JP4435017B2 - 安全仕様の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、安全制御システムを構築するための安全コントローラ（安全マスタ）や安全スレーブユニット（リモート安全ターミナル）等として好適な安全仕様の制御装置に関するものである。

労働安全意識の高まりと共に、安全制御システムを構築するための安全コントローラ（安全マスタ）や安全スレーブユニット（リモート安全ターミナル）等として好適な安全仕様の制御装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の安全仕様の制御装置、特に、信号出力機能を有するものにあっては、電磁リレー型とソリッドステートリレー型とが知られている。いずれのものにあっても、国際安全規格にしたがった高度の安全仕様が組み込まれている。

１もしくは２以上の外部出力端子と、それらの外部出力端子に対して出力信号を送出するための１もしくは２以上の安全仕様の電磁リレーと、それらの安全仕様の電磁リレーを出力データに対応して駆動するための１もしくは２以上の出力回路と、それらの出力回路の状態を診断する出力回路診断手段とを備えた安全仕様の制御装置は、安全コントローラやリモート安全ターミナルとして良く知られている。
特願２００４−２９７９９７公報

従来、この種の安全仕様の制御装置において、出力系に組み込まれる電磁リレーは内蔵基板上に半田付け固定され、容易に脱着できるものではなかった。これは、主として製造上の便宜からではあるが、仮に、脱着可能としても、リレー交換の都度、そのリレーがセーフティ規格通りに作動するかのテストを現場で行うことは困難とされたことも原因であった。

この発明は、上述の問題点に着目してなされてものであり、その目的とするところは、故障時にあっては現場におけるセーフティ電磁リレーの交換が可能であり、それによりメンテナンスが容易で長期にわたり永続的に使用可能な安全仕様の制御装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。

本発明の安全仕様の制御装置は、マイクロプロセッサと、１もしくは２以上の外部出力端子と、それらの外部出力端子に対して出力信号を送出するための１もしくは２以上の安全仕様の電磁リレーと、それらの安全仕様の電磁リレーを前記マイクロプロセッサから与えられた出力データに対応して駆動するための１もしくは２以上の出力回路部と、それらの出力回路部の状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される出力回路部診断手段と、１もしくは２以上の外部入力端子と、それらの外部入力端子から入力信号を前記マイクロプロセッサへと取り込むための１もしくは２以上の入力回路部と、それらの入力回路部の状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される入力回路部診断手段と、前記安全仕様の電磁リレーの状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される電磁リレー診断手段とを含み、かつ前記安全仕様の電磁リレーは着脱自在な外付けタイプの構造を有し、さらに前記電磁リレー診断手段は、前記入力回路部診断手段を介して前記入力回路部の状態が正常であると診断され、かつ前記出力回路部診断手段を介して前記出力回路部の状態が正常であると診断されているときに、前記出力回路部に対して所定の出力データを与えることにより前記電磁リレーを駆動すると共に、前記電磁リレーのフィードバック信号を前記入力回路部を介して観察し、前記出力データの論理値と前記リレーのフィードバック信号の論理値との関係を規定の関係と照合することにより、前記電磁リレーの状態を診断するように構成されている。

このような構成によれば、安全仕様の電磁リレーは着脱自在な外付けタイプの構造を有し、さらに電磁リレー診断手段は、前記入力回路部診断手段を介して前記入力回路部の状態が正常であると診断され、かつ前記出力回路部診断手段を介して前記出力回路部の状態が正常であると診断されているときに、前記出力回路部に対して所定の出力データを与えることにより前記電磁リレーを駆動すると共に、前記電磁リレーのフィードバック信号を前記入力回路部を介して観察し、前記出力データの論理値と前記リレーのフィードバック信号の論理値との関係を規定の関係と照合することにより、前記電磁リレーの状態を診断するように構成されているので、電磁リレーが原因で故障が発生していることが判明したときには、その電磁リレーを新たなものと簡単に交換できることに加え、交換後にあっても、その電磁リレーが正常であるかの診断も可能となり、その結果、現場においても電磁リレーの交換が可能となり、メンテナンスが容易で長期にわたり永続的に使用可能な安全仕様の制御装置を提供することができる。

なお、本発明の安全仕様の制御装置は、ネットワークを介して安全コントローラに接続可能な安全スレーブユニットとして構成してもよい。その場合、安全スレーブユニットは広大な工場内の生産機器に近い各所に散在されるため、電磁リレーの交換可能性は装置の使い勝手向上に大きく貢献する。

本発明によれば、故障時にあっては現場におけるセーフティ電磁リレーの交換が可能であり、それによりメンテナンスが容易で長期にわたり永続的に使用可能な安全仕様の制御装置を提供できる。

以下に、本発明に係る安全仕様の制御装置を安全制御システムを構成するための安全スレーブユニットとして実施した実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明が適用された安全スレーブユニットの外観平面図が図１に、そのＡ矢視側面図が図２にそれぞれ示されている。

それらの図から明らかなように、この安全スレーブユニット１は、本体ハウジング１０１を有する。この本体ハウジング１０１の上面には、４個のセーフティ電磁リレー１０２，１０２，１０２，１０２が設けられている。これらのセーフティリレー１０２はいわゆるプラグインタイプとされ、ハウジング１０１側のソケットに対して着脱自在に装着が可能とされている。なお１０９は装着されたセーフティ電磁リレーを固定するためのリレークランパである。

また、本体ハウジング１０１の上面には、この例にあっては、４個のＩ／Ｏコネクタ１０４，１０４，１０４，１０４がそれぞれ装着されている。これらのＩ／Ｏコネクタ１０４は、１もしくは２以上の外部入力端子、および／または、１もしくは２以上の外部入力端子として機能するものである。

その他、１０５はネットワークを介して安全コントローラ（安全マスタ）と接続するための通信コネクタ、１０６は当該安全スレーブユニットのノードアドレスを設定するためのノードアドレススイッチである。このような構造を有する安全スレーブユニットは、ＤＩＮレール嵌合溝１０８及びＤＩＮレールクランパ１０７を用いて、図示しないＤＩＮレールに装着可能とされている。

次に、安全スレーブユニットの結線図が図３に示されている。図において２００は後に詳細に説明する内部回路、２０１は通信ネットワークであるデバイスネットの物理層、２０２はＤＣ−ＤＣコンバータ（非絶縁）、２０３はフォトカプラ群、２０４はＩ／Ｏ電源回路、２０５は安全入力回路（シンク入力）、２０６はテスト出力回路（ソース出力）、２０７はＩ／Ｏ電源回路、２０８はセーフティ電磁リレー群、２０９は第１の端子列、２１０は第２の端子列、２１１は第３の端子列、２１２は第４の端子列であり、これらの端子列２０９〜２１２は、図１に示した４台のＩ／Ｏコネクタ１０４，１０４，１０４，１０４のそれぞれに対応している。

第１の端子列２０９には外部入力端子が含まれており、第２の端子列２１０にはテスト出力端子が含まれており、第３の端子列２１１には外部出力端子が含まれており、第４の端子列２１２にはリレー群２０８に対応する共通端子が含まれている。

次に、安全スレーブユニットの内部回路図が図４に示されている。同図に示されるように、この内部回路２００は、通信コネクタ１０５を介して、ネットワーク３に接続され、このネットワークは安全コントローラ２へと繋がっている。また、内部回路２００は、入力端子部９を介してセーフティ仕様の入力機器１１へと接続されると共に、出力端子部１０を介して、商用ＡＣ電源１２、負荷１３、セーフティリレーコイル用電源１４に接続されている。

内部回路２００は、第１のマイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵと称する）４と、第２のＭＰＵ５と、入力回路６と、出力回路７と、セーフティ電磁リレー８と、通信物理層回路２０１ａとを含んでいる。

入力回路および出力回路を詳細に示す安全スレーブユニットの内部回路図（１チャネル分）が図５に示されている。同図に示されるように、入力回路６は、入力回路６１と、トランジスタ駆動回路６２と、トランジスタ６３と、負荷抵抗６４と、トランジスタ６５と、入力抵抗６６とを含んでいる。出力回路７は、出力回路７１と、トランジスタ７２と、電圧監視回路７３とを備えている。セーフティ電磁リレー８は、コイル８０と、ｂ接点８１と、ａ接点８２とを備えており、いわゆる強制ガイド接点構造を有する。そのため、ａ接点が溶着した場合、コイルＯＦＦ状態ですべてのｂ接点が０．５ｍｍ以上の接点ギャップを生ずると共に、ｂ接点が溶着した場合には、コイルＯＮ状態ですべてのａ接点が０．５ｍｍ以上の接点ギャップを生ずるように構成されている。

次に、入力回路の診断処理、出力回路の診断処理、およびセーフティ電磁リレーの診断処理について説明する。

まず、入力回路６の診断処理について説明する。電源Ｖａと第１のＭＰＵ４との間には、電源Ｖａ→ｂ接点８１→入力抵抗６６→トランジスタ６５→入力回路６１を順に経由する電流路が形成されている。また、トランジスタ６５と入力回路６１との接続点、すなわち入力回路６１の入口側には、テストパルス重畳回路が設けられている。

このテストパルス重畳回路は、図示例にあっては、抵抗６４と、トランジスタ６３と、トランジスタ駆動回路６２とから構成される。トランジスタ駆動回路６２から“Ｈ”パルスまたは“Ｈ”パルス列が出力されると、トランジスタ６３がオンオフして、抵抗６４を介して、入力回路６１の入口側がプルダウンされ、これにより、入力回路６１の入口側にＯＦＦパルスが重畳される。

そのため、このＯＦＦパルスのパルス幅やパルス個数などを適宜にコントロールしつつ、第１のＭＰＵ４側で入力回路６１の出力（診断パルスで変調されたリレーフィードバック信号）を観察すれば、入力回路６の異常有無を判定することができる。すなわち、この場合、入力ＯＮ状態でＯＦＦパルスが正常にフィードバックされない（“Ｈ”固定またはパルス幅や周期が異なる）ことに基づいて、入力回路６の異常有無を判定することができる。

次に、出力回路診断処理について説明する。第２のＭＰＵ５からの信号により出力回路７１が作動すると、トランジスタ７２がＯＮして、リレー８のコイル８０に対して通電が行われ、リレー８が作動する。このとき、トランジスタ７２とコイル８０との接続点の電位（出力リードバック信号）は、電圧監視回路（比較器）７３介して観察され、その比較結果は第１のＭＰＵ４へと入力される。そのため、第２のＭＰＵ５の制御で出力回路７１をＯＮ，ＯＦＦ作動させつつ、電圧監視回路（比較器）７３の出力を第１のＭＰＵ４で観察し、併せて、第１のＭＰＵ第１のＭＰＵ４と第２のＭＰＵ５との間でクロスコミュニケーション（シリアル通信）を行えば、出力回路７の異常を判定することができる。この例にあっては、例えば、出力回路７１への信号がＯＮ、リードバック電圧がＯＦＦのとき、または出力回路７１への信号がＯＦＦ、リードバック電圧がＯＮであることに基づき、出力回路７に異常があると判定できる。

次に、セーフティ電磁リレーの診断処理について説明する。この診断は上記入力回路ならびに出力回路の診断が終わって、セーフティ電磁リレー以外の回路ブロックで異常がないことを前提として行われる。異常判定のアルゴリズムが図８に表にして示されている。図から明らかなように、入力回路６及び出力回路７が正常であれば、出力回路７１を介してリレー８を駆動した場合、入力回路６１を介して観察されるリレーのフィードバック信号はそれに対応した値となるはずである。そこで、制御出力である出力リードバック信号とリレーのフィードバック信号とを比較することによって、図８の表に示されるように、セーフティ電磁リレー８に異常の有無を判定することができる。具体的には、制御出力ＯＮのとき、リレーのフィードバック信号がＯＮとされれば「異常」、ＯＦＦとされれば「正常」となる。また、制御出力がＯＦＦのとき、リレーのフィードバック信号がＯＮであれば「正常」、ＯＦＦであれば「異常」と診断することができる。

このように、この実施形態に係る安全スレーブユニットの内部回路図においては、入力回路６の異常有無、出力回路７の異常有無、セーフティ電磁リレー８の異常有無をそれぞれ個別に診断することができ、換言すれば、故障の原因が電磁リレー側にあるのか、それ以外にあるのかを明確に区別して診断可能とされている。

次に、第１，第２のＭＰＵ間でのクロスコミュニケーションの概念説明図が図６に示されている。同図に示されるように、まず、第１のＭＰＵ４から第２のＭＰＵ５に対してＭＰＵ間同期信号（ａ）が受け渡され、その後第２のＭＰＵ５から第１のＭＰＵ４に対して出力データ交換（ｂ）が行われる。その後、第１のＭＰＵ４側においては、入力データリフレッシュ（実入力データ・フィードバック信号・リードバック信号）（ｃ）が行われ、その後第１のＭＰＵ４から第２のＭＰＵ５に対して入力データ交換（ｄ）が行われる。その後、第２のＭＰＵ５においても出力データリフレッシュ（リレー駆動）が行われ、しかる後、両ＭＰＵ４，５において、診断のための評価（ｆ，ｇ）が行われ、その後、両ＭＰＵ４，５の間において評価結果の交換（ｈ）が行われる。このようにして、第１，第２のＭＰＵ間においてクロスコミュニケーションが行われる。

次に、安全スレーブユニット全体としての処理を示すフローチャートが図７に示されている。同図において電源投入により処理が開始されると、まず通常の初期処理（ステップ７０１）によって、各種のフラグやレジスタ類を初期設定した後、通信処理（ステップ７０２）を行って、Ｉ／Ｏデータやステータスデータに関するリモートＩ／Ｏ通信が実行される。

続いて入出力リフレッシュ処理（ステップ７０３）が実行されて、外部入力の読込み並びに外部出力の送出が行われる。

しかる後、先ほど説明した入力回路診断処理（ステップ７０４）が行われ、続いて出力回路診断処理（ステップ７０５）が実行される。

その後ステップ７０６においては、入力回路および出力回路の診断処理に際しての異常の有無が判定される。ここで異常ありと判定されると（ステップ７０６あり）、ステップ７０７へと移行して、異常が検出されたチャネルの回路について、出力をインアクティブ（負荷遮断）する処理、正常ステータスを「０」にする処理、「異常要因をリレー関連回路異常」とする処理がそれぞれ実行される。

これに対して、ステップ７０６の判定処理において異常なしと判定された場合には、ステップ７０７の処理はスキップされて、直ちにステップ７０８へと移行し、今度はセーフティリレーに関する診断処理が実行される（ステップ７０８）。このセーフティリレー診断処理についても先に説明した通りである。

続くステップ７０９においては、セーフティリレー診断処理の結果に対する異常の有無が判定される。ここで異常ありと判定されると（ステップ７０９「あり」）、ステップ７１０へと移行して、異常が検出されたチャネルの回路について、出力をインアクティブ（負荷遮断）する処理、正常ステータスを「０」にする処理、「異常要因を「リレー異常」とする処理」がそれぞれ実行される。これに対して、ステップ７０９において異常なしとされる場合には、ステップ７１０の処理がスキップされ、処理は終了する。

なお、ＭＰＵ間のデータ交換（クロスコミュニケーション）時にＣＲＣ異常やタイムアウト等の異常がＭＰＵの異常等の原因で発生した場合には、その異常を検出した側のＭＰＵは、システムに致命的な異常が発生したと判断し、全出力データを遮断する。

また、各ＭＰＵは出力回路の電源ラインを遮断する回路を具備し、相手側ＭＰＵに異常を検出した場合は出力回路の電源ラインを遮断し、リレーが駆動できないようにする。

このように、以上述べた安全スレーブユニットにあっては、１もしくは２以上の外部出力端子（第３の端子列２１１）と、それらの外部出力端子に対して出力信号を送出するための１もしくは２以上の安全仕様の電磁リレー（リレー群２０８）と、それらの安全仕様の電磁リレーを出力データに対応して駆動するための１もしくは２以上の出力回路（出力回路７）と、それらの出力回路の状態を診断する出力回路診断手段（ステップ７０５）と、１もしくは２以上の外部入力端子（第１の端子列２０９）と、それらの外部入力端子から入力信号を取り込むための１もしくは２以上の入力回路（入力回路６）と、それらの入力回路の状態を診断する入力回路診断手段（ステップ７０４）を有する。

そして、安全仕様の電磁リレー（セーフティ電磁リレー１０２）は着脱自在な外付けタイプの構造を有し、さらに前記出力回路診断手段は、故障の原因が電磁リレー側にあるか否かを診断可能に構成されたものである。

そのため、この実施形態の安全スレーブユニットによれば、電磁リレーが原因で故障が発生していることが判明したときには、その電磁リレーを新たなものと簡単に交換できることに加え、交換後にあっても、その電磁リレーが正常であるかの診断も可能となり、その結果、現場においても電磁リレーの交換が可能となり、メンテナンスが容易で長期にわたり永続的に使用可能となる。

なお、以上では安全処理結果についてのオペレータへの通知については具体的に述べなかったが、これについては、当業者によく知られているように、ハウジング１０１には各外部入出力端子毎に表示ランプが設けられ、その点灯態様によって、電磁リレーに異常が生じたか、あるいは内部回路に異常が生じたかを通知できるように構成することは当業者にとって容易に理解できるであろう。

本発明によれば、故障時にあっては現場におけるセーフティ電磁リレーの交換が可能であり、それによりメンテナンスが容易で長期にわたり永続的に使用可能な安全仕様の制御装置を提供できる。

安全スレーブユニットの外観平面図である。 図１におけるＡ矢視側面図である。 安全スレーブユニットの結線図である。 安全スレーブユニットの内部回路図である。 入力回路および出力回路を詳細に示す安全スレーブユニットの内部回路図である。 第１，第２のＭＰＵ間でのクロスコミュニケーションの概念説明図である。 安全スレーブユニットの処理を示すフローチャートである。 セーフティリレーの診断アルゴリズムを表にして示す図である。

１ 安全スレーブユニット
２ 安全コントローラ
３ ネットワーク
４ 第１のＭＰＵ
５ 第２のＭＰＵ
６ 入力回路
７ 出力回路
８ セーフティ電磁リレー
９ 入力端子部
１０ 出力端子部
１２ 商用交流電源
１３ 制御対象となる負荷
１４ セーフティリレーコイル用電源
６１ 入力回路
６２ トランジスタ駆動回路
６３ トランジスタ
６４ 負荷抵抗
６５ トランジスタ
６６ 入力抵抗
７１ 出力回路
７２ トランジスタ
７３ 電圧監視回路（比較器）
８０ コイル
８１ ｂ接点
８２ ａ接点
１０１ ハウジング
１０２ セーフティ電磁リレー
１０３ 表示部
１０４ Ｉ／Ｏコネクタ
１０５ 通信コネクタ
１０６ ノードアドレススイッチ
１０７ ＤＩＮレールクランパ
１０８ ＤＩＮレール嵌合溝
１０９ リレークランパ
２００ 内部回路
２０１ デバイスネット物理層
２０２ ＤＣ−ＤＣコンバータ（非絶縁）
２０３ フォトカプラ群
２０４ Ｉ／Ｏ電源回路
２０５ 安全入力回路（シンク入力）
２０６ テスト出力回路（ソース出力）
２０７ Ｉ／Ｏ電源回路
２０８ リレー群
２０９ 第１の端子列
２１０ 第２の端子列
２１１ 第３の端子列
２１２ 第４の端子列

Claims (2)

1. マイクロプロセッサ（４，５）と、
   １もしくは２以上の外部出力端子と、
   それらの外部出力端子に対して出力信号を送出するための１もしくは２以上の安全仕様の電磁リレーと、
   それらの安全仕様の電磁リレーを前記マイクロプロセッサから与えられた出力データに対応して駆動するための１もしくは２以上の出力回路部（７）と、
   それらの出力回路部の状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される出力回路部診断手段（７０５）と、
   １もしくは２以上の外部入力端子と、
   それらの外部入力端子から入力信号を前記マイクロプロセッサへと取り込むための１もしくは２以上の入力回路部（６）と、
   それらの入力回路部の状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される入力回路部診断手段（７０４）と、
   前記安全仕様の電磁リレーの状態を診断し、かつ前記マイクロプロセッサにて実現される電磁リレー診断手段（７０８）とを含み、かつ
   前記安全仕様の電磁リレーは着脱自在な外付けタイプの構造を有し、さらに
   前記電磁リレー診断手段は、
   前記入力回路部診断手段を介して前記入力回路部の状態が正常であると診断され、かつ前記出力回路部診断手段を介して前記出力回路部の状態が正常であると診断されているときに、前記出力回路部に対して所定の出力データを与えることにより前記電磁リレーを駆動すると共に、前記電磁リレーのフィードバック信号を前記入力回路部を介して観察し、前記出力データの論理値と前記リレーのフィードバック信号の論理値との関係を規定の関係と照合することにより、前記電磁リレーの状態を診断するものである、ことを特徴とする安全仕様の制御装置。
2. ネットワークを介して安全コントローラに接続可能な安全スレーブユニットとして構成された、ことを特徴とする請求項１に記載の安全仕様の制御装置。

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