機械の安全制御とは?非常停止・インターロック・STOの役割を図解

機械の安全制御とは、人が危ない所に近づいたり非常停止ボタンが押されたりしたときに、ふだんの PLC とは別の道で、機械の動力を確実に切って止めるしくみです。

中身は「検出→判断→遮断」の3段です。扉が開いたら止めるインターロック(扉のスイッチ)と非常停止ボタンが検出、安全リレーやセーフティコントローラが判断、電磁接触器やインバーター・サーボの STO が遮断を受け持ちます。

この記事では、安全制御を身近な電子レンジにたとえて、最後までその話で説明します。部品ごとの受け持ちの表と、止まるまでの時間の計算もあります。

安全制御とは?電子レンジの扉と、とっさの反射

電子レンジは、温めている途中で扉を開けると、すぐに止まります。中の皿も明かりも止まり、扉を閉めても、もう一度スタートを押すまで動きません。これが安全制御の考え方そのものです。

左の言葉が出てきたら、右の本物に読みかえてください

電子レンジ・体のたとえ	工場の機械では
温め時間を数える頭脳(マイコン)	ふだんの制御をする PLC
扉のスイッチ	扉のスイッチ(インターロック)・非常停止ボタン・ライトカーテン
考える前に手を引く反射	PLC を通らずに止める、安全のための別の回路
電波を出す部品の電気を切る	モーターの電気を電磁接触器や STO で切る
閉めてもスタートを押すまで動かない	リセットしてから、別の操作で運転を始める

ここで「え、PLC で止めればいいのでは?」と思った方へ。ふだんの PLC は、止める指令を出すことはできます。でも、PLC の出力の部品がくっついて切れなくなったり、プログラムに思わぬ抜けがあったりしたときに、自分でそれに気づいて止まる作りにはなっていません。だから人を守る止め方は、壊れたことにも気づける専用の部品で、別の道にします。

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安全制御は、3つの段階のどこにある?

機械のけがを防ぐ方法には順番があります。厚生労働省の資料では、機械を作る側は3ステップメソッドという順番で考えるとされています。

2段目の守り方には2種類あります。資料では、ガードで人と危ない所を場所で分けるのが「隔離の原則」、人が近づいたら機械を止めて時間で分けるのが「停止の原則」とされています。安全制御は、主にこの「停止の原則」を電気の回路で実現するものです。

また資料によると、機械による労働災害は、休業4日以上のけが全体の約4分の1を占めています(平成26年)。機械の安全は、工場のけがを減らすうえで大きな割合を持つ話です。

機械を使う工場の側が行うリスクアセスメント(危なさを洗い出して見積もる作業)の進め方は、同じ筆者が運営する職場の安全衛生のブログ anzen-zukan.jp のリスクアセスメントとはで解説しています。

しくみの全体:検出→判断→遮断の3段

安全制御の部品は、たくさんの名前がありますが、やっていることは3つだけです。人が危ない所に近づいたことを見つける(検出)、止めるべきかを決める(判断)、モーターの電気を切る(遮断)です。

左の段ごとに、どの部品が何を受け持つか。部品の名前に迷ったら、まずこの表のどの行かを考えます

段	おもな部品	受け持つこと	電子レンジでは
1 検出	非常停止ボタン・扉のスイッチ・ライトカーテン・セーフティマット・イネーブルスイッチ	人が近づいた・止めてほしい、を見つけて信号を切る	扉のスイッチ
2 判断	安全リレー・セーフティコントローラ・安全 PLC	2本の信号がそろって「安全」かを見て、だめなら出力を切る。自分の故障も見張る	中の安全回路
3 遮断	電磁接触器2つ・インバータやサーボの STO・ブレーキ	モーターに力が出ないようにする	電波を出す部品の電気を切る
(別の道)	ふだんの PLC	運転の指令を出す。安全の判断はしない	温め時間を数える頭脳

次の動く図で、3つの段がどうつながっているかを確かめてみましょう。扉を開ける・非常停止を押す・線が切れる、の3つを試せます。

見てほしいのは2つです。1つは、扉を開けた瞬間に、PLC の指令と関係なく接触器が切れること。もう1つは、扉を閉めても非常停止を戻しても、リセットと運転を押すまで動き出さないことです。電子レンジと同じですね。

1段目「検出」の部品:人が近づいたことを見つける

検出の部品は、人が「止めてほしい」と思ったとき、または人が危ない所に近づいたときに、信号を切る役目です。電子レンジの扉のスイッチのように、危ないときに電気の流れを止める向きで使うのが基本です。

左の部品が、どの見つけ方で、どんな場面に向くか。どれを使うかは、危ない所に近づく頻度と、止まるまでの時間で決めます

部品	どう見つけるか	向いている場面
非常停止ボタン	人が押す(押すと押されたまま止まる)	どの機械にも。最後の手段として
扉のスイッチ(インターロックスイッチ)	扉やカバーが開いたことを見つける。鍵のような部品(アクチュエーター)を差し込む形が多い	ときどき中に入る扉・点検のカバー
施錠式の扉のスイッチ	機械が止まるまで扉を開かないように鍵をかける	止まるまで時間がかかる機械(惰性で回るもの)
ライトカーテン	向かい合った2本の柱のあいだの光を、手や体がさえぎったら見つける	材料を手で入れる・出す所(扉を付けにくい所)
セーフティマット・レーザースキャナ	床を踏んだ・ある範囲に入ったことを見つける	広い範囲への立ち入り
イネーブルスイッチ	手に持ち、中くらいに握っているあいだだけ動いてよい	教える作業(ロボットの手動操作など)

イネーブルスイッチの3つの位置(離している=だめ、中くらい=よし、強く握りしめた=だめ)は、規格の解説にも書かれている決まりです。驚いて手を離しても、思わず握りしめても止まるように作られています。

扉を開けたら止めるしくみ(インターロック)の種類と、無効にすることの危険は、同じ筆者が運営する職場の安全衛生のブログ anzen-zukan.jp のインターロックとは(機械安全のしくみ)で解説しています。

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2段目「判断」の部品:安全リレーとセーフティコントローラ

判断の部品は、検出の部品から来る信号を受け取り、「動かしてよいか」を決めます。ふつうのリレー(電気で動くスイッチ)と違うのは、自分が壊れたことにも気づける点です。

左の部品ほど簡単で、下へ行くほど多くの安全機能を1台で扱える。どれも「自分の故障を見張る」作りは同じです

部品	中身	向いている機械
安全リレー(セーフティリレー)	決まった働きを配線だけで実現する小さな箱。設定はつまみ程度	安全機能が1〜2個で、止め方も同じ機械
セーフティコントローラ	パソコンの画面で、入力と出力の組み合わせを設定できる箱	扉や非常停止が多い・区域ごとに止め方を変えたい機械
安全 PLC	安全専用のプログラムを書ける PLC	ライン全体・ロボットや多くの軸を組み合わせる設備

どの部品も、安全のための性能を示す数字(ISO 13849-1 の PL や、IEC 61508・IEC 62061 の SIL)をカタログに書いています。ただし、ある安全リレーの取扱説明書にも書かれているとおり、機械全体の性能は、検出・判断・遮断のすべての部品を合わせて評価します。判断の部品だけ性能が高くても、機械全体の性能にはなりません。

安全リレーとセーフティコントローラのどちらを選ぶかは、扉や非常停止の数、止め方の違い、あとから増える見込みで決めます。選び方の手順と計算は、このあとの安全リレーの選び方の記事で詳しく説明します(公開しだいリンクします)。

3段目「遮断」の部品:電磁接触器とSTO

最後の段は、モーターに力が出ないようにすることです。方法は大きく2つあります。

三菱電機の公開資料では、STO を「外部機器からの入力信号に基づき、モータ駆動エネルギーを電子的に遮断」する機能と説明しています。同じ社の資料の注記には、STO の要求を満たすだけなら電磁接触器は要らないが、インバータの異常や作業者の感電のおそれを避けるために電磁接触器を付けている、という例も書かれています。

もう1つ、上下に動く軸(重いものを持ち上げる軸)は、力を切ると重さで落ちてきます。こうした軸は、力を切るのと同時にブレーキで止めておく必要があります。どの方法で切るかは、機械の動き方と止まり方から決めます。STO の詳しい配線と、電磁接触器との使い分けは、STO の記事で説明します(公開しだいリンクします)。

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止め方は3種類:停止カテゴリ0・1・2

「止める」にも種類があります。機械の電気装置の規格 IEC 60204-1 では、止め方を3つの停止カテゴリに分けています。

左のカテゴリごとの止まり方。非常停止は、0か1で働かせるのが一般的です(細部は規格の最新版で確かめます)

停止カテゴリ	規格の解説の定義	モーターでは	よく使う場面
0	動力の電気を直接切る停止	電気を切って惰性で止まる	非常停止(惰性で回っても危なくない機械)
1	電気の制御で止めてから、電気を切る停止	インバータやサーボで減速して止め、止まったら切る	非常停止(勢いで回り続けると危ない機械)
2	止まったあとも電気を入れたままの停止	止まった位置で力を出して保つ	ふだんの停止・一時停止

カテゴリ1は、止まるまでのあいだは電気を入れておくので、「何秒たったら必ず切る」という時間を決めておきます。安全リレーには、この時間を数えて遅れて切る出力を持つものがあります。インバータで減速して止めるときに、止まりきれずにトリップすることがある点は、回生の記事で説明しています。

規格の解説では、止める働きは、動かし始める働きより優先させるとされています。「運転」と「停止」が同時に押されたら、必ず止まる側が勝つように作ります。

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なぜ線を2本にするの?1つ壊れても止まるため

安全制御の回路は、検出から遮断まで、同じ働きを2本の線(2チャンネル)で組むのが基本です。規格の解説でも、同じ働きの機器を2重にする「冗長系」が、故障したときの危なさを小さくする方法として挙げられています。

ふつうのリレーや電磁接触器は、大きな電流で何度も切っていると、接点が溶けてくっつく(溶着)ことがあります。1本の線しかなければ、くっついたまま機械が止まりません。2本にしておけば、もう1本が切れて止まります。

では、くっついたことにどう気づくのでしょう。安全のためのリレーには強制ガイドという作りがあり、ふだん閉じている接点と、ふだん開いている接点が、同時に閉じることがない作りになっています。メーカーの資料では、常閉接点(ふだん閉じている接点)を見張る回路に入れておけば、常開接点(ふだん開いている接点)が開いたことを確かめられると説明しています。判断の部品は、この見張りの信号で「くっついていないか」を毎回確かめ、くっついていたら次のリセットを受け付けません。

④の動く図で「2本の線のうち1本が切れた」を試すと、リセットが効かなかったはずです。2本がそろわないと動かない、これが2チャンネルの意味です。

計算してみよう:止まるまでの時間と、手が進む距離

ライトカーテンや扉のスイッチは、人を見つけたら終わりではありません。見つけてから機械が本当に止まるまでに時間がかかり、そのあいだにも手は前へ進みます。止まるまでの時間を数字で出さないと、危ない所からどれだけ離して守ればよいかが決められません。だから計算します。

式の出どころ:まず時間です。検出・判断・遮断・機械の停止は、リレーのように順番に起きるので、それぞれの時間を足し算すると合計の時間 T が出ます。次に距離です。距離は「速さ × 時間」(1秒に2 m 進むものが0.5秒進めば1 m)なので、手が近づく速さ K に T を掛けると、そのあいだに手が進む距離が出ます。

T[s] = 検出 + 判断 + 遮断 + 機械が止まる時間 、 手が進む距離[mm] = K[mm/s] × T[s]

• T:人を見つけてから、機械が止まるまでの合計の時間。単位は秒(1 ms は 0.001 秒)
• K:人の体が近づく速さ。安全距離の規格 ISO 13855 では、手(腕)は 2000 mm/s、歩いて近づくときは 1600 mm/s を使う
• 距離:mm/s × s で、s が消えて mm になる

答えの意味を言葉にすると、守りの位置を決めるいちばん大きな数字は、安全の部品の速さではなく、機械が止まる時間だということです。安全リレーを速いものに替えても数 ms しか縮みませんが、機械の止まる時間は数百 ms のこともあり、ブレーキの摩耗などでのびることもあります。

桁の感覚も確かめます。2000 mm/s は「1秒に2 m」、つまり腕をさっと伸ばす速さです。0.36秒なら、ちょうど腕1本分(約70 cm)で、計算の答えと合います。

止めたあとが大事:リセットと運転を分ける

電子レンジは、扉を閉めても、スタートを押すまで動きません。もし閉めた瞬間に動き出したら、手を引くのが遅れたときに危ないからです。工場の機械も同じです。

規格の解説では、インターロック付きの扉などを閉めてリセットしただけで、危ない動きが始まってはならないとされています。安全リレーのリセットで「動かしてよい状態」に戻し、そのうえで運転のボタンを押して、初めて機械が動く、という2段の操作にします。

リセットの方式には、ボタンを押して離したときに受け付ける「手動リセット」と、安全がそろったら自動で戻る「自動リセット」があります。人が危ない区域に入れる機械では、手動リセットを使うのが一般的です。

安全制御の規格の地図

機械の安全の規格は数百あり、厚生労働省の資料では、全部に共通する考え方のタイプ A、多くの機械に共通する保護のしかたのタイプ B、機械ごとのタイプ C の3つの階層に分けて説明しています。安全制御でよく出てくるものを並べると、次のとおりです。

左の規格と、日本の JIS、書いてある中身。版は改正されるので、使うときは規格の最新版で確かめます

規格	対応する JIS	何が書いてあるか	階層
ISO 12100	JIS B 9700	リスクアセスメントとリスク低減の考え方(3ステップ)	A
ISO 13849-1	JIS B 9705-1(2019年の版は ISO 13849-1:2015 に一致)	安全の回路の性能(PL a〜e・カテゴリ B〜4)の決め方。ISO は2023年に第4版	B
IEC 60204-1	JIS B 9960-1	機械の電気装置。停止カテゴリ・押しボタンの色など	B
ISO 13850	JIS B 9703(2019年の版は ISO 13850:2015 に一致)	非常停止の働きの設計の原則	B
ISO 14119	JIS B 9710(2019年の版は ISO 14119:2013 に対応)	扉と組み合わせるインターロック装置	B
ISO 13855	JIS B 9715(2013年の版)	近づく速さから、守りの部品を置く距離を決める	B
IEC 61800-5-2	—	インバータ・サーボの安全機能(STO など)	B

ここで間違えやすいのですが、安全リレーのカタログに「PL e」と書いてあっても、それはその部品が PL e の回路に使えるという意味です。機械の安全機能が PL e になるかは、検出・判断・遮断の部品と配線の組み方を合わせて見積もります。この記事では見積もりの手順には立ち入りません。適合の判断は、規格の原文と、必要なら認証機関に確かめます。

設計で何を決める?安全制御を組む6つの順番

ここまでの話を、設計の順番に並べ直します。電子レンジで言えば、「どこが危ないか」を決めてから、扉のスイッチや安全回路を選ぶ順番です。

上から順に決めます。下の部品を先に決めると、上の条件に合わずにやり直しになります

決めること	決めるときに見るもの	この記事の節
1 どこが危ないか	リスクアセスメントの結果(はさまれ・巻き込まれ・落ちる など)	③
2 安全機能を1行ずつ	扉ごと・非常停止・ライトカーテンごとに「何が起きたら何を止めるか」	④
3 止め方	惰性で回ると危ないか、上下の軸か → 停止カテゴリ0・1	⑧
4 検出の部品	近づく頻度・止まるまでの時間・作業のしかた	⑤⑩
5 判断の部品	安全機能の数・止め方の違い・あとから増えるか	⑥
6 遮断とリセット	電磁接触器か STO か・ブレーキ・リセットの場所	⑦⑪

安全制御の部品は、制御盤の中に、電磁接触器やブレーカーと並んで入ります。盤の中の機器の地図は、制御盤の記事でまとめています。

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まとめ:安全制御は、電子レンジの扉のしくみを機械の大きさにしたもの

全体の地図ができたら、判断の段の部品(安全リレーとセーフティコントローラ)の選び方と、それを入れる制御盤の中身へ進みましょう。