JP5825480B2 - フィールド配線診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル出力モジュールにより操作されるスイッチ手段を介して電源電圧が供給されて動作するフィールド機器までの短絡異常を診断するための短絡診断部を備えるフィールド配線診断装置に関するものである。本発明は、安全制御システムにおいてデジタル出力モジュールを介して２値的に操作される電磁弁やリレー等までの短絡異常診断装置として有効に適用される。

図５は、安全制御システムにおけるデジタル出力モジュールの構成例を示す機能ブロック図である。安全制御システム１の上位装置１０は、制御バス２０を介してデジタル出力モジュール３０と通信し、プラントからのトリップ要求に基づくフィールド機器の操作指令をデジタル出力モジュール３０の制御部４０に送信する。

デジタル出力モジュール３０には、ＤＣ２４Ｖの外部電源Ｅおよび複数のフィールド機器Ｆ１，Ｆ２，…Ｆｎが接続され、外部電源Ｅがスイッチ手段Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎを介してフィールド機器Ｆ１，Ｆ２，…Ｆｎに印加され２値的に操作される。

制御部４０は、上位装置１０より所定の制御周期で渡されるトリップ指令に基づいて、トリップ操作対象のフィールド機器に接続するスイッチ手段をオンに操作する信号Ｍを発生する。

制御部４０は、安全制御システムの信頼性確保のために、フィールド機器Ｆ１，Ｆ２，…Ｆｎまでの短絡異常を周期的に監視して異常検出情報ＡＬを出力するための短絡診断部５０を備えている。フィールド配線の短絡診断機能を備えるデジタル出力装置については、特許文献１に技術開示がある。

短絡診断部５０は、制御部４０の制御周期の間の時間帯を利用してテストパルスＰによりスイッチ手段Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎを所定時間オンに操作し、フィールド機器Ｆ１，Ｆ２，…Ｆｎに流れる電流値を、電流検出手段Ｒ１，Ｒ２，…Ｒｎを介して読み返し電流値ｉ１，ｉ２，…ｉｎとして取得し、取得した読み返し電流値と短絡検出設定値とを比較し、読み返し電流値が短絡検出設定値を超えた時に異常検出情報ＡＬを出力する。

図６は、従来の短絡診断部５０の構成例を示す機能ブロック図である。簡単のため、スイッチ手段Ｓ１とフィールド機器Ｆ１による１チャンネルを代表として示してある。短絡診断部５０は、パルス出力手段５１、短絡診断手段５２、短絡検出値設定手段５３を備えている。

パルス出力手段５１からのテストパルスＰによりスイッチ手段Ｓ１がオンに操作されたときにフィールド機器Ｆ１に流れる電流が電流検出手段Ｒ１で検出され、読み返し電流値ｉ１が短絡診断手段５２に入力される。

短絡診断手段５２は、短絡検出値設定手段５３により固定の短絡検出値Ｉｓが設定入力されており、読み返し電流値ｉ１＞短絡検出値Ｉｓの場合に異常検出情報ＡＬを外部出力する。

特開２００６−２０９６１８号公報

従来装置では次のような問題がある。
（１）図７は、従来のフィールド配線診断装置における短絡検出動作の説明図である。配線が正常な状態でも、突入電流特性のあるフィールド機器を接続していた場合には、パルステストのタイミングで過大電流が発生する。

短絡診断手段５２は、この突入電流による短絡誤検出を回避するため、図７（Ａ）に示すように、短絡検出値Ｉｓを想定される突入電流値ｉ１よりも高い値に設定しなければならない。

（２）一方、実際に短絡した場合の電流値は、フィールド配線の配線抵抗により制限されるため、フィールド機器とモジュールを配線するときは短絡異常が検出できるように、短絡時のパルステスト読み返し電流＞ 短絡検出値を満たすように配線しなければならない。

従って、突入電流による誤検出回避のため短絡検出値を高く設定していた場合、配線距離（配線抵抗）が制限される問題がある。この対策として、フィールド機器の突入電流値に応じてチャンネル個別に短絡検出値を設定変更する手段も考えられるが、パルステスト読み返し電流近くに設定した場合、外部電源電圧の変動または温度変動による配線抵抗変動により突入電流値が変動し、図７（Ｂ）に示すように短絡異常を誤検出する可能性がある。

本発明の目的は、突入電流特性を持つフィールド機器に対する配線距離制限を緩和すると共に、外部要因による突入電流変動に対して誤検出することのないフィールド配線診断装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）デジタル出力モジュールにより操作されるスイッチ手段を介して電源電圧が供給されて動作するフィールド機器までの短絡異常を診断するための短絡診断部を備えるフィールド配線診断装置において、
前記短絡診断部は、
診断モード時に前記スイッチ手段を所定時間オンに操作するパルス出力手段と、
前記スイッチ手段がオンの期間に前記フィールド機器に流れる読み返し電流を受け読み返し電流値に応じた電流基準値を生成するとともにこの電流基準値にオフセット値を加算して短絡検出値を生成する短絡検出値生成手段と、
前記読み返し電流値と前記短絡検出値とを入力する短絡診断手段と、
を備えることを特徴とするフィールド配線診断装置。

（２）前記短絡検出値生成手段は、入力された前記読み返し電流値の所定期間の値を移動平均するフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力を保持し前記短絡検出値を更新処理して出力する電流基準値保持手段を備えることを特徴とする（１）に記載のフィールド配線診断装置。

（３）前記短絡検出値生成手段は、前記電流基準値保持手段の出力値に所定のオフセット値を付加するオフセット値設定手段を備え、前記オフセット値は前記電流基準値保持手段の出力に基づいて変更されることを特徴とする（２）に記載のフィールド配線診断装置。

（４）前記短絡検出値生成手段は、前記電源電圧の読み返し電源電圧値を入力して移動平均するフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力を更新して保持する電源基準値保持手段と、前記電源電圧の読み返し電源電圧値と前記電源基準値保持手段の出力値との比率を演算する除算手段とを備え、演算された前記比率により前記電流基準値保持手段の出力値または前記短絡診断手段に入力する前記読み返し電流値を補正することを特徴とする（２）または（３）に記載のフィールド配線診断装置。

（５）前記短絡検出値生成手段は、前記電流基準値保持手段の出力値を所定値で制限するリミット処理手段を備えることを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載のフィールド配線診断装置。

（６）前記診断手段からの異常検出情報または他チャンネルの異常検出情報に基づいて前記電流基準値保持手段の更新処理を停止させる更新停止手段を備えることを特徴とする（２）乃至（５）のいずれかに記載のフィールド配線診断装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）従来装置では、短絡検出値を高い固定値に設定していたが、本発明では現場のフィールド機器の突入電流に応じて短絡検出値が自動更新されるため、フィールド機器に対する配線距離制限が緩和される。

（２）外部電源電圧が変動して突入電流が変動しても、短絡検出値は変動を検出して補正されるため、短絡異常を誤検出することがない。

（３）温度変動で配線抵抗値が変動して突入電流が変動しても、電流基準値は常時更新しているため変動した突入電流値に追従する。このため、温度変動により短絡異常を誤検出することがない。

（４）一時的にノイズが混入して突入電流が変動しても、短絡検出値はフィルタリングして生成しているため変動することはない。一般的に診断は検出カウンタを備えており、ノイズにより数回エラーカウントされることがあっても、短絡異常を誤検出することがない。

（５）チャンネル異常の場合には基準値の更新を停止しているため、短絡異常を検出しているときに短絡検出値が更新され検出されなくなることはない。

本発明を適用したフィールド配線診断装置の一実施例を示す機能ブロック図である。 短絡検出値生成手段の構成例を示す機能ブロック図である。 オフセット値の特性図である。 本発明を適用したフィールド配線診断装置の他の実施例を示す機能ブロック図である。 安全制御システムにおけるデジタル出力モジュールの構成例を示す機能ブロック図である。 従来の短絡診断部の構成例を示す機能ブロック図である。 従来のフィールド配線診断装置における短絡検出動作の説明図である。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したフィールド配線診断装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６に示した従来装置との構成上の相違点は、固定した短絡検出値Ｉｓを短絡診断手段５２に出力する短絡検出値設定手段５３に代えて、読み返し電流値ｉ１を入力して動的に生成され自動更新される短絡検出値Ｉｆを短絡診断手段５２に出力する、短絡検出値生成手段１００を設けた構成にある。

さらに短絡検出値生成手段１００は、電流基準値に基づいて短絡検出値Ｉｆに付加するオフセット値を調整する機能、並びに読み返し電源電圧値Ｅを入力しその変動比率をリアルタイムに検出して短絡検出値Ｉｆまたは短絡診断手段５２に入力する読み返し電流値ｉ１を補正する機能を備える。

図２は、短絡検出値生成手段１００の構成例を示す機能ブロック図である。短絡検出値Ｉｆは、電流基準値保持手段１０１の電流基準値出力Ｉｏに基づいて生成される。フィルタ手段１０２は、読み返し電流ｉ１の現在値から所定期間前のデータを保持しその移動平均を演算して電流基準値保持手段１０１に渡す。

このようなフィルタ処理により、テスト時の突入電流が短時間に発生して読み返し電流ｉ１が急変しても電流基準値保持手段１０１の電流基準値出力Ｉｏは変動しないが、電源電圧変動や温度変動による読み返し電流ｉ１の緩慢な変動には追従し、環境変動に対して自動更新される。

電流基準値保持手段１０１の電流基準値出力Ｉｏは、オフセット値設定手段１０３からのオフセット値Ｑを加算手段１０４で加算処理される。図３は、オフセット値の特性図である。配線抵抗により電流基準値は変化するので、オフセット値Ｑは電流基準値のレベルに対して所定比率の可変値とする。

オフセット値が付加された加算手段１０４の出力は、乗算手段１０５により外部電源の変動比率ｋが乗算され、さらに、リミット処理手段１０６で上限値リミットされ、短絡検出値Ｉｆとして短絡診断手段５２に出力される。

電源基準値Ｅｏは、電源基準値保持手段１０７の出力に基づいて生成される。フィルタ手段１０８は、読み返し電源電圧値Ｅの現在値から所定期間前のデータを保持しその移動平均を演算して電源基準値保持手段１０７に渡す。

このようなフィルタ処理により、外部電源の電圧変動が短時間に発生して読み返し電源電圧Ｅが急変しても電源基準値保持手段１０７の電源基準値出力Ｅｏは変動しないが、電源電圧の緩慢な変動には追従し、環境変動に対して自動更新される。

読み返し電源電圧Ｅと電源基準値出力Ｅｏは除算手段で比率演算され、電源電圧Ｅの変動比率ｋが算出される。この変動比率ｋが乗算手段１０５で電流基準値Ｉｏを補正し、電源電圧変動に対する診断ミスを防止する。

図４は、本発明を適用したフィールド配線診断装置の他の実施例を示す機能ブロック図である。図２に示した実施例との相違点は、乗算手段１０５´により短絡診断手段５２に入力される読み返し電流値ｉ１に対して比率ｋを乗算する構成にある。短絡診断手段５２は、読み返し電流ｉ１と短絡検出値Ｉｆの差を監視するので、図２と同一の効果をもたらす。

図２、図４の実施例では、簡単のためフィールド機器１台の１チャンネルの構成を示したが、他のチャンネルの構成も同様である。異常停止手段２００は、自己のチャンネルの異常検出情報ＡＬまたは他のチャンネルの異常検出情報に基づいて電流基準値保持手段１０１の自動更新を停止させる。

以上説明した本発明によれば、現場のフィールド機器の突入電流に応じて短絡検出値が自動更新されるため、フィールド機器に対する配線距離制限が緩和される。さらに、外部電源電圧が変動して突入電流が変動しても、短絡検出値は変動を検出して補正されるため、短絡異常を誤検出することがない。

また、温度変動で配線抵抗値が変動して突入電流が変動しても、電流基準値は常時更新しているため変動した突入電流値に追従する。このため、温度変動により短絡異常を誤検出することがない。

一時的にノイズが混入して突入電流が変動しても、短絡検出値はフィルタリングして生成しているため変動することはない。一般的に診断は検出カウンタを備えており、ノイズにより数回エラーカウントされることがあっても、短絡異常を誤検出することがない。

チャンネル異常の場合には電流基準値の更新を停止しているため、短絡異常を検出しているときに短絡検出値が更新され検出されなくなることはない。

１ 安全制御システム
１０ 上位装置
２０ 制御バス
３０ デジタル出力モジュール
４０ 制御部
５０ 短絡診断部
５１ パルス出力手段
５２ 短絡診断手段
１００ 短絡検出値生成手段
１０１ 電流基準値保持手段
１０２ フィルタ手段
１０３ オフセット値設定手段
１０４ 加算手段
１０５、１０５´ 乗算手段
１０６ リミット処理手段
１０７ 電源基準値保持手段
１０８ フィルタ手段
１０９ 除算手段
２００ 更新停止手段

Claims (6)

1. デジタル出力モジュールにより操作されるスイッチ手段を介して電源電圧が供給されて動作するフィールド機器までの短絡異常を診断するための短絡診断部を備えるフィールド配線診断装置において、
   前記短絡診断部は、
   診断モード時に前記スイッチ手段を所定時間オンに操作するパルス出力手段と、
   前記スイッチ手段がオンの期間に前記フィールド機器に流れる読み返し電流を受け読み返し電流値に応じた電流基準値を生成するとともにこの電流基準値にオフセット値を加算して短絡検出値を生成する短絡検出値生成手段と、
   前記読み返し電流値と前記短絡検出値とを入力する短絡診断手段と、
   を備えることを特徴とするフィールド機器配線装置。
2. 前記短絡検出値生成手段は、入力された前記読み返し電流値の所定期間の値を移動平均するフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力を保持し前記短絡検出値を更新処理して出力する電流基準値保持手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド配線診断装置。
3. 前記短絡検出値生成手段は、前記電流基準値保持手段の出力値に所定のオフセット値を付加するオフセット値設定手段を備え、前記オフセット値は前記電流基準値保持手段の出力に基づいて変更されることを特徴とする請求項２に記載のフィールド配線診断装置。
4. 前記短絡検出値生成手段は、前記電源電圧の読み返し電源電圧値を入力して移動平均するフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力を更新して保持する電源基準値保持手段と、前記電源電圧の読み返し電源電圧値と前記電源基準値保持手段の出力値との比率を演算する除算手段とを備え、演算された前記比率により前記電流基準値保持手段の出力値または前記短絡診断手段に入力する前記読み返し電流値を補正することを特徴とする請求項２または３に記載のフィールド配線診断装置。
5. 前記短絡検出値生成手段は、前記電流基準値保持手段の出力値を所定値で制限するリミット処理手段を備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のフィールド配線診断装置。
6. 前記診断手段からの異常検出情報または他チャンネルの異常検出情報に基づいて前記電流基準値保持手段の更新処理を停止させる更新停止手段を備えることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のフィールド配線診断装置。

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