JP2024027711A

JP2024027711A - 信号処理装置

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Publication number: JP2024027711A
Application number: JP2022130742A
Authority: JP
Inventors: 崇寛木村; Takahiro Kimura; 則明季原; Noriaki Kihara
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-03-01
Also published as: US20240063828A1; EP4325882A1; CN117596567A

Abstract

【課題】小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置を提供する。【解決手段】信号処理装置１０は、センサ５０から入力される信号を処理する信号処理部２０と、信号処理部２０の出力に基づく信号を外部装置へ無線通信する無線通信部３０と、信号処理部２０構成部の少なくとも一部と無線通信部３０とを絶縁する絶縁部４０とを備える。【選択図】図３

Description

本開示は、信号処理装置に関する。

従来、出力を無線伝送する信号処理装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１９－１２０６２８号公報

無線通信装置と信号処理装置とが別体で構成される場合、無線通信装置と信号処理装置とから構成される装置が全体的に大きくなる。

本開示は、上述の点に鑑みてなされたものであり、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置を提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る信号処理装置は、センサから入力される信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部の出力に基づく信号を外部装置へ無線通信する無線通信部と、前記信号処理部の構成部の少なくとも一部と前記無線通信部とを絶縁する絶縁部とを備える。このようにすることで、信号処理部の構成部が無線通信部とともに小型の筐体に収容され得る。また、信号処理部の構成部が無線通信部からのノイズの影響を受けにくくなる。その結果、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置が実現され得る。

一実施形態に係る信号処理装置において、前記信号処理部の前記構成部は、前記センサから信号が入力される信号入出力部、前記センサからの信号を処理する制御部、前記センサ及び前記信号入出力部に給電するセンサ電源、又は、前記無線通信部、前記制御部及び前記センサ電源に給電する電源部の少なくとも１つを含んでよい。前記絶縁部は、前記信号入出力部、前記制御部、センサ電源、又は、前記電源部の少なくとも１つと前記無線通信部とを絶縁してよい。このようにすることで、信号処理部の構成部が無線通信部とともに小型の筐体に収容され得る。また、信号処理部の構成部が無線通信部からのノイズの影響を受けにくくなる。その結果、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置が実現され得る。

一実施形態に係る信号処理装置において、前記信号処理部は、複数の前記センサそれぞれに接続される複数のチャンネルを含んでよい。前記絶縁部は、前記複数のチャンネルのうち、少なくとも１つのチャンネルと他のチャンネルとを絶縁してよい。このようにすることで、チャンネル間における相互の影響が低減され得る。その結果、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置が実現され得る。

一実施形態に係る信号処理装置において、前記絶縁部は、前記無線通信部、前記制御部及び前記電源部を含む回路と、前記信号入出力部及び前記センサ電源を含む回路とを絶縁してよい。このようにすることで、絶縁部の配置が簡略化され得る。また、絶縁部４０の部品数が削減され得る。その結果、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置が実現され得る。

一実施形態に係る信号処理装置において、前記制御部は、異常が検知された前記センサに給電する前記センサ電源を再起動するように前記電源部を制御してよい。このようにすることで、センサの異常が検知されたときにセンサが自動又は遠隔で再起動され得る。その結果、信号処理装置の利便性が向上し得る。

本開示によれば、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置が提供される。

比較例に係る信号処理装置を示すブロック図である。一実施形態に係る信号処理装置の構成例を示すブロック図である。信号処理部のうち信号入出力部及びセンサ電源が無線通信部から絶縁される構成例を示すブロック図である。信号処理部の全体が無線通信部から絶縁される構成例を示すブロック図である。複数のセンサそれぞれに接続されるチャンネルが絶縁される構成例を示すブロック図である。

（比較例）
比較例に係るシステムは、センサ等からのアナログ信号を信号処理装置で受けてディジタル化し有線の通信でクラウド等の上位システムに伝送するように構成される。しかし、有線の通信を用いるシステムにおいて、通信配線の煩雑さ、又は、社内のシステム上の許認可手続き等の、システムを組む上での制約又はコストが増大する。

一方、配線の煩雑さ、又は、通信システムの許認可手続きの問題を回避するために、有線通信ではなく無線通信を用いることが考えられる。図１に示されるように、比較例に係るシステム９０は、信号処理装置９１と、無線通信装置９２と、絶縁電源９３と、センサ９４とを備える。

センサ９４は、種々の物理量の測定結果を表すアナログ信号又はディジタル信号等の信号を信号処理装置９１に出力する。信号処理装置９１は、センサ９４から入力された信号を、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）又はＲＳ４８５等の種々の方式で変換し、変換した信号を無線通信装置９２に出力する。無線通信装置９２は、信号処理装置９１で変換された信号を無線通信で外部装置に送信する。無線通信装置９２は、ゲートウェイとも称される。無線通信装置９２は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）ルータ等の無線通信装置を含む。外部装置は、クラウド環境等の上位システムを含む。信号処理装置９１及び無線通信装置９２は、絶縁電源９３から供給される電力によって動作する。センサ９４は、信号処理装置９１から供給される電力によって動作する。

比較例に係るシステム９０において、信号処理装置９１は、無線通信装置９２の無線通信によって生じるノイズの影響を受けにくいように無線通信装置９２と別体で構成される。また、信号処理装置９１は、絶縁電源９３から給電されることによって、電源線を通じて無線通信装置９２の無線通信によって生じるノイズの影響を受けにくいように無線通信装置９２から絶縁される。この場合、配電盤又は配線ボックスが大型になる。信号処理装置９１及び無線通信装置９２を小型な筐体に収納することが求められる。

ここで、無線通信機能と信号変換機能とが近接して配置されて小型な筐体に収納される場合は電気的に容量結合して、センサ配線側のノイズ若しくは無線通信機側のノイズ、又は、電源の揺れ等によって、無線通信装置９２とセンサ９４の出力信号とが相互に干渉し悪影響を及ぼすという問題が生じる。

そこで、本開示は、無線通信機能と信号変換機能を絶縁する絶縁部を設けて小型の筐体にコンパクト収納した、無線通信機能を有する信号処理装置１０（図２参照）を説明する。本開示に係る信号処理装置１０は、信号処理装置、プログラマブルコントローラ、温調計、流量計、又は、伝送器等の種々の装置を含む。また、本開示に係る信号処理装置１０は、小規模計装、工業計器、変換器、又は、分散システム等の市場で展開され得る。

（本開示の実施形態）
図２に示されるように、一実施形態に係る信号処理システム１は、信号処理装置１０と、センサ５０と、外部電源６０とを備える。

センサ５０は、圧力又は温度等の物理量を測定し、測定データを電気信号に変換し、信号処理装置１０に出力する。センサ５０は、信号処理装置１０から供給される電力によって動作してよい。センサ５０は、信号処理装置１０から供給される電力ではなく、他の電源から供給される電力によって動作してもよい。なお、センサ５０は、信号処理装置１０の外部に配置されるほか、信号処理装置１０の内部に配置されてもよく、また、信号処理装置１０の外部と内部の両方に配置されていてもよい。

外部電源６０は、信号処理装置１０に電力を供給する。外部電源６０は、バッテリ又は燃料電池等を含んでもよいし、電力網から受電した電力を変換するレギュレータ等を含んでもよい。外部電源６０は、電力網そのものであってもよい。

信号処理装置１０は、信号処理部２０と、無線通信部３０とを備える。信号処理部２０は、センサ５０から入力された信号を処理する。信号処理部２０は、例えば、センサ５０から入力された信号を、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）又はＲＳ４８５等の種々の方式で変換する信号処理装置を含んでよい。信号処理部２０は、センサ５０に給電するように構成されるとする。

無線通信部３０は、信号処理部２０と外部装置との間の無線通信を実行し、信号処理部２０で処理された信号を無線通信で外部装置に送信する。すなわち、無線通信部３０は、信号処理部２０の出力に基づく信号を外部装置へ無線通信する。無線通信部３０は、ＬＴＥルータ等の無線通信装置を含んでよい。外部装置は、クラウド環境等の上位システムを含んでよい。

＜無線通信部３０と信号処理部２０との絶縁の構成例＞
図３に示されるように、信号処理装置１０は、絶縁部４０を更に備える。絶縁部４０は、無線通信部３０と、信号処理部２０の少なくとも一部とを絶縁するように構成される。絶縁部４０は、信号絶縁部４２と、電源絶縁部４４とを備える。信号絶縁部４２は、信号線で接続される複数の構成部と無線通信部３０とを互いに絶縁するように、例えば絶縁機能を有するチップ又は絶縁カプラ等を含んで構成されてよい。電源絶縁部４４は、電源線で接続される複数の構成部を互いに絶縁するように、例えば絶縁トランス等を含んで構成されてよい。図３のブロック図において、信号処理装置１０は、絶縁部４０によって、互いに絶縁される２つの領域に分けられている。互いに絶縁される２つの領域の境界は、信号絶縁部４２及び電源絶縁部４４を通る一点鎖線で示されている。すなわち、信号処理装置１０は、一点鎖線で示される境界で互いに絶縁される。

信号処理部２０は、制御部２１と、信号入出力部２２と、電源部２３と、センサ電源２４とを備える。信号処理部２０は、これらの全てを備える場合に限られず、これらの一部だけを備えてもよい。

各構成部を接続する実線は、電源線を表す。電源部２３は、外部電源６０から供給される電力を各構成部に供給する。電源部２３は、例えばレギュレータ、インバータ、又はコンバータ等を含んで構成されてよい。

電源部２３は、無線通信部３０と、制御部２１と、センサ電源２４とに電力を供給する。センサ電源２４は、信号入出力部２２と、センサ５０に電力を供給する。電源部２３は、信号入出力部２２及びセンサ電源２４それぞれと電源絶縁部４４を介して電源線で接続される。この場合、電源絶縁部４４は、電源部２３と信号入出力部２２及びセンサ電源２４とを電気的に絶縁しつつ、電力を伝送するように構成される。

各構成部を接続する破線の矢印は、信号線による信号の流れを表す。センサ５０から出力される信号は、信号入出力部２２に入力される。信号入出力部２２は、例えば、センサ５０から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器を含んでよい。信号入出力部２２は、例えば、センサ５０から出力されるＨＡＲＴ通信等のディジタル信号を受信する受信器を含んでもよい。

信号入出力部２２から出力された信号は、信号絶縁部４２を介して制御部２１に入力される。信号絶縁部４２は、信号入出力部２２と制御部２１との間を電気的に絶縁しつつ、信号を伝送するように構成される。制御部２１は、信号を無線通信部３０に出力する。制御部２１は、信号入出力部２２から入力された信号を処理して無線通信部３０に出力してもよいし、信号入出力部２２から入力された信号をそのまま無線通信部３０に出力してもよい。

以上述べてきたように、図３に例示される信号処理装置１０において、無線通信部３０は、信号入出力部２２及びセンサ電源２４と絶縁されている。つまり、無線通信部３０は、信号処理部２０の少なくとも一部と絶縁されている。信号入出力部２２は、無線通信部３０と信号絶縁部４２で絶縁されていることによって、無線通信部３０とともに同じ筐体に収容されたとしても無線通信部３０からのノイズの影響を受けにくい。また、信号入出力部２２及びセンサ電源２４が無線通信部３０と電源絶縁部４４で絶縁されていることによって、電源の揺れ等による無線通信部３０とセンサ５０との間の相互の干渉が生じにくい。また、無線通信部３０と信号入出力部２２及びセンサ電源２４とが相互に悪影響を及ぼしにくい。その結果、信号処理部２０と無線通信部３０とを小型の筐体に収納することと、センサ５０等から入力されるアナログ信号又はディジタル信号の良好且つ安定した品質での無線送信とが実現され得る。

図４に例示されるように、一実施形態に係る信号処理システム１において、信号処理装置１０は、無線通信部３０と信号処理部２０の全ての構成部とを絶縁するように絶縁部４０を備えてよい。具体的に、信号絶縁部４２は、無線通信部３０と制御部２１とを絶縁するように構成される。制御部２１は、信号入出力部２２及び電源部２３と、信号絶縁部４２を介さずに接続される。また、電源絶縁部４４は、無線通信部３０と電源部２３とを絶縁するように構成される。電源部２３は、制御部２１、信号入出力部２２及びセンサ電源２４と、電源絶縁部４４を介さずに接続される。

信号処理部２０の全ての構成部が無線通信部３０と絶縁されることによって、信号処理部２０は、無線通信部３０とともに同じ筐体に収容されたとしても無線通信部３０からのノイズの影響を受けにくい。また、信号処理部２０の全ての構成部が無線通信部３０と電源絶縁部４４で絶縁されていることによって、電源の揺れ等による無線通信部３０とセンサ５０との間の相互の干渉が生じにくい。その結果、信号処理部２０と無線通信部３０とを小型の筐体に収納することと、センサ５０等から入力されるアナログ信号又はディジタル信号の良好且つ安定した品質での無線送信とが実現され得る。

図３又は図４に例示される信号処理装置１０において、制御部２１は、電源部２３と絶縁されていないので、信号絶縁部４２を介さない信号線で電源部２３に制御信号を出力できる。

信号処理装置１０において、無線通信部３０と絶縁される各構成部は、任意の組み合わせとされ得る。制御部２１、信号入出力部２２、電源部２３又はセンサ電源２４のうち１つの構成部だけが無線通信部３０と絶縁されるように絶縁部４０が配置されてもよい。例えば制御部２１だけが無線通信部３０と絶縁される場合、信号絶縁部４２は、制御部２１と無線通信部３０との間、制御部２１と信号入出力部２２との間、及び、制御部２１と電源部２３との間のそれぞれに配置される。さらに、電源絶縁部４４は、制御部２１と電源部２３との間にのみ配置される。

制御部２１、信号入出力部２２、電源部２３又はセンサ電源２４のうち２つの構成部が無線通信部３０と絶縁されるように絶縁部４０が配置されてもよい。制御部２１、信号入出力部２２、電源部２３又はセンサ電源２４のうち３つの構成部が無線通信部３０と絶縁されるように絶縁部４０が配置されてもよい。また、図４で例示したように、制御部２１、信号入出力部２２、電源部２３又はセンサ電源２４の４つ全ての構成部が無線通信部３０と絶縁されるように絶縁部４０が配置されてもよい。

無線通信部３０と絶縁される構成部の組み合わせにかかわらず、無線通信部３０と絶縁された構成部は、無線通信部３０とともに小型の筐体に収容されたとしても無線通信部３０からのノイズの影響を受けにくい、又は、電源の揺れ等による無線通信部３０との間の相互の干渉を生じにくい。

絶縁部４０は、無線通信部３０と制御部２１とを絶縁せず、制御部２１以外の少なくとも１つの構成部と無線通信部３０とを絶縁するように配置されてよい。すなわち、絶縁部４０は、無線通信部３０及び制御部２１を含む回路と、信号入出力部２２、センサ電源２４又は電源部２３の少なくとも１つを含む回路とを絶縁するように配置されてよい。無線通信部３０と通信線で接続される制御部２１が無線通信部３０と絶縁されない場合、絶縁部４０の配置が簡略化され得る。また、絶縁部４０の信号絶縁部４２の数又は電源絶縁部４４の数が削減され得る。

＜小括＞
以上述べてきたように、本実施形態に係る信号処理装置１０は、無線通信部３０と信号処理部２０の少なくとも一部とを絶縁することによって、無線通信部３０から絶縁された構成部が無線通信部３０とともに小型の筐体に収容され得る。また、信号処理装置１０は、無線通信部３０からのノイズの影響を受けにくくなる。その結果、小型の構成で信号を無線伝送できる信号処理装置１０が実現され得る。

（他の実施形態）
以下、他の実施形態が説明される。

＜チャンネル毎に絶縁する構成例＞
図５に示されるように、信号処理装置１０は、第１センサ５１、第２センサ５２及び第３センサ５３に接続されるように構成されてよい。信号処理装置１０は、第１センサ５１に接続される第１チャンネル２５１を備える。第１チャンネル２５１は、第１センサ５１からの信号が入力される第１信号入出力部２２１と、第１センサ５１に給電する第１センサ電源２４１とを含む。信号処理装置１０は、第２センサ５２に接続される第２チャンネル２５２を備える。第２チャンネル２５２は、第２センサ５２からの信号が入力される第２信号入出力部２２２と、第２センサ５２に給電する第２センサ電源２４２とを含む。信号処理装置１０は、第３センサ５３に接続される第３チャンネル２５３を備える。第３チャンネル２５３は、第３センサ５３からの信号が入力される第３信号入出力部２２３と、第３センサ５３に給電する第３センサ電源２４３とを含む。

信号処理装置１０は、第１チャンネル２５１を他の構成部から絶縁する第１絶縁部４０１を更に備える。第１絶縁部４０１は、第１チャンネル２５１を、第２チャンネル２５２と第３チャンネル２５３と無線通信部３０と制御部２１と電源部２３とから絶縁するように配置される。第１絶縁部４０１は、制御部２１と第１信号入出力部２２１との間に接続される信号絶縁部４２と、電源部２３と第１センサ電源２４１との間に接続される電源絶縁部４４とを含む。信号処理装置１０は、第２チャンネル２５２を他の構成部から絶縁する第２絶縁部４０２を更に備える。第２絶縁部４０２は、第２チャンネル２５２を、第１チャンネル２５１と第３チャンネル２５３と無線通信部３０と制御部２１と電源部２３とから絶縁するように配置される。第２絶縁部４０２は、制御部２１と第２信号入出力部２２２との間に接続される信号絶縁部４２と、電源部２３と第２センサ電源２４２との間に接続される電源絶縁部４４とを含む。信号処理装置１０は、第３チャンネル２５３を他の構成部から絶縁する第３絶縁部４０３を更に備える。第３絶縁部４０３は、第３チャンネル２５３を、第１チャンネル２５１と第２チャンネル２５２と無線通信部３０と制御部２１と電源部２３とから絶縁するように配置される。第３絶縁部４０３は、制御部２１と第３信号入出力部２２３との間に接続される信号絶縁部４２と、電源部２３と第３センサ電源２４３との間に接続される電源絶縁部４４とを含む。

チャンネル同士が互いに絶縁されることによって、チャンネル間における相互の影響が低減され得る。チャンネルの数は、図５に例示される３つに限られず、２つ以下であってもよいし４つ以上であってもよい。チャンネルの数にかかわらず、全てのチャンネルが互いに絶縁されるように絶縁部４０が配置されてよい。チャンネルは、１又は複数のチャンネルを含むグループに分けられてもよい。各グループが互いに絶縁されるように絶縁部４０が配置されてもよい。

＜制御部２１による電源部２３の制御＞
図３～５に示されるように、制御部２１は、電源部２３を制御する信号を生成して電源部２３に出力してもよい。制御部２１は、信号入出力部２２から入力された信号に基づいてセンサ５０等の各構成部の状態を判定してよい。制御部２１は、各構成部の状態の判定結果に基づいて電源部２３から各構成部に対する給電を制御する信号を生成して電源部２３に出力してよい。

具体的に、制御部２１は、電源部２３から給電される構成部の一部に対する給電を停止させ、その後に給電を開始させることによって、給電を停止した構成部を再起動するように電源部２３を制御してよい。制御部２１は、図３に示されるように、無線通信部３０と絶縁されないように配置されている場合、無線通信部３０と絶縁されている信号入出力部２２又はセンサ電源２４に対する給電を停止させて再起動するように電源部２３を制御してよい。

制御部２１は、例えば、信号入出力部２２から入力される信号がセンサ５０の異常を表す場合に、信号入出力部２２、又は、センサ電源２４を再起動するように電源部２３を制御してよい。このようにすることで、センサ５０の異常が検知されたときに、センサ電源２４から給電されるセンサ５０が自動又は遠隔で再起動され得る。その結果、信号処理装置１０の利便性が向上し得る。

制御部２１は、例えば、センサ電源２４を必要なときだけオンにするように電源部２３を制御してよい。このようにすることで、センサ５０の省電力が実現され得る。

本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１信号処理システム（５０：センサ、５１～５３：第１～第３センサ、６０：外部電源）
１０信号処理装置
２０信号処理部（２１：制御部、２２：信号入出力部、２２１～２２３：第１～第３信号入出力部、２３：電源部、２４：センサ電源、２４１～２４３：第１～第３センサ電源、２５１～２５３：第１～第３チャンネル）
３０無線通信部
４０絶縁部（４０１～４０３：第１～第３絶縁部、４２：信号絶縁部、４４：電源絶縁部）

Claims

センサから入力される信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部の出力に基づく信号を外部装置へ無線通信する無線通信部と、
前記信号処理部の構成部の少なくとも一部と前記無線通信部とを絶縁する絶縁部と
を備える、信号処理装置。
前記信号処理部の前記構成部は、前記センサから信号が入力される信号入出力部、前記センサからの信号を処理する制御部、前記センサ及び前記信号入出力部に給電するセンサ電源、又は、前記無線通信部、前記制御部及び前記センサ電源に給電する電源部の少なくとも１つを含み、
前記絶縁部は、前記信号入出力部、前記制御部、センサ電源、又は、前記電源部の少なくとも１つと前記無線通信部とを絶縁する、請求項１に記載の信号処理装置。
前記信号処理部は、複数の前記センサそれぞれに接続される複数のチャンネルを含み、
前記絶縁部は、前記複数のチャンネルのうち、少なくとも１つのチャンネルと他のチャンネルとを絶縁する、請求項２に記載の信号処理装置。
前記絶縁部は、前記無線通信部、前記制御部及び前記電源部を含む回路と、前記信号入出力部及び前記センサ電源を含む回路とを絶縁する、請求項２又は３に記載の信号処理装置。
前記制御部は、異常が検知された前記センサに給電する前記センサ電源を再起動するように前記電源部を制御する、請求項２又は３に記載の信号処理装置。