JP2017073103A - 可逆パターン制御システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】自動制御生産設備の制御プログラムにおいて、可逆ステップ教示運転により、ホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストを実機にて完結する。【解決手段】制御動作を設計する際に、動作実行データ８の定義を設計し、可逆制御パターン遷移テーブル１を作成し、可逆パターン・データ生成コンパイラ３を実行することにより、可逆パターン・データ６を生成し、可逆パターン・データを用いて、可逆パターン制御プログラム５が、１動作ごとに一時停止して、前進または後退させることにより、センサやアクチュエータなどの調整や、装置の干渉確認などを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、自動生産設備の制御プログラムにおいて、ホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストが実機にて完結し、可逆ステップ教示運転が可能な、可逆パターン制御システムに関する。

一般に、ソフトウェアテストは、コンピュータのプログラムを実行し、正しく動作するか、目標とした品質に到達しているか、意図しない動作をしないかどうかを確認する作業のことである。

生産設備の制御プログラムでは、正しく動作し、目標とした品質に到達する事は通常であり、意図しない動作をしない事を確認する為に、ホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストを行う。

従来の、ホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストは、プログラマの想定によって、テスト内容を限定して行う為（例えば特許文献１、非特許文献１）、ソフトウエアに不具合が残る可能性がある欠点がある。

特開平１１−３１０８９ ［発明の名称］プログラム試験装置

『ソフトウェアテスト技法――自動化、品質保証、そしてバグの未然防止のために』 ボーリス・バイザー著

自動制御生産設備（以下「設備」）は、その数十年のライフサイクルの間に、誤操作、経年劣化に伴う配線不具合、アクチュエータ・センサ類の故障、ノイズによる誤作動など、様々な要因で信号の異常が発生する。従来の必要条件で制御する方法では、この異常信号が引き金となり、制御プログラムに潜む不適切なプログラムが実行され、重大な事故や故障（以下「リスク」）が希に発生する。
既存のホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストでは、設備の信号の想定される状態数が２の信号数乗という膨大な数の信号異常を全てチェックすることは、時間的にも物理的にも経済的にも困難である為、現状は機能安全レベルで収めるのが一般的となっているが、プログラムの安全性が担保されるわけではない。

本発明は、この問題を解決する為、可逆ステップ教示運転が可能な、可逆パターン制御システムにより、ホワイト・ボックス・テスト及びブラック・ボックス・テストを実機にて完結する事を目的とするものである。

上記目的を達成する為、可逆パターン制御システムは、可逆パターン制御プログラムと可逆パターン・データと状況監視プログラムを具備する。可逆パターン制御プログラムは、起動条件チェック機能、可逆制御機能、可逆ステップ教示機能、及び状況通知機能を具備する。
状況監視プログラムは、機械の信号状態の監視機能、及び動作時間チェック機能を具備する。さらに、可逆パターン・データを構築する為の可逆制御パターン遷移テーブルと可逆パターン・データ生成コンパイラを具備する。

機械設備の可逆動作時の信号パターンが、機械設備の物理的拘束により、特定の信号パターンで遷移する特徴から、許される全ての一連の動作信号パターン及び制御データを、可逆制御パターン遷移テーブルに設計する。次に、可逆パターン・データ生成コンパイラにて、可逆パターン・データを作成し、制御装置にセットアップする。

起動条件チェック機能は、自動運転及びステップ運転モードの開始時、現在位置がステップ開始位置とステップ終了位置との足の誤差が許容値以内で、かつ信号パターンから始点、遷移中、終点かをチェックし、起動再開可能か判断する。

可逆制御機能は、可逆パターン・データに書かれたステップ動作の順路の制御を司る。メインプログラムからの動作方向指令（前進／後退）及び、可逆ステップ運転モードの場合、ステップ・スイッチ（次／戻）、可逆パターン・データの方向フラッグ（上／下）、コマンドにより、現在ステップ（ｎ）の次に実行すべきステップ番号を検索し、次ステップ番号を（ｎ±）と表現する。

可逆ステップ教示機能は、停止した場合、起動条件チェック機能及び可逆制御機能により、即座に停止状況を再現出来る。また軸送りする動作コマンドにおいて、手動パルス発生器などの、外部入力装置によって軸位置を微調整することを教示と呼び、教示スイッチにより、制御軸の位置の補正を教示変更出来る。補正量は機械の剛性により決定するが、数ミリ以内が望ましい。システム起動時、補正量が許容値以内かチェックする。

また、状況通知機能は、現ステップ（ｎ）の信号パターン（Ｓ［ｎ］）と次ステップの信号パターン（Ｓ［ｎ±］）と、無視信号パターン（Ｓｄ［ｎ±］）の、これから実行するステップの変化予定信号パターンを状況監視プログラムに通知する。

機械の信号状態の監視機能は、可逆パターン制御中に、不安定信号パターンの論理演算（式１・図７）を行い、結果が０以外の場合に自動的に異常とする。

動作時間チェック機能は、ステップ逗留時間と正常運転時のステップ時間との差が許容値以上の場合、アクチュエータが不測の事態にあると推測して異常とする。

実機ホワイト・ボックス・テストは、可逆ステップ教示機能により、可逆制御パターン遷移テーブルの全領域において、条件毎に、何処に居ても、どの方向でも、どのタイミング（ステップ）でも、可逆制御パターン遷移テーブルと機械の信号パターンが連続して動作する事を確認する為、正順２ステップ分、戻し１ステップを繰り返す。この単純な操作により、可逆制御パターン遷移テーブルの全領域の、実機ホワイト・ボックス・テストが容易に完了出来る。

実機ブラック・ボックス・テストは、状況監視プログラムが、不安定信号パターン（式１・図７）を監視しており、想定外の信号変化は自動的に異常とする為、インターロック、無視信号パターン及び常時変化しない信号が、適切に処理されている事を確認すれば良く、ブラック・ボックス・テストのチェック・パターン数を激減出来る。

可逆パターン制御システムは、現在の機械設備の信号パターンと、可逆制御パターン遷移テーブルとが対応してチェック出来る。

起動条件チェック機能により、停止した場合、即座に停止状況を再現出来る。また、可逆ステップ教示機能により、制御軸の位置を教示変更出来る。従って、後に述べるホワイト／ブラック・ボックス・テスト、及び自動運転中の運転調整、修理、交換、及び位置の教示が効率的に出来る。

想定外の信号変化は、機械の信号状態の監視機能の不安定信号パターンの論理演算（式１・図７）により、自動的に異常とする。従って、想定外の信号変化による、リスクが低減出来る。

動作時間チェック機能により、タイミングによる誤動作が抑制出来る。

また、この異常信号の回数を記憶する事により、故障予知保全のデータとして記憶出来る。

実機ホワイト・ボックス・テストにより目的の手順プログラムの信頼性をチェックし、不具合による、リスクが低減出来る。

実機ブラック・ボックス・テストは、チェック・パターン数を激減出来るので、完結出来る。ただし、手動介入なので十分注意する必要がある。

可逆パターン制御システムを用いた設備の概要図である。 動作実行データの定義例である。 可逆制御パターン遷移テーブルの例である。 可逆パターン・データの例である。 可逆パターン制御プログラムのフローチャートである。 状況監視プログラムのフローチャートである。 不安定信号パターンの包含図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。

本可逆パターン制御システムは、図１のようにパソコンと設備の、２つのシステム上によって構成する。

パソコン上には、複数の工程の可逆制御パターン遷移テーブル１と、可逆パターン・データを生成する為の、可逆パターン・データ生成コンパイラ３によって構成する。

一方、設備上には、ＣＮＣ制御システムとＰＬＣ制御システムによって構成する。ＣＮＣ制御システムには、メインプログラム４と、系統制御モジュールによって構成され、系統制御モジュールは、可逆パターン制御プログラム５と、複数の工程の可逆パターン・データ６を構成する。マクロ変数には動作実行データ８と、教示用補正データ７を割り当てる。

ＰＬＣ制御システムには、従来のＰＬＣ制御プログラム９と、状況監視プログラム１０を構成する。ＰＬＣ変数には、不安定信号計数カウンタとステップ標準時間１１を割り当てる。ＰＬＣ制御システムは、制御軸１２やアクチュエータ、センサ１３を制御する。

以下、上記構成を説明する。プログラマが制御動作を設計する際に、最初は動作実行データ８の定義を設計する。動作実行データ８の定義は、図２のようにマクロ変数の先頭アドレスから順に、可逆制御パターン遷移テーブル１の各項目と対応する。変数の定義２は、可逆パターン・データ生成コンパイラ３が参照する。

次にプログラマは、パソコン上で可逆制御パターン遷移テーブル１を作成する。可逆制御パターン遷移テーブル１は、図３のように表の形式をしている。可逆制御パターン遷移テーブル１の設計は、初めに各個動作名２２を表の前進方向と後退方向に動作できるように設計する。各個動作名２２は指標なのでわかりやすいコメントが望ましい。各個動作方向２１は、前進または後退を行う印になっていて、印が無い行はその方向の動作を行わず、次の行へ飛ぶ。各個動作方向２１は、各個動作名２２を記述した行に自動的に印が付くようになっている。動作コマンド２３は、各個動作名２２に対応するコマンドを一覧から選択する。動作コマンド２３には、Ｍコード（補助機能）や制御軸の指示等が含まれる。Ｍコード２５や軸位置・速度２６、保存データ２７は、動作コマンド２３における、動作のパラメータを設定する。Ｍコード２５はＰＬＣの仕様によって決まる。軸位置は主に図面の数値を入力する。速度は装置の仕様に即した数値を入力する。信号パターン２４は、それぞれの系統の制御モジュールが担当する範囲の全入出力信号を設定する。信号パターン２４は、設備の物理的拘束によって決定される。入力信号の立ち上がりを↑、立ち下がりを↓、信号が出力していない状態を０、出力している状態を１、無視すべき信号を×として、信号変化のみ記述する。無視すべき信号とは、機械仕様により信号状態が確定不能な信号であり、設定すると、その分ブラック・ボックス・テストのチェック・パターン数が増加し、手作業なのでリスクが高くなる。

続いて、可逆パターン・データ生成コンパイラ３を実行する。可逆パターン・データ生成コンパイラ３は、可逆制御パターン遷移テーブル１の行ごとに動作実行データ８に代入する、可逆パターン・データ６を生成する。基本的に、可逆制御パターン遷移テーブル１と動作実行データ８は、１対１の対応をする。ただし、信号パターン２４については、動作後の信号の状態と、チェック信号の２つの情報を含んでいる。信号を記述していない箇所は１つ前の動作と同じとする。

生成された可逆パターン・データ６は、図４のような形態をしている。可逆パターン・データ６は、ＣＮＣ制御システムにセットアップし、テーブル番号と各個動作方向、または動作番号を受けて、動作実行データ８にテーブルの設定値を代入する。

ここでステップ動作とは、テーブルを１動作ごとに一時停止して、前進または後退させることである。前進と後退を繰り返して、センサやアクチュエータなどの調整や、装置の干渉確認などを行う。

ステップ動作は、可逆パターン制御プログラム５によって実現する。可逆パターン制御プログラム５の動作を、図５のフローに表わす。説明上、フローをＡ〜Ｆに分ける。
Ａ．補正データ７が範囲内であることを確認する。
Ｂ．ステップが前進、または後退のどちらであるかを取得し、可逆パターン・データ６から、現在の動作番号のテーブルを選択する。
Ｃ．現在信号パターンと軸位置を呼び出し、現在の動作番号の条件を満たしたか判断する。非常停止や電源断等によって、現在の動作番号が完了していないときはＥに飛び、動作実行データ８は、現在の動作番号の設定のままにする。
Ｄ．可逆パターン・データ６から、動作実行データ８に次の動作番号を設定する。ＰＬＣ状況監視プログラム１０に信号パターンと、ステップ標準時間の許容差を設定する。
Ｅ．動作コマンドがテーブル終了、または異常終了のときは、可逆パターン制御プログラム５を終了する。それ以外は、動作コマンドの内容を実行する。
Ｆ．ステップ動作以外の場合は、Ｄに戻り、ステップ動作の場合は、一時停止する。
Ｇ．教示動作（動作コマンドが教示送り且つ教示モード）且つ教示記憶のときは、補正を記憶する。

ここでＰＬＣ状況監視プログラム１０は、図５のＣにて設定されたデータに基づいて、動作中の信号や経過時間の監視をする。ＰＬＣ状況監視プログラム１０の動作を、図６のフローに表わす。説明上、フローをＮ〜Ｕに分ける。ここで試運転中とは、試運転中フラグが立った状態、またはステップ動作、または軸送り指令のオーバライド（送り速度の倍率）が１００％ではない状態とする。早すぎ異常と遅すぎ異常の判定は、後述する連続動作にて行うが、ＰＬＣ状況監視プログラムの動作フローとして説明する。ステップ動作が開始してから、完了するまでの時間を計測するタイマを、ステップ・タイマとする。ステップ・タイマの範囲は、最短ステップ時間と最長ステップ時間の間とする。最短ステップ時間は、ステップ標準時間から、許容差の割合を減算した時間とする。最長ステップ時間は、ステップ標準時間から、許容差の割合を加算した時間とする。ステップ標準時間と許容差は、可逆パターン制御プログラム５によって設定する。ステップ標準時間は、ステップ標準時間計測モードのときに、フローＰにて記憶する。ステップ標準時間計測モード中の軸送り速度指令のオーバライドは、無効とする。
Ｎ．可逆パターン制御をしていないときは、動作を行わない。
Ｏ．信号を変数に収集する。動作番号が変化していないときは、Ｒに飛ぶ。
Ｐ．ステップ標準時間計測モードのときは、ステップ・タイマの時間を、ステップ標準時間に記憶する。ステップ標準時間の計測をしないかつ、試運転中ではないときは、ステップ・タイマの時間が、最短ステップ時間より短くないか比較する。短い場合は、早すぎ信号を記憶してＵに飛ぶ。（経年変化）
Ｑ．次の動作番号のデータを設定する。
Ｒ．ステップ標準時間計測モードでないかつ、試運転中ではない、かつステップ・タイマの時間が最長ステップ時間以上のときは、遅すぎ信号を記憶してＵに飛ぶ。（経年変化）
Ｓ．ステップ・タイマをリセットする。
Ｔ．不安定な信号を検知していないときは、Ｎに飛ぶ。不安定な信号を検知したときは、不安定信号を記憶する。（故障予知）
Ｕ．異常を検知したときの動作は、異常信号の履歴に発生日時や異常箇所などを記憶し、異常メッセージを表示した後に、運転を停止する。

以下、本発明の、実機ホワイト・ボックス・テスト実施例について説明する。

実機ホワイト・ボックス・テストは、各動作をひとつひとつステップ動作して、あるいは逆方向にステップ動作して、可逆制御パターン遷移テーブルの信号パターンと実機の信号パターンとが連続していることを確認し、可逆制御パターン遷移テーブルの設定状態と実機の状態が一致しない場合、可逆制御パターン遷移テーブル或いは、実機の制御軸やセンサや部品の位置関係を修正する。

ホワイト・ボックス・テストを、図３の可逆制御パターン遷移テーブルの例において行う場合、次のようになる。
前進向きの動作を確認する手順は、
０１．次＋１回ステップすると、動作番号は０２［エントリ・ポイント］になる。
０２．戻−１回ステップすると、動作番号は０１［エンド・マーク］になる。
０３．次＋２回ステップすると、動作番号は０３［信号確認］になる。
０４．戻−１回ステップすると、動作番号は０１［エンド・マーク］になる。
０５．次＋３回ステップすると、動作番号は０４［Ｘ／Ｙ／Ｚ軸 主軸交換位置］になる。
０６．戻−１回ステップすると、動作番号は０１［エンド・マーク］になる。
０７．次＋４回ステップすると、動作番号は０５［主軸オリエンテーション］になる。
０８．戻−１回ステップすると、動作番号は０１［エンド・マーク］になる。
０９．次＋５回ステップすると、動作番号は０６［アーム左旋回］になる。
１０．戻−１回ステップすると、動作番号は０６［アーム右旋回］になる。
１１．次＋２回ステップすると、動作番号は０９［アーム上昇］になる。
１２．戻−１回ステップすると、動作番号は０９［アーム下降］になる。
１３．次＋２回ステップすると、動作番号は１０［工具記憶 主軸→ポットＡ］になる。
１４．戻−１回ステップすると、動作番号は０９［逆工具記憶 主軸←ポットＡ］になる。
１５．次＋２回ステップすると、動作番号は１１［工具記憶 マガジン→ポットＢ］になる。
１６．戻−１回ステップすると、動作番号は１０［逆工具記憶 マガジン←ポットＢ］になる。
１７．次＋２回ステップすると、動作番号は１２［アーム右旋回］になる。
１８．戻−１回ステップすると、動作番号は１２［アーム左旋回］になる。
１９．次＋２回ステップすると、動作番号は１５［アーム下降］になる。
２０．戻−１回ステップすると、動作番号は１５［アーム上昇］になる。
２１．次＋２回ステップすると、動作番号は１６［工具記憶 ポットＡ→マガジン］になる。
２２．戻−１回ステップすると、動作番号は１５［逆工具記憶 ポットＡ←マガジン］になる。
２３．次＋２回ステップすると、動作番号は１７［工具記憶 ポットＢ→主軸］になる。
２４．戻−１回ステップすると、動作番号は１５［逆工具記憶 ポットＢ←主軸］になる。
２５．次＋２回ステップすると、動作番号は２２［エンド・マーク］になる。

後退向きの動作を確認する手順は、
２６．次＋１回ステップすると、動作番号は２１［エントリ・ポイント］になる。
２７．戻−１回ステップすると、動作番号は２２［エンド・マーク］になる。
２８．次＋２回ステップすると、動作番号は２０［信号確認］になる。
２９．戻−１回ステップすると、動作番号は２２［エンド・マーク］になる。
３０．次＋３回ステップすると、動作番号は１９［Ｘ／Ｙ／Ｚ軸 主軸交換位置］になる。
３１．戻−１回ステップすると、動作番号は２２［エンド・マーク］になる。
３２．次＋４回ステップすると、動作番号は１８［主軸オリエンテーション］になる。
３３．戻−１回ステップすると、動作番号は２２［エンド・マーク］になる。
３４．次＋５回ステップすると、動作番号は１５［アーム上昇］になる。
３５．戻−１回ステップすると、動作番号は１５［アーム下降］になる。
３６．次＋２回ステップすると、動作番号は１４［工具記憶 主軸→ポットＢ］になる。
３７．戻−１回ステップすると、動作番号は１５［逆工具記憶 主軸←ポットＢ］になる。
３８．次＋２回ステップすると、動作番号は１３［工具記憶 マガジン→ポットＡ］になる。
３９．戻−１回ステップすると、動作番号は１４［逆工具記憶 マガジン←ポットＡ］になる。
４０．次＋２回ステップすると、動作番号は１２［アーム左旋回］になる。
４１．戻−１回ステップすると、動作番号は１２［アーム右旋回］になる。
４２．次＋２回ステップすると、動作番号は０９［アーム下降］になる。
４３．戻−１回ステップすると、動作番号は０９［アーム上昇］になる。
４４．次＋２回ステップすると、動作番号は０８［工具記憶 ポットＢ→マガジン］になる。
４５．戻−１回ステップすると、動作番号は０９［逆工具記憶 ポットＢ←マガジン］になる。
４６．次＋２回ステップすると、動作番号は０７［工具記憶 ポットＡ→主軸］になる。
４７．戻−１回ステップすると、動作番号は０９［逆工具記憶 ポットＡ←主軸］になる。
４８．次＋２回ステップすると、動作番号は０６［アーム右旋回］になる。
４９．戻−１回ステップすると、動作番号は０６［アーム左旋回］になる。
５０．次＋２回ステップすると、動作番号は０１［エンド・マーク］になる。

以上により、すべてのステップ動作の動作確認が終わると、実機ホワイト・ボックス・テストが完了する。
次に、連続動作の動作確認をする。連続動作とは、テーブルを連続して前進、または後退させることである。連続動作は図５において、Ｄ〜Ｆを繰り返すことで実現する。試運転の最後には、前述したようにステップ標準時間計測モードにてステップ時間を計測する。
記憶されたステップ標準時間は、可逆制御パターン遷移テーブル１にフィードバックする。すべての連続動作の動作確認が、全てのワークにおいて完了することで、本可逆制御システムの試運転が完了する。
これ以降は、オペレータの手によって製品を生産する、本稼働になる。

以下、本発明の、実機ブラック・ボックス・テスト実施例について説明する。
実機ブラック・ボックス・テストで、チェックすべき信号は、無視信号、インターロック信号，変化しない信号である。各チェックすべき信号を、Ｏｎ／Ｏｆｆし参照が正しくかつ適切に処理されている事を確認する。

本可逆制御システムの本稼働は、信号パターンや軸位置の遷移不連続が発生すると、異常停止する。オペレータは、異常メッセージによって異常箇所が特定するので、異常対策を行う。機械に損傷がない異常であれば、停止した動作番号からステップ動作、または連続動作にて動作の続きを行い、復旧する。機械に損傷がある異常のときは、電源を落として修理をする。その後、非常戻しや原点復帰にて機械を動作可能な状態に復旧する。

式１

設備のユーザが、事故や故障をする前に、故障予知保全データを基に、計画的に故障確率の高い箇所の修理／交換／調整を行うと、故障率が低下し停止時間も短縮出来る。従って、リスクを抑制し、ライフ・サイクル・コストの抑制も期待出来る。また製造ラインの様に停止設備が他の正常な設備に悪影響を与える様な場合、停止時間の短縮は、損害額をより低減すると期待出来る。

１ 可逆制御パターン遷移テーブル
２ 変数の定義
３ 可逆パターン・データ生成コンパイラ
４ メインプログラム
５ 可逆パターン制御プログラム
６ 可逆パターン・データ
７ 補正データ
８ 動作実行データ
９ 従来のＰＬＣ制御プログラム
１０ 状況監視プログラム
１１ ステップ標準時間、不安定信号計数カウンタ
１２ 制御軸
１３ アクチュエータ、センサ

Claims (3)

1. 自動生産設備の制御プログラムにおいて、動作手順を示す可逆パターン・データと機械の正逆動作を制御する可逆パターン制御プログラムと常時状況監視プログラムを具備し、可逆パターン制御プログラムは、起動条件チェック機能、可逆制御機能、可逆ステップ教示機能、及び状況通知機能を備え、状況監視プログラムは、機械の信号状態の監視機能、及び動作時間チェック機能を備え、さらに、可逆パターン・データを構築する為の可逆制御パターン遷移テーブルと可逆パターン・データ生成コンパイラを備えた、可逆ステップ教示運転を特徴とする、可逆パターン制御システム。
2. 実機において、前記可逆ステップ教示機能にて、正順２ステップ分、戻し１ステップの動作を繰り返す単純操作により、問題がある場合、前記可逆制御パターン遷移テーブルと機械の信号状態の比較により問題を特定し修正出来、ホワイト・ボックス・テストが容易となる事を特徴とする請求項１記載の、可逆パターン制御システム。
3. 実機において、前記状況通知機能により今のステップの変化予定信号を前記状況監視プログラムに通知し、前記信号状態監視機能が、想定外の信号変化を自動的に異常とする為、前記可逆制御パターン遷移テーブルに記載された、無視パターン信号及びインターロック信号が、適切に処理されている事を確認すれば良く、ブラック・ボックス・テストのチェック・パターン数を激減出来る事を特徴とする請求項１記載の、可逆パターン制御システム。

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