JP2020177862A - 信号入力装置及び信号検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部スイッチとの間の配線長が長い場合でも、外部スイッチが正常に作動するか否かの判定を正確に行うことが可能な信号入力装置及び信号検出方法を提供する。【解決手段】第１及び第２の外部スイッチ２，３のオンオフ状態を検出する信号入力装置１は、第１及び第２の外部スイッチ２，３に電圧を出力する電圧を遮断可能な第１及び第２のスイッチング素子１２，１３と、第１及び第２の外部スイッチ２，３を経て入力される入力電圧に感応して検出信号を出力する第１及び第２のフォトカプラ１４，１５と、制御部１１とを備える。制御部１１は、第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧をパルス状に変化させ、所定時間内に検出信号が変化することを確認する確認モードと、第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧を変化させたときの入力電圧の応答性に基づいて、確認モードにおける所定時間を調整する調整モードとを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する信号入力装置及び信号検出方法に関する。

従来、例えば工作機械やプラント等の設備を制御するための制御装置では、外部スイッチのオン状態及びオフ状態を高い信頼性を以って検出することが必要な場合がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の安全回路は、プログラマブル論理回路を有しており、このプログラマブル論理回路の一部が外部スイッチの動作に障害があるか否かをテストパルスにより監視するテスト監視装置として構成されている。テストパルスは、外部スイッチの評価を行う評価回路の駆動制御信号に重畳され、外部スイッチが規定通りに動作している場合、重畳されたテストパルスがフィードバック入力端において検出される。

特開２０１１−５３０２０４号公報

上記の構成では、例えば外部スイッチとの間の配線が長いと、この配線における浮遊容量等によってパルス波形がなまり、外部スイッチが正常に作動するか否かの判定が正確に行えないおそれがある。

そこで、本発明は、外部スイッチとの間の配線長が長い場合でも、外部スイッチが正常に作動するか否かの判定を正確に行うことが可能な信号入力装置及び信号検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する信号入力装置であって、前記外部スイッチに電圧を出力する電圧出力状態と前記外部スイッチへの電圧の出力を遮断する電圧遮断状態とを切り替え可能な断続部と、前記電圧出力状態において出力された電圧が前記外部スイッチを経て入力される入力電圧に感応して検出信号を出力する検出部と、前記断続部を制御すると共に前記検出信号を取得可能な制御部とを備え、前記制御部は、前記断続部を制御して前記外部スイッチに出力される電圧をパルス状に変化させ、所定時間内に前記検出信号が変化することを確認する確認モードと、前記外部スイッチに出力される電圧を変化させたときの前記入力電圧の応答性に基づいて、前記確認モードにおける前記所定時間を調整する調整モードと、前記電圧出力状態であるときに前記検出信号が変化したとき、前記外部スイッチのオンオフ状態が変化したことを検出する通常モードとを有する、信号入力装置を提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、信号入力装置によって外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する信号検出方法であって、前記信号入力装置から前記外部スイッチに出力される電圧を変化させてから、前記外部スイッチを経て前記信号入力装置に入力される入力電圧が閾値を越えて変化するまでの時間を計測する計測ステップと、前記外部スイッチに出力される電圧をパルス状に変化させ、前記計測ステップで計測された時間に基づいて設定された所定時間内に前記入力電圧が前記閾値を越えて変化することを確認する確認ステップと、を有する信号検出方法を提供する。

本発明に係る信号入力装置及び信号検出方法によれば、外部スイッチとの間の配線長が長い場合でも、外部スイッチが正常に作動するか否かの判定を正確に行うことができる。

本発明の実施の形態に係る信号入力装置の構成例を示す概略構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、確認モードにおける制御信号及び検出信号の時間的な変化の一例を示し、（ａ）は正常時の信号波形を、（ｂ）は短絡異常が発生した場合の信号波形を、それぞれ示している。 （ａ）及び（ｂ）は、テストパルスを発生したときの制御信号、入力電圧、及び検出信号の変化の一例を示し、（ａ）は第１及び第２の導線が短い場合の波形を、（ｂ）は第１及び第２の導線が長い場合の波形を、それぞれ示している。 調整モードにおける制御信号、入力電圧、及び検出信号の波形の例を示すグラフである。 調整モードにおける調整結果に基づいて設定されたパルス幅のテストパルスの波形の一例を示すグラフである。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る信号入力装置１の構成例を示す概略構成図である。この信号入力装置１は、外部スイッチのオン状態及びオフ状態を高い信頼性を以って検出するためのものであり、本実施の形態では、信号入力装置１が複数の外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する。信号入力装置１は、直流電源４から直流電圧の供給を受けて動作する。本実施の形態では、直流電源４の出力電圧が２４Ｖである。

信号入力装置１は、例えば工作機械等の設備を制御する制御装置であるプログラマブルコントローラの入力モジュールとして用いられ、外部スイッチのオンオフ状態の検出結果を上位コントローラであるＣＰＵモジュールに出力する。外部スイッチは、例えば制御対象の設備の動作を即座に停止させるための非常停止スイッチである。本実施の形態では、信号入力装置１が２つの外部スイッチ（第１及び第２の外部スイッチ２，３）のオンオフ状態を検出する場合について説明するが、信号入力装置１に接続される外部スイッチの数は特に限定されるものではなく、一つでもよいし、三つ以上でもよい。

信号入力装置１は、例えば予め不揮発性メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵ（演算処理装置）が実行することにより実現される制御部１１と、第１及び第２のスイッチング素子１２，１３と、第１及び第２のフォトカプラ１４，１５と、第１乃至第４の抵抗器１６〜１９とを有している。なお、制御部１１をＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）やＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）等のハードウェアにより実現してもよい。

第１のスイッチング素子１２及び第１のフォトカプラ１４は、第１の外部スイッチ２のオンオフ状態を検出するための第１の検出回路部１Ａの構成要素である。第２のスイッチング素子１３及び第２のフォトカプラ１５は、第２の外部スイッチ３のオンオフ状態を検出するための第２の検出回路部１Ｂの構成要素である。第１の外部スイッチ２は、第１及び第２の導線５１，５２によって信号入力装置１に接続され、第２の外部スイッチ３は、第３及び第４の導線５３，５４によって信号入力装置１に接続されている。

本実施の形態では、第１のスイッチング素子１２がベース、コレクタ、エミッタを有するトランジスタであり、制御部１１から第１のスイッチング素子１２のベースに制御信号Ｖｃｓ１が出力される。第１のスイッチング素子１２は、制御部１１から制御信号Ｖｃｓ１が供給されたとき、コレクタ−エミッタ間が導通状態となる。第１のスイッチング素子１２のコレクタには、第１の抵抗器１６を介して電源電圧Ｖｃｃが供給される。第１のスイッチング素子１２のエミッタは、信号入力装置１の出力端子１０１に接続されている。

同様に、第２のスイッチング素子１３は、ベース、コレクタ、エミッタを有するトランジスタであり、制御部１１から第２のスイッチング素子１３のベースに制御信号Ｖｃｓ２が出力される。第２のスイッチング素子１３は、制御部１１から制御信号Ｖｃｓ２が供給されたとき、コレクタ−エミッタ間が導通状態となる。第２のスイッチング素子１３のコレクタには、第３の抵抗器１８を介して電源電圧Ｖｃｃが供給される。第２のスイッチング素子１３のエミッタは、信号入力装置１の出力端子１０３に接続されている。

第１の外部スイッチ２は、一対の電極２１，２２と、一対の電極２１，２２に接触及び離間する金属導体からなる接触子２３と、一対の電極２１，２２及び接触子２３を収容する筐体２４と、作業者等が操作するための操作部２５とを有している。第２の外部スイッチ３も同様に、一対の電極３１，３２と、一対の電極３１，３２に接触及び離間する金属導体からなる接触子３３と、一対の電極３１，３２及び接触子３３を収容する筐体３４と、作業者等が操作するための操作部３５とを有している。

第１の外部スイッチ２は、図略の弾性体によって接触子２３が一対の電極２１，２２に付勢されており、操作部２５が操作されていないときには一対の電極２１，２２が接触子２３によって短絡されている。また、操作部２５が筐体２４に向かって押されると、接触子２３が一対の電極２１，２２から離間して一対の電極２１，２２の導通が遮断される。第２の外部スイッチ３についても同様である。

第１の外部スイッチ２の一対の電極２１，２２のうち一方の電極２１は、第１の導線５１により信号入力装置１の出力端子１０１に接続され、他方の電極２２は、第２の導線５２により信号入力装置１の入力端子１０２に接続されている。また、第２の外部スイッチ３の一対の電極３１，３２のうち一方の電極３１は、第３の導線５３により信号入力装置１の出力端子１０３に接続され、他方の電極３２は、第４の導線５４により信号入力装置１の入力端子１０４に接続されている。

第１及び第２のフォトカプラ１４，１５は、発光ダイオードとフォトトランジスタとを光結合して構成されている。第１のフォトカプラ１４は、発光ダイオードのアノードが入力端子１０２に接続され、フォトトランジスタのコレクタに電源電圧Ｖｃｃが供給されている。第２のフォトカプラ１５は、発光ダイオードのアノードが入力端子１０４に接続され、フォトトランジスタのコレクタに電源電圧Ｖｃｃが供給されている。第１のフォトカプラ１４のフォトトランジスタのエミッタは、第２の抵抗器１７を介して電気的に接地されている。第２のフォトカプラ１５のフォトトランジスタのエミッタは、第４の抵抗器１９を介して電気的に接地されている。第１及び第２のフォトカプラ１４，１５の発光ダイオードのカソードは、電気的に接地されている。

第２の抵抗器１７と第１のフォトカプラ１４のフォトトランジスタのエミッタとの間の電圧は、第１のフォトカプラ１４の検出信号Ｖｄｓ１として制御部１１に入力される。第４の抵抗器１９と第２のフォトカプラ１５のフォトトランジスタのエミッタとの間の電圧は、第２のフォトカプラ１５の検出信号Ｖｄｓ２として制御部１１に入力される。すなわち、第１及び第２のフォトカプラ１４，１５は、エミッタ出力により、検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２を制御部１１に出力する。

第１の検出回路部１Ａにおいて、第１のスイッチング素子１２は、第１の外部スイッチ２に電圧を出力する電圧出力状態と第１の外部スイッチ２への電圧の出力を遮断する電圧遮断状態とを切り替え可能な断続部として機能する。また、第１のフォトカプラ１４は、電圧出力状態において出力された電圧が第１の外部スイッチ２を経て入力端子１０２に入力される入力電圧Ｖｉｎ１に感応して検出信号Ｖｄｓ１を出力する検出部として機能する。検出信号Ｖｄｓ１は、入力電圧Ｖｉｎ１が所定の閾値を越えて変化したときに変化する。本実施の形態では、この閾値の電圧が７．２Ｖである。

第２の検出回路部１Ｂにおいて、第２のスイッチング素子１３は、第２の外部スイッチ３に電圧を出力する電圧出力状態と第２の外部スイッチ３への電圧の出力を遮断する電圧遮断状態とを切り替え可能な断続部として機能する。また、第２のフォトカプラ１５は、電圧出力状態において出力された電圧が第２の外部スイッチ３を経て入力端子１０４に入力される入力電圧Ｖｉｎ２に感応して検出信号Ｖｄｓ２を出力する検出部として機能する。検出信号Ｖｄｓ２は、入力電圧Ｖｉｎ２が所定の閾値を越えて変化したときに変化する。本実施の形態では、この閾値の電圧が上記と同様に７．２Ｖである。

制御部１１は、制御信号Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２によって第１及び第２のスイッチング素子１２，１３を制御すると共に検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２を取得可能であり、この検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２によって第１及び第２の外部スイッチ２，３のオンオフ状態を検出することができる。また、制御部１１は、複数の動作モードで動作する。本実施の形態では、この複数の動作モードが、確認モード、調整モード、通常モードである。

確認モードは、第１及び第２のスイッチング素子１２，１３を制御して第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧をパルス状に変化させ、所定時間内に検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２が変化することを確認するモードである。この確認モードでは、第１乃至第４の導線５１〜５４の配線等に異常がなく、第１の外部スイッチ２の操作部２５が操作された場合には検出信号Ｖｄｓ１が変化し、第２の外部スイッチ３の操作部３５が操作された場合には検出信号Ｖｄｓ２が変化することを確認するためのものである。

調整モードは、第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧を変化させたときの入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２の応答性に基づいて、確認モードにおける所定時間を調整するモードである。確認モードにおける所定時間を調整することの必要性及び具体的な手順については後述する。

通常モードは、信号入力装置１の出力端子１０１，１０３から第１及び第２の外部スイッチ２，３に電圧が出力される電圧出力状態で検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２が変化したとき、第１及び第２の外部スイッチ２，３のオンオフ状態が変化したことを検出するモードである。換言すれば、制御部１１は、確認モード及び調整モード以外の動作時において、検出信号Ｖｄｓ１が変化したときには第１の外部スイッチ２のオンオフ状態が変化したと判定し、検出信号Ｖｄｓ２が変化したときには第２の外部スイッチ３のオンオフ状態が変化したと判定する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、確認モードにおける制御信号Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２及び検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２の時間的な変化の一例を示し、（ａ）は正常時の信号波形を、（ｂ）は第２の導線５２と第４の導線５４とが短絡する短絡異常が発生した場合の信号波形を、それぞれ示している。

図２（ａ）に示すように、正常時には、制御部１１が制御信号Ｖｃｓ１をパルス状に変化させたとき、この制御信号Ｖｃｓ１に同期して検出信号Ｖｄｓ１が変化し、制御部１１が制御信号Ｖｃｓ２をパルス状に変化させたとき、この制御信号Ｖｃｓ２に同期して検出信号Ｖｄｓ２が変化する。一方、第２の導線５２と第４の導線５４とが短絡している場合には、図２（ｂ）に示すように、制御部１１が制御信号Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２を変化させても検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２が変化しない。このような異常が発生した場合には、制御部１１が異常信号を出力し、上位コントローラに異常を報知する。以下、確認モードにおける制御信号Ｖｃｓ１，Ｖｃｓ２のパルス状の変化をテストパルスという。

ところで、例えば設備の構成等によっては、第１乃至第４の導線５１〜５４の長さが長くなる場合がある。このような場合、第１乃至第４の導線５１〜５４における浮遊容量の影響により、入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２の波形の変化が鈍くなることがある。このように入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２の波形が鈍る（なまる）と、確認モードにおいて検出信号Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２が所定時間内に変化せず、異常を誤検出してしまうおそれがある。

図３（ａ）及び（ｂ）は、テストパルスを発生したときの制御信号Ｖｃｓ１、入力電圧Ｖｉｎ１、及び検出信号Ｖｄｓ１の変化の一例を示し、（ａ）は第１及び第２の導線５１，５２が短い場合の波形を、（ｂ）は第１及び第２の導線５１，５２が長い場合の波形を、それぞれ示している。

図３（ａ）及び（ｂ）では、時刻ｔ０においてテストパルスが発生し、時刻ｔ１において検出信号Ｖｄｓ１の信号状態を確認する場合について図示している。この図示例では、テストパルスのパルス幅が３００μ秒であり、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間隔が２００μ秒である。

第１及び第２の導線５１，５２が短い場合には、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１よりも前に入力電圧Ｖｉｎ１が第１のフォトカプラ１４の閾値Ｖｓｈ（本実施の形態では７．２Ｖ）を下回り、検出信号Ｖｄｓ１が変化している。この場合には、確認モードにおいて異常が誤検出されない。一方、第１及び第２の導線５１，５２が長く、浮遊容量によって入力電圧Ｖｉｎ１が大きく鈍ると、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１における入力電圧Ｖｉｎ１の電圧値Ｖａが閾値Ｖｓｈよりも高く、時刻ｔ１までに検出信号Ｖｄｓ１の信号状態が変化しない。この場合には、異常が誤検出される。

そこで、本実施の形態では、調整モードにおいて、制御部１１が、第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧を変化させてから入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２が閾値Ｖｓｈを越えて変化するまでの時間を計測し、確認モードにおける所定時間を当該計測された時間以上の時間に設定する。次に、この具体例について図４及び図５を参照して説明する。

図４は、調整モードにおける制御信号Ｖｃｓ１、入力電圧Ｖｉｎ１、及び検出信号Ｖｄｓ１の波形の一例を示すグラフである。図５は、調整モードにおける調整結果に基づいて設定されたパルス幅のテストパルスの波形の一例を示すグラフである。

制御部１１は、調整モードにおいて、制御信号Ｖｃｓ１をオフ状態とし、入力電圧Ｖｉｎ１が閾値Ｖｓｈを下回るのに十分な時間のパルス幅のパルス信号を発生させる。また、制御部１１は、調整モードにおいて一定の時間間隔で検出信号Ｖｄｓ１の信号状態を確認する。図４の図示例では、時刻ｔ０において制御信号Ｖｃｓ１をオフ状態とした後、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，及びｔ５において２００μ秒ごとに検出信号Ｖｄｓ１の信号状態を確認する。

図４に示す例では、時刻ｔ０から４００μ秒経過した後の時刻ｔ２では入力電圧Ｖｉｎ１の電圧値Ｖｂが閾値Ｖｓｈよりも高く、６００μ秒経過した時刻ｔ３では入力電圧Ｖｉｎ１の電圧値Ｖｂが閾値Ｖｓｈよりも低い。このため、検出信号Ｖｄｓ１は時刻ｔ２と時刻ｔ３との間で変化し、制御部１１は時刻ｔ３において検出信号Ｖｄｓ１が変化したことを検知する。この場合、制御部１１における計測時間は６００μ秒となる。

これにより、制御部１１は、第１の外部スイッチ２に対して確認モードの動作を行う場合の所定時間を、上記の計測時間（ここでは６００μ秒）以上の時間に設定する。より具体的には、確認モードにおける所定時間を、計測時間と同じ時間（６００μ秒）もしくは計測時間よりも長い時間（例えば７００μ秒）に設定する。なお、確認モードにおける所定時間は、計測時間よりも長い時間に設定することが、異常の誤検出を防ぐためにはより望ましい。また、制御部１１は、第２の外部スイッチ３に関しても、上記と同様に確認モードの動作を行う際の所定時間を設定する。

制御部１１は、テストパルスのパルス幅を、確認モードにおける所定時間として設定した時間よりも長い時間に設定する。図５では、パルス幅を８００μ秒とした場合のテストパルスの波形の例を図４と同じ時間軸で示している。

調整モードにおいて設定された所定時間及びテストパルスのパルス幅は、信号入力装置１の不揮発性メモリに記憶される。調整モードの動作は、例えば信号入力装置１の電源投入時に一回行ってもよく、あるいは第１乃至第４の導線５１〜５４によって第１及び第２の外部スイッチ２，３を信号入力装置１に接続した際に一回のみ行ってもよい。

調整モードにおいて、信号入力装置１から第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧を変化させてから入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２が閾値Ｖｓｈを越えて変化するまでの時間を計測する処理は、本発明に係る信号検出方法の計測ステップにあたる。また、確認モードにおいて第１及び第２の外部スイッチ２，３に出力される電圧をパルス状に変化させ、計測ステップで計測された時間に基づいて設定された所定時間内に入力電圧Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２が閾値Ｖｓｈを越えて変化することを確認する処理は、本発明に係る信号検出方法の確認ステップに相当する。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した実施の形態によれば、確認モードにおいて、調整モードにおいて調整された所定時間内に前記検出信号が変化することを確認するので、例えば第１乃至第４の導線５１〜５４の配線長が長い場合でも、異常の誤検出を発生させることなく、第１及び第２の外部スイッチ２，３が正常に作動するか否かの判定を正確に行うことが可能となる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…信号入力装置 １１…制御部
１２…第１のスイッチング素子（断続部） １３…第２のスイッチング素子（断続部）
１４…第１のフォトカプラ（検出部） １５…第２のフォトカプラ（検出部）
２…第１の外部スイッチ ３…第２の外部スイッチ

Claims (3)

1. 外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する信号入力装置であって、
   前記外部スイッチに電圧を出力する電圧出力状態と前記外部スイッチへの電圧の出力を遮断する電圧遮断状態とを切り替え可能な断続部と、
   前記電圧出力状態において出力された電圧が前記外部スイッチを経て入力される入力電圧に感応して検出信号を出力する検出部と、
   前記断続部を制御すると共に前記検出信号を取得可能な制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記断続部を制御して前記外部スイッチに出力される電圧をパルス状に変化させ、所定時間内に前記検出信号が変化することを確認する確認モードと、
   前記外部スイッチに出力される電圧を変化させたときの前記入力電圧の応答性に基づいて、前記確認モードにおける前記所定時間を調整する調整モードと、
   前記電圧出力状態であるときに前記検出信号が変化したとき、前記外部スイッチのオンオフ状態が変化したことを検出する通常モードとを有する、
   信号入力装置。
2. 前記検出部は、前記入力電圧が閾値を越えて変化したときに前記検出信号が変化し、
   前記制御部は、前記調整モードにおいて前記外部スイッチに出力される電圧を変化させてから前記入力電圧が前記閾値を越えて変化するまでの時間を計測し、当該計測された時間以上の時間に前記所定時間を設定する、
   請求項１に記載の信号入力装置。
3. 信号入力装置によって外部スイッチのオン状態及びオフ状態を検出する信号検出方法であって、
   前記信号入力装置から前記外部スイッチに出力される電圧を変化させてから、前記外部スイッチを経て前記信号入力装置に入力される入力電圧が閾値を越えて変化するまでの時間を計測する計測ステップと、
   前記外部スイッチに出力される電圧をパルス状に変化させ、前記計測ステップで計測された時間に基づいて設定された所定時間内に前記入力電圧が前記閾値を越えて変化することを確認する確認ステップと、
   を有する信号検出方法。

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