JP2019219876A - 信号処理装置および信号処理モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の向上およびコストの低減がなされたハイブリッド通信用の信号処理装置を提供する。【解決手段】信号処理装置は、アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理装置であって、アナログ信号のアナログ信号値の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データを生成する直流信号推移データ生成部と、デジタル信号のデジタル信号値の所定期間における時間推移に対応する交流信号波形データを生成する交流波形データ生成部と、直流信号推移データと交流信号波形データとを合成したハイブリッド波形データを生成するハイブリッド波形データ生成部と、ハイブリッド波形データに基づいて、信号線の電流を制御する信号制御部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本開示は、ＨＡＲＴ通信などのハイブリッド通信（スマート通信）に対応した機器の実現方式に関する。

従来から、ＨＡＲＴ（Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）通信方式など、４ｍＡ〜２０ｍＡのアナログ信号にデジタル信号を重畳して、複数の信号を同時に伝送するハイブリッド通信（スマート通信）方式が知られている（例えば特許文献１〜４）。ハイブリッド通信では、例えば送信機器から受信機器に伝送される直流のアナログ信号を、０、１に対応する周波数でそれぞれ変調することによってデジタル信号を重畳する（特許文献４参照）。このため、ハイブリッド通信に機器を対応させるためには、その為の機能を機器に追加する必要がある。従来は、図８に示すように、アナログ信号（電流）を電気的に生成する既存の入出力モジュール（図８のアナログ電流出力生成モジュール）とは別に、重畳するデジタル信号を電気的に生成するモジュール（図８のデジタル信号波形生成モジュール）を設け、さらにマルチプレクサ（図８の入力信号重畳ハードウェア）を設けてアナログ信号とデジタル信号を電気的に重畳し、その合成波を出力する（図８参照）。若しくは、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡコンバータの出力に従ってアナログ信号をモデムで変調して、４ｍＡ〜２０ｍＡのアナログ信号に変調波形を合成する。

このようなハイブリッド通信は、例えばプラントのプロセス計装において、ハイブリッド通信対応機器間で行われる。プラントには、差圧変換器や温度変換器などの発信器（計測器）や、調節弁といった操作端などとなるフィールド機器が多数設置されている。また、各フィールド機器と制御装置とが個別の信号線でそれぞれ接続されることにより、各計測器によって計測された温度、流量、圧力などの計測値や、操作端への弁開度などの指令値を通信するためのアナログ信号が各信号線を伝送される。そして、フィールド装置と制御装置との通信にハイブリッド通信を適用することにより、信号線に伝送するアナログ信号（測定信号、制御信号）に、例えば保守情報などの機器情報となるデジタル信号を重畳させることで、計測値等と機器情報等とを同時に通信することが可能となる。

特開２０１３−１４９２５６号公報 特開２０１１−５０１０２号公報 特開２０１４−１７８７５４号公報 特開２０１２−１９９７７９号公報

従来のような、デジタル信号の生成及びアナログ信号への重畳を行うためのハードウェアを、アナログ信号を生成するためのハードウェアとは別に設ける場合には、その為の部品（ハードウェア）の増加による機器の信頼性の低下及び、コスト増が問題となる。例えば、これらのハードウェアを共通のデバイスに実装するとしても、アナログ電流の入出力を行う部分と、デジタル信号を生成、出力する部分と、これらの信号を重畳する部分とは、それぞれ電気的に接続された個別のハードウェアであるため、上記の課題の解決策とはならない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、信頼性の向上およびコストの低減がなされたハイブリッド通信用の信号処理装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る信号処理装置は、
アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理装置であって、
前記アナログ信号のアナログ信号値の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データを生成する直流信号推移データ生成部と、
前記デジタル信号のデジタル信号値の前記所定期間における時間推移に対応する交流信号波形データを生成する交流波形データ生成部と、
前記直流信号推移データと前記交流信号波形データとを合成したハイブリッド波形データを生成するハイブリッド波形データ生成部と、
前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記信号線の電流を制御する信号制御部と、を備える。

上記（１）の構成によれば、所望のハイブリッド信号を信号線に伝送させるにあたって、信号線に伝送すべきハイブリッド信号の信号値の時間推移を示すハイブリッド波形データを生成し、ハイブリッド波形データに基づいて信号線の電流を制御する。ハイブリッド波形データは、アナログ信号値の時間推移を示すデータ（直流信号推移データ）と、デジタル信号値の時間推移を示すデータ（交流信号波形データ）とを、データ処理によってソフトウェア的に合成（演算）して生成したデータであり、ハイブリッド信号の実際の伝送時に信号線を流れるであろうハイブリッド信号の電流値などの信号値の時間推移を示すものである。

このように、物理的な信号同士の重畳によりハイブリッド信号を生成するのではなく、情報処理によってハイブリッド波形データの数値データを生成し、ハイブリッド波形データに従って信号線の電流を制御することにより、所望のハイブリッド信号を適切に信号線に出力することができる。よって、これまでＨＡＲＴ通信などのハイブリッド通信において従来必須とされてきた信号重畳用のハードウェアを不要とすることができるなど、ハイブリッド通信対応の機器を単一のデバイスで安価に実現可能とすることができると共に、比較的故障が多いとされるハードウェア回路を用いないため、信号処理装置を備える制御装置などの機器の信頼性を飛躍的に向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記交流波形データ生成部は、前記デジタル信号値の時間推移を形作るビット列の各々のビット値を、前記ビット値の種類に応じて定められた周波数の波形データに置き換えることにより、前記交流信号波形データを生成する。
上記（２）の構成によれば、ビット列を構成する各ビットのビット値を、ビット値の種類（０または１）に対応する波形データで置換することにより、交流信号波形データを生成する。これによって、交流信号波形データを生成することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（２）の構成において、
前記ハイブリッド波形データは電圧値の時間推移を示し、
前記信号制御部は、
トランスを介して前記信号線に接続されており、
前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記トランスの入力側の入力電圧を制御する。

上記（３）の構成によれば、ハイブリッド波形データに従って、トランスに入力する入力電圧を例えばＰＷＭ制御により制御する。信号線を流れる電流は、接続されている負荷（抵抗）の抵抗値の影響を受けるが、電圧を制御することによって、所望の電流を信号線に流すことができる。よって、ハイブリッド信号を信号線に適切に出力することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記信号制御部は、
前記トランスの前記入力電圧および前記入力側の入力電流の各々の計測値に基づいて、前記トランスの出力側に接続された前記信号線の出力電流推定値を算出する出力電流推定部と、
前記出力電流推定値に基づいて、前記ハイブリッド波形データを補正する補正電圧データを算出する補正電圧データ算出部と、をさらに有し、
前記ハイブリッド波形データおよび前記補正電圧データに基づいて、前記トランスの前記入力電圧を制御する。

上記（４）の構成によれば、トランスの入力側（１次側）の入力電流および入力電圧の計測値に基づいて、トランスで絶縁された信号線を流れる電流値を推定する。また、この推定値である出力電流推定値をフィードバックすることにより、フィードバック前（補正前）のハイブリッド波形データに応じた電流値が信号線を流れるように、トランスの入力電圧を制御する。これによって、ハイブリッド波形データに応じた電流を信号線に流すことができ、ハイブリッド信号を信号線に適切に出力することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記信号制御部は、
前記トランスの前記入力側の入力電流の計測値に基づいて、前記通信相手機器に対して一定の電圧を供給するように前記ハイブリッド波形データを補正するための定電圧補正データを算出する定電圧補正データ算出部を、さらに有し、
前記ハイブリッド波形データおよび前記定電圧補正データに基づいて、前記トランスの前記入力電圧を制御する。

上記（５）の構成によれば、信号処理装置はディストリビュータ（電源供給装置）の機能を有しており、トランスの入力側（１次側）の入力電流をフィードバックすることにより、通信相手機器に対して信号線を介して電源を供給する。これによって、通信相手機器に対して定電圧供給を行うことができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の構成において、
前記ハイブリッド信号は、ＨＡＲＴ信号である。
上記（６）の構成によれば、単一のデバイスでハードウェアによる重畳なしにＨＡＲＴ通信を行うことができる。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る信号処理モジュールは、
アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理モジュールであって、
集積回路上に形成された、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の信号処理装置を備える。
上記（７）の構成によれば、上記（１）〜（６）と同様の効果を奏する。また、信号処理装置がモジュール化されることによって、プラントの制御装置などに容易に組み込むことができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記信号処理モジュールはＡＯモジュールである。
上記（８）の構成によれば、上記（７）と同様の効果を奏する。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記信号処理モジュールはＡＩモジュールである。
上記（９）の構成によれば、上記（７）と同様の効果を奏する。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）〜（９）の構成において、
前記信号処理モジュールは、プラントを制御する制御装置に組み込まれている。
上記（１０）の構成によれば、上記（７）と同様の効果を奏する。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（７）〜（１０）の構成において、
前記集積回路は、ＰＬＤである。
上記（１１）の構成によれば、上記（７）と同様の効果を奏する。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る信号処理装置は、
アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理装置であって、
前記アナログ信号のアナログ信号値の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データを生成する直流信号推移データ生成部と、
前記デジタル信号のデジタル信号値の前記所定期間における時間推移に対応する交流信号波形データを生成する交流波形データ生成部と、
前記直流信号推移データと前記交流信号波形データとを合成したハイブリッド波形データを生成するハイブリッド波形データ生成部と、
前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記信号線の電圧を制御する信号制御部と、を備える。

上記（１２）の構成によれば、ハイブリッド波形データに基づいて、前記信号線の電圧を制御する。これによって、上記（１）と同様の効果を奏する。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、信頼性の向上およびコストの低減がなされたハイブリッド通信用の信号処理装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る信号処理装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る信号処理装置を備えるＡＯモジュールの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る信号処理装置を備えるＡＩモジュールの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る信号処理装置を備える制御装置（ＤＣＳ）の構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る直流信号推移データを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る交流信号波形データを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るハイブリッド波形データを説明するための図である。 従来のハイブリッド通信対応の機器構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置１の構成を概略的に示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置１を備えるＡＯモジュールの構成を概略的に示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置１を備えるＡＩモジュールの構成を概略的に示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置１を備える制御装置８（ＤＣＳ）の構成を概略的に示す図である。図５は、本発明の一実施形態に係る直流信号推移データＤａを説明するための図である。図６は、本発明の一実施形態に係る交流信号波形データＤｄを説明するための図である。また、図７は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド波形データＤを説明するための図である。

図１〜図４に示すように、信号処理装置１は、アナログ信号（図５参照）にデジタル信号（図６参照）が重畳されたハイブリッド信号Ｈ（図７参照）を、通信相手機器９が接続された信号線９１に出力する装置である。ハイブリッド信号Ｈは、直流（ＤＣ）を用いて伝送されるアナログ信号を、デジタル値の０値および１値に対してそれぞれ定められた特定の周波数で周波数変調した信号であり、信号線９１を伝送される。よって、通信相手機器９は、信号線９１を伝送されたハイブリッド信号Ｈを受信し、ハイブリッド信号Ｈの周波数成分を除去することにより信号線９１を伝送されたアナログ信号を受信し、他方、ハイブリッド信号Ｈの周波数成分から信号線９１を伝送されたデジタル信号を受信する。

例えば、プラントには、温度、流量、圧力などを計測する各種の計測器（センサ）や、調節弁（バルブ）といった操作端などであるフィールド機器が多数設置される。また、各フィールド機器は、分散制御システム（ＤＣＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）などのプラントを制御する制御装置８に対して、個別の信号線９１で接続される。そして、上述したアナログ信号は、計測器から制御装置８に送信される計測値や、制御装置８から操作端に送信される指令値（バルブに対して送信される弁開度指令値など）の情報（以下、アナログ主情報Ｔａ）の通信に用いられる。より具体的には、例えば４ｍＡの電流が０％、２０ｍＡの電流が１００％というように、アナログ信号の４ｍＡ〜２０ｍＡの電流値にアナログ主情報Ｔａを対応付け（マッピングし）、アナログ主情報Ｔａをアナログ信号に載せて通信する。

他方、デジタル信号は、計測値を計測した計測器を識別するための番号など、デジタル信号の送信元機器に関する機器情報やプロセス値などの情報（以下、デジタル付加情報Ｔｄ）の通信に用いられる。具体的には、デジタル付加情報Ｔｄを示すビット列Ｂを構成する各ビットのビット値を、ビット値の種類（０または１）に応じて予め定められた周波数に対応付けることで、デジタル付加情報Ｔｄをデジタル信号に載せて通信する。

図１〜図４に示す実施形態では、信号処理装置１は、ハイブリッド通信の一種であるＨＡＲＴ通信を行うように構成されている。ＨＡＲＴ通信では、デジタル値の０を２２００Ｈｚ、１値を１２００Ｈｚとして、４ｍＡ〜２０ｍＡの直流（ＤＣ）のアナログ信号を変調したＨＡＲＴ信号が信号線９１に伝送される。

以下、信号処理装置１と通信相手機器９とがＨＡＲＴ通信を行う場合を例に本発明を説明する。
図１〜図４に示すように、信号処理装置１は、直流信号推移データ生成部２と、交流波形データ生成部３と、ハイブリッド波形データ生成部４と、信号制御部５と、備える。これらの信号処理装置１が備える機能部について、それぞれ説明する。

なお、上記の信号処理装置１は、制御装置８またはフィールド機器（通信相手機器９）の少なくとも一方が備える。また、信号処理装置１は、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）といったＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）など、設計者が任意の論理回路を構成可能な集積回路を用いて実現しても良い。例えば、ＦＰＧＡ上に図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを形成し、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、信号処理装置１が備える上記の各機能部を実現しても良い。

直流信号推移データ生成部２は、上述したアナログ信号の信号値（以下、アナログ信号値Ｎａ）の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データＤａを生成する。上記の所定期間は任意の期間であり、アナログ主情報Ｔａ（計測値や指令値など）あるいはデジタル付加情報Ｔｄ（機器情報など）の全体を通信するのに必要な期間であっても良いし、アナログ主情報Ｔａあるいはデジタル付加情報Ｔｄの一部を通信するのに必要な時間であっても良い。所定期間が後者の場合には、情報の全体の通信が完了するまで、直流信号推移データＤａを生成および後述する処理を繰り返すことになる。

また、直流信号推移データＤａは、アナログ主情報Ｔａが変換されたアナログ信号値Ｎａの時間軸に沿った変化（時間推移）を示すデータである。より具体的には、アナログ信号の電流値の時間軸に沿った変化（時間推移）、あるいは、そのアナログ信号の電流値の時間推移を信号線９１に伝送するために必要となる電圧値の時間推移を示すデータである。直流信号推移データＤａが電圧値の時間推移を示すデータである場合には、例えば、アナログ信号の電流値の時間推移を、信号線９１の負荷を考慮するなどしながら、電圧値の時間推移に変換するなどする。

換言すれば、直流信号推移データＤａは、時刻情報と、アナログ信号の電流値あるいはアナログ信号の電流値に対応する電圧値であるアナログ信号値Ｎａとが対応付けられた時間別データの所定期間分の集合である。よって、直流信号推移データＤａを、横軸を時間軸、縦軸をアナログ信号値Ｎａとしたグラフにプロットすると、図５に示すような、アナログ信号値Ｎａの時間推移を示すグラフが得られる。

つまり、直流信号推移データ生成部２は、通信相手機器９に対して上記の所定期間にアナログ主情報Ｔａを通信した際に、信号線９１を伝送されると想定されるアナログ信号値Ｎａの時間推移（直流信号推移データＤａ）を数値データとして生成する。

図１〜図４に示す実施形態では、直流信号推移データ生成部２には、アナログ主情報Ｔａが入力されるように構成されている。ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、４ｍＡ〜２０ｍＡのアナログ信号そのものが入力されるように構成されても良い。この場合には、直流信号推移データ生成部２は、複数の時刻において、入力されたアナログ信号の電流値およびその時刻を複数の時刻で記憶することにより、直流信号推移データＤａを生成する。

交流波形データ生成部３は、上述したデジタル信号の信号値（以下、デジタル信号値Ｎｄ）の所定期間（同上）における時間推移に対応する交流信号波形データＤｄを生成する。交流信号波形データＤｄは、デジタル付加情報Ｔｄを構成する少なくとも一部のビット列の各ビット値を、そのビット値に対応した所定の振幅および周期を有する周波数で変換した際のデジタル信号値Ｎｄの時間推移を示すデータである。より具体的には、デジタル信号の電流値の時間推移、あるいは、そのデジタル信号の電流値の時間推移を信号線９１に伝送するために必要となる電圧値の時間推移を示すデータである。交流信号波形データＤｄが電圧値の時間推移を示すデータである場合には、例えば、デジタル信号の電流値の時間推移を、信号線９１の負荷を考慮するなどしながら、電圧値の時間推移に変換するなどする。

換言すれば、交流信号波形データＤｄは、時刻情報と、デジタル信号の電流値あるいはアデジタル信号の電流値に対応する電圧値であるデジタル信号値Ｎｄとが対応付けられた時間別データの所定期間分の集合である。よって、交流信号波形データＤｄを、横軸を時間軸、縦軸をデジタル信号値Ｎｄとしたグラフにプロットすると、図６に示すような、デジタル信号値Ｎｄの時間推移を示すグラフが得られる。

より詳細には、デジタル信号は、ビット値（デジタル値）に応じた周波数波形の信号であるため、デジタル信号値Ｎｄの時間推移は波状に変動する。交流波形データ生成部３は、このような波状に変動するデジタル信号値Ｎｄの時間推移を形作るビット列Ｂの各々のビット値を、ビット値の種類に応じて定められた周波数の波形データＤｗに置き換えることで、交流信号波形データＤｄを生成する。ＨＡＲＴ通信では、ビット値の０に対応する周波数は２２００Ｈｚであり、ビット値の１に対応する周波数は１２００Ｈｚである。よって、上記の波形データＤｗは、これらの各周波数を形作る時間別データの集合であり、デジタル付加情報Ｔｄの少なくとも一部を構成するビット列の各ビットを、対応する波形データＤｗで置き換えることで、交流信号波形データＤｄが生成できる（図６参照）。

つまり、交流波形データ生成部３は、通信相手機器９に対して上記の所定期間に送信するビット列Ｂについて、そのビット列Ｂをデジタル信号に変換した場合に信号線９１を伝送されると想定されるデジタル信号値Ｎｄの時間推移（交流信号波形データＤｄ）を数値データとして生成する。

図１〜図４に示す実施形態では、交流波形データ生成部３には、上述したビット列Ｂが入力されるように構成されている。また、交流波形データ生成部３は、ビット値の種類毎の波形データＤｗをＲＯＭなどの不揮発性メモリに記憶しておき、入力されたビット列Ｂを各ビットのビット値に応じた波形データＤｗに置換することにより、交流信号波形データＤｄを生成するようになっている。

ハイブリッド波形データ生成部４は、直流信号推移データＤａと交流信号波形データＤｄとを演算（四則演算）により合成したハイブリッド波形データＤを生成する。具体的には、ハイブリッド波形データＤは、直流信号推移データＤａを構成する各データと、交流信号波形データＤｄを構成する各データとを時間軸を合わせて演算（加算など）することにより得られる波形データとなる。換言すれば、ハイブリッド波形データＤも、時刻情報と、アナログ信号値Ｎａおよびデジタル信号値Ｎｄの演算結果（ハイブリッド信号値Ｎ）とが対応付けられた時間別データの所定期間分の集合となる。よって、ハイブリッド信号値Ｎを、横軸を時間軸、縦軸をハイブリッド信号値Ｎとしたグラフにプロットすると、例えば図７に示すような、ハイブリッド信号値Ｎの時間推移を示すグラフが得られる。

つまり、ハイブリッド波形データＤは、所望のアナログ主情報Ｔａおよびデジタル付加情報Ｔｄを通信するためのハイブリッド信号Ｈが信号線９１を伝送された場合に信号線９１を実際に流れることになる信号値（電流値）の時間推移が、信号線９１にハイブリッド信号Ｈが流れる前に、情報処理により作成したデータに相当する。

信号制御部５は、ハイブリッド波形データＤに基づいて、信号線９１の電流を制御する。後述するように、ハイブリッド波形データＤに基づいて電圧を決定し、電圧を制御することにより、信号線９１の電流を制御しても良い。信号制御部５は、信号線９１の電流値の時間推移がハイブリッド波形データＤで示される信号値の時間推移に対応するように、信号線９１に加える電圧の制御を通して、信号線９１に流す電流を制御する。より具体的には、ハイブリッド波形データＤが電流値の時間推移を示す場合には、その電流値が信号線９１を流れるように電流または電圧を制御し、ハイブリッド波形データＤが電圧値の時間推移を示す場合には、ハイブリッド波形データＤで示される電圧値に従って、電圧を制御する。これによって、ハイブリッド波形データＤに対応した電流を信号線９１に流すことができる。

上記の構成によれば、所望のハイブリッド信号Ｈを信号線９１に伝送させるにあたって、信号線９１に伝送すべきハイブリッド信号Ｈの信号値の時間推移を示すハイブリッド波形データＤを生成し、ハイブリッド波形データＤに基づいて信号線９１の電流を制御する。ハイブリッド波形データＤは、アナログ信号値Ｎａの時間推移を示すデータ（直流信号推移データＤａ）と、デジタル信号値Ｎｄの時間推移を示すデータ（交流信号波形データＤｄ）とを、データ処理によってソフトウェア的に合成（演算）して生成したデータであり、ハイブリッド信号Ｈの実際の伝送時に信号線を流れるであろうハイブリッド信号の電流値などの信号値の時間推移を示すものである。

このように、物理的な信号同士の重畳によりハイブリッド信号を生成するのではなく、情報処理によってハイブリッド波形データの数値データを生成し、ハイブリッド波形データに従って信号線の電流を制御することにより、所望のハイブリッド信号を適切に信号線に出力することができる。よって、これまでＨＡＲＴ通信において従来必須とされてきた信号重畳用のハードウェアを不要とすることができるなど、ハイブリッド通信対応の機器を単一のデバイスで安価に実現可能とすることができると共に、比較的故障が多いとされるハードウェア回路を用いないため、信号処理装置を備える制御装置８などの機器の信頼性を飛躍的に向上させることができる。

次に、図２〜図４を用いて、信号処理装置１をさらに詳細に説明する。
図２〜図４に示す実施形態では、信号処理装置１は、制御装置８などを構成するためのモジュール（信号処理モジュール）としてモジュール化されている。より具体的には、図２に示す実施形態が信号処理装置１をＡＯ（Ａｎａｌｏｇ Ｏｕｔｐｕｔ）モジュールとしてモジュール化されている。図３に示す実施形態が信号処理装置１をＡＩ（Ａｎａｌｏｇ Ｉｎｐｕｔ）モジュールとしてモジュール化されている。また、信号処理装置１がディストリビュータ（電源供給装置）の役割を担っており、通信相手機器９に対して信号線９１により定電圧を供給するようになっている。また、図４に示す実施形態が信号処理装置１を備える入出力モジュール（ＩＯＭ）が、制御装置８に組み込まれている。

幾つかの実施形態では、ハイブリッド波形データＤは電圧値の時間推移を示すデータである。また、図２〜図４に示すように、信号制御部５は、トランス６（変圧器）を介して信号線９１に接続されている。そして、信号制御部５は、ハイブリッド波形データＤに基づいて、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａ（１次側電圧）を制御するように構成される。図２〜図４に示すように、信号処理装置１と通信相手機器９とがトランス６によって分離されることにより絶縁されている。そして、信号制御部５は、トランス６の入力側（１次側）の入力電圧Ｖａをハイブリッド波形データＤで示される電圧値に設定することにより、トランス６と通信相手機器９とを接続する信号線９１に、伝送すべきハイブリッド信号Ｈを伝送するように構成される。

図２〜図４に示す実施形態では、直流信号推移データ生成部２は、アナログ主情報Ｔａを生成する他のモジュールなどから入力されるアナログ主情報Ｔａに基づいて、信号線９１に流れる電流の直流成分を、アナログ主情報Ｔａに対応（変換）した電流値とするのに必要な、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａの時間推移を示す直流信号推移データＤａを生成するようになっている。また、交流波形データ生成部３は、デジタル付加情報Ｔｄを生成する他のモジュールなどから入力されるデジタル付加情報Ｔｄに基づいて、信号線９１に流れる電流の交流成分（周波数成分）を、デジタル付加情報Ｔｄを構成する少なくとも一部のビット列Ｂに対応（変換）した電流値とするのに必要な、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａの時間推移を示す交流信号波形データＤｄを生成するようになっている。そして、ハイブリッド波形データ生成部４において、これらの直流信号推移データＤａおよび交流信号波形データＤｄを加算し、トランス６の入力側に入力する入力電圧Ｖａの時間推移を示すハイブリッド波形データＤを生成するようになっている。

また、図２〜図４に示す実施形態では、信号制御部５は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により、トランス６の入力電圧をするようなっている。具体的には、信号制御部５は、ハイブリッド波形データＤを構成する複数の時間別データの各々の時間毎の電圧値に従って、デューティー比を制御するためのコンデンサへの通電のオン、オフを行うスイッチ（トランス１次側電圧制御スイッチ）のオン時間を決定し、所定の周期毎にオン時間だけスイッチをオンにする。これによって、所定の周期毎の入力電圧Ｖａの制御を、デューティー比の制御により行うことが可能となる。なお、スイッチのオン時間が長いほどデューティー比が大きくなり、電圧が高くなる。また、所定の周期毎の始めにスイッチをオフにすることで、所定の周期毎の入力電圧Ｖａを所望の電圧にすることが可能となる。

上記の構成によれば、ハイブリッド波形データＤに従って、トランス６に入力する入力電圧を例えばＰＷＭ制御により制御する。信号線９１を流れる電流は、接続されている負荷（抵抗）の抵抗値の影響を受けるが、電圧を制御することによって、所望の電流を信号線９１に流すことができる。よって、ハイブリッド信号Ｈを信号線９１に適切に出力することができる。

また、上述した実施形態において、幾つかの実施形態では、図２〜図４に示すように、信号制御部５は、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａおよび入力側の入力電流Ｉａの各々の計測値に基づいて、トランス６の出力側に接続された信号線９１の出力電流Ｉｂの推定値（出力電流推定値Ｉｅ）を算出する出力電流推定部６１を、さらに有しても良い。この際、図２、図４に示すように、信号制御部５は、出力電流推定値Ｉｅに基づいて、ハイブリッド波形データＤを補正する補正電圧データＣを算出する補正電圧データ算出部６２と、をさらに有しても良い。この場合、信号制御部５は、ハイブリッド波形データＤおよび補正電圧データＣに基づいて、トランス６の入力電圧を制御する。

上述したように、トランス６の入力電圧Ｖａ（１次側電圧）を制御することにより、トランス６と通信相手機器９との間の信号線９１に所望の電流を流す場合、入力側の入力電圧Ｖａに対して、この信号線９１を流れる電流値（２次側電流）の電流値は、信号線９１に接続される負荷（合成抵抗）に応じたものとなる。そして、この負荷自体も変動する場合もあるが、信号処理装置１は、トランス６により通信相手機器９側から絶縁されているため、トランス６の入力側に接続された信号処理装置１から信号線９１の電流値を直接得ることはできない。よって、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａおよび入力電流Ｉａに基づいてトランス６の出力側の出力電流Ｉｂを推定し、その推定値をトランス６の入力電圧Ｖａにフィードバックすることにより、信号線９１の電流値がハイブリッド波形データＤに対応した電流値になるように制御する。

図２〜図４に示す実施形態では、ローパスフィルタなどとなる、第１の交流信号除去フィルタ７４ａを通過させることによって、トランス６の入力側の入力電流Ｉａから交流成分を除去した直流成分の電流をＡＤＣ７１（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に入力するように構成している。ＡＤＣ７１は、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能部であり、ＡＤＣ７１からは、アナログ信号がデジタル信号に変換されて、出力される。同様に、第２の交流信号除去フィルタ７４ｂを通過させることによって、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａから交流成分を除去した電圧、および、第２の交流信号除去フィルタ７４ｂを通過させない入力電圧Ｖａを通過させないことによって交流成分を含む電圧の両方をＭＣＵ７２（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）に入力するように構成している。ＭＣＵ７２は、アナログ信号をデジタル信号に変換すると共に、交流信号除去フィルタを電圧値の周波数（デジタル信号値Ｎｄ）から、デジタル付加情報Ｔｄを判別する。なお、図２〜図４に示す実施形態では、ＡＤＣ７１は、トランス６の入力側の入力電流Ｉａの数値データを出力し、ＭＣＵ７２は、トランス６の入力側の入力電圧Ｖａの数値データを出力する。

また、図２〜図４に示す実施形態では、ＡＤＣ７１から出力される入力電流Ｉａの電流値、および、ＭＣＵ７２から出力される入力電圧Ｖａの電圧値が、上記の出力電流推定部６１に入力するようになっている。出力電流推定部６１は、ＡＤＣ７１およびＭＣＵ７２の各々から入力されるトランス６の入力側の入力電流Ｉａおよび入力電圧Ｖａの各々に基づいて、トランス６の出力側となる信号線９１を流れる出力電流推定値Ｉｅを算出する。

そして、図２、図４に示す実施形態では、出力電流推定部６１は、補正電圧データ算出部６２に入力することにより、トランス６の出力側の電流値としての出力電流推定値Ｉｅをフィードバックするようになっている。補正電圧データ算出部６２は、入力された出力電流推定値Ｉｅが、直流信号推移データＤａで示す値にするために必要な電圧値を有する補正電圧データＣを算出し、直流信号推移データＤａを補正電圧データＣで補正した補正後の直流信号推移データＤａを、交流波形データ生成部３に入力するようになっている。

なお、図２、図４に示す実施形態では、ハイブリッド波形データ生成部４に入力される直流信号推移データＤａを補正電圧データＣで補正（調整）し、補正後の直流信号推移データＤａをハイブリッド波形データ生成部４に入力するように構成しているが、他の幾つかの実施形態では、ハイブリッド波形データ生成部４に補正電圧データＣを入力しても良い。この場合、ハイブリッド波形データ生成部４は、直流信号推移データＤａと、交流信号波形データＤｄと、補正電圧データＣとを合成したハイブリッド波形データＤを生成する。また、図２〜図３に示す実施形態では、異常検知のために、出力電流推定値Ｉｅをアナログ主情報Ｔａの入力先（例えば、ＤＣＳのＣＰＵモジュール８２などの上位装置）にリードバックするようにしている。

上記の構成によれば、トランス６の入力側（１次側）の入力電流Ｉａおよび入力電圧Ｖａの計測値に基づいて、トランス６で絶縁された信号線９１を流れる電流値を推定する。また、この推定値である出力電流推定値Ｉｅをフィードバックすることにより、フィードバック前（補正前）のハイブリッド波形データＤに応じた電流値が信号線９１を流れるように、トランス６の入力電圧Ｖａを制御する。これによって、ハイブリッド波形データＤに応じた電流を信号線９１に流すことができ、ハイブリッド信号Ｈを信号線９１に適切に出力することができる。

また、幾つかの実施形態では、図３に示すように、上述した信号制御部５は、トランス６の入力側（１次側）の入力電流Ｉａの計測値に基づいて、通信相手機器９に対して一定の電圧を供給するようにハイブリッド波形データＤを補正するための定電圧補正データＣｖを算出する定電圧補正データ算出部６３を、さらに有しても良い。この場合、信号制御部５は、ハイブリッド波形データＤおよび定電圧補正データＣｖに基づいて、トランス６の入力電圧Ｖａを制御する。上述したようなトランス６による絶縁によって、トランス６の入力側（１次側）から、その出力側（２次側）の電圧値を直接得ることはできない。よって、トランス６の入力電流Ｉａの計測値に基づいて出力電圧Ｖｂを推定し、フィードバック制御に用いる。

具体的には、トランス６の１次側の巻線の巻き数をＭａ、２次側の巻線の巻き数をＭｂとすると、入力電圧Ｖａと出力電圧Ｖｂとは、Ｖａ／Ｖｂ＝Ｍａ／Ｍｂとなる。よって、トランス６の１次側の負荷（合成抵抗）をＲａとすると、Ｖｂ＝Ｍｂ／Ｍａ×Ｉａ×Ｒａで算出可能となるとなる。図３に示す実施形態では、出力電圧Ｖｂの計測値と推定値との差が０なるように定電圧補正データＣｖを算出し、直流信号推移データＤａを補正する。

ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、ハイブリッド波形データ生成部４に定電圧補正データＣｖを入力しても良い。この場合、ハイブリッド波形データ生成部４は、直流信号推移データＤａと、交流信号波形データＤｄと、補定電圧補正データＣｖとを合成したハイブリッド波形データＤを生成する。

上記の構成によれば、信号処理装置１はディストリビュータ（電源供給装置）の機能を有しており、トランス６の入力側（１次側）の入力電流Ｉａをフィードバックすることにより、通信相手機器９に対して信号線９１を介して電源を供給する。これによって、通信相手機器に対して定電圧供給を行うことができる。

次に、図４について説明する。
図４に示す実施形態では、信号処理装置１を備える入出力モジュール８１（ＩＯＭ）が制御装置８（ＤＣＳ）に組み込まれている。１つのＣＰＵモジュール８２（図４のＣＰＵ）には、制御ネットワーク８３を介して、１以上（通常は複数）の入出力モジュール８１（図４のＩＯＭ）が接続されている。ＣＰＵモジュール８２は、制御装置８の全体の演算機能を担っており、演算部８２ａにおいて各入出力モジュール８１からの１以上の入力に基づいて出力を演算し、その演算結果を対象となる入出力モジュール８１などに出力する。図４に示す実施形態では、信号処理装置１と同一または異なるＦＰＧＡ上に構築された入出力インターフェース部８４を介して制御ネットワークからのデータの送受信が行われるようになっている。

また、入出力モジュール８１は、コマンド（図４のＨＡＲＴコマンド）を通信するためのデジタル信号を含むハイブリッド信号Ｈを出力し、そのコマンドに対する応答を受信するようになっている。より詳細には、入出力モジュール８１は、上記のコマンドをデジタル付加情報ＴｄとしてＣＰＵモジュール８２などから受信すると、フィールド機器（通信相手機器９と）に対して出力指示値を通信するアナログ信号にコマンドを通信するデジタル信号が重畳されたがハイブリッド信号Ｈを通信相手機器９が接続される信号線９１に伝送する。

一方、通信相手機器９では、信号線９１を介してコマンドを通信するハイブリッド信号Ｈを受信すると、コマンドの内容に応じて応答データ（デジタル付加情報Ｔｄ）を含むハイブリッド信号Ｈを信号線９１に出力する。この際、通信相手機器９も、上述した信号処理装置１（モジュール）を備えていても良く、通信相手機器９は、既に説明したのと同様にハイブリッド信号Ｈを出力する。こうして伝送される通信相手機器９からのハイブリッド信号Ｈは、制御装置８の入出力モジュール８１に入力される。入出力モジュール８１は、トランス６の出力側（この場合はＭＣＵ７２が存在する側）の電圧に基づいてデジタル信号を読み取る。また、デジタル信号で通信された応答データを、ＣＰＵモジュール８２に送信する。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 信号処理装置
２ 直流信号推移データ生成部
３ 交流波形データ生成部
４ ハイブリッド波形データ生成部
５ 信号制御部
６ トランス
６１ 出力電流推定部
６２ 補正電圧データ算出部
６３ 定電圧補正データ算出部
７１ ＡＤＣ
７２ ＭＣＵ
７４ａ 第１の交流信号除去フィルタ
７４ｂ 第２の交流信号除去フィルタ
８ 制御装置
８１ 入出力モジュール
８２ ＣＰＵモジュール
８２ａ 演算部
８３ 制御ネットワーク
８４ 入出力インターフェース部
９ 通信相手機器
９１ 信号線

Ｄ ハイブリッド波形データ
Ｄａ 直流信号推移データ
Ｄｄ 交流信号波形データ
Ｄｗ 波形データ
Ｈ ハイブリッド信号
Ｎａ アナログ信号値
Ｎｄ デジタル信号値
Ｎ ハイブリッド信号値
Ｔａ アナログ主情報
Ｔｄ デジタル付加情報
Ｂ ビット列
Ｃ 補正電圧データ
Ｃｖ 定電圧補正データ
Ｉａ 入力電流
Ｖａ 入力電圧
Ｖｂ 出力電圧
Ｉｂ 出力電流
Ｉｅ 出力電流推定値

Claims (12)

1. アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理装置であって、
   前記アナログ信号のアナログ信号値の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データを生成する直流信号推移データ生成部と、
   前記デジタル信号のデジタル信号値の前記所定期間における時間推移に対応する交流信号波形データを生成する交流波形データ生成部と、
   前記直流信号推移データと前記交流信号波形データとを合成したハイブリッド波形データを生成するハイブリッド波形データ生成部と、
   前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記信号線の電流を制御する信号制御部と、を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記交流波形データ生成部は、前記デジタル信号値の時間推移を形作るビット列の各々のビット値を、前記ビット値の種類に応じて定められた周波数の波形データに置き換えることにより、前記交流信号波形データを生成することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記ハイブリッド波形データは電圧値の時間推移を示し、
   前記信号制御部は、
   トランスを介して前記信号線に接続されており、
   前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記トランスの入力側の入力電圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 前記信号制御部は、
   前記トランスの前記入力電圧および前記入力側の入力電流の各々の計測値に基づいて、前記トランスの出力側に接続された前記信号線の出力電流推定値を算出する出力電流推定部と、
   前記出力電流推定値に基づいて、前記ハイブリッド波形データを補正する補正電圧データを算出する補正電圧データ算出部と、をさらに有し、
   前記ハイブリッド波形データおよび前記補正電圧データに基づいて、前記トランスの前記入力電圧を制御することを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
5. 前記信号制御部は、
   前記トランスの前記入力側の入力電流の計測値に基づいて、前記通信相手機器に対して一定の電圧を供給するように前記ハイブリッド波形データを補正するための定電圧補正データを算出する定電圧補正データ算出部を、さらに有し、
   前記ハイブリッド波形データおよび前記定電圧補正データに基づいて、前記トランスの前記入力電圧を制御することを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
6. 前記ハイブリッド信号は、ＨＡＲＴ信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の信号処理装置。
7. アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理モジュールであって、
   集積回路上に形成された、請求項１〜６のいずれか１項に記載の信号処理装置を備えることを特徴とする信号処理モジュール。
8. 前記信号処理モジュールはＡＯモジュールであることを特徴とする請求項７に記載の信号処理モジュール。
9. 前記信号処理モジュールはＡＩモジュールであることを特徴とする請求項７に記載の信号処理モジュール。
10. 前記信号処理モジュールは、プラントを制御する制御装置に組み込まれていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の信号処理モジュール。
11. 前記集積回路は、ＰＬＤであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の信号処理モジュール。
12. アナログ信号にデジタル信号が重畳されたハイブリッド信号を、通信相手機器が接続された信号線に出力する信号処理装置であって、
    前記アナログ信号のアナログ信号値の所定期間における時間推移に対応する直流信号推移データを生成する直流信号推移データ生成部と、
    前記デジタル信号のデジタル信号値の前記所定期間における時間推移に対応する交流信号波形データを生成する交流波形データ生成部と、
    前記直流信号推移データと前記交流信号波形データとを合成したハイブリッド波形データを生成するハイブリッド波形データ生成部と、
    前記ハイブリッド波形データに基づいて、前記信号線の電圧を制御する信号制御部と、を備えることを特徴とする信号処理装置。

Images