Technology
マイコン制御
(マイコンせいぎょ)
マイコン制御とは、マイクロコンピュータを製品や装置へ組み込み、センサからの入力処理、演算、表示、通信、外部機器の制御などをソフトウェアによって実行する技術です。マイコンは、CPU、メモリ、入出力回路、通信機能などを小型の半導体へ集約したもので、計測機器、計量機器、表示器、制御装置などに広く使用されています。
マイコンが普及する以前は、計測や計量に必要な判定、演算、タイマー、表示制御などを、リレー、トランジスタ、論理回路などの電気回路で構成していました。処理が複雑になるほど必要な部品や配線が増え、基板や製品本体も大きくなりやすいという課題がありました。
マイコンを採用することで、従来はハードウェアで構成していた処理の一部をソフトウェアへ置き換えられるようになりました。これにより、部品点数の削減、小型化、省電力化、多機能化に加え、通信機能やデータ保存機能などを製品へ組み込みやすくなりました。
マイコン制御の仕組み
マイコン制御では、センサやスイッチなどから信号を受け取り、あらかじめ作成したプログラムに従って処理を行い、その結果を表示器、リレー、通信回路などへ出力します。
例えば計量機器では、ロードセルから得た微小な電気信号を増幅・変換し、重量値として演算します。その重量を表示するだけでなく、設定値との比較、安定判定、ゼロ補正、風袋引き、警報出力などもマイコンで処理できます。
マイコン内部では、一定周期で入力状態を確認し、演算や判定を行って出力を更新します。高速な計測が必要な処理、正確な時間管理が必要な処理、通信データの送受信などは、割り込み機能やタイマー機能を利用して実行します。
マイコンを構成する主な機能
演算・判定機能
センサから取得した値を補正・換算し、設定値との比較や異常判定を行います。平均化、フィルター処理、積算、最大値・最小値の記録などもソフトウェアで実装できます。
入力・出力機能
スイッチ、接点、パルス、アナログ信号などを入力し、ランプ、ブザー、リレー、アナログ信号などを出力します。外部機器との電圧や信号形式が異なる場合は、入力・出力回路を介して接続します。
表示・操作機能
液晶表示器やLEDへ計測値、設定値、警報内容などを表示します。キー、タッチスイッチ、ロータリースイッチなどから操作を受け付け、設定変更や画面切り替えを行います。
通信機能
シリアル通信、Modbus通信、Ethernet、無線通信などを使用し、PLC、パソコン、上位システム、他の計測機器とデータを送受信します。計測値の送信、設定値の受信、時刻合わせ、遠隔監視などに利用されます。
データ保存機能
内部メモリ、SDカード、USBメモリなどへ、計測結果、警報履歴、設定値を保存します。電源を切っても保持する必要があるデータは、不揮発性メモリへ記録します。
主な用途
マイコン制御は、専用機能を持つ製品や小型装置の制御に利用されます。代表的な用途には、次のようなものがあります。
- 重量、電力、温度、流量などの計測・演算
- 設定値との比較による警報や接点出力
- 表示器、操作キー、ブザーなどの制御
- パルス、アナログ信号、センサ信号の入出力
- 計測値や警報履歴の保存
- PLC、パソコン、サーバーなどとの通信
- プリンターへの計測結果・計量結果の出力
計測機器では、専用の処理を小型の製品内で完結させたい場合に適しています。また、同じハードウェアでもソフトウェアや設定を変更することで、表示内容、演算方法、通信仕様などを用途に合わせて調整できる場合があります。
PLC制御との違い
PLCは、工場設備の制御を目的として設計された制御機器で、入出力機器を組み合わせて搬送装置、計量設備、製造ラインなどを制御します。プログラムの変更や機器の増設を行いやすく、設備全体のシーケンス制御に適しています。
マイコン制御は、製品内部へ組み込み、決められた機能を専用機器として実行する用途に適しています。基板や電源回路、入出力回路、通信回路を含めて設計できるため、小型化や専用機能の実現に向いています。
実際のシステムでは、マイコン搭載の計測機器が重量や電力を測定し、その結果をPLCへ送信して設備全体を制御するなど、両者を組み合わせて使用します。
設計上のポイント
ハードウェアとソフトウェアの分担
すべての処理をソフトウェアで実現できるわけではありません。信号の増幅、絶縁、電源保護、ノイズ対策、安全回路などは、ハードウェアで確保する必要があります。
製品に必要な機能、処理速度、安全性、コストなどを考慮し、回路で実現する部分とソフトウェアで実現する部分を分けて設計します。
処理速度とメモリ容量
使用するマイコンによって、演算性能、プログラム容量、データ保存容量、入出力数、通信機能が異なります。計測周期、表示更新周期、通信量などを確認し、必要な性能を持つマイコンを選定します。
機能を追加し続けると、メモリや処理時間が不足する場合があります。将来の機能追加や仕様変更も考慮し、一定の余裕を持たせることが重要です。
電気的ノイズへの対策
工場内では、モーター、インバーター、電磁弁、リレーなどから電気的ノイズが発生します。ノイズが入力回路やマイコンへ入ると、計測値の乱れ、誤動作、通信異常などが発生する可能性があります。
基板パターン、接地、シールド、電源回路、フィルター、ソフトウェアによる入力判定などを組み合わせて対策します。
異常時の動作
ソフトウェアの処理停止、メモリ異常、電源電圧の低下、通信断などが発生した場合でも、危険な出力状態にならないように設計します。ウォッチドッグタイマーを利用して処理停止を検出し、マイコンを再起動させる方法もあります。
再起動後に出力を自動復帰させるか、作業者の確認を必要とするかは、接続する設備や安全性に応じて決定します。
ソフトウェアの変更管理
マイコンのプログラムを変更すると、計測、表示、通信など複数の機能へ影響する場合があります。ソフトウェアの版、変更内容、試験結果を管理し、変更後は関連する機能を確認します。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、計測機器や計量機器を中心に、マイコンを搭載した製品の開発を行っています。1976年頃から製品へのマイコン採用を進め、計測、演算、表示、通信、データ保存などの制御技術を蓄積してきました。
製品仕様に応じて、マイコン、電源、アナログ入力、接点入出力、通信インターフェースなどの回路を設計し、これらを動作させる組み込みソフトウェアを開発します。
重量、電力、温度、パルスなどの計測処理に加え、表示・操作、警報出力、プリンター制御、SDカードへのデータ保存、PLCやパソコンとの通信などを製品へ組み込むことができます。既存製品の機能追加や部品変更に伴う回路・ソフトウェアの更新についても、仕様と影響範囲を確認して対応を検討します。
よくある質問
Q. マイコンとパソコンは何が違いますか？
A. どちらも演算やデータ処理を行うコンピュータですが、マイコンは特定の製品や機能へ組み込むことを目的としています。一般的なパソコンより処理能力やメモリは限られる一方、小型・省電力で専用制御に適しています。
Q. マイコンとPLCはどのように使い分けますか？
A. 製品内部の専用機能にはマイコン、工場設備全体のシーケンス制御にはPLCが適しています。マイコン搭載機器とPLCを通信で接続して使用することもあります。
Q. ソフトウェアの変更だけで機能を追加できますか？
A. 既存のマイコンに十分な処理能力、メモリ、入出力があれば追加できる場合があります。新しいセンサや通信端子が必要な場合は、回路や基板の変更も必要です。
Q. 停電しても設定値や計測データを保持できますか？
A. 不揮発性メモリやSDカードなどへ保存することで保持できます。ただし、書込み中に停電するとデータが破損する可能性があるため、保存方法や停電処理を設計する必要があります。
Q. マイコン搭載機器をPLCやパソコンへ接続できますか？
A. シリアル通信、Modbus通信、Ethernetなど、双方が対応する通信方式を使用して接続できます。通信条件、データ形式、異常時の処理を接続機器間で合わせる必要があります。