JP5036638B2 - プログラマブルコントローラ及びプログラマブルコントローラを用いた異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷をアナログ電圧信号で制御する方式のプログラマブルコントローラの構造に係り、特に、該アナログ電圧信号を出力するアナログ電圧出力回路の構造に関する。

従来のプログラマブルコントローラにおいては、アナログ電流出力回路から負荷装置側に電流を流す方式や、定電圧のアナログ電圧出力を負荷装置側に供給する方式のものがある。
従来のプログラマブルコントローラのうち、負荷装置側に電流を流す方式のものの構成例を図３に示す。図３において、アナログ電流出力回路１１'内で、アナログ電流を出力するためのデジタル電圧信号Ｓ_ＤＶ'がＤ／Ａコンバータ３'に入力されると、該Ｄ／Ａコンバータ３'は、該デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶ'のデジタル量に対応したアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ'を形成して出力する。該出力されたアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ'は、増幅回路２'に入力されて増幅された後、電流出力駆動回路１２'に入力される。該電流出力駆動回路１２'では、アナログ電圧信号は電流信号Ｓ_ＡＩ'に変換され、出力端子から該電流信号Ｓ_ＡＩ'が負荷装置８'側に出力される。負荷装置８'の入力端の電圧信号Ｓ_Ｌ'は、コンパレータＩＣ１３'に入力され、該コンパレータＩＣ１３'において基準電圧と比較され、異常か否かが判別される。該基準電圧としては、通常動作においては電圧信号Ｓ_Ｌ'が到達し得ないレベルの電圧が設定されている。例えば、負荷装置８'に電流信号Ｓ_ＡＩ'を通電するための出力配線が断線した場合、上記電流出力駆動回路１２'で形成された電流信号Ｓ_ＡＩ'は負荷装置８'側に流れない。このため、電流出力駆動回路１２'の出力端子の電圧は、＋１５Ｖに近い値にまで上昇し、電圧値が上昇した電圧信号Ｓ_Ｌ'として上記コンパレータＩＣ１３'に入力され、基準電圧と比較される。該比較において、該電圧信号Ｓ_Ｌ'は該基準電圧を超えることになり、「出力配線に断線が発生した」としたと判別され、コンパレータＩＣ１３'はＬｏｗレベルの信号Ｓ_Ｃ'を出力する。該信号Ｓ_Ｃ'に基づき、「出力配線に断線が発生した」旨のエラー表示が表示部に表示される。３１'〜３４'はそれぞれ、抵抗である。

高信頼性が要求される制御システムに用いられるプログラマブルコントローラにおいては、出力配線の断線や短絡、制御される負荷装置自体の異常などを検出可能であることが必要である。

上記従来技術のうち、図３に示すアナログ電流出力回路から負荷装置側に電流を流す方式の技術においては、出力配線の断線や短絡などの異常の検出は可能で、比較的大きな負荷電流が流れるため、負荷装置８の入力インピーダンスを検出することは可能であり、負荷装置８自体の故障等の検出は容易である。また、上記従来技術のうち、定電圧のアナログ電圧出力を負荷装置側に供給する方式のものにおいては、負荷装置自体の故障による負荷装置の入力インピーダンスの変化時にも、定電圧が出力され、負荷電流が極微小のため、該入力インピーダンスの変化を検出することができない。このため、この方式においては、負荷装置自体の故障等の検出は困難である。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、プログラマブルコントローラにおいて、負荷を制御するアナログ電圧信号を出力するアナログ電圧出力回路が、負荷に接続された出力配線（アナログ電圧出力回路と負荷との間を接続する導線）の断線や短絡などの異常の検出と併せ、負荷の異常の検出も行えるようにすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、高信頼性の制御システムを構築可能なプログラマブルコントローラを提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、プログラマブルコントローラが、アナログ電圧出力回路として、出力アナログ電圧信号により負荷に印加される電圧と該負荷に流れる電流とをそれぞれ、アナログ電圧信号に変換する前の入力デジタル電圧信号と、該デジタル電圧信号に基づき生成したデジタル電流信号とから検出し、該検出した電圧と電流とから該負荷のインピーダンスを演算する手段と、該演算されたインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較する手段と、該比較結果に基づき、上記演算したインピーダンス値が異常か否かを判別する手段と、該判別結果を表示する表示部とを備える。

本発明によれば、プログラマブルコントローラにおいて、出力配線の断線や短絡などの異常の検出と併せ、負荷における故障などの異常も検出することができるようになり、高信頼性の制御システムを構築することができる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１及び図２は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の実施例としてのプログラマブルコントローラにおけるアナログ電圧出力回路の構成の説明図、図２は、図１のアナログ電圧出力回路の構成をより詳細に示す図である。

図１において、１００は、本発明の実施例としてのプログラマブルコントローラ、１は、プログラマブルコントローラ１００においてアナログ電圧信号を出力するアナログ電圧出力回路、３は、アナログ電圧信号を出力するためのデジタル電圧信号Ｓ_ＤＶをアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ１に変換するＤ／Ａコンバータ、２は、変換されたアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ１を増幅しアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２にする電圧信号増幅回路、８は、プログラマブルコントローラ１００により制御される負荷としての装置（以下、負荷装置という）、９は、負荷装置８のインピーダンス（以下、負荷インピーダンスという）である。プログラマブルコントローラ１００のアナログ電圧出力回路１は、出力配線により負荷装置８と接続されている。７は、電圧信号増幅回路２の出力側において該電圧信号増幅回路２に直列接続され、アナログ電圧信号が印加されることにより上記負荷装置８に流れるアナログ電流を検出する電流検出用抵抗、６は、電流検出用抵抗７によって検出されたアナログ電流信号Ｓ_ＡＩ１を増幅しアナログ電流信号Ｓ_ＡＩ２にする電流信号増幅回路、４は、アナログ電流信号Ｓ_ＡＩ２をデジタル電流信号Ｓ_ＤＩに変換するＡ／Ｄコンバータ、５ａは、アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２を出力するためのデジタル電圧信号Ｓ_ＤＶと、Ａ／Ｄコンバータ４から出力されたデジタル電流信号Ｓ_ＤＩとを取り込んで、上記アナログ電圧信号により上記負荷装置８に印加される電圧と、該負荷装置８に流れる電流を検出し、該検出された電圧の値と電流の値とから該負荷装置８のインピーダンス値を演算する検出・演算手段としての検出・演算部、５ｂは、上記演算したインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較する比較手段としての比較部、５ｃは、比較部５ｂにおける比較結果に基づき、上記演算したインピーダンス値が異常か否かを判別する判別手段としての判別部、５ｄは、判別部５ｃによる判別結果特に上記演算したインピーダンス値が異常と判別された場合にその判別結果を文字や絵柄や色等によって表示する、または該表示と併せ、音声による警告などを行うようにした表示部である。検出・演算部５ａ、比較部５ｂ及び判別部５ｃは例えばマイコンなどで構成される。

上記構成において、アナログ電圧信号を出力するためのデジタル電圧信号Ｓ_ＤＶがＤ／Ａコンバータ３に入力されると、該Ｄ／Ａコンバータ３は、該デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデジタル量に対応したアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ１を形成して出力する。該出力されたアナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ１は、電圧信号増幅回路２に入力されて増幅され、アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２とされる。アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２は負荷装置８に入力（印加）される。該アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２によって負荷装置８に流れる電流は、電流検出用抵抗７によってアナログ電流信号Ｓ_ＡＩ１として検出される。該電流検出用抵抗７の両端の電圧のレベルは、負荷装置８を流れる電流のレベルに比例する。電流検出用抵抗７は、低い抵抗値Ｒ_０を有するため、検出されるアナログ電流信号Ｓ_ＡＩ１は低レベル電圧の信号である。該アナログ電流信号Ｓ_ＡＩ１は、電流信号増幅回路６に入力されて増幅され、アナログ電流信号Ｓ_ＡＩ２とされる。該アナログ電流信号Ｓ_ＡＩ２は、さらに、Ａ／Ｄコンバータ４に入力され、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩに変換される。該デジタル電流信号Ｓ_ＤＩと上記デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶは検出・演算部５ａに入力される。検出・演算部５ａでは、該デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶと該デジタル電流信号Ｓ_ＤＩとから、負荷装置８に印加される電圧と、該負荷装置８に流れる電流とを検出し、該検出した電圧の値と電流の値とから該負荷装置８のインピーダンス値を演算する。該演算されたインピーダンス値の情報は、検出・演算部５ａから出力され、比較部５ｂに入力される。比較部５ｂでは、上記演算したインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較するすなわち演算したインピーダンス値に対応する信号のレベルを、予め登録（記憶）されている基準インピーダンス値に対応した信号のレベルと比較する。比較結果の信号は比較部５ｂから出力され、判別部５ｃに入力される。判別部５ｃにおいては、比較部５ｂにおける比較結果に基づき、上記演算されたインピーダンス値が異常か否かを判別する。すなわち、判別部５ｃは、上記演算されたインピーダンス値が上記基準インピーダンス値の設定範囲内にある場合すなわち該基準インピーダンス値の設定された最大値以下、最小値以上の範囲内にある場合には、該演算したインピーダンス値は異常ではないと判別し、該演算されたインピーダンス値が上記基準インピーダンス値の設定範囲を外れる（超える）場合すなわち該基準インピーダンス値の設定された最大値を超えるかまたは該基準インピーダンス値の設定された最小値に達しない場合には、該演算されたインピーダンス値は異常であると判別する。判別部５ｃによる判別の結果、インピーダンス値が異常とされることは、負荷装置８自体が故障等で異常状態となったためにインピーダンス値が異常値となっていること、または、負荷装置８に流れる電流値が、出力配線の断線や短絡等により異常値となっていることを意味する。このため、判別部５ｃによる判別によって、負荷装置８自体の異常と、出力配線の断線や短絡等の異常とが検出されることになる。特に、出力配線の断線や短絡等の異常の場合には、負荷装置８に流れる電流値が通常値から大きく外れる（断線の場合は電流値がゼロ、短絡の場合は電流値が大幅な過大値（短絡電流値）となり、いずれの場合も電流値が通常値から大きく外れる）ため、例えば、判別部５ｃにおいて、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩが予め設定された範囲を外れているか否かを判別することにより、出力配線の異常を、負荷装置８自体の異常と区別して検出することができる。判別結果の情報信号は、判別部５ｃから出力され、表示部５ｄに入力される。表示部５ｄでは、上記判別結果すなわち負荷装置８が異常または正常な状態にあること、出力配線が断線や短絡等を起こして異常状態にあることまたは正常な状態にあることなどを、文字や絵柄や色や点滅等によって表示する。特に、負荷装置８や出力配線が異常状態にあるときは、上記表示と併せて、音声による警告なども行う。
以下、説明中で用いる図１の構成における構成要素には、図１の場合と同じ符号を付して用いる。

図２は、図１のアナログ電圧出力回路１の構成をより詳細に示す図である。図２では、図１における電圧信号増幅回路６を電流検出用抵抗７の入力側に接続されるものと出力側に接続されるものに分けて示す。
図２において、６ａは、電流検出用抵抗７の出力側に接続される電圧信号増幅回路、６ｂは、電流検出用抵抗７の入力側に接続される電圧信号増幅回路、２１〜２４はそれぞれ、抵抗である。抵抗２１の抵抗値はＲ_１、抵抗２２の抵抗値はＲ_２、抵抗２３の抵抗値はＲ_３、抵抗２４の抵抗値はＲ_４であり、Ｒ_１＝Ｒ_４、Ｒ_２＝Ｒ_３であるとする。図２の構成において、電流検出用抵抗７を流れる電流（＝負荷装置８に流れ込む電流）の電流値をＩ_０、電圧信号増幅回路で増幅されたアナログ電流信号Ｓ_ＡＩ２の電圧値をＥ_０とすると、
電流値Ｉ_０は、電流検出用抵抗７の両端の電圧の（１＋Ｒ_４／Ｒ_３）倍の電圧を、該電流検出用抵抗７の抵抗値Ｒ_０で除した値となる。
また、電圧値Ｅ_０は、
Ｅ_０＝（１＋Ｒ_４／Ｒ_３）Ｒ_０・Ｉ_０ （数１）
となる。

例えば、アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２の電圧値Ｅ_１が５Ｖ（デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデータ＝２０００）で、Ｒ_０＝１００Ω、Ｒ_２＝Ｒ_３＝１ｋΩ、Ｒ_１＝Ｒ_４＝２０ｋΩの場合、Ｉ_０＝０．５ｍＡ、Ｅ_０＝１．０５Ｖとなる。これをＡ／Ｄコンバータ４でデジタル電流信号Ｓ_ＤＩに変換する。変換されたデジタル電流信号Ｓ_ＤＩのデータは４２０となる。検出・演算部５ａでは、デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデータ（＝２０００）と、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩのデータ（＝４２０）とから、２０００÷４２０＝４．７６を求め、これを正常値として登録しておく。例えば、負荷装置８の負荷インピーダンス９の値として、１０ｋΩを正常値とし、これが、１０％増大した異常値である１１ｋΩに変化した場合で、アナログ電圧信号Ｓ_ＡＶ２の電圧値Ｅ_１が１０Ｖ（デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデータ＝４０００）となっていた場合には、上記変換されたデジタル電流信号Ｓ_ＤＩのデータは７６３に変化する。検出・演算部５ａでは、デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデータ（＝４０００）と、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩのデータ（＝７６３）とから、４０００÷７６３＝５．２４…を求める。すなわち、検出・演算部５ａでは、デジタル電圧信号Ｓ_ＤＶのデータ情報とデジタル電流信号Ｓ_ＤＩのデータ情報とに基づいて、負荷装置８に印加される電圧と、該負荷装置８に流れる電流とを検出し、該検出した電圧の値と電流の値とから該負荷装置８のインピーダンス値を演算する。比較部５ｂでは、上記求めた値５．２４…が、正常なインピーダンスのときの上記値４．７６から変化していることを検知し、判別部５ｃでは、該検知結果に基づき、負荷インピーダンスの異常を判別する。判別部５ｃではまた、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩが予め設定された範囲を外れているか否かの判別も行う。図１の説明でも述べたように、判別部５ｃにより、インピーダンス値が異常とされることで、負荷装置８自体の異常と、出力配線の異常とが検出されることになり、特に、出力配線の異常は、判別部５ｃにおいて、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩ の値が予め設定された範囲を外れているか否かを判別することで、負荷装置８自体の異常とは区別して検出することができる。

上記本発明の実施例によれば、プログラマブルコントローラ１００において、負荷装置８に接続された出力配線の断線や短絡などの異常の検出と併せ、負荷装置８の故障などの異常の検出を検出することができるようになり、該プログラマブルコントローラ１００を用いて高信頼性の制御システムを構築することができる。

なお、上記実施例では、デジタル電流信号Ｓ_ＤＩ の値が予め設定された範囲を外れているか否かの判別を判別部５ｃで行う構成としたが、この他、該判別は、検出・演算部５ａにおいて行う構成であってもよい。

本発明の実施例としてのプログラマブルコントローラにおけるアナログ電圧出力回路の構成の説明図である。 図１のアナログ電圧出力回路の詳細構成を示す図である。 従来のプログラマブルコントローラにおけるアナログ電流出力回路の構成図である。

符号の説明

１００…プログラマブルコントローラ、
１…アナログ電圧出力回路、
２…電圧信号増幅回路、
３、３'…Ｄ／Ａコンバータ、
４…Ａ／Ｄコンバータ、
５ａ…検出・演算部、
５ｂ…比較部、
５ｃ…判別部、
５ｄ…表示部、
６、６ａ、６ｂ…電流信号増幅回路、
７…電流検出用抵抗、
８、８'…負荷装置、
９、９'…負荷インピーダンス、
１１'…アナログ電流出力回路、
１２'…電流出力駆動回路、
１３'…コンパレータＩＣ、
２１〜２４、３１'〜３４'…抵抗。

Claims (6)

1. 出力配線で接続された負荷をアナログ電圧信号により制御するプログラマブルコントローラであって、
   入力されたデジタル電圧信号をアナログ電圧信号に変換するＤ／Ａコンバータと、
   上記変換されたアナログ電圧信号を増幅する電圧信号増幅回路と、
   上記増幅されたアナログ電圧信号が印加されることによりアナログ電流信号を発生する手段と、
   上記発生したアナログ電流信号を増幅する電流信号増幅回路と、
   上記増幅されたアナログ電流信号をデジタル電流信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
   上記入力されたデジタル電圧信号と、上記Ａ／Ｄコンバータから出力されたデジタル電流信号とを取り込み、該デジタル電圧信号のデータ情報と該デジタル電流信号のデータ情報とから、上記増幅されたアナログ電圧信号により上記負荷に印加される電圧と、該負荷に流れる電流とを検出し、該検出された電圧の値と電流の値とから該負荷のインピーダンス値を演算する手段と、
   上記演算したインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較する手段と、
   上記比較結果に基づき、上記演算したインピーダンス値が異常か否かを判別する手段と、
   上記判別結果を表示する表示部と、
   を備える構成としたことを特徴とするプログラマブルコントローラ。
2. 上記インピーダンス値が異常か否かを判別する手段は、上記演算したインピーダンス値が上記基準インピーダンス値の範囲を超える場合に、該演算したインピーダンス値が異常であると判別する構成である請求項１に記載のプログラマブルコントローラ。
3. 上記インピーダンス値が異常か否かを判別する手段は、上記Ａ／Ｄコンバータから出力されたデジタル電流信号の値により、上記出力配線の断線を上記負荷自体の異常と区別して検出可能な構成である請求項１に記載のプログラマブルコントローラ。
4. 負荷にアナログ電圧信号を出力し該負荷を制御するプログラマブルコントローラであって、
   入力されたデジタル電圧信号をアナログ電圧信号に変換する手段と、
   上記変換されたアナログ電圧信号を基にアナログ電流信号を形成して出力する手段と、
   上記アナログ電流信号をデジタル電流信号に変換する手段と、
   上記入力されたデジタル電圧信号のデータ情報と、上記デジタル電流信号のデータ情報とから、上記負荷に印加される電圧と、該負荷に流れる電流とを検出し、該検出された電圧の値と電流の値とから該負荷のインピーダンス値を演算する手段と、
   上記演算したインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較し、上記演算したインピーダンス値が異常か否かを判別する手段と、
   を備える構成としたことを特徴とするプログラマブルコントローラ。
5. 接続された負荷をアナログ電圧信号により制御するプログラマブルコントローラにおける該負荷または該出力配線の異常を検出する異常検出方法であって、
   入力されたデジタル電圧信号をアナログ電圧信号に変換するステップと、
   上記変換されたアナログ電圧信号を増幅するステップと、
   上記増幅されたアナログ電圧信号に基づきアナログ電流信号を発生するステップと、
   上記アナログ電流信号を増幅するステップと、
   上記増幅されたアナログ電流信号をデジタル電流信号に変換するステップと、
   上記入力されたデジタル電圧信号のデータ情報と、上記デジタル電流信号のデータ情報とから、上記増幅されたアナログ電圧信号により上記負荷に印加される電圧と、該負荷に流れる電流とを検出するステップと、
   上記検出した電圧の値と電流の値とから上記負荷のインピーダンス値を演算するステップと、
   上記演算したインピーダンス値を、予め登録されている基準インピーダンス値と比較するステップと、
   上記比較結果に基づき、上記演算したインピーダンス値が異常か否かを判別するステップと、
   上記判別結果を表示するステップと、
   を備えたことを特徴とするプログラマブルコントローラを用いた異常検出方法。
6. 上記インピーダンス値が異常か否かを判別するステップでは、上記変換されたデジタル電流信号の値により、上記負荷に接続される出力配線の断線を該負荷自体の異常と区別して検出可能な構成である請求項５に記載のプログラマブルコントローラを用いた異常検出方法。

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