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B6Components

ネットワークにつながる油圧機器

産業用ネットワークEtherNet/IP TM対応電磁比例弁用デジタルコントロールアンプ「ERD-20」
Hydraulic Unit with Network Connectivity
Digital Control Amplifier "ERD-20" for Electromagnetic Proportional Valve
It supports industrial network protocol, EtherNet/IPTM
キーワード

電磁比例弁・電磁比例弁用アンプ・デジタル制御
産業用ネットワーク・EtherNet/IP TM・工作機械

油圧事業部／油圧建機技術部

前原 貴裕 Takahiro Maehara

45Components
ネットワークにつながる油圧機器 産業用ネットワークEtherNet/IP TM 対応電磁比例弁用デジタルコントロールアンプ「ERD-20」

要 旨

1. はじめに

近年、デジタルネットワーク技術の急速な進歩により、

NACHIは、1960年代のソレノイドバルブの販 売

様々な産業分野でIT化やIoT化がすすんでおり、油圧開始後、電磁比例弁とそれを制御するためのアンプを機器においてもその例外ではない。

あわせて開発・販売し、ユーザーの多様なニーズに対応油圧機器をデジタル制御化するうえで最も代表的なしてきた。近年ではデジタルネットワーク技術の急速なものが電磁比例弁と、それを制御するためコントロール進歩により、様々な産業分野・産業機器においてIoTアンプである。

化が求められている。油圧機器においても例外では※1

今回、産業用ネットワークのEtherNet/IP 通信にTM対応し、ネットワークにつながる油圧機器として、電磁比例弁用小型多機能デジタルコントロールアンプを開発した。その特長を紹介する。

なく、デジタル制御やネットワークへつながる製品が求められている。
本稿では、油圧により制御される産業機械の自動化やIoT化をすすめるため開発した、産業用ネットワーク
EtherNet/IPTM通信対応の電磁比例弁用小型多機能デジタルコントロールアンプ「ERD-20」
を紹介する
（図1）
。

Abstract
In recent years, due to a rapid advancement ofdigital network technology, IT and IoT support are
advancing in various industrial sectors. This is not
an exception in the hydraulic unit field. The items
typically used for digital control of a hydraulicunit are an electromagnetic proportional valve anda control amplifier for controlling the valve.
NACHI has developed a small, multi-functional
digital control amplifier that supports and connects
to industrial network, EtherNet/IPTM. Introduced
here are its features.

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NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

39 B6

図1

デジタルコントロールアンプ「ERD-20」

2. 従来のアナログコントロールアンプ
油圧装置では、作動油の圧力・流量・方向を制御

3）駆動状態の情報取得して機械に所定の動作をさせている。例えば、射出コントロールアンプは、エラーの発生やソレノイドに成形機やプレス機械、工作旋盤は油圧装置を利用した流れている電流値など、内部の駆動状態を上位コント代表的な機械である。これらは、金 型や工作物がローラ（PLCなど）に通知する機能を有している。その変わると圧力や流量を適切に調整する必要がある。

方法は、コントロールアンプに準備されている出力端子

この調整用の油圧装置として電磁比例弁とそれをからのON/OFF信号やアナログ信号を上位コントローラ駆動するためのコントロールアンプはよく知られている。に接続することで実現している。ただし、出力端子のこれらは、電磁比例弁のソレノイドに流す電流の大きさを数には限りがあるため出力が可能な情報は限定されてコントロールアンプにより制御することで圧力や流量をしまう。

調整する。電磁比例弁は一般的に、電流の大きさに比例して圧力・流量が変化する特性をもつ。一見してシンプルな特性をもつが、従来のアナログコントロールアンプ（図2）では次のような点が指摘されていた。

図2

アナログコントロールアンプ例（赤枠内：アナログボリューム）

1）調整のばらつき
アナログコントロールアンプで電磁比例弁の電流量を調整するためには、アナログボリューム（図2赤枠）による調整が一般的であるが、手動による調整になるため調整値に個体差・ばらつきが生じてしまう。

2）外的要因による最適調整値の変化
ある加工条件の最適な調整値は、作業開始時と作業中とでは、ずれが生じてしまう。この一因として、作動油の温度変化が挙げられる。温度によって作動油の粘性が変化することで、圧力や流量が変動する。
このためソレノイドへ一定の電流を流していても圧力が変動してしまう。このような外的要因による調整値ずれを回避するためには、作動油の温度変化に応じて都度コントロールアンプへの指令値の調整が必要となる。
NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

39 B6

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Components
ネットワークにつながる油圧機器 産業用ネットワークEtherNet/IP TM 対応電磁比例弁用デジタルコントロールアンプ「ERD-20」

3.「ERD-20」の機能
今回開発したNACHIの「ERD-20」は、マイコンを搭載したデジタルコントロールアンプである。従来のアナログコントロールアンプと比 較して複 雑な演算処理やデジタル処理を実現している。次に「ERD-20」の特長を示す。

1）パラメータのデジタル管理
先にも述べたが、従 来 のアナログコントロールアンプでは、調整 値にばらつきや個体差が生じる。
「ERD-20」では、調整 値をデジタル値のパラメータとして設定・管理することができるため、ばらつきのない一意の値として設定することが可能となっている。
設定方法は、本体の直接操作とデジタル通信によって行なう方法がある。直接操作は、本体に搭載されている7セグメントLEDの表示とボタン操作にて行なう。
デジタル通信ではPCと「ERD-20」をUSBで接続することで、専用のツールソフトウェア（図3）からパラメータを設定することが可能である。さらに、設定されているパラメータを「ERD-20」から一括で読み出し、PCへ保存することも可能であるため、図4のように保存した

図3

ツールソフトウェア設定画面

設定パラメータを別のデジタルコントロールアンプへ一括展開することも可能である。
従って、コントロールアンプ毎にボリュームを回して微調整を行なう作業から解放され、ばらつきのないPCパラメータを素早く確実に展開することが可能となっている。

同一パラメータを展開可能
パラメータ読出し

図448

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

39 B6

同一パラメータを水平展開

2）センサーフィードバック機能
デジタルコントロールアンプの「ERD-20」は、電磁「ERD-20」にセンサー信号を入力するだけで、フィード比例弁の制御結果である圧力もしくは流量センサーバック機能が完結するため、上位コントローラでフィード値を直接取得することができる。
「ERD-20」は、このバック回路やプログラムを構築する工数を削減するセンサー値と外部コントローラからの目標値との差分をことができる。

検知し、圧力や流量を一定に保つようソレノイド電流をさらに、「ERD-20」ではセンサーフィードバックの自動的に調整するフィードバック機能を搭載している。

制御アルゴリズムに改良を加えたことにより、圧力変動

この機能により、油温変化などの外的要因による圧力への追従性が向上している。図7、図8にアルゴリズム変動が生じた場合でも一定の圧力を保持することが改良前後の流量−圧力特性を示す。図8は、上位コント可能となっている。

ローラから指令値の4.0MPaを指示し、流量を変化

図5、図6に圧力フィードバック機能が有効・無効のさせても高い追従性を実現していることが確認できる。

ときの油温－圧力特性を示す。図6はフィードバック機能が無効になっているため、油温が上昇するにつれ圧力が低下しているが、図5はフィードバック機能が有効に働き、圧力を一定に保持していることが確認できる。
2524

センサーフィードバックアルゴリズム改良前
流量－圧力特性

22212019

圧力（MPa）

圧力（MPa）

231817161525

図530354045
油温（℃）

505560

フィードバック有効

54.5
4
3.5
32.5
21.5
10.50

圧力（MPa）

0

図725
24
22

68
流量（L/min）

1012

改良前の流量－圧力特性

圧力（MPa）

2120

圧力（MPa）

圧力（MPa）

4

センサーフィードバックアルゴリズム改良後
流量－圧力特性

2319181716152

油温－圧力特性（圧力フィードバック有効）

25

図630354045
油温（℃）

50556054.543.532.521.510.5002

フィードバック無効

油温－圧力特性（圧力フィードバック無効）

図8468流量（L/min）

1012

改良後の流量－圧力特性

NACHI TECHNICAL REPORTVol.

39 B649

Components
ネットワークにつながる油圧機器・ 産業用ネットワークEtherNet/IP TM 対応電磁比例弁用デジタルコントロールアンプ「ERD-20」

3）EtherNet/IP TM通信への対応

4）仕様

従来、生産システムのネットワークでは、様々な通信「ERD-20」は、EtherNet/IPTM通信の対応形式と規格が乱立していたが、現在は産業用イーサネットに非対応形式の2種類がある。図10に形式を示す。なお、置き換わっている。この産業用イーサネットの規格のEtherNet/IPTM 通信の対応形式品は、非対応品のひとつにEtherNet/IPTMがある。EtherNet/IPTMは、外形と高さのみ異なる。図11に外形寸法図、図12にIEEE802.3の標 準イーサネットの規 格に対応して仕様一覧を示す。

いるため、一般的なRJ45のLANコネクタで対象機器と技術進歩に追従することが容易であるという利点がある。

ERD－P A5 D6（－EI）－D2－20
デザインナンバー
電源符号：DC24V電源
EtherNet/IP対応（オプション）
デジタル入力端子：6入力
アナログ入力端子：5入力
パネル取り付け型
小型・多機能デジタルコントロールアンプ「ERD-20」がEtherNet/IPTMに対 応することで次の利点が挙げられる。
先にも述べたが、コントロールアンプの内部状態を上位コントローラに伝達するためには、個別に物理結線をする必要があり、結線できる数にも制限があった。

図10「ERD-20」がEtherNet/IPTMに対応することで、今まで個別に結線したものがLANケーブル1本で双方向の伝達が可能になる。さらに、伝達することのできる情報量も増え、上位コントローラからの指令値は当然

形式（EI付きが対応品）

2×φ4.5

出力表示ランプ
5個
7セグメントLEDのこと、エラー発生時の情報や、エラー解除信号、ソレSOL211010289

操作ボタン

このように様々な情報をEtherNet/IPTM通信によって変換器を用意することなく、シームレスな通信が可能

1.AI1
2.ACOM1
3.AI2
4.ACOM2
5.P24
6.AN1
7.ACOM3
8.DGND
9.DI1
10.DCOM
11.AI312.ACOM4
13.AN2
14.P5
15.N5
16.DI2
17.DI318.DI419.DI520.DI6

油圧力指令
エラーリセット指令 など

RLY1PWR

MODE

RLY2
SOL1
SOL2SETTB1111122

133

144

155

166

1771881992010TB3
12345

1.AI4
2.ACOM5
3.P24
4.AI5
5.ACOM65092

TB1TB3miniUSB typeB端子

2×φ4.5×10miniUSB typeB端子30.4となり、工場のFA化に貢献できる。

RLY2

RLY1（37.5）

伝達することができるため、上位コントローラとの間にSOL1

DC24V

電源表示ランプ4個なる（図9）。

1. 2. +
3.
4.
5.
6.
7. +
8. 9. +
10. -10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

TB2

ノイドに流れる実際の電流値、圧力センサー利用時には圧力信号など、様々な入出力信号の送受信が可能に

TB2

45.4（52.5）

接続することが可能である。さらに、標準イーサネットのEtherNet/IP用 RJ-45端子

ERD-PA5D6-D2-20

ERD-PA5D6-EI-D2-20
EtherNet/IP対応品の外形は、高さのみ異なります。

図11

実際の油圧力実際のソレノイド電流
エラー情報 など

図950

EtherNet/IP TM 通信でのデータ伝送

NACHI TECHNICAL REPORTVol.

39 B6外形寸法図

項目

仕様

電源電圧／消費電流

DC24V（22～30V）／最大2.2A

使用周囲温度／湿度

指令入力方法

入力信号
出力信号

0～55℃／90%RH以下
アナログ電圧入力

アナログ入力で最大２台同時の比例弁を駆動できます。

接点入力

接点入力で動作電流を指令できます。

ビットパターン入力

比例弁１台：32パターン

EtherNet/IP

周期的なデジタル通信で指令できます。

アナログ入力端子

DC0～１０V入力：4ch DC±10V：1ch

デジタル入力6chの接点入力

ソレノイド出力

0～900mA：2ch

信号出力

電流波形出力や圧力センサー電圧を出力可能：2ch

比例弁２台：16パターンの動作電流を制御できます。

表示および、操作方法

LED表示、5桁表示、４つの操作ボタン

USB端子

miniUSB typeB

対応比例弁

圧力制御弁、流量制御弁、方向流量制御弁

EtherNet／IP仕様

アダプタ動作海外安全規格対応

CEマーキング（自己宣言）

図12

コンフォーマンステスト CT-18で実施

仕様一覧

4. おわりに
工作 機械、プレス機械、成形機など油圧を利用している多くの機械分野での自動化のために、今後ますます油圧機器の電子制御化がすすんでいくと考えられる。今回紹介した産業用ネットワーク対応の電磁比例弁用デジタルコントロールアンプは、そういった電子制御化を推進していくうえで重要なアイテムとなる製品と考えている。
とくに単純な油圧力の指令だけでなく、常時、油圧機器の状態をモニタすることができるようになると、その大量のデータ（ビッグデータ）を利用して、油圧機器の予防保全などへ応用できる。
また、電子制御化とともに、今後増加すると予想されるカーボンニュートラルの要望に対応し、よりよい油圧機器とその周辺装置を低コストで提供し、社会に貢献していきたい。

用語解説・引用※1 EtherNet/IP TMODVAの登録商標または商標。

NACHI TECHNICAL REPORTVol.

39 B651

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