JP2019003561A

JP2019003561A - Ｉ／ｏモジュール

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Publication number: JP2019003561A
Application number: JP2017119841A
Authority: JP
Inventors: 貴昭前川; Takaaki Maekawa
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-06-19
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Abstract

【課題】本発明は、構成部品数の増加を抑制できるＩ／Ｏモジュールを提供する。【解決手段】Ｉ／Ｏモジュール１０は、制御部１１と、制御部１１に供給される電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲内であることを監視する監視部２０とを備える。監視部２０は、第１〜第３抵抗体２２ａ〜２２ｃ、コンパレータ２１及び所定時間毎にオンオフされるスイッチ２３を有する。スイッチ２３がオフされる場合のコンパレータ２１の反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎは高圧側閾値ＶｔｈＨとされ、スイッチ２３がオンされる場合の入力電圧Ｖｎは高圧側閾値ＶｔｈＨよりも小さい低圧側閾値ＶｔｈＬとされる。制御部１１は、所定時間よりも長い判定時間に渡ってコンパレータ２１の出力信号Ｖｏｕｔの論理が変化しないと判定した場合、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じている旨診断する。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｉ／Ｏモジュールに関する。

従来、複数の外部機器の間の通信を行うＩ／Ｏモジュールが知られている。以下、Ｉ／Ｏモジュールとして、産業用ロボットに動作指令を出力する安全ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）と、非常停止スイッチとの間の通信を行うものを例にして説明する。

Ｉ／Ｏモジュールは、非常停止スイッチの出力信号を取得し、取得した信号に対応する信号を安全ＰＬＣに出力する制御部を備えている。非常停止スイッチの出力信号に対応する信号が制御部から安全ＰＬＣに入力されると、安全ＰＬＣからロボットに対して動作停止指令が出力される。ここで、制御部は、電源から供給される電源電圧が動作可能電圧範囲内とされることにより、非常停止スイッチ及び安全ＰＬＣの間の通信を可能とする。このため、非常停止スイッチから信号が出力された場合にその信号を安全ＰＬＣに的確に伝えるためには、電源電圧が制御部の動作可能電圧範囲内であることを監視する構成が必要となる。

そこで、Ｉ／Ｏモジュールは、電源から制御部に供給される電源電圧が動作可能電圧範囲内であることを監視する監視部を備えている。監視部としては、例えば、電源電圧が動作可能電圧範囲内であることを監視するためのコンパレータが複数（例えば２つ）備えられる構成が考えられる（特許文献１参照）。この構成によれば、一方のコンパレータに異常が生じた場合であっても、他方のコンパレータで電源電圧を監視できる。ここで、監視部の異常が生じた場合、電源電圧を監視することができなくなる。このため、Ｉ／Ｏモジュールに対する機能安全として、監視部の異常の有無を監視する第２監視部がＩ／Ｏモジュールに設けられる構成が考えられる。

特開２０１１−７８１６５号公報

近年、Ｉ／Ｏモジュールの小型化が要求されている。これに対し、監視部とともに、監視部の異常の有無を監視する第２監視部がＩ／Ｏモジュールに備えられると、Ｉ／Ｏモジュールの体格が増大するといった問題が生じ得る。例えば、上記コンパレータが複数備えられる構成が用いられる場合、第２監視部がコンパレータ毎に設けられることとなるため、構成部品数の増加が顕著となり、Ｉ／Ｏモジュールの体格の増大が顕著になり得る。なお、安全ＰＬＣと非常停止スイッチとの間の通信を行うＩ／Ｏモジュールに限らず、複数の外部機器の間の通信を行うＩ／Ｏモジュールであれば、上述した問題は同様に生じ得る。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、構成部品数の増加を抑制できるＩ／Ｏモジュールを提供することを主たる目的とする。

第１の発明は、電源から供給される電源電圧が動作可能電圧範囲内とされることにより第１の外部機器及び第２の外部機器の間の通信を可能とする制御部と、前記電源電圧が前記動作可能電圧範囲内であることを監視する監視部と、を備える。前記監視部は、一端がグランドに接続され、他端が定電圧電源に接続された３つ以上の抵抗体の直列接続体と、反転入力端子及び非反転入力端子のうち一方を監視用端子とし、他方を閾値用端子とする場合において、前記各抵抗体のうち隣り合ういずれか２つの抵抗体の接続点の電圧が前記閾値用端子に入力され、前記電源電圧が前記監視用端子に入力されるコンパレータと、前記抵抗体の直列接続体において隣り合う２つの抵抗体の接続点のうち前記閾値用端子が接続された接続点よりも前記グランド側の接続点と、前記グランドとを接続する電気経路、又は前記抵抗体の直列接続体において隣り合う２つの抵抗体の接続点のうち前記閾値用端子が接続された接続点よりも前記グランド側の２つの接続点を接続する電気経路のいずれかである接続経路と、前記接続経路に設けられ、所定時間毎にオンオフされるスイッチと、を有する。前記スイッチがオフされる場合における前記閾値用端子の入力電圧は、前記動作可能電圧範囲の上限値である高圧側閾値とされ、前記スイッチがオンされる場合における前記閾値用端子の入力電圧は、前記動作可能電圧範囲の下限値である低圧側閾値とされる。前記制御部は、前記所定時間よりも長い時間である判定時間に渡って前記コンパレータの出力信号の論理が変化しないと判定した場合、前記電源電圧が前記動作可能電圧範囲から外れる異常、又は前記監視部の異常が生じている旨診断する診断部を有する。

第１の発明の監視部は、電源から制御部に供給される電源電圧を監視対象とする。監視部は、３つ以上の抵抗体の直列接続体と、監視用端子及び閾値用端子を有するコンパレータと、接続経路と、スイッチとを備えている。監視用端子は、例えばコンパレータの非反転入力端子（＋端子）であり、閾値用端子は、例えばコンパレータの反転入力端子（−端子）である。

スイッチがオフされる場合、各抵抗体によって分圧された定電圧電源の出力電圧が閾値用端子に入力される。この場合における閾値用端子の入力電圧は、制御部の動作可能電圧範囲の上限値である高圧側閾値とされる。一方、スイッチがオンされる場合、抵抗体の直列接続体において隣接する２つの抵抗体の接続点のうち閾値用端子が接続された接続点よりもグランド側の接続点と、グランドとが接続経路を介して短絡される。又は、スイッチがオンされる場合、抵抗体の直列接続体において隣接する２つの抵抗体の接続点のうち閾値用端子が接続された接続点よりもグランド側の２つの接続点が接続経路を介して短絡される。短絡された場合における閾値用端子の入力電圧は、スイッチがオフされている場合の入力電圧よりも低下し、動作可能電圧範囲の下限値である低圧側閾値とされる。スイッチが所定時間毎にオンオフされるため、閾値用端子の入力電圧は、所定時間毎に低圧側閾値と高圧側閾値とに切り替えられる。

電源から制御部に供給される電源電圧が動作可能電圧範囲内とされている場合、コンパレータの閾値用端子の入力電圧が低圧側閾値及び高圧側閾値の一方から他方に切り替えられると、その切り替えに伴ってコンパレータの出力信号の論理が反転する。このため、電源電圧が動作可能電圧範囲内とされている場合、コンパレータの出力信号の論理が所定時間毎に反転する。これに対し、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れている場合、閾値用端子の入力電圧が低圧側閾値及び高圧側閾値の一方から他方に切り替えられたとしても、その切り替えに伴ってコンパレータの出力信号の論理は反転しない。したがって、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れている異常が生じている場合、スイッチのオンオフ切り替え周期である所定時間よりも長い時間に渡ってコンパレータの出力信号の論理が変化しない。

電源電圧が動作可能電圧範囲内とされている場合であっても、監視部の異常が生じていると、スイッチのオンオフ切り替え周期である所定時間よりも長い時間に渡ってコンパレータの出力信号の論理が変化しなくなる。監視部の異常には、例えば、スイッチの駆動状態を切り替えることができなくなる異常（オン固着やオフ固着）が含まれる。

以上説明したように、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部の異常が生じている場合、所定時間よりも長い時間に渡ってコンパレータの出力信号の論理が変化しなくなる。この点に鑑み、第１の発明の診断部は、所定時間よりも長い時間である判定時間に渡ってコンパレータの出力信号の論理が変化しないと判定した場合、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部の異常が生じている旨診断する。第１の発明によれば、監視対象に対して１つのコンパレータが備えられる簡易な構成により、電源電圧及び監視部の双方を異常診断対象とすることができる。これにより、監視対象に対して複数のコンパレータが備えられる構成と比較して、構成部品数の増加を抑制することができる。

第２の発明では、前記コンパレータは、前記スイッチと、前記スイッチを前記所定時間毎にオンオフするための駆動信号を前記スイッチに対して出力する駆動部とを内蔵するモールドＩＣとして構成されている。

Ｉ／Ｏモジュール内に入り込んだ埃等の異物がスイッチやスイッチの駆動信号を出力する駆動部に付着すると、スイッチが誤動作し得る。また、スイッチをオンオフするための駆動信号にノイズが重畳すると、スイッチが誤作動し得る。スイッチの誤動作が発生すると、例えば電源電圧及び監視部の異常が実際には生じていないにもかかわらずコンパレータの出力信号の論理が判定時間に渡って変化しなくなり、電源電圧又は監視部の異常を適正に診断できなくなるおそれがある。

この点、第２の発明では、スイッチと駆動部とがモールド樹脂で封止されているため、Ｉ／Ｏモジュール内に異物が入り込みにくくされている。これにより、異物がスイッチ及び駆動部に付着することを防止でき、スイッチの誤動作を防止できる。さらに、第２の発明では、スイッチと駆動部とがコンパレータに内蔵されているため、例えば駆動部がコンパレータの外部に設けられている構成と比較して、スイッチと駆動部とを近づけて配置できる。これにより、駆動信号にノイズが重畳しにくくなり、スイッチの誤動作を防止できる。誤動作を防止できる第２の発明によれば、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常と監視部の異常とを適正に診断できなくなることを防止できる。

第３の発明では、前記第１の外部機器は、制御対象機器の動作指令を出力するプログラマブルロジックコントローラであり、前記第２の外部機器は、前記制御対象機器を非常停止させる非常停止信号を出力する安全機器であり、前記制御部は、前記コンパレータの出力信号の論理反転タイミングを基準タイミングとして取得し、取得した前記基準タイミングを起算タイミングとして前記出力信号の論理が継続して変化しない時間を計時する計時部を有し、前記診断部は、前記計時部により計時された時間が前記判定時間に到達したと判定した場合に前記異常が生じている旨診断し、前記制御部は、前記異常が生じていることを前記診断部が診断した場合、前記プログラマブルロジックコントローラ及び前記安全機器の間の通信を遮断し、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記安全機器から出力された前記非常停止信号が前記制御部を介して入力されたと判定した場合と、前記プログラマブルロジックコントローラ及び前記安全機器の間の通信が前記制御部によって遮断されたと判定した場合とのそれぞれにおいて、前記制御対象機器の動作停止指令を出力する。前記制御部は、前記基準タイミングから前記所定時間経過するまでの間に前記出力信号の論理が一時的に反転したことを判定する反転判定部と、前記反転判定部により一時的に反転したと判定された場合、前記出力信号の一時的な論理反転期間が、前記所定時間よりも短い時間であるフィルタ時間以下であると判定したとき、前記出力信号の一時的な論理反転期間の開始タイミング及び終了タイミングのそれぞれが、前記計時部における計時の起算タイミングとして用いられないようにするフィルタ部と、を有する。

第３の発明では、プログラマブルロジックコントローラは、安全機器から出力された非常停止信号が制御部を介して自身に入力されたと判定した場合、産業用ロボット等の制御対象機器の動作停止指令を出力する。これにより、制御対象機器周辺で作業する作業者の安全の確保を図っている。ここで、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常が生じている場合、安全機器から制御部を介して制御対象機器に非常停止信号を伝達することができなくなり得る。そこで、第３の発明では、制御部は、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常又は監視部の異常が生じていることを診断部が診断した場合、プログラマブルロジックコントローラ及び安全機器の間の通信を遮断する。プログラマブルロジックコントローラは、自身及び安全機器の間の通信が制御部によって遮断されたと判定した場合、制御対象機器の動作停止指令を出力する。これにより、作業者の安全の確保を図っている。

第３の発明では、計時部は、コンパレータの出力信号の論理反転タイミングを基準タイミングとして取得し、取得した基準タイミングを起算タイミングとして出力信号の論理が継続して変化しない時間を計時する。診断部は、計時部により計時された時間が判定時間に到達したと判定した場合に、電源電圧が動作可能電圧範囲から外れる異常又は監視部の異常が生じている旨診断する。

スイッチがオンされて閾値用端子の入力電圧が低圧側閾値にされている期間中に、制御部に供給される実際の電源電圧が動作可能電圧範囲の上限値を超え得る。入力電圧が低圧側閾値にされている期間中においては、監視用端子に入力される電源電圧が上限値に対応する高圧側閾値を超えたとしても、コンパレータの出力信号の論理は反転しない。このため、入力電圧が低圧側閾値にされている期間中に実際の電源電圧が上限値を超える異常が生じた場合には、この異常が生じる前に取得された基準タイミングから判定時間経過したタイミングにおいて、異常が生じた旨診断されることとなる。

ここで、入力電圧が低圧側閾値にされている期間中において、制御部に供給される実際の電源電圧が上限値を超えた後に、監視用端子に入力される電源電圧に一時的にノイズが重畳し得る。この場合、入力電圧が低圧側閾値にされている期間中に、制御部に供給される実際の電源電圧が上限値を超えているにもかかわらず、監視用端子に入力される電源電圧が低圧側閾値を一時的に下回る事態が発生し得る。電源電圧が低圧側閾値を下回るタイミングにおいて出力信号の論理が反転するため、この論理反転タイミングが新たな基準タイミングとして取得される。その後、電源電圧が低圧側閾値を超えるタイミングにおいて出力信号の論理が再度反転するため、この論理反転タイミングが新たな基準タイミングとして取得される。新たな基準タイミングを起算タイミングとして計時部による計時が再度開始されることになるため、計時部により計時された時間が判定時間に到達するタイミングが遅延してしまう。その結果、実際の電源電圧が上限値を超えてから異常が生じている旨診断されるまでの時間が長くなり、プログラマブルロジックコントローラ及び安全機器の間の通信が制御部により遮断されるタイミングが遅延する。これにより、プログラマブルロジックコントローラから制御対象機器への動作停止指令の出力タイミングが遅延してしまう。このことは、制御対象機器周辺で作業する作業者の安全を確保する観点から好ましくない。

そこで、第３の発明では、反転判定部は、基準タイミングから所定時間経過するまでの間に出力信号の論理が一時的に反転したことを判定する。反転判定部により論理が一時的に反転したと判定された場合、フィルタ部は、出力信号の一時的な論理反転期間が、所定時間よりも短い時間であるフィルタ時間以下であると判定したとき、出力信号の一時的な論理反転期間の開始タイミング及び終了タイミングのそれぞれが、計時部における計時の起算タイミングとして用いられないようにする。第３の発明によれば、電源電圧が動作可能電圧範囲の下限値を一時的に下回る前に取得された基準タイミングを計時の起算タイミングとして用いることができる。このため、電源電圧が動作可能電圧範囲の上限値を超える異常が発生してから、異常が生じている旨診断されるまでの時間が長くなることを防止でき、プログラマブルロジックコントローラ及び安全機器の間の通信の遮断タイミングが遅延することを防止できる。これにより、プログラマブルロジックコントローラから制御対象機器への動作停止指令の出力タイミングが遅延することを防止でき、ひいては制御対象機器周辺で作業する作業者の安全を確保することができる。

なお、第３の発明によれば、閾値用端子の入力電圧が高圧側閾値にされている期間中において、実際の電源電圧が動作電圧可能範囲の下限値を下回った後、ノイズの重畳によって監視用端子に入力される電源電圧が高圧側閾値を一時的に超える場合においても、通信の遮断タイミングの遅延を防止できる。

第１実施形態に係るシステムの全体構成を示す図。異常診断処理の手順を示すフローチャート。電源電圧及びコンパレータそれぞれの状態と診断信号との関係を示す図。電源電圧が高圧側閾値を超える場合の異常診断態様の一例を示すタイムチャート。電源電圧が低圧側閾値を下回る場合の異常診断態様の一例を示すタイムチャート。第２実施形態に係るシステムの全体構成を示す図。第３実施形態に係る制御部の機能を示す図。電源電圧が高圧側閾値を超える場合の異常診断態様の一例を示すタイムチャート。電源電圧が低圧側閾値を下回る場合の異常診断態様の一例を示すタイムチャート。その他の実施形態に係るシステムの全体構成を示す図。その他の実施形態に係るシステムの全体構成を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明のＩ／Ｏモジュールを具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係るＩ／Ｏモジュールは、機械組立工場などの組立システムで用いられる産業用ロボットシステムを構成する。

ロボットシステムは、図１に示すように、Ｉ／Ｏモジュール１０、安全ＰＬＣ１００、安全機器としての非常停止スイッチ１１０、コントローラ１２０及びロボット１３０を備えている。なお、本実施形態において、安全ＰＬＣ１００が第１の外部機器に相当し、非常停止スイッチ１１０が第２の外部機器に相当する。

安全ＰＬＣ１００は、コントローラ１２０とケーブルで接続され、コントローラ１２０は、ロボット１３０とケーブルで接続されている。安全ＰＬＣ１００は、コントローラ１２０に対してロボット１３０の動作指令を出力する。コントローラ１２０は、安全ＰＬＣ１００から入力された動作指令に基づいて、ロボット１３０の動作を制御する。なお、ロボット１３０としては、例えば、６軸の垂直多関節型ロボットや、水平多関節型ロボットを用いることができる。なお、安全ＰＬＣ１００には、図示しない上位のコントローラも接続されている。

Ｉ／Ｏモジュール１０には、安全ＰＬＣ１００と非常停止スイッチ１１０とがＬＡＮ等の通信線によって接続されている。つまり、本実施形態では、Ｉ／Ｏモジュール１０として、安全ＰＬＣ１００と非常停止スイッチ１１０との間の通信を行うリモートＩ／Ｏを用いている。作業者によって非常停止スイッチ１１０が押されている場合、非常停止スイッチ１１０からロボット１３０を非常停止させる非常停止信号が出力される。一方、作業者によって非常停止スイッチ１１０が押されていない場合、非常停止スイッチ１１０から非常停止信号が出力されない。

Ｉ／Ｏモジュール１０は、制御部１１、定電圧電源１２、電源回路１３及び監視部２０を備えている。制御部１１は、マイコンを主体として構成されている。制御部１１は、非常停止スイッチ１１０から出力された非常停止信号を取得し、取得した非常停止信号を安全ＰＬＣ１００に出力する通信処理を行う。

電源回路１３の入力側には、定電圧電源１２が接続され、電源回路１３の出力側には、給電経路１４を介して制御部１１の第１端子Ｃ１が接続されている。電源回路１３は、定電圧電源１２の出力電圧（例えば２４Ｖ）を降圧し、降圧した電圧を電源電圧Ｖｐ（例えば３．３Ｖ）として制御部１１に供給する。制御部１１は、電源電圧Ｖｐが制御部１１の動作可能電圧範囲内とされることにより安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信を可能とする。安全ＰＬＣ１００は、非常停止スイッチ１１０から出力された非常停止信号が制御部１１を介して入力されたと判定した場合と、安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信が制御部１１によって遮断されたと判定した場合とのそれぞれにおいて、ロボット１３０の動作停止指令をコントローラ１２０に対して出力する。コントローラ１２０は、動作停止指令が入力されたと判定した場合、ロボット１３０の動作を停止させる。

監視部２０は、コンパレータ２１と、第１〜第３抵抗体２２ａ〜２２ｃの直列接続体とを備えている。第１抵抗体２２ａの第１端には、定電圧電源１２が接続され、第１抵抗体２２ａの第２端には、第２抵抗体２２ｂ及び第３抵抗体２２ｃを介してグランドＧＮＤに接続されている。コンパレータ２１の非反転入力端子２１ｐには、第１配線１５を介して給電経路１４が接続されている。これにより、非反転入力端子２１ｐには電源電圧Ｖｐが入力される。コンパレータ２１の反転入力端子２１ｎには、第２配線１６を介して、第１抵抗体２２ａと第２抵抗体２２ｂとの接続点が接続されている。本実施形態では、非反転入力端子２１ｐが監視用端子に相当し、反転入力端子２１ｎが閾値用端子に相当する。

コンパレータ２１は、スイッチ２３と、駆動部２４とを内蔵するモールドＩＣである。モールドＩＣは、スイッチ２３及び駆動部２４をモールド樹脂で封止して構成されている。スイッチ２３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。駆動部２４は、スイッチ２３のゲートに対して駆動信号を出力する。これにより、スイッチ２３は、所定時間ＴＬ毎にオンオフされる。スイッチ２３の第１端には、コンパレータ２１の端子であるテスト端子２２ｔが接続され、スイッチ２３の第２端にはグランドＧＮＤが接続されている。テスト端子２２ｔには、第３配線１７を介して、第２抵抗体２２ｂと第３抵抗体２２ｃとの接続点が接続されている。

本実施形態では、スイッチ２３がオフされる場合における反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎが、動作可能電圧範囲の上限値（例えば５Ｖ）と同じ値である高圧側閾値ＶｔｈＨとなるように、各抵抗体２２ａ〜２２ｃの抵抗値が設定されている。また、スイッチ２３がオンされる場合における反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎが、動作可能電圧範囲の下限値と同じ値である低圧側閾値ＶｔｈＬ（例えば１Ｖ）となるように、第１，第２抵抗体２２ａ，２２ｂの抵抗値が設定されている。なお、本実施形態において、第２，第３抵抗体２２ｂ，２２ｃの接続点から、第３配線１７、テスト端子２２ｔ及びスイッチ２３を介してグランドＧＮＤに至る経路が接続経路に相当する。

コンパレータ２１の出力信号である診断信号Ｖｏｕｔは、信号線１８と制御部１１の第２端子とを介して制御部１１に入力される。制御部１１は、診断信号Ｖｏｕｔに基づいて、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じているか否かを診断する異常診断処理を行う。図２に、異常診断処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０では、今回の処理周期において、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬからＨに切り替わったか、又はＨからＬに切り替わったかを判定する。この処理は、診断信号Ｖｏｕｔの論理反転タイミングを基準タイミングとして取得し、取得した基準タイミングを計時の起算タイミングとして用いるための処理である。

ステップＳ１０において切り替わったと判定した場合には、ステップＳ１１に進み、診断信号Ｖｏｕｔの論理が切り替わったと判定されてからの経過時間Ｔｊを０にリセットし、経過時間Ｔｊの計時を開始する。一方、ステップＳ１０において今回の処理周期において切り替わらないと判定した場合には、ステップＳ１２に進み、経過時間Ｔｊの計時を継続する。

ステップＳ１１又はステップＳ１２の処理の完了後、ステップＳ１３に進み、経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨに到達したか否かを判定する。本実施形態において、判定時間ＴＨは、スイッチ２３のオンオフ切り替え周期である所定時間ＴＬよりも長くて、かつ、所定時間ＴＬを２倍した時間よりも短い時間に設定されている。具体的には、例えば、判定時間ＴＨは、所定時間ＴＬよりも長くて、かつ、所定時間ＴＬを１．５倍した時間よりも短い時間に設定されればよい。ステップＳ１３の処理は、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じているか否かを判定するための処理である。

スイッチ２３が所定時間ＴＬ毎にオンオフされるため、反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎは、低圧側閾値ＶｔｈＬと高圧側閾値ＶｔｈＨとに所定時間ＴＬ毎に切り替えられる。このため、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲内であるとともに、監視部２０の異常が生じていない場合、図３に示すように、診断信号Ｖｏｕｔの論理は所定時間ＴＬ毎に反転する。

これに対し、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲の上限値を超える高圧異常が生じている場合、又は監視部２０の異常として診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに固着する異常が生じている場合には、反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎが低圧側閾値ＶｔｈＬ及び高圧側閾値ＶｔｈＨの一方から他方に切り替えられたとしても、診断信号Ｖｏｕｔの論理はＨに固着したままである。診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに固着する異常には、スイッチ２３のオープン異常、及びコンパレータ２１の出力端子とコンパレータ２１の電源とがショートする異常の少なくとも一方が含まれる。

一方、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲の下限値を下回る低圧異常が生じている場合、又は監視部２０の異常として診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬに固着する異常が生じている場合には、反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎが低圧側閾値ＶｔｈＬ及び高圧側閾値ＶｔｈＨの一方から他方に切り替えられたとしても、診断信号Ｖｏｕｔの論理はＬに固着したままである。診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに固着する異常には、スイッチ２３のショート異常、及びコンパレータ２１の出力端子とグランドＧＮＤとがショートする異常の少なくとも一方が含まれる。

したがって、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常が生じている場合、又は監視部２０の異常が生じている場合、スイッチ２３のオンオフ切り替え周期である所定時間ＴＬよりも長い時間に渡って診断信号Ｖｏｕｔの論理が変化しないこととなる。この点に鑑み、ステップＳ１３の処理が設けられている。

ステップＳ１３において経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨに到達していると判定した場合には、ステップＳ１４に進み、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じていると判定する。そして、安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信を遮断する。これにより、安全ＰＬＣ１００は、自身及び非常停止スイッチ１１０の間の通信が制御部１１によって遮断されたと判定し、ロボット１３０の動作停止指令をコントローラ１２０に対して出力する。その結果、ロボット１３０の動作が停止される。

図４を用いて、監視部２０に異常が生じていない場合において、電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを超えるときの異常診断について説明する。図４（ａ），（ｂ）は電源電圧Ｖｐ，入力電圧Ｖｎの推移を示し、図４（ｃ）はスイッチ２３の駆動状態の推移を示し、図４（ｄ）は診断信号Ｖｏｕｔの推移を示す。

時刻ｔ１よりも前の期間においては、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲内とされている。このため、スイッチ２３のオンオフ周期である所定時間ＴＬ毎に、診断信号Ｖｏｕｔの論理が反転する。

時刻ｔ１においてスイッチ２３がオンに切り替えられて診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに反転した後、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲の上限値である高圧側閾値ＶｔｈＨを超える高圧異常が発生する。このため、時刻ｔ１から所定時間ＴＬ経過する時刻ｔ２までの期間に渡って診断信号Ｖｏｕｔの論理は反転せずにＨのままとされる。これにより、時刻ｔ１を基準タイミングとして、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨのままとされる経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨになると時刻ｔ２において判定される。その結果、制御部１１により異常が生じている旨診断される。

続いて、図５を用いて、電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを下回る場合の異常診断について説明する。なお、図５（ａ）〜図５（ｄ）は先の図４（ａ）〜図４（ｄ）に対応している。

時刻ｔ１においてスイッチ２３がオンに切り替えられて診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに反転した後、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲の下限値である低圧側閾値ＶｔｈＬを下回る低圧異常が時刻ｔ２において発生する。このため、時刻ｔ２において診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬに反転する。時刻ｔ２を基準タイミングとして、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬのままとされる経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨとなる時刻ｔ３において、制御部１１により異常が生じている旨診断される。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

監視部２０は、第１〜第３抵抗体２２ａ〜２２ｃの直列接続体と、コンパレータ２１と、スイッチ２３とを備えている。第１〜第３抵抗体２２ａ〜２２ｃの直列接続体の一端はグランドＧＮＤに接続され、他端は定電圧電源１２に接続されている。コンパレータ２１の非反転入力端子２１ｐには第１配線１５及び給電経路１４を介して電源回路１３が接続され、反転入力端子２１ｎには第１，第２抵抗体２２ａ，２２ｂの接続点が接続されている。第２，第３抵抗体２２ｂ，２２ｃの接続点には、第３配線１７、テスト端子２２ｔ及びスイッチ２３を介してグランドＧＮＤが接続されている。この構成において、制御部１１は、コンパレータ２１の出力信号である診断信号Ｖｏｕｔの論理が継続して変化しない時間が判定時間ＴＨに到達したと判定した場合、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じている旨診断する。この構成によれば、監視対象に対して１つのコンパレータが備えられる簡易な構成により、電源電圧Ｖｐ及び監視部２０の双方を異常診断対象とすることができる。これにより、監視対象に対して２つのコンパレータが備えられる構成と比較して、Ｉ／Ｏモジュール１０の構成部品数の増加を抑制することができる。

コンパレータ２１は、スイッチ２３と、スイッチ２３を所定時間ＴＬ毎にオンオフするための駆動信号をスイッチ２３に対して出力する駆動部２４とを内蔵するモールドＩＣとして構成されている。このため、工場においてＩ／Ｏモジュール１０内に埃等の異物が入り込むことを防止できる。これにより、異物がスイッチ２３及び駆動部２４に付着することを防止でき、スイッチ２３及び駆動部２４の誤動作を防止できる。さらに、スイッチ２３と駆動部２４とがコンパレータ２１に内蔵されているため、スイッチ２３と駆動部２４とを近づけて配置できる。これにより、駆動信号にノイズが重畳しにくくなり、スイッチ２３の誤動作を防止できる。スイッチ２３の誤動作を防止できる本実施形態によれば、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常と監視部２０の異常とを診断できなくなることを的確に防止できる。

制御部１１ではなく駆動部２４がスイッチ２３をオンオフするようにした。このため、制御部１１として処理能力の高いものを用いることができない場合であっても、スイッチ２３のオンオフ処理の負荷を駆動部２４に担わせることができる。これにより、制御部１１は、異常が生じたと診断した場合に安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信を速やかに遮断でき、作業者の安全を確保することができる。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図６に示すように、反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎを切り替えるためにオンオフされるスイッチ２５が、コンパレータ２１ではなく制御部１１に内蔵されている。なお、図６において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

第２抵抗体２２ｂと第３抵抗体２２ｃとの接続点には、第３配線１７を介して制御部１１の第３端子Ｃ３が接続されている。第３端子Ｃ３には、スイッチ２５を介してグランドＧＮＤが接続されている。スイッチ２５は、制御部１１により所定時間ＴＬ毎にオンオフされる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に準じた効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。図７に、本実施形態の制御部１１を示す。制御部１１は、計時部１１ａ、診断部１１ｂ、反転判定部１１ｃ及びフィルタ部１１ｄを備えている。計時部１１ａは、先の図２のステップＳ１０，Ｓ１１で説明したように、診断信号Ｖｏｕｔの論理反転タイミングを基準タイミングとして取得し、取得した基準タイミングを起算タイミングとして診断信号Ｖｏｕｔの論理が変化しない時間を経過時間Ｔｊとして計時する。診断部１１ｂは、先の図２のステップＳ１３，Ｓ１４で説明したように、計時された経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨに到達したと判定した場合、電源電圧Ｖｐが動作可能電圧範囲から外れる異常、又は監視部２０の異常が生じている旨診断する。

反転判定部１１ｃは、取得された基準タイミングから所定時間ＴＬ経過するまでの間に診断信号Ｖｏｕｔの論理が一時的に反転するか否かを判定する。反転判定部１１ｃが一時的に反転したと判定した場合、フィルタ部１１ｄは、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間が、所定時間ＴＬよりも短い時間であるフィルタ時間Ｔｆ以下であると判定したとき、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間の開始タイミング及び終了タイミングのそれぞれが、計時部１１ａにおける計時の起算タイミングとして用いられないようにする。フィルタ時間Ｔｆは、例えば、所定時間ＴＬの１／２以下の時間に設定されればよい。反転判定部１１ｃ及びフィルタ部１１ｄは、高圧異常又は低圧異常が生じた後に電源電圧Ｖｐに一時的にノイズが重畳する場合において、異常が生じている旨の診断タイミングが遅延することを防止するために設けられている。

図８を用いて、高圧異常が生じた後、電源電圧Ｖｐにノイズが重畳する場合について説明する。図８に示す例では、監視部２０に異常が生じていないこととする。なお、図８（ａ）〜図８（ｄ）は、先の図４（ａ）〜図４（ｄ）に対応している。

まず、比較例について説明する。比較例は、本実施形態から反転判定部１１ｃ及びフィルタ部１１ｄを除いた構成のことである。時刻ｔ１において、スイッチ２３がオンに切り替えられることにより、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに反転する。このため、時刻ｔ１が経過時間Ｔｊの起算タイミングとなる基準タイミングとして取得される。時刻ｔ１〜ｔ４において、スイッチ２３がオンされて反転入力端子２１ｎの入力電圧Ｖｎが低圧側閾値ＶｔｈＬにされている。時刻ｔ１の後、電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを超える高圧異常が生じる。その後時刻ｔ２〜ｔ３において、高圧異常が生じているにもかかわらず、電源電圧Ｖｐに一時的にノイズが重畳し、電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを一時的に下回ってしまう。時刻ｔ２において電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを下回るため、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬに反転する。その結果、時刻ｔ２が新たな基準タイミングとして取得される。その後、電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを超える時刻ｔ３において、診断信号Ｖｏｕｔの論理が再度Ｈに反転する。その結果、時刻ｔ３が新たな基準タイミングとして取得される。新たな基準タイミングである時刻ｔ３から計時部１１ａにより計時が再度開始されることになるため、計時部１１ａにより計時された経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨに到達すると診断部１１ｂにより判定されるタイミングが、時刻ｔ５ではなく、時刻ｔ６まで遅延する。この遅延時間ｔ５〜ｔ６は、時刻ｔ１〜ｔ３の期間と同じ期間である。診断部１１ｂによる判定タイミングが遅延することにより、安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信が制御部１１により遮断されるタイミングが遅延する。その結果、安全ＰＬＣ１００からロボット１３０への動作停止指令の出力タイミングが遅延してしまう。

そこで、本実施形態は、反転判定部１１ｃ及びフィルタ部１１ｄを備えている。診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに反転する時刻ｔ１が基準タイミングとして取得された後、反転判定部１１ｃにより、時刻ｔ１から所定時間ＴＬ経過する時刻ｔ４までの間に、診断信号Ｖｏｕｔの論理が時刻ｔ２〜ｔ３において一時的にＬに反転したと判定される。反転判定部１１ｃにより一時的に反転したと判定された場合、フィルタ部１１ｄにより、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間（ｔ２〜ｔ３）が、所定時間ＴＬよりも短いフィルタ時間Ｔｆ以下であると判定される。これにより、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間の開始タイミングである時刻ｔ２及び終了タイミングである時刻ｔ３のそれぞれが、計時部１１ａにおける計時の起算タイミングとして用いられなくなる。その結果、電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを一時的に下回る時刻ｔ２の前に取得された基準タイミングｔ１を計時の起算タイミングとして用いることができる。その結果、時刻ｔ１から判定時間ＴＨが経過する時刻ｔ５において異常が生じている旨診断できる。

図９を用いて、低圧異常が生じた後、電源電圧Ｖｐにノイズが重畳する場合について説明する。図９に示す例では、監視部２０に異常が生じていないこととする。なお、図９（ａ）〜図９（ｄ）は、先の図８（ａ）〜図８（ｄ）に対応している。

まず、比較例について説明する。時刻ｔ１において、スイッチ２３がオフに切り替えられることにより、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬに反転する。このため、時刻ｔ１が経過時間Ｔｊの起算タイミングとなる基準タイミングとして取得される。時刻ｔ１〜ｔ４において、スイッチ２３がオフされて入力電圧Ｖｎが高圧側閾値ＶｔｈＨにされている。時刻ｔ１の後、電源電圧Ｖｐが低圧側閾値ＶｔｈＬを下回る低圧異常が生じる。その後時刻ｔ２〜ｔ３において、低圧異常が生じているにもかかわらず、電源電圧Ｖｐに一時的にノイズが重畳し、電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを一時的に超えてしまう。時刻ｔ２において電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを超えるため、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＨに反転する。その結果、時刻ｔ２が新たな基準タイミングとして取得される。その後、電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを下回る時刻ｔ３において、診断信号Ｖｏｕｔの論理が再度Ｌに反転する。その結果、時刻ｔ３が新たな基準タイミングとして取得される。新たな基準タイミングである時刻ｔ３から計時部１１ａにより計時が再度開始されることになるため、計時部１１ａにより計時された経過時間Ｔｊが判定時間ＴＨに到達すると診断部１１ｂにより判定されるタイミングが、時刻ｔ５ではなく、時刻ｔ６まで遅延する。この遅延時間ｔ５〜ｔ６は、時刻ｔ１〜ｔ３の期間と同じ期間である。診断部１１ｂによる判定タイミングが遅延することにより、安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信が制御部１１により遮断されるタイミングが遅延する。その結果、安全ＰＬＣ１００からロボット１３０への動作停止指令の出力タイミングが遅延してしまう。

そこで、本実施形態では、診断信号Ｖｏｕｔの論理がＬに反転する時刻ｔ１が基準タイミングとして取得された後、反転判定部１１ｃにより、時刻ｔ１から所定時間ＴＬ経過する時刻ｔ４までの間に、診断信号Ｖｏｕｔの論理が時刻ｔ２〜ｔ３において一時的にＨに反転したと判定される。反転判定部１１ｃにより一時的にＨに反転したと判定された場合、フィルタ部１１ｄにより、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間（ｔ２〜ｔ３）がフィルタ時間Ｔｆ以下であると判定される。これにより、診断信号Ｖｏｕｔの一時的な論理反転期間の開始タイミングである時刻ｔ２及び終了タイミングである時刻ｔ３のそれぞれが、計時部１１ａにおける計時の起算タイミングとして用いられなくなる。その結果、電源電圧Ｖｐが高圧側閾値ＶｔｈＨを一時的に超える時刻ｔ２の前に取得された基準タイミングｔ１を計時の起算タイミングとして用いることができる。その結果、時刻ｔ１から判定時間ＴＨが経過する時刻ｔ５において異常が生じている旨診断することができる。

以上説明した本実施形態によれば、異常が生じている旨の診断タイミングが遅延することを防止できるため、制御部１１による安全ＰＬＣ１００及び非常停止スイッチ１１０の間の通信の遮断タイミングが遅延することを防止できる。これにより、安全ＰＬＣ１００からコントローラ１２０への動作停止指令の出力タイミングが遅延することを防止でき、ひいてはロボット１３０周辺で作業する作業者の安全を確保できる。

＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態を以下のように変更して、実施することもできる。

・図１０に示すように、Ｉ／Ｏモジュール１０内において、スイッチ２６がコンパレータ２１及び制御部１１の外部に設けられていてもよい。図１０において、先の図６に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。第３抵抗体２２ｃの第１端には接続経路に相当する第４配線１９の第１端が接続され、第３抵抗体２２ｃの第２端には第４配線１９の第２端が接続されている。第４配線１９にはスイッチ２６が設けられている。図１０には、スイッチ２６が制御部によりオンオフされる例を示したがこれに限らず、Ｉ／Ｏモジュール１０内において制御部１１以外の処理部によりスイッチ２６がオンオフされる構成であってもよい。

・監視部２０の備える抵抗体の数としては、３つに限らず、４つ以上であってもよい。図１１には、監視部２０が、４つの抵抗体である第１〜第４抵抗体２２ａ〜２２ｄの直列接続体を備える例を示す。図１１において、先の図６に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

・非反転入力端子２１ｐが第１抵抗体２２ａと第２抵抗体２２ｂとの接続点に接続され、反転入力端子２１ｎが給電経路１４に接続されていてもよい。

・判定時間は、所定時間ＴＬ×２よりも長い時間に設定されていてもよい。

・Ｉ／Ｏモジュールに接続される外部機器としては、非常停止スイッチ及び安全ＰＬＣに限らず、他の機器であってもよい。また、Ｉ／Ｏモジュールに接続される安全機器としては、非常停止スイッチに限らず、例えば、イネーブルスイッチやライトカーテンであってもよい。

・安全ＰＬＣの制御対象機器としては、ロボットに限らず、例えばベルトコンベアであってもよい。

・上記各実施形態では、Ｉ／Ｏモジュールに接続される非常停止スイッチ等の第１の外部機器の数を１つとしたがこれに限らず、２つ以上にしてもよい。また、Ｉ／Ｏモジュールに接続される安全ＰＬＣ等の第２の外部機器の数も、１つに限らず、２つ以上にしてもよい。

１０…Ｉ／Ｏモジュール、１１…制御部、１３…電源回路、２０…監視部、２１…コンパレータ、２２ａ〜２２ｃ…第１〜第３抵抗体、２３…スイッチ。

Claims

電源から供給される電源電圧が動作可能電圧範囲内とされることにより第１の外部機器及び第２の外部機器の間の通信を可能とする制御部と、
前記電源電圧が前記動作可能電圧範囲内であることを監視する監視部と、を備え、
前記監視部は、
一端がグランドに接続され、他端が定電圧電源に接続された３つ以上の抵抗体の直列接続体と、
反転入力端子及び非反転入力端子のうち一方を監視用端子とし、他方を閾値用端子とする場合において、前記各抵抗体のうち隣り合ういずれか２つの抵抗体の接続点の電圧が前記閾値用端子に入力され、前記電源電圧が前記監視用端子に入力されるコンパレータと、
前記抵抗体の直列接続体において隣り合う２つの抵抗体の接続点のうち前記閾値用端子が接続された接続点よりも前記グランド側の接続点と、前記グランドとを接続する電気経路、又は前記抵抗体の直列接続体において隣り合う２つの抵抗体の接続点のうち前記閾値用端子が接続された接続点よりも前記グランド側の２つの接続点を接続する電気経路のいずれかである接続経路と、
前記接続経路に設けられ、所定時間毎にオンオフされるスイッチと、を有し、
前記スイッチがオフされる場合における前記閾値用端子の入力電圧は、前記動作可能電圧範囲の上限値である高圧側閾値とされ、前記スイッチがオンされる場合における前記閾値用端子の入力電圧は、前記動作可能電圧範囲の下限値である低圧側閾値とされ、
前記制御部は、前記所定時間よりも長い時間である判定時間に渡って前記コンパレータの出力信号の論理が変化しないと判定した場合、前記電源電圧が前記動作可能電圧範囲から外れる異常、又は前記監視部の異常が生じている旨診断する診断部を有するＩ／Ｏモジュール。
前記コンパレータは、前記スイッチと、前記スイッチを前記所定時間毎にオンオフするための駆動信号を前記スイッチに対して出力する駆動部とを内蔵するモールドＩＣとして構成されている請求項１に記載のＩ／Ｏモジュール。
前記第１の外部機器は、制御対象機器の動作指令を出力するプログラマブルロジックコントローラであり、
前記第２の外部機器は、前記制御対象機器を非常停止させる非常停止信号を出力する安全機器であり、
前記制御部は、前記コンパレータの出力信号の論理反転タイミングを基準タイミングとして取得し、取得した前記基準タイミングを起算タイミングとして前記出力信号の論理が継続して変化しない時間を計時する計時部を有し、
前記診断部は、前記計時部により計時された時間が前記判定時間に到達したと判定した場合に前記異常が生じている旨診断し、
前記制御部は、前記異常が生じていることを前記診断部が診断した場合、前記プログラマブルロジックコントローラ及び前記安全機器の間の通信を遮断し、
前記プログラマブルロジックコントローラは、前記安全機器から出力された前記非常停止信号が前記制御部を介して入力されたと判定した場合と、前記プログラマブルロジックコントローラ及び前記安全機器の間の通信が前記制御部によって遮断されたと判定した場合とのそれぞれにおいて、前記制御対象機器の動作停止指令を出力し、
前記制御部は、
前記基準タイミングから前記所定時間経過するまでの間に前記出力信号の論理が一時的に反転したことを判定する反転判定部と、
前記反転判定部により一時的に反転したと判定された場合、前記出力信号の一時的な論理反転期間が、前記所定時間よりも短い時間であるフィルタ時間以下であると判定したとき、前記出力信号の一時的な論理反転期間の開始タイミング及び終了タイミングのそれぞれが、前記計時部における計時の起算タイミングとして用いられないようにするフィルタ部と、を有する請求項１又は２に記載のＩ／Ｏモジュール。