JP5407882B2 - 制御システム - Google Patents

Description

本発明は負荷の駆動を制御するための制御システムに関し、特に、機械設備の安全性を確保するための制御システムに関する。

従来から、生産現場の労働安全を確立するために、安全が確保されている状態において機械設備の動力源としての負荷（たとえばモータなど）に電力を供給する安全回路が構築されている。一般に、従来の安全回路は、たとえばリレーユニットあるいはコントローラなどといった安全機器を含んで構成される。

たとえば特開２００５−１５７６６５号公報（特許文献１）は、安全機器としてのリレーユニットおよびセーフティコントローラについて説明している。特許文献１によれば、上記リレーユニットは以下のように動作する。すなわちリレーユニットは、非常停止スイッチなどの安全スイッチ、あるいはセーフティドアスイッチなどの安全エリアセンサからの入力信号に基づいて安全回路の状態を監視する機能を有するとともに、不具合の発生時に機械設備の電源を確実に遮断するための機能を有する。さらにリレーユニットは、その不具合の原因が取り除かれない限り機械設備の再起動を行なわない機能を有する。

また、特許文献１に開示されたセーフティコントローラは、以下のように構成される。すなわちセーフティコントローラは、セーフティドアスイッチなどの入力機器からの安全入力に基づいて、マグネットコンタクタなどの安全出力制御対象に対する安全出力を制御する第１および第２のＣＰＵ（Central Processing Unit）を備える。セーフティコントローラは、上記安全出力として半導体出力を与える。さらにセーフティコントローラは、安全出力に応じたリレー出力を安全出力制御対象に出力する増設ユニットが接続可能であるとともに、増設ユニットの異常を検出可能である。

図１２は、従来の安全回路の構成例を示した図である。図１２を参照して、制御システム２００は、三相交流の電源（交流電源１０１）から負荷としてのモータ１０２に駆動電力の供給および駆動電力の供給の遮断を行なう。モータ１０２は、たとえば工場内の種々の機械装置を駆動するために用いられる。

制御システム２００は、入力装置としてのドアスイッチ１１１と、リレーユニット１１６と、コンタクタ１２１，１２２とを備える。

ドアスイッチ１１１は、機械的なガードやカバーが閉じていることを検出するためのスイッチである。ドアスイッチ１１１には、扉１１４に取り付けられた操作キー１１５が抜き挿しされる。これによりドアスイッチ１１１は扉１４の開閉を検出する。

コンタクタ１２１，１２２は、交流電源１０１とモータ１０２との間の給電経路である電源ライン１０３に介挿接続される。リレーユニット１１６はドアスイッチ１１１からの信号に基づいて、コンタクタ１２１をオンおよびオフさせる。

リレーユニット１１６は、さらにコンタクタ１２１，１２２を監視する機能を有する。たとえばコンタクタ１２１の異常がリレーユニット１１６によって検出された場合、リレーユニット１１６はコンタクタ１２２をオフする。これによりモータ１０２への電力の供給が遮断されるためモータ１０２が停止する。

特開２００５−１５７６６５号公報

上記の特許文献１に開示された安全機器は、入力機器および出力機器が正常であることをチェックするための機能を有している。この理由は、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に適合した安全回路を構築するためである。

従来より、機械のリスクを低減する方策の中で安全防護を考えるときに、リスクの大きさの見積もりと、それに応じた安全システムの性能基準については、欧州規格ＥＮ９５４−１、あるいは、それをベースとした国際規格ＩＳＯ１３８４９−１の「カテゴリ」で表現するのが一般的である。「カテゴリ」とは、安全制御システムのアーキテクチャ（構造）であり、これまで培われてきたスイッチやリレーの接点技術に代表されるような電気機構部品による、いわば確定的な技術に立脚したものである。

図１３は、ＩＳＯ１３８４９−１で定義されたカテゴリを説明する図である。図１３を参照して、ＩＳＯ１３８４９−１では「Ｂ」、「１」、「２」、「３」、「４」の５段階のカテゴリが規定されている。カテゴリが「Ｂ］から「４」へと進むにしたがって、性能基準の達成レベルが高くなる。

また、ＩＳＯ１３８４９−１の改訂版では、安全制御システムの評価の指標として、「ＰＬ（パフォーマンスレベル）」と呼ばれる「ａ」から「ｅ」の５段階の指標が定義される。ＰＬとは、従来の「カテゴリ」の概念に「信頼性」、「品質」の概念を取り入れたものであり、平均危険側故障時間(ＭＴＴＦｄ)、ＤＣａｖｇ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｃｏｖｅｒａｇｅ)、共通原因故障(ＣＣＦ)が評価される。ＰＬによって、実際の使用状況に沿って安全制御システムを定量的に評価することができる。

なお、ＩＳＯ１３８４９−１の改訂版の正式名称は、「ISO13849-1(Second edition 2006-11-01) Safety of machinery Safety-related parts of control systems, Part 1：General principles for design：機械類の安全性−制御システムの安全関連部−第１部：設計のための一般原則）」である。以下では、ＩＳＯ１３８４９−１の改訂版を「ＩＳＯ１３８４９−１：２００６」と呼ぶこともある。また、特に区別する必要がない場合には、ＩＳＯ１３８４９−１の旧版および改訂版を「ＩＳＯ１３８４９−１」と総称することとする。

ＩＳＯ１３８４９−１：２００６では、各カテゴリに求められる安全制御システムの要件は、旧版の内容と代わらない。ただし、それぞれの安全制御システムを、Ｉ（入力機器）、Ｌ（論理演算機器）、Ｏ（出力機器）の３部分を軸にして、それぞれの特徴が分かりやすく図式化されている。

図１４は、ＩＳＯ１３８４９−１：２００６によって示された、各カテゴリに求められる安全制御システムの要件を説明するためのブロック図である。

図１４を参照して、カテゴリＢ、カテゴリ１に適用される構造は、Ｉ，Ｌ，Ｏによって実現可能である。カテゴリ２に適用される構造は、たとえば上記Ｉ、Ｌ、ＯにＴＥ（点検機器）を加えることによって実現可能である。なお、カテゴリ２に適用される構造は、たとえばＩ、Ｏ、ＴＥによって実現することもできる。ＯＴＥは、ＴＥの出力に基づく動作を実行するための機能である。ＯＴＥは、たとえばＯ（出力機器）に含まれる機能でもよいし、上記Ｉ，Ｌ，Ｏとは別個の装置の機能であってもよい。

カテゴリ３、４に適用される構造は、上記Ｉ、Ｌ、Ｏを二重化することによって実現可能である。カテゴリ４は、カテゴリ３よりも高い検出能力が要求される点においてカテゴリ３と異なるものの、構造の点ではカテゴリ３と同じである。

図１４に示されるように、カテゴリ２の要求事項には、入力機器および出力機器が正常であることをチェックするということが含まれる。上記リレーユニットあるいはセーフティコントローラ等の安全機器はこのようなチェック機能を有しているので、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に適合した機器である。

なお、図１２には示されていないが、制御システムにおける一般的な制御は、たとえば汎用のＰＬＣ（Programmable logic controller）により実行される。この汎用ＰＬＣは安全に関連する制御には関与しない。なぜなら安全関連の制御を汎用ＰＬＣによって実行させた場合には、制御システムを上記安全規格（ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２）に適合させることができないためである。

図１５は、ＩＳＯ１３８４９−１：２００６で定義されたパフォーマンスレベルの評価方法を説明するためのグラフである。図１５を参照して、ＰＬを評価するためにはカテゴリ（図１５中に「Ｃａｔ」と示す）、ＭＴＴＦｄ、ＤＣａｖｇおよびＣＣＦの４つのパラメータが用いられる。

図１５に示されるように、たとえばパフォーマンスレベル「ｃ」を達成可能なパラメータの組み合わせは複数存在する。言い換えれば上記４つのパラメータの適切な組み合わせによって、所望のパフォーマンスレベルを達成可能である。したがってＩＳＯ１３８４９−１：２００６によれば、旧版であるＩＳＯ１３８４９−１：１９９９よりも安全システムを構築する際の自由度が高くなるといえる。

上記のようにＩＳＯ１３８４９−１は安全に関連する制御のための規格である。しかしＩＳＯ１３８４９−１では、要求事項を満足させるための具体的な実現手段については規定されていない。このため、ＩＳＯ１３８４９−１で定められた機能を、安全機器で実現されなければならない機能と、一般的な制御機器（たとえば上記の汎用ＰＬＣ）によって実現することもできる機能とに切り分けることは困難である。したがって上記特許文献１および図１２で説明されるように、従来は、専用の安全機器によってＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２で定められた機能が実現されていた。

しかしながら、安全機器あるいは安全部品には、一般に第三者認証を受けた製品が使用される。つまり安全専用機器は汎用品と異なる特殊品であるため、その値段が高くなる傾向にある。

一方では図１５に示されるように、ＩＳＯ１３８４９−１：２００６によって、安全システムを構築する際の自由度が高くなると考えられる。しかし従来の技術によれば、専用の安全機器を使用することによって安全システムが構築されていた。このため安全システムの構築に要する費用が高くなるだけでなく、システムの構成が制限されていた。

本発明の目的は、より簡易な構成によって安全規格に適合可能な制御システムを提供することである。

本発明は要約すれば、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に準拠する制御システムであって、入力機器と、電力供給部と、監視装置とを備える。入力機器は、負荷の稼動の許可および禁止を示す信号を発生させる。電力供給部は、入力機器からの入力信号によって負荷の稼動が許可されるときに負荷に駆動電力を供給する一方で、入力信号によって負荷の稼動が禁止されたときに、負荷への駆動電力の供給を遮断するように構成される。監視装置は、入力機器および電力供給部を監視するように構成される。電力供給部は、監視装置の監視結果が、入力機器および電力供給部のいずれかの異常を示す場合には、負荷への駆動電力の供給を遮断するように構成される。

好ましくは、入力機器は、電力供給部に入力される入力信号としての第１の信号を生成する第１の信号発生部と、負荷の稼動の許可および禁止を示す第２の信号を生成する第２の信号発生部とを含む。電力供給部は、電力供給部による負荷への駆動電力の供給および駆動電力の供給の遮断を示す第３の信号を出力する。監視装置は、第２および第３の信号に基づいて、入力機器および電力供給部を監視する。

好ましくは、監視装置は、負荷の稼動が許可された場合および負荷の稼動が禁止された場合の各々において、第２の信号が変化するタイミングと第３の信号が変化するタイミングとの間の時間差を監視する。

好ましくは、監視装置は、上記時間差が所定時間以内であることを検出することによって、入力機器および電力供給部が正常であることを検出する。

好ましくは、第３の信号の状態が、負荷への駆動電力の供給が遮断されたことを示すように変化してから基準時間以内に、第２の信号の状態が、負荷の稼動の禁止を示すように変化しない場合には、監視装置は、入力機器の異常を検出する。

好ましくは、第２の信号の状態が負荷の稼動の許可を示すように変化してから基準時間以内に、第３の信号の状態が、負荷への駆動電力の供給を示すように変化しない場合には、監視装置は、電力供給部の異常を検出する。

好ましくは、電力供給部は、負荷と電源との間の給電経路に介挿接続された第１および第２のコンタクタを含む。第１のコンタクタは、給電経路に設けられて、第１の信号によって開状態および閉状態となるように構成される第１のリレーと、第１のリレーとは独立に開閉することによって第３の信号を発生させる第２のリレーとを含む。

好ましくは、制御システムは、入力機器からの入力信号に応じて、第１のリレーを開状態および閉状態に制御するように構成された制御装置をさらに備える。

好ましくは、負荷は、モータである。電力供給部は、モータを駆動するためのサーボドライバである。

本発明によれば、制御システムの構成を簡易にしつつ、安全規格に適合可能な制御システムを実現できる。

本発明の実施の形態１に係る制御システムの構成図である。 モータと電源ラインとの電気的接続を接続するための図である。 図１に示したドアスイッチの主要部の構成を説明するための模式図である。 図１に示したコンタクタの主要部の構成を説明するための模式図である。 ドアスイッチおよび電力供給部がともに正常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 ドアスイッチが異常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１に示したコンタクタ２１が異常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る制御システムの構成図である。 本発明の実施の形態３に係る制御システムの構成図である。 本発明の実施の形態４に係る制御システムの構成図である。 図１０に示したビームセンサの構成を示した模式図である。 従来の安全回路の構成例を示した図である。 ＩＳＯ１３８４９−１で定義されたカテゴリを説明する図である。 ＩＳＯ１３８４９−１：２００６によって示された、各カテゴリに求められる安全制御システムの要件を説明するためのブロック図である。 ＩＳＯ１３８４９−１：２００６で定義されたパフォーマンスレベルの評価方法を説明するためのグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る制御システムの構成図である。図１を参照して、制御システム１００は、交流電源１から、負荷であるモータ２への駆動電力の供給および、駆動電力の供給の遮断を行なう。モータ２は、たとえばＡＣサーボモータである。

交流電源１は、モータ２の駆動電力として、三相交流を出力する。モータ２の用途は特に限定されるものではないが、たとえばモータ２は、工場内の種々の機械装置を駆動するために用いられる。

制御システム１００は、入力機器としてのドアスイッチ１１と、電力供給部１２と、ＰＬＣ１３とを備える。

ドアスイッチ１１は、機械的なガードやカバーが閉じていることを検出するスイッチである。ドアスイッチ１１には、扉１４に取り付けられた操作キー１５が抜き挿しされる。これによりドアスイッチ１１は、扉１４の開閉を検出するとともに、その扉１４の開閉を示す信号を電力供給部１２およびＰＬＣ１３に出力する。

なお、ドアスイッチの構成は上記のように限定されるものではない。たとえばドアスイッチは、ドアの開閉状態を非接触で検出可能なように構成されてもよい。非接触式のドアスイッチの場合、たとえば専用のアクチュエータがドアスイッチ本体に近づいたときにドアスイッチの出力がオンする一方で、そのアクチュエータがドアスイッチ本体から離れたときにドアスイッチの出力がオフするようにドアスイッチが構成される。

電力供給部１２は、ドアスイッチ１１からの信号に基づいて、モータ２への交流電力の供給およびモータ２への交流電力の供給を遮断するように構成される。本実施の形態では電力供給部１２は、交流電源１とモータ２との間の給電経路である電源ライン３に介挿接続されたコンタクタ２１，２２を含む。コンタクタ２１は、ドアスイッチ１１からの信号によりオンオフされる。一方、コンタクタ２２は、ＰＬＣ１３からの信号によってオフされる。「コンタクタがオン」とはコンタクタが閉状態（導通状態）であることを意味し、「コンタクタがオフ」とはコンタクタが開状態（非導通状態）であることを意味するものとする。

電力供給部１２は、コンタクタ２１，２２の各々に代えて、コンタクタおよびモータ２の過負荷保護を行なうサーマルリレーとを組み合わせた電磁開閉器（マグネットスイッチ）を備えていてもよい。サーマルリレーはモータが過負荷になり、過電流がある時間以上流れるとコンタクタを開路するように動作する。

図２は、モータと電源ラインとの電気的接続を具体的に説明するための図である。図２を参照して、電源ライン３は、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３を含む。ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、たとえば三相交流のＲ相、Ｓ相およびＴ相にそれぞれ対応するラインである。モータ２は、コンタクタ２１，２２およびサーキットブレーカ２３を介して電源ライン３に接続される。なお、ブレーカ２３が設けられていない構成も、本実施の形態に含みうる。

図１に戻り、ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１および電力供給部１２（具体的にはコンタクタ２１）を監視するとともに、その監視結果をコンタクタ２２に出力する。

ドアスイッチ１１およびコンタクタ２１のいずれか一方が異常であることがＰＬＣ１３によって検出された場合、コンタクタ２２は、そのＰＬＣ１３の監視結果（検出結果）によってオフされる。コンタクタ２２がオフされることによって、電力供給部１２はモータ２への駆動電力の供給を遮断する。

ＰＬＣ１３は、汎用のＰＬＣであり、予め準備されたプログラムに従う処理を実行することによって監視装置として機能する。なおＰＬＣ１３は、機器を監視する機能およびその監視結果を出力する機能を有するものの、安全関連の制御を実行する機能を有していない。その理由は、汎用のＰＬＣによって安全関連の制御が実行された場合、制御システム１００の構成がＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に適合しないためである。ＰＬＣ１３の機能を上述の機能に特化することによって、制御システム１００はＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に準拠する構成を有している。具体的には、ドアスイッチ１１、コンタクタ２１、ＰＬＣ１３およびコンタクタ２１が、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に適用される構造におけるＩ，ＴＥ，Ｏ，ＯＴＥのそれぞれの機能を実現する。

図１５に示されるように、ＩＳＯ１３８４９−１：２００６によれば、カテゴリ２で達成可能なＰＬ（パフォーマンスレベル）は「ａ」〜「ｄ」となる。したがって、実施の形態１によればＩＳＯ１３８４９−１：２００６のパフォーマンスレベル「ａ」〜「ｄ」に適合可能なシステムを構築可能である。

なお、ドアスイッチ１１からコンタクタ２１への入力信号は、本発明における「第１の信号」に対応する。ドアスイッチ１１からＰＬＣ１３への入力信号は、本発明における「第２の信号」に対応する。コンタクタ２１からＰＬＣ１３への入力信号は、本発明における「第３の信号」に対応する。

図３は、図１に示したドアスイッチの主要部の構成を説明するための模式図である。図３を参照して、ドアスイッチ１１は、スイッチ３１，３２を含む。ドアスイッチ１１の正常時には、スイッチ３１，３２は相補的に動作する。たとえば扉１４が閉じることによってドアスイッチ１１に操作キー１５が挿し込まれた場合には、スイッチ３１がオンするとともにスイッチ３２がオフする。一方、扉１４が開くことによってドアスイッチ１１から操作キー１５が抜かれた場合には、スイッチ３１がオフするとともにスイッチ３２がオンする。

スイッチ３１の一方端にはＤＣ電圧（たとえば２４Ｖ）が与えられ、スイッチ３１の他方端から安全出力としての信号（第１の信号）が出力される。この安全出力がコンタクタ２１をオンオフさせるための信号となる。スイッチ３２の一方端には上記ＤＣ電圧が与えられ、スイッチ３２によって発生された信号（第２の信号）は、ＰＬＣ１３に与えられる。

図４は、図１に示したコンタクタの主要部の構成を説明するための模式図である。図４を参照して、コンタクタ２１，２２の各々は、主接点としてのリレー４１〜４３と、補助接点としてのリレー４４とを含む。

リレー４１〜４３の各々は、三相の電源ライン３のうち各相に対応する電源ラインに設けられる。リレー４４は、リレー４１〜４３と連動する。本実施の形態では、リレー４４は、コンタクタの動作状態を示す信号を出力するために使用される。

リレー４４は、リレー４１〜４３と相補的に動作する。リレー４１〜４３が開状態であるときにはリレー４４は閉状態である。一方、リレー４１〜４３が閉状態であるときにはリレー４４は開状態である。リレー４４の一方端にはＤＣ電圧（たとえば２４Ｖ）が与えられ、リレー４４の他方端からはコンタクタの状態を示す信号が出力される。コンタクタ２１のリレー４４によって発生された信号（第３の信号）は、ＰＬＣ１３に入力される。コンタクタ２１のリレー４１〜４３は、給電経路に設けられて、ドアスイッチ１１からの安全出力（第１の信号）によって開状態および閉状態となるように構成される。コンタクタ２１のリレー４４は、リレー４１〜４３と独立に（相補的に）開閉することによって信号（第３の信号）を発生させる。すなわちリレー４１〜４３は、本発明の「第１のリレー」に相当し、リレー４４は、本発明の「第２のリレー」に相当する。

なお図４に示されたリレーは、たとえば機械式リレーによって実現される。ただし、各リレーは半導体素子（たとえばトランジスタ、ソリッドステートリレーなど）によって実現することも可能である。

図５は、ドアスイッチおよび電力供給部がともに正常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。なお以下に説明される動作においては、特に説明されない限り、コンタクタ２２は閉状態である。

図５を参照して、まず、ドアスイッチ１１が開状態である場合、すなわち扉が開いている場合について説明する。ドアスイッチ１１からコンタクタ２１に入力される信号（第１の信号）のレベルはＬ（論理ロー）レベルである。つまり第１の信号は、モータ２の稼動が禁止されることを示している。

このため、コンタクタ２１（主接点であるリレー４１〜４３の状態）は開状態であるとともに交流電源１からモータ２への駆動電力の供給が遮断されている。したがってモータ２からの動力の出力は停止している。

ドアスイッチ１１からＰＬＣ１３に入力される信号（第２の信号）もモータ２の稼動が禁止されることを示す。ただし第２の信号のレベルは、第１の信号のレベルと反転しているためＨ（論理ハイ）レベルとなる。

コンタクタ２１の主接点が開状態であるので、コンタクタ２１の補助接点は閉状態である。したがってコンタクタ２１からＰＬＣに入力される信号（第３の信号）のレベルはＨレベルである。このときには第３の信号はモータ２への駆動電力の供給が遮断されていることを示す。

時刻ｔ１において扉１４が閉じられる。これにより、ドアスイッチ１１からコンタクタ２１に入力される信号のレベルがＬレベルからＨレベルに変化する。すなわち、第１の信号が、モータ２の稼動の許可を示す。第１の信号に応じてコンタクタ２１が閉状態になるため、交流電源１からモータ２に電力が供給される。したがってモータ２が動力を出力する。

このときには、ドアスイッチ１１からＰＬＣ１３に入力される第２の信号のレベル、およびコンタクタ２１からＰＬＣ１３に入力される第３の信号のレベルが、いずれもＨレベルからＬレベルに変化する。すなわち、第２の信号がモータ２の稼動の許可を示すとともに、第３の信号がモータ２への駆動電力の供給を示す。

ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１からの第２の信号のレベルがＨレベルからＬレベルに変化したタイミングから所定時間以内に、コンタクタ２１からの第３の信号のレベルがＨレベルからＬレベルに変化したことを検出する。この場合、ＰＬＣはドアスイッチ１１および電力供給部１２（コンタクタ２１）がともに正常であることを検出するとともに、コンタクタ２２（ＯＴＥ機能を実現する機器）への出力信号のレベルをＬレベルに保つ。ＰＬＣ１３からコンタクタ２２への出力信号がＬレベルであるためコンタクタ２２は閉状態に保たれる。すなわちＰＬＣ１３からコンタクタ２２への出力信号は、ドアスイッチ１１およびコンタクタ２１が正常であることを示している。

次に、時刻ｔ２において扉１４が開かれる。この場合、ドアスイッチ１１からコンタクタ２１に入力される信号のレベルがＨレベルからＬレベルに変化する。すなわちドアスイッチ１１からの第１の信号が、モータ２の稼動の禁止を示す。コンタクタ２１が第１の信号に応じて開状態になるため、モータ２への駆動電力の供給が遮断される。したがってモータ２が停止する。

ドアスイッチ１１からＰＬＣ１３に入力される第２の信号のレベル、およびコンタクタ２１からＰＬＣ１３に入力される第３の信号のレベルは、いずれもＬレベルからＨレベルへと変化する。時刻ｔ１での監視と同様に、ＰＬＣ１３はドアスイッチ１１からの第１の信号がＬレベルからＨレベルに変化したタイミングから所定時間以内に、コンタクタ２１からの第３の信号のレベルがＬレベルからＨレベルに変化したことを検出する。この場合にも、ＰＬＣ１３はドアスイッチ１１および電力供給部１２（コンタクタ２１）がともに正常であることを検出するとともに、コンタクタ２２への出力信号のレベルをＬレベルに保つ。

このように、ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１からの第２の信号およびコンタクタ２１からの第３の信号に基づいて、ドアスイッチ１１およびコンタクタ２１の両方を監視する。具体的には、ＰＬＣ１３は、モータ２の稼動が許可された場合（時刻ｔ１）およびモータ２の稼動が禁止された場合（時刻ｔ２）の各々において、第２の信号が変化するタイミングと第３の信号が変化するタイミングとの間の時間差を監視する。その時間差が所定時間以内であることが検出されることにより、ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１およびコンタクタ２１の両方が正常であることを検出する。

コンタクタ２１はドアスイッチ１１からの信号に応じて動作する。このためコンタクタ２１は、ドアスイッチ１１の動作よりもわずかに遅れて動作する。上記「所定時間」は、このようなわずかな動作遅れの時間（たとえば数十ミリ秒程度）を無視できるような大きな値（たとえば数百ミリ秒程度）に定められる。

図６は、ドアスイッチが異常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図６を参照して、時刻ｔａ以前の制御システムの動作は、上述の動作と同様であるので、詳細な説明はここでは繰り返さない。時刻ｔａにおいて扉１４が開かれたため、ドアスイッチ１１からコンタクタ２１に入力される第１の信号のレベルがＨレベルからＬレベルに変化する。すなわち第１の信号は、モータ２の稼動の禁止を示す。コンタクタ２１が第１の信号に応じて開状態になるためモータ２が停止する。

時刻ｔａにおいて、コンタクタ２１からＰＬＣ１３に入力される第３の信号のレベルはＬレベルからＨレベルに変化する。すなわち第３の信号の状態は、モータ２への駆動電力の供給が遮断されていることを示す状態へと変化する。しかしながらドアスイッチ１１からＰＬＣ１３に入力される第２の信号のレベルは時刻ｔａ以後もＬレベルのままである。すなわち第２の信号の状態は、モータ２の稼動が禁止される状態（Ｈレベル）へと変化しない。

ＰＬＣ１３は、コンタクタ２１からの入力信号のレベルが変化した時点（時刻ｔａ）から所定時間Ｔ１の間に、ドアスイッチ１１からの入力信号のレベルがＬレベルからＨレベルに変化するかどうかを監視する。ドアスイッチ１１の異常のため、時刻ｔａから所定時間Ｔ１が経過したにもかかわらず、ドアスイッチ１１からの第２の信号のレベルはＬレベルのまま変化しない。このためＰＬＣ１３は出力信号のレベルをＬレベルからＨレベルに変化させる。

ＰＬＣ１３から出力された信号のレベルがＨレベルに変化することによってコンタクタ２２は開状態となる。コンタクタ２２が開状態となることによって、コンタクタ２１が閉状態であってもモータ２には電力が供給されない。したがって、時刻ｔａ以後モータ２は停止したままとなる。

このようにコンタクタ２２は、入力機器であるドアスイッチ１１に異常があることがＰＬＣ１３により検出された場合に、ＰＬＣ１３の監視結果に基づいて交流電源１からモータ２への電力の供給を遮断する。したがって入力機器の異常時にはモータ２が停止する。

図７は、図１に示したコンタクタ２１が異常である場合における制御システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図７を参照して、時刻ｔｂ以前の制御システムの動作は、図５に示された動作と同様であるので、詳細な説明はここでは繰り返さない。時刻ｔｂにおいて扉１４が閉じられたため、ドアスイッチ１１からコンタクタ２１に入力される第１の信号のレベルがＬレベルからＨレベルに変化する。すなわち第１の信号は、モータ２の稼動の許可を示す。コンタクタ２１は第１の信号に応じて閉状態になるのでモータ２に駆動電力が供給される。したがってモータ２が動力を出力する。

時刻ｔｂにおいて、ドアスイッチ１１からＰＬＣ１３に入力される第２の信号のレベルはＨレベルからＬレベルに変化する。すなわち第２の信号の状態は、モータ２の稼動が許可されたことを示す状態へと変化する。しかしながら、コンタクタ２１からＰＬＣ１３に入力される第３の信号のレベルは時刻ｔｂ以後もＨレベルのままである。すなわち第３の信号の状態は、モータ２へ駆動電力が供給される状態（Ｌレベル）へと変化していない。

ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１からの入力信号のレベルが変化した時点（時刻ｔｂ）から所定時間Ｔ２の間に、コンタクタ２１からの入力信号のレベルがＨレベルからＬレベルに変化するかどうかを監視する。しかしながら、コンタクタ２１の異常のため、時刻ｔｂから所定時間Ｔ２が経過したにもかかわらず、コンタクタ２１からの第３の信号のレベルはＨレベルのまま変化しない。したがって、ＰＬＣ１３は、出力信号のレベルをＬレベルからＨレベルに変化させる。

図６に示された動作と同様に、ＰＬＣ１３から出力された信号のレベルがＨレベルであるためコンタクタ２２が開状態となる。これによりモータ２が停止する。モータ２は、時刻ｔｂからの所定時間Ｔ２の間は動力を出力するものの、それ以後停止する。

このようにコンタクタ２２は、コンタクタ２１に異常があることがＰＬＣ１３によって検出された場合に、ＰＬＣ１３の監視結果に基づいて交流電源１からモータ２への電力の供給を遮断する。したがって電力供給部１２（コンタクタ２１）の異常時にもモータ２が停止する。

既に説明したように、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に適用される構成は、Ｉ（入力機器）、Ｏ（出力機器）およびそれらをモニタリングするＴＥ（点検機器）によって実現可能である。実施の形態１によれば、制御システムは、入力機器としてのドアスイッチ１１、出力機器としてのコンタクタ２１、および点検機器としての汎用ＰＬＣ１３を備える。したがって、実施の形態１によれば、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に準拠する制御システムを構築することができる。

さらに実施の形態１によれば、汎用ＰＬＣが入力機器および出力機器の点検（監視機能）を有する。このため、安全コントローラといった専用の安全制御機器を用いなくともＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に準拠した制御システムを実現できる。したがって実施の形態１によれば、簡易な構成で安全規格に適合可能な制御システムを構築できる。

さらに実施の形態１によれば、高価な安全制御機器の削減が可能なため、制御システムのコストを低減できる。

［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２に係る制御システムの構成図である。図８および図１を参照して、制御システム１００Ａは、リレーユニット１６をさらに備える点において制御システム１００と異なる。制御システム１００Ａの他の部分の構成は制御システム１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。なお実施の形態２では、ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１およびコンタクタ２１だけでなくリレーユニット１６も監視する。

リレーユニット１６はコンタクタ２１をオンおよびオフするための制御装置であるとともに安全機器でもある。実施の形態２では、ドアスイッチ１１からの信号を受けたリレーユニット１６がコンタクタ２１をオンおよびオフする。すなわち実施の形態１と同様に、実施の形態２においても、コンタクタ２１はドアスイッチ１１からの第１の信号によって開閉する。

制御システム１００Ａの動作は、基本的には実施の形態１に係る制御システム１００の動作と同様であり、具体的には、図５〜図７に示される動作と同様である。ただし、上述のようにリレーユニット１６によってコンタクタ２１がオンオフされる。

扉１４を閉じることによって扉１４に設けられた操作キー１５がドアスイッチ１１に挿入された場合、リレーユニット１６は、コンタクタ２１に出力する信号のレベルをＨレベルに設定する。一方で扉１４を開くことで操作キー１５がドアスイッチ１１から抜かれた場合、リレーユニット１６は、コンタクタ２１に出力する信号のレベルをＬレベルに設定する。すなわちリレーユニット１６は、ドアスイッチ１１から入力される第１の信号のレベルと同じレベルの信号を出力する。

以上説明されるように、実施の形態２では実施の形態１と同様に、入力機器および出力機器が汎用のＰＬＣによって監視される。したがって実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、簡易な構成で安全規格に適合可能な制御システムを実現できるという効果を得ることができる。

［実施の形態３］
図９は、本発明の実施の形態３に係る制御システムの構成図である。図９および図１を参照して、制御システム１００Ｂは、コンタクタ２１およびコンタクタ２２により構成される電力供給部１２に代えてサーボドライバ１７を備える点において制御システム１００と異なる。制御システム１００Ａの他の部分の構成は制御システム１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

なお、実施の形態３では、サーボドライバ１７が、モータ２に駆動電力を供給する機能およびモータ２への駆動電力の供給を遮断する機能を実現する。また、サーボドライバ１７は、ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２の構造における少なくともＯ、ＯＴＥの機能を実現する。

ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１およびサーボドライバ１７を監視するとともに、その監視結果をサーボドライバ１７に出力する。

サーボドライバ１７は、ドアスイッチ１１からの第１の信号に基づいてモータ２への駆動電力の供給および駆動電力の遮断を行なう。ドアスイッチ１１からの第１の信号が、扉１４が閉じていること（すなわちモータ２の稼動が許可されていること）を示す場合には、サーボドライバ１７は交流電源１からの電力をモータ２に供給する。一方、ドアスイッチ１１からの第１の信号が、扉１４が開いていること（すなわちモータ２の稼動が禁止されていること）を示す場合には、サーボドライバ１７は、交流電源１からモータ２への電力の供給を遮断する。サーボドライバ１７は、モータ２への電力の供給および電力の供給の遮断を示す信号（第３の信号）をＰＬＣ１３に出力する。

ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１からの第２の信号およびサーボドライバ１７からの第３の信号によって、ドアスイッチ１１およびサーボドライバ１７を監視する。ＰＬＣ１３は、ドアスイッチ１１の異常またはサーボドライバ１７の異常を検出した場合に、その検出結果を示す信号をサーボドライバ１７に送る。サーボドライバ１７は、ＰＬＣ１３からの信号に応じて、交流電源１からモータ２への電力の供給を遮断する。

制御システム１００Ｂの動作は、実施の形態１に係る制御システム１００の動作と同様であり、具体的には図５〜図７に示される動作と同様である。図５〜図７に示された「コンタクタ２１の閉状態」は、実施の形態３ではサーボドライバ１７によってモータ２に電力が供給される状態に対応する。また、図５〜図７に示された「コンタクタ２１の開状態」は、実施の形態３ではサーボドライバ１７によって交流電源１からモータ２への電力の供給が遮断された状態に対応する。さらに図５〜図７に示された「ＰＬＣ入力（コンタクタ２１からの第３の信号）」は、実施の形態３では、サーボドライバ１７からＰＬＣ１３に入力される信号に対応する。

ドアスイッチ１１の異常またはサーボドライバ１７の異常をＰＬＣ１３が検出した場合、ＰＬＣ１３はサーボドライバ１７への出力信号のレベルをＬレベルからＨレベルに変更する。これによりサーボドライバ１７は、交流電源１からモータ２への電力の供給を遮断する。

以上説明されるように、実施の形態３では実施の形態１と同様に、入力機器および出力機器（実施の形態３ではサーボドライバ）が汎用のＰＬＣによって監視される。したがって実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、簡易な構成で安全規格に適合可能な制御システムを実現できるという効果を得ることができる。

［実施の形態４］
図１０は、本発明の実施の形態４に係る制御システムの構成図である。図１０および図８を参照して、制御システム１００Ｃは、ドアスイッチ１１に代えてビームセンサ１８を備える点において制御システム１００Ａと異なる。制御システム１００Ｃの他の部分の構成は制御システム１００Ａの対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

図１１は、図１０に示したビームセンサの構成を示した模式図である。図１１を参照して、ビームセンサ１８は、投光器１８ａと、受光器１８ｂとを備える。投光器１８ａは、光ビーム１８ｃを発する。受光器１８ｂはその光ビーム１８ｃを受ける。受光器１８ｂが光ビーム１８ｃを受けているときには、受光器１８ｂは、Ｈレベルの信号をリレーユニット１６に出力する。一方、人が投光器１８ａと受光器１８ｂとの間を通過した場合には、光ビーム１８ｃが遮られるため受光器１８ｂは光ビーム１８ｃを受光できない。この場合には、受光器１８ｂはＬレベルの信号をリレーユニット１６に出力する。

なお図１１では、ビームセンサとして、投光器から１つの光軸に沿って光ビームが出射されるシングルビームセンサを例示しているが、ビームセンサはセーフティライトカーテンのような多光軸光電センサであってもよい。

図１０に戻り、実施の形態４では、ビームセンサ１８からの信号を受けたリレーユニット１６によってコンタクタ２１がオンおよびオフさせる。さらにＰＬＣ１３はリレーユニット１６からの信号に基づいて、ビームセンサ１８の異常を検出する。これらの点において実施の形態４は実施の形態２と相違する。

リレーユニット１６がビームセンサ１８からＬレベルの信号を受けた場合（人によって光ビームが遮られた場合）、リレーユニット１６は、Ｌレベルの信号をコンタクタ２１に出力するとともにＨレベルの信号をＰＬＣ１３に出力する。一方、リレーユニット１６がビームセンサ１８からＨレベルの信号を受けた場合（投光器と受光器との間に人がいないため、受光器が光ビームを受けた場合）、リレーユニット１６は、Ｈレベルの信号をコンタクタ２１に出力するとともにＬレベルの信号をＰＬＣ１３に出力する。すなわち制御システム１００Ｃの動作は、実施の形態１に係る制御システム１００の動作と同様であり、具体的には、図５〜図７に示される動作と同様である。

実施の形態４に係る制御システム１００Ｃは、上記の構成を有することによって実施の形態１に係る制御システム１００と同様に動作する。すなわち、実施の形態４も実施の形態１と同様に、入力機器（実施の形態４ではビームセンサおよびリレーユニット）および出力機器が汎用のＰＬＣによって監視される。したがって実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、簡易な構成で安全規格に適合可能な制御システムを実現できるという効果を得ることができる。

なお、ビームセンサ１８が、ドアスイッチ１１と同様に２つの信号（一方の信号のレベルがＨレベルであるとき、他方の信号のレベルがＬレベルとなる）を出力可能である場合には、実施の形態１と同様にその２つの信号のうちの一方がコンタクタ２１に入力されるとともに、他方の信号がＰＬＣ１３に入力されてもよい。これによって、制御システム１００Ｃからリレーユニット１６を省略することができるので、制御システムのさらなるコスト低減を図ることができる。

また、上記の各実施の形態では、負荷として交流電源からの交流電力により動作するモータを示した。しかしながら負荷は直流電源からの直流電力によって動作されるものでもよい。さらに負荷の種類もモータに限定されるものではない。たとえば負荷はヒータであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１０１ 交流電源、２，１０２ モータ、３，１０３ 電源ライン、１１，１１１ ドアスイッチ、１２ 電力供給部、１３ ＰＬＣ、１４，１１４ 扉、１５，１１５ 操作キー、１６，１１６ リレーユニット、１７ サーボドライバ、１８ ビームセンサ、１８ａ 投光器、１８ｂ 受光器、１８ｃ 光ビーム、２１，２２，１２１，１２２ コンタクタ、２３ サーキットブレーカ、３１，３２ スイッチ、４１〜４４ リレー、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，２００ 制御システム、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ ライン。

Claims (9)

1. ＩＳＯ１３８４９−１のカテゴリ２に準拠する制御システムであって、
   負荷の稼働の許可および禁止を示す信号を発生させる入力機器と、
   前記負荷への駆動電力の供給および前記負荷への前記駆動電力の供給を遮断するように構成された電力供給部と、
   前記入力機器および前記電力供給部を監視するように構成された監視装置とを備え、
   前記電力供給部は、
   前記入力機器からの入力信号によって前記負荷の稼働が許可されるときに前記負荷に前記駆動電力を供給する一方で、前記入力信号によって前記負荷の稼働が禁止されたときに前記負荷への前記駆動電力の供給を遮断するように構成された出力機器と、
   前記監視装置の監視結果が、前記入力機器および前記出力機器のいずれかの異常を示す場合には、前記負荷への前記駆動電力の供給を遮断するように構成された第２の出力機器とを含む、制御システム。
2. 前記入力機器は、
   前記電力供給部に入力される前記入力信号としての第１の信号を生成する第１の信号発生部と、
   前記負荷の稼働の許可および禁止を示す第２の信号を生成する第２の信号発生部とを含み、
   前記電力供給部は、前記出力機器による前記負荷への前記駆動電力の供給および前記駆動電力の供給の遮断を示す第３の信号を出力し、
   前記監視装置は、前記第２および第３の信号に基づいて、前記入力機器および前記出力機器を監視する、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記監視装置は、前記負荷の稼働が許可された場合および前記負荷の稼働が禁止された場合の各々において、前記第２の信号が変化するタイミングと前記第３の信号が変化するタイミングとの間の時間差を監視する、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記監視装置は、前記時間差が所定時間以内であることを検出することによって、前記入力機器および前記出力機器が正常であることを検出する、請求項３に記載の制御システム。
5. 前記第３の信号の状態が、前記負荷への前記駆動電力の供給が遮断されたことを示すように変化してから基準時間以内に、前記第２の信号の状態が、前記負荷の稼働の禁止を示すように変化しない場合には、前記監視装置は、前記入力機器の異常を検出する、請求項３に記載の制御システム。
6. 前記第２の信号の状態が前記負荷の稼働の許可を示すように変化してから基準時間以内に、前記第３の信号の状態が、前記負荷への前記駆動電力の供給を示すように変化しない場合には、前記監視装置は、前記出力機器の異常を検出する、請求項３に記載の制御システム。
7. 前記電力供給部は、
   前記負荷と電源との間の給電経路に介挿接続され、前記出力機器を構成する第１のコンタクタと、
   前記給電経路に介挿接続され、前記第２の出力機器を構成する第２のコンタクタとを含み、
   前記第１のコンタクタは、
   前記給電経路に設けられて、前記第１の信号によって開状態および閉状態となるように構成される第１のリレーと、
   前記第１のリレーとは独立に開閉することによって前記第３の信号を発生させる第２のリレーとを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御システム。
8. 前記制御システムは、
   前記入力機器からの前記入力信号に応じて、前記第１のリレーを前記開状態および前記閉状態に制御するように構成された制御装置をさらに備える、請求項７に記載の制御システム。
9. 前記負荷は、モータであり、
   前記電力供給部は、前記モータを駆動するためのサーボドライバである、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御システム。

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