JP2024025696A - モジュール式制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】拡大された機能の範囲を有するモジュール式制御装置を提供する【解決手段】第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）は、セーフティコントローラの安全機能を提供するように設計されている、電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の第１の群（３）と、第２のロジックユニット（２１）に接続され、いくつもの入力部と出力部とを有する電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）の第２の群（４）であって、第２の群（４）の電子モジュールが、プログラマブルロジックコントローラの標準機能を提供するように設計され第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の安全機能は、モジュール列におけるそれらの位置によって、および／または、固定ハードウェア設定によって定義され、第２の群（４）の電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）の標準機能はプログラム可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、モジュール式制御装置に関する。

従来技術から、それぞれ異なるタイプの制御装置が知られており、それらは異なる機能範囲を有し得る。ここでは特に、欧州規格ＥＮ６１１３１に準拠したプログラマブルロジックコントローラと、国際規格ＩＥＣ６１５０８に準拠した安全コントローラを区別する必要がある。セーフティコントローラは、追加の安全機能を備えているので、セーフティクリティカルなプロセスの自動制御のためにセーフティクリティカルな領域でも使用できる。

プログラマブルロジックコントローラおよびセーフティコントローラを、異なる機能を提供するいくつもの電子モジュールからなるモジュール式に構成することも技術的には知られている。

モジュール式プログラマブルロジックコントローラは、ロジックユニットとそれに接続された複数の電子モジュールから構成され、いくつもの入力部といくつもの出力部を提供する。センサは既知の方法で入力部に接続することができ、たとえば、制御される機械または技術システムの動作状態に関する情報を提供し、これらをプログラマブルロジックコントローラの入力信号として利用することができる。これらの入力信号は、ロジックユニットを使用して分析することができ、対応する出力信号は、論理演算と、必要に応じてさらなる信号およびデータ処理ステップによって生成され、電子モジュールの出力部を介して出力される。アクチュエータは出力部に接続され、出力信号を処理して特定の動作を実行することができる。

モジュール式セーフティコントローラは、特に、危険な状況が発生した場合に、技術システムまたは機械を人間にとって安全な状態に安全に移行させるために使用される。この目的のために、入力部側では、たとえば非常停止スイッチ、緊急停止スイッチ、ライトグリッド、ライトカーテン、セーフティマット、セーフティゲートポジションスイッチ、３Ｄレーザースキャナなどの信号発信器または信号装置からのいくつもの安全入力部によって対応する入力信号が受信され、ロジックユニットによって安全に評価される。出力側では、出力回路の対応する安全出力部が作動する。危険な状況が発生した場合、コンタクタ、バルブなどのアクチュエータは、これらのアクチュエータに接続された機械／接続された機械または技術システムを、人々にとって安全な状態に切り替えることができるように、出力信号によりこれらの安全出力部を介して制御される。

このようなモジュール式セーフティコントローラムは、少なくとも１つのモジュール列に配置された、特定の機能を持つ複数の電子モジュールを含む。セーフティコントローラのモジュール構造は、有利なことに、いくつかの電子モジュールを個別に組み立て、それらを一緒に配線し、所望の安全機能を提供できるように構成することによって、アプリケーション固有の構成の可能性を生み出す。非常に異なる安全機能を持つモジュール式セーフティコントローラを構築することができる電子モジュールの例としては、センサまたは緊急指令装置からの入力信号のような、１または複数の信号装置からの入力信号を受信し、必要に応じて処理することができる入力モジュールとか、接続された１または複数のアクチュエータに出力信号を出力することができる出力モジュールとか、入力モジュールと出力モジュールとの組み合わせ（いわゆるＩ／Ｏモジュール）とか、入力モジュールと出力モジュールとの割り当てを制御することができる制御モジュールとか、さらにインターフェースモジュール、通信モジュール、フィールドバスコントローラ、フィールドバスカプラなどがある。モジュール式セーフティコントローラを製造する際、電子モジュールは少なくとも１つのモジュール列に並べられ、それに応じて配線され、安全性の面で特定のアプリケーションに必要な機能を提供できるように構成される。

セーフティコントローラとプログラマブルロジックコントローラとの機能を提供するためには、２つの装置が必要であり、その結果、必要なスペースが大きくなり、設置コストおよび配線コストが高くなり、リレー接点の数も多くなる。

本発明の課題は、拡大された機能の範囲を有するモジュール式制御装置を提供することである。

この課題の解決策は、請求項１の特徴を有するモジュール式制御装置によって提供される。従属請求項は、本発明の有利なさらなる実施形態に関する。

本発明に従ったモジュール式制御装置は、
第１のロジックユニットと第２のロジックユニットとを備えた中央制御モジュールと、
第１のロジックユニットに接続され、いくつもの安全入力部と安全出力部とを有する電子モジュールの第１の群であって、第１の群の電子モジュールは、セーフティコントローラの安全機能を提供するように設計されている、電子モジュールの第１の群と、
第２のロジックユニットに接続され、いくつもの入力部と出力部とを有する電子モジュールの第２の群であって、第２の群の電子モジュールが、プログラマブルロジックコントローラの標準機能を提供するように設計されている、電子モジュールの第２の群と、を含み、
中央制御モジュールと、電子モジュールの２つの群とは、少なくとも１つのモジュール列に配置され、
第１の群の電子モジュールの安全機能は、モジュール列におけるそれらの位置によって、および／または、固定ハードウェア設定によって定義され、
第２の群の電子モジュールの標準機能はプログラム可能である。

本発明に従ったモジュール式制御装置は、安全制御装置の機能、特に安全シャットダウンの機能と、プログラマブルロジックコントローラの機能とが単一の装置で一緒に提供されるという利点を有する。この結果、特にスペース上およびコスト上の利点が得られる。電子モジュールの第１の群の助けを借りて利用できるようになっているモジュール式制御装置の安全機能は、ソフトウェア側で変更することはできず、モジュールシーケンスによって固定されているか、あらかじめ決められている。これに対して、プログラマブルロジックコントローラの標準機能である第２の群の電子モジュールの機能は、自由にプログラム可能である。第２のロジックユニット、ひいては第２の群の電子モジュールの標準機能は、適切なプログラミングツールを使用してプログラミングすることができる。プログラミングツールは、たとえば、コンピュータを使用して実行することも、タブレットＰＣまたはスマートフォンを使用してアプリベースで実行することもできる。プログラミングツールはクラウドベースでも可能である。

設置者による変更ができず、プログラミングツールでも変更できない第１の群の電子モジュールの安全機能の固定設定によって、モジュール制御システムの設置者は、プログラマブルロジックコントローラの標準機能のみをプログラムできるので、安全機能に関してセーフティクリティカルなエラーを起こすことはない。第１の群の電子モジュールの安全機能は固定設定されており、ユーザが変更することはできないので、管轄の試験当局からの承認取得も容易である。モジュール式制御装置の安全機能は、これらの措置によって変更されたり損なわれたりしないので、モジュール式制御装置の新たな安全承認または安全評価を必要とすることなく、第２の群の電子モジュールの再プログラミングおよび／または第２の群の１つまたは複数の電子モジュールの交換によって、標準機能を変更することが可能である。

モジュール式制御装置の試運転を簡略化するために、有利な実施形態において、第１のロジックユニットを、モジュール列における第１の群の電子モジュールの位置および／または第１の群の電子モジュールの固定ハードウェア設定を自動的に検出するように設計することが可能である。

好ましくは、第１の群の電子モジュールの固定ハードウェア設定は、第１の群の電子モジュールの、ポテンショメータおよび／またはスイッチ、特にＤＩＰスイッチの固定設定を含むことが可能である。第１の群の電子モジュールの、ポテンショメータおよび／またはスイッチ、特にＤＩＰスイッチの固定設定は、製造業者によって非常に容易に行うことができる。

好ましい実施形態において、第２のロジックユニットが、第１のロジックユニットからのデータおよび／または第１の群の電子モジュールからの入力信号を受信して処理するように設定されることが提案される。

特に好ましい実施形態において、中央制御モジュールが２つのロジックユニット間に双方向通信インターフェース、特にデータバスを有することが可能である。

有利なさらなる構成として、第２のロジックユニットが、第１の群の電子モジュールの安全出力部に対してスイッチオフ信号を生成するように設定されていることを提供することができる。

一実施形態において、第２のロジックユニットが、第１の群の電子モジュールの安全出力部に対してイネーブルキャンセル信号を生成するように設定されることが提供され得る。これにより、第１の群の電子モジュールの安全出力部を介してスイッチオン信号が出力されることを防止することができる。

モジュール式制御装置で達成できる安全性のレベルを高めるために、有利な実施形態において、第１のロジックユニットを冗長化することが提案されている。

高度に単純化された概略形態でモジュール式制御装置を示す。

本発明の実施形態のさらなる特徴および利点を、高度に単純化された概略形態でモジュール式制御装置を示す図１を参照して以下に説明する。

本発明に従ったモジュール式制御装置１は、以下に説明する全ての特徴を有する必要はない。本発明に従ったモジュール式制御装置１が、以下に説明する実施例の個々の特徴のみを有することも可能である。

モジュール式制御装置１は、ヘッドモジュールとも呼ばれる中央制御モジュール２と、電子モジュール３．１，３．２，３．３の第１の群３と、電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の第２の群４とを備えている。電子モジュール３．１，３．２，３．３および４．１，４．２，４．３，４．４の２つの群３，４は、中央制御モジュール２とともに１つのモジュール列に配設される。中央制御モジュール２は、少なくとも、電子モジュール３．１，３．２，３．３の第１の群３に割り当てられる第１のロジックユニット２０と、少なくとも、電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の第２の群４に割り当てられる第２のロジックユニット２１とを含む。２つのロジックユニット２０，２１は、モジュール式制御装置１の動作中に２つのロジックユニット２０，２１間でデータを交換できるように、双方向通信インターフェース２３を介して、特にデータバスを介して互いに通信している。好ましくは、信頼性を高めるために、第１のロジックユニット２０を冗長に設計することができる。この第１のロジックユニット２０の冗長性は、図１において斜線で示されている。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２、３．３と第１のロジックユニット２０とは、モジュール式制御装置１の安全機能部を形成し、第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４と第２のロジックユニット２１とは、モジュール式制御装置１の標準機能部を形成する。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３は、国際規格ＩＥＣ６１５０８に従って安全制御機能を提供するために設定された多数の異なる電子モジュールタイプから選択される。第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３は、たとえば、以下の電子モジュールタイプとすることができる：
・１または複数の安全入力部を有する入力モジュールであって、各安全入力部を介して、センサまたは非常指令装置からの入力信号のような、１つまたは複数の信号装置からの入力信号が安全に受信され得る、入力モジュール、
・１または複数の安全出力部を有する出力モジュールであって、各安全出力部を介して、出力信号、特にスイッチオン信号とスイッチオフ信号とが、接続された１つまたは複数のアクチュエータに安全に出力され得る、出力モジュール、
・安全入力部と安全出力部とを有する、組合わされた入出力モジュール（いわゆるＩ／Ｏモジュール）、および、
・インターフェースモジュール、フィールドバスコントローラ、フィールドバスカプラなど。これら列挙した電子モジュールタイプのものが、全てを網羅するものではない。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全入力部と安全出力部とは、図１において、対応する矢印で示されている。

第１のロジックユニット２０は、モジュール式制御装置１の動作中に第１のロジックユニット２０と第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３との間でデータを交換できるように、双方向通信インターフェース２４を介して、特にデータバスを介して、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３と通信する。

使用される電子モジュール３．１，３．２，３．３の数およびタイプは、モジュール式制御装置１の意図された用途および使用方法、特に第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３によって達成される安全レベルに直接依存する。一般に、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３のタスクは、センサまたは信号装置によって検出される危険な状況が発生したときに、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全出力部に接続されたアクチュエータを、安全重視の方法でオフにし、危険な状況が終了したら、再びオンにすることである。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全機能は、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３がモジュール列に配置される順序によって、および／または、ポテンショメータの特定の（固定された）回転位置によって、および／または、スイッチ、特にＤＩＰスイッチの特定の（固定された）設定などのハードウェア設定によってのみ定義される。言い換えれば、モジュール式制御装置１の安全機能は、ソフトウェア側で変更することはできず、固定されている。

第１のロジックユニット２０は、好ましくは、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３がモジュール列に配置される順序、および／または第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３のハードウェア設定、特に第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３のポテンショメータの固定回転位置および／またはスイッチの固定設定を自動的に読み出して処理するように設定される。これは図１において矢印２２で示されている。

第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４は、欧州規格ＥＮ６１１３１に準拠したプログラマブルロジックコントローラの機能を実現するために設定された多数の異なる電子モジュールタイプから選択される。第２のロジックユニット２１は、第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４と、双方向通信インターフェース２５を介して、特にデータバスを介して通信しており、モジュール式制御装置１の動作中に、第２のロジックユニット２１と第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４との間でデータを交換することができる。第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４は、それ自体既知の方法で、１または複数の入力部および／または１または複数の出力部を有することができる。第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の入力部と出力部とは、図１においても、対応する矢印によって示されている。

特に、センサを第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の入力部に接続することができ、たとえば、機械または技術システムの動作状態に関する情報を提供し、これらを第２のロジックユニット２１への入力信号として利用できるようにすることができる。これらの入力信号は、第２のロジックユニット２１を使用して分析され、論理演算と、必要に応じてさらなる信号およびデータ処理ステップによって出力信号が生成され、第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の出力部を介して出力される。これらの出力部にはアクチュエータが接続されており、アクチュエータは出力信号を処理し、特定の動作を実行することができる。

プログラマブルロジックコントローラの標準機能である第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の機能は、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全機能とは対照的に、自由にプログラム可能である。第２のロジックユニット２１、ひいては第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の機能は、対応するプログラミングツール５を使用してプログラミングすることができる。プログラミングツール５は、たとえば、コンピュータを使用して実行することも、タブレットＰＣまたはスマートフォンを使用してアプリベースで実行することもできる。また、プログラミングツール５は、クラウドベースとすることもできる。

好ましくは、２つのロジックユニット２０、２１は、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全入力部の入力データなど、モジュール式安全スイッチング装置１の安全機能部のすべてのデータが、モジュール式安全スイッチング装置１の標準機能部の入力信号としても使用でき、第２のロジックユニット２１によって受信および処理できるように構成することができる。

さらに、ロジックユニット２０，２１は、好ましくは、第２のロジックユニット２１は、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全出力部を制御することもできるが、その解除を取り消すか、スイッチを切ることしかできず、安全機能が作動していない場合には、スイッチを入れることはできないように構成することができる。これはいわゆる「イネーブル」の原理である。

ここで説明するモジュール式制御装置１の主な利点は、セーフティコントローラとプログラマブルロジックコントローラとの機能が単一の装置で一緒に提供されることである。これにより、特にスペースおよびコストの面で有利になる。さらに、モジュール式制御装置１の安全機能を提供する、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全出力部は、有利な方法で、プロセス制御にも使用することができ、リレー接点を節約することができる。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の、プログラミングツール５で変更することができない、安全機能の固定された設定によって、設定者は、安全機能に関して、セーフティクリティカルなエラーを起こすことはできず、なぜなら、設定者は、プログラマブルロジックコントローラの標準機能しかプログラムできず、ハードウェア側に実装された安全機能にはアクセスできないからである。

第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全機能の固定設定は、ユーザが変更することはできないので、管轄の試験当局による承認も容易になる。モジュール制御装置１の新たな安全承認または安全評価を必要とせずに、第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の再プログラミング、および／または第２の群４の１または複数の電子モジュール４．１，４．２、４．３，４．４の交換によって標準機能を変更することが可能である。

プログラミングツールが実行されるデバイスに安全上の問題が発生しても、プログラミングツールを使用して第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全機能にアクセスすることができないので、有利なことに、モジュール式制御装置１の安全上の問題にはつながらない。したがって、第１の群３の電子モジュール３．１，３．２，３．３の安全機能の構成は、ハードウェア設定のみが可能であるので、非常に保守的であるのに対し、第２の群４の電子モジュール４．１，４．２，４．３，４．４の標準機能のソフトウェアベースの構成は、非常に柔軟でオープンな設計が可能である。

Claims (8)

1. 第１のロジックユニット（２０）と第２のロジックユニット（２１）とを備えた中央制御モジュール（２）と、
   第１のロジックユニット（２０）に接続され、いくつもの安全入力部と安全出力部とを有する電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の第１の群（３）であって、第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）は、セーフティコントローラの安全機能を提供するように設計されている、電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の第１の群（３）と、
   第２のロジックユニット（２１）に接続され、いくつもの入力部と出力部とを有する電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）の第２の群（４）であって、第２の群（４）の電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）が、プログラマブルロジックコントローラの標準機能を提供するように設計されている、電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）の第２の群（４）と、を含み、
   中央制御モジュール（２）と電子モジュール（３．１，３．２，３．３，４．１，４．２，４．３，４．４）の２つの群（３，４）とは、少なくとも１つのモジュール列に配置され、
   第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の安全機能は、モジュール列におけるそれらの位置によって、および／または、固定ハードウェア設定によって定義され、
   第２の群（４）の電子モジュール（４．１，４．２，４．３，４．４）の標準機能はプログラム可能であることを特徴とするモジュール式制御装置（１）。
2. 第１のロジックユニット（２０）は、モジュール列における第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の位置および／または第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の固定ハードウェア設定を自動的に検出するように設計されることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式制御装置（１）。
3. 第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の固定ハードウェア設定は、第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の、ポテンショメータおよび／またはスイッチ、特にＤＩＰスイッチの固定設定を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のモジュール式制御装置（１）。
4. 第２のロジックユニット（２１）は、第１のロジックユニット（２０）からのデータおよび／または第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）からの入力信号を受信して処理するように設定されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のモジュール式制御装置（１）。
5. 中央制御モジュール（２）は、２つのロジックユニット（２０，２１）間に双方向通信インターフェース（２３）、特にデータバスを有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のモジュール式制御装置（１）。
6. 第２のロジックユニット（２１）は、第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の安全出力部に対してスイッチオフ信号を生成するように設定されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載のモジュール式制御装置（１）。
7. 第２のロジックユニット（２１）は、第１の群（３）の電子モジュール（３．１，３．２，３．３）の安全出力部に対してイネーブルキャンセル信号を生成するように設定されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載のモジュール式制御装置（１）。
8. 第１のロジックユニット（２０）は冗長化されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のモジュール式制御装置（１）。