理部２２ａと、診断処理部２２ａの診断結果と診断処理部２１ａの診断結果とを照合する照合処理を行う照合処理部２２ｂとを有する。すなわち、安全演算部１２は、ＣＰＵ２１，２２の各々で、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度のいずれかについて診断処理部２１ａ，２２ａで診断し、診断処理部２１ａ，２２ａの各々の診断結果を照合処理部２１ｂ，２２ｂで照合する。

また、安全演算部１２は、診断処理によって駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク又は駆動機器２の温度の重故障状態が検出されるか、又は安全入力機器３から異常発生を示す第２の安全停止信号が入力されるかした場合に、駆動機器２を停止させる第１の安全停止信号を出力する処理を行う判定部２３を有する。また、判定部２３は、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の診断結果が、他の診断の結果と一致しないと判断した場合、具体的には、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の全てが重故障状態ではなく、かついずれかが軽故障状態である場合に、メモリ２４に記憶されている安全ロジックの制御プログラム２５に従って駆動機器２を制御することにより、制御プログラム２５に定義された安全動作を実行する処理を行う。

安全演算部１２が実現する駆動安全機能の具体例には、駆動機器２を制御する速度制御器５がトルクを生み出すエネルギーを駆動機器２に供給しないようにするＳＴＯ（Safe Torque Off）、駆動機器２の減速を開始したのち、用途により規定された遅延時間後にＳＴＯを起動するＳＳ１（Safe Stop 1）、駆動機器２の停止位置からのずれを規定量以内に納めるＳＯＳ（Safe Operating Stop）、駆動機器２の減速を開始したのち、用途により規定された遅延時間後にＳＯＳを起動するＳＳ２（Safe Stop 2）、駆動機器２の速度が規定限度値を超えないようにするＳＬＳ（Safely-Limited Speed）、駆動機器２のトルクが規定限度値を超えないようにするＳＬＴ（Safely-Limited Torque）、駆動機器２の加速度が規定限度値を超えないようにするＳＬＡ（Safely-Limited Acceleration）、駆動機器２の加速度又は減速度が規定範囲内となるようにするＳＡＲ（Safe Acceleration Range）、駆動機器２の回転速度が規定範囲内となるようにするＳＳＲ（Safe Speed Range）、駆動機器２の速度が規定限度値以下であることを示す安全信号を出力するＳＳＭ（Safe Speed Monitor）、駆動機器２の回転軸の位置が規定限度値を超えないようにするＳＬＰ（Safely-Limited Position）、駆動機器２の回転軸の位置のインチングが規定限度範囲内となるようにするＳＬＩ（Safely-Limited Increment）、駆動機器２の回転軸が意図しない方向に回転しないようにするＳＤＩ（Safe Direction）、駆動機器２の回転軸の位置が規定範囲になることを示す安全信号を出力するSafe cam、駆動機器２の温度が規定上限値を超えないようにするＳＭＴ（Safe Motor Temperature）及び外部ブレーキをコントローする安全信号を出力するＳＢＣ（Safe Brake Control）を挙げることができる。

安全エンコーダ部１１からの位置速度信号は、安全入出力部１３を通じて安全演算部１２に入力され、安全演算部１２での照合後に安全入出力部１３によって外部へ伝えられる。トルク監視部１４及び温度監視部１５の監視結果も、安全入力部１３を通じて安全演算部１２に入力され、安全演算部１２での照合後に安全入力部１３によって外部へ伝えられる。

また、安全演算部１２は、メモリ２４内に安全ロジックの制御プログラム２５を保持しており、制御プログラム２５を実行することで、安全動作を行うことができる。

安全入出力部１３には、駆動機器２に供給する電流を制御する速度制御器５が接続され、駆動機器２の回転速度は、負荷一定の条件下では駆動機器２に供給される電流と比例関係にある。駆動機器２の回転速度を示す指令値は、安全入出力部１３を通じて速度制御器５から安全演算部１２に入力される。また、安全演算部１２が重故障を検出した場合には、安全入出力部１３を通じて速度制御器５に制御停止信号が出力される。なお、速度制御器５には、インバータ又はサーボアンプを適用できる。速度制御器５は、一般制御機器７によって制御される。一般制御機器７には、プログラマブルロジックコントローラを適用できる。

安全演算部１２は、照合処理部２１ｂ，２２ｂを有するＣＰＵ２１，２２を備えているため、安全入出力部１３を通じて速度制御器５から安全演算部１２に指令値を取り込むことで、指令値が示す速度と安全エンコーダ部１１からフィードバックされた速度とを照合できる。また、安全入出力部１３を通じて速度制御器５から取り込む指令値同士を照合することもできる。

安全入出力部１３は、速度制御器５と電源１７との間に設置された安全出力機器４へ第１の安全停止信号を出力して、非常停止時に駆動機器２を電源１７から遮断する安全出力を有する。安全出力機器４には、マグネットコンタクタを適用できる。また、安全入出力部１３に安全制御機器６及び安全入力機器３と接続することにより、中規模の安全システムも構築できるようになっている。なお、本装置及び安全制御機器６は、国際標準化機構（International Organization for Standardization, ISO）のＩＳＯ１３８４９−１又は国際電気標準会議のＩＥＣ６１５０８シリーズのような国際安全規格に対応し、安全入力機器３及び安全出力機器４と共に使用されて駆動機器２を安全に動作させる機器である。安全出力機器４には、マグネットコンタクタを適用可能であるが、これに限定されることはない。安全制御機器６には、安全通信によって通信可能な安全プログラマブルロジックコントローラを適用できる。また、安全入力機器３には、第２の安全停止信号を出力する装置である非常停止スイッチ又はライトカーテンを適用できる。

また、実施の形態では、安全入出力部１３に安全通信部１６を設けている。安全入出力部１３に安全通信部１６を設けることにより、安全制御機器６との安全通信のために安全入出力部１３に接続する複数の配線を一本の通信ケーブルに纏めることができ、省配線化を実現できる。

図２は、実施の形態にかかる安全コントローラの外観図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図である。安全コントローラ１は、床面のような据付面への固定用の据付部１ａと、上述の円盤部１１ａ及び検出部１１ｂ，１１ｃを保護するカバー部１ｂとを有する。カバー部１ｂには、設定操作及び情報表示用の表示操作パネル３２と、点灯状態及び表示色で駆動機器２の状態を表示する状態表示部３３とが設けられている。

図３は、実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続例を示す図である。安全コントローラ１は、モータ接続金具３１により駆動機器２の駆動軸の出力端に接続されている。駆動機器２と逆側には、駆動対象６１が設置される。すなわち、図３では、駆動機器２と駆動対象６１との間に安全コントローラ１を挿入する形式で、安全コントローラ１が設置されている。

安全コントローラ１は、表示操作パネル３２を有するため、駆動対象６１と接続したままでも設定内容の変更を行うことが可能である。

図４は、実施の形態にかかる安全コントローラの駆動機器との接続の別の例を示す図である。図４に示す構成では、駆動機器２は両軸モータであり、安全コントローラ１は、モータ接続金具３１により駆動機器２の後側の駆動軸に接続されている。図４に示す構成では、安全コントローラ１を駆動機器２に接続しても、駆動機器２と駆動対象６１との位置関係は不変であるため、安全コントローラ１を設置するにあたって、駆動対象６１の設置位置を変更する必要はない。

なお、安全コントローラ１は、駆動機器２の筐体に固定し、非接触方式で駆動機器２の回転軸の位置又は回転速度を検出させることも可能である。非接触方式で駆動機器２の回転軸の回転を検出させる場合には、駆動機器２の回転軸に検出部１１ｂ，１１ｃで検出可能な印を設け、円盤部１１ａは省略した構造とする。検出部１１ｂ，１１ｃで検出可能な印の一例には、複数のスリットによる光学的に検出可能な凹凸を挙げることができる。

図５は、実施の形態にかかる非接触方式で駆動機器の回転軸の位置又は回転速度を検出する非接触型安全コントローラの外観図であり、図５（ａ）は、正面図、図５（ｂ）は側面図である。非接触型安全コントローラ１’は、上述の検出部１１ｂ，１１ｃを保護するカバー部１ｂを有する。カバー部１ｂには、設定操作及び情報表示用の表示操作パネル３２と、点灯状態及び表示色で駆動機器２の状態を表示する状態表示部３３とが設けられている。

図６は、実施の形態にかかる非接触型安全コントローラの駆動機器との接続例を示す図である。非接触型安全コントローラ１’は、駆動機器２の筐体の前側、すなわち、駆動機器２の駆動軸が突出している側に固定されている。図７は、実施の形態にかかる非接触型安全コントローラの駆動機器との接続の別の例を示す図である。図７に示す構成では、駆動機器２は両軸モータであり、非接触型安全コントローラ１’は、駆動機器２の筐体の後側に固定されている。

非接触型安全コントローラ１’は、非接触方式で駆動機器２の回転軸の位置又は回転速度を検出するため、駆動機器２の前後どちらに設置した場合でも、駆動機器２と駆動対象６１との位置関係は不変であり、非接触型安全コントローラ１’を設置するにあたって、駆動対象６１の設置位置を変更する必要はない。以下の説明は、円盤部１１ａを備えた安全コントローラ１を例に行うが、非接触型安全コントローラ１’を用いる場合も同様である。

図８は、実施の形態にかかる安全コントローラの効果を説明するための制御システムの構成を示す図である。図８は、安全制御機器が無く、速度制御器１０５が一般機器である場合の制御システムの構成を示している。制御システム１００は、一般入出力機器１０８が接続された一般制御機器１０７により速度制御器１０５を制御して、エンコーダ１０６を用いたフィードバック制御により駆動機器１０２の回転を制御する。駆動機器１０２と電源１１７との間には、安全出力機器１０４が設けられており、安全出力機器１０４が開くと駆動機器１０２への電力供給が遮断される。駆動機器１０２の周囲には安全入力機器１０３が設置されている。安全入力機器１０３は、ライトカーテン、非常停止スイッチ又はレーザスキャナが適用される。安全入力機器１０３から一般制御機器１０７に異常検知信号が入力されると、一般制御機器１０７は、安全出力機器１０４に第１の安全停止信号を出力して、駆動機器１０２への電力供給を遮断する。

図８に示す制御システム１００では、一般制御機器１０７又は速度制御器１０５が故障しなければ問題は生じないが、一般制御機器１０７又は速度制御器１０５に故障が発生すると、駆動機器１０２を確実に停止できる保証がないため、安全対策がなされていないシステムとなる。

図９は、実施の形態にかかる安全コントローラと同様に安全規格に対応した制御システムの構成を示す図である。図９に示す制御システム２００は、トルクセンサ２４２及び温度センサ２４３と安全制御機器２０６とを導入し、安全対応速度制御器２０５を用いて構成されている。駆動機器２０２と電源２１７との間には、安全出力機器２０４が設けられており、安全出力機器２０４が開くと駆動機器２０２への電力供給が遮断される。駆動機器２０２の周囲には安全入力機器２０３が設置されている。安全入力機器２０３は、ライトカーテン、非常停止スイッチ又はレーザスキャナが適用される。安全入力機器２０３から一般入出力機器２０８が接続された一般制御機器２０７に異常検知信号が入力されると、一般制御機器２０７は、安全出力機器２０４に第１の安全停止信号を出力して、駆動機器２０２への電力供給を遮断する。

制御システム２００は、トルクセンサ２４２及び温度センサ２４３を一般制御機器２０７に接続することにより、ＩＥＣ６１８００−５−２に規定される安全動作を全て実行できる構成となっている。しかし、トルクセンサ２４２と一般制御機器２０７とを接続する配線と、温度センサ２４３と一般制御機器２０７とを接続する配線と、安全制御機器２０６と一般制御機器２０７とを接続する配線とが必要である。また、安全対応速度制御器２０５の制御プログラムと安全制御機器２０６の制御プログラムとを別個に作る必要があるため、ユーザの負担が大きくなる。

図１に示した実施の形態にかかる安全コントローラ１を用いた制御システム１０は、図９に示した制御システム２００と同様に、ＩＥＣ６１８００−５−２に規定される安全動作を全て実行可能である。制御システム１０の構築は、安全コントローラ１を駆動機器２に接続するだけでよいため、ユーザは安全確保以外の一般制御に労力を集中することができる。また、速度制御器５は、安全対応速度制御器である必要はないため、指令値を生成する駆動源の種類によることなく安全が担保される。さらに、安全コントローラ１用の制御プログラム２５のみを作成すればよいため、システム構築時のユーザの負担を軽減できる。

次に、実施の形態にかかる安全コントローラ１の安全動作について説明する。図１０は、実施の形態にかかる安全コントローラの動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０１において、安全演算部１２は、安全対応が必要なモードかを判断する。モードの切替は、表示操作パネル３２に対する操作によって行われる。安全対応が必要なモードでなければ、ステップＳ１０１でＮｏとなり、安全対応が必要なモードであるかの監視を継続する。安全対応が必要なモードであれば、ステップＳ１０１でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０２で、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の少なくともいずれかが重故障状態となっているかを判断する。

駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の少なくともいずれかが重故障状態となっていれば、ステップＳ１０２でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０８で安全動作を行う。ステップＳ１０８で行う安全動作の一例は、ＳＴＯ又はＳＳ１である。駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度のいずれも重故障状態となっていなければ、ステップＳ１０２でＮｏとなり、ステップＳ１０３で、安全演算部１２は、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の全てが安全状態であるかを判断する。

駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の全てが安全状態であれば、ステップＳ１０３でＹｅｓとなり、ステップＳ１０２に進む。駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の少なくともいずれかが安全状態でなければ、ステップＳ１０３でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０４で組合せ条件を確認して安全動作により駆動機器２を停止させる必要があるかを判断する。安全動作により駆動機器２を停止させる必要があれば、ステップＳ１０４でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０８で安全動作を行う。安全動作により駆動機器２を停止させる必要が無ければ、ステップＳ１０４でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０５で組合せ条件に合わせた減速指令又は警告表示を行う。なお、組合せ条件を確認する処理は、安全ロジックの制御プログラム２５によって定義され、安全演算部１２に保持されている。すなわち、ステップＳ１０５では、安全演算部１２は、診断結果の組合せに基づいて、制御プログラム２５に定義された制御を行う。

ステップＳ１０６で、安全演算部１２は、危険が回避されたかを判断する。危険が回避されたか否かの判断は、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の組合せに基づいて行う。危険が回避されたならば、ステップＳ１０６でＹｅｓとなり、ステップＳ１０２に進む。危険が回避されていなければ、ステップＳ１０６でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ１０７で、ユーザ指定の動作を行う。ステップＳ１０７で行うユーザ指定の動作の一例は、ＳＳ２である。

図１１は、実施の形態にかかる安全コントローラの組合せ条件確認処理の一例を示すフローチャートである。図１１は、駆動機器２の回転速度が軽故障状態である場合に駆動機器２の回転軸のトルクの状態との組合せにより安全動作により駆動機器２を停止させる必要があるかを判断する処理であり、駆動機器２の回転軸の回転速度が軽故障状態であるために図１０のステップＳ１０４でＮｏとなった場合のステップＳ１０５の処理の詳細である。ステップＳ２０１において、安全演算部１２は、駆動機器２の回転軸の回転速度が過多であるか不足であるかを確認する。回転速度が不足であれば、ステップＳ２０１でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０２で駆動機器２の回転軸のトルクが過多であるか不足であるかを確認する。トルクが不足であれば、ステップＳ２０２でＹｅｓとなり、ステップＳ２０３で安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要は無いと判断する。トルクが過多であれば、ステップＳ２０２でＮｏとなり、ステップＳ２０４で安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判断する。

一方、駆動機器２の回転軸の回転速度が過多であれば、ステップＳ２０１でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０５でメンテナンスモードであるかを確認する。メンテナンスモードであるならば、ステップＳ２０５でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０４で安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判断する。メンテナンスモードでなければ、ステップＳ２０５でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０６で駆動機器２の回転軸のトルクが過多であるか不足であるかを確認する。トルクが不足であれば、ステップＳ２０６でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０４で安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判断する。トルクが過多であれば、ステップＳ２０６でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ２０３で安全動作により駆動機器２を停止させる必要は無いと判断する。

図１２は、実施の形態にかかる安全コントローラの組合せ条件確認処理の一例を示すフローチャートである。図１２は、駆動機器２の回転軸の回転速度が軽故障状態である場合に指令値との組合せにより過負荷又は無負荷の可能性を判断する処理であり、駆動軸の回転速度が軽故障状態であるために図１０のステップＳ１０４でＮｏとなった場合のステップＳ１０５の処理の詳細である。

ステップＳ３０１で、安全演算部１２は、指令値が制御プログラム２５中に規定された設定範囲内であるか否かを確認する。指令値が設定範囲内であれば、ステップＳ３０１でＹｅｓとなり、ステップＳ３０２で、安全演算部１２は、駆動機器２の回転軸の回転速度と指令値との差が設定範囲内であるか否かを確認する。駆動機器２の回転軸の回転速度と指令値との差が設定範囲内であれば、ステップＳ３０２でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ３０３で、安全動作により駆動機器２を停止させる必要は無いと判断する。駆動機器２の回転軸の回転速度と指令値との差が設定範囲外であれば、ステップＳ３０２でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ３０４で、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判断する。また、指令値が設定範囲外であれば、ステップＳ３０１でＮｏとなり、ステップＳ３０４に進む。

このように、実施の形態にかかる安全コントローラ１は、制御を開始した後に、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度を監視し、どれか一つでも重故障状態であるならば非常停止動作後に電力供給を遮断する。また、実施の形態にかかる安全コントローラは、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度のいずれもが重故障状態でなくても、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度のいずれかが、軽故障状態である場合には駆動機器２の状態を類推し、状況に応じた動作を行う。駆動機器２の状態の類推は、安全演算部１２が保持する制御プログラム２５に従って行われる。以下、二つの信号の組合せの他の例について説明する。

まず、駆動機器２の回転軸の回転速度と回転軸のトルクとの組合せにより、ＳＳＲ及びＳＴＲを実現する方法について説明する。駆動機器２の回転軸のトルクが規定値よりも少なくて回転速度が超過である場合は、弱い力でも回転軸が回転して減速することなく加速してしまう状態であるから、負荷が接続されていないか、規定の治具が取り付けられていない可能性がある。したがって、安全演算部１２は、規定の負荷及び治具を接続してから再始動させるために、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定して駆動機器２を停止させる。

駆動機器２の回転軸のトルクが規定よりも少なくて回転速度が足りない場合は、負荷と駆動機器２とのバランスがあっていない可能性がある。出力すなわちトルクを上げれば既定の速度に達する可能性があるが、何らかの理由でトルクが規定に達していない状態である。この場合には、一般制御機器７の方で何らかのインターロック又はリミッタが働いている可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定して、ユーザに処置を任せる。

駆動機器２の回転軸のトルクが規定よりも多くて回転速度が足りない場合は、負荷が重くて回転ができない可能性がある。または、負荷にブレーキを掛けたまま運転している可能性がある。この場合には、ユーザの点検が必要であるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定する。

駆動機器２の回転軸のトルクが規定より多くて回転速度が超過である場合は、負荷と駆動機器２とのバランスがあっていない可能性がある。出力すなわちトルクを段階的に上げなければならないところ、一気にトルクがかかってしまい、駆動機器２の回転軸が規定以上の回転速度となった可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定して装置を停止させる。

メンテナンスモード又は第２の安全停止信号の入力があるにもかかわらず、回転速度又はトルクが超過した場合は、制御システム１０内のいずれかの機器に不具合が生じていると考えられる。ユーザの点検が必要であるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定して駆動機器２を止める。

次に、駆動機器２の回転軸の回転速度とトルクとの組合せによりＳＬＳ及びＳＬＴを実現する方法について説明する。トルクが規定より多くて回転速度が超過している場合は、負荷と駆動機器２とのバランスがあっていない可能性がある。出力であるトルクを段階的に上げなければならないところ、一気にトルクを上げてしまい、駆動機器２の回転軸の回転速度が規定以上の速度となった可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定して駆動機器２を停止させる。

次に、駆動機器２の回転軸の回転速度とトルクとの組合せによりＳＤＩ及びＳＴＲを実現する動作について説明する。トルクが規定値よりも少なくて回転速度の符号が逆である場合、検出部１１ａ，１１ｂの取付方向が逆の可能性がある。または回転軸に動力が正しく伝わっていない可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し、装置を停止させる。

トルクが規定より多くて回転速度の符号が逆である場合は、検出部１１ａ，１１ｂの取付方向が逆の可能性がある。または負荷が重くて始動トルクが足らずに駆動機器２の回転軸を回転できない可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し、駆動機器２を停止させる。この場合、駆動機器２の温度状態を温度監視部１５から安全演算部１２に取り入れることにより、駆動機器２の状況を判断しやすくなる。

次に、駆動機器２の回転軸の回転速度の方向と大きさとの組合せにより、ＳＤＩ及びＳＳＲを実現する動作について説明する。駆動機器２の回転軸の回転速度が規定値よりも小さく逆回転である場合、検出部１１ａ，１１ｂの取付方向が逆の可能性がある。または回転軸に動力が正しく伝わっていない可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し、駆動機器２を停止させる。

回転速度が規定より大きく逆回転である場合は、検出部１１ａ，１１ｂの取付方向が逆の可能性がある。または負荷が外力によって逆方向の力を受けて回転軸が逆回転している可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し、駆動機器２を停止させる。この場合、駆動機器２の温度状態を温度監視部１５から安全演算部１２に取り入れることにより、駆動機器２の状況を判断しやすくなる。

次に、駆動機器２の回転軸の回転速度の方向と大きさとの組合せにより、ＳＤＩ及びＳＬＳを実現する動作について説明する。駆動機器２の回転軸の回転速度が規定より大きくて逆回転である場合は、検出部１１ａ，１１ｂの取付方向が逆の可能性がある。または負荷が外力によって逆方向の力を受けて回転軸が逆回転している可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し、駆動機器２を停止させる。この場合、駆動機器２の温度状態を温度監視部１５から安全演算部１２に取り入れることにより、駆動機器２の状況を判断しやすくなる。

次に、駆動機器２の回転軸の位置とトルクとの組合せにより、ＳＬＰ及びＳＬＴを実現する動作について説明する。駆動機器２の回転軸のトルクが規定値よりも大きくて回転軸の位置が過多である場合は、負荷が重すぎて制御がうまくいっていない可能性がある。したがって、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定し、制御方法及び機器構成を見直す注意をユーザに促す。

次に、駆動機器２の温度と駆動機器２の回転軸のトルクとの組合せにより、ＳＴＲを実現する動作について説明する。回転軸のトルクが規定値よりも大きく駆動機器２の温度が過多である場合は、温度上昇率が低ければ周囲環境に依るとみなして、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定する。温度上昇率が高ければ過負荷状態の可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し駆動機器２を停止させる。

駆動機器２の回転軸のトルクが規定値より少なくて駆動機器２の温度が過多である場合は、温度上昇率が低ければ周囲環境に依るものとみなして、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定する。温度上昇率が高ければ別の理由が考えられる。

次に、駆動機器２の温度と回転軸の回転速度との組合せにより、ＳＳＲを実現する動作について説明する。回転軸の回転速度が規定値よりも大きく駆動機器２の温度が過多である場合は、温度上昇率が低ければ周囲環境に依るものとみなして、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定する。温度上昇率が高ければ別の理由が考えられる。

回転軸の回転速度が規定値よりも小さく駆動機器２の温度が過多である場合は、温度上昇率が低ければ周囲環境に依るものとみなして、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要はないと判定する。温度上昇率が高ければ過負荷により、回転速度が落ちた可能性があるため、安全演算部１２は、安全動作により駆動機器２を停止させる必要があると判定し駆動機器２を止める。

図１３は、実施の形態にかかる安全コントローラを用いた制御システムの動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳ４０１で、一般制御機器７は、速度制御器５に速度指令を送信する。ステップＳ４０２で、速度制御器５は、駆動機器２に供給する電流を変更する制御を行う。

また、ステップＳ４０１及びステップＳ４０２と並行して、安全演算部１２は、ステップＳ４０３で安全条件を確認する。ステップＳ４０４で、安全演算部１２は、安全出力機器４に接続指令を送信する。

ステップＳ４０２及びステップＳ４０４が完了すると、ステップＳ４０５で、安全演算部１２は、安全コントローラによる安全処理の動作を行う。ステップＳ４０５で行う安全処理の動作は、図１０のフローチャートに示した動作である。安全処理中に安全動作又はユーザ指定動作が行われていなければ、ステップＳ４０５でＮｏとなり、安全演算部１２は、ステップＳ４０６で、安全入力機器３からの第２の安全停止信号の入力の有無を確認する。安全入力機器３からの第２の安全停止信号の入力がなければ、ステップＳ４０６でＮｏとなり、ステップＳ４０５に進む。

安全処理中に安全動作又はユーザ指定動作が行われた場合は、ステップＳ４０５でＹｅｓとなり、ステップＳ４０８で、安全演算部１２は、安全出力機器４に遮断指令を送信する。また、安全入力機器３から第２の安全停止信号の入力があった場合、ステップＳ４０６でＹｅｓとなり、安全演算部１２は、ステップＳ４０７で安全動作を行わせてステップＳ４０８に進む。

実施の形態にかかる安全コントローラ１は、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度のそれぞれの診断の結果を照合することにより、制御システム１０を構成する各機器又は機器間を接続する配線に単一故障が起こっても安全機能の確保が可能である。また、駆動機器２の回転軸の位置、回転軸の回転速度、回転軸のトルク及び駆動機器２の温度の診断の結果を二つ以上用いて駆動機器２の状態を類推できるため、異常速度となる前に、一般制御機器７に危険信号を発信し、駆動機器２の緊急停止を回避することができる。

また、実施の形態にかかる安全コントローラは、指令値を安全演算部１２に取り込んで、最終端の駆動機器２からのフィードバック値である回転速度と比較できるため、指令値の内容、受け渡しルート及び信号の種類に依らず、様々なインターフェースに対応できる。

安全エンコーダ部１１と安全演算部１２と、安全入出力部１３とを組み合わせた安全コントローラ１を駆動部の最終端に取り付けることにより、直接駆動機器２の動きを監視し、安全システムを構築することができる。速度制御器５及び駆動機器２自体が、安全対応機器である必要は無く、最終端に安全コントローラ１を取り付けるだけで、安全の確保ができる。すなわち、既存の機器の入れ替え及び再設定を必要とすることなく、安全な制御システムを構築できる。実施の形態にかかる安全コントローラ１を付けることで、安全非対応の既存設備であっても、駆動機器２を変えることなく安全対策できるため、コストを大幅に削減する事ができる。

安全コントローラ１を最終端に取り付けることにより、駆動機器２の状態変化量を実測値で正確に素早く取り込むことが可能となるため、確実な安全制御が可能となる。また、安全エンコーダ部１１が安全コントローラ１内に組み込まれているため、安全エンコーダ部１１と速度制御器５とを接続する配線が不要であり、ノイズの影響を低減することが可能である。

図８に示した安全不対応の制御システムを、図９に示した安全規格に定められた機能安全に対応した制御システムに変更するためには、エンコーダ、トルクセンサ及び温度センサといったセンサ類及び速度制御器及び温度表示機といった機器の追加が必要になり、システム及び配線が複雑になる。実施の形態にかかる安全コントローラ１は、安全エンコーダ部１１、トルク監視部１４、温度監視部１５、安全演算部１２、安全入出力部１３及び安全通信部１６を持ち、装置内で処理が閉じているため、外部への配線の本数を抑えつつ、安全不対応の制御システムを機能安全へ対応したシステムに変更することが可能である。

実施の形態にかかる安全コントローラ１を用い、表示操作パネル３２又は状態表示部３３での表示を駆動機器２の状態と連動させることにより、離れた場所又は騒音の多い場所からも駆動機器２の状態を確認することができる。表示操作パネル３２からは動作制限に関するパラメータを入力することで、条件を外れた場合の動作設定を行うことができる。表示操作パネル３２が制御対象の最終端にあるので、駆動機器２の状況を現場で確認しながらパラメータを設定できる。また、安全演算部１２の内部に制御プログラム２５を保持することで、安全入出力制御を行うことができ、任意の動作を制御することができる。

また、トルク監視部１４及び温度監視部１５を着脱可能とすることにより、トルク又は温度を監視する必要が無い場合に装置の小型化を実現できる。また、安全入力機器３から第２の安全停止信号が安全演算部１２から第１の安全停止信号を出力するため、安全入力機器３が異常を検出した際に駆動機器２を安全に停止させることができる。

また、安全通信部１６を設けることで、指令値及びフィードバック値を安全通信によって受け渡すことができる。扱える安全情報が増えることにより、駆動機器２の状況にあった制御が可能となる。人とロボットとの協働作業を考えた場合、危険になるのかの見極めは、人とロボットとの位置関係及び状態関係が重要である。安全情報で、停止指令を送受信できることで、複数台連携する際に一連のシステムとして制御することができる。通常安全の連携を行う場合、様々な安全機器で構成する必要があるが、実施の形態にかかる安全コントローラ１は最終端で安全確保されているので、構成を単純化できる。

また、通常は通信を行わず、診断に問題が発生した時のみデータを転送することで、通信負荷を低減できる。なお、常時モニタが必要な場合は、通信負荷がかかるものの、常時信号によりフィードバックすることも可能である。

実施の形態にかかる安全コントローラ１は、安全制御機器６及び安全入力機器３と接続することで、国際安全規格に則った安全回路の構築が可能であるため、駆動機器２の状態を定期的に監視し、緊急時に確実に動力を遮断することができる。また、実施の形態にかかる安全コントローラ１は、既存システム及びプロセスを変更することなく、既存のシステムに追加し、再設定を行うだけで、既存のシステムを安全なシステムへ移行することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１安全コントローラ、１’ 非接触型安全コントローラ、１ａ据付部、１ｂカバー部、２，１０２，２０２駆動機器、３，１０３，２０３安全入力機器、４，１０４，２０４安全出力機器、５，１０５速度制御器、６，２０６安全制御機器、７，１０７，２０７一般制御機器、１０，１００，２００制御システム、１１安全エンコーダ部、１１ａ円盤部、１１ｂ，１１ｃ検出部、１２安全演算部、１３安全入出力部、１４トルク監視部、１５温度監視部、１５ａ，１５ｂ，２４３温度センサ、１６安全通信部、１７，１１７，２１７電源、２１，２２ＣＰＵ、２１ａ，２２ａ診断処理部、２１ｂ，２２ｂ照合処理部、２３判定部、２４メモリ、２５制御プログラム、３１モータ接続金具、３２表示操作パネル、３３状態表示部、６１駆動対象、１０６，２４１エンコーダ、１０８，２０８一般入出力機器、２０５安全対応速度制御器、２４２トルクセンサ。

Claims

駆動機器の回転軸の位置又は回転速度の二つ以上の検出結果の各々に基づいて、前記回転軸の位置又は前記回転速度が前記駆動機器を停止させる必要がある重故障状態であるか、前記駆動機器を停止させる必要のない軽故障状態であるか、正常である安全状態であるかを診断する診断処理部と、前記回転軸の位置又は回転速度の診断の結果を照合する照合処理部とを備えた二つの演算装置と、前記診断処理部が前記回転軸の位置及び前記回転速度の少なくとも一方を重故障状態と診断したら、前記駆動機器を停止させる第１の安全停止信号を出力し、前記照合処理部が、前記回転軸の位置又は回転速度の診断結果が一致しないと判断したら、制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行う判定部とを有する安全演算部と、
前記回転軸の位置又は回転速度を検出する複数の検出部を有する安全エンコーダ部と、
前記複数の検出部の検出結果を前記安全エンコーダ部から受信して前記安全演算部に出力するとともに、前記駆動機器を制御する速度制御器へ前記第１の安全停止信号を出力する安全入出力部とを備えることを特徴とする制御装置。
前記駆動機器の回転軸のトルクを検出する複数の検出部を有するトルク監視部を備え、
前記安全入出力部は、前記トルク監視部による二つのトルク検出結果を前記安全演算部に入力し、
前記安全演算部は、前記トルク監視部が出力する二つのトルク検出結果に基づいて前記駆動機器の回転軸のトルクが前記重故障状態、前記軽故障状態及び前記安全状態のいずれであるかを前記診断処理部で診断するとともに、前記回転軸のトルクの診断の結果が前記回転軸の位置又は回転速度の診断の結果を含む他の診断の結果と一致するか否かを前記照合処理部で判断し、前記判定部は、前記診断処理部が前記回転軸のトルクを重故障状態と診断したならば前記第１の安全停止信号を前記安全入出力部へ出力し、前記回転軸のトルクの診断の結果が他の診断の結果と一致しないと前記照合処理部が判断したならば、前記制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記駆動機器の温度を検出する複数の温度センサを有する温度監視部を備え、
前記安全入出力部は、前記温度監視部による二つの温度の検出結果を前記安全演算部に入力し、
前記安全演算部は、前記温度監視部が出力する二つの温度検出結果に基づいて前記駆動機器の温度が前記重故障状態、前記軽故障状態及び前記安全状態のいずれであるかを前記診断処理部で診断するとともに、前記駆動機器の温度の診断の結果が前記回転軸の位置又は回転速度の診断結果を含む他の診断の結果と一致するか否かを前記照合処理部で判断し、前記判定部は、前記診断処理部が前記駆動機器の温度を重故障状態と診断したならば前記第１の安全停止信号を前記安全入出力部へ出力し、前記駆動機器の温度の診断結果が他の診断の結果が一致しないと前記照合処理部が判断したならば、前記制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
前記判定部は、安全入力機器から異常発生を示す第２の安全停止信号が入力されると、前記第１の安全停止信号を前記安全入出力部へ出力することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記安全演算部は、前記診断処理部が全ての診断で前記重故障状態ではないと診断し、かつ少なくとも一つの診断で前記軽故障状態であると診断したら、診断結果の組合せに基づいて、前記制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。
駆動機器の状態を検出する少なくとも二つの状態情報源と、前記駆動機器を制御する制御機器とに接続され、前記状態情報源の各々から、該駆動機器の状態を示す状態情報を取得する安全入出力部と、
前記安全入出力部が取得した前記状態情報の各々に基づいて、前記駆動機器を停止させる必要がある重故障状態であるか、前記駆動機器を停止させる必要のない軽故障状態であるか、正常である安全状態であるかを診断する診断処理部と、前記診断の結果を照合する照合処理部とを備えた演算装置と、前記診断処理部が状態情報のいずれかに基づいて重故障状態と診断したら、前記駆動機器を停止させる第１の安全停止信号を前記安全入出力部を通じて前記制御機器へ出力し、前記照合処理部が、診断の結果が一致しないと判断したら、制御プログラムに定義された安全動作を実行する処理を行う判定部とを有する安全演算部とを備えることを特徴とする制御装置。