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自動化のためにセンサーを使おう!アナログ信号変換編

◆アナログ信号をデジタル信号に変換して制御に利用しよう。

◆アナログ信号を扱うことでフィードバック制御が出来るようになる。

図1に示すように、ガラスチャンバーの内部を温めるヒーターに熱電対を付けて温度データをモニターします。

 

温度が設定値に到達するまではヒーター出力ONにして、設定値を超えるとOFFにします。

 

しばらくは惰性で温度上昇が続きますが(①オーバーシュート)、やまを超えると温度が下がり始めます。そして設定値を下回り、再びヒーターをONにします。しばらくはやはり惰性で温度が下がります(②アンダーシュート)が、底を過ぎると再び温度が上昇し始めます。

 

温度の現状値を熱電対でモニターし閾値を設けることで自動で狙いの温度帯をキープすることができます。

すなわちフィードバック制御が可能となります。

オーバーシュートやアンダーシュートを押さえたい場合はPID制御理論を用いると良いのですが、長くなるのでそれはまた別の機会とします。

 

ヒーターに熱電対を付けて温度をモニターします。
図1 ヒーターと熱電対
温度出力はオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返す。
図2 温度データ出力波形

◆アナログ信号を扱うためのたった一つの基本を学ぼう。

アナログ信号をPLCなどの制御機器で直扱うことはできません。一旦デジタル信号に変換する必要があります。

A/D変換。

逆に制御機器からモーターなどのアナログ制御を行いたい場合はデジタル信号からアナログ変化する必要があります。

D/A変換。

 

どちらも考え方は同じですので、A/D変換を見ていきます。

 

アナログ信号を出力するセンサーは多種あります。

・シートの張力を検知する、 

テンションメータ

 

・軸の回転角度を検知する、 

ポテンショメータ

 

・回転軸のトルクを検知する、

トルクセンサ

 

 ・異常振動を検知する、   

ピエゾボルト

他にも、温度、湿度、光量、電流、電圧、流量、など測定対象は実にバラエティに富んでいます。

しかしこのアナログセンサーを制御機器で扱うためにはアナログ-デジタル変換の基本を押さえておけば大丈夫です。

 


シートを巻き取る装置にはテンションメータやポテンショメータなど多くのアナログセンサーが使用されています。
図3 センサーの使用例

シートを巻き取る装置にはテンションメータやポテンショメータなど多くのアナログセンサーが使用されています。


より具体的に見ていきましょう。

◆モーターの回転数をタコジェネで測定しよう。

チェーンコンベアを駆動するモータにタコジェネを付けて回転数をモニタします。
図4 自動ねじ締め機 チェーンコンベアを駆動するモータにタコジェネを付けて回転数をモニタします。

 

タコジェネとは直流モーターの反対で回転数に応じた電流を出力するセンサーです。

・DCモーターは磁場の中にあるコイルに電気を流すと回転力が発生します。

 ・タコジェネは磁場の中にあるコイルを回転させることで電気を発生させます。

タコジェネからの出力は回転数の大きさに応じて変化します。

その出力の単位はV/rpmで表されます。例えば3V/1,000rpmであればその出力は次の通りになります。

回転数   100rpmで0.3V、

 回転数 1,000rpmで3V

 回転数 1,500rpmで4.5V

 

一方でアナログ信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換器の入力にはいくつかありますが、一旦0~5V入力を考えます。

0~5Vの入力値をA/D変換器の持つ分解能で分解します。ここでは分解能12bit=4,096とします。

5VをPLCの中で扱うデジタル値として4,096に分割するので、1デジタル値当たりは5÷4,096≒1.22mVになります。

タコジェネからの出力が0~1.22mVの時、 0として扱う。

タコジェネからの出力が1.22mV~2.44mVの時、1000 0000 0000として扱う。

タコジェネからの出力が2.44mV~3.66mVの時、0100 0000 0000として扱う。

・・・

タコジェネからの出力が~5.00Vの時、1111 1111 1111として扱う。

このようにしてアナログ値をデジタル値に変換します。

 

0~5ボルト入力を分解能12bit、4096で分解します。
図5 アナログ信号をデジタル信号に変換する。 0~5ボルト入力を分解能12bit、4096で分解します。

◆豆知識 センサーからは電圧出力か?電流出力か?どちらを選ぶ?

A/D変換機の入力には電圧と電流でそれぞれ表のような幅のものが主流です。

一方のセンサーにも電圧出力と電流出力を選べるものもあります。

 

[Q1]

電流出力と電圧出力どちらを選べばよいでしょうか?

[A1]

電流出力を選んでください。

[Q2]

では電流は0~20mAか4~20mAどちらを選べばよいでしょうか?

[A2]

4~20mAを選んでください。

 


電圧出力の場合、センサー-PLC間の配線そのものの抵抗により電圧降下が生じます。微々たるものとはいえ正確性に欠けてしまいます。

電流出力で0~20mAの場合、信号線が断線したときに発見できません。

電流出力で4~20mAの場合、信号オフの時4mAの出力があり、信号線が断線したときに0mAになるので断線を発見できます。

 

次回はフィードバック制御の基本、ON・OFF制御を見ていきます。

 


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