ゲージ・ワーク計測システムメーカー向け、24ボルト出力を駆動するRS232絶縁基板の設計・製造

課題の背景

この事例の課題は、24 Vで動作する機器をコンピュータのプログラムから直接制御できるようにすることです。お客様はゲージ・ワーク測定システムのメーカーです。ボードの製品資料に記載された使用例は、測定したワークが不合格のときに表示灯へ指令を出すものです。

多くのワーク測定機や検査機はコンピュータで結果を判定しますが、その結果は表示灯のように作業者がすぐに確認できる形で出す必要があります。こうした機器は24 Vで動作することが多く、この電力はコンピュータのRS232ポートからは供給できません。そのため、指令を受けて代わりに出力を駆動する中継ボードが必要になります。

要件と制約

ボードの要件は製品資料に基づきます。ボードはRS232で指令を受け、単一の5 V電源で動作し、ボード上で24–26 Vを生成します。仕様は次のとおりです。

知っておくべき制約は電流です。3 Aは製品資料に記載されたチャンネルあたりの定格値であり、複数チャンネルを同時にオンにしたときに実際に使用できる電流は電源に依存します。複数チャンネルを同時に使用する前に、合計負荷を電源と照らし合わせて確認する必要があります。

IDB9ボードはコンピュータからの指令を受けてどのように24 V出力を駆動するのか

IDB9ボードはコンピュータからの指令をRS232ポートで受信し、指令信号をオプトカプラに通した後、MOSFETで各出力チャンネルをオン・オフします。出力の24–26 Vはボード上のDC-DCコンバータ回路から供給されます。そのため、コンピュータは指令を送るだけでよく、機器へ自ら電力を供給する必要はありません。

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   コンピュータがRS232で指令を送信

   コンピュータとボードはDB9コネクタへのケーブルで接続します。これは産業用コンピュータで広く見られるRS232シリアルポートです。

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   指令信号がオプトカプラを通過

   指令信号は、オプトカプラ（光で回路間に信号を伝えるチップ）を通過してから、出力駆動回路に届きます。

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   MOSFETが5チャンネルの出力をオン・オフ

   各MOSFET（機械的な接点を持たない電子スイッチ）は、それぞれ一つの出力チャンネルを制御します。

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   DC-DC回路がボード上で24–26 Vを生成

   ボードは5 V電源で動作し、ボード上のDC-DCコンバータ回路が出力用に電圧を24–26 Vへ昇圧します。

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   機器の配線はねじ式端子台に接続

   表示灯または接続先機器の配線は、ボード端のねじ式端子台（Terminal Block）に接続します。はんだ付けなしで配線の取り外しや交換ができます。

このような中継ボードを使うと役割を明確に分けられます。コンピュータ上のプログラムは通信ポートを介して指令を送るだけで、機器への電力供給はボード上の駆動回路が担います。また、同じ仕様のボードは、現場で機械ごとに回路を組む代わりに、ロット単位で製造を発注できます。

納入物

当社が納品するのは、各ロットの発注数量どおりのIDB9ボードです。ボードは、当社が2016年に設計した回路とプリント基板（PCB）の設計に基づいて製造しています。

当社はボードの製品資料も作成しました。この資料には上の表の仕様と、表示灯への指令に使う例が記載されています。

お客様はこのボードをどのように繰り返し発注したのか

お客様は同じIDB9ボードをロット単位で繰り返し発注しており、2018年、2020年、2022年の発注または出荷の書類があります。新たな設計は不要でした。書類に基づく経緯は次のとおりです。

1. 2016年：当社がIDB9ボードの回路とPCBを設計
2. 2018年：ボード10セットの発注書
3. 2020年：プロジェクトサマリーに22セットの出荷完了を記録
4. 2022年：追加発注があり、十一月に出荷したロットは10セット

書類には各期間の数量が重複しているかどうかが記載されていないため、当社はこれらの数値を一つの合計にまとめていません。

発注と出荷から確認できた成果

この事例で確認できた成果は、繰り返しの発注です。このゲージ・ワーク測定システムメーカーは、同一モデルのIDB9ボードを2018年から2022年まで繰り返し発注しました。

当社は2022年11月にIDB9ボード10セットを出荷し、2022年12月に10セット全数の領収書を発行しました。この事例には、お客様の装置でのボード使用結果に関するデータがないため、書類のある発注と出荷のみをレポートしています。

私たちが学んだこと

この案件から、コンピュータの指令を受けて機械内の機器を駆動するボードの設計について、3つの原則が得られます。

• ボードにオプトカプラがあっても、システム全体でグランドが分離されているとは限りません。グランド分離やサージ保護が必要な場合は、最初から要件として明記し、信号経路と電源回路の両方を確認する必要があります。
• チャンネルあたりの定格電流と電源容量は別の値です。製品資料ではこの二つの値を明確に分ける必要があり、複数チャンネルを同時にオンにするときは実際の負荷を確認する必要があります。
• お客様が繰り返し発注するボードは、回路図、部品リスト、製品資料を一式として保管する必要があります。この案件では、お客様は2016年に設計されたモデルを2022年まで繰り返し発注しました。

この手法をお客様の業務に適用する方法

貴社のコンピュータやプログラムで表示灯や24 V機器に指令を出す必要がある場合は、この事例と同じ考え方を適用できます。つまり、コンピュータが指令を送り、中継ボードが出力の駆動を担います。調整が必要な部分は、指令経路、チャンネル数、接続先機器の実際の負荷によって異なります。

• 出力チャンネル数、接続先機器が実際に使う電圧と電流、同時にオンにする必要があるチャンネル数をまとめます。
• コンピュータまたはコントローラが指令に使う経路と、プログラムが送る指令の形式を明確にします。
• ボードの電源供給元、収まる寸法、盤内または機械本体内の取付位置を伝えます。
• ロットあたりの数量と再発注の計画を見積もり、次のロットのために回路図と部品リストを保管します。