JP5737029B2 - プログラマブルコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、被制御機器に対する制御処理をプログラミング可能なプログラマブルコントローラに関する。

プログラマブルコントロールシステムでは、被制御機器を制御するプログラマブルコントローラが複数設けられ、プログラマブルコントローラのマスタ側（以下、単にマスタコントローラという。）が、プログラマブルコントローラのスレーブ側（以下、単にスレーブコントローラという。）に対して制御指令を発し、スレーブコントローラがその制御指令に応じて被制御機器を制御する。こうしてプログラマブルコントロールシステム全体が統括的に動作する。

このようなプログラマブルコントロールシステムにおいては、特にスレーブコントローラや被制御機器の増設に対し、マスタコントローラとスレーブコントローラとの間の接続線を無用に増やさないため、スレーブコントローラを直列（数珠つなぎ）に接続するデイジーチェーン接続が用いられることがある。かかるデイジーチェーン接続を用いる場合、スレーブコントローラ自体の電源がオフ状態（自発的、不具合時を含む。）にある場合においても、他のスレーブコントローラとのネットワーク接続を維持しなければならない。したがって、ネットワーク接続を中継するネットワークインターフェース部には、電力が供給され続けなければならない。このようなプログラマブルコントロールシステムにおいては、スレーブコントローラの主電源をあてにすることができないので、別途、マスタコントローラ側から、デイジーチェーン接続によるネットワークと共に、ネットワーク専用の電源（以下、単にネットワーク電源という。）を供給する必要が生じてくる。

したがって、スレーブコントローラでは、そのスレーブコントローラの主電源がオンしていても、ネットワーク電力を取得し電圧を調整するネットワーク電源取得部も並行して動作させており、電力を無駄に消費していることとなる。かかる電力の消費を回避すべく、スレーブコントローラにスライドスイッチやトグルスイッチといった機械的なスイッチを設け、手動でネットワーク電源取得部を切断する方法も考えられる。しかし、スイッチをオフにしている間に何らかの原因で主電源がオフになると、ネットワークインターフェース部への電力の供給が途切れてしまい、下流のスレーブコントローラの動作に支障をきたすおそれがある。したがって、無駄とわかっていても、ネットワーク電源取得部を常に動作させ、ネットワークインターフェース部にいつでも電力を供給できる状態を作らざるを得なかった。

また、複数の電子機器が接続され、各電子機器間で、電源の異常時に要する電力情報を通知し合い、任意の電子機器の電源の異常に対応する技術が知られている（例えば特許文献１）。しかし、当該技術は電池を備えない電子機器にも最低限の保護対策を行うバックアップ電源に関する技術であり、ネットワーク電源取得部が消費する電力については言及されていない。

特開２０００−３５３０３１号公報

デイジーチェーン接続は、スレーブコントローラを多数増設しても、その配線をシンプルにすることができる点で有利である。その一方で、上述したように、ネットワークインターフェース部への電力供給が前提となり、スレーブコントローラの主電源がオンしていても、並行して、ネットワーク電源取得部を常に動作させなければならず、スレーブコントローラの増設に伴う消費電力の増加が問題となる。

また、ネットワーク電源取得部を動作し続けると、ネットワーク電源取得部の例えばレギュレータが発熱してスレーブコントローラの温度が上昇し、プログラマブルコントロールシステムの安全運転に支障をきたす可能性があった。

さらに、複数のスレーブコントローラ全てのネットワーク電力をマスタコントローラ側のネットワーク電源で賄うこととなるため、たとえスレーブコントローラ個々のネットワーク電源取得部の電流は小さくとも、マスタコントローラから延設されるネットワーク配線の総電流は膨大になり、マスタコントローラのネットワーク電源の容量を大きくしたり、ネットワーク配線の線径を太くしたりしなければならなかった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、プログラマブルコントロールシステムの安全性を確保しつつ、省電力化を図ることが可能なプログラマブルコントローラを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のプログラマブルコントローラは、ネットワーク電源からネットワーク電力を取得し、当該プログラマブルコントローラで利用できるように変換するネットワーク電源取得部と、ネットワーク電源取得部からのネットワーク電力、および、主電源からの主電力のいずれか一方または双方の電力供給を受け、デイジーチェーン接続を通じて、別体のプログラマブルコントローラから制御指令を受信すると共に、他のプログラマブルコントローラに制御指令を送信するネットワークインターフェース部と、主電源の電圧を検出する主電源検出部と、主電源検出部の検出結果に応じ、主電源の電圧が所定の閾値以上であれば、ネットワーク電源取得部を停止し、主電源の電圧が所定の閾値未満であれば、ネットワーク電源取得部を動作させ、ネットワーク電力をネットワークインターフェース部に供給させるネットワーク電源制御部と、を備えることを特徴とする。

ネットワーク電源取得部は、出力電圧を安定化させるレギュレータを含んでもよい。
ネットワーク電源取得部は、ネットワーク電力が所定の電圧未満であるときのレギュレータの動作を防止するヒステリシス回路を含んでもよい。

以上のように本発明によれば、プログラマブルコントロールシステムの安全性を確保しつつ、省電力化を図ることが可能となる。

プログラマブルコントロールシステムを構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。 マスタコントローラと複数のスレーブコントローラとの接続関係を示した説明図である。 スレーブコントローラの概略的な機能を示した機能ブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
（プログラマブルコントロールシステム１００）
図１は、プログラマブルコントロールシステム１００を構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。プログラマブルコントロールシステム１００は、マスタコントローラ１１０と、複数のスレーブコントローラ１２０と、１または複数の被制御機器１３０とを含んで構成される。また、マスタコントローラ１１０とスレーブコントローラ１２０とがネットワーク配線１４０によって接続され、スレーブコントローラ１２０と被制御機器１３０とが接続配線１５０を通じて接続されている。

ここで、マスタコントローラ１１０およびスレーブコントローラ１２０は、いずれもプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ：Programmable Logic Controller）を構成し、被制御機器１３０は、ＦＡ（Factory Automation）における様々な状態を検知するセンサ、そのセンサの検知結果に応じて動作する電動機、エンコーダ等の電気機器である。

マスタコントローラ１１０は、被制御機器１３０に対する制御プログラムを保持し、その制御プログラムに基づく制御指令を、適切なタイミングでスレーブコントローラ１２０に送信する。ここで、制御プログラムは、ラダー図等を通じて生成されたシーケンス制御のためのプログラムであってもよい。

スレーブコントローラ１２０は、スレーブコントローラ１２０それぞれに備わる機能に適した制御指令をマスタコントローラ１１０から受け、被制御機器１３０からのセンサ等の入力に応じて、被制御機器１３０を制御する。スレーブコントローラ１２０は、例えば、電動機の回転制御を行うモータドライバや、信号線のオン／オフ制御を行うＩ／Ｏターミナルの機能を有する。
（マスタコントローラ１１０とスレーブコントローラ１２０との接続関係）
図２は、マスタコントローラ１１０と複数のスレーブコントローラ１２０との接続関係を示した説明図である。上述したように、マスタコントローラ１１０とスレーブコントローラ１２０とは、ネットワーク配線１４０によって接続され、マスタコントローラ１１０からスレーブコントローラ１２０にネットワーク電力および制御指令が伝達される。図２において、実線の矢印は電力の流れを、破線の矢印は制御指令の流れを示している。

ネットワーク配線１４０においてネットワーク電力を供給する電力線１４０ａは、マスタコントローラ１１０のネットワーク電源１１０ａから延設された主幹線を通じて各スレーブコントローラ１２０に配され、スレーブコントローラ１２０は、かかる主幹線から分岐した分岐線を通じてネットワーク電力の供給を受ける。

ここでは、ネットワーク電源１１０ａがマスタコントローラ１１０に一体形成されている例を挙げて説明しているが、別体に設けられていてもよい。また、スレーブコントローラ１２０は、個々に主電源２００も有している。したがって、スレーブコントローラ１２０は、主電源２００からの主電力と並行して、ネットワーク電源取得部２１４を通じたネットワーク電源１１０ａからのネットワーク電力も取得することとなる。主電力は、上述したモータドライバやＩ／Ｏターミナルとして機能する主回路の動力源、および、ネットワークインターフェース部２１８を動作させるために用いられ、ネットワーク電力は、主としてネットワークインターフェース部２１８の動作維持のために用いられる。図２では、特に、ネットワークインターフェース部２１８に関する電力の流れを表している。

また、ネットワーク配線１４０において制御指令を伝送する信号線１４０ｂとしては、スレーブコントローラ１２０同士を直列（数珠つなぎ）に接続するデイジーチェーン接続が採用され、マスタコントローラ１１０のネットワークインターフェース部２１８から発せられた制御指令が、接続された全てのスレーブコントローラ１２０を巡回する。スレーブコントローラ１２０は、かかる制御指令におけるヘッダ等を解読し、そのヘッダが自己に対する制御指令であることを示していれば、その制御指令を取り込んで、被制御機器１３０の制御処理に反映する。かかる信号線１４０ｂと上述した電力線１４０ａとは並行して配される。

上記デイジーチェーン接続のメリットは、その配線のシンプルさにある。本実施形態においては、１台のマスタコントローラ１１０に対して、１つのデイジーチェーン接続で例えば２５６ものスレーブコントローラ１２０を接続でき、すなわち、１のマスタコントローラ１１０で２５６のスレーブコントローラ１２０に一括して制御指令を発することが可能となる。

本実施形態では、デイジーチェーン接続を用いることで、単方向通信においては１本、双方向通信においては２本の信号線１４０ｂで、マスタコントローラ１１０と複数のスレーブコントローラ１２０とを全て接続することができる。かかる構成により、スレーブコントローラ１２０を増設したとしても、それによってデイジーチェーン接続における信号線１４０ｂの線数は変化せず、メンテナンス性、維持コスト、占有領域全てにおいて有利となる。

ただし、上述したように、スレーブコントローラ１２０の増設に対して（１）消費電力の増加、（２）ネットワーク電源取得部の発熱、（３）ネットワーク電源の負荷増大とネットワーク配線の線径の増大といった課題もある。そこで、本実施形態では、ネットワーク電力を取得するネットワーク電源取得部２１４の電源の常時の投入を回避し、必要なときにのみネットワーク電源取得部２１４を投入することで、ネットワークインターフェース部２１８への電力供給を維持して、プログラマブルコントロールシステム１００の安全性を確保しつつ、特にネットワーク電力の省電力化を図ることが可能なスレーブコントローラ１２０を提案する。
（スレーブコントローラ１２０）
図３は、スレーブコントローラ１２０の概略的な機能を示した機能ブロック図である。図３に示すように、スレーブコントローラ１２０は、主回路２１０と、主電源取得部２１２と、ネットワーク電源取得部２１４と、電力集約部２１６と、ネットワークインターフェース部２１８と、主電源検出部２２０と、ネットワーク電源制御部２２２とを含んで構成される。

主回路２１０は、被制御機器１３０に接続され、スレーブコントローラ１２０それぞれに備わる機能に適した制御指令を、被制御機器１３０に発信する。主回路２１０は、例えば、上述したモータドライバやＩ／Ｏターミナル等の機能部に相当する。

主電源取得部２１２は、主電源２００から２４Ｖの主電力を取得し、出力電圧を一定に安定化させるレギュレータ２１２ａを通じて５Ｖの電力を生成する。ここで、主電源２００や主電源取得部２１２は、主回路２１０に十分な電力を供給できるように構成されている。また、主電源取得部２１２は主電源２００の電力供給を受けて動作するので、主電源２００のオフと共に動作を停止することとなる。

ネットワーク電源取得部２１４は、ネットワーク配線１４０を通じてネットワーク電源１１０ａから２４Ｖのネットワーク電力を取得し、スレーブコントローラ１２０内で利用できるように、レギュレータ２１４ａを通じて５Ｖの電力を生成する。また、ネットワーク電源取得部２１４はネットワーク電源１１０ａの電力供給を受けて動作するので、その動作に費やす電力もネットワーク電力から消費されることとなる。

また、ネットワーク電源取得部２１４は、ネットワーク電力が所定の電圧未満であるときのレギュレータ２１４ａの動作を防止するヒステリシス回路２１４ｂも備えている。上記レギュレータ２１４ａは、２４Ｖの電力から５Ｖの電力を生成しているが、入力電圧には許容範囲が設けられており、例えば、入力電圧が７Ｖ程度まで降下したとしても正常に５Ｖを維持できる。しかし、ネットワーク電源１１０ａの投入時やネットワーク電源１１０ａの遮断時等、ネットワーク電源１１０ａの電圧が低い場合、レギュレータ２１４ａ後に要する電力が等しいと、その分、ネットワーク電源取得部２１４に流れる電流が大きくなり、ネットワーク配線１４０に流れる総電流も増大してしまう。ここでは、ヒステリシス回路２１４ｂによってネットワーク電源１１０ａの電圧が低い間はレギュレータ２１４ａを動作しないこととする。

具体的に、ヒステリシス回路２１４ｂでは、ネットワーク電力の電圧が所定の第１電圧（ここでは１９Ｖ）以上となった場合にレギュレータ２１４ａを動作させるとし、また、ネットワーク電源１１０ａが、第１電圧と異なる所定の第２電圧（ここでは１３Ｖ）未満になるとレギュレータ２１４ａを停止（切断）する。したがって、ネットワーク電力が、一旦１９Ｖを超すと、再び１９Ｖ未満になっても直ちにレギュレータ２１４ａが停止されず、同様に、ネットワーク電力が、一旦１３Ｖ未満となると、再び１３Ｖ以上となっても直ちにレギュレータ２１４ａが動作されるわけではない（ヒステリシス特性）。こうすることで、ネットワーク電源１１０ａの投入時における突入電流によって、プログラマブルコントロールシステム１００が不安定になる等の不具合を回避することが可能となる。ただし、ヒステリシス回路２１４ｂに関する上記各電圧は、ネットワーク電源１１０ａの電圧やレギュレータ２１４ａの特性に応じて任意に設定されるのは言うまでもない。

電力集約部２１６は、主電源取得部２１２およびネットワーク電源取得部２１４に接続され、いずれかの５Ｖの電力を、レギュレータ２１６ａを通じて３．３Ｖの電力に変換し、ネットワークインターフェース部２１８に供給する。

上述したように、ネットワークインターフェース部２１８は電力供給を維持しなければならない。したがって、主電源取得部２１２およびネットワーク電源取得部２１４の両方から並行して電力の供給を受け得るように構成されている。そして、電力集約部２１６は、主電源２００が投入されている間は、電力に余裕がある主電源２００側の主電源取得部２１２から主電力をネットワークインターフェース部２１８に供給し、主電源２００がオフ状態（自発的、不具合時を含む。）にある間、ネットワーク電源１１０ａ側のネットワーク電源取得部２１４からネットワーク電力をネットワークインターフェース部２１８に供給する。

具体的に、電力集約部２１６の、主電源取得部２１２およびネットワーク電源取得部２１４側には、整流のための２つのダイオード２１６ｂ、２１６ｃが設けられ、ワイアードＯＲによって接続されている。このとき、主電源取得部２１２およびネットワーク電源取得部２１４から出力される電力の電圧は５Ｖ前後であるが、主電源取得部２１２の主電力の電圧をネットワーク電源取得部２１４のネットワーク電力の電圧より大きくなるように構成する。こうすることで、積極的な切換装置を準備しなくても、電力集約部２１６は、主電源２００が投入されている間、電圧が高い主電源２００側の主電源取得部２１２から優先して電力（主電力）を供給し、主電源２００がオフ状態にある間、電圧が有効な、ネットワーク電源１１０ａ側のネットワーク電源取得部２１４から電力（ネットワーク電力）を供給することができる。

ネットワークインターフェース部２１８は、隣接するスレーブコントローラ１２０のネットワークインターフェース部２１８との間でネットワーク配線１４０を通じてデイジーチェーン接続され、上流のスレーブコントローラ１２０からの制御指令を受信すると共に、その制御指令を下流のスレーブコントローラ１２０に送信する。また、ネットワークインターフェース部２１８は、電力集約部２１６を通じて主電源取得部２１２およびネットワーク電源取得部２１４に接続され、主電源２００が投入されている間、少なくとも主電源２００側の主電源取得部２１２から主電力の供給を受け、主電源２００がオフ状態にある場合、ネットワーク電源１１０ａ側のネットワーク電源取得部２１４からネットワーク電力の供給を受ける。したがって、ネットワークインターフェース部２１８は常に動作可能な状態を維持できるので、プログラマブルコントロールシステム１００の安全性を確保することが可能となる。

主電源検出部２２０は、主電源取得部２１２のレギュレータ２１２ａ処理後の電圧（５Ｖ）を測定し、その測定値が所定の閾値（例えば、４．２５Ｖ）以上であるか否か、すなわち、主電源取得部２１２が主電源２００の電力の供給を受けているか否かを検出し、ネットワーク電源取得部２１４に伝達する。また、主電源検出部２２０は主電源２００の電力供給を受けて動作する。

例えば、主電源検出部２２０として、電圧検出ＩＣを採用し、その検出結果の出力端を５Ｖにプルアップすることで、主電源取得部２１２のレギュレータ２１２ａ処理後の電圧が所定の閾値（ここでは４．２５Ｖ）以上のときに、０Ｖを出力し、所定の閾値未満になると、５Ｖ、または、主電源２００からの電力供給切断によるオープン状態（プルアップしているのでいずれにしても５Ｖとなる。）に移行する。ここでは、主電源検出部２２０がレギュレータ２１２ａ処理後の電圧を検出することで、間接的に主電源２００の電圧を検出しているが、かかる場合に限らず、例えば、レギュレータ２１２ａ処理前の２４Ｖを監視することで、主電源２００の電圧を直接検出し、電圧が１９Ｖ以上であるか否かを検出するとしてもよい。こうして、主電源取得部２１２における電圧降下を検出することができ、主電源２００が完全に切断される前に、主電源２００が直ぐに切断されることを把握することが可能となる。

ネットワーク電源制御部２２２は、主電源検出部２２０を通じて主電源２００の状態を監視し、主電源検出部２２０による電圧降下を検出すると、主電源２００が直ぐに切断される可能性があると判定して、ネットワーク電源制御部２２２をオンする。

具体的に、ネットワーク電源制御部２２２は、リレー、トランジスタスイッチ回路、アナログスイッチＩＣ等で構成され、ネットワーク電源取得部２１４のネットワーク電源１１０ａの入口側に配される。したがって、主電源２００が投入されている定常時は、ネットワーク電源取得部２１４を停止し、主電源検出部２２０が主電源取得部２１２における電圧降下を検出すると、すなわち、５Ｖ、または、主電源２００からの電力供給切断によるオープン状態に移行すると、リレーをオンし（Ｂ接点）、ネットワーク電源１１０ａとヒステリシス回路２１４ｂおよびレギュレータ２１４ａとを接続する。こうして、ネットワーク電源取得部２１４自体に電源が投入され、動作を開始すると共に、ネットワークインターフェース部２１８にレギュレータ２１４ａを通じたネットワーク電力が供給されることとなる。

ここでは、主電源検出部２２０によって、主電源２００が完全に切断する前に、ネットワーク電源制御部２２２によってネットワーク電力の電力供給を開始し、ネットワークインターフェース部２１８への電力の供給が欠落しないようにしているが、電力の切り換えに時間を要するようであれば、電解コンデンサ２５２等をネットワーク電源取得部２１４の後段に接続して電力補償を行ってもよい。

以上説明した、スレーブコントローラ１２０を含むプログラマブルコントロールシステム１００によると、定常時は主電源２００側の主電源取得部２１２から電力の供給を受け、主電源２００がオフ状態になったとしても、ネットワーク電源１１０ａ側のネットワーク電源取得部２１４から電力の供給を受け、ネットワークインターフェース部２１８は動作可能な状態を維持できるので、プログラマブルコントロールシステムの安全性を確保することができる。また、主電源２００が投入されている間、ネットワーク電源取得部２１４を切断して、ネットワークインターフェース部２１８への電力供給およびネットワーク電源取得部２１４の電力消費を回避することで、省電力化を図ることが可能となる。

また、ネットワーク電源取得部２１４での発熱も抑制できるので、スレーブコントローラ１２０の温度上昇を防止することが可能となる。
さらに、ネットワーク電源１１０ａからの電力消費を抑制できるので、スレーブコントローラ１２０のさらなる増設も可能となり、増設に応じてネットワーク配線１４０の線径を太くしたり、ネットワーク配線１４０自体を変更したりする必要もない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、被制御機器に対する制御処理をプログラミング可能なプログラマブルコントローラに利用することができる。

１００ …プログラマブルコントロールシステム
１１０ …マスタコントローラ（プログラマブルコントローラ）
１１０ａ …ネットワーク電源
１２０ …スレーブコントローラ（プログラマブルコントローラ）
１３０ …被制御機器
１４０ …ネットワーク配線
２００ …主電源
２１０ …主回路
２１２ …主電源取得部
２１４ …ネットワーク電源取得部
２１６ …電力集約部
２１８ …ネットワークインターフェース部
２２０ …主電源検出部
２２２ …ネットワーク電源制御部

Claims (3)

1. ネットワーク電源からネットワーク電力を取得し、当該プログラマブルコントローラで利用できるように変換するネットワーク電源取得部と、
   前記ネットワーク電源取得部からのネットワーク電力、および、主電源からの主電力のいずれか一方または双方の電力供給を受け、デイジーチェーン接続を通じて、別体のプログラマブルコントローラから制御指令を受信すると共に、他のプログラマブルコントローラに該制御指令を送信するネットワークインターフェース部と、
   前記主電源の電圧を検出する主電源検出部と、
   前記主電源検出部の検出結果に応じ、前記主電源の電圧が所定の閾値以上であれば、前記ネットワーク電源取得部を停止し、該主電源の電圧が所定の閾値未満であれば、該ネットワーク電源取得部を動作させ、前記ネットワーク電力を前記ネットワークインターフェース部に供給させるネットワーク電源制御部と、
   を備えることを特徴とするプログラマブルコントローラ。
2. ネットワーク電源取得部は、出力電圧を安定化させるレギュレータを含むことを特徴とする請求項１に記載のプログラマブルコントローラ。
3. ネットワーク電源取得部は、前記ネットワーク電力が所定の電圧未満であるときの前記レギュレータの動作を防止するヒステリシス回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のプログラマブルコントローラ。