(57)【要約】【課題】流体アクチュエータを制御するための装置及び方法を提供する。【解決手段】この装置は電気作動の制御弁を含み、流体圧力、流速、アクチュエータの変位量等のパラメータに基づいてアクチュエータの動きを制御する。このため、単一搭載型でかつプログラム可能なマイクロプロセッサ内に、種々の制御アルゴリズムをユーザがダウンロードでき、アクチュエータコントローラによって発生した信号に応答して、流体アクチュエータから入出する加圧流体の流れを制御する。種々の外部センサは、コントローラに接続され、ＡＤ変換器またはＳＳＩインターフェース等の種々の信号インターフェースを用いて、監視しかつ制御する。ローカル通信バスが、複数のスレーブアクチュエータとそれぞれ通信するのに用いられ、このバスを通じてスレーブ制御弁に送られ、前記コントローラによって発生する制御信号に応答して、複数のスレーブアクチュエータに入出する加圧流体の流れを制御する。複数のセンサは、スレーブアクチュエータの作動パラメータを測定し、かつローカルバスを通じて、前記コントローラに送られる。監視コンピュータが、複数の流体アクチュエータに閉ループ制御信号を発生させるコントローラに高レベルの指令信号を送るのに用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの動きを制御するための制御アルゴリズムを有する流体制御システムであって、
ユーザによってプログラム可能な制御アルゴリズムの全てを含むマイクロプロセッサと、
前記アクチュエータに対して加圧流体の流れを制御するための制御弁と、
該制御弁に接続され、かつ、位置信号を発生する弁位置センサと、を含み、
前記マイクロプロセッサは、前記アクチュエータを移動させるためにアクチュエータに加圧流体が入るのを可能にさせるように、前記制御弁を動かすために送信される指令信号を発生させ、これにより、前記弁位置センサが、閉ループの制御アルゴリズムに使用するための前記マイクロプロセッサに変化した位置信号を送信させることを特徴とする流体制御システム。
【請求項２】
さらに、アナログをデジタルに変換するＡＤ変換器を含み、該ＡＤ変換器は、外部センサと前記マイクロプロセッサとの間に接続されることを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
【請求項３】
さらに、ＳＳＩデバイスを含み、該ＳＳＩデバイスは、外部センサと前記マイクロプロセッサとの間に接続されることを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
【請求項４】
前記マイクロプロセッサは、応用制御アルゴリズム及び順序付けロジック部を有することを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
【請求項５】
監視コントローラとスレーブアクチュエータとを通信するためのネットワーク用バスインターフェースをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
【請求項６】
流体アクチュエータのための流体アクチュエータ制御システムであって、
前記流体アクチュエータの動きを規制するための制御アルゴリズムの全てを含むプログラム可能なマイクロプロセッサと、
該マイクロプロセッサに電気接続され、かつ、前記油圧アクチュエータに油圧接続される制御弁と、
該制御弁の位置を示す位置信号を発生するために、前記制御弁に接続される位置センサとを含み、前記位置センサは、前記マイクロプロセッサに電気接続されることを特徴とする流体アクチュエータ制御システム。
【請求項７】
さらに、センサ通信ラインを含み、該センサ通信ラインが１つまたはそれ以上のセンサに接続されることを特徴とする請求項６記載の流体アクチュエータ制御システム。
【請求項８】
作動流体は、油液であることを特徴とする請求項６記載の流体アクチュエータ制御システム。
【請求項９】
さらに、ローカル通信バスを含み、該ローカル通信バスは、前記マイクロプロセッサ及び少なくとも１つの外部センサに接続されることを特徴とする請求項６記載の流体アクチュエータ制御システム。
【請求項１０】
さらに、グローバル通信バスを含み、該グローバル通信バスは、前記マイクロプロセッサ及び監視コンピュータに接続されることを特徴とする請求項６記載の流体アクチュエータ制御システム。
【請求項１１】
流体駆動のアクチュエータを制御するための方法であって、
プログラム可能なマイクロプロセッサを含むコントローラを設け、
該コントローラに電気接続され、かつ、ユーザによって前記コントローラ内にプログラムされる、前記流体アクチュエータの制御アルゴリズム回路に油圧接続される制御弁を設けることを特徴とする方法。
【請求項１２】
さらに、アクチュエータセンサを設け、
該アクチュエータセンサは、前記流体駆動のアクチュエータに接続され、かつ前記コントローラに電気接続されており、前記コントローラは、前記アクチュエータセンサの出力を制御するために前記制御弁に信号を発生させることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記制御弁に接続され、かつ、前記制御弁の状態を示す信号を発生させる弁位置センサを設け、
前記弁位置センサと前記コントローラを接続する信号ラインを設けることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記コントローラと、少なくとも１つの外部センサまたはスレーブアクチュエータとの間に通信用のローカルバスをさらに設けることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記コントローラと、１つの監視コンピュータとの間に通信用のグローバルバスをさらに設けることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
マスターアクチュエータと少なくとも１つのスレーブアクチュエータの動きを制御するための油圧式アクチュエータ制御システムであって、
指令信号を送るための外部の監視コンピュータと、
前記マスターアクチュエータ及び前記監視コンピュータに接続され、かつマイクロプロセッサとマスター油圧制御弁を包含して、前記指令信号に基づいて前記マスターアクチュエータに加圧流体の流れを制御する油圧制御システムと、
前記マイクロプロセッサに接続された少なくとも１つのスレーブセンサ、及びスレーブアクチュエータへの加圧流体の流れを制御するための少なくとも１つのスレーブ制御弁を有し、前記スレーブセンサ及び前記スレーブ制御弁が前記マイクロプロセッサによって制御される少なくとも１つの前記スレーブアクチュエータと、を含むことを特徴とする油圧式アクチュエータ制御システム。
【請求項１７】
前記マイクロプロセッサは、ユーザによってプログラム可能な応用制御アルゴリズムを含むことを特徴とする請求項１６記載の油圧式アクチュエータ制御システム。
【請求項１８】
さらに、ネットワークバスのインターフェースを含み、該インターフェースは、前記マイクロプロセッサ及び前記スレーブアクチュエータに接続されることを特徴とする請求項１６記載の油圧式アクチュエータ制御システム。
【請求項１９】
さらに、流量コントローラ及び圧力コントローラを含み、前記マイクロプロセッサが、前記流量コントローラ及び圧力コントローラのいずれかを用いるために選択されることを特徴とする請求項１６記載の油圧式アクチュエータ制御システム。
【請求項２０】
さらに、アナログをデジタルに変換するＡＤ変換器を含み、該ＡＤ変換が、前記マイクロプロセッサ、及び少なくとも１つの外部センサに接続されることを特徴とする請求項１６記載の油圧式アクチュエータ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
単一搭載型のユーザプログラマブルマイクロプロセッサから指令信号に従って、１つまたはそれ以上の油圧アクチュエータの性能を調整する分散型制御アーキテクチャを実行するための油圧アクチュエータの制御装置。
【背景技術】
【０００２】
油圧アクチュエータを制御するための装置は、特許文献１に開示されている。この特許文献１には、位置コントローラに供給される電気信号を用いて、弁ピストンの位置を示す変位センサが開示されている。弁ピストンの位置を制御するためのコントローラは、弁のハウジングに取り付けられたそれ自体のハウジング内に配置されている。このコントローラは、電気可変入力としてコントローラに供給される位置設定点に、弁ピストンが追従することを確実にする。この場合、弁ピストンの位置は、油圧シリンダ等のアクチュエータを前後に移動して流量を制御するために弁の通路断面積の大きさを決定する。
【０００３】
コックマン（Kockemann）による特許文献２は、油圧アクチュエータを制御するためのコントローラ装置を開示しており、この油圧アクチュエータは、３つの分離したコントローラによって発生した信号に応答して、アクチュエータ内の圧力媒体の流れを制御する電気作動の油圧制御弁を含んでいる。
第１のコントローラは、制御弁内のピストンの位置を調整する。第２のコントローラは、（油圧シリンダ等の）アクチュエータの動きを指令する。第３のコントローラは、制御弁に取り付けられる共通のハウジング内に配置される。第１、第２のコントローラは、コントローラ装置の製造者によって予めプログラムされている。この装置において、第３のコントローラのみが、ユーザによって自由にプログラムすることができる。
【０００４】
この従来の装置は、油圧アクチュエータを制御するための状態フィードバック制御アルゴリズムを用いて、ユーザが第２のコントローラをプログラムすることはできない。また、この従来の装置では、開示されかつクレームアップされた、この装置におけるユーザがプログラムした状態フィードバック制御アルゴリズムを用いて、複数のスレーブアクチュエータを制御する能力がない。また、この従来の装置において、多種類の外部センサまたはスレーブ弁等の複数の装置から入力を受入れかつ処理するための能力がない。また、この従来の装置において、全てのコントローラは、単一のマイクロプロセッサに統合されるというよりも分離したマイクロプロセッサまたは電気回路から構成される。
【０００５】
従来の制御アーキテクチャは、以後、集中管理式アーキテクチャと呼び、全ての油圧軸の動きを調整する責任を負う単一ＰＬＣからなる。これは、単一機械のＰＬＣに送られる全てのセンサ信号にとって必要なことである。また、これは、全ての油圧軸に対するいくつかの状態フィードバック、閉ループ制御アルゴリズムを同時に実行するのに必要である。単一機械のＰＬＣは、各油圧制御弁に指令または操作を送る。従来の集中管理式アーキテクチャの欠点は、機械全体にわたって配線ケーブルにコストが掛かり、また、ＰＬＣパネルにおける配線が複雑になることである。さらに、費用が高いＰＬＣは、全ての油圧軸を同時に調整し、かつ油圧軸の要求された動的性能を達成するために、いくつかの状態フィードバック制御アルゴリズムを十分な制御速度で実行することが必要とされる。
【０００６】
また、従来技術において、集中管理式アーキテクチャへの改良として、全てのセンサ及び制御弁をＰＬＣにアナログ接続することが、いくつかの従来技術の設備において、フィールドバスまたはネットワークに置き換えられてきた。この設備は、リングトポロジーの形式で、いくつかのノードをＰＬＣに接続することができるため、ケーブル配線の費用及び配線の複雑化を軽減できる。ノードとＰＬＣとの間のデジタル通信を有する集中管理アーキテクチャのこの変化の欠点は、制御のアップデート率がフィールドバスまたはネットワークのバンド幅によって制限される。全てのノードが、これらのフィードバック値を８ビットまたは１６ビットのワード形式で継続して送信する必要があり、かつＰＬＣが、制御値を８ビットまたは１６ビットのワード形式で継続して送信する必要があることを考慮すると、情報が送信される速度は、フィールドバスまたはネットワークの一定のバンド幅によって制限されることを意味する。この結果は、油圧軸の性能が、中央コントローラから受け入れた操作の待ち時間に苦しむことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ドイツ国登録特許第１９５３０９３５号
【特許文献２】米国特許第６９０１３１５号明細書
【発明の概要】
【０００８】
これらの問題の解決法は、この出願に開示された形式の「分散型制御アーキテクチャ」を用いることであり、ここで、各油圧軸に対する状態フィードバック制御アルゴリズムによって、特定軸を制御する油圧弁を局所的に実行する。この「分散型制御アーキテクチャ」の利点は、複数のセンサが関連する油圧制御弁に直接接続されることであり、かつフィールドバスまたはネットワークの有効なバンド幅を必要としないことである。
さらに、油圧制御弁は、ネットワークまたはフィールドバス上を移動するデータをより減少させる集中ＰＬＣから指令を受け入れることを必要とするよりも局所的に弁自体の指令軌跡を生じさせることができる。状態フィールドバック制御アルゴリズムは、油圧コントローラ１０のマイクロプロセッサ上に組み込まれるので、制御指令をより早い速度で実行することができ、これにより、上記油圧軸の動的性能をかなり改善することができる。最後に、集中ＰＬＣは、複雑さを低減し、かつより低いコストでユニットの使用を可能にして、かなり単純化する責任を負っている。新しい中央コンピュータは、各油圧軸の動きを調整する監視ＰＬＣとなるが、各油圧軸を継続してモニターしかつ操作する必要はない。
【０００９】
代わりに、監視ＰＬＣは、「スタートプロファイル(Start Profile)」ビットを分散型コントローラに伝送する。分散型コントローラは、この「スタートプロファイル」ビットを受け取り、このプロファイルを実行して「プロファイルコンプリート(Profile Complete)」ビットを用いて応答する。新しい監視ＰＬＣは、各分散型コントローラの状態及び欠陥状態を監視し、そして、いくつかの分散型コントローラが欠陥フラグを立てた場合、適当な措置を講じる。分散型制御アーキテクチャにおけるネットワークまたはフィールドバスの通信トラフィックは、デジタルセンサワード及びデジタル操作ワードの連続する送信から状態及び欠陥ビットの周期的送信に縮小される。
【００１０】
さらに、典型的な油圧制御システムは、ユーザによってプログラムされるマイクロプロセッサベースの制御アルゴリズムを可能にしており、製造業者だけによるものではない。これにより、プログラムのより柔軟性を可能にし、かつ、ユーザの知的所有権を保護する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、油圧アクチュエータに接続された模範的な流体制御装置の概略図である。
【図２】図２は、制御回路基板内の複数のモジュールの配置と種々の入力及び出力を示す概略図である。
【図３】図３は、一連のスレーブアクチュエータに接続された典型的な流体制御装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面に従う考察と、図面において開示されたシステム及び方法への事例的なアプローチが詳細に示されている。図面は、いくつかの可能なアプローチを示すが、これらの図面は、寸法及び特徴について、本発明の開示をより明確に説明するため誇張され、取り除かれ、部分的に区分されている。
さらに、ここに開示する記述は、包括的であり、さもなくば、図面に示された正確な形状及び構成は、請求項の記載を制限することを意図するものではなく、以下に詳細な記述によって開示される。
【００１３】
さらに、多数の定数が、以下の考察において紹介される。いくつかの場合において、定数の実例値が与えられる。他の場合には、特定の値は与えられない。この定数の値は、関連するハードウエアの特性及び開示システムに関連する作動条件及び環境条件と共に互いの特徴による相互関係によって決まる。
【００１４】
図１は、油圧アクチュエータ１２を制御するための制御装置の概略図を示す。ハウジング１４は、油圧制御弁１６に取り付けられる。この制御弁１６は、側面からの斜視図として図示されている。制御弁１６は、油液等の作動流体の流れを制御する。油液は、ポンプ１８で加圧され、制御弁１６を通って最終的に油圧アクチュエータ１２に供給され、さらに、アクチュエータ１２から戻りタンク２０に戻る。
【００１５】
典型的な実施形態では、アクチュエータ１２は、図１,２,３に示された油圧シリンダであり、これは、両頭式シリンダとして説明されているが、適切な他のアクチュエータとすることもできる。たとえば、アクチュエータ１２は、差動シリンダまたは油圧モータとすることができる。油圧ホースまたは油圧管は、制御弁１６からアクチュエータ１２に接続され、ポンプ１８に接続されるポンプ接続具Ｐと、制御弁からタンク２０への接続具Ｔとによって設計されている。また、油圧ホースまたは油圧管用のＡ及びＢは、制御弁から両頭シリンダのアクチュエータ１２へ接続される。シャトル弁またはスプール弁（図示略）または他の形式の弁装置の位置ｘを測定するための変位センサ２８が、制御弁１６に含まれている。変位センサ２８は、制御回路基板２６に接続され、この基板２６は、弁ピストンの位置ｘを電気信号ｘiに変換し、コントローラ１１内において処理され、スプール位置の実測値の処理された位置として供給される。ソフトウエアは、入力及び出力のインターフェースとともにマイクロプロセッサ３２内で機能し、また、コントローラ１１の他の特徴が、図２に関して詳細に考察される。
【００１６】
再び図１を参照すると、典型的な油圧制御装置１０が油圧アクチュエータ１２に油圧で接続された概略図が示されている。コントローラ１１を含むハウジング１４は、油圧制御弁１６に取り付けられる。この制御弁１６は、側面から見た斜視図で示される。制御弁１６は、加圧された油液又は圧力ポンプ１８から圧力ラインＰを介して油圧アクチュエータ１２に流れ、そして、タンクラインＴを介して保持タンク２０に戻る作動流体の流れを制御する。
【００１７】
図１において、油圧アクチュエータ１２は、複式の油圧アクチュエータとして示され、このアクチュエータは、出力軸を有し、この出力軸２２に接続されるピストン２４のいずれか一方に作用する加圧流体によって、出力軸２２が一方向および他方向に駆動される。内部的には、制御弁１６は、少なくとも１つの高速の電磁式アクチュエータ（図示略）を含み、このアクチュエータは、制御弁１６内でスプールを位置決めるため、コントローラ１１から信号を受け入れて反応する。制御弁１６は、第１スプール弁が第２スプール弁等に供給する加圧油圧流体の流れを制御するために使用される段階的スプール弁を用いることができ、第１段階では、図１において、シリンダーアクチュエータ１２として示すシリンダまたはモータ等のアクチュエータに加圧された油液の流れを制御する。
【００１８】
さらに図１を参照すると、両頭シリンダ１２を制御するために図１に図示されたコントローラ１１のブロック回路図が示されている。コントローラ１１には、制御弁の位置ｘとその結果のアクチュエータ１２のピストンの位置を制御するため、実測値として変位センサ２８からの出力信号ｘiが供給され、さらに、コントローラへの入力信号として、アクチュエータ１２からの位置信号または圧力信号を伴う、セット点信号ｘsが供給され、アクチュエータ１２の性能を制御するための閉ループの制御システムが提供される。
【００１９】
コントローラ１１の出力段階は、制御弁１６に内蔵される電磁アキュムレータの複数のコイルにより電流ia及びibが供給される。これらの電流は、スプールを位置決めるのに役立ち、アクチュエータピストン２４を移動させ、信号ｘsによって定められた位置をとるように、流体ラインＡ及びＢを介してアクチュエータ１２に供給される加圧油液または他の加圧流体の流れを制御する。その結果、アクチュエータピストン２４またはピストンロッド２２の位置の実測値が、できるだけ早く所望のセット点に従うことになる。
重要なことは、コントローラ１１は、マイクロチップまたはマイクロ−コントローラ３２に基づいて、望むならば、製造業者によってプログラムすることができる通信ライン４８または３４を介してユーザによって自由にプログラム可能となる。
【００２０】
制御弁１６または両頭シリンダ１２の間の流体接続部Ａ及びＢは、共通に用いられる油圧接続ライン及び取付具を介して接続される。両頭シリンダ１２のピストンロッド２２は、変位センサ２３を備え、ピストンロッド２２の位置を電気信号siＣｐに変換する。この信号siＣｐは、位置の実測値として、コントローラ１１に、さらに、マイクロプロセッサ３２に供給される。信号xiＣｐと区別することによって、両頭シリンダーアクチュエータ１２のピストンロッド２２の実際の速度値は、必要とするならば、速度制御として得ることができる。制御弁１６と一体の圧力センサ２５は、インターフェースラインＰ及びＴのみならず、ワークポートラインＡ及びＢにおける圧力を測定し、さらに、コントローラ１１に信号Ｐa、Ｐb、Ｐs、Ｐtを供給する。
【００２１】
さらに、信号Ｐa、Ｐb、Ｐs、Ｐtに加えて、コントローラ１１に位置センサ２８から弁ピストンの位置の実測値xiが供給される。信号Ｐa、Ｐb間の重み付けされた圧力差から、両頭シリンダーアクチュエータ１２のピストンロッド２２に作用する力の尺度である実際の圧力値piが計算される。インターフェース圧力Ｐs、Ｐtは、ポート圧力Ｐa、Ｐbおよび弁ピストン位置xiと関連付けて用いられ、シリンダーアクチュエータ１２に流入または流出する流量を計算する。
【００２２】
コントローラ１１は、単一のマイクロプロセッサ３２として構成され、閉ループデジタル制御システムの一部分である。それゆえ、マイクロプロセッサ３２は、シリンダーアクチュエータ１２に供給される流体圧力を究極的に制御するために、圧力または流量制御のアルゴリズムを処理し、さらに加えて、シリンダーアクチュエータ１２のピストンロッド２２の位置制御のためのアルゴリズムを処理することができる。
【００２３】
上述した位置制御の代わりに、速度制御、力制御、または圧力制御が、デジタルコントローラ１１によって実行することができる。この装置は、単一のマイクロプロセッサ３２に直接、それら自体の状態フィードバック制御アルゴリズム、シーケンスロジック、及び指令プロファイルをプログラムするためにエンドユーザ用のプラットフォームを備えている。選択的に、この制御ソフトウエアは、製造業者によってプログラムすることができる。さらに、上述した位置制御に加えて、ユーザに考えられる他の制御アプリケーションは、コントローラ１１内に制限することなくプログラムされる。
【００２４】
・ｐＱポンプ制御
・ｐＱシリンダ制御
・負荷感知ポンプ制御
・単一軸制御
・圧力及び温度が補償された流量制御
・圧力制御
・同軸制御（マスター／スレーブ）
・２つのスプールメータイン／メータアウト制御（マスター／スレーブ）
・パラレル流量制御
・安全シャットオフの制御
・予知及び診断（関連した弁及び機械）
【００２５】
コントローラ１１は、マイクロプロセッサ３２の回りに集中し、ＮＣおよび／またはＰＬＣ機能を有する自由にプログラム可能なシーケンスコントローラである。この場合、ＮＣは、数値制御用の機械制御システムに用いられることを指し、ＰＬＣは、プログラマブルロジックコントローラ用に用いられることを指す。また、マイクロプロセッサ３２は、自由にプログラム可能な状態フィードバック制御アルゴリズム用のプラットフォームを与える。マイクロプロセッサ３２のプログラムは、外部からユーザの知的所有権を保護するためにユーザによって実行される。機械上の油圧軸を制御するために油圧値を用いる多くのＯＥＭメーカーでは、油圧軸制御の分野における彼らの知的所有権を保護することを望む。彼らは、油圧軸の制御が、他の機械製造業者に対して、主たる資産及び競争上の優位性になると考える。ここに要求された油圧制御システム１０は、彼ら自身の制御ロジック、状態指令プロファイル、及び状態フィードバックアルゴリズムをプログラムする、エンドユーザのためのプラットフォームを提供する。それゆえ、その機械製造業者に彼らのＩＰを保護するための能力を与えることになる。
【００２６】
自由にプログラム可能なプラットフォームを提供することに加えて、ここで要求する油圧制御システムは、多軸制御用の「分散型制御アーキテクチャ」とすることができる。一般的な機械において、同期に制御されることが必要ないくつかの油圧軸がある。
以後、「中央化制御アーキテクチャ」と呼ぶ技術制御アーキテクチャの現在の状況は、全油圧軸の動きを調整する責任がある単一のＰＬＣから構成される。これは、単一機械のＰＬＣにつながる全てのセンサ信号が必要となる。また、これは、単一のＰＬＣが、全ての油圧軸のための、いくつかの状態フィードバック、閉ループ制御アルゴリズムを同時に実行する必要がある。単一機械のＰＬＣは、各油圧制御弁に指令または操作を送る。
【００２７】
中央化制御アーキテクチュアの欠点は、機械全体にわたりケーブルをつなぐこと、及びＰＬＣパネルにおける配線の複雑化のためにかなりの費用がかかることである。
さらに、コスト的には、ハイエンドのＰＬＣは、全ての油圧軸を同時に調整することが必要であり、また、各油圧軸の必要な動的性能を達成するために、十分な制御速度で、いくつかの状態フィードバック制御アルゴリズムを実行することが必要である。
【００２８】
「中央化制御アーキテクチャ」への改善として、ＰＬＣに備える全てのセンサ及び制御弁のアナログ的な連結が、いくつかの据付におけるフィールドバスとネットワークによって置き換えられる。この据付は、いくつかのノードが、リングトポロジーにおけるＰＬＣに接続できるので、ケーブルの費用及び配線の複雑化を低減することができる。複数のノードとＰＬＣの間のデジタル通信を備える中央化制御アーキテクチャのこの変動への欠点は、フィールドバスまたはネットワークの帯域によって制限されていることである。
【００２９】
全てのノードが、８〜１６ビットのワード形式でフィードバック値を継続して送信することを必要とし、かつ、ＰＬＣが、８〜１６ビットのワード形式で、制御弁への操作を継続して送信する必要があることを考慮すると、情報が送信される速度は、フィールドバスまたはネットワークの一定の帯域によって制限されることを意味する。その結果、油圧軸の性能は、中央コントローラから受信された操作の待ち時間に悩まされる。
【００３０】
これらの問題の解決は、「分散型制御アーキテクチャ」を用いて、各油圧軸のための状態フィードバック制御アルゴリズムが、特定の軸を制御する油圧弁において局所的に実行されることである。「分散型制御アーキテクチャ」の利点は、センサが関連する油圧制御弁に直接接続され、そして、フィールドバスまたはネットワーク上の価値ある帯域をもはや必要としないことである。
【００３１】
さらに、油圧制御弁は、中央ＰＬＣから信号を受け取る必要があるよりも局所的に自身の指令軌跡を発生させることができ、中央ＰＬＣがネットワークまたはフィールドバス上のデータ伝送をさらに減少させる。状態フィードバック制御アルゴリズムが、油圧コントローラ１０のマイクロプロセッサ３２に内蔵されるので、この制御指令がより高い速度で実行され、その結果、上記油圧軸の動的性能をかなり改善する。最後に、中央ＰＬＣの責務は、十分に単純化され、複雑化を少なく、かつ、低コストのユニットを使用することを可能にする。
【００３２】
新しい中央コンピュータは、各油圧軸の動きを調整する監視ＰＬＣとなり、各油圧軸を継続して監視かつ操作をする必要がなくなる。代わりに監視ＰＬＣは、分散型コントローラに「スタートプロファイル(Start Profile)」ビットを送信する。分散型コントローラは、この「スタートプロファイル」ビットを受信し、つぎに、このプロファイルを実行して「プロファイルコンプリート(Profile Complete)」ビットを用いて応答する。新しい監視ＰＬＣは、各分散型コントローラの状態及び欠陥状況を監視する。そして、分散型コントローラが欠陥フラグを掲げた場合、適切な動作を行う。分散型制御アーキテクチャにおけるネットワークまたはフィールドバスの通信トラフィックは、デジタルセンサ及びデジタル操作の各ワード信号の継続する送信から状態及び欠陥ビットの周期的な送信に転送量を下げさせる。
【００３３】
図２を参照すると、制御回路基板におけるモジュールの配置及び種々の入力及び出力を示す概略図が図示されている。コントローラ１１は、グローバルバスシステム３４に通じる第１インターフェース１１３を有し、制御装置１０が、グローバルバスシステム３４を介して、監視ＰＬＣ６０等のより高い順位のコントローラに接続されている。コントローラ１１は、ローカルバスシステム３３を通じる第２インターフェースを有する。さらに、各々の場合において、付加的なシリンダまたは他のアクチュエータを制御するための複数の装置及びセンサがこのバスシステム３３に接続されている。このバスシステム３３は、図２において図示されるように、ネットワークまたはフィールドバスインターフェース１１３に通じる。バスシステム３３、３４は、図１,２に示すように回路基板２６に接続される。ネットワークバスインターフェース１１３等の回路基板部品を置き換えることにより、制御装置１０は、異なるバスまたはネットワークシステムに単純な方法で接続される。
【００３４】
コントローラ１１は、監視ＰＬＣ６０にグローバルバスシステム３４を介して接続される。このグローバルバスシステム３４において、監視ＰＬＣ６０は、「マスター」として指定され、弁コントローラ１１は、「スレーブ」として指定される。ローカルバスシステム３３として示される第２バスシステムは、油圧軸が２つまたはそれ以上の油圧アクチュエータ１２Ｂ及び油圧制御弁５０によって制御されるときに用いるために設けられる。
【００３５】
この例では、プレス動作におけるもので、２つの油圧シリンダが互いに並列して同一の経路に従う。この場合、コントローラ１１は、マスターとして指定され、第２油圧制御弁５０は、ローカルバスシステム３３上でスレーブノードとして指定される。コントローラ１１は、油圧制御弁１０を制御する責務があり、また、コントローラ１１は、第２油圧制御弁５０を制御する責務がある。
【００３６】
このローカルバスシステムは、ローカルバス３３を介する、例えばＣＡＮバスである。ローカルバス３３及びグローバルバス３４が複数の装置間のデータ交換を可能にするので、ＣＡＮバスは、互いに適切な通信能力を有する複数の装置及びさらに可能な装置に接続する。グローバルバスシステム３４とローカルバスシステム３３との間のデータ交換は、拡張オブジェクト辞書データベース１２４によって可能になる。このデータ交換を介して、例えば、２つのアクチュエータシリンダのピストンロッドの同期制御が、実行される。グローバルバスシステム３４は、複数の装置を監視コンピュータ６０等のより高順位のコントローラに接続する。これは、個々の装置と監視コンピュータ６０との間の通信のために用いられる。
【００３７】
図２において、監視コンピュータ６０は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）として図示されるが、また、１つのＰＣによって実行されることも可能である。グローバルバスシステム３４を介して、監視コンピュータ６０に、アクチュエータ１２から、またはオブジェクト辞書データベースに含まれるセンサデータから、または監視または制御目的のための制御弁の状態情報、または欠陥ビット、または診断データから、異なる実測値が供給される。
【００３８】
油液等の加圧された油圧流体が、油圧ラインＡおよび／またはＢのいずれかを介してアクチュエータ１２に入る。この油圧ラインの流速及び圧力は、種々のセンサ入力、及び製造業者、ユーザ、またはある第３者のプロバイダのいずれかによって供給されるアルゴリズムを用いる所望の動作指令に基づく、制御弁１６内のスプール弁（図示略）の動きに応答している。
コントローラ３２は、グローバルまたはローカルのデジタル通信システムあるいはその両方に接続することができる。
【００３９】
グローバルまたはローカルのデジタル通信システムは、ＣＡＮ等のフィールドバスまたはイーサネット等のネットワークとなり得る。コネクタ３３,３４が、ローカル及びグローバルのデジタル通信システムのそれぞれに電気接続されることが示されている。また、電気コネクタ４８,４６が図示され、コネクタ４８は、マイクロプロセッサ３２をフラッシュプログラムするのに用いることができ、また、コネクタ４６は、変位センサ、圧力センサ、温度センサ、または振動センサ等の種々の外部センサに接続することができる。外部センサのデータをコントローラ１１に転送する別のアプローチは、マルチプレックス等のシステムを用いてシリアル通信回線を用いてエンコードし、かつ、マイクロプロセッサ３２、または図２に示したＡ／Ｄ変換器１２３またはＳＳＩインターフェース１２６等の個別の通信装置を用いて、シリアル送信されたセンサ値をデコードする。
【００４０】
図２を再び参照すると、典型的な制御装置１０のコントローラ１１の図解ダイアグラムが示されている。オンボード型コントローラ１０３は、図２に破線で囲った部分を含み、また、状態フィードバック利用の制御アルゴリズムを取り扱うプロセッサ部分と、シーケンスロジック及びＣＮＣ指令プロファイルの両方を取り扱うシーケンスロジック部の両方を含む。
【００４１】
典型的な制御装置１０において、応用制御アルゴリズムがユーザによってプログラムされるが、代わりに製造業者によってプログラムされることもできるように、ソフトウエアプラットフォームが用意されている。また、ソフトウエアプラットフォームは、ユーザがシーケンスロジック及びＣＮＣプロファイルをプログラムすることを可能し、また、製造業者が代わりにプログラムすることもできる。
【００４２】
典型的な油圧制御装置１０は、カスケード接続の制御アーキテクチャを用い、これにより、シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４が最高レベルで作動する。このコントローラの機能は、監視ＰＬＣ６０から「スタートプロファイル」指令を受け取り、そして、「プロファイルコンプリート」状態を監視ＰＬＣ６０に送信することができる。最後に、シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４は、また、状態機械の現在の状態、または診断情報あるいは欠陥情報等の他の種々の状態ワード監視ＰＬＣ６０に送信することができる。最後に、シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４は、応用状態フィードバックコントローラ１０２である次のより低次のコントローラにカスケード接続で指令プロファイル及びシーケンス情報を提供する。
【００４３】
応用コントローラ１０３は、オブジェクト辞書データベース１２４に読み取り／書き込みでアクセスすることができる。このデータベースは、ＡＤ変換器１２３またはＳＳＩインターフェース１２６によって、データベースに書かれた検出データをフェッチする（fetching）ための保存場所である。このデータベース１２４は、また、ネットワーク／フィールドバス用インターフェース１１３によって送信される状態情報を保存する保存場所である。カスケード接続された次の低次のコントローラは、応用状態フィードバックコントローラ１０２である。このコントローラの機能は、リアルタイムで状態フィードバック制御アルゴリズムを実行するために、急速な固定サンプル速度でソフトウエア指令を実行することである。
【００４４】
この応用状態ビードバックコントローラ１０２は、シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４からの指令軌跡を受信し、そして、オブジェクト辞書データベース１２４を介して、検出された状態フィードバックパラメータを受け取る。これらの指令及びフィードバックに基づいて、応用状態フィードバックコントローラ１０２は、カスケード接続された次の低次のコントローラに送られるように操作を計算する。応用状態フィードバックコントローラ１０２は、ユーザによってプログラムされ、または、製造業者によって予めプログラムされる。カスケード接続された次の低次のコントローラは、制御弁ピストンコントローラ１１４または制御弁アクチュエータ電流コントローラ１１６または制御弁アクチュエータＰＷＭコントローラ１１２である。この選択は、オブジェクト辞書データベース１２４における「制御モード」パラメータを介して応用コントローラ１０３によって選択可能なソフトウエアである。制御モードにおけるソフトウエアの選択は、図２においてスイッチ１１０として図示されている。
【００４５】
スイッチ１０７の位置は、プロセッサ部分１０２によって選択され、その結果、流量コントローラ１０６がスイッチ１１０に接続されるか、または、圧力コントローラが、スイッチ１１０に接続されるかのいずれかに接続される。制御弁ピストン位置コントローラ１１４は、計算するためのソフトウエアロジックを含み、指令されたピストン位置と実際のピストン位置xiの間の誤差に基づいて電流指令を発生させる。この信号は、電流コントローラ１１６に送信される。電流コントローラ１１６は、指令された電流と検出されたアクチュエータ電流iaまたはibの間の誤差に基づいた１つのＰＷＭ指令信号を発生させる。
複数のＰＷＭ信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）の電流ドライバ１１２に送られる。このＰＷＭ電流ドライバ１１２は、電磁弁アクチュエータＡ１１８及びＢ１２０を介して浸透する電流iaまたはibを発生させ、力を生じて制御弁ピストンを動かす。この電磁弁アクチュエータ１１８および１２０は、制御弁ピストンの位置を決定し、次に、油圧アクチュエータ５２に加圧された油液の流量を制御する。
【００４６】
例として、シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４は、ユーザがプログラムしたロジック１０４に基づいて、流量制御状態フィードバックコントローラ１０６と圧力制御状態フィードバックコントローラ１０８のいずれかを呼び出し、射出成形機械で一般的に用いられるＰＱ制御アプリケーションを実行する。シーケンスロジック及びＮＣコントローラ１０４は、上記作動状態中、選択された状態フィードバックコントローラを、ユーザがプログラムした流量指令プロフィールまたは圧力指令プロフィールを与える。選択された状態フードバックコントローラの出力によって、スイッチ１１０に基づく位置コントローラ１１４、電流コントローラ１１６、または、電流ドライバ１１２への操作が成されて、制御弁スプールを最終的に位置決める。
【００４７】
同様の方法で、付加的な油圧アクチュエータが応用コントローラ１０３によってローカルフィールドバス上のスレーブ弁５０を介して制御される。所望であれば、位置コントローラ１１４または電流コントローラ１１６のいずれかまたは両方が、オブジェクト辞書データベース１２４における「弁制御モード」の選択を通じて「ソフトウエアスイッチ」を用いる処理チェインから除去することができる。図２のアイテム１１０として描かれている「ソフトウエアスイッチ」の状態は、応用コントローラ１０３によって制御される。この機構を用いて、応用コントローラ１０４によって発生した制御信号は、位置コントローラ１１４または電流コントローラ１１６またはＰＷＭ電流ドライバ１１２に直接供給することができる。
【００４８】
機械上の他の分散型油圧軸を用いて、１つの分散型油圧軸１２Ａ及び１２Ｂの高レベルの動きを調整するために、監視ＰＬＣコンピュータ６０は、グローバルネットワークバスライン３４に接続され、次に、このラインが、応用コントローラ１０３に接続される。ユーザは、監視ＰＬＣ６０によって指向される油圧軸の所望の動きまたは性能を指令するために、応用コントローラ１０３をプログラムすることができる。応用コントローラ１０３は、カスケード接続された下流のコントローラ１１２，１１４，１１６、及び同期軸制御の場合、ローカルバスネットワークを介してスレーブの油圧制御弁５０に伝送される必要な制御信号を発生させる。１つまたは複数のアクチュエータが一般的なシステムに用いられるけれども、この例では、２つのアクチュエータが示されている。
【００４９】
アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂの動きは、応用コントローラ１０３を用いる閉ループ制御である。ここで、センサの選択は、閉ループ制御の入力を与えるために用いられる。図１に示すように、アイテム２５及び図２に示すアイテム１３０は、制御弁１０からそれぞれのアクチュエータ１２へのワークポート圧力を測定するためのセンサＰa及びＰbからなる圧力センサである。圧力センサＰsは、高い圧力の流体供給ラインの圧力を測定し、また、圧力センサＰtは、戻りタンク（図示略）内の流体レベルを測定する。センサＶpは、第２ステージの制御弁スプール（図示略）の位置を測定し、一方、センサＣpは、油圧アクチュエータピストン１２の位置を測定する。付加的なセンサのデータが必要とされる応用コントローラ１０３に、それ自体の制御ロジック及びアルゴリズムをユーザがプログラムするために最大の柔軟性を与えることが認められる。
【００５０】
この目的のために、外部センサインターフェース１２５が設けられ、外部センサのデータがコントローラ１１に入る。外部センサのデータは、拡張オブジェクト辞書データベース１０３にアクセスして読み込むことにより、応用コントローラ１０３に利用可能になる。
【００５１】
拡張オブジェクト辞書１２４は、Ａ／Ｄ変換器１２３、ネットワークバスインターフェース１１３、応用コントローラ１０３、及びＳＳＩインターフェース１２６にそれぞれ接続される。ＳＳＩインターフェース１２６は、外部デジタルセンサ（図示略）からオブジェクト辞書１２４に信号を通過させる動作を行い、また、Ａ／Ｄ変換器１２３は、外部アナログセンサ１３０からの信号をデジタル化する。拡張オブジェクト辞書１２４は、複数の、較正設定、センサパラメータ、診断フラグ、制御アルゴリズムパラメータ、ゲイン表、信号閾値,及びデッドバンド等の情報及び他のデータを含む。
【００５２】
図３を参照すると、一連のスレーブアクチュエータが接続されたコントローラ１７の概略図が示されている。回路基板１１は、マイクロプロセッサ３２及びインターフェースモジュール等の種々の電気部品を含んでいる。ローカル通信信号ライン３３Ａは、ＣＡＮバスまたはイーサネットネットワーク等のローカル通信フィールドバスまたはネットワークに接続される。グローバル通信信号ライン３４は、ＣＡＮまたはイーサネット等のグローバル通信フィールドバスまたはネットワークに接続される。
【００５３】
マイクロプロセッサ３２は、ＡＳＩＣ（application Specific Integrated Circuit）のマイクロチップまたは油圧制御弁１６及びスレーブ油圧制御弁５０Ａ、５０Ｂに送られる制御信号等の種々の信号を発生させるのに必要な信号処理及びアルゴリズムサポートを与える同様の素子とすることができる。種々の油圧制御弁は、図３に示すように、バスまたはネットワーク通信システム３３上のノード５０Ａ、５０Ｂとしてコントローラ１１に接続される。
【００５４】
コントローラ１１は、マスターとして指定され、付加的な油圧制御弁は、スレーブとして指定される。また、各油圧制御弁１０、５０Ａ、５０Ｂは、油圧接続部を介してシリンダーアクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃに接続される。各シリンダーアクチュエータは、アクチュエータピストンの位置および／または速度を検出するためのセンサ２３Ａ、２３Ｂ、及び２３Ｃを実装している。各アクチュエータセンサは、インターフェース５６Ａ、５６Ｂ、及び５６Ｃを介してコントローラ１１に接続されている。インターフェース５６Ａ、５６Ｂ、及び５６Ｃは、アナログインターフェース、またはＳＳＩ等のデジタルインターフェース、またはエンコーダによって出力される個別のインターフェースとすることができる。また、アクチュエータセンサ２３Ａ、２３Ｂ、及び２３Ｃは、ローカルネットワークまたはバスシステム３３上の付加的なスレーブノードとして、コントローラ１１に結合することができる。
【００５５】
このように、コントローラ１１は、これに内蔵される油圧制御弁１０によって制御される油圧アクチュエータ１２Ａ、及び１つまたはそれ以上の付加的な油圧アクチュエータ１２Ｂ、１２Ｃを制御することができる。各油圧アクチュエータのための制御ロジック及び状態フィードバックアルゴリズムは、ここに記載したように、ユーザによってコントローラ１１内にプログラムされることができる。
【００５６】
さらに再び図３を参照すると、典型的な油圧制御システム１１の概略図が示されている。ここで、コントローラ１７は、制御弁５０Ａ、５０Ｂ等の少なくとも１つのスレーブ制御弁ユニットに制御信号を送るのに用いられる。このコントローラ１７は、ローカルバス３３に電気的に接続される。このローカルバスは、前に議論されたＣＡＮバスとして知られているものにすることができる。
【００５７】
電気通信信号は、スレーブ制御弁５０Ａ、５０Ｂの各々に接続されるローカルバス３３を通じて送られる。これらの送られた信号はエンコードされて、適切なスレーブアクチュエータ５０Ａ、５０Ｂのみが、スレーブ制御信号に応答する。スレーブ制御信号は、例えば、所望のシリンダ位置または制御弁位置または圧力レベルまたは力レベル等の変数を表す。これらの変数は、スレーブアクチュエータの性能に関連し、油圧シリンダ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの動きを検出するアクチュエータ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃの各々に、センサに接続される通信ライン５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃによって伝達される。複数のセンサからの各信号は、コントローラ１７に送られて処理され、新しい制御信号がローカルバスライン３３を介して制御弁１０、５０Ａ、５０Ｂに送られる。油圧シリンダ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの位置は、スレーブ通信ライン５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃを介してコントローラ１７に伝達される。センサによって生じた信号の各振幅は、コード化され、また多重化され、また、アクチュエータセンサ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ等のセンサは、コントローラ１７に直接結合される。
【００５８】
コントローラ１７は、グローバルバス通信ライン３４を介してＰＬＣとなることができる中央監視コンピュータ６０と電気的に相互接続される。監視コンピュータ６０は、マスターの油圧制御装置１０’を調整するためにプログラムすることができ、さらに、マスターの制御装置１０’によって発生した制御信号にスレーブのアクチュエータの性能が応答でき、マイクロプロセッサ３２によって特定される。例えば、ユーザは、マスター及びスレーブのアクチュエータ１２Ａ−Ｃの動きが順番に作動するようにプログラムすることができる。このマイクロプロセッサ３２は、ユーザによってフラッシュプログラムされ、そして、マスターの制御弁１０及びスレーブの油圧制御弁５０Ａ、５０Ｂの各々に送られる制御信号を発生させ、アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの所望の動きを生じさせる。このようにして、単一のコントローラ１１は、分散型制御アーキテクチャで仕事ができ、２つまたはそれ以上の油圧制御弁を必要とする機械において分散機能を制御する。分散型の例として、マルチ制御弁の機能が含まれ、以下の応用に制限されるものではない。
【００５９】
・同軸制御（マスター／スレーブ）
・２つのスプールメータイン／メータアウト制御（マスター／スレーブ）
・パラレル流量制御
・安全シャットオフの分散型の制御
【００６０】
マスター油圧制御弁１７は、グローバルネットワーク上でスレーブとして作用し、また、フィールドバスインターフェース３４は、監視ＰＬＣ６０によってマスターにされる。監視ＰＬＣ６０は、コントローラ１７,１７'、１７”等の機械上の他の分散型コントローラを監視及び調整する。
【００６１】
この開示は、先行する例示を参照して特定して図示しかつ記載してきたが、この説明は、開示内容を実行するための最適なモードを単に説明するものである。当業者には理解できるように、ここに記載された開示内容の説明に対して種々の変形例が、添付の請求項に記載の本発明の精神及び範囲から逸脱しないで実施することができる。添付の請求項は、本発明の範囲を定め、その方法及び装置は、請求項に記載の範囲内にあり、かつ、これによって、それらの等価物は包含される。本発明の記述は、新規でかつ自明でない要素の組合せを含み、特許請求の範囲は、本願または後願の中に新規でかつ自明でない要素の組合せを提示するものである。さらに、先行する説明は、例示的なものであり、また、単一の特徴または要素は、本願または後願の中に包含される全ての可能な組合せにとって本質的要素ではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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