ハードウェア設計

電気設計で行うこと

電気仕様の確認

電線の色、径、使用機器、電線番号など詳細な仕様の確認決定を行う必要があります。

動力系配線図の設計

主に200Vや100Vの交流を使用した電気回路のことをいいます。

直流でも高圧であるときや電流が多い場合に”動力系”ということもあります。

制御系配線図の設計

リレー回路やPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)の配線など、センサやランプ、マグネットスイッチなどの機械を制御するための配線図です。

盤設計

盤とは制御盤、操作盤、分電盤、中継ボックスなどを指します。

中に入れる機器のレイアウトやスイッチ、ランプの位置を示します。

操作性、運用面含め、エンドユーザ(=産業用ロボットを導入したい会社)と入念な打ち合わせが必要です。

コネクタやピンアサイン

ケーブルなどをコネクタで接続する場合のコネクタの各ピンがどの信号であるか。またコネクタの形状などが書かれた図面を確認します。

電気仕様の確認

電気は目に見えないため危険です。そこで大まか部分まで仕様を決め、それに沿った配線、機器選定、作業を行う必要があります。下記はその一例です。この仕様は導入企業が明確に決めている場合もあります。

電線の色

電圧の系統で電線の色を分ける場合が多いです。一例ですが、AC200V:黄色、AC100V:赤色、DC:青色というように分けることで、危険度が一目でわかるようにします。

電線の太さ

流れる電流を計算し、発熱による損傷がないよう電線の太さを決定します。

電線の線番号の決定

図面中の配線を行う電線には、必ず”線番”といわれる記号を記述します。実際の電線には一般的にマークチューブにその線番を印字し、端子の圧着部分に取り付けます。

盤の決定

制御盤、操作盤の位置、大きさ、防水などの仕様を機械設計者、エンドユーザと決定します。

各機器の決定

ブレーカやPLC、スイッチやランプなどの使用する機器を、エンドユーザの仕様に合わせ決定します。エンドユーザの仕様がない場合、装置に適切な機器を選定し承認を得ます。

動力系配線図

動力系配線図は高圧の電気を扱うため、まず電気の流れを切る機器の配線を考えます。これは異常な電気の流れを検知し、その回路を切断し安全を確保するためです。

機器としては「漏電ブレーカ」、「配線用遮断器(ノーヒューズブレーカ)」、「サーキットプロテクタ」などがあります。

制御機器の指令によってモータなどの機器をオン/オフするための機器を選定記述します。このとき、機器に流れる電流を考慮し、接点の容量を決める必要があります。また電気が流れた瞬間は突流電流という大量の電気が一瞬流れます。この突流電流を考慮した選定が必要となります。

機器としては「電磁接触器(マグネットコンタクタ)」、「電磁開閉器(マグネットスイッチ)」などがあります。

これらの他に電圧を下げる「トランス」やノイズの侵入を防ぐ「ノイズフィルター」、交流から直流に変換するための「スイッチングパワーサプライ」などを選定し記載します。

制御系配線図

制御系配線図はスイッチやセンサなどの信号をPLCやリレー回路に入力し、ランプ、リレーやマグネットコンタクタなどで装置を動作させるための経路を図面にしたものです。サーボモータのコントローラやロボットのコントローラとの信号との接続、ネットワークの接続なども含まれます。

入力信号

機械に取り付けられたセンサやスイッチなど、コントロール機器に情報を与える信号です。

出力信号

PLCやロボットなどのコントローラが入力情報などからの情報を元に演算し、コンベアを動作させたり、他のコントローラに指示出したりする信号です。

安全回路

非常停止スイッチを押した際や安全策の安全プラグなどの回路です。安全回路には安全リレー(セーフティーリレー)や安全PLCが使用されます。安全リレーや安全PLCは、異常が発生した場合にそれを検出する機能を有しています。また、スイッチやセンサの動作不良を検出するために1つのスイッチの接点を2つ使用し、この2つが違う動作をした際に異常とする機能や、同じ意味の出力信号を2つ出し、この2つが同じ動作をした際に異常とする機能や、同じ意味の出力信号を2つ出し、この2つが同じ動作でない場合には動かないような回路を組みます。これらは「安全カテゴリ」として”B”、”1″、”2″、”3″、”4″と5段階のレベルがあり「ISO13849-1」の要求事項及び指定構造で規定されています。

盤設計

制御盤、操作盤のスイッチ、ランプ位置、ケーブルを通すダクトの位置などを設計します。制御盤では発熱した熱を逃すためのファンや通気口の位置、機器間の隙間、ノイズの影響、漏電ブレーカなどの操作性を考慮し設計します。

操作盤では画面、ランプの見えやすさ、スイッチの操作性を考慮する必要があります。特に非常停止スイッチの高さは、人の手でとっさに操作できるよう、会社の工場の規定で細かく決められている場合があります。

ソフトウェア設計

ソフトウェア設計では、電気設計図(回路図、IO表、板金図、配線図など)により制作された機器を、仕様に沿って動作させるためのソフトウェアを設計します。

コントロールユニットにより、使用する言語とツールを決定し、それぞれ専用のソフトウェアで制御する内容を順に作りこんでいきます。

  1. 初期設定(変数/定数設定、各種コントローラ設定)
  2. 入出力
  3. エラー処理/リセット処理
  4. 手動動作
  5. 自動動作
  6. 終了

設計したソフトウェアもしくは机上もしくはシミュレータを利用して、どのように動くかをできる範囲で確認します。

実際の機器にソフトウェアをインストールして危険がないように安全性を確認しながら、段階的にソフトウェアでの動作を確認していきます。