JP2023033997A - 産業用制御装置の出力モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】診断時に負荷への動力が遮断されることなく、また、負荷への出力が０の場合でも、出力回路をオフする能力を診断することが可能な出力モジュールを提供する。【解決手段】出力回路は、互いに並列に接続される２つ以上の切替スイッチと、各切替スイッチに対応してそれぞれ設けられ、各切替スイッチの機能診断に用いられる機能診断用電圧を印加する個別電源と、各切替スイッチに対応して設けられ、機能診断用電圧が印加されたことによって切替スイッチを印加電流が流れたか否かを示す電流信号を制御部に出力する電流検出部と、を備える。制御部は、機能診断の対象となる診断対象スイッチとは別の少なくとも一つの任意の切替スイッチを閉状態としたまま、電流検出部による電流信号に基づいて少なくとも診断対象スイッチの開制御が正常に機能するか否かの判断を含む機能診断を実行する。【選択図】図１

Description

本開示は、産業用制御装置の出力モジュールに関する。

例えば、特許文献１に記載されるように、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）などの産業用制御装置では、その産業用制御装置の動作全般を制御するＣＰＵモジュールから与えられる指令に基づいて所定の出力制御を行う出力モジュールが設けられている。

出力モジュールは、上記出力制御として、例えば外部に接続される負荷に対する電力の供給を制御する。このような出力制御を行う出力モジュールは、電源電圧が与えられる負荷に接続する出力回路と、出力回路の動作を制御する制御部と、を備えている。そして、その出力回路としては、負荷への電力供給を遮断する切替スイッチと、切替スイッチを流れた電流信号を制御部へ返すリードバック用の電流検出部と、を備えるのが一般的である。

特開２０１９－２０８２２号公報

ＰＬＣの出力モジュールでは、機能安全の観点から、出力回路が負荷に対する電力供給を遮断するための能力、つまり出力回路をオフするための能力が適切に機能しているかどうかを検証する出力診断が必要である。

この出力診断では、まず切替スイッチを開け、電流検出回路からのリードバック値を読み取り、電流が流れていないことを確認した後、切替スイッチを閉じるようにしている。しかし、この出力モジュールでは、診断の際に、切替スイッチをオフするため、負荷に対する電力供給が停止してしまう。

なお、出力回路において、ＰＬＣとしての出力制御の多重化を図るために、複数の切替スイッチを備えるものもある。この構成では、一つの切替スイッチを閉じて、負荷への動力の流れを確保した状態で、他の切替スイッチを順番に開いて、各スイッチを順番に機能診断することは可能である。しかし、この構成であっても、負荷自体への出力が０の場合には、切替スイッチをオフにしてもリードバック値が０ｍＡであるため、出力回路をオフする能力があるのか否かを判定することができなかった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、診断時に負荷への動力が遮断されることなく、また、負荷への出力が０の場合でも、出力回路をオフする能力を診断することが可能な出力モジュールを提供することにある。

本開示は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、産業用制御装置の出力モジュールが提供される。この産業用制御装置の出力モジュールは、主電源からの電力が供給される負荷に接続する出力回路と、前記出力回路の動作を制御する制御部と、を備え、前記負荷への前記主電源からの前記電力の供給を制御する産業用制御装置の出力モジュールであって、前記出力回路は、前記主電源から前記負荷への前記電力の供給と遮断とを切り替える切替スイッチであって、互いに並列に接続される２つ以上の切替スイッチと、前記主電源とは別に各前記切替スイッチに対応してそれぞれ設けられ、各前記切替スイッチの機能診断に用いられる機能診断用電圧を印加する個別電源であって、各前記切替スイッチが並列接続される分岐点と、対応する前記切替スイッチと、の間に設けられる個別電源と、各前記切替スイッチに対応して設けられ、前記機能診断用電圧が印加されたことによって前記切替スイッチを印加電流が流れたか否かを示す電流信号を前記制御部に出力する電流検出部と、を備え、前記制御部は、複数の前記切替スイッチのうち、前記機能診断の対象となる診断対象スイッチとは別の少なくとも一つの任意の前記切替スイッチを閉状態としたまま、前記電流検出部による前記電流信号に基づいて少なくとも前記診断対象スイッチの開制御が正常に機能するか否かの判断を含む前記機能診断を実行する。
この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、出力回路は、並列接続された切替スイッチと、切替スイッチに対応して切替スイッチと分岐点との間に設けられる個別電源と、切替スイッチに対応して設けられる電流検出部と、を備えている。そして、制御部により少なくとも一つの任意の切替スイッチが閉状態とされたまま、電流検出部による電流信号に基づいて少なくとも診断対象スイッチの開制御が正常に機能するか否かの判断を含む機能診断を実行する。「診断対象スイッチの開制御が正常に機能する」、ということは、緊急時において負荷の動作を非常停止するときに、出力回路を正常にオフできるということを意味する。このような切替スイッチの機能診断に際して、上記形態によれば、診断対象以外の少なくとも一つの任意の切替スイッチは閉状態のままであるため、負荷への動力が遮断されることがない。
また、個別電源により機能診断用電圧を印加して、診断対象スイッチを印加電流が流れたか否かを示す電流信号に基づいて診断が行われるため、負荷に電力を供給する主電源の出力が０の場合でも、機能診断が可能である。すなわち、本構成によれば、診断時に負荷への動力が遮断されることなく、また、負荷への出力が０の場合であっても、出力回路をオフする機能診断を実行することができる。
（２）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、前記制御部は、前記機能診断において、前記診断対象スイッチを開状態とし、前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加したときに、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部からの前記電流信号を読み取り、前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れていないと判定される場合には、前記診断対象スイッチの前記開制御が正常に機能すると診断し、前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れたと判定される場合には、前記診断対象スイッチの前記開制御が正常に機能しないと診断する。
この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、診断対象スイッチを開状態とし、診断対象スイッチに対応する個別電源により機能診断用電圧を印加することにより、診断対象スイッチを印加電流が流れていない場合には、開制御が正常に機能すると診断することができ、診断対象スイッチを印加電流が流れた場合には、開制御が正常に機能しないと診断することができる。
（３）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、前記制御部は、前記機能診断において、前記診断対象スイッチを閉状態とし、前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加したときに、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部からの前記電流信号を読み取り、前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れたと判定される場合には、前記診断対象スイッチの閉制御が正常に機能すると診断し、前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れていないと判定される場合には、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部が故障していると判断する。
この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、診断対象スイッチを閉状態とし、診断対象スイッチに対応する個別電源により機能診断用電圧を印加することにより、診断対象スイッチを印加電流が流れた場合には、閉制御が正常に機能すると診断することができ、診断対象スイッチを印加電流が流れていないと判定される場合には、診断対象スイッチに対応する電流検出部が故障していると判断することができる。すなわち、切替スイッチの開閉機能に加えて、電流検出部の故障を検出することができる。
（４）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、前記個別電源が印加する前記機能診断用電圧による前記印加電流の値は、前記主電源が供給する電流値よりも大きい。この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、個別電源から供給される機能診断用電圧による印加電流の値は、主電源から供給される電力による電流値よりも大きいため、機能診断用電圧により印加電流の電流信号を明確に読み取ることができ、機能診断を容易かつ正確に行うことができる。
（５）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、各前記個別電源と、各前記個別電源に対応する各前記切替スイッチと、の間には、個別スイッチが設けられている。この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、機能診断時に電流を流すか否かを、個別スイッチにより切り替えることができ、機能診断時の電流制御を安定して行うことができる。
（６）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、前記制御部は、前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加する際に、前記個別スイッチを予め定められた一定時間だけ閉状態として、前記診断対象スイッチにパルス状の前記印加電流を流す。この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、診断対象スイッチの機能診断に際して、パルス状の電流を個別スイッチの切り替えにより制御できるため、安定した電流制御を行うことができる。
（７）上記形態の産業用制御装置の出力モジュールにおいて、前記分岐点と、各前記個別電源と、の間にそれぞれ設けられ、各前記個別電源から前記負荷に向かう電流を抑制するダイオードを、さらに備える。この形態の産業用制御装置の出力モジュールによれば、ダイオードにより、個別電源から負荷に向かう電流が抑制される。すなわち、電流の逆流を好適に抑制することができる。

本開示の第１実施形態におけるＰＬＣの出力モジュールの概略構成を示すブロック図である。 出力モジュールが実行する切替スイッチの機能診断処理を含む各処理において、切替スイッチおよび個別スイッチの開閉状態、リードバック信号の期待値を示すテーブルである。 第１実施形態の出力モジュールが実行する切替スイッチの機能診断処理の流れを表すメインフローチャートである。 第１切替スイッチの機能診断における詳細処理を示すフローチャートである。 第２切替スイッチの機能診断における詳細処理を示すフローチャートである。 本開示の第２実施形態におけるＰＬＣの出力モジュールの概略構成を示すブロック図である。

以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．ＰＬＣ１および、ＰＬＣ１の出力モジュール３の構成：
第１実施形態について、図１～図５を参照して説明する。まず、ＰＬＣの構成について、図１を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態におけるＰＬＣの出力モジュール３の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、産業用制御装置であるＰＬＣ１は、その動作全般を制御するＣＰＵモジュール２と、出力モジュール３と、図示しない入力モジュールなどを備えている。ＰＬＣ１は、出力モジュール３に接続される外部の負荷４の動作を制御する。負荷４としては、例えば流量制御弁の駆動装置などである。ＣＰＵモジュール２および出力モジュール３を含めたＰＬＣ１を構成する各モジュールは、バス通信ラインを介して、それぞれの間で通信可能に構成されている。

出力モジュール３は、ＣＰＵモジュール２から与えられる指令に基づいて負荷４に対する動力、より具体的には電源電圧Ｖａの供給を制御する。出力モジュール３は、出力回路５、制御部６、および負荷４を接続する２つの接続端子７，８を備えるデジタル出力モジュールである。

出力回路５は、Ｄ／Ａコンバータ１１、２つの切替スイッチ（第１切替スイッチＳｗＡ，第２切替スイッチＳｗＢ）、２つの電流検出抵抗器（第１抵抗器１２，第２抵抗器１３）、２つの個別電源（第１個別電源１４，第２個別電源１５）、および２つの個別スイッチ（第１個別スイッチＳｗＣａ，第２個別スイッチＳｗＣｂ）を備えている。Ｄ／Ａコンバータ１１は、負荷４の上流に設けられ、本実施形態において、負荷４にメインの電力を供給する主電源として機能する。

出力回路５は、電源電圧Ｖａが供給される負荷４に接続している。なお、以下の説明において、２つの切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢを特に区別しないときには、単に「切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ」といい、２つの個別電源１４，１５を特に区別しないときには、単に「個別電源１４，１５」という。同様に、２つの個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂを特に区別しないときには、単に「個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂ」といい、２つの電流検出抵抗器１２，１３を特に区別しないときには、単に「抵抗器１２，１３」という。

負荷４は、Ｄ／Ａコンバータ１１の下流に設けられる第１接続端子７と第２接続端子８との間に接続されている。各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ、各抵抗器１２，１３、各個別電源１４，１５、および各個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、いずれも負荷４（第２接続端子８）の下流側に設けられている。各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢは、出力回路５と負荷４との間を電気的に接続又は遮断するためのスイッチであって、負荷４の下流において介して互いに並列に接続されている。

並列接続の分岐点Ｐより下流であって、第１切替スイッチＳｗＡの上流には第１ダイオード１６が設けられている。同様に、分岐点Ｐより下流であって、第２切替スイッチＳｗＢの上流には第２ダイオード１７が設けられている。ダイオード１６，１７は、個別電源１４，１５から負荷４に向かう電流を抑制する。

各個別電源１４，１５は、一定の電流を出力する定電流源であり、例えば外部の電源モジュールから分圧された分圧電圧を出力することで電流を流すことが可能な回路である。第１個別電源１４は、第１ダイオード１６の下流であって、第１切替スイッチＳｗＡの上流に設けられている。第２個別電源１５は、第２ダイオード１７の下流であって、第２切替スイッチＳｗＢの上流に設けられている。

第１個別スイッチＳｗＣａは、第１個別電源１４と第１切替スイッチＳｗＡとの間に設けられている。第１個別スイッチＳｗＣａは、第１個別電源１４と第１切替スイッチＳｗＡとの間を電気的に接続又は遮断するためのスイッチである。第２個別スイッチＳｗＣｂは、第２個別電源１５と第２切替スイッチＳｗＢとの間に設けられている。第２個別スイッチＳｗＣｂは、第２個別電源１５と第２切替スイッチＳｗＢとの間を電気的に接続又は遮断するためのスイッチである。なお、上記各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、例えばＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタである。また、上記各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、例えば機械式のリレーなどであってもよい。各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、制御部６から与えられる２値の制御信号に従ってオンオフされる。

第１抵抗器１２は、第１切替スイッチＳｗＡの下流において第１切替スイッチＳｗＡとグランド（０Ｖ）との間に接続されている。第２抵抗器１３は、第２切替スイッチＳｗＢの下流において第２切替スイッチＳｗＢとグランド（０Ｖ）との間に接続されている。各抵抗器１２，１３は、電流が流れることで電圧を生じる。その電圧は、後述する出力回路５の機能診断のためのリードバック信号として機能する機能診断用電圧Ｖｂとして、制御部６に与えられる。各抵抗器１２，１３は、所謂リードバック回路であり「電流検出部」に相当する。また、リードバック信号である機能診断用電圧Ｖｂは、対応する各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢを電流が流れたか否かを示す「電流信号」に相当する。本実施形態では、電流信号として電流が流れたことを示す情報を用いる。

以上の構成において、第１切替スイッチＳｗＡに対して、第１個別電源１４、第１個別スイッチＳｗＣａ、および第１抵抗器１２がそれぞれ対応している。第２切替スイッチＳｗＢに対して、第２個別電源１５、第２個別スイッチＳｗＣｂ、および第２抵抗器１３がそれぞれ対応している。個別電源１４，１５は、対応する切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの後述する機能診断において、機能診断用電圧Ｖｂを印加する。各個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、対応する各個別電源１４，１５から各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢに、機能診断時以外に不用意に電流が流れないように開閉制御される。

制御部６は、例えば、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の入出力ポート等を含むマイクロコンピュータであり、出力回路５の動作全般を制御する。具体的には、制御部６は、各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂの開閉動作を制御する。また、制御部６は、外付けされる図示しないＡ／Ｄコンバータを有しており、このＡ／Ｄコンバータにより、各抵抗器１２，１３から機能診断用電圧Ｖｂの値を読み取り、電流値を演算する。また、制御部６のＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して、後述する出力回路５の機能診断を実行する。

図２は、出力モジュール３が実行する切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断処理を含む各処理において、切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢおよび個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂの開閉状態、リードバック信号の期待値を示すテーブルである。図２において「１．初期化」の横欄に示すように、本実施形態では、負荷４の通常運転時には、第１切替スイッチＳｗＡは閉（Ｃｌｏｓｅ）とされ、第２切替スイッチＳｗＢは開（Ｏｐｅｎ）とされる。すなわち、第１切替スイッチＳｗＡは、負荷４の通常運転時にメインとして使用されるスイッチであり、第２切替スイッチＳｗＢは、各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの後述する機能診断時に使用されるスイッチである。

また、負荷４の通常運転時には、各個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂは開とされ、機能診断を行うときのみ、機能診断対象となる切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ（以下、「診断対象スイッチ」ともいう）に対応する個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂが閉とされる。なお、機能診断における、各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂの開閉動作の詳細については以下に詳述する。

Ａ２．切替スイッチの機能診断処理について：
次に、上記出力モジュール３の制御部６が実行する切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断処理について、図２～図５を参照して説明する。図３は、第１実施形態の出力モジュール３が実行する切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断処理の流れを表すメインフローチャートである。図４は、第１切替スイッチＳｗＡの機能診断における詳細処理を示すフローチャートである。図５は、第２切替スイッチＳｗＢの機能診断における詳細処理を示すフローチャートである。

ＰＬＣ１の出力モジュール３では、機能安全の観点から、出力回路５が負荷４に対する動力を遮断するための能力、つまり出力回路５をオフするための能力が適切に機能しているかどうかを定期的に検証する出力診断を実行する。本実施形態では、この出力診断を、２つの切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢがそれぞれオフできることを順に確認することで行う。診断では、切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢが例えば接点の溶着等により閉状態で固着してしまい、オープン指令信号を受けても、クローズ状態のままになっており開制御が正常に機能しないという故障（以下「クローズ故障」ともいう。）を検出する。

本実施形態では、負荷４へ電力供給を継続しつつ、各切替スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂの機能診断を実行する。図３に示す機能診断フローが開始される前の、負荷４の通常運転状態における各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂの開閉状態は、先に説明したように、図２において「１．初期化」の横欄に示すように、第１切替スイッチＳｗＡは閉、第２切替スイッチＳｗＢ、第１個別スイッチＳｗＣａ、および第２個別スイッチＳｗＣｂはいずれも開とされている。

通常運転では、第１切替スイッチＳｗＡのみが閉とされることで、出力回路５がオンされており、Ｄ／Ａコンバータ１１からの電源電圧Ｖａが負荷４に供給される。このとき、電流は、「Ｄ／Ａコンバータ１１→負荷４→第１切替スイッチＳｗＡ→第１抵抗器１２」という経路で流れる。なお、Ｄ／Ａコンバータ１１の出力は、機能診断中を含む機能診断の前後において、オフであってもオンであってもどちらでもよい。本実施形態では、２つの切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢのうち、通常メインとして使用される第１切替スイッチＳｗＡから、第１切替スイッチＳｗＡ、第２切替スイッチＳｗＢの順で機能診断を行う。

図３に示すように、機能診断処理が開始されると、まず、ステップ１０（以下、ステップを「Ｓ」と省略する。）において、第１切替スイッチＳｗＡのテスト（診断）準備が行われ、Ｓ２０において、第１切替スイッチＳｗＡの機能テストが実行される。次に、Ｓ３０において、第２切替スイッチＳｗＢのテスト準備が行われ、Ｓ４０において、第２切替スイッチＳｗＢの機能テストが実行される。なお、Ｓ２０における第１切替スイッチＳｗＡの機能テスト時には、第１切替スイッチＳｗＡが「診断対象スイッチ」に相当し、Ｓ４０における第２切替スイッチＳｗＢの機能テスト時には、第２切替スイッチＳｗＢが「診断対象スイッチ」に相当する。

以下、機能診断処理についてさらに詳細に説明する。Ｓ１０の第１切替スイッチＳｗＡのテスト準備では、図２において「２．ＳｗＡのテスト準備」の横欄に示すように、第１切替スイッチＳｗＡが開とされ、第２切替スイッチＳｗＢが閉とされる。なお、「１．初期化」から「２．ＳｗＡのテスト準備」の間には、ごく一時的に両方の切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢが閉とされる。「２．ＳｗＡのテスト準備」の処理において、第２切替スイッチＳｗＢのみが閉とされることで、出力回路５はオンされた状態が維持されて、Ｄ／Ａコンバータ１１からの電源電圧Ｖａが負荷４に供給され続ける。このとき、電流は、「Ｄ／Ａコンバータ１１→負荷４→第２切替スイッチＳｗＢ→第２抵抗器１３」という経路で流れる。

次に、図４を参照して、第１切替スイッチＳｗＡの機能テストについて説明する。図４に示すように、まず、Ｓ２１において、第１個別スイッチＳｗＣａが予め定められた一定時間だけ閉とされて、第１個別電源１４からパルス状の電流（以下、「パルス電流」という）が入力される。このＳ２１の処理の際、図２において「３．ＳｗＡのＯｐｅｎ機能テスト」の横欄に示すように、第１切替スイッチＳｗＡおよび第２個別スイッチＳｗＣｂが開であり、第２切替スイッチＳｗＢおよび第１個別スイッチＳｗＣａが閉となっている。

第１個別電源１４により入力されたパルス電流は、第１切替スイッチＳｗＡが閉であれば、「第１個別スイッチＳｗＣａ→第１切替スイッチＳｗＡ→第１抵抗器１２」という経路で流れる。なお、「パルス電流」は、「印加電流」に相当する。次に、Ｓ２２において、パルス入力が見えないか否かが判断される。「パルス入力が見えないか否か」の判断は、より具体的には、第１抵抗器１２によりリードバック信号として制御部６に与えられた機能診断用電圧Ｖｂから電流値が演算されることにより、機能診断用電圧Ｖｂに基づくパルス電流値がリードバック信号に表れているか否かを判断することにより行われる。

ここで、通常運転におけるＤ／Ａコンバータ１１からの電圧により流れる電流値は４ｍＡ～２０ｍＡ程度であるのに対して、個別電源１４，１５からの機能診断用電圧Ｖｂにより流れる電流値は６０ｍＡ程度と大きく設定されてる。このため、何らかの理由でメイン電流においてパルス電流が含まれた場合であっても、その電流値は機能診断用電圧Ｖｂによる電流値よりも明らかに小さいため、機能診断による印加電流と混同されることがない。

Ｓ２２において、パルス入力が見えない場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）には、Ｓ２３に進み、オープン機能が正常である、すなわち、第１切替スイッチＳｗＡは「開制御が正常に機能している」と判断される。これは、第１切替スイッチＳｗＡが正しく開となっていれば、第１個別電源１４からのテスト用の印加電流（以下、「テスト電流」ともいう）は第１切替スイッチＳｗＡおよび第１抵抗器１２には流れず、パルス電流は見えない状態が正しく、リードバック信号の期待値と一致しているためである。

一方、Ｓ２２において、パルス入力が見える場合（Ｓ２２：NO）には、Ｓ２４に進み、クローズ故障である、すなわち、第１切替スイッチＳｗＡは「開制御が正常に機能しない」と診断される。パルス入力が見えるということは、第１個別電源１４からのテスト電流が第１切替スイッチＳｗＡおよび第１抵抗器１２を流れたことを意味し、第１切替スイッチＳｗＡは、開指令を受けたにも関わらず開となっていないと考えられるためである。

なお、このＳ２４での判断に際して、第１抵抗器１２が故障しており、正しい電流信号が送信されなかったということも可能性としては考えられ得る。しかし、機能診断が実行される直前の通常運転時において、第１抵抗器１２によるリードバック機能は正常に使用されていたことが前提であり、また、上記構成をとる出力モジュール３において第１抵抗器１２については独自の機能診断が別に行われていることが一般的である。その点、第１切替スイッチＳｗＡのオープン機能テストは、本機能診断で始めて行うものであるため、故障の可能性としては、第１抵抗器１２よりも第１切替スイッチＳｗＡに起因するものである可能性が極めて高い。以上のことから、Ｓ２４では、第１切替スイッチＳｗＡはクローズ故障状態であると判断される。

Ｓ２３において、オープン機能が正常であると判断された後は、Ｓ２５において、第１切替スイッチＳｗＡにクローズ指令信号が与えられる。次に、Ｓ２６において、再び第１個別電源１４からパルス電流が入力される。このＳ２６の処理の際、図２において「４．ＳｗＡのＣｌｏｓｅ機能テスト」の横欄に示すように、第１切替スイッチＳｗＡ、第２切替スイッチＳｗＢ、および第１個別スイッチＳｗＣａが閉、第２個別スイッチＳｗＣｂが開となっている。

次に、Ｓ２７において、パルス入力が見えるか否かが判断される。Ｓ２７において、パルス入力が見える場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）には、Ｓ２８に進み、第１切替スイッチＳｗＡは故障なし、すなわち、Ｓ２３での開制御が正常であるともに第１切替スイッチＳｗＡは「閉制御が正常に機能している」と判断される。これは、第１切替スイッチＳｗＡが正しく閉となっていれば、第１個別電源１４からのテスト電流は第１切替スイッチＳｗＡおよび第１抵抗器１２に流れて、パルス電流が見える状態が正しく、リードバック信号の期待値と一致しているためである。

一方、Ｓ２７において、パルス入力が見えない場合（Ｓ２７：ＮＯ）には、Ｓ２９に進み、第１抵抗器１２が故障していると診断される。パルス入力が見えないということは、第１個別電源１４からのテスト電流が第１切替スイッチＳｗＡおよび第１抵抗器１２を流れていないことを意味するため、第１抵抗器１２からの電流信号が間違っていると考えられるためである。

なお、このＳ２９での判断に際して、第１抵抗器１２の故障ではなく、第１切替スイッチＳｗＡが正しく閉とならなかった、すなわち開状態で固着していること（「オープン故障」ともいう）が、可能性としては考えられ得る。しかし、機能診断が実行される直前の通常運転時において、第１切替スイッチＳｗＡは閉状態で正常に使用されていたことが前提であるため、開状態での固着の可能性は極めて低い。

また、機能安全の面では、機能診断開始後にたとえオープン故障が生じたとしても、クローズ故障が生じていないのであれば、緊急時のオフ機能は正しく行われるため、オープン故障の診断結果とするメリットが少ない。なお、第１切替スイッチＳｗＡがオープン故障を生じた場合には、機能診断後に第１切替スイッチＳｗＡを閉じ再び負荷４を通常運転させようとした際に、動力がオフとなり負荷４を駆動することができないため、このときに、明らかに第１切替スイッチＳｗＡのオープン故障を検出することが可能である。

また、Ｓ２９での判断に際して、さらに別の可能性として、第１個別スイッチＳｗＣａが正しく閉となっておらず、実際にテスト電流が流れていない可能性も考えられ得る。しかし、そもそも個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断時のみに開閉されるスイッチであり、切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢと比較すると使用頻度が低く、故障の可能性は極めて低い。

本機能診断において、出力モジュール３を構成する各構成部材の故障の可能性および診断の優位性をまとめると、高いものから順に、
１．切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢのクローズ故障（開制御の異常）、
２．抵抗器１２，１３の電流信号の故障、
３．切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢのオープン故障（閉制御の異常）、
４．個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂの故障、
となっている。

以上の基準から、本実施形態では、Ｓ２９において、第１抵抗器１２が故障しているものと判断される。Ｓ２４、Ｓ２８，Ｓ２９の各診断がなされた後は、それぞれ本処理ルーチンを終了する。なお、Ｓ２９の処理による第１抵抗器１２の故障の場合には、別の機能診断により第１抵抗器１２の機能を再度チェックし、ここで仮に第１抵抗器１２が正常であるという判断が出た場合には、第１切替スイッチＳｗＡのクローズ故障であると判断してもよい。

以上のように、第１切替スイッチＳｗＡの機能診断が終了したら、次に、上記第１切替スイッチＳｗＡの機能診断と略同様にして第２切替スイッチＳｗＢの機能診断が実行される。図３に示すＳ３０における第２切替スイッチＳｗＢのテスト準備では、第２切替スイッチＳｗＢが開とされる。なお、図２において、第２切替スイッチＳｗＢのテスト準備（Ｓ３０）後の各スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ，ＳｗＣａ，ＳｗＣｂの開閉状態については省略しているが、第２切替スイッチＳｗＢのテスト準備（Ｓ３０）後には、第１切替スイッチＳｗＡは閉、それ以外のスイッチは全て開とされている。

第２切替スイッチＳｗＢの機能診断が開始されると、図５に示すように、まず、Ｓ４１において、第２個別スイッチＳｗＣｂが閉とされて、第２個別電源１５からパルス電流が入力される。このＳ４１の処理の際、図２において「５．ＳｗＢのＯｐｅｎ機能テスト」の横欄に示すように、第２切替スイッチＳｗＢおよび第１個別スイッチＳｗＣａが開であり、第１切替スイッチＳｗＡおよび第２個別スイッチＳｗＣｂが閉となっている。

入力されたパルス電流は、第２切替スイッチＳｗＢが閉であれば、「第２個別スイッチＳｗＣｂ→第２切替スイッチＳｗＢ→第２抵抗器１３」という経路で流れる。次に、Ｓ４２において、パルス入力が見えないか否かが判断される。Ｓ４２において、パルス入力が見えない場合（Ｓ４２：ＹＥＳ）には、Ｓ４３に進み、オープン機能が正常である、すなわち、第２切替スイッチＳｗＢは「開制御が正常に機能している」と判断される。これは、第２切替スイッチＳｗＢが正しく開となっていれば、第２個別電源１５からのテスト電流は第２切替スイッチＳｗＢおよび第２抵抗器１３には流れず、パルス電流は見えない状態が正しく、リードバック信号の期待値と一致しているためである。

一方、Ｓ４２において、パルス入力が見える場合（Ｓ４２：NO）には、Ｓ４４に進み、クローズ故障である、すなわち、第２切替スイッチＳｗＢは「開制御が正常に機能しない」と診断される。パルス入力が見えるということは、第２個別電源１５からのテスト電流が第２切替スイッチＳｗＢおよび第２抵抗器１３を流れたことを意味し、第２切替スイッチＳｗＢは、開指令を受けたにも関わらず開となっていないと考えられるためである。

なお、このＳ４４での判断に際して、第２抵抗器１３が故障しており、正しい電流信号が送信されなかったということも可能性としては考えられ得る。しかし、前述の第１切替スイッチＳｗＡの機能診断において、メイン電流を負荷４に流すために第２切替スイッチＳｗＢを閉としており、このときに第２抵抗器１３のリードバック機能は正常に使用されていたことが前提である。その点、第２切替スイッチＳｗＢのオープン機能テストは、本機能診断で始めて行うものであるため、故障の可能性としては、第２抵抗器１３よりも第２切替スイッチＳｗＢに起因するものである可能性が極めて高い。以上のことから、Ｓ４４では、第２切替スイッチＳｗＢはクローズ故障状態であると判断される。

Ｓ４３において、オープン機能が正常であると判断された後は、Ｓ４５において、第２切替スイッチＳｗＢにクローズ指令信号が与えられる。次に、Ｓ４６において、再び第２個別電源１５からパルス電流が入力される。このＳ４６の処理の際、図２において「６．ＳｗＢのＣｌｏｓｅ機能テスト」の横欄に示すように、第１切替スイッチＳｗＡ、第２切替スイッチＳｗＢ、および第２個別スイッチＳｗＣｂが閉、第１個別スイッチＳｗＣａが開となっている。

次に、Ｓ４７において、パルス入力が見えるか否かが判断される。Ｓ４７において、パルス入力が見える場合（Ｓ４７：ＹＥＳ）には、Ｓ４８に進み、第２切替スイッチＳｗＢは故障なし、すなわち、Ｓ４３での開制御が正常であるともに第２切替スイッチＳｗＢは「閉制御が正常に機能している」と判断される。これは、第２切替スイッチＳｗＢが正しく閉となっていれば、第２個別電源１５からのテスト電流は第２切替スイッチＳｗＢおよび第２抵抗器１３に流れて、パルス電流が見える状態が正しく、リードバック信号の期待値と一致しているためである。

一方、Ｓ４７において、パルス入力が見えない場合（Ｓ４７：ＮＯ）には、Ｓ４９に進み、第２抵抗器１３が故障していると診断される。パルス入力が見えないということは、第２個別電源１５からのテスト電流が第２切替スイッチＳｗＢおよび第２抵抗器１３を流れていないことを意味するため、第２抵抗器１３からの電流信号が間違っていると考えられるためである。

なお、このＳ４９での判断に際して、第２抵抗器１３の故障ではなく、第２切替スイッチＳｗＢが正しく閉とならなかった、すなわち開状態で固着したオープン故障であることが、可能性としては考えられ得る。しかし、第１切替スイッチＳｗＡの機能診断（図４）において、第２切替スイッチＳｗＢを閉状態とすることで負荷４が正常に稼働していたことが前提であるため、開状態での固着の可能性は極めて低い。

また、第２個別スイッチＳｗＣｂが正しく閉となっておらず、実際に印加電流が流れていない可能性も考えられ得るが、この点については、上記詳述した故障の可能性および診断の優位性の観点から、可能性は極めて低い。以上のことから、本実施形態では、Ｓ４９において、第２抵抗器１３が故障しているものと判断される。Ｓ４４、Ｓ４８，Ｓ４９の各診断がなされた後は、それぞれ本処理ルーチンを終了する。

Ａ３．効果：
（１）以上説明したように、上記第１実施形態のＰＬＣ１の出力モジュール３によれば、各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断に際して、診断対象ではない方の切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢは閉状態とされるため、負荷４への動力が遮断されることがない。また、診断時には、診断対象スイッチＳｗＡ，ＳｗＢに対応する個別電源１４，１５により機能診断用電圧Ｖｂを印加することにより、診断対象スイッチをテスト電流が流れたか否かに基づいて行われるため、負荷４に電力を供給する主電源としてのＤ／Ａコンバータ１１の出力が０の場合でも、機能診断が可能である。すなわち、診断時に負荷４への動力が遮断されることなく、さらに、負荷４への出力が０の場合であっても、出力回路５をオフする能力を診断することができる。

（２）上記第１実施形態では、各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断において、Ｓ２９およびＳ４９において、各抵抗器１２，１３の故障を判定するようにしている。すなわち、複数設けられた切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの開閉パターンおよび機能診断用電圧Ｖｂの印加パターンを設定することで、故障の可能性および診断の優位性に基づき、出力回路５のどこで故障したのかを把握すること、つまり故障箇所を特定することができる。

（３）上記第１実施形態では、個別電源１４，１５からの機能診断用電圧Ｖｂにより流れる電流値は、通常運転におけるＤ／Ａコンバータ１１からの電源電圧Ｖａにより流れる電流値よりも大きく設定されている。このため、診断時にメイン電流においてパルス電流的なものが仮に流れた場合であっても、その電流値は機能診断用電圧Ｖｂによる電流値よりも明らかに小さいため、テスト用電流と混同されることがない。また、テスト電流が小さいと、例えば仮にメイン電流の逆流により、テスト電流が切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢとは反対側に吸われてしまった場合に、テスト電流の信号を検出できない可能性がある。その点、主電源としてのＤ／Ａコンバータ１１よりも大きな電流を個別電源１４，１５によって流すことで、上記の問題を回避できる。以上により、機能診断時におけるパルス入力が見えるか否かの判断（Ｓ２２，Ｓ２７、Ｓ４２、Ｓ４７）を容易かつ正確に行うことができる。

（４）上記第１実施形態では、各個別電源１４，１５と各個別電源１４，１５に対応する各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢとの間に、個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂを設けている。このため、機能診断用の電流を流すか否かを個別電源１４，１５の下流で切り替えることができるため、個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂを有さず常に電流が流れている場合と比較して、安定した電流制御を行うことができる。また、個別電源１４，１５の消費電力を極力抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
次に、本開示の第２実施形態について、図６を参照して説明する。第２実施形態のＰＬＣ１の出力モジュール３は、電流検出部として第２抵抗器１３を有さず、１つの抵抗器（第１抵抗器１２）のみを有する点において、上記第１実施形態と異なっている。第２実施形態のＰＬＣ１の出力モジュール３におけるその他の構成は、第１実施形態のＰＬＣ１の出力モジュール３と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、第１抵抗器１２は、並列接続された各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの下流における並列接続の合流点Ｐ１とグランド（０Ｖ）との間に接続されている。第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様の機能診断処理が実行される。なお、第２実施形態では、Ｓ４９の処理（図５参照）において、「第２抵抗器」は「第１抵抗器」に置き換えて実行される。

第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、「１．初期化」から「２．ＳｗＡのテスト準備」の間には、一時的に両方の切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢが閉とされる。このとき、電源電圧Ｖａにより負荷４に流れる電流は、「Ｄ／Ａコンバータ１１→負荷４→第１切替スイッチＳｗＡおよび第２切替スイッチＳｗＢ→第１抵抗器１２」という経路で流れる。

第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第２実施形態によれば、「１．初期化」から「２．ＳｗＡのテスト準備」の間において負荷４に流れる電流を測定する際に、第１抵抗器１２から一つのリードバック信号を検出することで演算できるため、複数の抵抗器から複数のリードバック信号を検出して演算する場合と比較して、演算処理が容易であり、かつ精度良く電流値を算出することができる。また、出力モジュール３において、構成部材点数を削減でき、装置構成を容易にすることができる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態では、第１切替スイッチＳｗＡから順に機能診断を行ったが、第２切替スイッチＳｗＢの機能診断を先に行ってもよい。また、各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢの機能診断において、Ｏｐｅｎ機能テストを先に実行したが、Ｃｌｏｓｅ機能テストを先に実行してもよい。

（Ｃ２）上記第１実施形態では、各切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢ、各抵抗器１２，１３、各個別電源１４，１５、および各個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂは、いずれも負荷４の下流側に設けたが、上流側、すなわちＤ／Ａコンバータ１１と負荷４との間に設けてもよい。

（Ｃ３）上記第１実施形態では、Ｄ／Ａコンバータ１１をメインの主電源とし、出力モジュール３内に設けたが、これに代えて、出力モジュール３の外部に設けられる別電源を負荷４の上流に接続するようにしてもよい。

（Ｃ４）上記第１実施形態では、切替スイッチＳｗＡ，ＳｗＢを２つ設けたが、切替スイッチの数は、３つ以上の複数であってもよい。切替スイッチが３つ以上の場合の機能診断では、診断対象スイッチとは別の少なくとも一つの任意の切替スイッチを閉状態とすることで実行できる。また、出力モジュール３において、制御部６を複数設けてもよい。

（Ｃ５）上記第１実施形態では、第１切替スイッチＳｗＡを、負荷４の通常運転時に出力回路５をオンとするために用いるメインのスイッチとしたが、必ずしも１つの切替スイッチをメインとして使用する必要はない。例えば、複数の切替スイッチを、通常運転時に交替で用いるようにしてもよい。

（Ｃ６）上記第１実施形態において、各個別スイッチＳｗＣａ，ＳｗＣｂを設けなくてもよい。この場合、個別電源１４，１５自体をオフからオンへとスイッチングすることにより、機能診断用の電流を流すようにしてもよい。また、テスト用の印加電流は、パルス電流でなくてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…ＰＬＣ、２…ＣＰＵモジュール、３…出力モジュール、４…負荷、５…出力回路、６…制御部、７…第１接続端子、８…第２接続端子、１１…Ｄ／Ａコンバータ、１２…第１抵抗器（電流検出抵抗器）、１３…第２抵抗器（電流検出抵抗器）、１４…第１個別電源、１５…第２個別電源、１６…第１ダイオード、１７…第２ダイオード、Ｐ…分岐点、Ｐ１…合流点、ＳｗＡ…第１切替スイッチ、ＳｗＢ…第２切替スイッチ、ＳｗＣａ…第１個別スイッチ、ＳｗＣｂ…第２個別スイッチ、Ｖａ…電源電圧、Ｖｂ…機能診断用電圧

Claims (7)

1. 主電源からの電力が供給される負荷に接続する出力回路と、前記出力回路の動作を制御する制御部と、を備え、前記負荷への前記主電源からの前記電力の供給を制御する産業用制御装置の出力モジュールであって、
   前記出力回路は、
   前記主電源から前記負荷への前記電力の供給と遮断とを切り替える切替スイッチであって、互いに並列に接続される２つ以上の切替スイッチと、
   前記主電源とは別に各前記切替スイッチに対応してそれぞれ設けられ、各前記切替スイッチの機能診断に用いられる機能診断用電圧を印加する個別電源であって、各前記切替スイッチが並列接続される分岐点と、対応する前記切替スイッチと、の間に設けられる個別電源と、
   各前記切替スイッチに対応して設けられ、前記機能診断用電圧が印加されたことによって前記切替スイッチを印加電流が流れたか否かを示す電流信号を前記制御部に出力する電流検出部と、を備え、
   前記制御部は、
   複数の前記切替スイッチのうち、前記機能診断の対象となる診断対象スイッチとは別の少なくとも一つの任意の前記切替スイッチを閉状態としたまま、
   前記電流検出部による前記電流信号に基づいて少なくとも前記診断対象スイッチの開制御が正常に機能するか否かの判断を含む前記機能診断を実行する産業用制御装置の出力モジュール。
2. 前記制御部は、
   前記機能診断において、前記診断対象スイッチを開状態とし、前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加したときに、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部からの前記電流信号を読み取り、
   前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れていないと判定される場合には、前記診断対象スイッチの前記開制御が正常に機能すると診断し、
   前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れたと判定される場合には、前記診断対象スイッチの前記開制御が正常に機能しないと診断する請求項１に記載の産業用制御装置の出力モジュール。
3. 前記制御部は、
   前記機能診断において、前記診断対象スイッチを閉状態とし、前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加したときに、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部からの前記電流信号を読み取り、
   前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れたと判定される場合には、前記診断対象スイッチの閉制御が正常に機能すると診断し、
   前記診断対象スイッチを前記印加電流が流れていないと判定される場合には、前記診断対象スイッチに対応する前記電流検出部が故障していると判断する請求項１または請求項２に記載の産業用制御装置の出力モジュール。
4. 前記個別電源が印加する前記機能診断用電圧による前記印加電流の値は、前記主電源が供給する電流値よりも大きい請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の産業用制御装置の出力モジュール。
5. 各前記個別電源と、各前記個別電源に対応する各前記切替スイッチと、の間には、個別スイッチが設けられている請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載の産業用制御装置の出力モジュール。
6. 前記制御部は、
   前記診断対象スイッチに対応する前記個別電源により前記機能診断用電圧を印加する際に、前記個別スイッチを予め定められた一定時間だけ閉状態として、前記診断対象スイッチにパルス状の前記印加電流を流す請求項５に記載の産業用制御装置の出力モジュール。
7. 前記分岐点と、各前記個別電源と、の間にそれぞれ設けられ、各前記個別電源から前記負荷に向かう電流を抑制するダイオードを、さらに備える請求項１～請求項６のうちいずれか一項に記載の産業用制御装置の出力モジュール。

Images