JP7318441B2

JP7318441B2 - アナログ入力装置

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Publication number: JP7318441B2
Application number: JP2019169311A
Authority: JP
Inventors: 喬花井
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2023-08-01
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Description

本開示は、アナログ信号を入力し、ディジタル信号に変換して出力するアナログ入力装置に関する。

従来から、プログラマブルロジックコントローラ（以下、「ＰＬＣ」とも呼ぶ）等で構成された産業用制御装置により、位置センサや温度センサ等の各種センサによる検出結果を利用して、ロボット操作用のアクチュエータ等を駆動させることが行われている。このような産業用制御装置では、コントローラ装置（コントローラユニット）に加えて、センサから入力するアナログ信号を、アナログディジタル変換（以下、「ＡＤ変換」とも呼ぶ）して、変換後のディジタル信号をコントローラ装置に出力するアナログ入力装置（入力ユニット）が用いられることがある（特許文献１参照）。

産業用制御装置が故障した場合の安全性を高める方策として、機能安全設計が求められる場合がある。例えば、アナログ入力装置の構成として、ＡＤ変換部を二重化し、一方のＡＤ変換部の変換結果と、他方のＡＤ変換部の変換結果とを比較部にて比較し、所定の誤差以上が検知された場合に故障を検知し、コントローラ装置に故障を通知する構成が設計され得る。

特開２０１９－２０８２２号公報

上記のようにＡＤ変換部を二重化し、両方のＡＤ変換部による変換結果を比較して故障を検知する構成では、高分解能のＡＤ変換の要請に応えるためには、高分解能のＡＤ変換部を二重で配置しなければならず、製造コストの増大を招いていた。また、このような高分解能の２つのＡＤ変換部の変換結果を比較するためには、両方のＡＤ変換部からの出力信号のタイミングを高い精度で一致させる必要がある。このため、各ＡＤ変換部と比較部との間に同期を制御するマイクロコンピュータが配置され、二重化されたＡＤ変換部と共に部品点数の増大および発熱の増大を招き、集積度が低下するという問題があった。

これらの問題は、ＰＬＣにより構成される産業用制御装置に限らず、アナログ入力装置を有する任意の構成の産業用制御装置に共通する。このため、産業用制御装置において、高分解能のＡＤ変換および高い機能安全性能を実現しつつ、製造コストの上昇および集積度の低下を抑制可能な技術が望まれる。

本開示は、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、産業用制御装置に用いられ、アナログ信号を入力してディジタル信号に変換して出力するアナログ入力装置が提供される。このアナログ入力装置は、入力される前記アナログ信号を第１分解能にてディジタル信号にアナログディジタル変換して出力する高分解能ＡＤ変換部と、入力される前記アナログ信号を、前記第１分解能よりも低い第２分解能にてアナログディジタル変換する第１低分解能ＡＤ変換部を有する第１マイクロコンピュータと、入力される前記アナログ信号を、前記第２分解能にてアナログディジタル変換する第２低分解能ＡＤ変換部を有する第２マイクロコンピュータと、前記高分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第１ディジタル信号と、前記第１低分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第２ディジタル信号と、を比較する第１比較処理を実行する第１比較部と、前記第１比較処理の結果、前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との差分が、予め定められた第１閾値以下の場合に前記第１ディジタル信号を出力し、前記第１閾値よりも大きい場合に前記第１ディジタル信号を出力しないディジタル信号出力部と、前記第１マイクロコンピュータと前記第２マイクロコンピュータとのうち、の少なくとも一方からの指令に応じて、前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力の可否を切り替える切替部と、を備える。前記第１マイクロコンピュータと前記第２マイクロコンピュータとのうち、の少なくとも一方は、前記第２ディジタル信号と、前記第２低分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第３ディジタル信号と、を比較する第２比較処理を実行する第２比較部を有し、前記第２比較処理の結果、前記第２ディジタル信号と前記第３ディジタル信号との差分が、予め定められた第２閾値以下の場合に前記切替部に前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力を行なわせ、前記第２閾値よりも大きい場合に前記切替部に前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力を行なわせない。
この形態のアナログ入力装置によれば、高分解能ＡＤ変換部を二重に設けず、第１マイクロコンピュータおよび第２マイクロコンピュータが有する低分解能ＡＤ変換部を利用して高分解能ＡＤ変換部の上位ビット側の変換精度ずれ異常を検出できるので、高分解能のＡＤ変換およびＡＤ変換の高い機能安全性能を実現しつつ、高分解能ＡＤ変換部を二重に設けて各高分解能ＡＤ変換部にマイクロコンピュータを接続して高分解能ＡＤ変換部の故障を検出する構成に比べて、アナログ入力装置の製造コストの上昇および集積度の低下を抑制できる。また、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号と第２ディジタル信号との差分が、予め定められた第１閾値以下の場合に第１ディジタル信号を出力し、第１閾値よりも大きい場合に第１ディジタル信号を出力しないので、高分解能ＡＤ変換部の異常に起因して精度の低いＡＤ変換結果である第１ディジタル信号が出力されることを抑制できる。加えて、第２比較処理の結果、第２ディジタル信号と第３ディジタル信号との差分が、予め定められた第２閾値以下の場合に切替部に第１ディジタル信号の第１比較部への入力を行なわせ、第２閾値よりも大きい場合に切替部に第１ディジタル信号の第１比較部への入力を行なわせないので、第１マイクロコンピュータまたは第２マイクロコンピュータに異常が発生して、高分解能ＡＤ変換部の異常を精度良く検出できない状況において、精度の低い可能性のある第１ディジタル信号が出力されることを抑制できる。したがって、アナログ入力装置の高い機能安全性能を実現できる。
（２）上記形態のアナログ入力装置において、前記切替部は、前記高分解能ＡＤ変換部と前記第１比較部との間に配置されたスイッチング素子により構成されていてもよい。
この形態のアナログ入力装置によれば、切替部は、高分解能ＡＤ変換部と第１比較部との間に配置されたスイッチング素子により構成されているので、切替部を簡易な構成とすることができると共に、第１および第２マイクロコンピュータによる切替部の制御を容易に実現できる。
（３）上記形態のアナログ入力装置において、前記ディジタル信号出力部は、前記第１比較処理の結果、前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との差分が前記第１閾値以下の場合に、前記第１ディジタル信号を、前記産業用制御装置が有する通信バスを介して前記産業用制御装置が有する前記アナログ入力装置とは異なる外部装置に、ディジタル信号として出力してもよい。
この形態のアナログ入力装置によれば、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号と第２ディジタル信号との差分が第１閾値以下の場合に、第１ディジタル信号が、産業用制御装置が有する通信バスを介して外部装置にディジタル信号として出力されるので、産業用制御装置において、高分解能のＡＤ変換の結果を利用することができる。したがって、例えば、かかる高分解能のＡＤ変換の結果を、コントローラ装置（コントローラユニット）において利用できる。
（４）上記形態のアナログ入力装置において、前記アナログ信号は、センサから出力されるアナログ信号であり、前記外部装置は、ロボットを制御するロボットコントローラに対し、前記センサの検出値に応じた指令を生成して出力するコントロール装置であってもよい。
この形態のアナログ入力装置によれば、アナログ信号は、センサから出力されるアナログ信号であり、外部装置は、ロボットを制御するロボットコントローラに対し、前記センサの検出値に応じた指令を生成して出力するコントロール装置であるので、センサから出力されるアナログ信号を利用してロボットを精度良く制御できる。

本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、産業用制御装置、プログラマブルロジックコントローラ、ロボットコントローラ、アナログディジタル変換装置、アナログディジタル変換装置の管理装置、アナログディジタル変換装置の正常性判定方法等の形態で実現できる。

本開示のアナログ入力装置の一実施形態としてのアナログ入力ユニットを含むロボット制御システムの概略構成を示すブロック図である。アナログ入力ユニットの詳細構成を示すブロック図である。コントロールユニットへの第１ディジタル信号の出力実行時におけるアナログ信号、および第１ないし第３ディジタル信号を模式的に示す説明図である。コントロールユニットへの第１ディジタル信号の出力停止時におけるアナログ信号、および第１ないし第３ディジタル信号を模式的に示す説明図である。コントロールユニットへの第１ディジタル信号の出力停止時におけるアナログ信号、および第１ないし第３ディジタル信号を模式的に示す説明図である。比較例のアナログ入力ユニットの詳細構成を示すブロック図である。

Ａ．実施形態：
Ａ－１．ロボット制御システム５００の概略構成：
図１は、本開示のアナログ入力装置の一実施形態としてのアナログ入力ユニット１０を含むロボット制御システム５００の概略構成を示すブロック図である。ロボット制御システム５００は、産業用ロボット４００（以下、単に「ロボット４００」と呼ぶ）を制御するためのシステムであり、アナログセンサ２００による検出値に応じてロボット４００を制御する。ロボット制御システム５００は、上述のセンサ２００に加えて、産業用制御装置１００と、ロボットコントローラ３００と、アクチュエータ３５０とを備える。

アナログセンサ２００は、ロボット４００の動作制御に関わるパラメータの値を検出し、アナログ信号として出力する。本実施形態において、アナログセンサ２００は、ロボット４００の動作制御に関わるパラメータの値として、電圧値を測定する。アナログセンサ２００は、－１０Ｖ（ボルト）以上＋１０Ｖ以下の範囲の合計２０Ｖの測定範囲を有し、かかる測定範囲の電圧値をアナログ値として出力する。なお、ロボット４００の動作制御に関わるパラメータとしては、上述した電圧値に限らず、任意のパラメータを採用してもよい。例えば、ロボット４００が多関節型の産業用ロボットである場合には、アームや手首の位置や角度であってもよい。また、例えば、ロボット４００の動作する環境の温度であったり、ロボット４００が移動する場合には、かかる移動距離であったり、ロボット４００による処理対象のワークを搬送する搬送路が設けられている場合には、かかる搬送路における所定位置の重量であったり、ロボット４００によって流体流量の調整用の弁が制御される場合には、かかる流体流量であったりしてもよい。

産業用制御装置１００は、アナログセンサ２００とロボットコントローラ３００とに電気的に接続されている。産業用制御装置１００は、アナログセンサ２００から出力されるアナログ信号を入力してアナログディジタル変換（以下、「ＡＤ変換」とも呼ぶ）を行い、得られたディジタル信号（以下、「変換後ディジタル信号」とも呼ぶ）に基づき指示信号を生成してロボットコントローラ３００に出力する。本実施形態において、産業用制御装置１００は、プログラマブルロジックコントローラ（以下、「ＰＬＣ」とも呼ぶ）により構成されている。産業用制御装置１００は、高い機能安全性能を実現するためにＡＤ変換に関わる構成の異常を自己診断する機能を有する。かかる自己診断機能については後述する。産業用制御装置１００は、アナログ入力ユニット１０と、コントロールユニット２０と、出力ユニット３０とが、通信バス４０を介して互いに通信可能に構成されている。

アナログ入力ユニット１０は、アナログセンサ２００から出力されるアナログ信号を入力してＡＤ変換し、変換後ディジタル信号を、通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力する。また、アナログ入力ユニット１０は、上述の自己診断機能を有する。また、アナログ入力ユニット１０は、自己診断の結果、異常を検出した場合には、異常を検出した旨を、通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力する。アナログ入力ユニット１０の詳細構成については、後述する。アナログ入力ユニット１０は、本開示のアナログ入力装置に相当する。

コントロールユニット２０は、アナログ入力ユニット１０から出力される変換後ディジタル信号に基づき、出力ユニット３０に指示信号を生成して出力する。指示信号とは、ロボット４００の動作の制御内容を指示する信号を意味する。また、コントロールユニット２０がアナログ入力ユニット１０から出力される異常を検出した旨を入力する場合には、指示信号とは、ロボット４００の動作停止を指示する信号を意味する。コントロールユニット２０は、本開示の外部装置およびコントロール装置に相当する。

出力ユニット３０は、コントロールユニット２０から出力された指示信号を、ロボットコントローラ３００に出力する。

ロボットコントローラ３００は、産業用制御装置１００（出力ユニット３０）から出力される指示信号に応じて、アクチュエータ３５０を制御する。アクチュエータ３５０は、ロボット４００の動作を実現する。例えば、ロボット４００が交流モータを有する構成においては、アクチュエータ３５０は、かかる交流モータに電力を供給するインバータ回路として構成される。この構成においては、ロボットコントローラ３００は、インバータ回路が有するスイッチング素子を駆動するための信号を出力する機能を有する。ロボットコントローラ３００は、例えば、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」とも呼ぶ）によって構成されてもよい。

Ａ－２．アナログ入力ユニット１０の詳細構成：
図２は、アナログ入力ユニット１０の詳細構成を示すブロック図である。アナログ入力ユニット１０は、メインＡＤ変換部１１と、診断ＡＤ変換部１２と、切替部１５と、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）１６と、アナログ信号入力ポート１７と、通信ポート１８とを備える。

メインＡＤ変換部１１は、アナログ信号入力ポート１７を介して入力されるアナログ信号Ｖａに対してＡＤ変換を行い、変換後ディジタル信号Ｖｈ１を出力する。メインＡＤ変換部１１は、ＡＤ変換ＩＣ（Integrated Circuit）１１０を備える。ＡＤ変換ＩＣ１１０は、アナログ信号入力ポート１７と切替部１５とに電気的に接続されている。ＡＤ変換ＩＣ１１０は、診断ＡＤ変換部１２よりも高分解能でＡＤ変換を実行する。具体的には、本実施形態では、ＡＤ変換ＩＣ１１０は、２４ビットの分解能でＡＤ変換を実行する。したがって、上述のように、アナログセンサ２００から出力されるアナログ信号Ｖａの示す電圧値の幅が２０Ｖである場合、ＡＤ変換ＩＣ１１０によるＡＤ変換における１ＬＳＢ（Least Significant Bit）は、およそ０．００１１９２ｍＶである。ＡＤ変換ＩＣ１１０は、変換後ディジタル信号Ｖｈ１を切替部１５に出力する。なお、ＡＤ変換ＩＣ１１０から出力される変換後ディジタル信号Ｖｈ１（以下、「第１ディジタル信号Ｖｈ１」とも呼ぶ）は、ＡＩＳＣ１６において実行される後述の第１比較処理に用いられる。メインＡＤ変換部１１は、本開示における高分解能ＡＤ変換部に相当する。また、ＡＤ変換ＩＣ１１０によるＡＤ変換の分解能は、本開示における第１分解能に相当する。

診断ＡＤ変換部１２は、メインＡＤ変換部１１の異常を検出するための自己診断用のＡＤ変換部である。診断ＡＤ変換部１２は、第１マイクロコンピュータ１３と、第２マイクロコンピュータ１４とを備える。第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４は、アナログ信号入力ポート１７に対して互いに並列に接続されている。また、第１マイクロコンピュータ１３と第２マイクロコンピュータ１４とは、互いに専用配線によって通信可能に構成されている。また、第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４は、それぞれ切替部１５に電気的に接続されている。また、第１マイクロコンピュータ１３は、ＡＳＩＣ１６に電気的に接続されている。

第１マイクロコンピュータ１３は、ＡＤ変換部１３１と、比較部１３２とを備える。ＡＤ変換部１３１は、アナログ信号入力ポート１７を介して入力されるアナログ信号Ｖａに対してＡＤ変換を行い、変換後ディジタル信号Ｖｌ２を比較部１３２に出力する。本実施形態において、ＡＤ変換部１３１から出力される変換後ディジタル信号Ｖｌ２を「第２ディジタル信号Ｖｌ２」とも呼ぶ。ＡＤ変換部１３１は、第２ディジタル信号Ｖｌ２を、第２マイクロコンピュータ１４にも出力する。さらには、ＡＤ変換部１３１は、第２ディジタル信号Ｖｌ２を、ＡＳＩＣ１６にも出力する。ＡＤ変換部１３１は、第１マイクロコンピュータ１３が有する基本機能部のひとつであり、上述のＡＤ変換ＩＣ１１０よりも低分解能でＡＤ変換を実行する。具体的には、本実施形態では、ＡＤ変換部１３１は、１２ビットの分解能でＡＤ変換を実行する。したがって、上述のように、アナログセンサ２００から出力されるアナログ信号Ｖａの示す電圧値の幅が２０Ｖである場合、ＡＤ変換部１３１によるＡＤ変換における１ＬＳＢは、およそ４．８８ｍＶである。また、ＡＤ変換部１３１によるＡＤ変換の分解能は、本開示における第２分解能に相当する。ＡＤ変換部１３１は、本開示における第１低分解能ＡＤ変換部に相当する。また、ＡＤ変換部１３１によるＡＤ変換の分解能は、本開示における第２分解能に相当する。

比較部１３２は、ＡＤ変換部１３１から入力する第２ディジタル信号Ｖｌ２と、第２マイクロコンピュータ１４から出力される後述の第３ディジタル信号Ｖｌ３とを比較する処理（以下、「第２比較処理」と呼ぶ）を実行する。第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との比較とは、単位時間において各ディジタル信号Ｖｌ２、Ｖｌ３の示す値の平均値同士を比較してその差分を求めることを意味する。第２比較処理の結果、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌが所定の第２閾値Ｖｔｈ２以下の場合に、比較部１３２は、切替部１５に対して、ＡＤ変換ＩＣ１１０から出力される第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行わせ、第２閾値Ｖｔｈ２よりも大きい場合に、第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行わせないように、制御信号を切替部１５に出力する。なお、上述の第２閾値Ｖｔｈ２とは異なる第１閾値Ｖｔｈ１は、後述のＡＳＩＣ１６による処理において用いられる。第１閾値Ｖｔｈ１の詳細は後述する。比較部１３２は、本開示における第２比較部に相当する。

第２マイクロコンピュータ１４は、第１マイクロコンピュータ１３と同様な構成を有する。第２マイクロコンピュータ１４は、ＡＤ変換部１４１と、比較部１４２とを備える。ＡＤ変換部１４１は、上述のＡＤ変換部１３１と同じ分解能でＡＤ変換を実行し、変換後ディジタル信号Ｖｌ３を比較部１３２および第１マイクロコンピュータ１３に出力する。本実施形態において、ＡＤ変換部１４１から出力される変換後ディジタル信号Ｖｌ３を、「第３ディジタル信号Ｖｌ３」とも呼ぶ。比較部１４２は、ＡＤ変換部１４１から入力する第３ディジタル信号Ｖｌ３と、第２マイクロコンピュータ１４から出力される第２ディジタル信号Ｖｌ２とを比較する処理を実行する。かかる比較処理の結果、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌが所定の第２閾値Ｖｔｈ２以下の場合に、比較部１４２は、比較部１４２と同様に、切替部１５に対して、ＡＤ変換ＩＣ１１０から出力される第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行わせ、第２閾値Ｖｔｈ２よりも大きい場合に、第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行わせないように、制御信号を切替部１５に出力する。ＡＤ変換部１３１は、本開示における第２低分解能ＡＤ変換部に相当する。

上述の２つのマイクロコンピュータ１３、１４により実行される第２比較処理の結果、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌが第２閾値Ｖｔｈ２よりも大きい場合には、第１マイクロコンピュータ１３または第２マイクロコンピュータ１４が異常である可能性が高い。そこで、このような場合、すなわち、自己診断が正常に機能しない可能性が高い場合に、切替部１５に対して、第１ディジタル信号のＡＳＩＣ１６への入力を行わせないように制御信号を出力し、メインＡＤ変換部１１の異常を検出できない状況において、第１ディジタル信号Ｖｈ１がコントロールユニット２０に出力されることを回避するようにしている。上述のように、各マイクロコンピュータ１３、１４の有するＡＤ変換部１３１、１４２のＡＤ変換の分解能は、いずれもメインＡＤ変換部１１（ＡＤ変換ＩＣ１１０）のＡＤ変換の分解能よりも低い。しかし、これら２つのＡＤ変換部１３１、１４１を並列に配置して、互いのＡＤ変換結果を比較して異常検出することにより、診断ＡＤ変換部１２の自己診断率を向上できる。したがって、低分解能の単一のＡＤ変換部をメインＡＤ変換部１１と並列に配置して自己診断を行う構成に比べて、アナログ入力ユニット１０全体としての自己診断率を向上できる。

切替部１５は、第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４から入力される制御信号（指令）に応じて、第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力の可否を切り替える。本実施形態において、切替部１５は、トランジスタ等のスイッチング素子により構成されている。第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４から入力される制御信号は、ゲート信号として切替部１５に供給される。

ＡＳＩＣ１６は、第１取得部１６１と、第２取得部１６２と、比較部１６３と、バス通信部１６４とを備える。第１取得部１６１は、バッファを備え、切替部１５を介して入力される第１ディジタル信号Ｖｈ１を取得して一時的に保存する。第２取得部１６２は、バッファを備え、第１マイクロコンピュータ１３のＡＤ変換部１３１から入力される第２ディジタル信号Ｖｌ２を取得して一時的に保存する。

比較部１６３は、第１取得部１６１に一時的に保存されている第１ディジタル信号Ｖｈ１と、第２取得部１６２に一時的に保存されている第２ディジタル信号Ｖｌ２とを比較する処理（以下、「第１比較処理」と呼ぶ）を実行する。第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との比較とは、単位時間において各ディジタル信号Ｖｈ１、Ｖｌ２の示す値の平均値同士を比較してその差分を求めることを意味する。比較部１６３は、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが所定の第１閾値Ｖｔｈ１以下の場合に、第１取得部１６１に一時的に保存されている第１ディジタル信号Ｖｈ１を、バス通信部１６４および通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力し、また、第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合には、第１ディジタル信号Ｖｈ１を出力しない。さらに、本実施形態においては、比較部１６３は、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合には、異常を検出し、異常を検出した旨をバス通信部１６４および通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力する。バス通信部１６４は、通信バス４０を介した他の装置との通信を実行する。比較部１６３と、第１取得部１６１と、第２取得部１６２とは、本開示における第１比較部に相当する。また、バス通信部１６４は、本開示におけるディジタル信号出力部に相当する。

第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｋ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、メインＡＤ変換部１１の異常発生または診断ＡＤ変換部１２の異常発生が想定される。メインＡＤ変換部１１に異常が発生した場合、第１ディジタル信号Ｖｈ１の精度が低くなり、正しいアナログ値を示す第２ディジタル信号Ｖｌ２とは大きく異なる値となり得る。そこで、この場合、第１ディジタル信号Ｖｈ１をコントロールユニット２０に出力しないようにしている。また、診断ＡＤ変換部１２に異常が発生した場合、第２ディジタル信号Ｖｌ２の精度が低くなり、もはや第２ディジタル信号Ｖｌ２と比較しても、第１ディジタル信号Ｖｈ１の精度を担保できない。したがって、この場合も、第１ディジタル信号Ｖｈ１をコントロールユニット２０に出力しないようにしている。このようにして、産業用制御装置１００としての安全性を機能的に担保している。

アナログ信号入力ポート１７は、アナログセンサ２００と電気的に接続され、アナログセンサ２００から出力されるアナログ信号Ｖａを入力する。また、アナログ信号入力ポート１７は、メインＡＤ変換部１１および診断ＡＤ変換部１２の各マイクロコンピュータ１３、１４にそれぞれ接続されており、これらにアナログ信号Ｖａを供給する。通信ポート１８は、通信バス４０およびバス通信部１６４とそれぞれ電気的に接続されている。

図３は、コントロールユニット２０への第１ディジタル信号Ｖｈ１の出力実行時におけるアナログ信号Ｖａ、および第１ないし第３ディジタル信号Ｖｈ１、Ｖｌ２、Ｖｌ３を模式的に示す説明図である。図４および図５は、コントロールユニット２０への第１ディジタル信号Ｖｈ１の出力停止時におけるアナログ信号Ｖａ、および第１ないし第３ディジタル信号Ｖｈ１、Ｖｌ２、Ｖｌ３を模式的に示す説明図である。図３ないし図５において、最も左は、アナログ信号Ｖａを示す。また、左から２番目は第２ディジタル信号Ｖｌ２を、左から３番目は第３ディジタル信号Ｖｌ３を、最も右は第１ディジタル信号Ｖｈ１を、それぞれ示す。なお、各信号は、或る単位時間におぃて各信号の示す値の平均値を示す。また、各信号の縦の大きさは、電圧の大きさを示す。

図３に示す例では、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌは第２閾値Ｖｔｈ２以下である。このとき、第１マイクロコンピュータ１３のＡＤ変換部１３１による変換誤差、すなわち、アナログ信号Ｖａと第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｌ２は、小さい。同様に、第２マイクロコンピュータ１４のＡＤ変換部１４１による変換誤差、すなわち、アナログ信号Ｖａと第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌ３は、小さい。このような場合、診断ＡＤ変換部１２の異常は発生していないと推定される。そして、図３の例では、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈは、第１閾値Ｖｔｈ１以下である。したがって、この場合、第１ディジタル信号Ｖｈ１は、コントロールユニット２０に出力されることとなる。

図４に示す例では、図３に示す例と同様に、差分ΔＶｌは第２閾値Ｖｔｈ２以下であり、診断ＡＤ変換部１２の異常は発生していないと推定される。このような状況において、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、メインＡＤ変換部１１の異常発生が推定される。したがって、この場合、第１ディジタル信号Ｖｈ１は、コントロールユニット２０に出力されない。

図５に示す例では、第１ディジタル信号Ｖｈ１とアナログ信号Ｖａとの差分は小さく、メインＡＤ変換部１１（ＡＤ変換ＩＣ１１０）による変換誤差は小さい。しかし、第１マイクロコンピュータ１３のＡＤ変換部１３１の変換誤差である差分ΔＶｌ２が大きいため、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌは第２閾値Ｖｔｈ２よりも大きい。このような状況では、仮にアナログ信号Ｖａの精度が高い場合であっても、その信頼性を担保できない。そこで、本実施形態では、このような場合、変換後ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きくなるような第１閾値Ｖｔｈ１を予め設定しておき、第１ディジタル信号Ｖｈ１をコントロールユニット２０に出力させないようにしている。

図６は、比較例のアナログ入力ユニット７０の詳細構成を示すブロック図である。アナログ入力ユニット７０は、メインＡＤ変換部７１と、診断ＡＤ変換部７２と、ＡＳＩＣ７６と、アナログ信号入力ポート７７と、通信ポート７８とを備える。

メインＡＤ変換部７１は、ＡＤ変換ＩＣ７１０と、マイクロコンピュータ７１１とを備える。診断ＡＤ変換部７２は、ＡＤ変換ＩＣ７２０と、マイクロコンピュータ７２１とを備える。メインＡＤ変換部７１と診断ＡＤ変換部７２とは互いにほぼ同じ構成を有し、互いにアナログ信号入力ポート７７に対して並列に接続されている。ＡＤ変換ＩＣ７１０およびＡＤ変換ＩＣ７２０は高い分解能にてＡＤ変換を行う。マイクロコンピュータ７１１およびマイクロコンピュータ７２１は、それぞれ接続されているＡＤ変換ＩＣにおける信号の出力タイミングを同期するために配置されている。具体的には、マイクロコンピュータ７１１およびマイクロコンピュータ７２１は、ＡＳＩＣ７６からそれぞれ所定のタイミングで出力される信号要求を受けると、そのタイミングに合わせてＡＤ変換ＩＣ７１０、７２０によるＡＤ変換後のディジタル信号を、ＡＳＩＣ７６に送信する。

ＡＳＩＣ７６は、第１取得部７６１と、第２取得部７６２と、比較部７６３と、バス通信部７６４とを備える。第１取得部７６１および第２取得部７６２は、実施形態の第１取得部１６１および第２取得部１６２とそれぞれ同様な機能を有する。比較部７６３は、ＡＤ変換ＩＣ７１０によるＡＤ変換によって得られたディジタル信号と、ＡＤ変換ＩＣ７２０によるＡＤ変換によって得られたディジタル信号とを比較し、これら２つのディジタル信号の差分が所定の閾値以下であれば、ＡＤ変換ＩＣ７１０によるＡＤ変換によって得られたディジタル信号をコントロールユニット２０に出力し、閾値よりも大きい場合には、コントロールユニット２０に出力しない。

このような比較例のアナログ入力ユニット７０によれば、高分解能でＡＤ変換を行うＡＤ変換部を２つ備えるため、製造コストの増大を招くと共にアナログ入力ユニット７０の集積度の低下を招く。

これに対して、本実施形態のアナログ入力ユニット１０によれば、高分解能のＡＤ変換部（メインＡＤ変換部１１）を二重に設けず、第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４が有する低い分解能のＡＤ変換部１３１、１４１を利用してメインＡＤ変換部１１の異常を検出できるので、高分解能でのＡＤ変換およびＡＤ変換の高い機能安全性能を実現しつつ、少なくとも比較例に比べて、アナログ入力ユニット１０の製造コストの上昇および集積度の低下を抑制できる。また、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが、予め定められた第１閾値Ｖｔｈ１以下の場合に第１ディジタル信号Ｖｈ１をコントロールユニット２０に出力し、第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合に第１ディジタル信号Ｖｈ１を出力しないので、メインＡＤ変換部１１の異常に起因して精度の低いＡＤ変換結果である第１ディジタル信号Ｖｈ１が出力されることを抑制できる。加えて、第２比較処理の結果、第２ディジタル信号Ｖｌ２と第３ディジタル信号Ｖｌ３との差分ΔＶｌが、予め定められた第２閾値Ｖｔｈ２以下の場合に切替部１５に第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行なわせ、第２閾値Ｖｔｈ２よりも大きい場合に切替部１５に第１ディジタル信号Ｖｈ１のＡＳＩＣ１６への入力を行なわせないので、第１マイクロコンピュータ１３または第２マイクロコンピュータ１４に異常が発生して、メインＡＤ変換部１１の異常を精度良く検出できない状況において、精度の低い可能性のある第１ディジタル信号Ｖｈ１がコントロールユニット２０に出力されることを抑制できる。したがって、アナログ入力ユニット１０の高い機能安全性能を実現できる。

また、切替部１５は、メインＡＤ変換部１１とＡＳＩＣ１６との間に配置されたスイッチング素子により構成されているので、切替部１５を簡易な構成とすることができると共に、第１マイクロコンピュータ１３および第２マイクロコンピュータ１４による切替部１５の制御を容易に実現できる。

また、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１以下の場合に、第１ディジタル信号Ｖｈ１が通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力されるので、アナログセンサ２００の検出結果を高分解能でＡＤ変換した結果を用いてロボット４００を制御でき、産業用ロボット４００を精度良く制御できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、切替部１５は、スイッチング素子により構成されていたが、スイッチング素子に限らず任意の装置や回路によって構成されてもよい。例えば、マイクロコンピュータにより構成されてもよい。かかる構成においては、例えば、第１マイクロコンピュータ１３と第２マイクロコンピュータ１４とのうちのいずれか一方のマイクロコンピュータが、ひとつの機能部として切替部を有する構成としてもよい。

（Ｂ２）上記実施形態では、第１比較処理の結果、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第２ディジタル信号Ｖｌ２との差分ΔＶｈが第１閾値Ｖｔｈ１以下の場合に、第１ディジタル信号Ｖｈ１が通信バス４０を介してコントロールユニット２０に出力されていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、産業用制御装置１００が不揮発性メモリを有する記憶ユニットを備える構成においては、通信バス４０を介してかかる記憶ユニットに出力してもよい。また、アナログ入力ユニット１０自身が不揮発性メモリを備える構成とし、かかる不揮発性メモリに第１ディジタル信号Ｖｈ１を出力し、通信バス４０を介して他の外部装置に出力しない構成としてもよい。

（Ｂ３）産業用制御装置１００は、ロボット４００（産業用ロボット４００）を制御するためのロボット制御システム５００に限らず、ＡＤ変換機能を有する任意の産業用設備や産業用機械を制御するために用いられてもよい。

（Ｂ４）上記実施形態では、第１マイクロコンピュータ１３と第２マイクロコンピュータ１４とがいずれも制御信号を切替部１５に出力していたが、これに代えて、いずれか一方のみが制御信号を送信してもよい。かかる構成においては、制御信号を出力しないマイクロコンピュータにおいては、比較部を省略してもよい。また、ＡＤ変換部１３１が第２ディジタル信号Ｖｌ２をＡＳＩＣ１６に出力することに代えて、ＡＤ変換部１４１が第３ディジタル信号Ｖｌ３をＡＳＩＣ１６に出力する構成としてもよい。かかる構成において、比較部１６３は、第１ディジタル信号Ｖｈ１と第３ディジタル信号Ｖｌ３とを比較してもよい。

（Ｂ５）上記実施形態において、ＡＤ変換ＩＣ１１０のＡＤ変換の分解能は２４ビットであり、ＡＤ変換部１３１およびＡＤ変換部１４１のＡＤ変換の分解能は１２ビットであったが、本開示はこれに限定されない。いずれの分解能も、ＡＤ変換ＩＣ１１０の分解能がＡＤ変換部１３１およびＡＤ変換部１４１の分解能よりも高い関係を満たす任意の分解能であってよい。

（Ｂ６）上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、比較部１３２および比較部１４２のうちの少なくとも１つの機能部を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ－ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。

本開示は、上記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各形態中の技術的特徴に対応する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。

１０…アナログ入力ユニット、１１…メインＡＤ変換部、１２…診断ＡＤ変換部、１３…第１マイクロコンピュータ、１４…第２マイクロコンピュータ、１５…切替部、１６…ＡＳＩＣ、１７…アナログ信号入力ポート、１８…通信ポート、２０…コントロールユニット、３０…出力ユニット、４０…通信バス、７０…アナログ入力ユニット、７１…メインＡＤ変換部、７２…診断ＡＤ変換部、７６…ＡＳＩＣ、７７…アナログ信号入力ポート、７８…通信ポート、１００…産業用制御装置、１１０…ＡＤ変換ＩＣ、１３１…ＡＤ変換部、１３２…比較部、１４１…ＡＤ変換部、１４２…比較部、１６１…第１取得部、１６２…第２取得部、１６３…比較部、１６４…バス通信部、２００…アナログセンサ、３００…ロボットコントローラ、３５０…アクチュエータ、４００…産業用ロボット、５００…ロボット制御システム、７１０…ＡＤ変換ＩＣ、７１１…マイクロコンピュータ、７２０…ＡＤ変換ＩＣ、７２１…マイクロコンピュータ、７６１…第１取得部、７６２…第２取得部、７６３…比較部、７６４…バス通信部、Ｖａ…アナログ信号、Ｖｈ１…第１ディジタル信号、Ｖｌ２…第２ディジタル信号、Ｖｌ３…第３ディジタル信号、Ｖｔｈ１…第１閾値、Ｖｔｈ２…第２閾値、ΔＶｈ…差分、ΔＶｌ…差分、ΔＶｌ２…差分、ΔＶｌ３…差分

Claims

産業用制御装置に用いられ、アナログ信号を入力してディジタル信号に変換して出力するアナログ入力装置であって、
入力される前記アナログ信号を第１分解能にてディジタル信号にアナログディジタル変換して出力する高分解能ＡＤ変換部と、
入力される前記アナログ信号を、前記第１分解能よりも低い第２分解能にてアナログディジタル変換する第１低分解能ＡＤ変換部を有する第１マイクロコンピュータと、
入力される前記アナログ信号を、前記第２分解能にてアナログディジタル変換する第２低分解能ＡＤ変換部を有する第２マイクロコンピュータと、
前記高分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第１ディジタル信号と、前記第１低分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第２ディジタル信号と、を比較する第１比較処理を実行する第１比較部と、
前記第１比較処理の結果、前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との差分が、予め定められた第１閾値以下の場合に前記第１ディジタル信号を出力し、前記第１閾値よりも大きい場合に前記第１ディジタル信号を出力しないディジタル信号出力部と、
前記第１マイクロコンピュータと前記第２マイクロコンピュータとのうち、の少なくとも一方からの指令に応じて、前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力の可否を切り替える切替部と、
を備え、
前記第１マイクロコンピュータと前記第２マイクロコンピュータとのうち、の少なくとも一方は、
前記第２ディジタル信号と、前記第２低分解能ＡＤ変換部によるアナログディジタル変換後の第３ディジタル信号と、を比較する第２比較処理を実行する第２比較部を有し、
前記第２比較処理の結果、前記第２ディジタル信号と前記第３ディジタル信号との差分が、予め定められた第２閾値以下の場合に前記切替部に前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力を行なわせ、前記第２閾値よりも大きい場合に前記切替部に前記第１ディジタル信号の前記第１比較部への入力を行なわせない、
アナログ入力装置。
請求項１に記載のアナログ入力装置において、
前記切替部は、前記高分解能ＡＤ変換部と前記第１比較部との間に配置されたスイッチング素子により構成されている、アナログ入力装置。
請求項１または請求項２に記載のアナログ入力装置において、
前記ディジタル信号出力部は、前記第１比較処理の結果、前記第１ディジタル信号と前記第２ディジタル信号との差分が前記第１閾値以下の場合に、前記第１ディジタル信号を、前記産業用制御装置が有する通信バスを介して前記産業用制御装置が有する前記アナログ入力装置とは異なる外部装置に、ディジタル信号として出力する、アナログ入力装置。
請求項３に記載のアナログ入力装置において、
前記アナログ信号は、センサから出力されるアナログ信号であり、
前記外部装置は、ロボットを制御するロボットコントローラに対し、前記センサの検出値に応じた指令を生成して出力するコントロール装置である、アナログ入力装置。