JP2018072860A - アナログ出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧信号を電圧／電流変換回路で電流信号に変換して制御対象機器に出力するアナログ出力回路における電圧／電流変換抵抗の異常を検出することを可能にする。【解決手段】アナログ出力装置は、デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するデジタル／アナログ変換器と、直列接続された２つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成して制御対象機器に出力する電圧／電流変換回路と、前記電圧／電流変換回路において直列接続された前記抵抗回路により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、前記分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、制御対象機器に対してアナログ制御信号を出力するアナログ出力装置に関する。

プラント機器などの制御対象機器に対してアナログ制御信号を出力するのにアナログ出力装置が用いられる（特許文献１参照）。例えば、アナログ出力装置は、上位制御装置から制御指示を受信し、制御指示に含まれる信号を電圧／電流変換回路でアナログの電流信号に変換し、制御対象機器に出力する。

この種のアナログ出力装置には信頼性が求められ、アナログ信号出力装置には内部の故障を検出するために診断機能が備えられる場合がある。

特開２００５−１７３８４８号公報

特許文献１に記載された技術によれば、制御された電圧信号を電圧／電流変換抵抗により電流信号に変換して制御対象機器へ出力するアナログ出力装置において、アナログの出力信号からフィードバックされた信号の電圧値を、制御指示に基づくアナログ信号の電圧値と一致させるように制御が行われる。

フィードバックされる信号の電圧値が、制御指示に基づくアナログ信号の電圧値と一致するように制御されるので、電圧／電流変換抵抗が故障したとしてもフィードバックされる信号は異常な電圧値を示さない場合がある。そのため、電圧／電流変換抵抗の故障を検出することができない場合がある。

本発明の目的は、電圧信号を電圧／電流変換回路で電流信号に変換して制御対象機器に出力するアナログ出力回路における電圧／電流変換抵抗の異常を検出することを可能にする技術を提供することである。

本発明の一態様によるアナログ出力装置は、デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するデジタル／アナログ変換器と、直列接続された２つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成して制御対象機器に出力する電圧／電流変換回路と、前記電圧／電流変換回路において直列接続された前記抵抗回路により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、前記分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路と、を有する。

本発明によれば、電圧信号を電圧／電流変換回路で電流信号に変換して制御対象機器に出力するアナログ出力回路における電圧／電流変換抵抗を２つ以上の抵抗回路の直列回路とし、分圧電圧信号を監視しているので、電圧／電流変換抵抗の異常を検出することができる。

実施例１によるアナログ出力装置の回路構成図である。 Ｄ／Ａ変換器５とＡ／Ｄ変換器１０の入出力特性を示すグラフである。 上位制御装置２が実行する処理を示すフローチャートである。 分圧電圧信号の電圧値Ｖｒと故障部位および故障モードとの関係を示す表である。 実施例２によるアナログ出力装置の回路構成図である。 実施例３によるアナログ出力装置の回路構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、実施例１によるアナログ出力装置の回路構成図である。アナログ出力装置１は、制御回路４、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５、電圧／電流変換回路６、電源回路７、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０を有している。

制御回路４は、通信ライン３により上位制御装置２と接続している。制御回路４は、通信ライン３を介して上位制御装置２から制御指示信号を受信し、制御指示信号を解析し、それにより得られた制御指示値を、信号線１１を通してＤ／Ａ変換器５に送信する。また、抵抗回路９が故障すると電圧値Ｖｒが正常値から変化し、変化した電圧値ＶｒはＡ／Ｄ変換器１０でリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換され制御回路４に入力するので、制御回路４は、通信ライン３を介して上位制御装置２にリードバックデータを伝送する。本実施例では、一例として抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの抵抗値が全て等しいので、正常時の電圧値Ｖｒ＝Ｖｆ／２である。

Ｄ／Ａ変換器５は、制御指示値を電圧値Ｖｉで示すアナログの電圧信号に変換し、信号線１２を通じて電圧／電流変換回路６に入力する。

電圧／電流変換回路６は、抵抗回路９を備え、電圧値Ｖｉを示す電圧信号を、抵抗回路９により、電圧値Ｖｉ＝Ｖｆを電流値により示すアナログ電流信号に変換し、信号線１４で制御対象機器であるプラント機器８に出力する。その際、電圧／電流変換回路６は、電圧値Ｖｉとフィードバック信号の電圧値Ｖｆとをオペアンプに入力し、電圧値Ｖｆを電圧値Ｖｉに一致させるように動作する。

オペアンプの出力信号はトランジスタのベースに入力される。トランジスタのコレクタがプラント機器８に接続される信号線１４に接続され、エミッタが抵抗回路９に接続されるとともに電圧値Ｖｆのフィードバック信号をオペアンプにフィードバックする。

抵抗回路９は、２つの抵抗回路を直列接続した構成を有し、一方の端部がトランジスタのエミッタに接続され、他方の端部が接地されている。２つの抵抗回路の接続点からは、電圧値Ｖｆを分圧した電圧値Ｖｒを示す分圧信号が信号線１５を通じてＡ／Ｄ変換器１０に入力されている。

電源回路７は、アナログ出力装置１からの出力信号をプラント機器８に出力するための電源を提供する。

Ａ／Ｄ変換器１０は、信号線１５上のアナログ信号の電圧値Ｖｒをデジタル値に変換し、異常の有無を示す検知信号として信号線１６を通じて制御回路４に送る。

以上説明したように本実施例によるアナログ出力装置１は、デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するＤ／Ａ変換器５と、直列接続された２つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成してプラント機器８に出力する電圧／電流変換回路６と、電圧／電流変換回路６において直列接続された抵抗回路９により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路であるＡ／Ｄ変換器１０と、を有している。電圧信号を電圧／電流変換回路６で電流信号に変換して制御対象のプラント機器８に出力するアナログ出力回路１における電圧／電流変換抵抗となる抵抗回路９を２つ以上の抵抗回路の直列回路とし、分圧電圧信号を検知回路（Ａ／Ｄ変換器１０）で監視しているので、抵抗回路９の異常を検出することができる。

電圧／電流変換回路６の抵抗回路９は４個の抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄで構成される。抵抗回路９において、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂが並列接続された抵抗回路と、抵抗Ｒｃと抵抗Ｒｄが並列接続された抵抗回路とが直列接続されている。一例として、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは全て同じ抵抗値の抵抗素子である。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂからなる抵抗回路の他方の端部はトランジスタのエミッタに接続されている。抵抗Ｒｃと抵抗Ｒｄからなる抵抗回路の他方の端部は接地されている。そして、それら２つの抵抗回路の接続点から信号線１５を通じて分圧電圧ＶｒがＡ／Ｄ変換器１０に入力している。

電圧値Ｖｆを抵抗回路９により分圧されたリードバック信号の分圧電圧Ｖｒは、Ｖｒ＝Ｖｆ×（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ＋Ｒａ×Ｒｂ×（Ｒｃ＋Ｒｄ））となる。

本実施例のように、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの抵抗値が全て等しい場合、Ｖｒ＝Ｖｆ／２となる。電圧値Ｖｒのリードバック信号はＡ／Ｄ変換器１０に入力され、Ａ／Ｄ変換器１０で、電圧値Ｖｒを示すリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換される。デジタル信号はＡ／Ｄ変換器１０から制御回路４に伝送される。制御回路４は通信ライン３を介して上位制御装置２にリードバックデータを伝送し、上位制御装置２がリードバック診断する。

以上のように、電圧／電流変換回路６は、複数の抵抗を並列接続した複数の回路を直列接続した抵抗回路を含む。そのため、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄのどの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても分圧電圧値Ｖｒが正常値から変化し、異常を検知することができる。

また、電圧／電流変換回路６は、一例として、抵抗値が等しい２個の抵抗を並列接続した２個の回路を直列接続した前記抵抗回路を含むので、いずれかの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても、分圧電圧値Ｖｒが変化するので、異常の検知漏れを低減できる。

また、電圧／電流変換回路６は、４個の全ての抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄの抵抗値が等しい。そのため、いずれかの抵抗がオープンとなる異常となったとき、分圧電圧が正常時の２／３倍または４／３倍となり、ショートとなったとき、分圧電圧が正常時の２倍または０Ｖとなるので、分圧電圧の変化が判別しやすく、容易に異常を検出できる。また異常となった抵抗がどれかの推定も可能である。

図２は、Ｄ／Ａ変換器５とＡ／Ｄ変換器１０の入出力特性を示すグラフである。

ここでは一例としてＤ／Ａ変換器５は、アナログ信号であるフィードバック信号の電圧値Ｖｆの最大値と、４０００ｄｉｇｉｔという値のデジタルのデータとが対応するスケールである。また、Ａ／Ｄ変換器１０も電圧値Ｖｆの最大値と、４０００ｄｉｇｉｔという値のデジタルのデータとが対応するスケールとしている。

上述のように抵抗回路９が抵抗値の等しい２つの抵抗回路を直列接続した構成なので、抵抗回路９に異常がなければ、リードバック信号の電圧値Ｖｒは０〜Ｖｆ／２［Ｖ］の範囲内の値となる。しかし、リードバック信号の電圧値Ｖｒは抵抗回路９が異常となった場合に正常時の２倍になる場合がある。よって、Ａ／Ｄ変換器１０のデータは正常時の入力でフルスケールの１／２以内となるようにし、異常時にＡ／Ｄ変換器１０のデータが飽和しないようにしている。

以上説明したように、本実施例では、検知回路は、分圧電圧信号を、分圧電圧値を示すデジタルの分圧電圧情報に変換するＡ／Ｄ変換器１０である。分圧電圧信号をデジタルの分圧電圧情報に変換するので、分圧電圧の異常を分圧電圧情報から容易に検知することができる。

また、電圧／電流変換回路６は、抵抗値が等しい２個の抵抗回路を直列接続した抵抗回路を含み、Ａ／Ｄ変換器１０は、電圧／電流変換回路６の抵抗回路９に異常がないときの最大入力電圧の２倍以上の電圧まで変換可能である。電圧／電流変換回路６の抵抗が異常となったとき分圧電圧が最大で２倍まで上昇するが、そのときにも飽和せずにデジタル値に変換することができる。

また、本実施例では、制御回路４は、上位制御装置２から制御指示値を受信してＤ／Ａ変換器５に入力し、分圧電圧値Ｖｒのリードバック信号に基づくリードバックデータを上位制御装置２に送信する。具体的には、電圧値Ｖｒのリードバック信号はＡ／Ｄ変換器１０で、電圧値Ｖｒを示すリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換される。デジタル信号はＡ／Ｄ変換器１０から制御回路４に伝送される。制御回路４は通信ライン３を介して上位制御装置２にリードバックデータを伝送し、上位制御装置２がリードバック診断する。上位制御装置２との連携により制御対象であるプラント機器８への制御を行うことができるとともに、電圧／電流変換回路６の抵抗の異常も上位制御装置２で容易に検出することが可能となる。

図３は、上位制御装置２が実行する処理を示すフローチャートである。上位制御装置２は、アナログ出力装置１がプラント機器８に出力するアナログ信号の電圧値をアナログ出力装置１に設定するとともに、アナログ出力装置１からのリードバックデータに基づいてアナログ出力装置１の電圧／電流変換回路６における抵抗回路９の異常を監視する。

図３を参照すると、上位制御装置２は、ステップ１０１にて、アナログ出力装置１に対して、プラント機器８に出力するアナログ信号の電圧値を示す出力データを設定する。続いて、上位制御装置２は、ステップ１０２にて、アナログ出力装置１からのリードバックデータの正常性を検証するための上限判定値および下限判定値を算出する。

その際、上位制御装置２は、まず、式（１）を用いて、出力データＤａｏから、正常時の理論的なリードバックデータの値である理論データＤｒ１を算出する。
Ｄｒ１＝Ｄａｏ×（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ＋Ｒａ×Ｒｂ×（Ｒｃ＋Ｒｄ））・・・式（１）

次に、上位制御装置２は、式（２）を用いて、理論データＤｒ１から上限判定値Ｄｒ１Ａを算出する。
Ｄｒ１Ａ＝Ｄｒ１＋α・・・式（２）

同様に、上位制御装置２は、式（３）を用いて、理論データＤｒ１から下限判定値Ｄｒ１Ｂを算出する。
Ｄｒ１Ｂ＝Ｄｒ１−α・・・式（３）

式（２）および式（３）におけるαは、リードバックデータの許容誤差である。ここでは式（２）と式（３）に同じ値の許容誤差を用いているが、それぞれ異なる値の許容誤差を用いてもよい。

以上のようにして上限判定値Ｄｒ１Ａおよび下限判定値Ｄｒ１Ｂを算出すると、次に、上位制御装置２は、ステップ１０３にて、実際のリードバックデータの実測データＤｒ２を取得する。

次に、上位制御装置２は、ステップ１０４にて、実測データＤｒ２が上限判定値Ｄｒ１Ａ以下であるか否か判定する。Ｄｒ２がＤｒ１Ａ以下でなければ上位制御装置２はステップ１０６にて異常処理を行う。異常処理とは、例えば、異常の発生を知らせるウィンドウをディスプレイ画面にポップアップ表示したり、異常の発生を知らせる警告音を発生させたりすることが考えられる。

ステップ１０４にてＤｒ２がＤｒ１Ａ以下であれば、上位制御装置２は、ステップ１０５にて、実測データＤｒ２が下限判定値Ｄｒ１Ｂ以上であるか否か判定する。Ｄｒ２がＤｒ１Ｂ以上でなければ上位制御装置２はステップ１０６にて異常処理を行う。ステップ１０５にてＤｒ２がＤｒ１Ｂ以上であれば、上位制御装置２は処理を終了する。

図４は、分圧電圧信号の電圧値Ｖｒと故障部位および故障モードとの関係を示す表である。

電圧／電流変換回路６の抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄのうち、いずれかの抵抗が故障してリードバック診断で異常となった場合のリードバック信号の電圧が示されている。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂのいずれかがオープンになると電圧値Ｖｒは正常時の２／３倍となる。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂのいずれかがショートになると電圧値Ｖｒは正常時の２倍となる。抵抗Ｒｃと抵抗Ｒｄのいずれかがオープンになると電圧値Ｖｒは正常時の４／３倍となる。抵抗Ｒｃと抵抗Ｒｄのいずれかがショートになると電圧値Ｖｒは０［Ｖ］となる。このように故障部位と故障モードによりリードバック信号の電圧Ｖｒが異なる。そのため、故障時はリードバックデータから故障部位と故障モードを推定することができる。

実施例１では、Ａ／Ｄ変換器１０を用いてリードバック診断を行い、抵抗回路９の異常を検知する例を示したが、実施例２では、２つの比較器２０、２１を用いてリードバック診断を行い、抵抗回路９の異常を検知する。

図５は、実施例２によるアナログ出力装置の回路構成図である。図５のアナログ出力装置１は、図１に示した実施例１によるアナログ出力装置１と比べると、Ａ／Ｄ変換器１０の代わりに、比較器２０と比較器２１を有する点で相違する。

比較器２０には信号線１２と信号線１５が入力されている。比較器２０は、式（４）を用いて、信号線１２から与えられる電圧値Ｖｉから、分圧電圧Ｖｒと比較する上限判定値Ｖｒ１Ａを生成する。さらに、比較器２０は、信号線１５から与えられる実際の分圧電圧Ｖｒと、上限判定値Ｖｒ１Ａとを比較し、分圧電圧Ｖｒが上限判定値Ｖｒ１Ａ以下か否かを示す上限比較結果信号を信号線２２に出力する。
Ｖｒ１Ａ＝Ｖｉ×（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ＋Ｒａ×Ｒｂ×（Ｒｃ＋Ｒｄ））＋α・・・式（４）

比較器２１にも信号線１２と信号線１５が入力されている。比較器２１は、式（５）を用いて、信号線１２から与えられる電圧値Ｖｉから、分圧電圧Ｖｒと比較する下限判定値Ｖｒ１Ｂを生成する。さらに、比較器２１は、信号線１５から与えられる実際の分圧電圧Ｖｒと、下限判定値Ｖｒ１Ｂとを比較し、分圧電圧Ｖｒが下限判定値Ｖｒ１Ｂ以上か否かを示す下限比較結果信号を信号線２３に出力する。
Ｖｒ１Ｂ＝Ｖｉ×（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ／（（Ｒａ＋Ｒｂ）×Ｒｃ×Ｒｄ＋Ｒａ×Ｒｂ×（Ｒｃ＋Ｒｄ））−α・・・式（５）
式（４）および式（５）におけるαは、分圧電圧Ｖｒの許容誤差である。ここでは式（４）と式（５）に同じ値の許容誤差を用いているが、それぞれ異なる値の許容誤差を用いてもよい。

制御回路４は、比較器２０からの上限比較結果信号に含まれる情報と比較器２１からの下限比較結果信号に含まれる情報とに基づいて、抵抗回路９に異常が生じているか否かを判定し、判定結果の情報を上位制御装置２に送信する。分圧電圧Ｖｒは、下限判定値Ｖｒ１Ｂ以上、上限判定値Ｖｒ１Ａ以下であれば、正常範囲である。分圧電圧Ｖｒが下限判定値Ｖｒ１Ｂより小さい値であるとき、あるいは上限判定値Ｖｒ１Ａよりも大きい値であるとき、制御回路４は抵抗回路９に異常が発生していることを通知する。

本実施例では、検知回路は比較器２０と比較器２１を有し、比較器２０が分圧電圧信号を所定の上限値と比較し、比較器２１が分圧電圧信号を所定の下限値と比較する。分圧電圧信号を上限値および下限値と比較するので、分圧電圧値Ｖｒが所定の範囲から外れたことを容易に検知することができる。

実施例１、２では、電圧／電流変換回路６の抵抗回路９は４つの抵抗素子を備えていたが、実施例３は抵抗回路９は直列接続の２つの抵抗を備えている。

図６は、実施例３によるアナログ出力装置の回路構成図である。実施例３のアナログ出力装置１は、抵抗回路９が２つの抵抗Ｒｅ、Ｒｆを直列接続した構成である点で図１に示した実施例１のものと相違する。

アナログ出力装置１は、複数の抵抗Ｒｅ、Ｒｆを直列接続した抵抗回路９を含む。そのため、抵抗Ｒｅか抵抗Ｒｆのどちらの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても分圧電圧値Ｖｒが正常値から変化し、異常を検知することができる。

１…アナログ出力装置、２…上位制御装置、３…通信ライン、４…制御回路、５…Ｄ／Ａ変換器、６…電圧／電流変換回路、７…電源回路、８…プラント機器、９…抵抗回路、１０…Ａ／Ｄ変換器、１１，１２，１３，１４，１５，１６…信号線、２０，２１…比較器、２２，２３…信号線

Claims (7)

1. デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するデジタル／アナログ変換器と、
   直列接続された２つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成して制御対象機器に出力する電圧／電流変換回路と、
   前記電圧／電流変換回路において直列接続された前記抵抗回路により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、前記分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路と、
   を有するアナログ出力装置。
2. 前記電圧／電流変換回路は、複数の抵抗を並列接続した複数の回路を直列接続した前記抵抗回路を含む、請求項１に記載のアナログ出力装置。
3. 前記電圧／電流変換回路は、抵抗値が等しい２個の抵抗を並列接続した２個の回路を直列接続した前記抵抗回路を含む、請求項２に記載のアナログ出力回路。
4. 前記電圧／電流変換回路は、４個の全ての抵抗の抵抗値が等しい、請求項３に記載のアナログ出力装置。
5. 前記検知回路は、前記分圧電圧信号を、分圧電圧値を示すデジタルの分圧電圧情報に変換するアナログ／デジタル変換器である、請求項１に記載のアナログ出力装置。
6. 前記電圧／電流変換回路は、抵抗値が等しい２個の抵抗回路を直列接続した抵抗回路を含み、
   前記アナログ／デジタル変換器は、前記電圧／電流変換回路の抵抗回路に異常がないときの最大入力電圧の２倍以上の電圧まで変換可能である、請求項５に記載のアナログ出力装置。
7. 前記検知回路は、前記分圧電圧信号を所定の上限値と比較する第１比較器と、前記分圧電圧信号を所定の下限値と比較する第２比較器とを有する、請求項１に記載のアナログ出力装置。

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