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電機制御工学 定性的制御編 清弘 智昭 自動制御の種類 定量的制御 フィードバック制御(Feed Back Control) 対象とする系の出力（温度，速度，位置など）をある目標値にする制 御。 定性的制御 シーケンス制御 対象とする系の状態（オン・オフなど）を，あらかじめ定められた順序 に従って段階を進めていく制御。 フィードバック制御 目標値 定値制御 追値制御 比較部 レギュレータ(Regulator) サーボ(Servo) 誤差信号 制御部 フィードバック信号 操作量 目標値を一定に保つ 目標値に追随する 制御量 制御対象 検出部 目標値 (Desired Value,Reference) 定量的な制御命令 偏差 (Deviation)，誤差(Error) 目標値と制御量との差 制御量 (Controlled Variable) 目的とする状態 定性的制御 シーケンス制御 (Sequential Control) 命令処理部 操作 信号 制御装置 制御 命令 制御対象 制御 信号 検出部 シーケンス制御の構成 状態 シーケンス制御の分類 時限プログラム制御 時間で制御が進行する。 例：交通信号 順序プログラム制御 外部のセンサや内部の状態の変化に従って 制御が進行する。 例：全自動洗濯機 条件制御 入力と内部状態の組み合わせで制御 が決定される。 例：エレベータの行き先階の決定法 命令処理部 シーケンス制御の設計は命令処理部の設計が主となる 命令処理部の構成要素 有接点 電磁リレー(Relay:継電器とも呼ぶ) 電磁接触器 無接点 プログラマブルコントローラ 半導体個別素子 トランジスタ，IC等 プログラマブル・コントローラ（シーケンサ） マイクロプロセッサ 電磁リレーの動作 共通 共通 b接点 導通 導通 a接点 コイルに電流を流さない コイルに電流を流す バネに引かれて可動鉄片は上に押される。 可動鉄片は電磁石（コイル）に引きつけられる。 共通とｂ接点が導通する。 共通とa接点が導通する。 電磁リレーの記号 電磁リレーの働き 電磁リレーの接点 a接点 コイルがONでONになる NO (Normally Open), Make 接点 b接点 コイルがONでOFFになる NC (Normally Closed), Break 接点 電磁リレーの働き a接点 b接点 簡略記号 絶縁 コイルと接点は完全に離れている。 入力と出力の共通端子（接地）は存在しない。 論理の反転 コイルの電流OFFでｂ接点はON コイルの電流ONでｂ接点はOFF 回路数の増加 1個のコイルで複数の接点をON-OFFできる。 増幅 小さなコイル電流で大電流容量の接点をON－OFFできる 電磁リレーのコイルと接点の対応付け コイルと対応する接点を点線で結ぶ リレーの個数が多くなるとわかり難い コイルを大文字のアルファベットで示し， 対応する接点にどのコイルの接点なの かを示す コイルを大文字，接点を小文字にする場合 もある 電磁接触器 大型で制御する電力が大きいものは電磁接触器と呼ばれ ている。 電磁接触器の記号は下図のようになる。 小型の電磁接触器 タイマ 入力信号が変化時より，ある一定時間だけ遅れて出力が変化 するリレー。 遅延動作 遅延復帰 遅延 a接点 b接点 タイマの外観 保護リレー コイルに過電流が流れたとき動作し，接点をOFFにして回路 を遮断するリレー 手動復帰接点を持つ 動作した後は自動的には戻らない （原因を修復した後手動で復帰させる） 手動復帰接点の記号 保護リ レー OCR (Over Current Relay) シーケンス制御で用いられる器具と記号１ 手動スイッチ類 a接点 b接点 a接点 押さない時はOFFで，押すとONになる接点 b接点 押さない時はONで，押すとOFFになる接点 シーケンス制御で用いられる器具と記号２ リミットスイッチ 機械的な外力で動作するスイッチ。 人間が操作するスイッチ， リレーの接点 リミットスイッチではない リミットスィッチの記号 a接点 b接点 シーケンス制御の基本回路 ラダ－ネットワーク （はしごのようになっているので） y x x F f x y AND 両方ONにならないと コイルに電流が流れ ない f x y OR どちらかがONになる とコイルに電流が流 れる f F y f x F f 両側の線は電源 f x NOT 接点が押されるとコ イルに流れていた電 流がOFFになる 自己保持回路の動作 自己保持回路 セットスイッチを押すと出力はセットされ，スイッチを離してもそ の状態を保つ回路。リセットスイッチを押すまでその状態を保つ。 リセットスイッチ セットスイッチ セットスイッチを押す セットスイッチを離す 最初の状態 リセットスイッチを離す セットスイッチを押す リセットスイッチを押す リセットスイッチを押す セットスイッチ セットスイッチ OFF 両方のスイッチは押されていない。 セットスイッチ OFF ON セットスイッチON OFF リセットスイッチ リセットスイッチ ON セットスイッチ OFFON ON リセットスイッチ OFF リセットスイッチ OFF コイルに電流が流れる コイルに電流が流れる リセットスイッチ ON セットスイッチがOFFなので リレーのコイルに電流が流れる コイルの電流が切れる コイルの電流が切れる コイルには電流が流れない リレーのコイルはOFF リレーの接点 リレーの接点 ONOFF リレーの接点ON 接点を通してコイルに電 流が流れつづける 自己保持回路の動作１ 自己保持回路 セットスイッチを押すと出力はセットされ，スイッチを離してもそ の状態を保つ回路。リセットスイッチを押すまでその状態を保つ。 リセットスイッチ セットスイッチ 最初の状態 両方のスイッチは押されていない。 セットスイッチ OFF リセットスイッチ ON リレーのコイルはOFF 自己保持回路の動作２ リセットスイッチ セットスイッチ セットスイッチを押す セットスイッチ ON リセットスイッチ ON リレーのコイルに電流が流れる セットスイッチを押す セットスイッチ ON リセットスイッチ ON コイルに電流が流れる リレーの接点 ON 自己保持回路の動作３ リセットスイッチ セットスイッチを離す セットスイッチ OFF リセットスイッチ ON コイルに電流が流れる セットスイッチ リレーの接点 ON 接点を通してコイル に電流が流れつづけ る リセットスイッチを押す セットスイッチ OFF リセットスイッチ OFF コイルの電流が切れる 自己保持回路の動作４ リセットスイッチ セットスイッチ リセットスイッチを押す セットスイッチ OFF リセットスイッチ OFF コイルの電流が切れる リレーの接点 OFF リセットスイッチを離す セットスイッチ OFF リセットスイッチ ON セットスイッチがOFFなので コイルには電流が流れない 自己保持回路の種類 リセット優先自己保持回路 スイッチＳ と Ｒ を同時にONにするとＲの方が優先される s r f F f セット優先自己保持回路 スイッチＳ と Ｒ を同時にONにするとＳの方が優先される s r f F f シーケンス制御の例１ 揚水ポンプ ポンプ運転開始の条件 タンク内の水が無くなりLSLが押され なくなったとき ポンプ停止の条件 タンクが満水になってLSUが押された とき LSLで自己保持回路 セット， LSUで自己保持回路 リセット 揚水ポンプの設計 リセット部 運転 セット部 M m m セット部 ONで自己保持はセットされる 停止 LSLが押されなくなったらON ｂ接点 リセット部 OFFで自己保持回路リセット LSUが押されたらOFF ｂ接点 LSＬ-b LSU-b M m m r s シーケンス制御の例２ 誘導電動機のY－Δ起動 起動時に大きな突入電流が流れる Y接続にするとコイルに 印加される電圧は 1 3 になる コイルに印加する電圧を下げる 運転時（Δ接続） v v 起動時（Ｙ接続） v v v 3 TM:タイマリレー MCY:Y結線用MC MCD:Δ結線用MC ３相誘導電動機のY-Δ起動 電磁接触器（MC)とコイルの配線 Y運転 Δ運転 STB SPB x TM MCY MCD Δ結線用MC Y結線用MC タイムチャート T x TM STB：スタートボタン SPB:ストップボタン x TM ｘ：補助リレー 誘導電動機のY-Δ起動 ラダ-ネットワークの設計 STB a １．STBでセット，SPBでリセットの自己保持を作る STB a SPB b SPB b X X x x x TM ２．Ｘでタイマを起動 x TM x TM b MCY MCY b ３．MCYとMCDの回路を作る MCY x TM MCD MCD x TM MCY TM a MCYとMCDが同 時にONにならな いようにする MCD b MCD シーケンス制御の表現法 1. タイムチャート Ｙ－Δ起動の項参照 2. フローチャート 3. ラダー図 直接ラダー図で表現 4. 状態遷移図 LSU=ON LSU=OFF LSL=ON LSL=ON Y 条件判断 モータ ON LSL=OFF モータ OFF モータ ON 端記号 （開始・終点など） 開 始 LSU=OFF モータ OFF 処理 Y シーケンス回路の設計法１ タイムチャートなどから直接ラダ－図を作る 揚水ポンプ，Y－Δ起動などの設計例 同期順序回路の設計手法を用いる（電磁リレーは不可） 00 入力 入力 論理 回路 FF群 クロック FF群の出力と入力から 次の状態を作っておく 出力 論理 回路 10 01 たとえば状態00の時，入力論理回路で 次の状態01を作っておく。すると次のク ロックでFF群はこの01を読み込んで01 になる。 同期順序回路によるシーケンス制御の設計 揚水ポンプ制御装置の設計 LSL=0/1 LSU=0 モータ ON LSU=1 LSL=1 LSU=0/1 モータ OFF LSL=0 LSU,LSLが押されているとき「１」 M LSL LSU 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 M’ 1 X 0 0 1 X 1 0 出力はモータM，１つだけなのでFFは１個 前の状態mとクロック入力後の状態Mお よび入力の関係を示すと左のようになる。 ×は存在しない状態を表す 上の真理値表からカルノー図 を描いて入力論理回路を作る 同期順序回路２ M カルノー図を描いて論理式を求める 0 1 LSL LSU 00 01 11 10 1 X 1 X 1 LSL LSU M 完成した同期順序回路 入力論理回路 シーケンス回路の設計法３ 非同期順序回路の設計手法をもちいる 非同期順序回路 出力が入力側にフィードバックされているディジタル回路。出力 X1 X n と 入力 x1 xn は最終的には等しくならなければならない。 等しい状態 安定 等しくない状態 不安定（過渡状態） x1 xn X1 X n x1 xn X1 X n Δ 安 定 不 安 定 Δ 安 定 不 安 定 非同期順序回路の解析 ＳＲフリップ・フロップの解析 S g2 g1 R 論理式から遷移表を作る G1 G2 外部入力 S, R は横 g1 0 内部入力 g1, g2 は縦 枠の内部に出力 G1,G2 を書く 論理式 G1 g2 S G2 g1 R 大文字は出力 小文字は入力 出力は論理式から求める。 G1 は S 1 または g2 0 のとき１ G2 は R 1 または g1 0 のとき１ 非同期論理回路の解析２ S, R S, R g1, g2 00 01 11 10 00 １１ 01 00 10 01 11 01 01 11 11 11 11 11 11 10 11 11 10 10 G1,G2 g1, g2 と G1,G2 が等しいと安定であ るから丸をつける 外部入力 S, R が変化したとき出 力 G1,G2 がどのように変化するか を調べる g1, g2 00 01 11 10 00 １１ 01 00 10 01 11 01 01 11 11 11 11 11 11 10 11 11 10 10 最初黄色の状態にあったときSR が10になったらどうなるだろうか 安定なのでここに落ち着く 入力を変化させてSR=10に移動 そこは11で不安定なので縦方向 この11が次の内部入力となるの ここも不安定なので，g1g2が10 する に移動する。どこへ？ で，g1g2が11の場所に移動す の場所に移動する る 非同期順序回路で揚水ポンプを設計する1 出力は M １つ 入力は 外部 LSL，LSU 内部 m 入力 出力 M 遷移表を作る 入力は２なので列数は22=４ 出力は１なので行数は２1=2 00 遷移図より遷移表を作る m 0 1 LSU LSL 01 11 10 非同期順序回路で揚水ポンプを設計する２ 1. 2. 3. 4. 5. 6. モータOFF，LSU LSL=01の時を開始点と する。この時には安定なので丸をつける。 水位が下がってLSL=0になると左に移動 する。この時ポンプを起動する必要があ るので不安定で下に移動。 ポンプ起動で安定。貯水槽に水が入ると 再びLSL＝１になるので④に移動する。 さらに貯水槽の水位が上がって満水にな るとLSU=1になる。 満水なのでポンプを停止させる。そのた めには不安定でなければならない。 ポンプ停止状態で安定。再び起動するの はLSU LSL=00になったとき。 LSL=0/1 LSU=0 モータ ON LSL=1 LSU=0/1 モータ OFF LSU=1 LSL=0 LSU,LSLが押されているとき「１」 m 00 LSU LSL 01 11 0 2 ① ⑥ 1 ③ ④ 5 10 重 要 遷移表において，入力が変化した時には横方向へ，出力が変 化する時には縦方向に移動する。 非同期順序回路で揚水ポンプを設計する1 出力は M １つ 入力は 外部 LSL，LSU 内部 m 入力 出力 M 遷移表を作る 入力は２なので列数は22=４ 出力は１なので行数は２1=2 00 遷移図より遷移表を作る m 0 1 LSU LSL 01 11 10 非同期順序回路で揚水ポンプを設計する２ 1. 2. 3. 4. 5. 6. モータOFF，LSU LSL=01の時を開始点と する。この時には安定なので丸をつける。 水位が下がってLSL=0になると左に移動 する。この時ポンプを起動する必要があ るので不安定で下に移動。 ポンプ起動で安定。貯水槽に水が入ると 再びLSL＝１になるので④に移動する。 さらに貯水槽の水位が上がって満水にな るとLSU=1になる。 満水なのでポンプを停止させる。そのた めには不安定でなければならない。 ポンプ停止状態で安定。再び起動するの はLSU LSL=00になったとき。 LSL=0/1 LSU=0 モータ ON LSL=1 LSU=0/1 モータ OFF LSU=1 LSL=0 LSU,LSLが押されているとき「１」 m 00 LSU LSL 01 11 0 2 ① ⑥ 1 ③ ④ 5 10 重 要 遷移表において，入力が変化した時には横方向へ，出力が変 化する時には縦方向に移動する。 非同期順序回路で揚水ポンプを設計する３ 1. 安定な部分はMとmが等しい， すなわちMは横の値と等しくな る。不安定な場合は，縦方向の 移動先と同じになるのでその値 を表に書き込む。また，何もな い部分は×を書き込んでおく。 2. 遷移マトリックスはカルノー図と 同じなので，簡単化した式を書 き出す。 M LSU LSL LSU m LSU LSL m m m 00 LSU LSL 01 11 0 2 ① ⑥ 1 ③ ④ 5 00 LSU LSL 01 11 10 0 1 0 0 × 1 1 1 0 × LSU m 10 LSU LSL 自動ボール盤の設計１ 自動ボール盤の動作 自動ボール盤の設計２ １ スタートボタンSBを押す 被加工物（ワーク）を固定するため油圧バルブVｃをONにする。 自動ボール盤の設計３ ２ 主軸を降下させる（急速降下） ワークが固定（クランプ）されてリミットスイッチLS1が押されたら主軸 上下用バルブの降下用ソレノイドを駆動する。主軸が降下するとLS2 は離れる。 主軸 自動ボール盤の設計４ ３ 主軸を降下させる（加工速度降下） LS3はドリルが被加工物の直前まできたら押される。ここからは穴開 け加工をするために主軸をゆっくり降下させると共に，ドリルを回転 させる。そのため，緩降下バルブのソレノイドと主軸駆動モータをON にする。 ドリル 自動ボール盤の設計５ ４ 主軸を上昇させる（モータ回転） ドリルの先端が規定の穴の深さに達すると，LS4がオンになるので 主軸を上昇させる。ドリルがワークの中に残っている間は主軸を回 転させておく必要があるので，モータはONのままである。 自動ボール盤の設計６ ５ 主軸を上昇させる（モータ停止） 加工をしていなくても，摩擦などを減らすため，ドリルがワークの中に 残っている間は主軸を回転させておく必要がある。LS3が押された時に はドリルの先端はワークの外に出ているのでモータを停止させる 自動ボール盤の設計７ ６ クランプを解除する 主軸が完全に上がりきってLS2が押されると穴あけ作業は終了したの で，VcをOFFにして，ワークのクランプを解除する。 するとLS1は押されなくなり，最初の状態に戻る。 自動ボール盤の設計８ 設計のポイントタイムチャートを見て作りやすいところから手をつける 1. VuはLS4でセット，LS2でリセットの自己保持で実現できる。 2. VsはLS3でセットして，LS4でリセットするが，ステップ５で再びセットされ ないようにLS3をVuで禁止する。 3. MはLS3かつVdの時にセットする。またり セットはLS3かつVuでリセットすればよい。 ただし， LS3 Vu となるので注意のこと 4. VdはLS１をVuで禁止することにより得られ る。 5. Vｃはリミットスイッチや制御器具の信号か ら直接生成することはできない。SBでセッ トはできるが，リセットではLS2が押された 時となるが，スタート時にLS2が入ってい るのでセットできない。補助リレーXを用い て図のようなタイミングを作りリセットする。 プログラマブルコントローラ Programable Controller(PC) シーケンサとも呼ばれる プログラマブルコントローラの内部構成 シーケンサの制御プログラム ユーザプログラム データ一時記憶 パソコン コンソール プログラマブルコントローラ プログラムの入力方法 ラダー図 （パソコン入力） ニーモニック(Mnemonic) （パソコン，コンソール） LD ０１ OR ６４ ANDC ００ フローチャート等 （パソコン） フローチャート ペトリネット プログラマブルコントローラ 自己保持回路の構成例 下図のような自己保持回路をPCで実現する。 S R S F f R f 自己保持回路 F プログラマブルコントローラ プログラムの例（ニーモニック） LD OR ANDC ST 0 64 1 64 S R ANDC 1 f S S LD R ST 64 F 0 f S OR 64 f f 入力インターフェース 入力インターフェースの条件 雑音に強い 絶縁されている Vcc1 VD RD ID I D 5 20 mA VD 1.5 V IC I D Vcc2 RC IC 0.05 1.0